齿轮箱振动仿真及故障诊断研究

发布时间：2017-06-17 05:06

  本文关键词：齿轮箱振动仿真及故障诊断研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：齿轮箱作为机器设备的关键部件之一被广泛应用于许多机械产品中。随着工业技术的飞速发展,齿轮箱是否能够正常运转对生产实践的影响也越来越大。因此,大力发展和研究有效的设备状态监测以及故障诊断技术对于解决和完善现有设备管理和维修的局限与不足具有非常重要的意义。振动信号是观测齿轮箱运行状态的主要参数之一,因此,本文将齿轮箱振动信号作为齿轮箱运行状态监测以及齿轮箱故障诊断的主要研究对象。基于齿轮箱振动机理的研究工作,通过仿真分析软件计算得到了齿轮箱箱体在齿轮啮合动态激励力作用下的振动响应,并将得到的计算结果与试验信号进行了对比分析。通过对多种数据处理方法的研究,比较了这些方法在齿轮箱故障诊断应用中的优劣,其中对小波分析方法和小波包分析方法的原理、意义以及在齿轮箱故障诊断中的应用作了重点分析。针对监测得到的齿轮箱故障振动信号通常多处于非平稳状态的特点,本文提出了一种基于小波包降噪和非线性Teager能量算子的信号特征参数提取方法。论文的主要研究结果包括：1)以齿轮箱振动机理的研究为基础,综合考虑齿轮误差、时变啮合刚度和啮合冲击等内部激励对齿轮箱振动的影响,通过Matlab和Adams联合仿真计算了齿轮啮合内部激励力,验证表明,仿真计算方法可靠；2)以NGSD230型齿轮箱为研究对象,利用Pro/E创建了齿轮的参数化模型、齿轮啮合传动动力学仿真模型以及齿轮箱箱体模型；3)运用Pro/E、Hypermesh和Ansys联合仿真计算激励力作用下齿轮箱箱体的振动响应,并与试验箱体振动信号进行对比,结果表明两者的振动加速度频域分布大致相同,验证了仿真的正确性。最后,将此仿真方法应用于断齿故障齿轮箱的振动仿真,进一步验证了仿真方法的正确性,可为齿轮箱的振动研究提供良好的参考。4)将小波包用于振动信号的消噪处理,获得了较好地效果；5)通过试验测量风电齿轮箱的振动数据,并基于信号预处理方法、小波包降噪、快速傅里叶变换和细化谱分析方法,分析判定齿轮箱是否存在故障(如若存在故障判定故障源),最终排除了齿轮箱本身存在明显故障的可能；6)基于小波包降噪和非线性Teager能量算子,本文提出了一种信号特征参数提取方法,该方法能够有效的提取故障信号的特征参数。利用构造的噪声信号仿真研究了此方法用于信号特征参数提取的可行性,并将此方法成功应用于齿轮偏心的齿轮箱故障诊断,证明了该方法的有效性。
【关键词】：齿轮箱 振动仿真 故障诊断 小波包 Teager能量算子
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH132.41
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题研究背景与意义10
• 1.2 齿轮箱故障诊断的发展历程10-11
• 1.3 齿轮箱故障诊断的研究现状11-15
• 1.3.1 齿轮箱故障诊断技术研究现状11-12
• 1.3.2 齿轮箱振动信号处理方法的研究现状12-15
• 1.4 课题研究目的及主要研究内容15-16
• 第二章 齿轮箱故障类型及振动信号处理方法16-31
• 2.1 齿轮箱常见故障类型及故障振动特点16-18
• 2.1.1 常见故障类型16-17
• 2.1.1.1 轴承的主要失效形式17
• 2.1.1.2 轴系失效17
• 2.1.1.3 齿轮失效的主要形式17
• 2.1.2 齿轮箱故障振动特点17-18
• 2.2 齿轮箱故障振动信号特征频率18-22
• 2.2.1 齿轮振动特征频率18-21
• 2.2.2.1 齿轮动力学模型18-19
• 2.2.2.2 齿轮振动内部激励力19
• 2.2.2.3 齿轮失效特征频率19-21
• 2.2.2 滚动轴承失效特征频率21-22
• 2.3 齿轮箱故障振动信号处理方法22-30
• 2.3.1 去除趋势项22-23
• 2.3.2 齿轮箱振动信号常规分析方法23-25
• 2.3.2.1 时域分析方法23-24
• 2.3.2.2 频域分析方法24-25
• 2.3.3 小波分析方法25-30
• 2.3.3.1 小波变换25-27
• 2.3.3.2 多分辨率分析27-28
• 2.3.3.3 小波包变换28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 齿轮箱振动响应的有限元仿真及试验31-54
• 3.1 齿轮传动模型及箱体模型创建32-35
• 3.1.1 齿轮参数化建模32-34
• 3.1.2 齿轮传动模型创建34-35
• 3.1.3 齿轮箱箱体模型创建35
• 3.2 齿轮箱振动内部激励力仿真与计算35-46
• 3.2.1 齿轮误差计算35-36
• 3.2.2 齿轮时变综合啮合刚度的计算36-39
• 3.2.3 齿轮啮合冲击力的计算39-44
• 3.2.3.1 非线性弹性接触力理论研究39-41
• 3.2.3.2 创建齿轮传动系统模型41-42
• 3.2.3.3 仿真计算结果及验证42-44
• 3.2.4 激励力合成44-45
• 3.2.5 轴承激励力计算45-46
• 3.3 箱体有限元模型的创建46-47
• 3.4 箱体模态计算47-48
• 3.5 齿轮箱振动响应仿真48-49
• 3.6 齿轮箱振动测试49-50
• 3.7 仿真结果与试验结果对比分析50-51
• 3.8 仿真方法应用51-53
• 3.9 本章小结53-54
• 第四章 基于小波包降噪和频域分析方法的齿轮箱故障诊断54-69
• 4.1 小波包降噪54-59
• 4.1.1 小波包降噪的优势54-55
• 4.1.2 小波包降噪的基本过程55-59
• 4.1.2.1 小波基选择55-57
• 4.1.2.2 阈值的选择57-59
• 4.2 测试方案59
• 4.3 齿轮箱故障特征频率59-60
• 4.4 诊断结果60-68
• 4.4.1 箱体1测试及诊断结果60-62
• 4.4.2 箱体2测试及诊断结果62-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第五章 基于小波包和Teager能量的齿轮箱故障诊断方法研究69-79
• 5.1 Teager非线性能量算子69-70
• 5.2 基于小波包降噪和Teager能量的故障诊断方法70-71
• 5.3 算法的仿真研究71-75
• 5.4 齿轮故障的诊断75-78
• 5.5 本章小结78-79
• 第六章 工作总结与展望79-81
• 6.1 工作总结79-80
• 6.2 展望80-81
• 参考文献81-86
• 致谢86-88
• 攻读硕士期间发表论文88

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