朱亮亮，高　瞩，吉晓民

(1.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2.西安理工大学，陕西 西安 710054)



基于VB和Matlab的滚动轴承寿命图谱系统设计

朱亮亮1，高瞩2，吉晓民2

(1.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2.西安理工大学，陕西 西安 710054)

摘要：运用Access，Matlab和VB开发滚动轴承寿命图谱应用软件，实现了轴承疲劳寿命四维图谱的可视化.图谱的建立能够直观地描述影响滚动轴承寿命的因素作用范围及大小，使其寿命预估更为生动、直观、准确，更好地服务于轴承企业的设计和生产活动.

关键词：滚动轴承； 寿命预测； 编程； 图谱； 可视化

滚动轴承主要功能是支承轴及轴上的回转部件，保证其旋转精度，其运行状态直接影响整机性能及工作安全[1]，同时又是机械设备中最容易出现问题的部件之一.相关研究表明，大约30%的机械故障是由滚动轴承引起的，因此准确有效地对滚动轴承疲劳寿命进行研究和预测，成为保证机械设备正常运行工作的关键因素之一[2].将人机界面友好的VB和运算、绘图功能强大的Matlab有机结合，可实现滚动轴承疲劳寿命的可视化，更有利于轴承疲劳寿命可视化控制.

1滚动轴承寿命计算模型的建立

1.1轴承疲劳寿命影响因素的确定在1947年和1952年Lundberg和Palmyren创立了L-P寿命理论(动态剪切应力轴承寿命学说)，即传统滚动轴承寿命理论.L-P理论中当可靠度为90%时，轴承接触表面出现疲劳剥落时所对应的转数或小时数[3-4]，其基本方程

L10=(C/P)ε,

(1)

其中，C为额定动载荷，P为当量动载荷，ε为参数(球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3)，L10为可靠性为 90%的轴承基本额定寿命，106r.

L-P理论是在可靠度一定、载荷一定和转速一定的工况下，寻求滚动轴承的疲劳寿命值，对轴承工作环境、工作温度、润滑情况和材料性能等诸多因素进行考虑及深入研究，从而影响机械装备的有效安全使用.

为了弥补L-P寿命理论的不足，全球著名的轴承企业如SKF，FAG，INA等，考虑润滑、污染等因素对轴承寿命的影响，引入了寿命修正系数，并建立了轴承基本额定寿命的修正公式，如表1所示.

表1　修正系数及修正公式

序号1中的系数aSKF综合考虑了压力、黏度比和清洁度等因素对寿命的影响；序号2中的系数a23重点考虑材料基本值和污染物对寿命的影响；序号3中的系数avc考虑了材料的疲劳极限，载荷分布情况，载荷、润滑和污染物联合作用下对寿命的影响；序号4中的系数aISO除了考虑几何尺寸和轴承材料的影响外，重点研究润滑情况、杂质颗粒大小、运转环境、污染情况和轴承载荷等因素的影响.

综合上述研究成果，建立的修正系数及计算公式在形式上有所差异，但本质上是一致的.借鉴前人研究的基础上，结合轴承企业的调研，最终确定了影响轴承疲劳寿命的6个主要因素：可靠度、材料性能、润滑情况、承载情况、污染情况和温度情况，并最终将其转化为6个修正系数.

1.2轴承当量动载荷计算力学计算主要是通过计算轴承承受的径向载荷，最终确定得到轴承的当量动载荷.

1.2.1最大径向载荷确定以动力传递常见的齿轮传动和带传动为代表，研究支承轴轴承的承载情况.轴承支承类型为常见的双支承和三支承，通过载荷作用点位置改变、轴承类型及型号的改变，确定轴承承受的最大径向载荷，其计算公式根据受载模型的变化而变化.例如在双支承时，并且载荷作用在轴承之间的计算公式

(2)

其中，Fr1，Fr2分别为2个轴承径向载荷，F为作用在轴上的载荷，l为2个轴承之间距离，a为F到轴承1的距离.

1.2.2当量动载荷确定依据计算出的Fr1，Fr2，选择较大的代入公式

P=fP(XFr+YFa),

(3)

其中，P为当量动载荷，fP为载荷系数，X，Y为径向、轴向动载荷系数，Fr为径向载荷，Fa为轴向载荷.因为研究对象主要为滚针轴承，只承受径向载荷，所以该公式可简化为P=fPFr.

当量动载荷与后期建立的寿命模型相结合，实现轴承疲劳寿命的预估，其他支承形式及计算内容不再赘述.

1.3轴承疲劳寿命计算模型的建立在许多文献和轴承制造企业中，通常是将可靠度、污染、润滑和材料等寿命影响系数串联，建立寿命公式，此方法得到了推荐[5]

Lna=A1A2A3A4(C/P)ε,

(4)

其中，A1为可靠度修正系数，A2为材料修正系数，A3为润滑修正系数，A4为污染修正系数，Lna为可靠度为n时修正疲劳寿命.

该简化方法从1960年就被采用，考虑了可靠度、材料、润滑和污染4个因素对寿命的影响.TMKEN公司的研究认为工作游隙、安装精度和工作温度对轴承寿命也存在较大影响，寿命修正系数应该考虑更全面、更合理，结合各方面考虑因素及研究成果，对式(4)扩充整理，添加温度、负荷2个寿命修正系数，从而建立改进的轴承寿命的计算模型

Lmn=A1A2A3LA3KA4(fTC/P)ε，

(5)

其中，A1为失效概率修正系数，A2为材料修正系数，A3L为润滑修正系数，A3K为负荷修正系数，A4为清洁修正系数，fT为温度修正系数，Lmn为6个修正系数作用下轴承疲劳寿命.

2寿命图谱实现流程及软件平台

2.1寿命图谱实现流程研究重点完成的工作包括：1)设计人机交互界面，并利用相关数据建立系统平台；2)建立轴承力学计算的模型，计算轴承承受载荷；3)分析轴承寿命影响因素，进一步归纳寿命计算模型；4)生成轴承寿命图谱，实现轴承寿命的可视化.工作流程图如图1所示.

2.2系统平台支持软件图谱系统所需软件分别为Access，Matlab和VB.利用Access进行数据结果的保存、分析和管理[6-7]，利用Matlab方便地实现寿命计算结果可视化(即生成寿命图谱)[8]，利用VB在图形用户界面开发方面的优势，设计人机交互界面，实现与用户的沟通交流[6].将三者有机的结合，实现应用软件的无缝集成，提高应用软件的易用性、通用性，提高工作效率.

2.3人机界面设计利用textbox，CheckBox，RadioButton，Button，Label，GroupBox，NumericUpDow，DataGridView和TabControl等VB的众多控件建立软件系统的操作平台，例如登陆界面、力学计算界面、寿命计算界面和寿命图谱生成操作界面等.寿命计算中润滑系数确定界面，如图2所示.

图2　润滑系数确定界面

3寿命图谱设计的关键

3.1Access数据库的存储在Access中，用户通过对数据进行分类，可以分类存储数据，亦可以通过不同类型数据的联系存储，实现综合性数据使用[9].对滚动轴承寿命影响因素相关数据整理，存储在数据表中，以备Matlab程序调用.

3.2利用Matlab对Access数据库的调用采用ODBC(开放式数据库连接方式)实现Matlab对Access数据库中相关数据的调用，步骤如下

步骤1创建基于Access的数据库，使用Windows系统自带的数据源工具；

步骤2实现SampleDB数据源与Access数据库的连接；

步骤3使用database工具箱或者使用代码编程的方式，实现在Matlab中连接ODBC数据源.

通过ODBC数据库接口，Matlab实现了对Access数据库中相关数据的调用，为图谱的生成提供了数据基础，具体编程代码如表2所示.

3.3在Matlab环境下编写绘图程序通过对数据库连接，Matlab可以实现调用Access表中的相关数据，利用所调用数据结合Matlab绘图功能实现绘图，具体编程代码如表2所示.

3.4在VB环境中对Matlab的调用[10-12]目前VB 对Matlab的调用方法较多，包括 ActiveX自动化技术、MatrixVB库和COM组件(动态链接库.dll)等.ActiveX自动化技术是VB工具箱的扩充部分，但其保留了一些普通VB 空间的属性、事件和方法，是微软公司提供的一种用于模块集成的新协议，本文采用此技术.

在VB中创建Matlab的ActiveX对象，使用ActiveX对象所具有的各种方法(函数)，实现对Matlab的调用.

步骤1在当前项目中添加COM组件.选择菜单“项目”→“添加引用”，在弹出的对话框中点击“COM”选项卡，然后在下拉框中选择“MATLAB Application(Version 7.0)Type Library”，点击确定.

步骤2启动Matlab的自动化服务.可以采用Matlab=New MLAppMLApp，此方法必须经过步骤1COM组件的添加；也可以采用较为常用的Matlab=CreateObject("Matlab.Application")，此方法也叫传统调用方法.

步骤3在步骤2中生成的ActiveX对象方法、函数和Matlab自动化服务器之间，进行命令和数据的传递，具体编程代码如表2所示.

表2　编程代码一览表

4寿命图谱生成与结果分析

4.1图谱生成该软件系统采用传统的调用方法，即MatLab=CreateObject("Matlab.Application").将Matlab编好的程序赋值给字符串，字符串可以任意命名如strl1，strl2等，在VB的程序中通过启动Matlab软件，执行已经赋值的字符串达到调用Matlab实现绘图的功能.当在图谱生成界面中，选择失效概率系数、负荷系数和材料系数时生成的图谱如图3所示.

其中X轴为失效概率系数，Y轴为负荷系数，Z轴为轴承疲劳寿命，颜色各异的层为材料系数.同时能够生成X轴的切面图(平面图)，如图4a所示.该平面图中X轴代表负荷系数，Y轴代表轴承寿命，5种颜色各异的层代表材料系数.生成Y轴的切面图(平面图)，如图4b所示.该平面图中X轴代表失效概率系数，Y轴代表轴承寿命，5种颜色各异的层代表材料系数.

图谱生成中，选择任意3个因素作为参考坐标，提取其在Access数据库中的数据生成图谱，随着影响因素选择的不同，生成的图谱也在不断变化.以此来研究不同因素对寿命的影响.

4.2图谱结果分析及应用通过对图3和4的分析可以得到，失效概率系数一定时，负荷系数与轴承寿命成光滑的曲线变化.当材料系数变化时，该曲线的变化趋势越显著；材料系数一定时，失效概率系数对轴承寿命成有规律的直线变化，当材料系数变化时，这种有规律的直线变化也越显著.

在实际应用中，当轴承可靠度(失效概率系数)一定时，可以提高材料系数和负荷系数，延长轴承的使用寿命.例如，选取合适的轴承材料，采用合理的加工工艺和热处理方式，改善材料系数对寿命的影响；通过径向游隙和套圈变形量的调整，能够改善负荷系数对寿命的影响，具体可通过改变滚道直径、粗糙度和滚动体的数目，滚动体接触有效长度等改善负荷系数的影响.其他图谱分析及应用与之类似.

从图谱分析得到，润滑对轴承寿命的影响最大，在使用中创造良好的润滑条件是必需的.轴承工作条件较为复杂，从低转速到超高速，从低温到超高温，从润滑良好到污染严重的工作环境，单一或单类型润滑剂不可能满足所有这些工作条件.因此应当选择一种适宜的润滑油，并通过合适的润滑方式对轴承进行润滑，提高轴承的旋转精度，延长轴承的使用寿命.

轴承温度不断上升将导致润滑剂失效，最终轴承出现失效破坏.图谱分析表明温度与温度系数成反比关系，当温度增高时温度系数减小，轴承寿命降低.因此，可以通过良好润滑吸收热量或利用风扇对轴承部位降温，也可使用冷却装置对轴承工作部位进行冷却等措施，强制轴承冷却，改善温度条件，延长轴承使用寿命.

润滑油中的污染程度可以用油中的颗粒大小和含量来度量.因此采用良好的过滤装置，清洁的轴承工作环境(室内环境等)，定期更换润滑油等措施来减小润滑油的污染对轴承寿命的影响.

5结论

本研究利用Matlab，Access和VB各自的优点，通过混合编程将三者有机结合，开发出轴承寿命图谱的应用软件.

1) 轴承寿命图谱的建立能够清晰展现出轴承影响因素对轴承寿命的影响，随着影响因素改变，轴承寿命图谱各异.

2) 随着轴承寿命研究深入，影响因素能够继续添加，保证图谱分析的更新性和先进性.

3) 通过图谱重点研究分析，精确找准影响因素对寿命影响趋势，从深层次上通过改善工作条件、改变加工工艺或制作方法等来最终延长轴承的寿命，这是未来轴承企业努力的方向.

参考文献：

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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

基金项目：基于风险的公共交通型自动扶梯安全保障技术(国家安全监督总局2012年安全生产重大事故预防关键技术科技项目)；杨凌职业技术学院院级科研项目基金(A2013039)

作者简介：朱亮亮(1982-)，男，河南平顶山人，硕士，讲师，研究方向：CAD/CAM集成技术，E-mail:zll20013406@126.com

文章编号：1004-1729(2016)01-0045-06

中图分类号：TH133.33；TP31

文献标志码：ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0008