朱亮亮，高　矚，吉曉民

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710054)

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基于VB和Matlab的滾動(dòng)軸承壽命圖譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱亮亮1，高矚2，吉曉民2

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710054)

摘要：運(yùn)用Access，Matlab和VB開發(fā)滾動(dòng)軸承壽命圖譜應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了軸承疲勞壽命四維圖譜的可視化.圖譜的建立能夠直觀地描述影響滾動(dòng)軸承壽命的因素作用范圍及大小，使其壽命預(yù)估更為生動(dòng)、直觀、準(zhǔn)確，更好地服務(wù)于軸承企業(yè)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)活動(dòng).

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承； 壽命預(yù)測； 編程； 圖譜； 可視化

滾動(dòng)軸承主要功能是支承軸及軸上的回轉(zhuǎn)部件，保證其旋轉(zhuǎn)精度，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響整機(jī)性能及工作安全[1]，同時(shí)又是機(jī)械設(shè)備中最容易出現(xiàn)問題的部件之一.相關(guān)研究表明，大約30%的機(jī)械故障是由滾動(dòng)軸承引起的，因此準(zhǔn)確有效地對(duì)滾動(dòng)軸承疲勞壽命進(jìn)行研究和預(yù)測，成為保證機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行工作的關(guān)鍵因素之一[2].將人機(jī)界面友好的VB和運(yùn)算、繪圖功能強(qiáng)大的Matlab有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承疲勞壽命的可視化，更有利于軸承疲勞壽命可視化控制.

1滾動(dòng)軸承壽命計(jì)算模型的建立

1.1軸承疲勞壽命影響因素的確定在1947年和1952年Lundberg和Palmyren創(chuàng)立了L-P壽命理論(動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)力軸承壽命學(xué)說)，即傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承壽命理論.L-P理論中當(dāng)可靠度為90%時(shí)，軸承接觸表面出現(xiàn)疲勞剝落時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)或小時(shí)數(shù)[3-4]，其基本方程

L10=(C/P)ε,

(1)

其中，C為額定動(dòng)載荷，P為當(dāng)量動(dòng)載荷，ε為參數(shù)(球軸承ε=3，滾子軸承ε=10/3)，L10為可靠性為 90%的軸承基本額定壽命，106r.

L-P理論是在可靠度一定、載荷一定和轉(zhuǎn)速一定的工況下，尋求滾動(dòng)軸承的疲勞壽命值，對(duì)軸承工作環(huán)境、工作溫度、潤滑情況和材料性能等諸多因素進(jìn)行考慮及深入研究，從而影響機(jī)械裝備的有效安全使用.

為了彌補(bǔ)L-P壽命理論的不足，全球著名的軸承企業(yè)如SKF，F(xiàn)AG，INA等，考慮潤滑、污染等因素對(duì)軸承壽命的影響，引入了壽命修正系數(shù)，并建立了軸承基本額定壽命的修正公式，如表1所示.

表1　修正系數(shù)及修正公式

序號(hào)1中的系數(shù)aSKF綜合考慮了壓力、黏度比和清潔度等因素對(duì)壽命的影響；序號(hào)2中的系數(shù)a23重點(diǎn)考慮材料基本值和污染物對(duì)壽命的影響；序號(hào)3中的系數(shù)avc考慮了材料的疲勞極限，載荷分布情況，載荷、潤滑和污染物聯(lián)合作用下對(duì)壽命的影響；序號(hào)4中的系數(shù)aISO除了考慮幾何尺寸和軸承材料的影響外，重點(diǎn)研究潤滑情況、雜質(zhì)顆粒大小、運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境、污染情況和軸承載荷等因素的影響.

綜合上述研究成果，建立的修正系數(shù)及計(jì)算公式在形式上有所差異，但本質(zhì)上是一致的.借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合軸承企業(yè)的調(diào)研，最終確定了影響軸承疲勞壽命的6個(gè)主要因素：可靠度、材料性能、潤滑情況、承載情況、污染情況和溫度情況，并最終將其轉(zhuǎn)化為6個(gè)修正系數(shù).

1.2軸承當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算力學(xué)計(jì)算主要是通過計(jì)算軸承承受的徑向載荷，最終確定得到軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷.

1.2.1最大徑向載荷確定以動(dòng)力傳遞常見的齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)為代表，研究支承軸軸承的承載情況.軸承支承類型為常見的雙支承和三支承，通過載荷作用點(diǎn)位置改變、軸承類型及型號(hào)的改變，確定軸承承受的最大徑向載荷，其計(jì)算公式根據(jù)受載模型的變化而變化.例如在雙支承時(shí)，并且載荷作用在軸承之間的計(jì)算公式

(2)

其中，F(xiàn)r1，F(xiàn)r2分別為2個(gè)軸承徑向載荷，F(xiàn)為作用在軸上的載荷，l為2個(gè)軸承之間距離，a為F到軸承1的距離.

1.2.2當(dāng)量動(dòng)載荷確定依據(jù)計(jì)算出的Fr1，F(xiàn)r2，選擇較大的代入公式

P=fP(XFr+YFa),

(3)

其中，P為當(dāng)量動(dòng)載荷，fP為載荷系數(shù)，X，Y為徑向、軸向動(dòng)載荷系數(shù)，F(xiàn)r為徑向載荷，F(xiàn)a為軸向載荷.因?yàn)檠芯繉?duì)象主要為滾針軸承，只承受徑向載荷，所以該公式可簡化為P=fPFr.

當(dāng)量動(dòng)載荷與后期建立的壽命模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)軸承疲勞壽命的預(yù)估，其他支承形式及計(jì)算內(nèi)容不再贅述.

1.3軸承疲勞壽命計(jì)算模型的建立在許多文獻(xiàn)和軸承制造企業(yè)中，通常是將可靠度、污染、潤滑和材料等壽命影響系數(shù)串聯(lián)，建立壽命公式，此方法得到了推薦[5]

Lna=A1A2A3A4(C/P)ε,

(4)

其中，A1為可靠度修正系數(shù)，A2為材料修正系數(shù)，A3為潤滑修正系數(shù)，A4為污染修正系數(shù)，Lna為可靠度為n時(shí)修正疲勞壽命.

該簡化方法從1960年就被采用，考慮了可靠度、材料、潤滑和污染4個(gè)因素對(duì)壽命的影響.TMKEN公司的研究認(rèn)為工作游隙、安裝精度和工作溫度對(duì)軸承壽命也存在較大影響，壽命修正系數(shù)應(yīng)該考慮更全面、更合理，結(jié)合各方面考慮因素及研究成果，對(duì)式(4)擴(kuò)充整理，添加溫度、負(fù)荷2個(gè)壽命修正系數(shù)，從而建立改進(jìn)的軸承壽命的計(jì)算模型

Lmn=A1A2A3LA3KA4(fTC/P)ε，

(5)

其中，A1為失效概率修正系數(shù)，A2為材料修正系數(shù)，A3L為潤滑修正系數(shù)，A3K為負(fù)荷修正系數(shù)，A4為清潔修正系數(shù)，fT為溫度修正系數(shù)，Lmn為6個(gè)修正系數(shù)作用下軸承疲勞壽命.

2壽命圖譜實(shí)現(xiàn)流程及軟件平臺(tái)

2.1壽命圖譜實(shí)現(xiàn)流程研究重點(diǎn)完成的工作包括：1)設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，并利用相關(guān)數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)平臺(tái)；2)建立軸承力學(xué)計(jì)算的模型，計(jì)算軸承承受載荷；3)分析軸承壽命影響因素，進(jìn)一步歸納壽命計(jì)算模型；4)生成軸承壽命圖譜，實(shí)現(xiàn)軸承壽命的可視化.工作流程圖如圖1所示.

2.2系統(tǒng)平臺(tái)支持軟件圖譜系統(tǒng)所需軟件分別為Access，Matlab和VB.利用Access進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果的保存、分析和管理[6-7]，利用Matlab方便地實(shí)現(xiàn)壽命計(jì)算結(jié)果可視化(即生成壽命圖譜)[8]，利用VB在圖形用戶界面開發(fā)方面的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)與用戶的溝通交流[6].將三者有機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的無縫集成，提高應(yīng)用軟件的易用性、通用性，提高工作效率.

2.3人機(jī)界面設(shè)計(jì)利用textbox，CheckBox，RadioButton，Button，Label，GroupBox，NumericUpDow，DataGridView和TabControl等VB的眾多控件建立軟件系統(tǒng)的操作平臺(tái)，例如登陸界面、力學(xué)計(jì)算界面、壽命計(jì)算界面和壽命圖譜生成操作界面等.壽命計(jì)算中潤滑系數(shù)確定界面，如圖2所示.

圖2　潤滑系數(shù)確定界面

3壽命圖譜設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

3.1Access數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)在Access中，用戶通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，可以分類存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，亦可以通過不同類型數(shù)據(jù)的聯(lián)系存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)綜合性數(shù)據(jù)使用[9].對(duì)滾動(dòng)軸承壽命影響因素相關(guān)數(shù)據(jù)整理，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)表中，以備Matlab程序調(diào)用.

3.2利用Matlab對(duì)Access數(shù)據(jù)庫的調(diào)用采用ODBC(開放式數(shù)據(jù)庫連接方式)實(shí)現(xiàn)Matlab對(duì)Access數(shù)據(jù)庫中相關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)用，步驟如下

步驟1創(chuàng)建基于Access的數(shù)據(jù)庫，使用Windows系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)源工具；

步驟2實(shí)現(xiàn)SampleDB數(shù)據(jù)源與Access數(shù)據(jù)庫的連接；

步驟3使用database工具箱或者使用代碼編程的方式，實(shí)現(xiàn)在Matlab中連接ODBC數(shù)據(jù)源.

通過ODBC數(shù)據(jù)庫接口，Matlab實(shí)現(xiàn)了對(duì)Access數(shù)據(jù)庫中相關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)用，為圖譜的生成提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，具體編程代碼如表2所示.

3.3在Matlab環(huán)境下編寫繪圖程序通過對(duì)數(shù)據(jù)庫連接，Matlab可以實(shí)現(xiàn)調(diào)用Access表中的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用所調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)合Matlab繪圖功能實(shí)現(xiàn)繪圖，具體編程代碼如表2所示.

3.4在VB環(huán)境中對(duì)Matlab的調(diào)用[10-12]目前VB 對(duì)Matlab的調(diào)用方法較多，包括 ActiveX自動(dòng)化技術(shù)、MatrixVB庫和COM組件(動(dòng)態(tài)鏈接庫.dll)等.ActiveX自動(dòng)化技術(shù)是VB工具箱的擴(kuò)充部分，但其保留了一些普通VB 空間的屬性、事件和方法，是微軟公司提供的一種用于模塊集成的新協(xié)議，本文采用此技術(shù).

在VB中創(chuàng)建Matlab的ActiveX對(duì)象，使用ActiveX對(duì)象所具有的各種方法(函數(shù))，實(shí)現(xiàn)對(duì)Matlab的調(diào)用.

步驟1在當(dāng)前項(xiàng)目中添加COM組件.選擇菜單“項(xiàng)目”→“添加引用”，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊“COM”選項(xiàng)卡，然后在下拉框中選擇“MATLAB Application(Version 7.0)Type Library”，點(diǎn)擊確定.

步驟2啟動(dòng)Matlab的自動(dòng)化服務(wù).可以采用Matlab=New MLAppMLApp，此方法必須經(jīng)過步驟1COM組件的添加；也可以采用較為常用的Matlab=CreateObject("Matlab.Application")，此方法也叫傳統(tǒng)調(diào)用方法.

步驟3在步驟2中生成的ActiveX對(duì)象方法、函數(shù)和Matlab自動(dòng)化服務(wù)器之間，進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的傳遞，具體編程代碼如表2所示.

表2　編程代碼一覽表

4壽命圖譜生成與結(jié)果分析

4.1圖譜生成該軟件系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的調(diào)用方法，即MatLab=CreateObject("Matlab.Application").將Matlab編好的程序賦值給字符串，字符串可以任意命名如strl1，strl2等，在VB的程序中通過啟動(dòng)Matlab軟件，執(zhí)行已經(jīng)賦值的字符串達(dá)到調(diào)用Matlab實(shí)現(xiàn)繪圖的功能.當(dāng)在圖譜生成界面中，選擇失效概率系數(shù)、負(fù)荷系數(shù)和材料系數(shù)時(shí)生成的圖譜如圖3所示.

其中X軸為失效概率系數(shù)，Y軸為負(fù)荷系數(shù)，Z軸為軸承疲勞壽命，顏色各異的層為材料系數(shù).同時(shí)能夠生成X軸的切面圖(平面圖)，如圖4a所示.該平面圖中X軸代表負(fù)荷系數(shù)，Y軸代表軸承壽命，5種顏色各異的層代表材料系數(shù).生成Y軸的切面圖(平面圖)，如圖4b所示.該平面圖中X軸代表失效概率系數(shù)，Y軸代表軸承壽命，5種顏色各異的層代表材料系數(shù).

圖譜生成中，選擇任意3個(gè)因素作為參考坐標(biāo)，提取其在Access數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)生成圖譜，隨著影響因素選擇的不同，生成的圖譜也在不斷變化.以此來研究不同因素對(duì)壽命的影響.

4.2圖譜結(jié)果分析及應(yīng)用通過對(duì)圖3和4的分析可以得到，失效概率系數(shù)一定時(shí)，負(fù)荷系數(shù)與軸承壽命成光滑的曲線變化.當(dāng)材料系數(shù)變化時(shí)，該曲線的變化趨勢越顯著；材料系數(shù)一定時(shí)，失效概率系數(shù)對(duì)軸承壽命成有規(guī)律的直線變化，當(dāng)材料系數(shù)變化時(shí)，這種有規(guī)律的直線變化也越顯著.

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)軸承可靠度(失效概率系數(shù))一定時(shí)，可以提高材料系數(shù)和負(fù)荷系數(shù)，延長軸承的使用壽命.例如，選取合適的軸承材料，采用合理的加工工藝和熱處理方式，改善材料系數(shù)對(duì)壽命的影響；通過徑向游隙和套圈變形量的調(diào)整，能夠改善負(fù)荷系數(shù)對(duì)壽命的影響，具體可通過改變滾道直徑、粗糙度和滾動(dòng)體的數(shù)目，滾動(dòng)體接觸有效長度等改善負(fù)荷系數(shù)的影響.其他圖譜分析及應(yīng)用與之類似.

從圖譜分析得到，潤滑對(duì)軸承壽命的影響最大，在使用中創(chuàng)造良好的潤滑條件是必需的.軸承工作條件較為復(fù)雜，從低轉(zhuǎn)速到超高速，從低溫到超高溫，從潤滑良好到污染嚴(yán)重的工作環(huán)境，單一或單類型潤滑劑不可能滿足所有這些工作條件.因此應(yīng)當(dāng)選擇一種適宜的潤滑油，并通過合適的潤滑方式對(duì)軸承進(jìn)行潤滑，提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度，延長軸承的使用壽命.

軸承溫度不斷上升將導(dǎo)致潤滑劑失效，最終軸承出現(xiàn)失效破壞.圖譜分析表明溫度與溫度系數(shù)成反比關(guān)系，當(dāng)溫度增高時(shí)溫度系數(shù)減小，軸承壽命降低.因此，可以通過良好潤滑吸收熱量或利用風(fēng)扇對(duì)軸承部位降溫，也可使用冷卻裝置對(duì)軸承工作部位進(jìn)行冷卻等措施，強(qiáng)制軸承冷卻，改善溫度條件，延長軸承使用壽命.

潤滑油中的污染程度可以用油中的顆粒大小和含量來度量.因此采用良好的過濾裝置，清潔的軸承工作環(huán)境(室內(nèi)環(huán)境等)，定期更換潤滑油等措施來減小潤滑油的污染對(duì)軸承壽命的影響.

5結(jié)論

本研究利用Matlab，Access和VB各自的優(yōu)點(diǎn)，通過混合編程將三者有機(jī)結(jié)合，開發(fā)出軸承壽命圖譜的應(yīng)用軟件.

1) 軸承壽命圖譜的建立能夠清晰展現(xiàn)出軸承影響因素對(duì)軸承壽命的影響，隨著影響因素改變，軸承壽命圖譜各異.

2) 隨著軸承壽命研究深入，影響因素能夠繼續(xù)添加，保證圖譜分析的更新性和先進(jìn)性.

3) 通過圖譜重點(diǎn)研究分析，精確找準(zhǔn)影響因素對(duì)壽命影響趨勢，從深層次上通過改善工作條件、改變加工工藝或制作方法等來最終延長軸承的壽命，這是未來軸承企業(yè)努力的方向.

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Design of Life Visual System for Rolling Bearing BasedonVBandMatlab

Zhu Liangliang1, Gao Zhu2, Ji Xiaomin2

(1.YanglingVocationalandTechnicalCollege,Yangling712100,China;2.Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710054,China)

Abstravct：Inthereport,Access,MatlabandVBwereusedtodevelopthelifemapapplicationsoftwareoftherollingbearing,andbywhichthefourdimensionalmapofbearingfatiguelifewasachieved.Thebearinglifemapcanbecontributedtounderstandthefactorsaffectingthescopeandsize,makethebearinglifepredictionmorevivid,intuitiveandaccurate,andservethebearingenterprisesdesignandproductionactivitiesverywell.

Keywords：rollingbearing;lifeprediction;programming;map;visualization

收稿日期：2015-07-20

基金項(xiàng)目：基于風(fēng)險(xiǎn)的公共交通型自動(dòng)扶梯安全保障技術(shù)(國家安全監(jiān)督總局2012年安全生產(chǎn)重大事故預(yù)防關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目)；楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目基金(A2013039)

作者簡介：朱亮亮(1982-)，男，河南平頂山人，碩士，講師，研究方向：CAD/CAM集成技術(shù)，E-mail:zll20013406@126.com

文章編號(hào)：1004-1729(2016)01-0045-06

中圖分類號(hào)：TH133.33；TP31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0008