齿轮噪源干扰下变转速运行滚动轴承的故障诊断研究

发布时间：2017-05-08 07:15

  本文关键词：齿轮噪源干扰下变转速运行滚动轴承的故障诊断研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：对滚动轴承开展故障诊断研究的动机源自其在机械设备稳定运行中的重要地位：一方面,由于绝大多数机械设备均涉及转动,这使得轴承成为应用最为广泛的通用部件之一,另一方面,正如轴承之名所示,其主要作用即为承载,加之其本身寿命离散度大且常工作于恶劣工作条件等特点使其成为旋转设备中的易损部件。实际工程中,滚动轴承往往决定着整个设备甚至整条生产线的工作状态。 因为滚动轴承在机械设备稳定运行中所扮演的重要角色,故障诊断领域的许多学者对其振动特性及诊断方法进行了长期的研究并提出了以包络解调技术为代表的有效解决方案。但是,该技术的成功应用却是以转速平稳作为前提条件的,分析对象也往往集中于滚动轴承本身。随着机械设备向复杂化与集成化发展,滚动轴承复杂的运行模式与环境必将使对其运行状态进行判断更加困难。其中,大范围的变转速工作模式将改变滚动轴承的振动特性,而以齿轮为代表的噪源则将分别在时域和频域对滚动轴承故障特征的提取构成干扰。为此,本学位论文试图在阶比跟踪和包络分析的框架下,以对变转速运行模式下故障轴承及齿轮噪源的振动特性进行详细分析为基础,提出一套不依赖辅助设备的,切实可行的算法解决齿轮噪源干扰下变转速运行滚动轴承的故障诊断问题。 齿轮箱的啮合振动是一种常见的影响滚动轴承故障诊断的干扰源,有必要在开展滚动轴承的故障诊断之前对其予以去除。但是,变转速工作模式的干扰与参考传感器理想安装位置难以确定这两个问题将制约传统齿轮噪源去除算法的成功应用。为此,本文首先通过对变转速运行模式下齿轮噪源的振动特性的分析提出瞬时峰值啮合倍频趋势线的概念,其次,以该趋势线为基础提出了仅与齿轮噪源相关的理想参考信号构造方法与变转速运行模式下自适应滤波算法核心参数(滤波器长度与步长参数)的确定准则,最后,在不依赖任何辅助设备的前提下,依靠新构造的理想参考信号与适合变转速工作模式的自适应滤波参数实现尽量不影响滚动轴承振动部分的齿轮噪源去除。 对滚动轴承转频随时间的变化规律进行获取是实现抵消变转速工作模式影响的前提。然而,若不依赖转速计的帮助,很难通过滚动轴承振动信号本身或其它表达对相应的转频趋势线进行获取。针对这一问题,本文提出了构造替代参量的策略。首先,通过对传统的基于时域包络谱和角域阶比包络谱的滚动轴承故障诊断策略进行对比,总结出能够替代瞬时转频趋势线实现变转速运行模式影响抵消的等效参量所应该具备的两条特性：与轴承转频同步变化且二者之间的比例关系固定。其次,通过对变转速运行模式下故障轴承振动特性的分析构造了瞬时故障特征频率趋势线用来代替难以提取的轴承转频趋势线。最后,联合应用基于kurtogram的谱峭度滤波快速算法与短时傅里叶变换获取包含瞬时故障特征频率趋势线包络时频谱,并提出基于幅值累加的峰值搜索算法对其进行提取。 阶比跟踪技术是为抵消变转速模式干扰所提出的最常见且最为有效的算法之一。然而,当利用该方法分析变转速运行模式下故障轴承的振动信号时,对应的重采样结果与理想情况却存在偏差,而该偏差还将会进一步地影响滚动轴承的故障诊断。为此,本文首先利用冲击响应计算模型推导出轴承故障冲击波形峰值时间在变转速运行模式下随时间相对不变这一规律,其次,通过分析峰值时间不变特性对传统阶比跟踪算法的影响机理,阐述重采样波形包络畸变现象的产生原理,最后,提出基于分段拟合与包络畸变补偿的阶比跟踪算法以消除包络畸变现象,实现以瞬时故障特征频率趋势线为基础的故障相角域重采样。 以瞬时故障特征频率趋势线为基础的重采样结果与传统的角域重采样结果有着本质的区别,基于包络分析的滚动轴承故障诊断策略还会受到解调齿轮转频阶比峰值的干扰。针对上述问题,本文首先对故障特征阶比谱的物理意义及基于它的滚动轴承故障诊断原理进行阐述,其次,详细讨论解调齿轮转频阶比峰值对基于故障特征阶比谱的滚动轴承故障诊断策略的影响机理,最后,提出构造故障特征阶比模板实现对轴承转频阶比的直接定位进而完成最终的滚动轴承的故障诊断。 为验证本文所提出算法的有效性,首先根据变转速模式下故障轴承与齿轮噪源的振动特性构造仿真信号,其次,通过利用和改造渥太华大学实验室的故障仿真试验台,获取模拟同步及异步齿轮噪源干扰下故障轴承的振动信号,再次,分别在各个章节中利用上述仿真及实测信号对相应章节构造的算法进行验证,并在全文结尾处以同步运行模式下的外圈故障轴承与齿轮噪源的混合信号为实例,对全文整体算法的流程进行形象的总结和综合验证。最后,总结了全文的研究工作,并在此基础上对随后的研究工作方向给出了建议。
【关键词】：滚动轴承 故障诊断 变转速 齿轮噪源 阶比跟踪 包络畸变
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH133.33;TH165.3
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1 绪论14-32
• 1.1 滚动轴承故障诊断概述14-18
• 1.1.1 滚动轴承故障诊断的意义14-15
• 1.1.2 滚动轴承故障诊断原理15-18
• 1.2 课题的提出18-27
• 1.2.1 齿轮噪源的干扰18-20
• 1.2.2 变转速运行模式的影响20-25
• 1.2.3 变转速工作模式影响的抵消25
• 1.2.4 滚动轴承故障诊断的实现25-26
• 1.2.5 课题的提出26-27
• 1.3 课题的主要研究内容与意义27-29
• 1.3.1 课题的主要研究内容27-28
• 1.3.2 课题的工程及学术意义28-29
• 1.4 论文主要工作及组织结构29-32
• 2 变转速齿轮噪源干扰去除研究32-62
• 2.1 引言32
• 2.2 ANC算法概述及局限性32-37
• 2.2.1 自适应滤波器原理32-34
• 2.2.2 ANC算法在齿轮噪源消除上的应用34-35
• 2.2.3 基于自适应噪声消除技术的齿轮噪源消除算法的局限性35-37
• 2.3 基于瞬时峰值啮合倍频趋势线的变转速齿轮噪源消除37-44
• 2.3.1 基于瞬时峰值啮合倍频趋势线的参考信号构造算法38-40
• 2.3.2 变转速运行模式下自适应滤波算法核心参数的选取40-44
• 2.3.3 变转速齿轮噪源消除算法流程44
• 2.4 仿真验证44-52
• 2.4.1 变转速运行模式下的仿真模型建立45-47
• 2.4.2 基于仿真模型的齿轮噪源去除算法验证47-52
• 2.5 实验验证52-59
• 2.5.1 实验装置介绍52-53
• 2.5.2 基于实测数据的齿轮噪源去除算法验证53-59
• 2.6 本章小结59-62
• 3 滚动轴承等效转频的构造与提取62-82
• 3.1 引言62
• 3.2 等效转频趋势线的构造62-65
• 3.2.1 等效转频趋势线应具备的特性62-64
• 3.2.2 瞬时故障特征趋势线概念的提出64-65
• 3.3 瞬时故障特征频率趋势线的提取65-70
• 3.3.1 基于谱峭度快速算法及STFT的包络时频谱获取65-68
• 3.3.2 基于幅值累加的瞬时故障特征频率趋势线提取68-70
• 3.4 算法验证70-79
• 3.4.1 仿真验证70-74
• 3.4.2 实际信号验证74-79
• 3.5 本章小结79-82
• 4 变转速运行模式影响的抵消算法82-106
• 4.1 序言82
• 4.2 基于时频分布的阶比跟踪算法概述82-83
• 4.3 变转速工作模式下故障冲击波形峰值时间的分布特性83-89
• 4.3.1 基于传统冲击响应计算模型的理论推导84-88
• 4.3.2 实验数据验证88-89
• 4.4 包络畸变现象的产生机理及其对轴承故障诊断的影响89-94
• 4.4.1 包络畸变的产生机理90-92
• 4.4.2 包络畸变现象对滚动轴承故障诊断的影响92-94
• 4.5 基于分段拟合与包络畸变补偿的故障相角域重采样算法94-99
• 4.5.1 包络畸变的补偿值的确定94-96
• 4.5.2 核心参数的确定96-98
• 4.5.3 重采样算法流程98-99
• 4.6 算法验证99-103
• 4.6.1 仿真信号验证99-100
• 4.6.2 实测信号验证100-103
• 4.7 本章小结103-106
• 5 基于故障特征阶比模板的轴承故障诊断106-118
• 5.1 序言106
• 5.2 基于故障特征阶比谱的轴承故障诊断原理106-108
• 5.3 基于故障特征阶比模板的滚动轴承故障诊断108-117
• 5.3.1 齿轮转频阶比的影响108-110
• 5.3.2 基于转频阶比边带的故障特征阶比模板构造110-111
• 5.3.3 算法验证111-117
• 5.4 全文算法流程总结117
• 5.5 本章小结117-118
• 6 结论118-122
• 6.1 全文总结118-120
• 6.2 工作展望120-122
• 参考文献122-130
• 附录A130-134
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果134-138
• 学位论文数据集138

【参考文献】

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