基于循环平稳的滚动轴承及齿轮微弱故障特征提取应用研究

【摘要】： 旋转机械结构复杂,对运转条件要求较高,滚动轴承和齿轮部件的任何轻微故障都有可能改变其自身的运转状态,进而牵连到其它部件,引发一系列连锁反应,导致设备性能下降,甚至产生并发故障。如何提取滚动轴承和齿轮的微弱故障特征,揭示其早期、微弱、潜在故障及其发生、发展和转移,是设备状态监测和故障诊断面临的巨大挑战。旋转机械在运转过程中,尤其是在故障状态下,其物理参数具有周期时变的特点,呈现循环平稳特征。从故障的物理本质入手,洞悉故障产生机理,是识别微弱故障特征的关键。因此,本课题以滚动轴承和齿轮中的循环平稳现象为研究对象,针对滚动轴承和齿轮的运转特点,建立各自的循环平稳模型,分析其振动信号的循环平稳特征,结合循环统计量理论以及相关的数学分析方法,研究其早期故障的物理本质,从而客观、有效的识别微弱故障特征。 本文将循环统计量和循环平稳分析作为主要研究工具,以滚动轴承和齿轮振动信号为研究对象,通过对实际对象特征的分析,寻求具有针对性的循环平稳分析方法,以达到微弱故障信号特征识别的目的。研究内容如下: 从理论分析与工程应用的角度出发,简要阐述了本文的选题背景和研究意义。对循环统计量理论及其谱估计方法、旋转机械循环平稳信号分析的国内外研究现状、研究进展与发展趋势进行了较为全面地阐述。 在简要讨论循环平稳现象和循环统计量基本概念的基础上,探讨了二阶循环统计量的定义、实质及基本性质,研究了循环谱估计算法,以经典谱估计理论为基础,对循环周期图的平均和平滑进行了重点讨论,给出了各自的定义、离散表述和具体实现步骤。 研究了齿轮振动信号和滚动轴承点蚀故障振动信号的循环平稳模型及其循环平稳机理。针对调幅、调频共存的混合调制齿轮振动信号模型,理论推导其二阶循环平稳特征的数学表达,给出其谱相关密度函数特征的几何分布规律。详细描述了考虑滚道和滚珠之间微小滑动的滚动轴承点蚀故障振动信号模型,对其进行二阶循环平稳的理论推导,得到模型谱相关密度函数的数学表达式,根据该理论结果总结了滚动轴承不同类型点蚀故障的循环平稳特征。 着重研究了循环平稳度分析、谱相关密度单切片分析、谱相关密度组合切片分析以及谱相关密度累积能量因子等分析方法和监测手段。在研究齿轮振动信号循环平稳特征的基础上,本文提出了针对调制特征,尤其是齿轮调制特征的基于Hilbert变换的谱相关密度单切片分析。该方法利用齿轮基础调制频率处的谱相关密度切片,解调得到反映齿轮调幅、调频特征的综合信息,与传统解调方法相比,该分析方法对故障的发生发展较为敏感,尤其适用于识别以调频特征变化为主的早期故障。在估计算法中通过多次平均可以在一定程度上消除随机噪声的干扰,与Hilbert变换相结合使得可以应用时域选抽技术减少计算量。 针对滚动轴承点蚀故障的循环平稳特征,本文提出了基于平滑循环周期图估计算法的谱相关密度组合切片分析。该方法预先设定一组滚动轴承特征循环频率,利用平滑估计算法得到其对应的谱相关密度切片,不同类型的轴承点蚀故障在不同的谱相关密度切片上具有突出的能量分布,且能量突出区域为故障调制特征集中的共振频率附近。平滑循环周期图估计算法兼具高效率和高分辨率的优势,可以通过增加平滑长度尽可能的消除随机噪声的干扰,识别掩盖在环境噪声中的微弱故障特征。考虑到实际应用中切片位置不准确的问题,利用每个特征循环频率附近的局部最大能量切片代替其对应的切片,通过这种处理方式不仅确保了组合切片分析的可靠性,而且能够有效的判断多类型混合的点蚀故障。 本文定义了累积能量因子的概念,根据谱线相关性的变化情况监测机械的运转状态。齿轮故障的产生和发展总是引起调制现象的加深和啮合振动的加剧。利用两种累积能量因子——调制监测因子和啮合振动监测因子,都能够及时准确的反映齿轮运转状态的改变。作为全新的监测手段,累积能量因子融合了整个分析带宽内的信息,有针对性的监测齿轮箱中每个转频调制情况,区别各对啮合齿轮的振动,判断故障齿轮副所在位置。 本文还研究了循环平稳振动信号的自适应滤波问题,在平稳随机信号自适应滤波理论研究的基本上,以周期时变滤波器为切入点,讨论了循环平稳理论框架下的正交原理、循环维纳-霍夫方程、循环维纳滤波器及其自适应算法。对于机械领域难以为自适应滤波提供参考信号的特点,基于循环维纳滤波器,提出了循环平稳振动信号自适应增强器,能够一定程度上减小环境噪声的干扰。 利用实验室现有的滚动轴承振动试验台,加工特定故障的滚动轴承,制定试验方案,完成振动信号测试工作。利用大量的滚动轴承和齿轮实际振动信号验证了各种基于循环平稳的分析方法、监测手段的适用性,证实了其在微弱特征识别上的能力。