CN107490479B - 轴承剩余寿命预测方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴承剩余寿命预测方法，包括采集第一轴承在整个服役过程中的第一温度数据，并根据第一温度数据计算第一故障指数；根据第一故障指数及其对应的第一轴承的已运行里程，建立故障指数与轴承已运行里程的关系；根据轴承的设计寿命减去轴承已运行里程即是轴承剩余寿命，进而建立故障指数与轴承剩余寿命的关系；将第二轴承的第二故障指数代入故障指数与轴承剩余寿命的关系，得到第二轴承的剩余寿命。本发明可对运行过程中的轴承进行剩余寿命预测，将轴承健康程度考虑在内，无需进入检修段检修。本发明还公开了一种轴承剩余寿命预测装置。

Description

轴承剩余寿命预测方法与装置
技术领域
本发明涉及轴承剩余寿命预测领域，具体地，涉及一种轴承剩余寿命预测方法与装置。
背景技术
随着大量动车组的运营，对于动车组的检修工作随之开展。目前动车组检修方式主要是预防性检修，但是预防性检修容易造成过度维修的问题，造成维修成本增加。动车组牵引电机的轴承是牵引电机的重要组成部分，对于牵引电机轴承的检修是保障动车组安全可靠运行的关键因素。所以，通常选用动车组牵引电机轴承为对象，判断其是否需要维修。
目前对动车组牵引电机轴承的检修大多是通过轴承温度阈值预警的方式进行，即当轴承温度达到一定数值时发出报警。但是轴温故障预警存在以下两点缺陷：一方面，预警阈值通常来自于专家经验，而根据经验得出的数值通常只是一个大概数值，无法适应不同的气候、季节和环境等因素。例如我国南北方温度差异大，如果采用统一阈值进行判断，则实际上北方列车的故障率会更低，使得其中存在安全隐患。另一方面，轴温故障预警只能判断轴承当前情况是健康或者故障，而无法判断轴承的磨损程度，进而进行剩余寿命预测。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种轴承剩余寿命预测方法与装置，以解决现有的轴承故障检修方式不能进行剩余寿命预测的问题。
本发明的一个方面是提供一种轴承剩余寿命预测方法，包括以下步骤：
将第一轴承的整个服役过程分为多个第一运行里程段，设置所述第一轴承的温度数据采集点，分别采集在每个第一运行里程段内的所述温度数据采集点处的第一温度数据，并根据所述温度数据计算所述第一轴承在每个第一运行里程段内的第一故障指数；
根据多个所述第一故障指数以及所述第一故障指数对应的所述第一轴承的已运行里程，建立故障指数与轴承已运行里程的关系；
根据轴承的设计寿命减去轴承已运行里程即是轴承剩余寿命，进而建立故障指数与轴承剩余寿命的关系；以及
设置第二轴承的温度数据采集点，采集在第二轴承的任意的第二运行里程段内的所述温度数据采集点处的第二温度数据，并根据所述第二温度数据计算第二轴承在所述第二运行里程段内的第二故障指数，将所述第二故障指数代入所述故障指数与轴承剩余寿命的关系，得到在所述第二故障指数对应的所述第二运行里程段内所述第二轴承的剩余寿命。
优选地，计算所述第一轴承在每个所述第一运行里程段内的第一故障指数包括：
对所述第一轴承的第一温度数据进行预处理，剔除所述第一轴承的第一温度数据中的异常点，使得所述第一轴承的第一温度数据呈现单调递增或递减变化趋势；
提取每个所述第一运行里程段内的所述第一轴承的第一温度数据中最高温度值、第四分之三高温度值、第四分之一高温度值、最低温度值；
每个所述第一运行里程段内的所述第一故障指数即为第四分之三高温度值和第四分之一高温度值的均值乘以最高温度值和第四分之三高温度值的差值。
优选地，将所述第一轴承每运行同等里程包括的多个所述第一运行里程段分为一组，分别得到组内每个所述第一运行里程段内所述第一轴承的最高温度值、第四分之三高温度值以及第四分之一高温度值，计算组内各个最高温度值的平均值、第四分之三高温度值的平均值以及第四分之一高温度值的平均值，根据最高温度值的平均值、第四分之三高温度值的平均值以及第四分之一高温度值的平均值计算所述第一故障指数。
优选地，所述第二轴承的剩余寿命小于预设阈值时，发出警报信息。
优选地，在分别采集在每个所述第一运行里程段内的温度数据采集点处的多个第一温度数据的过程中，在所述第一轴承上设置的温度数据采集点的位置相同，采集温度数据的时间间隔相等。
优选地，所述故障指数越大，所述轴承的剩余寿命越小。
优选地，所述第一轴承与所述第二轴承均是动车组牵引电机上安装的轴承。
本发明的另一个方面提供一种轴承剩余寿命预测装置，包括：
数据采集单元，分别采集第一轴承在整个服役过程中的多个第一运行里程段内的多个第一温度数据以及第二轴承在任意的第二运行里程段内的第二温度数据；
第一数据计算单元，接收所述第一数据采集单元传输的所述多个第一温度数据，根据所述第一温度数据计算所述第一轴承在每个所述第一运行里程段内的第一故障指数，并将所述第一故障指数发送至第一模型构造单元；
第一模型构造单元，接收所述第一数据计算单元发送的所述第一故障指数，根据多个所述第一故障指数以及所述第一故障指数对应的所述第一轴承的已运行里程，建立故障指数与轴承已运行里程的关系，并将已运行里程与故障指数的关系发送至第二模型构造单元；
第二模型构造单元，接收所述第一模型构造单元发送的轴承已运行里程与故障指数的关系，根据轴承的设计寿命减去轴承已运行里程即是轴承剩余寿命，进而建立故障指数与轴承剩余寿命的关系；以及
第二数据计算单元，接收所述数据采集单元传输的所述第二温度数据，根据所述第二温度数据计算第二轴承在所述第二运行里程段内的第二故障指数，并将所述第二故障指数代入所述故障指数与轴承剩余寿命的关系，得到在所述第二故障指数对应的所述第二运行里程段内所述第二轴承的剩余寿命。
优选地，所述轴承剩余寿命预测装置还包括报警单元，所述第二轴承的剩余寿命小于预设阈值时，所述报警单元发出警报信息。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明通过第一轴承在整个服役过程中的第一温度数据计算第一故障指数，通过建立轴承已运行里程与故障指数的关系以及故障指数与轴承剩余寿命的关系，在计算得到第二轴承在任意的第二运行里程段内的第二故障指数时，可直接根据故障指数与轴承剩余寿命的关系得到第二故障指数对应的第二运行里程段内第二轴承的剩余寿命。因此，本发明可对运行中的轴承进行在线剩余寿命预测，无需进入检修段检修，将对轴承的维修由预防性维修改为状态修。本发明对轴承的剩余寿命计算时考虑到轴承的健康程度对轴承运行里程及轴承寿命的影响，提高预测轴承剩余寿命结果的准确性。
附图说明
图1是本发明所述轴承剩余寿命预测方法流程示意图；
图2是本发明所述轴承剩余寿命预测装置结构框图；
图3是本发明所述轴承健康程度标定方法流程示意图；
图4a是本发明所述一个实施例中轴承故障指数示意图；
图4b是本发明所述一个实施例中轴承已运行里程与故障指数关系曲线示意图；
图4c是本发明所述一个实施例中故障指数与轴承剩余寿命关系曲线示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
下面结合图1至图4c来详细说明本发明。
图1是本发明所述轴承剩余寿命预测方法流程示意图，如图1所示，所述轴承剩余寿命预测方法包括以下步骤：
S1.将第一轴承的整个服役过程分为多个第一运行里程段，设置第一轴承的温度数据采集点，分别采集在每个第一运行里程段内的温度数据采集点处的第一温度数据，并根据所述第一温度数据计算第一轴承在每个第一运行里程段内的第一故障指数。
具体地，在第一运行里程段内运行过程中的第一轴承的温度数据采集点处设置温度传感器，利用数据采集仪采集运行过程中第一轴承的多个第一温度数据。根据第一轴承的多个第一温度数据计算第一轴承在每个第一运行里程段内的第一故障指数。用故障指数来表征轴承的健康程度，优选地，故障指数越大，表明轴承健康程度越差，即，轴承剩余寿命越小。
S2.根据多个第一故障指数以及第一故障指数对应的第一轴承的已运行里程，建立故障指数与轴承已运行里程的关系。
S3.根据轴承的设计寿命减去轴承已运行里程即是轴承剩余寿命，进而建立故障指数与轴承剩余寿命的关系。
轴承的设计寿命可用里程表示，所以，用轴承的设计寿命减去轴承已运行里程即是轴承剩余寿命，从而建立故障指数与轴承剩余寿命的关系，用故障指数表征轴承健康程度，在预测轴承剩余寿命时，将轴承的健康程度考虑在内。
S4.设置第二轴承的温度数据采集点，采集在第二轴承的任意的第二运行里程段内的所述温度数据采集点处的第二温度数据，并根据所述第二温度数据计算第二轴承在第二运行里程段内的第二故障指数，将第二故障指数代入故障指数与轴承剩余寿命的关系，得到在第二故障指数对应的第二运行里程段内第二轴承的剩余寿命。
具体地，在第二运行里程段内运行过程中的第二轴承的第二温度数据采集点处设置温度传感器，利用数据采集仪采集运行过程中第二轴承的第二温度数据。根据第二轴承的第二温度数据计算第二轴承在第二运行里程段内的第二故障指数。其中，选择的第二运行里程段可以是第二轴承在整个服役过程中的任意一个里程段。
本发明通过建立故障指数与轴承剩余寿命的关系，可对运行中的轴承进行在线剩余寿命预测，无需进入检修段检修，将对轴承的维修由预防性维修改为状态修。本发明对轴承的剩余寿命计算时考虑到轴承的健康程度对轴承运行里程及轴承寿命的影响，提高预测轴承剩余寿命结果的准确性。
为了便于及时得知动车组牵引电机轴承的健康程度，优选地，第二轴承的剩余寿命小于预设阈值时，发出警报信息。第二轴承的剩余寿命小于预设阈值，则表示第二轴承出现故障的几率较大，需要关注第二轴承的运行状态，以便及时维修，而第二轴承的剩余寿命为0时，则表示第二轴承出现严重故障，需要更换。
优选地，在步骤S1中，在分别采集在每个第一运行里程段内的温度数据采集点处的多个第一温度数据的过程中，在第一轴承上设置的温度数据采集点的位置相同，且对采集点采集温度数据的时间间隔相等，便于保证结果的可靠性，降低温度数据采集的不同对轴承故障指数计算的影响。
优选地，步骤S1中，计算第一轴承在每个第一运行里程段内的第一故障指数包括：
对第一轴承的第一温度数据进行预处理，即，将采集的第一轴承的第一温度数据中温度异常升高或降低的异常点剔除，使得第一温度数据呈现单调递增或递减变化趋势；提取第一温度数据中最高温度值、第四分之三高温度值、第四分之一高温度值、最低温度值；第一故障指数即为第四分之三高温度值和第四分之一高温度值的均值乘以最高温度值和第四分之三高温度值的差值。此方法同样适用于步骤S4中根据第二温度数据对第二轴承在第二运行里程段内的第二故障指数的计算。
优选地，将第一轴承每运行同等里程包括的多个第一运行里程段分为一组，分别得到组内每个第一运行里程段内第一轴承的最高温度值、第四分之三高温度值以及第四分之一高温度值，计算组内各个最高温度值的平均值、第四分之三高温度值的平均值以及第四分之一高温度值的平均值，根据最高温度值的平均值、第四分之三高温度值的平均值以及第四分之一高温度值的平均值计算第一故障指数。
需要说明的是，本发明中通过轴承温度计算的故障指数表征轴承健康程度，在预测轴承的剩余寿命时，将轴承的健康程度考虑在内，本发明并不限于此，也可以用其他特征值表征轴承健康程度，只要计算轴承已运行里程时将轴承的健康程度考虑在内，由此得到特征值与轴承剩余寿命的关系，均包括在本发明的保护范围之内。
图2是本发明所述轴承剩余寿命预测装置结构框图，如图2所示，本发明所述轴承剩余寿命预测装置包括：
数据采集单元100，分别采集第一轴承在整个服役过程中的多个第一运行里程段内的多个第一温度数据以及第二轴承在任意的第二运行里程段内的第二温度数据；
第一数据计算单元200，接收第一数据采集单元100传输的多个第一温度数据，根据第一温度数据计算第一轴承在每个第一运行里程段内的第一故障指数，并将第一故障指数发送至第一模型构造单元300；
第一模型构造单元300，接收第一数据计算单元发送的第一故障指数，根据多个第一故障指数以及第一故障指数对应的第一轴承的已运行里程，建立故障指数与轴承已运行里程的关系，并将已运行里程与故障指数的关系发送至第二模型构造单元400；
第二模型构造单元400，接收第一模型构造单元300发送的轴承已运行里程与故障指数的关系，根据轴承的设计寿命减去轴承的已运行里程即是轴承剩余寿命，进而建立故障指数与轴承剩余寿命的关系；以及
第二数据计算单元500，接收数据采集单元100传输的第二温度数据，根据第二温度数据计算第二轴承在第二运行里程段内的第二故障指数，并将第二故障指数代入故障指数与轴承剩余寿命的关系，得到在第二故障指数对应的第二运行里程段内第二轴承的剩余寿命。
为了便于及时得知动车组牵引电机轴承的健康程度，优选地，本发明所述轴承剩余寿命预测装置还包括报警单元600，第二轴承的剩余寿命小于预设阈值时，报警单元600发出警报信息。
图3是本发明所述轴承健康程度标定方法流程示意图，如图3所示，本发明轴承健康程度标定方法，包括以下步骤：
S1′.在轴承上设置温度数据采集点，采集轴承在一段运行里程内轴承的温度数据；具体地，在轴承上的采集点设置温度传感器，利用数据采集仪采集运行过程中轴承的温度数据；
S2′.提取轴承的温度数据中最高温度值、第四分之三高温度值、第四分之一高温度值、最低温度值；
S3′.计算故障指数，故障指数即为第四分之三高温度值和第四分之一高温度值的均值乘以最高温度值和第四分之三高温度值的差值，故障指数越大，表明轴承健康程度越差。
本发明中的轴承优选为在动车组牵引电机上安装的轴承。以对动车组牵引电机轴承剩余寿命的预测为例进一步说明本发明。
图4a是本发明所述一个实施例中轴承故障指数示意图，如图4a所示，
将第一轴承的整个服役过程分为多个第一运行里程段，设置第一轴承的温度数据采集点，分别采集在每个第一运行里程段内的温度数据采集点处的第一温度数据。将第一轴承每运行同等里程包括的多个第一运行里程段分为一组，例如，将运行的同等里程设定为10万公里，即，以第一轴承每运行10万公里进行计算，每运行10万公里里程均包括了动车组的多个第一运行里程段，可选择动车组单程的一个运行过程作为一个第一运行里程段，提取10万公里内的每个第一运行里程段内运行过程中第一轴承的第一温度数据中的最高温度值、第四分之三高温度值以及第四分之一高温度值，分别得到每10万公里内动车组多个第一运行里程段中第一轴承的第一温度数据中最高温度值的平均值TA、第四分之三高温度值的平均值TB、第四分之一高温度值的平均值TC，由最高温度值的平均值TA、第四分之三高温度值的平均值TB、第四分之一高温度值的平均值TC根据下式(1)计算第一故障指数φ′，即，将第一故障指数φ′作为动车组每运行10万公里对应的故障指数，得到每10万公里运行里程的轴承故障指数示意图，图4a中竖线上的最高点A点表示轴承的最高温度、竖线与横线的上交叉点B点表示轴承的第四分之三高温度、竖线与横线的下交叉点C点表示轴承的第四分之一高温度、竖线上的最低点D点表示轴承的最低温度。图4a中的横线沿横轴的长度并无意义。
其中，TA为最高温度值的平均值，单位℃；TB为第四分之三高温度值的平均值，单位℃；TC为第四分之一高温度值的平均值，单位℃；φ′为第一故障指数。
图4b是本发明所述一个实施例中轴承已运行里程与故障指数关系曲线示意图，如图4b所示，根据多个第一故障指数以及在第一故障指数对应的第一轴承的已运行里程，建立轴承已运行里程与故障指数的关系，得到轴承已运行里程与故障指数的关系曲线，故障指数随着轴承已运行里程增加而增加。
图4c是本发明所述一个实施例中故障指数与轴承剩余寿命关系曲线示意图，如图4c所示，由于轴承的设计寿命用里程来表征，根据轴承的设计寿命减去轴承已运行里程即是轴承剩余寿命，进而建立故障指数与轴承剩余寿命的关系，得到故障指数与轴承剩余寿命的关系曲线。故障指数随着轴承剩余寿命的减小而减小。
采集第二轴承在整个服役过程中的任意的第二运行里程段内的第二温度数据，根据公式(1)计算第二故障指数，将第二故障指数代入故障指数与轴承剩余寿命的关系曲线，在曲线上直接进行查找即可得到第二故障指数对应的在第二运行里程段内第二轴承的剩余寿命。本发明只需采集动车组运行过程中的第二轴承的温度数据，进行计算故障指数，即可进行轴承剩余寿命的预测，无需进入检修段检修，节约检修成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种轴承剩余寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将第一轴承的整个服役过程分为多个第一运行里程段，设置所述第一轴承的温度数据采集点，分别采集在每个第一运行里程段内的所述温度数据采集点处的第一温度数据，并根据所述第一温度数据计算所述第一轴承在每个第一运行里程段内的第一故障指数，其中，在分别采集在每个所述第一运行里程段内的温度数据采集点处的多个第一温度数据的过程中，在所述第一轴承上设置的温度数据采集点的位置相同，采集温度数据的时间间隔相等；
根据多个所述第一故障指数以及所述第一故障指数对应的所述第一轴承的已运行里程，建立故障指数与轴承已运行里程的关系；
根据轴承的设计寿命减去轴承已运行里程即是轴承剩余寿命，进而建立故障指数与轴承剩余寿命的关系；以及
设置第二轴承的温度数据采集点，采集在第二轴承的任意的第二运行里程段内的所述温度数据采集点处的第二温度数据，并根据所述第二温度数据计算第二轴承在所述第二运行里程段内的第二故障指数，将所述第二故障指数代入所述故障指数与轴承剩余寿命的关系，得到在所述第二故障指数对应的所述第二运行里程段内所述第二轴承的剩余寿命，其中，第二运行里程段是第二轴承在整个服役过程中的任意一个里程段；
其中，所述第一轴承与所述第二轴承均是动车组牵引电机上安装的轴承；
所述第一轴承温度采集点与第二轴承温度采集点的位置相同；
根据所述第二温度数据计算第二轴承在所述第二运行里程段内的第二故障指数的计算方式与根据所述第一温度数据计算所述第一轴承在每个第一运行里程段内的第一故障指数的计算方式相同。
2.根据权利要求1所述的轴承剩余寿命预测方法，其特征在于，计算所述第一轴承在每个所述第一运行里程段内的第一故障指数包括：
对所述第一轴承的第一温度数据进行预处理，剔除所述第一轴承的第一温度数据中的异常点，使得所述第一轴承的第一温度数据呈现单调递增或递减变化趋势；
提取每个所述第一运行里程段内的所述第一轴承的第一温度数据中最高温度值、第四分之三高温度值、第四分之一高温度值、最低温度值；
每个所述第一运行里程段内的所述第一故障指数即为第四分之三高温度值和第四分之一高温度值的均值乘以最高温度值和第四分之三高温度值的差值。
3.根据权利要求1所述的轴承剩余寿命预测方法，其特征在于，将所述第一轴承每运行同等里程包括的多个所述第一运行里程段分为一组，分别得到组内每个所述第一运行里程段内所述第一轴承的最高温度值、第四分之三高温度值以及第四分之一高温度值，计算组内各个最高温度值的平均值、第四分之三高温度值的平均值以及第四分之一高温度值的平均值，根据最高温度值的平均值、第四分之三高温度值的平均值以及第四分之一高温度值的平均值计算所述第一故障指数。
4.根据权利要求1所述的轴承剩余寿命预测方法，其特征在于，所述第二轴承的剩余寿命小于预设阈值时，发出警报信息。
5.根据权利要求1所述的轴承剩余寿命预测方法，其特征在于，所述故障指数越大，所述轴承的剩余寿命越小。
6.一种轴承剩余寿命预测装置，其特征在于，包括：
数据采集单元，分别采集第一轴承在整个服役过程中的多个第一运行里程段内的多个第一温度数据以及第二轴承在任意的第二运行里程段内的第二温度数据，其中，多个第一运行里程段通过将第一轴承的整个服役过程进行划分而成，第二运行里程段是第二轴承在整个服役过程中的任意一个里程段，所述第一轴承与所述第二轴承均是动车组牵引电机上安装的轴承，在分别采集在每个所述第一运行里程段内的温度数据采集点处的多个第一温度数据的过程中，在所述第一轴承上设置的温度数据采集点的位置相同，采集温度数据的时间间隔相等，第一轴承温度采集点与第二轴承温度采集点的位置相同；
第一数据计算单元，接收所述第一数据采集单元传输的所述多个第一温度数据，根据所述第一温度数据计算所述第一轴承在每个所述第一运行里程段内的第一故障指数，并将所述第一故障指数发送至第一模型构造单元；
第一模型构造单元，接收所述第一数据计算单元发送的所述第一故障指数，根据多个所述第一故障指数以及所述第一故障指数对应的所述第一轴承的已运行里程，建立故障指数与轴承已运行里程的关系，并将已运行里程与故障指数的关系发送至第二模型构造单元；
第二模型构造单元，接收所述第一模型构造单元发送的轴承已运行里程与故障指数的关系，根据轴承的设计寿命减去轴承已运行里程即是轴承剩余寿命，进而建立故障指数与轴承剩余寿命的关系；以及
第二数据计算单元，接收所述数据采集单元传输的所述第二温度数据，根据所述第二温度数据计算所述第二轴承在所述第二运行里程段内的第二故障指数，并将所述第二故障指数代入所述故障指数与轴承剩余寿命的关系，得到在所述第二故障指数对应的所述第二运行里程段内所述第二轴承的剩余寿命，其中，根据所述第二温度数据计算第二轴承在所述第二运行里程段内的第二故障指数的计算方式与根据所述第一温度数据计算所述第一轴承在每个第一运行里程段内的第一故障指数的计算方式相同。
7.根据权利要求6所述的轴承剩余寿命预测装置，其特征在于，所述轴承剩余寿命预测装置还包括报警单元，所述第二轴承的剩余寿命小于预设阈值时，所述报警单元发出警报信息。
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