基于循環(huán)平穩(wěn)的滾動軸承及齒輪微弱故障特征提取應(yīng)用研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對運(yùn)轉(zhuǎn)條件要求較高，滾動軸承和齒輪部件的任何輕微故障都有可能改變其自身的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，進(jìn)而牽連到其它部件，引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致設(shè)備性能下降，甚至產(chǎn)生并發(fā)故障。如何提取滾動軸承和齒輪的微弱故障特征，揭示其早期、微弱、潛在故障及其發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移，是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷面臨的巨大挑戰(zhàn)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，尤其是在故障狀態(tài)下，其物理參數(shù)具有周期時(shí)變的特點(diǎn)，呈現(xiàn)循環(huán)平穩(wěn)特征。從故障的物理本質(zhì)入手，洞悉故障產(chǎn)生機(jī)理，是識別微

2、弱故障特征的關(guān)鍵。因此，本課題以滾動軸承和齒輪中的循環(huán)平穩(wěn)現(xiàn)象為研究對象，針對滾動軸承和齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)，建立各自的循環(huán)平穩(wěn)模型，分析其振動信號的循環(huán)平穩(wěn)特征，結(jié)合循環(huán)統(tǒng)計(jì)量理論以及相關(guān)的數(shù)學(xué)分析方法，研究其早期故障的物理本質(zhì)，從而客觀、有效的識別微弱故障特征。 本文將循環(huán)統(tǒng)計(jì)量和循環(huán)平穩(wěn)分析作為主要研究工具，以滾動軸承和齒輪振動信號為研究對象，通過對實(shí)際對象特征的分析，尋求具有針對性的循環(huán)平穩(wěn)分析方法，以達(dá)到微弱故障信號特征識別

3、的目的。研究內(nèi)容如下： 從理論分析與工程應(yīng)用的角度出發(fā)，簡要闡述了本文的選題背景和研究意義。對循環(huán)統(tǒng)計(jì)量理論及其譜估計(jì)方法、旋轉(zhuǎn)機(jī)械循環(huán)平穩(wěn)信號分析的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢進(jìn)行了較為全面地闡述。 在簡要討論循環(huán)平穩(wěn)現(xiàn)象和循環(huán)統(tǒng)計(jì)量基本概念的基礎(chǔ)上，探討了二階循環(huán)統(tǒng)計(jì)量的定義、實(shí)質(zhì)及基本性質(zhì)，研究了循環(huán)譜估計(jì)算法，以經(jīng)典譜估計(jì)理論為基礎(chǔ)，對循環(huán)周期圖的平均和平滑進(jìn)行了重點(diǎn)討論，給出了各自的定義、離散表述和具體實(shí)

4、現(xiàn)步驟。 研究了齒輪振動信號和滾動軸承點(diǎn)蝕故障振動信號的循環(huán)平穩(wěn)模型及其循環(huán)平穩(wěn)機(jī)理。針對調(diào)幅、調(diào)頻共存的混合調(diào)制齒輪振動信號模型，理論推導(dǎo)其二階循環(huán)平穩(wěn)特征的數(shù)學(xué)表達(dá)，給出其譜相關(guān)密度函數(shù)特征的幾何分布規(guī)律。詳細(xì)描述了考慮滾道和滾珠之間微小滑動的滾動軸承點(diǎn)蝕故障振動信號模型，對其進(jìn)行二階循環(huán)平穩(wěn)的理論推導(dǎo)，得到模型譜相關(guān)密度函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)該理論結(jié)果總結(jié)了滾動軸承不同類型點(diǎn)蝕故障的循環(huán)平穩(wěn)特征。 著重研究了循環(huán)平

5、穩(wěn)度分析、譜相關(guān)密度單切片分析、譜相關(guān)密度組合切片分析以及譜相關(guān)密度累積能量因子等分析方法和監(jiān)測手段。在研究齒輪振動信號循環(huán)平穩(wěn)特征的基礎(chǔ)上，本文提出了針對調(diào)制特征，尤其是齒輪調(diào)制特征的基于Hilbert變換的譜相關(guān)密度單切片分析。該方法利用齒輪基礎(chǔ)調(diào)制頻率處的譜相關(guān)密度切片，解調(diào)得到反映齒輪調(diào)幅、調(diào)頻特征的綜合信息，與傳統(tǒng)解調(diào)方法相比，該分析方法對故障的發(fā)生發(fā)展較為敏感，尤其適用于識別以調(diào)頻特征變化為主的早期故障。在估計(jì)算法中通過多次

6、平均可以在一定程度上消除隨機(jī)噪聲的干擾，與Hilbert變換相結(jié)合使得可以應(yīng)用時(shí)域選抽技術(shù)減少計(jì)算量。 針對滾動軸承點(diǎn)蝕故障的循環(huán)平穩(wěn)特征，本文提出了基于平滑循環(huán)周期圖估計(jì)算法的譜相關(guān)密度組合切片分析。該方法預(yù)先設(shè)定一組滾動軸承特征循環(huán)頻率，利用平滑估計(jì)算法得到其對應(yīng)的譜相關(guān)密度切片，不同類型的軸承點(diǎn)蝕故障在不同的譜相關(guān)密度切片上具有突出的能量分布，且能量突出區(qū)域?yàn)楣收险{(diào)制特征集中的共振頻率附近。平滑循環(huán)周期圖估計(jì)算法兼具高效率

7、和高分辨率的優(yōu)勢，可以通過增加平滑長度盡可能的消除隨機(jī)噪聲的干擾，識別掩蓋在環(huán)境噪聲中的微弱故障特征。考慮到實(shí)際應(yīng)用中切片位置不準(zhǔn)確的問題，利用每個(gè)特征循環(huán)頻率附近的局部最大能量切片代替其對應(yīng)的切片，通過這種處理方式不僅確保了組合切片分析的可靠性，而且能夠有效的判斷多類型混合的點(diǎn)蝕故障。 本文定義了累積能量因子的概念，根據(jù)譜線相關(guān)性的變化情況監(jiān)測機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。齒輪故障的產(chǎn)生和發(fā)展總是引起調(diào)制現(xiàn)象的加深和嚙合振動的加劇。利用兩種

8、累積能量因子-調(diào)制監(jiān)測因子和嚙合振動監(jiān)測因子，都能夠及時(shí)準(zhǔn)確的反映齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的改變。作為全新的監(jiān)測手段，累積能量因子融合了整個(gè)分析帶寬內(nèi)的信息，有針對性的監(jiān)測齒輪箱中每個(gè)轉(zhuǎn)頻調(diào)制情況，區(qū)別各對嚙合齒輪的振動，判斷故障齒輪副所在位置。 本文還研究了循環(huán)平穩(wěn)振動信號的自適應(yīng)濾波問題，在平穩(wěn)隨機(jī)信號自適應(yīng)濾波理論研究的基本上，以周期時(shí)變?yōu)V波器為切入點(diǎn)，討論了循環(huán)平穩(wěn)理論框架下的正交原理、循環(huán)維納.霍夫方程、循環(huán)維納濾波器及其自適應(yīng)算