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基于阶次跟踪的变转速齿轮箱故障诊断方法研究

罗志鹏  
【摘要】:齿轮箱是机械动力传动的关键部件;在大转速波动工况下齿轮在啮合过程中将产生具有明显非平稳性的振动响应;当考虑传递路径的影响,信号的调制特征会更加复杂;因此,变转速工况下的机械故障诊断是当前的研究热点。本文以阶次跟踪技术为手段,通过提取振动响应特征和动态特性,深入开展变转速齿轮箱的故障诊断技术研究。本论文主要工作为:建立齿轮啮合动力学模型,描述了变转速齿轮啮合响应及其调制边带的特征。介绍了齿轮故障分类,一般根据齿轮故障的几何形式或大小定义为平稳型故障、冲击型故障、复合型故障,并简述了相应的故障信号特征。同时以计算阶次跟踪(Calculated Order Tracking,COT)为基础模拟齿轮箱的振动响应,并通过实验验证齿轮复合型故障响应特征。转频波动工况下复杂齿轮箱系统振动信号中各啮合阶次成分相互干扰,导致对齿轮啮合频率估计困难;能量中心校正法在这种干扰下依旧表现出精确的瞬时频率估计(Instantaneous Frequency Estimation,IFE)能力,但当信号中含有强噪声时,能量中心校正法的表现不令人满意。基于此,分别提出一种基于峰值搜索时频分布的和一种基于离散频谱校正技术的旋转频率明显波动下进行齿轮故障诊断的无转速计阶次跟踪技术。基于短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)设置时变滤波器;通过时变滤波与连续小波变换(Continuous Wavelet Transform,CWT)结合或时变滤波与能量重心校正法结合,分别获得平滑的瞬时频率估计;基于Vold-Kalman滤波器(VKF)为原始信号的等角度重采样计算参考轴的瞬时相位信息和获得齿轮啮合的动态特性。前一种方法基于低速级轴承端盖的实测振动后一种方法基于原始振动信号中加入1dB的高斯白噪声获得的阶次谱分别与基于COT获得的阶次谱基本相同。所提出的两种方法还可以结合其它信号处理技术诊断齿轮箱系统的健康状况。考虑传递路径对振动信号的影响,提出了一种基于多通道信号将约束独立分量分析(Constrained Independent Component Analysis,cICA)、COT和快速谱峭度相结合的故障特征提取方法。根据故障齿轮的瞬时啮合频率建立时域矩形波参考信号;利用cICA提取出故障特征更明显的非平稳信号,即时域感兴趣的独立分量,再转换为角域平稳信号;根据快速谱峭度选择合适的滤波器参数对角域感兴趣的独立分量进行滤波,获得平方包络谱,以判断冲击型故障齿轮所在轴的位置;再根据独立分量阶次谱评估齿轮箱的健康状态。针对变转速工况下低速级断齿故障齿轮产生的信号含有冲击,但故障信号能量低的特点,通过最值搜索直接确定故障齿轮轴每转一圈出现的单个冲击响应峰值的时刻。基于相关滤波法根据冲击峰值时刻右侧较短的时间序列获得模态参数,从而减少了计算量。根据冲击字典,基于匹配追踪算法对时域冲击响应成分进行提取;再将去除冲击成分的余量转换到角域,基于稳态调制字典从角域余量中提取系统的平稳型故障特征。仿真与实验表明时域冲击和角域平稳型故障分量被很好的重构。


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