基于声发射和数值模型的球轴承点蚀疲劳寿命估计研究

Pitting is one of the most common failure types of rolling bearing. The large distribution of traditional life estimation methods makes them unsuitable for individual bearing life prediction. This project is aim to improve the remaining life estimation of rolling contact interfaces before pitting by combining fatigue modeling and Acoustic Emission (AE). The content of this research includes: (1) Design a life time experimental setup of ball bearing and acquire AE signals during whole test phases; Process the signals to reduce noise and separate AE from different fatigue sites; Analyze and obtain the correlations between AE characteristics and states of fatigue development via feature extraction methods. (2) Model the dynamic progress of rolling fatigue evolution with computational model, which simulates the whole procedure of mechanical fatigue from crack initiation to pitting formed, and the fatigue life can be estimated; Introduce energy release to the life computational model, investigate signal transfer path and function; Model the AE radiation mechanism, then revised according to experimental results; (3) Bridge the computational fatigue life model and experimental AE characteristics by the AE radiation mechanism model. The difference between experimental AE and predicted AE from radiation mechanism then is used to correct the parameters of life model, and a better life estimation can be achieved. The method will be further verified by online AE condition monitoring of ball bearing fatigue experiments. The research is essential for building more comprehensive methodologies for remaining life prediction of ball bearing and AE detection of machinery equipment.

疲劳点蚀是滚动轴承失效的重要形式，传统的寿命计算方法离散度太大，缺乏对个体的指导意义。课题以球轴承为对象，针对点蚀形成之前的疲劳早期阶段，研究基于损伤建模和声发射的个体疲劳寿命估计方法，内容包括：①研究点蚀形成过程中微弱声发射信号的获取、降噪方法和多源信号分离方法，提高信号质量，进而通过模态声发射理论、时频分析等方法揭示信号演化与疲劳进程的关系；②考虑微观材料非均匀性，构建涵盖"裂纹萌生-扩展-点蚀形成"的疲劳损伤演化和寿命估计数值模型，进而引入材料断裂的能量释放机制，根据传递路径和弹性波理论，提出疲劳损伤的声发射辐射仿真模型，并经实验修正完善；③以声发射辐射仿真模型为桥梁，建立实测声发射特征和疲劳损伤数值模型之间的联系，研究利用实测数据改善模型中参数的不确定性，提高疲劳寿命估计的置信度。最终在在线条件下对寿命估计方法进行验证。项目有助于深化声发射监测理论基础，完善轴承寿命评估的方法体系。

课题以球轴承为对象，针对点蚀形成之前的疲劳早期阶段，从基于数值模型的损伤过程仿真和基于声发射测试的实验手段两个方面研究了轴承疲劳损伤过程，为轴承个体寿命估计奠定基础。.在微弱声发射信号获取、分析方面：（1）设计并搭建了专用低噪声轴承疲劳试验台，缩短故障损伤声发射信号传递路径，提升监测信号质量；（2）提出针对声发射信号的二次相关去噪方法，从监测信号中有效提取早期损伤的微弱信号，增强故障特征；（3）建立了基于到达时间差的轴承损伤几何定位方法，从声发射脉冲信号中确定信号来源位置，分离不同损伤信号。.在疲劳损伤过程数值模型方面：（1）针对金属材料微观晶格结构，采用Voronoi多边形方法，研究了轴承接触疲劳损伤数值模型的建立方法；（2）基于损伤力学，建立了轴承接触疲劳裂纹产生、扩展的有限元模型，研究了裂纹扩展过程中的能量释放规律；（3）基于疲劳损伤数值模型，分析了内部结构、材料性能等典型因素对滚动接触疲劳寿命的影响。.在轴承疲劳损伤信号演化规律及特征分析方面：（1）开展轴承疲劳损伤全寿命周期实验，从实验声发射信号中分析信号特征与疲劳损伤阶段的对应关系；（2）针对噪声干扰问题，基于信息熵优化VMD研究轴承故障声发射、振动信号的特征提取技术，提出位置补偿系数的特征指标与疲劳过程敏感度评估方法；（3）基于最佳核熵数KECA，提出疲劳信息二次融合的特征指标建立新方法，研究了轴承疲劳演化过程中融合特征的演化规律。.依托项目研究内容，课题组在《Mechanical Systems and Signal Processing》等SCI检索国际期刊上发表和录用论文4篇，在《振动工程学报》、《振动与冲击》等国内权威EI期刊上发表或录用学术论文6篇，获授权发明专利2项，受理发明专利申请2项。在项目资助下，课题组获博士学位1人，硕士学位3人，目前1名博士、3名硕士在读。各项成果达到了课题立项时的要求。