齒輪噪源干擾下變轉(zhuǎn)速運(yùn)行滾動(dòng)軸承的故障診斷研究.pdf

1、對(duì)滾動(dòng)軸承開展故障診斷研究的動(dòng)機(jī)源自其在機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行中的重要地位:一方面，由于絕大多數(shù)機(jī)械設(shè)備均涉及轉(zhuǎn)動(dòng)，這使得軸承成為應(yīng)用最為廣泛的通用部件之一，另一方面，正如軸承之名所示，其主要作用即為承載，加之其本身壽命離散度大且常工作于惡劣工作條件等特點(diǎn)使其成為旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的易損部件。實(shí)際工程中，滾動(dòng)軸承往往決定著整個(gè)設(shè)備甚至整條生產(chǎn)線的工作狀態(tài)。
　　因?yàn)闈L動(dòng)軸承在機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行中所扮演的重要角色，故障診斷領(lǐng)域的許多學(xué)者對(duì)其振動(dòng)特性

2、及診斷方法進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究并提出了以包絡(luò)解調(diào)技術(shù)為代表的有效解決方案。但是，該技術(shù)的成功應(yīng)用卻是以轉(zhuǎn)速平穩(wěn)作為前提條件的，分析對(duì)象也往往集中于滾動(dòng)軸承本身。隨著機(jī)械設(shè)備向復(fù)雜化與集成化發(fā)展，滾動(dòng)軸承復(fù)雜的運(yùn)行模式與環(huán)境必將使對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷更加困難。其中，大范圍的變轉(zhuǎn)速工作模式將改變滾動(dòng)軸承的振動(dòng)特性，而以齒輪為代表的噪源則將分別在時(shí)域和頻域?qū)L動(dòng)軸承故障特征的提取構(gòu)成干擾。為此，本學(xué)位論文試圖在階比跟蹤和包絡(luò)分析的框架下，以對(duì)變轉(zhuǎn)

3、速運(yùn)行模式下故障軸承及齒輪噪源的振動(dòng)特性進(jìn)行詳細(xì)分析為基礎(chǔ)，提出一套不依賴輔助設(shè)備的，切實(shí)可行的算法解決齒輪噪源干擾下變轉(zhuǎn)速運(yùn)行滾動(dòng)軸承的故障診斷問題。
　　齒輪箱的嚙合振動(dòng)是一種常見的影響滾動(dòng)軸承故障診斷的干擾源，有必要在開展?jié)L動(dòng)軸承的故障診斷之前對(duì)其予以去除。但是，變轉(zhuǎn)速工作模式的干擾與參考傳感器理想安裝位置難以確定這兩個(gè)問題將制約傳統(tǒng)齒輪噪源去除算法的成功應(yīng)用。為此，本文首先通過對(duì)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式下齒輪噪源的振動(dòng)特性的分析提出

4、瞬時(shí)峰值嚙合倍頻趨勢(shì)線的概念，其次，以該趨勢(shì)線為基礎(chǔ)提出了僅與齒輪噪源相關(guān)的理想?yún)⒖夹盘?hào)構(gòu)造方法與變轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式下自適應(yīng)濾波算法核心參數(shù)（濾波器長(zhǎng)度與步長(zhǎng)參數(shù)）的確定準(zhǔn)則，最后，在不依賴任何輔助設(shè)備的前提下，依靠新構(gòu)造的理想?yún)⒖夹盘?hào)與適合變轉(zhuǎn)速工作模式的自適應(yīng)濾波參數(shù)實(shí)現(xiàn)盡量不影響滾動(dòng)軸承振動(dòng)部分的齒輪噪源去除。
　　對(duì)滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)頻隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行獲取是實(shí)現(xiàn)抵消變轉(zhuǎn)速工作模式影響的前提。然而，若不依賴轉(zhuǎn)速計(jì)的幫助，很難通過滾動(dòng)

5、軸承振動(dòng)信號(hào)本身或其它表達(dá)對(duì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)頻趨勢(shì)線進(jìn)行獲取。針對(duì)這一問題，本文提出了構(gòu)造替代參量的策略。首先，通過對(duì)傳統(tǒng)的基于時(shí)域包絡(luò)譜和角域階比包絡(luò)譜的滾動(dòng)軸承故障診斷策略進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出能夠替代瞬時(shí)轉(zhuǎn)頻趨勢(shì)線實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式影響抵消的等效參量所應(yīng)該具備的兩條特性:與軸承轉(zhuǎn)頻同步變化且二者之間的比例關(guān)系固定。其次，通過對(duì)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式下故障軸承振動(dòng)特性的分析構(gòu)造了瞬時(shí)故障特征頻率趨勢(shì)線用來代替難以提取的軸承轉(zhuǎn)頻趨勢(shì)線。最后，聯(lián)合應(yīng)用基于k

6、urtogram的譜峭度濾波快速算法與短時(shí)傅里葉變換獲取包含瞬時(shí)故障特征頻率趨勢(shì)線包絡(luò)時(shí)頻譜，并提出基于幅值累加的峰值搜索算法對(duì)其進(jìn)行提取。
　　階比跟蹤技術(shù)是為抵消變轉(zhuǎn)速模式干擾所提出的最常見且最為有效的算法之一。然而，當(dāng)利用該方法分析變轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式下故障軸承的振動(dòng)信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)的重采樣結(jié)果與理想情況卻存在偏差，而該偏差還將會(huì)進(jìn)一步地影響滾動(dòng)軸承的故障診斷。為此，本文首先利用沖擊響應(yīng)計(jì)算模型推導(dǎo)出軸承故障沖擊波形峰值時(shí)間在變轉(zhuǎn)速運(yùn)

7、行模式下隨時(shí)間相對(duì)不變這一規(guī)律，其次，通過分析峰值時(shí)間不變特性對(duì)傳統(tǒng)階比跟蹤算法的影響機(jī)理，闡述重采樣波形包絡(luò)畸變現(xiàn)象的產(chǎn)生原理，最后，提出基于分段擬合與包絡(luò)畸變補(bǔ)償?shù)碾A比跟蹤算法以消除包絡(luò)畸變現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)以瞬時(shí)故障特征頻率趨勢(shì)線為基礎(chǔ)的故障相角域重采樣。
　　以瞬時(shí)故障特征頻率趨勢(shì)線為基礎(chǔ)的重采樣結(jié)果與傳統(tǒng)的角域重采樣結(jié)果有著本質(zhì)的區(qū)別，基于包絡(luò)分析的滾動(dòng)軸承故障診斷策略還會(huì)受到解調(diào)齒輪轉(zhuǎn)頻階比峰值的干擾。針對(duì)上述問題，本文首先對(duì)

8、故障特征階比譜的物理意義及基于它的滾動(dòng)軸承故障診斷原理進(jìn)行闡述，其次，詳細(xì)討論解調(diào)齒輪轉(zhuǎn)頻階比峰值對(duì)基于故障特征階比譜的滾動(dòng)軸承故障診斷策略的影響機(jī)理，最后，提出構(gòu)造故障特征階比模板實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承轉(zhuǎn)頻階比的直接定位進(jìn)而完成最終的滾動(dòng)軸承的故障診斷。
　　為驗(yàn)證本文所提出算法的有效性，首先根據(jù)變轉(zhuǎn)速模式下故障軸承與齒輪噪源的振動(dòng)特性構(gòu)造仿真信號(hào)，其次，通過利用和改造渥太華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的故障仿真試驗(yàn)臺(tái)，獲取模擬同步及異步齒輪噪源干擾下故障軸