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用研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構復雜，對運轉(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轉(zhuǎn)狀態(tài)，進而牽連到其它部件，引發(fā)一系列連鎖反應，導致設備性能下降，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，是設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷面臨的巨大挑戰(zhàn)。旋轉(zhuǎn)機械在運轉(zhuǎn)過程中，尤其是在故障狀態(tài)下，其物理參數(shù)具有周期時變的特點，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)生機理，是識別微

2、弱故障特征的關鍵。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轉(zhuǎn)特點，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)計量理論以及相關的數(shù)學分析方法，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)計量理論及其譜估計方法、旋轉(zhuǎn)機械循環(huán)平穩(wěn)信號分析的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究進展與發(fā)展趨勢進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)計量基本概念的基礎上，探討了二階循環(huán)統(tǒng)計量的定義、實質(zhì)及基本性質(zhì)，研究了循環(huán)譜估計算法，以經(jīng)典譜估計理論為基礎，對循環(huán)周期圖的平均和平滑進行了重點討論，給出了各自的定義、離散表述和具體實

4、現(xiàn)步驟。 研究了齒輪振動信號和滾動軸承點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，理論推導其二階循環(huán)平穩(wěn)特征的數(shù)學表達，給出其譜相關密度函數(shù)特征的幾何分布規(guī)律。詳細描述了考慮滾道和滾珠之間微小滑動的滾動軸承點蝕故障振動信號模型，對其進行二階循環(huán)平穩(wěn)的理論推導，得到模型譜相關密度函數(shù)的數(shù)學表達式，根據(jù)該理論結(jié)果總結(jié)了滾動軸承不同類型點蝕故障的循環(huán)平穩(wěn)特征。 著重研究了循環(huán)平

5、穩(wěn)度分析、譜相關密度單切片分析、譜相關密度組合切片分析以及譜相關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變換的譜相關密度單切片分析。該方法利用齒輪基礎調(diào)制頻率處的譜相關密度切片，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。在估計算法中通過多次

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

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噪聲的干擾，識別掩蓋在環(huán)境噪聲中的微弱故障特征?？紤]到實際應用中切片位置不準確的問題，利用每個特征循環(huán)頻率附近的局部最大能量切片代替其對應的切片，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蝕故障。 本文定義了累積能量因子的概念，根據(jù)譜線相關性的變化情況監(jiān)測機械的運轉(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，都能夠及時準確的反映齒輪運轉(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分析帶寬內(nèi)的信息，有針對性的監(jiān)測齒輪箱中每個轉(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)振動信號的自適應濾波問題，在平穩(wěn)隨機信號自適應濾波理論研究的基本上，以周期時變?yōu)V波器為切入點，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算