【摘要】：在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中,滾動(dòng)軸承是最常用的基礎(chǔ)部件之一,其運(yùn)行狀態(tài)是設(shè)備可靠性和平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障診斷可以有效避免安全隱患的發(fā)生,也可以有效地制定維護(hù)策略。目前,滾動(dòng)軸承的故障診斷進(jìn)入“大數(shù)據(jù)”時(shí)代,各種智能診斷方法在開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下得到了有效驗(yàn)證。然而在實(shí)際的工程應(yīng)用中,實(shí)際故障數(shù)據(jù)難以獲得,導(dǎo)致故障標(biāo)簽缺乏對(duì)應(yīng)的故障數(shù)據(jù),可以說(shuō)實(shí)際中故障診斷面臨“小樣本”問(wèn)題。為解決這一難題,提出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)共同驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)軸承的故障診斷,即用實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)信號(hào)和由滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)模型得到的仿真信號(hào),并基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能故障診斷方法,對(duì)滾動(dòng)軸承的故障嚴(yán)重性進(jìn)行評(píng)估。以深溝球軸承為研究對(duì)象,基于Hertz彈性接觸理論,通過(guò)研究滾動(dòng)軸承外圈滾道表面的故障形貌及其相應(yīng)的幾何關(guān)系建立故障模型,并建立一個(gè)四自由度的振動(dòng)模型用于故障軸承模型中。通過(guò)分析滾動(dòng)軸承中滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈滾道表面的接觸力和阻尼力并列出動(dòng)力學(xué)微分方程,得到外圈局部缺陷的滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)模型。經(jīng)過(guò)微分?jǐn)?shù)值求解,得到不同故障尺寸的滾動(dòng)軸承的振動(dòng)響應(yīng)仿真信號(hào)。得到的仿真信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)域、頻域、時(shí)頻域三方面的特征對(duì)比,與實(shí)驗(yàn)信號(hào)相比有著非常高的相似性。基于時(shí)頻分析和深度學(xué)習(xí)原理,提出SPWVD-CNN智能故障診斷方法。首先獲得軸承信號(hào)的SPWVD時(shí)頻圖,將其作為CNN的輸入。在設(shè)定故障標(biāo)簽后,通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)故障程度的時(shí)頻圖進(jìn)行識(shí)別,從而完成滾動(dòng)軸承的故障嚴(yán)重性評(píng)估。利用仿真數(shù)據(jù)為滾動(dòng)軸承的故障診斷提供有效且多樣的故障樣本,作為故障數(shù)據(jù)集的有效補(bǔ)充�；赟PWVD-CNN方法,分別在訓(xùn)練集為仿真數(shù)據(jù)、測(cè)試集為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集做故障嚴(yán)重性的交叉評(píng)估,以及將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)在訓(xùn)練集整體和部分混合的數(shù)據(jù)集做故障嚴(yán)重性的混合評(píng)估。交叉評(píng)估和混合評(píng)估的結(jié)果證實(shí)了實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)解決故障診斷中“小樣本”問(wèn)題的有效性,為實(shí)際工程應(yīng)用中的故障診斷提供了全新并有效的解決思路。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TH133.33;TP183
【圖文】：

圖 2-1 實(shí)際工作狀態(tài)下滾動(dòng)軸承外圈滾道表面故障的實(shí)際形貌[43]圖 2-2 滾動(dòng)軸承外圈滾道表面故障示意圖般來(lái)講，理想狀態(tài)下滾動(dòng)體在滾動(dòng)軸承外圈滾道表面的運(yùn)動(dòng)軌如果外圈滾道表面存在局部缺陷，則會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)軌跡的滾動(dòng)軸承及其系統(tǒng)造成影響。圖 2-3 中的 a)、b)、c)分別展示故障區(qū)域、處于故障區(qū)域中央、離開(kāi)故障區(qū)域的三種運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系示意圖。為了充分展示故障尺寸與滾動(dòng)體之間的幾何關(guān)系

圖 2-2 滾動(dòng)軸承外圈滾道表面故障示意圖來(lái)講，理想狀態(tài)下滾動(dòng)體在滾動(dòng)軸承外圈滾道表面的運(yùn)動(dòng)軌跡果外圈滾道表面存在局部缺陷，則會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)軌跡的變動(dòng)軸承及其系統(tǒng)造成影響。圖 2-3 中的 a)、b)、c)分別展示了障區(qū)域、處于故障區(qū)域中央、離開(kāi)故障區(qū)域的三種運(yùn)動(dòng)位置狀系示意圖。為了充分展示故障尺寸與滾動(dòng)體之間的幾何關(guān)系，示的幾何關(guān)系為進(jìn)入故障區(qū)域的后一時(shí)刻的幾何關(guān)系以及離開(kāi)一時(shí)刻的幾何關(guān)系。2-3 中，底部矩形（紅色區(qū)域）為模擬的故障形狀，O、O'分別為滾動(dòng)體圓心；φj為滾動(dòng)軸承中第 j 個(gè)滾動(dòng)體的運(yùn)轉(zhuǎn)角度（與 x），其表達(dá)式為式(2-1)；φa和 φc分別為故障區(qū)域前沿和后沿的x 軸正向的夾角）。在軸承內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，假設(shè)某一滾動(dòng)體 x 軸正向的夾角為 φJ(rèn)(t)，則同一時(shí)刻相對(duì)于該滾動(dòng)體的第 j 個(gè)正向的夾角為2 ( 1)( ) ( )j Jjt tZπ = +

對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行4層小波包分解，得到其分解的低頻和高頻系數(shù)，再根據(jù)分解結(jié)果進(jìn)行重構(gòu)，從而對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步降噪。對(duì)實(shí)測(cè)的故障軸承振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)做快速Fourier變換進(jìn)行頻譜分析，其結(jié)果如圖3-1所示。實(shí)測(cè)的滾動(dòng)軸承一階振動(dòng)頻率為1150Hz，需要將其它無(wú)關(guān)的高頻成分濾除，保留有效成分。本文選用巴特沃斯帶通濾波器保留1150Hz附近的頻率成分，得到濾波后的信號(hào)。而為了觀察滾動(dòng)軸承故障特征頻率，由于其特征頻率相對(duì)較低，故選用巴特沃斯低通濾波器做低通濾波。對(duì)于滾動(dòng)軸承的故障特征頻率，將在下文中詳細(xì)討論。此外，為了盡量避免實(shí)際工況下其它隨機(jī)因素對(duì)振動(dòng)信號(hào)幅值的影響，本文對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行幅值歸一化處理，如式(3-1)所示。minmax minx xxx x = (3-1)式中 x ——幅值歸一化處理后的信號(hào)；x——原始振動(dòng)信號(hào)；

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本文編號(hào)：2743143