一种磁悬浮发电机保护轴承镀层冲击磨损寿命预测系统及方法与流程

本发明涉及磁悬浮轴承系统安全评估与保护轴承寿命预测，特别涉及一种面向磁悬浮发电机保护轴承内圈镀层在转子落轴冲击工况下，基于跌落动力学载荷代理与镀层磨损代理的冲击磨损寿命预测方法及系统。

背景技术：

1、磁悬浮发电机作为一种利用磁悬浮轴承实现转子无接触支承的旋转机械，在正常运行状态下，转子由主动磁悬浮轴承提供的电磁力保持在额定悬浮位置，具有无机械接触、低振动和可高速运行等优点，可应用于分布式发电、工业驱动和船舶电力等旋转机械场景。保护轴承作为磁悬浮轴承系统中承担安全冗余功能的关键部件，在磁悬浮系统正常工作时处于非接触待命状态，不参与主力承载。

2、当磁悬浮轴承因失电、控制失效、过载或传感器故障等异常工况而丧失支承功能时，转子将失去主动径向支承，在重力、惯性力和偏心载荷的共同作用下发生径向偏移和姿态偏转，进而与保护轴承发生高速接触。保护轴承由待命状态快速切换为应急支承状态，此时转子与保护轴承内圈之间会发生瞬态冲击、多次回弹碰撞和局部滑移摩擦，具有载荷幅值高、持续时间短、重复作用次数多且位置分散的特征。

3、在本发明所针对的保护轴承中，内圈接触表面设置有功能镀层。该镀层在转子落轴冲击过程中承担缓冲吸能、减摩耐磨和隔离基体的关键保护作用。镀层的完整度与工作状态直接决定了保护轴承在多次落轴冲击工况下的持续承载性能和应急安全防护能力，是评估保护轴承剩余使用寿命的核心因素。

4、在保护轴承寿命预测中，需要明确区分两个不同层级的概念。第一层是累计跌落次数，指保护轴承自投入运行以来经历的完整跌落事件的总次数，每次完整跌落事件包含转子从磁悬浮支承失效、跌落至保护轴承、最终趋于平稳的完整过程。第二层是有效碰撞次数，指单次跌落事件内部由动力学响应决定的、满足预设筛选条件的冲击事件数量。在一次完整的跌落事件中，转子与保护轴承内圈可能发生数十次甚至更多次接触碰撞，但其中只有部分碰撞的载荷幅值足够对镀层产生显著损伤。因此，仅用累计跌落次数或单一最大载荷难以有效表征镀层在不同内圈圆周区域的磨损累积状态。

5、现有方法在保护轴承镀层寿命预测方面至少存在以下不足：

6、（1）缺少动力学载荷快速预测与有效碰撞特征提取手段。传统多体动力学或有限元仿真虽然能够获得转子落轴过程的完整接触力时程，但每次跌落均重复进行高保真动力学求解的计算成本过高，不适用于需要评估大量工况组合或进行多次跌落递推的工程场景。同时，缺乏将完整接触力时程压缩为最大有效冲击力和有效碰撞次数等具有明确物理含义的载荷特征的方法。

7、（2）缺少有效碰撞位置不确定性的分区分配机制。转子在一次跌落过程中发生的多次有效碰撞，其具体圆周位置受到转子姿态、偏心量和碰撞路径随机性的影响而难以精确确定。现有方法多将镀层磨损视为全局均匀退化，难以将有效碰撞次数按合理规则分配至保护轴承内圈的不同圆周区域，导致无法输出分区累计磨损深度和识别最大危险区域。

8、（3）缺少局部镀层磨损代理映射。直接通过局部冲击有限元模型计算每次跌落的镀层磨损增量虽然具有较高的局部损伤分辨能力，但计算耗时长、难以批量调用。现有机器学习寿命预测方法多从工况参数直接映射至寿命终点，难以保留从跌落动力学载荷到局部镀层损伤响应的分层物理映射关系。

9、（4）缺少分区损伤状态反馈递推机制。随着跌落次数增加，前序跌落造成的镀层分区磨损会改变各圆周区域的局部等效接触间隙，进而影响后续跌落过程中的接触力大小、碰撞时机和冲击位置分布。现有方法大多将各次跌落视为相互独立的重复事件，未在不同圆周区域分别建立损伤状态反馈，难以反映多次跌落后磨损累积对后续跌落载荷的影响。

10、现有相关专利技术中，如专利文件（cn112504677b）公开的一种保护轴承磨损数据检测方法和装置。该专利虽然在降低硬件成本、避免安装压力传感器方面取得了显著进步（通过位移和转速间接评估磨损），但若将其置于高速磁悬浮转子复杂瞬态跌落工况及精细化寿命预测的实际工程背景下，该专利的技术方案仍存在明显的局限性。该专利将保护轴承视为一个集总参数的整体，计算出的磨损信仅反映轴承整体的“平均”或“等效”磨损状态。实际跌落中，受转子不平衡、初始扰动等影响，碰撞位置（方位角）具有极强的随机性和不确定性。根据碰撞的方位角和能量分布，将损伤动态分配到轴承内/外圈的不同圆周区域。这导致无法反映保护轴承圆周方向上的磨损不均匀性，极易形成“局部已严重磨损出凹坑，但整体评估值未达标”的监测盲区，从而引发突发性抱死或扫膛故障。该专利的磨损评估基于宏观的物理量积分（如摩擦功、碰撞能量），属于宏观经验模型。无法精确预测局部镀层的剩余寿命或失效临界点，可能导致在镀层磨穿后仍继续使用，进而不可逆地损伤轴承基体。该专利的总磨损计算采用全局标量的线性开环累加。磨损在空间上是分布的，且在时间上具有演化效应。当保护轴承某个局部区域发生磨损后，其接触几何和局部刚度会发生改变，进而影响下一次跌落的碰撞位置和受力。这意味着随着跌落次数的增加，模型无法根据历史分区损伤状态动态更新局部接触模型，导致评估误差不断累积放大，最终失去对保护轴承真实健康状态的预测能力。

11、因此，亟需提出一种能够将动力学载荷代理、碰撞位置概率分配、镀层磨损代理和分区损伤递推进行系统性耦合的保护轴承镀层冲击磨损寿命预测方法及系统，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于动力学载荷代理、碰撞位置概率分配、镀层磨损代理和分区损伤递推的磁悬浮发电机保护轴承镀层冲击磨损寿命预测系统及方法，以解决现有方法难以同时兼顾转子落轴动力学载荷特征、有效碰撞位置不确定性和镀层多次损伤分区累积的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种磁悬浮发电机保护轴承镀层冲击磨损寿命预测系统，包括：

4、工程参数与分区状态输入模块，用于获取工程输入参数和保护轴承内圈镀层当前分区损伤状态，所述工程输入参数至少包括转子重量或质量、转子转速，以及累计跌落次数或递推终止条件，所述当前分区损伤状态包括沿保护轴承内圈圆周方向划分的多个区域的累计磨损深度、剩余有效厚度、局部等效接触间隙或损伤变量中的一种或多种；

5、动力学载荷代理模块，用于调用或构建动力学载荷代理模型，基于所述工程输入参数和当前分区损伤状态，预测单次转子跌落过程中的动力学载荷特征，所述动力学载荷特征至少包括最大有效冲击力和有效碰撞次数；

6、碰撞位置概率分配模块，用于根据所述有效碰撞次数以及碰撞位置不确定性，按照预设概率分布、统计分配规则或历史碰撞分布规则，将所述有效碰撞次数分配至保护轴承内圈的不同圆周区域，得到各圆周区域的局部有效碰撞次数，并根据所述最大有效冲击力、区域修正系数或预设载荷分配规则确定各圆周区域的局部碰撞载荷特征；

7、镀层磨损代理模块，用于调用或构建镀层磨损代理模型，基于分配至各圆周区域的局部碰撞载荷特征和对应区域的当前损伤状态，计算各圆周区域的磨损增量或损伤增量；

8、分区损伤状态更新模块，用于根据所述磨损增量或损伤增量，更新各圆周区域的累计磨损深度、剩余有效厚度、局部等效接触间隙或损伤变量，得到更新后的分区损伤状态；

9、多次跌落递推模块，用于将更新后的分区损伤状态作为下一次跌落预测的输入，按照累计跌落次数或预设失效判据进行多次跌落递推；

10、失效判定与寿命输出模块，用于输出保护轴承内圈镀层的最大磨损量、最小剩余有效厚度、失效区域位置、寿命状态或可承受跌落次数。

11、一种磁悬浮发电机保护轴承镀层冲击磨损寿命预测方法，基于所述的磁悬浮发电机保护轴承镀层冲击磨损寿命预测系统，包括以下步骤：

12、s1，获取工程输入参数和保护轴承内圈镀层当前分区损伤状态；所述工程输入参数至少包括转子重量或质量、转子转速，以及累计跌落次数或递推终止条件；所述当前分区损伤状态包括沿保护轴承内圈圆周方向划分的多个区域的累计磨损深度、剩余有效厚度、局部等效接触间隙或损伤变量中的一种或多种；

13、s2，调用或构建动力学载荷代理模型，基于所述工程输入参数和当前分区损伤状态，预测单次转子跌落过程中的动力学载荷特征；所述动力学载荷特征至少包括最大有效冲击力和有效碰撞次数；

14、s3，根据所述有效碰撞次数以及碰撞位置不确定性，按照预设概率分布、统计分配规则或历史碰撞分布规则，将所述有效碰撞次数分配至保护轴承内圈的不同圆周区域，得到各圆周区域的局部有效碰撞次数；并根据最大有效冲击力、区域修正系数或预设载荷分配规则，确定各圆周区域的局部碰撞载荷特征；

15、s4，调用或构建镀层磨损代理模型，基于分配至各圆周区域的局部碰撞载荷特征和对应区域的当前损伤状态，计算各圆周区域的磨损增量或损伤增量；

16、s5，根据所述磨损增量或损伤增量，更新各圆周区域的累计磨损深度、剩余有效厚度、局部等效接触间隙或损伤变量，得到更新后的分区损伤状态；

17、s6，将更新后的分区损伤状态作为下一次跌落预测的输入，按照累计跌落次数或预设失效判据进行多次跌落递推；

18、s7，输出保护轴承内圈镀层的最大磨损量、最小剩余有效厚度、失效区域位置、寿命状态或可承受跌落次数。

19、进一步，所述工程输入参数还包括转子偏心量、初始径向间隙、转子初始姿态、镀层初始厚度、镀层材料类型、已有磨损深度分布中的一种或多种；所述分区损伤状态还包括磨损区域面积、基体暴露比例、区域碰撞概率参数、历史碰撞次数、区域损伤等级或区域安全裕度中的一种或多种。

20、进一步，所述动力学载荷代理模型由转子跌落动力学仿真样本、试验样本、历史落轴数据或其组合训练、拟合或标定得到；所述训练样本中的最大有效冲击力和有效碰撞次数通过有效碰撞识别规则从法向接触力时程中提取获得；所述动力学载荷代理模型的输出还包括平均接触持续时间、冲击能量或载荷脉冲宽度中的一种或多种。

21、进一步，所述有效碰撞识别规则包括：通过接触力阈值条件、脉冲持续时间条件、峰值载荷条件或转子—内圈共速前状态条件中的一种或多种组合，从法向接触力时程中筛选有效碰撞事件；所述最大有效冲击力为全部有效碰撞事件中接触力峰值的最大值；所述有效碰撞次数为单次跌落过程中满足筛选条件的冲击事件数量，且所述有效碰撞次数不同于所述累计跌落次数。

22、进一步，所述s3中将有效碰撞次数分配至保护轴承内圈的不同圆周区域，具体包括：

23、将保护轴承内圈沿圆周方向离散为多个区域；

24、当单次跌落过程中有效碰撞的具体圆周位置不完全确定时，根据预设概率分布、统计分配规则、历史碰撞频次或动力学轨迹概率中的至少一种，将所述有效碰撞次数分配至各区域；

25、各区域分别记录和累积对应碰撞次数下的镀层磨损状态。

26、进一步，所述镀层磨损代理模型由局部冲击有限元样本、镀层冲击试验样本、形貌测量数据、历史磨损数据或其组合训练、拟合或标定得到；所述镀层磨损代理模型的输入包括局部冲击载荷特征、局部碰撞次数和局部镀层损伤状态；所述镀层磨损代理模型的输出包括磨损增量、残余坑深、损伤变量增量或剩余有效厚度变化中的一种或多种。

27、进一步，所述s5和s6具体包括：根据上一轮跌落后的分区累计磨损深度或剩余有效厚度，修正各圆周区域的局部等效接触间隙或剩余有效厚度系数；将修正后的分区损伤状态作为下一轮动力学载荷代理模型的输入；形成从分区损伤状态到跌落载荷特征、再到镀层磨损增量、最后返回分区损伤状态的闭环递推。

28、进一步，所述预设失效判据包括最大累计磨损深度达到允许磨损极限、最小剩余有效厚度低于安全阈值、基体暴露面积超过允许范围或分区损伤变量达到临界值中的一种或多种；所述输出还包括各圆周区域的分区累计磨损深度分布、最大危险区域位置或建议更换跌落次数中的一种或多种。

29、一种电子设备，包括处理器、存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求2至8任一项所述的磁悬浮发电机保护轴承镀层冲击磨损寿命预测方法。

30、本发明与现有技术相比，具有以下显著有益效果：

31、（1）本发明通过动力学载荷代理模型，将工程输入参数和当前镀层分区损伤状态转化为最大有效冲击力和有效碰撞次数等具有明确物理含义的载荷特征，替代重复的转子跌落动力学求解，为寿命预测提供可快速获取的动力学载荷输入，避免从工况参数直接黑箱预测寿命。

32、（2）本发明通过有效碰撞识别规则和碰撞位置概率分配，将单次跌落内部的多次有效碰撞转化为保护轴承内圈圆周区域上的局部损伤输入，使模型能够输出分区累计磨损深度和最大危险区域位置，避免仅以全局平均磨损评价寿命。

33、（3）本发明通过镀层磨损代理模型，将各圆周区域的局部冲击载荷特征与镀层磨损增量建立快速映射，在保留局部载荷特征与镀层损伤响应之间对应关系的同时，减少重复局部冲击有限元计算或试验标定计算。

34、（4）本发明通过分区损伤状态反馈机制，使上一轮跌落后的各区域累计磨损深度、剩余有效厚度或局部等效接触间隙参与下一轮动力学载荷代理模型的预测，形成多次跌落闭环递推，反映镀层磨损累积对后续跌落载荷的影响。

35、（5）本发明可输出镀层最大磨损量、最小剩余有效厚度、失效区域位置和可承受跌落次数，为保护轴承检修周期制定、更换决策和剩余寿命评估提供量化依据。