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基于CNN和LSTM的航天用涂层型自润滑关节轴承寿命预测及可靠性评估

刘云帆, 林亮行, 马国政, 孙建芳, 苏峰华, 郭伟玲, 朱丽娜, 王海斗

刘云帆, 林亮行, 马国政, 等. 基于CNN和LSTM的航天用涂层型自润滑关节轴承寿命预测及可靠性评估[J]. 航天器环境工程, 2023, 40(5): 531-540 DOI: 10.12126/see.2023012
引用本文: 刘云帆, 林亮行, 马国政, 等. 基于CNN和LSTM的航天用涂层型自润滑关节轴承寿命预测及可靠性评估[J]. 航天器环境工程, 2023, 40(5): 531-540 DOI: 10.12126/see.2023012
LIU Y F, LIN L X, MA G Z, et al. Life prediction and reliability evaluation of coated self-lubricating spherical bearings for space applications based on CNN and LSTM[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2023, 40(5): 531-540. DOI: 10.12126/see.2023012
Citation: LIU Y F, LIN L X, MA G Z, et al. Life prediction and reliability evaluation of coated self-lubricating spherical bearings for space applications based on CNN and LSTM[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2023, 40(5): 531-540. DOI: 10.12126/see.2023012

基于CNN和LSTM的航天用涂层型自润滑关节轴承寿命预测及可靠性评估

基金项目: 国家自然科学基金项目(编号:52122508;52005511;52130509)
详细信息
    作者简介:

    刘云帆,博士研究生,主要从事极端工况表面工程和摩擦学的研究

    通讯作者:

    孙建芳,副教授,主要从事机械设计方向的研究。

    朱丽娜,副教授,主要从事涂层表面润湿性和耐磨性研究

  • 中图分类号: TH133.31

Life prediction and reliability evaluation of coated self-lubricating spherical bearings for space applications based on CNN and LSTM

  • 摘要: 为探索适用于涂层型自润滑关节轴承的寿命预测和可靠性评估方法,提出一种基于卷积神经网络(CNN)和长短期记忆(LSTM)神经网络的轴承剩余寿命预测模型。首先利用CNN对关节轴承的摩擦扭矩信号进行失效特征提取,然后将通过主成分分析(PCA)和滤波处理后的扭矩信号输入LSTM神经网络中进行训练,得到涂层型自润滑关节轴承寿命预测模型,可实现对轴承剩余寿命的准确预测。最后,基于加速寿命试验数据,采用两参数Weibull分布模型对涂层型自润滑关节轴承的服役可靠性进行评估,结果表明涂层型自润滑关节轴承在轻载低频工况下能够维持在高可靠性水平(90%)下进行长时间稳定服役。
    Abstract: A method for predicting the residual life of coated self-lubricating spherical bearings based on convolutional neural network (CNN) and long-short term memory neural network (LSTM) was proposed. Firstly, the failure features of the friction torque signal of the spherical bearing was extracted by CNN. Then the torque signals processed by principal component analysis (PCA) and filtering were input into LSTM neural network for training to obtain the life prediction model of coated self-lubricating spherical bearings, which enabled accurate predictions of the bearing residual life. Finally, based on the accelerated life tests, the reliability of coated self-lubricating spherical bearings was evaluated using a two-parameter Weibull distribution model. The results indicate that coated self-lubricating spherical bearings can maintain long-term stable work at high reliability levels (90%) under light load and low frequency.
  • 自润滑关节轴承是一种无需补充润滑剂的特殊关节轴承,在其相对运动表面涂(镀)或黏结有一层固体润滑材料,可以起到减小摩擦阻力、延长轴承寿命的作用[1-6]。应用于各类航天器机构中的关节轴承通常会面临着高真空、高低温循环、原子氧及紫外辐射等极为苛刻的服役环境[7-8]。因此,研究人员尝试将一些具有优异真空摩擦学性能的固体润滑材料(层状化合物、非晶碳基薄膜等)以涂层的形式运用至关节轴承表面[9-13],来提高轴承在空间环境下的服役寿命和可靠性。目前,涂层型自润滑关节轴承这一新型轴承已广泛应用于航天装备中的重要基础运动部件;对其服役寿命进行准确预测和可靠性评价是航天装备研制中的重要工作。

    关节轴承的服役寿命及可靠性研究一直以来都是轴承相关研究中的重点[14-16]。针对传统的衬垫型关节轴承,国外的SKF、NTN、INA以及FLURO等著名轴承公司很早就提出了适用于各自产品的轴承寿命计算公式[17]。同时,杨咸启等[18-19]引入设计制造质量系数,建立了一套适合于国产关节轴承的寿命计算方法,并推进颁布了JB/T 10860—2008标准,有力推动了国内关节轴承寿命计算方法的标准化进程。进一步地,邱明团队[20-21]基于组合磨损理论建立了衬垫型自润滑关节轴承的磨损寿命计算模型,并基于两参数Weibull分布模型以磨损量作为退化量对轴承进行可靠性评估。为缩短加速寿命试验的时长,邱明团队[22]设计了双加速应力试验方案对关节轴承在重载高频工况下的服役可靠性进行评估,结果表明轴承能在正常可靠度范围内维持长时间服役。杨育林等[17, 23]则针对重载低速工况下的衬垫型关节轴承进一步优化了寿命预测模型。然而,现有的关节轴承寿命预测研究主要集中于衬垫型关节轴承,其自润滑衬垫的磨损量通常为mm量级,但涂层型自润滑关节轴承的自润滑涂层厚度仅有1~5 μm,其磨损量难以由位移传感器精确实时地测量获取,因此不能参考传统的衬垫型关节轴承利用磨损量作为退化信息进行寿命预测和可靠性评估[21]。基于一些对滚动轴承的失效研究[24-26]以及我们的前期工作[27-28]可以发现,摩擦扭矩能够较好地反映关节轴承摩擦接触面在运行过程中的磨损状态,因此可以将扭矩信号作为退化特征来表征涂层型自润滑关节轴承的退化状态。

    随着机器学习、深度学习理论的快速发展,基于人工智能技术的寿命预测方法已成为进行机械零部件剩余寿命预测的主要手段之一[29-30]。邱明团队[22]基于灰色神经网络建立了衬垫型关节轴承的寿命预测模型,与传统BP神经网络模型相比,该模型将轴承预测寿命的平均相对误差降至3.9%。长短期记忆(LSTM)神经网络对时间序列有很高的敏感度,近年来在滚动轴承的寿命预测领域得到广泛应用。比较具有代表性的是Hotait等[31]对滚动轴承采集特征进行主元分析及筛选,将特征集合作为训练集输入LSTM神经网络得到轴承的寿命预测模型,经验证该模型有较好的泛化能力和预测精度。涂层型自润滑关节轴承的寿命预测可以借鉴这种较新的思路,寻找适合的特征(如摩擦扭矩)建立轴承的寿命预测模型。由于振动信号具平稳性,滚动轴承多采用时域或频域分析法进行信号特征提取。而涂层型自润滑关节轴承的摩擦扭矩信号为非平稳信号,因此须采用时频域信号分解方法对非平稳信号进行有效处理,以充分挖掘信号所包含的信息,实现信号特征提取[32]。卷积神经网络(CNN)具有收敛速度快、准确率高等优势,且能够挖掘数据中的深层特征[33-34]。CNN配合LSTM在处理时间序列应用中的优势,正好能够精确高效地对涂层型自润滑关节轴承剩余寿命进行预测,具备较好的预测精度以及失效预警效果。

    近年来,国内部分研究团队虽然已在涂层型自润滑关节轴承状态监测和失效机理研究方面取得了一些成果[22, 27],但并未深入进行轴承的寿命预测和可靠性评估工作,尤其缺乏适用于涂层型自润滑关节轴承的寿命预测方法。基于上述研究背景,本文针对涂层型自润滑关节轴承,以摩擦扭矩信号为原始输入,提出一种CNN与LSTM相结合的关节轴承寿命预测方法,以期为航天用涂层型自润滑关节轴承的可靠性评价、服役状态监测和在线维护提供理论依据和方法借鉴。

    涂层型自润滑关节轴承的工作环境复杂多变,因而其摩擦扭矩信号具有非平稳、随时间变化的特点。本文首先利用CNN对涂层型自润滑关节轴承的摩擦扭矩信号进行特征提取,其卷积层输出为

    $$ {y^{l(i,j)}} = K_i^l * {x^{l({r^j})}} = \sum\limits_{{j'} = 0}^{W - 1} {k_i^{l({j'})}} {x^{l(j + {j'})}} \text{,} $$ (1)

    式中:$ {x^{l({r^j})}} $为第l层中第j个卷积计算的局部序列r$ k_i^{l(j')} $为第l层的第i个卷积核的第j′个权值;$* $为卷积运算符,W为卷积核的宽度,在一维卷积中表现为覆盖区域信号的长度。

    然后,使用ReLU激活函数对$ {y^{l(i,j)}} $进行处理,

    $$ {a^{l(i,j)}} = f({y^{l(i,j)}}) = \max \{ 0,{y^{l(i,j)}}\} \text{,} $$ (2)

    式中,$ {a^{l(i,j)}} $$ {y^{l(i,j)}} $经激活函数处理后的结果,f代表激活函数。

    之后,还需要通过池化层对$ {a^{l(i,j)}} $进行特征降维处理,本文中采用最大值池化方法,令

    $$ {p^{l(i,j)}} = \mathop {\max }\limits_{(j - 1)V + 1 \leqslant t \leqslant jV} \{ {a^{l(i,t)}}\} \text{,} $$ (3)

    式中:$ {a^{l(i,t)}} $为第l层第i个特征的第t个神经元输出激活值;V为池化宽度。

    为能准确预测涂层型自润滑关节轴承的服役寿命,选用LSTM模型进行剩余寿命预测,该模型能够有选择性地添加新的信息或者遗忘先前的信息[35]。LSTM模型结构如图1所示。

    图  1  LSTM模型结构
    Figure  1.  Structure of LSTM model

    t时刻LSTM的输入为序列xt,隐藏层t−1时刻状态为ht−1,记忆单元t−1时刻状态为Ct−1,经过激活函数σ计算可得,

    $$ \left\{\begin{aligned} & {f}_{t}=\sigma ({\boldsymbol{W}}_{\mathrm{f}}\cdot \left[{h}_{t-1},{x}_{t}\right]+{b}_{\mathrm{f}})\\ & {i}_{t}=\sigma ({\boldsymbol{W}}_{\mathrm{i}}\cdot \left[{h}_{t-1},{x}_{t}\right]+{b}_{\mathrm{i}})\\ & {o}_{t}=\sigma ({\boldsymbol{W}}_{\mathrm{o}}\cdot \left[{h}_{t-1},{x}_{t}\right]+{b}_{\mathrm{o}})\end{aligned}\right. 。 $$ (4)

    式中:ftitot分别为遗忘门、输入门和输出门的计算结果;WfWiWo分别为三者的权重矩阵;bfbibo分别为三者的偏置项。

    t时刻后,更新后的状态Ct以及隐藏层状态ht

    $$ \left\{\begin{aligned} & \tilde{C}=\tanh\left({\boldsymbol{W}}_{\mathrm{c}}\cdot \left[{h}_{t-1},{x}_{t}\right]+{b}_{\mathrm{c}}\right)\\ & {C}_{t}={f}_{t}\circ {C}_{t-1}+{i}_{t}\circ \tilde{C}\\ & {h}_{t}={o}_{t}\cdot \tanh\left({C}_{t}\right)\end{aligned}\right. 。 $$ (5)

    式中:$ \tilde{C} $为候选状态更新值;Wcbc分别为更新后的权重矩阵和偏置项;符号$ \circ $表示按元素乘。

    涂层型自润滑关节轴承需要通过分析其摩擦扭矩信号的变化,利用CNN提取扭矩信号中的失效特征,然后由LSTM模型实现对涂层型自润滑关节轴承剩余寿命的准确预测。图2所示为本文提出的涂层型自润滑关节轴承寿命预测流程。

    图  2  涂层型自润滑关节轴承寿命预测流程
    Figure  2.  Flow chart for life prediction of coated self-lubricating spherical bearings

    具体流程如下:

    1)使用扭矩传感器对涂层型自润滑关节轴承的摩擦扭矩信号进行采集,并选取不同工况下的扭矩值作为训练集。

    2)对摩擦扭矩信号进行相对值处理,采用相对特征来表征轴承的失效状态,从而消除不同工况下关节轴承退化过程中摩擦扭矩的变化差异。

    3)将步骤2中的摩擦扭矩值作为CNN的输入,通过多层CNN对扭矩信号进行特征提取,得到能够表征关节轴承全寿命周期的信号特征,详细计算过程参考2.1节。

    4)对CNN所提取的摩擦扭矩信号特征进行主成分分析(PCA),将信号特征重新组合成一组新的综合变量,从而实现数据降维、减少计算量,获取能够表征轴承失效过程的第一成分。

    5)将信号特征输入LSTM模型前利用Savitzky-Golay(S-G)滤波法进行降噪平滑处理,将处理后的特征输入LSTM神经网络进行训练,构建寿命预测模型。其中,训练数据中退化节点前的轴承寿命设置为1,退化节点后轴承剩余寿命需经过Min-Max标准化处理;最后采用均方误差(MSE)以及平均绝对误差(MAE)对寿命预测模型的预测精度进行评估。

    为验证本文所提出的轴承寿命预测模型效果,首先在低速摆动磨损寿命试验机上进行轴承加速寿命试验以获取关节轴承寿命数据。具体采用高精度的扭矩传感器对摩擦扭矩信号进行采集,设定每间隔120个摆动周期采集1次扭矩最大值[27]。试验所用轴承为自制的涂层型自润滑关节轴承,型号GE17E/HEK,且为同一批次生产。轴承实物和结构如图3所示,内圈外球面涂层为双层a-C:H/MoS2薄膜,外圈内球面涂层为a-C:H薄膜。

    图  3  GE17E/HEK涂层型自润滑关节轴承
    Figure  3.  GE17E/HEK coated self-lubricating spherical bearing

    加速寿命试验方案要点如下:1)在常温常压环境下进行;2)试验机的固定摆动角度为±10°,摆动频率为2.0 Hz;3)基于设备条件,加速试验为恒定单一应力加速寿命试验,加速应力为径向载荷,设置4个加速应力等级(分别为100 N、200 N、300 N和500 N),每个加速应力下的重复组数为4组;4)前期研究中发现当轴承在运行过程中出现扭矩信号明显上升或突变时说明轴承已经发生磨损失效,因此在加速寿命试验中设定,当轴承扭矩上升为平均值的1.5倍以上且持续时间超过5 min时判定轴承失效,停止试验。表1所示为加速寿命试验参数及试验结果。

    表  1  加速寿命试验结果
    Table  1.  Accelerated life test results
    轴承编号径向载荷/N磨损寿命/次数据划分
    No.1100132 720训练集
    No.2142 550
    No.3137 800
    No.420082 100
    No.589 140
    No.663 000
    No.730046 400
    No.851 260
    No.964 090
    No.1050033 080
    No.1138 130
    No.1243 660
    No.13100180 260测试集
    No.1420073 780
    No.1530050 940
    No.1650031 600
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    表1所示,将轴承No.1~No.12的测试数据作为训练集,轴承No.13~No.16的测试数据作为测试集。按照图2所示的流程将原始摩擦扭矩值作为输入,将经过预处理后的扭矩值输入多层CNN中,CNN的主要结构参数如表2所示。利用CNN对摩擦扭矩信号中能够表征轴承失效状态的特征进行提取,以100 N工况为例,CNN处理后的结果如图4所示。

    表  2  CNN结构及训练参数
    Table  2.  CNN structure and training parameters
    CNN层1卷积核个数:16卷积核大小:11卷积步长:4
    池化层1池化窗口大小:2
    Dropout层1舍弃率:0.15
    CNN层2卷积核个数:32卷积核大小:9卷积步长:8
    池化层2池化窗口大小:2
    Dropout层2舍弃率:0.15
    全连接层1神经元数:100
    全连接层2神经元数:50
    全连接层3神经元数:1
    优化器Adam
    训练步数100
    训练批量大小128
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    图  4  CNN对100 N工况下轴承摩擦扭矩信号的特征提取结果
    Figure  4.  Feature extraction results of bearing friction torque signal under 100 N by CNN

    随后对提取的特征信号进行PCA,其中本文所提取的第一成分方差贡献率均大于90%,将经过S-G降噪平滑处理后的特征输入本文建立的涂层型自润滑关节轴承寿命预测模型中。LSTM的主要结构参数如表3所示,采用Adam优化器,为提高预测模型的训练精度及速度,初始学习率设置为0.001;为防止预测模型过拟合,选用舍弃率表征模型中记忆体单元被暂时舍弃的概率,并将舍弃率设置为0.3;为提高收敛速度和预测趋势的准确度,训练步数和批量大小分别设置为200和128。如图5所示,寿命预测模型的收敛速度较快,且随着训练次数的增加,训练集误差与测试集误差逐渐降低,最小误差低于0.02并趋于稳定,表明模型收敛性好。

    表  3  LSTM结构及训练参数
    Table  3.  LSTM structure and training parameters
    LSTM层1记忆体单元数:120
    Dropout层1舍弃率:0.3
    LSTM层2记忆体单元数:120
    Dropout层2舍弃率:0.3
    全连接层1神经元数:100
    全连接层2神经元数:1
    优化器Adam
    训练步数200
    训练批量大小128
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    图  5  CNN+LSTM模型在训练集和测试集上的误差曲线
    Figure  5.  Error curves of CNN+LSTM model in training set and test set

    为验证CNN+LSTM模型的预测效果,将传统LSTM模型作为对比模型。测试集(轴承No.13~No.16)的寿命预测结果如图6所示,可以看到,在稳定服役阶段,LSTM对轴承寿命的预测误差较大,而CNN的引入则较大程度上提升了LSTM对轴承稳定期寿命的预测精度;在服役后期,虽然两种模型的寿命预测精度都得到了一定程度的提升,但CNN+LSTM模型对实际寿命数据的拟合效果显然更为精确。以上结果说明,相较于传统LSTM模型,CNN+LSTM模型实现了对不同加速应力下轴承全阶段服役寿命的高精度拟合。

    图  6  CNN+LSTM模型和传统LSTM模型对不同加速应力下轴承剩余寿命的预测结果对比
    Figure  6.  Comparison of prediction results of CNN+LSTM model and traditional LSTM model on bearing residual life under different acceleration stresses

    为进一步考察CNN+LSTM模型的剩余寿命预测精度,本文任意选取归一化剩余寿命比例0.3为检验点。两种模型的剩余寿命预测结果如图6表4所示,CNN+LSTM模型对检验点剩余寿命预测误差远小于传统LSTM模型,与检验点的实际剩余寿命相比,CNN+LSTM模型的最大预测误差仅为4145次;同时对轴承全寿命预测相对误差也控制在6%以内,最小仅为0.79%。而传统LSTM模型对检验点的剩余寿命误差最大为13 834次,各加速应力下对轴承全寿命预测误差均大于CNN+LSTM模型。预测结果表明,引入的CNN能够发挥其自身优势,深层次挖掘涂层型自润滑关节轴承摩擦扭矩信号的失效特征,从而较大程度提高了LSTM模型的寿命预测精度。

    表  4  预测模型的寿命预测精度比较
    Table  4.  Comparison of life prediction accuracy among models
    测试
    轴承
    预测
    模型
    检验点
    预测
    剩余
    寿命/
    检验点
    实际
    剩余
    寿命/
    预测
    误差/
    预测
    寿命/
    实际
    寿命/
    全寿命
    预测
    误差/
    %
    No.13LSTM14 43460013 834194 094180 2607.13
    CNN+LSTM13 78711 8261961182 210180 2601.08
    No.14LSTM750212 960545868 32273 7807.99
    CNN+LSTM821512 360414569 63573 7805.61
    No.15LSTM42522520173252 67250 9403.29
    CNN+LSTM4298360069851 63850 9401.37
    No.16LSTM126772054732 14731 6001.70
    CNN+LSTM121296025231 85231 6000.79
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    采用MSE和MAE两项指标对CNN+LSTM和传统LSTM寿命预测模型的预测精度进行评估,结果如表5所示。相比于传统LSTM模型,本文所建立的CNN+LSTM模型的预测精度有较大的提升,CNN+LSTM模型对轴承预测寿命的MSE值降低最大约74.4%,MAE值降低最大约53.5%。以上指标对比表明,本文所建立的CNN+LSTM寿命预测模型能够较为准确地对涂层型自润滑关节轴承的服役寿命进行预测,通过人为设置检验点也能较为准确地实现对涂层型自润滑关节轴承剩余寿命的预测,这为在实际应用中指导航天机构中的关节轴承的及时更换和维护提供了一定的理论依据。

    表  5  寿命预测模型的预测精度评估
    Table  5.  Life prediction accuracy evaluation of models
    测试轴承预测模型评价指标
    MSEMAE
    No.13LSTM0.019 50.101 6
    CNN+LSTM0.008 20.048 1
    No.14LSTM0.012 90.072 3
    CNN+LSTM0.003 30.037 5
    No.15LSTM0.015 60.096 1
    CNN+LSTM0.006 40.054 8
    No.16LSTM0.009 10.070 1
    CNN+LSTM0.002 70.029 0
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    在加速寿命试验的基础上,采用两参数Weibull分布模型[14, 20, 36]对涂层型自润滑关节轴承的可靠性进行评估。具体基于以下假设:

    假设1——在不同加速应力(径向载荷)下的轴承寿命数据都服从两参数的Weibull分布,则第i加速应力水平下的概率分布函数为

    $$ {F_{i}} = 1 - \exp \left[ { {\text -} {{\left( {\frac{t}{{{\eta _i}}}} \right)}^{{m_i}}}} \right],i = 1,2,3,\cdots,n 。 $$ (6)

    式中:t为每套轴承的寿命试验时间(单位为次),t>0;m为形状参数;η为尺度参数(即特征寿命)。

    假设2——在不同加速应力下(即低载、中低频范围内)的涂层型自润滑关节轴承的失效机理保持不变,皆为涂层的磨损失效。

    假设3——选择逆幂律模型作为涂层型自润滑关节轴承的加速模型[15],即轴承的加速寿命方程为

    $$ \ln \eta (S) = a + b\lg (S) , $$ (7)

    式中:η为特征寿命;S为加速应力(径向载荷);ab为加速寿命方程的系数。

    利用拟合优度检验法对不同加速应力下的轴承寿命进行假设检验,由表6的检验结果可知,不同加速应力下的Weibull分布P值都大于0.05,进一步表明加速应力下的涂层型自润滑关节轴承的寿命服从两参数的Weibull分布,从而验证了假设1的合理性。

    表  6  不同加速应力下的轴承磨损寿命分布拟合检验
    Table  6.  Fitting test of bearing wear life distribution under different accelerating stresses
    加速应力/NWeibull分布PAnderson-Darling值
    100>0.2503.159
    200>0.2502.918
    300>0.2503.116
    500>0.2502.971
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    在小样本的可靠性评估中,最大似然估计法(maximum likelihood estimation, MLE)的参数估计精度大于最佳线性无偏估计法(best linear unbiased estimation, BULE)[37-38]。因此,本文在关节轴承的可靠性评估中,选择MLE对Weibull分布模型中的参数进行估计,见表7,其中m值处于合理范围内[22],结合前期试验结果也进一步表明不同加速应力下的轴承失效机理并未发生改变[27],验证了假设2的合理性。

    表  7  不同加速应力下的可靠性模型参数估计值
    Table  7.  Estimates of reliability model parameters under different acceleration stresses
    加速应力/N形状参数m尺度参数η
    1007.72157 100
    2009.4981 260
    3008.5655 813
    5008.2738 766
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    基于以上的参数,可以得到不同加速应力下的涂层型自润滑关节轴承可靠度曲线,如图7所示。以100 N应力载荷下的可靠度曲线为例,可以看到:GE17E/HEK型关节轴承的可靠度在服役初期下降极其缓慢,始终保持在较高水平;而随着服役时间的延长,其可靠度逐步降低且下降速率逐渐加快,表明在服役后期轴承会迅速发生失效。这也进一步说明,在轴承的稳定磨损阶段后期,轴承相对运动表面遭受了较为严重的磨粒磨损,涂层在短时间内迅速被磨损掉,基体也随之裸露,最终导致轴承失效[28]

    图  7  不同加速应力下的涂层型自润滑关节轴承可靠度曲线
    Figure  7.  Reliability curves of coated self-lubricating spherical bearings under different acceleration stresses

    涂层型自润滑关节轴承加速寿命拟合曲线如图8所示,加速寿命方程(式(7))中系数ab的拟合值分别为16.22、-0.921 6,拟合确定系数R2为0.998 3,说明加速模型拟合效果较好,逆幂律加速寿命方程能够较好地描述加速应力与轴承寿命间关系,验证了假设3的合理性。

    图  8  涂层型自润滑关节轴承的加速寿命模型拟合曲线
    Figure  8.  Fitted curve of acceleration life model for coated self-lubricating spherical bearings

    另外,由图7可以看到,在100 N、200 N、300 N和500 N加速应力下,GE17E/HEK型关节轴承可靠度为90%时对应的寿命分别为117394次、64115次、42906次和26558次。这说明在对应相同的可靠度要求时,随加速应力的增大,关节轴承的寿命呈现急剧下降的趋势,同时在高可靠度水平(90%)下的维持时间也呈现递减趋势,进一步表明GE17E/HEK型关节轴承更适合在较低载荷范围内服役,在较高载荷下的服役可靠度并不高。

    对比传统衬垫型关节轴承的可靠度曲线[22],可以发现涂层型自润滑关节轴承在低载荷范围内保持较高可靠度水平(90%)服役的时间更长;而衬垫型关节轴承一般服役于重载高频工况,且相关研究结果表明其在大部分服役期间内的可靠度水平较低。

    本文基于摩擦扭矩信号时序相关性强的特点,提出一种CNN与LSTM相结合的涂层型自润滑关节轴承剩余使用寿命预测模型。相较于传统LSTM预测模型,该模型构造及数据处理过程简单,且具有较高预测精度。利用CNN能够较大程度地挖掘涂层型自润滑关节轴承摩擦扭矩信号的失效特征,结合LSTM实现对轴承在轻载低频范围内的剩余寿命的准确预测,比传统LSTM模型的预测精度最高提升约74.4%。而与实际轴承寿命值相比,CNN和LSTM相结合的方法对轴承全寿命的预测相对误差控制在6%以内。基于加速寿命试验数据,进一步对涂层型自润滑关节轴承的服役可靠性进行评估发现,在低载荷(100 N)工况下,GE17E/HEK涂层型自润滑关节轴承在其约60%的寿命周期内都能够维持高可靠度水平(90%)服役;而随着加速应力的增大,轴承的可靠度以及工作能力逐渐下降。

    已知涂层型自润滑关节轴承的性能主要依赖于自润滑涂层的摩擦学性能,因此在后续工作中为提高此类轴承的服役寿命和可靠性,还需进一步开发综合性能更加优异的自润滑涂层体系。

  • 图  1   LSTM模型结构

    Figure  1.   Structure of LSTM model

    图  2   涂层型自润滑关节轴承寿命预测流程

    Figure  2.   Flow chart for life prediction of coated self-lubricating spherical bearings

    图  3   GE17E/HEK涂层型自润滑关节轴承

    Figure  3.   GE17E/HEK coated self-lubricating spherical bearing

    图  4   CNN对100 N工况下轴承摩擦扭矩信号的特征提取结果

    Figure  4.   Feature extraction results of bearing friction torque signal under 100 N by CNN

    图  5   CNN+LSTM模型在训练集和测试集上的误差曲线

    Figure  5.   Error curves of CNN+LSTM model in training set and test set

    图  6   CNN+LSTM模型和传统LSTM模型对不同加速应力下轴承剩余寿命的预测结果对比

    Figure  6.   Comparison of prediction results of CNN+LSTM model and traditional LSTM model on bearing residual life under different acceleration stresses

    图  7   不同加速应力下的涂层型自润滑关节轴承可靠度曲线

    Figure  7.   Reliability curves of coated self-lubricating spherical bearings under different acceleration stresses

    图  8   涂层型自润滑关节轴承的加速寿命模型拟合曲线

    Figure  8.   Fitted curve of acceleration life model for coated self-lubricating spherical bearings

    表  1   加速寿命试验结果

    Table  1   Accelerated life test results

    轴承编号径向载荷/N磨损寿命/次数据划分
    No.1100132 720训练集
    No.2142 550
    No.3137 800
    No.420082 100
    No.589 140
    No.663 000
    No.730046 400
    No.851 260
    No.964 090
    No.1050033 080
    No.1138 130
    No.1243 660
    No.13100180 260测试集
    No.1420073 780
    No.1530050 940
    No.1650031 600
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    表  2   CNN结构及训练参数

    Table  2   CNN structure and training parameters

    CNN层1卷积核个数:16卷积核大小:11卷积步长:4
    池化层1池化窗口大小:2
    Dropout层1舍弃率:0.15
    CNN层2卷积核个数:32卷积核大小:9卷积步长:8
    池化层2池化窗口大小:2
    Dropout层2舍弃率:0.15
    全连接层1神经元数:100
    全连接层2神经元数:50
    全连接层3神经元数:1
    优化器Adam
    训练步数100
    训练批量大小128
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    表  3   LSTM结构及训练参数

    Table  3   LSTM structure and training parameters

    LSTM层1记忆体单元数:120
    Dropout层1舍弃率:0.3
    LSTM层2记忆体单元数:120
    Dropout层2舍弃率:0.3
    全连接层1神经元数:100
    全连接层2神经元数:1
    优化器Adam
    训练步数200
    训练批量大小128
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    表  4   预测模型的寿命预测精度比较

    Table  4   Comparison of life prediction accuracy among models

    测试
    轴承
    预测
    模型
    检验点
    预测
    剩余
    寿命/
    检验点
    实际
    剩余
    寿命/
    预测
    误差/
    预测
    寿命/
    实际
    寿命/
    全寿命
    预测
    误差/
    %
    No.13LSTM14 43460013 834194 094180 2607.13
    CNN+LSTM13 78711 8261961182 210180 2601.08
    No.14LSTM750212 960545868 32273 7807.99
    CNN+LSTM821512 360414569 63573 7805.61
    No.15LSTM42522520173252 67250 9403.29
    CNN+LSTM4298360069851 63850 9401.37
    No.16LSTM126772054732 14731 6001.70
    CNN+LSTM121296025231 85231 6000.79
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    表  5   寿命预测模型的预测精度评估

    Table  5   Life prediction accuracy evaluation of models

    测试轴承预测模型评价指标
    MSEMAE
    No.13LSTM0.019 50.101 6
    CNN+LSTM0.008 20.048 1
    No.14LSTM0.012 90.072 3
    CNN+LSTM0.003 30.037 5
    No.15LSTM0.015 60.096 1
    CNN+LSTM0.006 40.054 8
    No.16LSTM0.009 10.070 1
    CNN+LSTM0.002 70.029 0
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    表  6   不同加速应力下的轴承磨损寿命分布拟合检验

    Table  6   Fitting test of bearing wear life distribution under different accelerating stresses

    加速应力/NWeibull分布PAnderson-Darling值
    100>0.2503.159
    200>0.2502.918
    300>0.2503.116
    500>0.2502.971
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    表  7   不同加速应力下的可靠性模型参数估计值

    Table  7   Estimates of reliability model parameters under different acceleration stresses

    加速应力/N形状参数m尺度参数η
    1007.72157 100
    2009.4981 260
    3008.5655 813
    5008.2738 766
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-16
  • 修回日期:  2023-09-14
  • 网络出版日期:  2023-10-30
  • 发布日期:  2023-10-30

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