基于时频分析的行波型超声波电机压电陶瓷开裂故障诊断的研究
发布时间：2021-08-16 11:14
超声波电机作为一种新型电机,依靠自身结构和独特的运转方式被广泛应用在高新领域的机械设备中。压电陶瓷作为超声波电机的换能部件为电能转换为转子动能起到关键作用,但是由于受到材料的脆性影响,长期工作在高频的驱动电源下会导致疲劳损伤发生开裂故障。对压电陶瓷进行故障诊断能够在超声波电机功能失效前做好准备工作,避免了重大事故的发生。因此本文针对超声波电机开展的压电陶瓷故障诊断研究对保障超声波电机安全、稳定运行具有重要意义。本文根据超声波电机的工作原理和压电陶瓷开裂过程的基础上提出故障诊断方法,选用孤极电压作为压电陶瓷的状态监测信号,重点对孤极电压的信号处理和退化特征提取进行研究,通过超声波电机试验台采集的数据对以上的研究内容进行分析和验证。主要研究内容和创新点包括在以下3个方面:1)针对压电陶瓷开裂对孤极电压的影响进行分析,构建超声波电机采集平台。通过在分别在时域和频域内对采集到不同开裂程度的孤极电压信号进行特征变换,得到不同故障程度的信号表征。2)针对深层次挖掘孤极电压信号中包含的故障信息,以及对故障信息的分析处理等问题。提出将局部均值分解（Local Mean Decomposition,LM...
【文章来源】：河北科技大学河北省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超声波电机的定转子
第2章压电陶瓷故障对超声波电机孤极电压影响7第2章压电陶瓷故障对超声波电机孤极电压影响2.1孤极电压信号选择依据2.1.1超声波电机的结构特点超声波电机一般可通过四种分类模式，分为共8种电机类型，由表2-1所示:表2-1超声波电机分类分类方法类型波的传播方式行波型超声波电机驻波型超声波电机转子的运动形式旋转型超声波电机直线型超声波电机转子的运动自由度单自由度超声波电机多自由度超声波电机定转子接触情况接触式超声波电机非接触式超声波电机本文是针对行波型超声波电机进行研究和分析。行波型超声波电机是由振动体（相当于传统电机中的定子）和移动体（相当于传统电机中的转子）组成。其振动体又是由压电陶瓷和金属弹性材料构成；移动体是由弹性体和摩擦材料构成。定子的金属弹性材料一侧开有齿槽，在定子无槽的一侧粘有压电陶瓷片。摩擦材料在超声波电机运行时起到给转子一个摩擦驱动力，通常在转子的与定子接触的那一面上，如图2-1所示。超声波电机整体结构如图2-2所示。图2-1超声波电机的定转子图2-2超声波电机整体结构
河北科技大学硕士学位论文82.1.2压电效应利用压电陶瓷片的逆压电效应可以实现电能到动能的转换，并且通过正压电效应压电陶瓷片的孤极处会产生交流电压作为监测超声波电机定子状态的监测信号[22]。(1)正压电效应压电效应是居里兄弟在1880年首次发现的。他们发现有些晶体可以通过向一定方向进行拉伸或者挤压时，晶体的上下表面上会出现相反的正负电荷，并且电荷量与使晶体产生形变力的大小相关。当撤掉作用在晶体上的力时，电荷量降为零。他们把这种在晶体上施加力产生电荷的现象叫做正压电效应，这种晶体叫做压电体。并且当压电体受到的力越大或者受力面积越大时产生的电荷量越多，使压电体发生极化效应。因此正压电效应可以看作机械能转变为电能的过程，如图2-3。图2-3正逆压电效应图(2)逆压电效应压电体可以通过在极化方向上施加电场时，发生有规律的机械形变。当撤掉电场时，压电体回到原始的形态。这种在晶体上施加一个电场，同时产生相应的形变和应力的现象被称作逆压电效应。并且向压电体施加的电场越大，压电体结构的形变也越大。因此逆压电效应可以看作电能转变为机械能的过程。2.1.3超声波电机的运行原理当正电压作用于压电材料的上表面时，在材料上表面形成正极电场，下表面形成负极电场，这种状态下的压电材料会伸长其长度，厚度会相应的收缩，如图2-4所示。相反，在压电材料的上表面施加负电压，形成负电场；下表面施加正电压形成正电常此时，压电材料则会加大其厚度，长度会收缩。因此在压电材料表面上持续施加交变电场时，压电材料会产生交替的伸缩形变。当外加的高频电压与压电材料的本身频率相同时，就会发生共振，压电材料就会进入共振状态。超声振动则是指压电材料振动频率当超过20kHz时的统称。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于EEMD和改进OMP算法的滚动轴承故障诊断[J]. 王海明,刘永强,廖英英,王艳丽. 煤矿机械. 2019(08)
[2]基于EMD和SSAE的滚动轴承故障诊断方法[J]. 王奉涛,邓刚,王洪涛,于晓光,韩清凯,李宏坤. 振动工程学报. 2019(02)
[3]应用ITD分形模糊熵的自动机早期故障诊断[J]. 赵雄鹏,潘宏侠,刘广璞,安邦. 机械设计与制造. 2019(01)
[4]LMD支持向量机电机轴承故障诊断研究[J]. 尹召杰,许同乐,郑店坤. 哈尔滨理工大学学报. 2018(05)
[5]基于VMD的超声波电动机退化特征提取研究[J]. 陈柏言,李洪儒,安国庆,许葆华. 微特电机. 2018(07)
[6]基于改进EMD和双谱分析的电机轴承故障诊断实现[J]. 陈宗祥,陈明星,焦民胜,葛芦生. 电机与控制学报. 2018(05)
[7]改进OPELM在超声电机退化状态识别中的应用[J]. 陈柏言,李洪儒,安国庆. 电子测量与仪器学报. 2018(03)
[8]基于VMD和奇异值能量差分谱的风机滚动轴承故障特征提取方法[J]. 张伟,白恺,宋鹏,杨伟新,赵洪山,王正宇. 华北电力技术. 2017(03)
[9]基于EMD算法的光栅莫尔条纹信号去噪方法研究[J]. 杨华晖,刘福,冯伟利. 计量学报. 2016 (05)
[10]A Novel De-noising Method Based on Discrete Cosine Transform and Its Application in the Fault Feature Extraction of Hydraulic Pump[J]. 王余奎,黄之杰,赵徐成,朱毅,魏东涛. Journal of Shanghai Jiaotong University（Science）. 2016(03)
博士论文
[1]滚动轴承振动信号特征提取与状态评估方法研究[D]. 王玉静.哈尔滨工业大学 2015
硕士论文
[1]行波型超声波电机频率跟踪技术的研究[D]. 安孟宇.河北科技大学 2019
[2]基于时频分析的特征提取与模式分类方法研究[D]. 赵卫峰.重庆大学 2016
本文编号：3345567
【文章来源】：河北科技大学河北省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超声波电机的定转子
第2章压电陶瓷故障对超声波电机孤极电压影响7第2章压电陶瓷故障对超声波电机孤极电压影响2.1孤极电压信号选择依据2.1.1超声波电机的结构特点超声波电机一般可通过四种分类模式，分为共8种电机类型，由表2-1所示:表2-1超声波电机分类分类方法类型波的传播方式行波型超声波电机驻波型超声波电机转子的运动形式旋转型超声波电机直线型超声波电机转子的运动自由度单自由度超声波电机多自由度超声波电机定转子接触情况接触式超声波电机非接触式超声波电机本文是针对行波型超声波电机进行研究和分析。行波型超声波电机是由振动体（相当于传统电机中的定子）和移动体（相当于传统电机中的转子）组成。其振动体又是由压电陶瓷和金属弹性材料构成；移动体是由弹性体和摩擦材料构成。定子的金属弹性材料一侧开有齿槽，在定子无槽的一侧粘有压电陶瓷片。摩擦材料在超声波电机运行时起到给转子一个摩擦驱动力，通常在转子的与定子接触的那一面上，如图2-1所示。超声波电机整体结构如图2-2所示。图2-1超声波电机的定转子图2-2超声波电机整体结构
河北科技大学硕士学位论文82.1.2压电效应利用压电陶瓷片的逆压电效应可以实现电能到动能的转换，并且通过正压电效应压电陶瓷片的孤极处会产生交流电压作为监测超声波电机定子状态的监测信号[22]。(1)正压电效应压电效应是居里兄弟在1880年首次发现的。他们发现有些晶体可以通过向一定方向进行拉伸或者挤压时，晶体的上下表面上会出现相反的正负电荷，并且电荷量与使晶体产生形变力的大小相关。当撤掉作用在晶体上的力时，电荷量降为零。他们把这种在晶体上施加力产生电荷的现象叫做正压电效应，这种晶体叫做压电体。并且当压电体受到的力越大或者受力面积越大时产生的电荷量越多，使压电体发生极化效应。因此正压电效应可以看作机械能转变为电能的过程，如图2-3。图2-3正逆压电效应图(2)逆压电效应压电体可以通过在极化方向上施加电场时，发生有规律的机械形变。当撤掉电场时，压电体回到原始的形态。这种在晶体上施加一个电场，同时产生相应的形变和应力的现象被称作逆压电效应。并且向压电体施加的电场越大，压电体结构的形变也越大。因此逆压电效应可以看作电能转变为机械能的过程。2.1.3超声波电机的运行原理当正电压作用于压电材料的上表面时，在材料上表面形成正极电场，下表面形成负极电场，这种状态下的压电材料会伸长其长度，厚度会相应的收缩，如图2-4所示。相反，在压电材料的上表面施加负电压，形成负电场；下表面施加正电压形成正电常此时，压电材料则会加大其厚度，长度会收缩。因此在压电材料表面上持续施加交变电场时，压电材料会产生交替的伸缩形变。当外加的高频电压与压电材料的本身频率相同时，就会发生共振，压电材料就会进入共振状态。超声振动则是指压电材料振动频率当超过20kHz时的统称。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于EEMD和改进OMP算法的滚动轴承故障诊断[J]. 王海明,刘永强,廖英英,王艳丽. 煤矿机械. 2019(08)
[2]基于EMD和SSAE的滚动轴承故障诊断方法[J]. 王奉涛,邓刚,王洪涛,于晓光,韩清凯,李宏坤. 振动工程学报. 2019(02)
[3]应用ITD分形模糊熵的自动机早期故障诊断[J]. 赵雄鹏,潘宏侠,刘广璞,安邦. 机械设计与制造. 2019(01)
[4]LMD支持向量机电机轴承故障诊断研究[J]. 尹召杰,许同乐,郑店坤. 哈尔滨理工大学学报. 2018(05)
[5]基于VMD的超声波电动机退化特征提取研究[J]. 陈柏言,李洪儒,安国庆,许葆华. 微特电机. 2018(07)
[6]基于改进EMD和双谱分析的电机轴承故障诊断实现[J]. 陈宗祥,陈明星,焦民胜,葛芦生. 电机与控制学报. 2018(05)
[7]改进OPELM在超声电机退化状态识别中的应用[J]. 陈柏言,李洪儒,安国庆. 电子测量与仪器学报. 2018(03)
[8]基于VMD和奇异值能量差分谱的风机滚动轴承故障特征提取方法[J]. 张伟,白恺,宋鹏,杨伟新,赵洪山,王正宇. 华北电力技术. 2017(03)
[9]基于EMD算法的光栅莫尔条纹信号去噪方法研究[J]. 杨华晖,刘福,冯伟利. 计量学报. 2016 (05)
[10]A Novel De-noising Method Based on Discrete Cosine Transform and Its Application in the Fault Feature Extraction of Hydraulic Pump[J]. 王余奎,黄之杰,赵徐成,朱毅,魏东涛. Journal of Shanghai Jiaotong University（Science）. 2016(03)
博士论文
[1]滚动轴承振动信号特征提取与状态评估方法研究[D]. 王玉静.哈尔滨工业大学 2015
硕士论文
[1]行波型超声波电机频率跟踪技术的研究[D]. 安孟宇.河北科技大学 2019
[2]基于时频分析的特征提取与模式分类方法研究[D]. 赵卫峰.重庆大学 2016
本文编号：3345567
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3345567.html
