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基于改进粒子滤波的摇摆环境下屏蔽泵滑动轴承寿命预测方法研究

摘要

屏蔽泵是船用核动力一回路系统冷却剂泵的常用泵体之一，承担着将反应堆产生的

热能高效传递至蒸汽发生器的任务，其可靠性影响着核动力装置能否安全运行。由于恶

劣工作条件、频繁变工况运行和海洋摇晃环境等影响因素，泵内的滑动轴承等旋转部件

易发生退化失效，对整个泵体乃至核动力系统安全性造成影响。开展基于状态监测的预

测性维修技术研究，对保障船用屏蔽泵安全运行具有重要意义。其中，剩余使用寿命

RemainingUsefulLifeRUL

（，）预测作为预测性维修的重要技术之一，由于设备退化机

理研究不充分、失效数据匮乏、预测机制不完善等原因，制约着其在实际工程中的应用

和推广。因此，本课题以船用屏蔽泵内滑动轴承为研究对象，查阅文献总结滑动轴承退

RUL

化机理分析、预测技术在现阶段研究的主要成果和不足，结合振动信号及其他状态

参数，完成轴承磨损退化的RUL预测模型开发，并利用实验数据对模型验证分析。本

文的主要工作如下：

1

（）针对屏蔽泵滑动轴承的机械结构和失效形式，解析轴承磨损时的退化机理，

阐述其退化特征在振动信号频谱图中表征形式；总结现有核动力屏蔽泵传感手段及不足，

明确以多源传感的在线监测方式获取轴承运行数据；针对现有RUL方法数据匮乏、物

NearestSimilarDistanceNSD

理模型构建困难的问题，提出了基于最近相似距离（，）改

进的粒子滤波（ParticleFiltering，PF）模型，实现滑动轴承磨损的RUL预测。

（2）鉴于现有滑动轴承磨损退化机理研究不足和全寿命周期运行数据匮乏，设计

搭建了模拟海洋环境的滑动轴承加速退化实验台架，通过预设不同类型、不同程度的轴

承磨损件和设置转速、载荷等加速条件完成轴承磨损的全寿命周期实验。在此基础上，

开展轴承退化的振动特性分析，探究轴承退化过程的冲击特性、统计特征与频谱特性，

为寿命预测技术研究提供数据和理论支持。

（3）针对单一振动信号特征指标无法表征轴承全寿命周期的问题，通过轴承振动

特性分析结果构建能量冲击特性指标（EnergyImpactCharacteristicIndicators，EICI），

映射轴承退化程度与特征指标间非线性响应。同时，结合模拟试验分析滑动轴承退化监

测参数与其退化指标、退化程度间响应关系，对传统Archard磨损方程进行修正，构建

描述滑动轴承退化的状态方程与量测方程。

4PFNSD

（）针对现有传统方法模型参数固定、粒子耗尽严重的问题，利用改进

粒子滤波模型，提高轴承RUL预测结果准确性。将EICI指标作为轴承预测过程测量值，

I

哈尔滨工程大学硕士学位论文

并通过EICI指标判断轴承磨损退化开始时段；利用测量值与NSD指标更新模型参数，

实现轴承退化指标跟踪；最终基于滑动轴承退化状态方程实现其RUL递推预测。利用

仿真信号和模拟实验数据对模型展开测试验证，结果表明本文模型可以有效保证粒子多

PF

样性、抑制粒子耗尽问题，较传统的方法具有更高的预测精度。

关键词：屏蔽泵；滑动轴承；全寿命周期实验；改进粒子滤波；剩余使用寿命预测

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基于改进粒子滤波的摇摆环境下屏蔽泵滑动轴承寿命预测方法研究

ABSTRACT

Asoneofthecommonlyusedpumpbodiesforcoolantpumpsintheprim