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齿轮箱复合故障的保真稀疏分解方法研究及应用

李宁  
【摘要】:齿轮箱作为现代工业系统和轨道交通系统中的关键动力传输部件,其运行状态直接关系到工业系统和高速列车的安全性和可靠性,一旦齿轮箱发生故障,不能及时发现和预警,将严重危及高速列车的运行安全和工业系统的生产安全,甚至可能造成重大安全事故。近年来,随着高速铁路在我国的飞速发展,为保证列车行驶安全,齿轮箱关键部件的监测诊断成为亟待发展的关键技术。在高速列车实际运行中,列车齿轮箱工况条件恶劣,振源多,背景噪声大,极易发生干扰多、诊断难度大的复合故障。因而,在强噪声以及其它相关干扰条件下,研究实现齿轮箱复合故障的准确分离诊断方法,对于旋转机械状态检测和寿命预测具有重要意义。本文在国家自然科学基金青年基金项目“列车转向架光学图像监测方法研究”(项目批准号:51405320)和苏州市科技计划项目“轨道车辆轮对轴承健康诊断与寿命预测关键技术研究”(项目批准号:SYG201511)资助下,针对齿轮箱复合故障的保真信号分解问题,提出了多源保真稀疏分解方法,解决了现有方法对复合故障信号重构准确度低、特征提取能力差等问题,明显提高了齿轮箱故障诊断和状态检测效果。主要研究内容如下:(1)齿轮箱振动机理建模分析。齿轮箱故障机理研究能够为复合故障的准确分离提供总体指导,因此本文首先分析了齿轮箱正常、齿轮分布式故障、齿轮与轴承局部故障等不同状态下齿轮箱振动响应信号的特点,构建了齿轮箱复合故障内部特征结构相匹配的参数化小波基模型,并以构建的小波基作为基础,通过参数扩展构造了稀疏表示过完备字典。(2)多源保真稀疏分解算法研究及其故障诊断应用。首先,针对齿轮箱复合故障信号分解难度大的问题,基于齿轮箱振动机理分析,建立了能够综合解决多种齿轮箱复合故障问题的数据保真项,构建了可以综合解决多种齿轮箱复合故障多源稀疏分解模型;其次,针对振动信号准确分离的工程需求,研究具有良好保幅值能力的多源非凸罚函数来构建稀疏惩罚项。再次,在确定优化目标函数的基础上,进一步去推导目标函数的保凸条件,指出稀疏目标函数保凸的重要性。最后,分析了稀疏求解算法的原理,依据目标函数特性,采用最优的稀疏求解方法优化求解,实现目标信号的精准重构和齿轮箱复合故障的有效诊断。仿真和工程实验验证了该算法能够准确实现多种齿轮箱复合故障类型的信号分解和故障诊断。(3)基于相关性的组稀疏分解算法研究及其故障诊断应用。针对稀疏分解方法中稀疏罚函数的选择缺乏明确的物理依据的问题,通过振动机理分析揭示了齿轮箱中轴承故障信号存在的组内组间稀疏特性,研究了能有效促进该稀疏特性的非凸组稀疏罚函数。该非凸组稀疏罚函数既能有效解决传统凸罚函数引入的幅值低估问题,又能基于组内组间稀疏特性有效滤除故障脉冲间的无关噪声分量。克服了齿轮箱故障诊断中稀疏罚函数选取缺乏明确物理依据的难题。同时,针对稀疏分解参数选取困难的问题,本文提出了一种自适应的正则化参数选择策略。仿真和工程实验验证了该稀疏分解算法能够有效实现多种齿轮箱轴承故障信号的故障诊断。综上所述,本文提出的稀疏分解方法能够有效实现齿轮箱多种故障类型的信号保真重构和故障诊断。对于改进强噪声背景下齿轮箱复合故障信号分解精度,提高以齿轮箱为代表的旋转机械故障诊断的可靠性具有重要的理论和实际意义。


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