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基于摩擦学与动力学的齿轮系统故障诊断相关性研究

冯伟  
【摘要】: 齿轮作为机械中传递动力和运动的通用零件,被广泛应用于工农业生产设备中。本文研究正是选取齿轮箱这一摩擦学系统为对象,考虑一直以来学者们试图通过磨损与振动信息进行故障诊断时存在的相互关系去解决二者在状态监测与故障诊断过程中表现出的一致性和准确性、但都没能解决两类信息故障诊断如何相关和相关到什么程度的问题,着重研究齿轮摩擦学系统摩擦学信息与动力学信息相互依存关系,系统磨损与振动特征信息及基于磨损信息与振动信息的故障诊断相关性问题。 首先,论文从齿轮啮合运动过程中产生的摩擦学特征信息与动力学状态信息研究出发,系统描述了齿轮摩擦学信息与动力学信息存在的理论相关性,提出了两类信息故障诊断相关性研究实施过程。在此基础上,研究从考虑变摩擦信息的齿轮动力学仿真分析方法着手,建立了齿轮啮合仿真物理模型,系统仿真了该模型在不同摩擦因子参量下的动力学特性。仿真结果分析表明,齿轮啮合运动过程中摩擦学信息与动力学信息在相互影响、相互渗透的同时,在系统输出状态特征中表现出强耦合关系。 其次,课题研究从磨粒是磨损能量损耗产物的观点分析出发,建立了齿轮摩擦学系统故障诊断能量损耗状态监测模型和监测诊断参数化实施方法。该模型的试验研究表明,齿轮摩擦学系统能量损耗具有随着负载的增加而损耗减小、随转速的增加而增加的特点。但当齿面故障严重时,如发生严重剥落故障,其能量损耗仍具有随负载增加而增加的特点。 之后,在齿轮磨损与振动均消耗系统能量这一共同特征信息基础上,建立了基于磨损信息与振动信息的齿轮摩擦学系统故障诊断相关性模型,提出了磨损元素相对质量分数的累积相对标度WCRS(Wear cumulative relative scale)和振动速度信号时域均方根值的累积相对标度VCRS(Vibration cumulative relative scale)两个特征参量,通过新齿轮疲劳磨损与振动试验数据并利用提出的二个特征参量验证了该模型。研究结果得出基于磨损特征信息WCRS与振动特征信息VCRS的齿轮摩擦学系统故障诊断表现出高度相关的结论,从而证实本文提出的理论和研究方法是可行的。 最后,本文通过设计多工况多故障模式的试验研究方法,系统研究了齿面发生故障时磨损特征信息与振动特征信息、基于磨损与振动的故障齿轮诊断试验关系。试验特征信息研究表明,齿轮摩擦学系统振动信号表现特征具有与磨损信息表现相类似的特征变化关系。齿轮故障诊断试验关系研究表明,当齿面发生点蚀时,齿轮磨损的增长不仅与齿面点蚀程度有关,还与点蚀的齿数有关,但齿轮振动强度与齿面点蚀的程度最相关,与点蚀齿数关系不密切;当齿面发生剥落时,剥落越严重,磨损越厉害,振动越强烈,二者信息诊断表现出一致的关系。进一步关系研究发现,齿面发生故障时,相比磨损故障变化,振动信号反映故障的变化更敏感。


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