本文關鍵詞：齒輪噪源干擾下變轉速運行滾動軸承的故障診斷研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：對滾動軸承開展故障診斷研究的動機源自其在機械設備穩(wěn)定運行中的重要地位：一方面,由于絕大多數機械設備均涉及轉動,這使得軸承成為應用最為廣泛的通用部件之一,另一方面,正如軸承之名所示,其主要作用即為承載,加之其本身壽命離散度大且常工作于惡劣工作條件等特點使其成為旋轉設備中的易損部件。實際工程中,滾動軸承往往決定著整個設備甚至整條生產線的工作狀態(tài)。 因為滾動軸承在機械設備穩(wěn)定運行中所扮演的重要角色,故障診斷領域的許多學者對其振動特性及診斷方法進行了長期的研究并提出了以包絡解調技術為代表的有效解決方案。但是,該技術的成功應用卻是以轉速平穩(wěn)作為前提條件的,分析對象也往往集中于滾動軸承本身。隨著機械設備向復雜化與集成化發(fā)展,滾動軸承復雜的運行模式與環(huán)境必將使對其運行狀態(tài)進行判斷更加困難。其中,大范圍的變轉速工作模式將改變滾動軸承的振動特性,而以齒輪為代表的噪源則將分別在時域和頻域對滾動軸承故障特征的提取構成干擾。為此,本學位論文試圖在階比跟蹤和包絡分析的框架下,以對變轉速運行模式下故障軸承及齒輪噪源的振動特性進行詳細分析為基礎,提出一套不依賴輔助設備的,切實可行的算法解決齒輪噪源干擾下變轉速運行滾動軸承的故障診斷問題。 齒輪箱的嚙合振動是一種常見的影響滾動軸承故障診斷的干擾源,有必要在開展?jié)L動軸承的故障診斷之前對其予以去除。但是,變轉速工作模式的干擾與參考傳感器理想安裝位置難以確定這兩個問題將制約傳統(tǒng)齒輪噪源去除算法的成功應用。為此,本文首先通過對變轉速運行模式下齒輪噪源的振動特性的分析提出瞬時峰值嚙合倍頻趨勢線的概念,其次,以該趨勢線為基礎提出了僅與齒輪噪源相關的理想參考信號構造方法與變轉速運行模式下自適應濾波算法核心參數(濾波器長度與步長參數)的確定準則,最后,在不依賴任何輔助設備的前提下,依靠新構造的理想參考信號與適合變轉速工作模式的自適應濾波參數實現(xiàn)盡量不影響滾動軸承振動部分的齒輪噪源去除。 對滾動軸承轉頻隨時間的變化規(guī)律進行獲取是實現(xiàn)抵消變轉速工作模式影響的前提。然而,若不依賴轉速計的幫助,很難通過滾動軸承振動信號本身或其它表達對相應的轉頻趨勢線進行獲取。針對這一問題,本文提出了構造替代參量的策略。首先,通過對傳統(tǒng)的基于時域包絡譜和角域階比包絡譜的滾動軸承故障診斷策略進行對比,總結出能夠替代瞬時轉頻趨勢線實現(xiàn)變轉速運行模式影響抵消的等效參量所應該具備的兩條特性：與軸承轉頻同步變化且二者之間的比例關系固定。其次,通過對變轉速運行模式下故障軸承振動特性的分析構造了瞬時故障特征頻率趨勢線用來代替難以提取的軸承轉頻趨勢線。最后,聯(lián)合應用基于kurtogram的譜峭度濾波快速算法與短時傅里葉變換獲取包含瞬時故障特征頻率趨勢線包絡時頻譜,并提出基于幅值累加的峰值搜索算法對其進行提取。 階比跟蹤技術是為抵消變轉速模式干擾所提出的最常見且最為有效的算法之一。然而,當利用該方法分析變轉速運行模式下故障軸承的振動信號時,對應的重采樣結果與理想情況卻存在偏差,而該偏差還將會進一步地影響滾動軸承的故障診斷。為此,本文首先利用沖擊響應計算模型推導出軸承故障沖擊波形峰值時間在變轉速運行模式下隨時間相對不變這一規(guī)律,其次,通過分析峰值時間不變特性對傳統(tǒng)階比跟蹤算法的影響機理,闡述重采樣波形包絡畸變現(xiàn)象的產生原理,最后,提出基于分段擬合與包絡畸變補償的階比跟蹤算法以消除包絡畸變現(xiàn)象,實現(xiàn)以瞬時故障特征頻率趨勢線為基礎的故障相角域重采樣。 以瞬時故障特征頻率趨勢線為基礎的重采樣結果與傳統(tǒng)的角域重采樣結果有著本質的區(qū)別,基于包絡分析的滾動軸承故障診斷策略還會受到解調齒輪轉頻階比峰值的干擾。針對上述問題,本文首先對故障特征階比譜的物理意義及基于它的滾動軸承故障診斷原理進行闡述,其次,詳細討論解調齒輪轉頻階比峰值對基于故障特征階比譜的滾動軸承故障診斷策略的影響機理,最后,提出構造故障特征階比模板實現(xiàn)對軸承轉頻階比的直接定位進而完成最終的滾動軸承的故障診斷。 為驗證本文所提出算法的有效性,首先根據變轉速模式下故障軸承與齒輪噪源的振動特性構造仿真信號,其次,通過利用和改造渥太華大學實驗室的故障仿真試驗臺,獲取模擬同步及異步齒輪噪源干擾下故障軸承的振動信號,再次,分別在各個章節(jié)中利用上述仿真及實測信號對相應章節(jié)構造的算法進行驗證,并在全文結尾處以同步運行模式下的外圈故障軸承與齒輪噪源的混合信號為實例,對全文整體算法的流程進行形象的總結和綜合驗證。最后,總結了全文的研究工作,并在此基礎上對隨后的研究工作方向給出了建議。
【關鍵詞】：滾動軸承 故障診斷 變轉速 齒輪噪源 階比跟蹤 包絡畸變
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH133.33;TH165.3
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1 緒論14-32
• 1.1 滾動軸承故障診斷概述14-18
• 1.1.1 滾動軸承故障診斷的意義14-15
• 1.1.2 滾動軸承故障診斷原理15-18
• 1.2 課題的提出18-27
• 1.2.1 齒輪噪源的干擾18-20
• 1.2.2 變轉速運行模式的影響20-25
• 1.2.3 變轉速工作模式影響的抵消25
• 1.2.4 滾動軸承故障診斷的實現(xiàn)25-26
• 1.2.5 課題的提出26-27
• 1.3 課題的主要研究內容與意義27-29
• 1.3.1 課題的主要研究內容27-28
• 1.3.2 課題的工程及學術意義28-29
• 1.4 論文主要工作及組織結構29-32
• 2 變轉速齒輪噪源干擾去除研究32-62
• 2.1 引言32
• 2.2 ANC算法概述及局限性32-37
• 2.2.1 自適應濾波器原理32-34
• 2.2.2 ANC算法在齒輪噪源消除上的應用34-35
• 2.2.3 基于自適應噪聲消除技術的齒輪噪源消除算法的局限性35-37
• 2.3 基于瞬時峰值嚙合倍頻趨勢線的變轉速齒輪噪源消除37-44
• 2.3.1 基于瞬時峰值嚙合倍頻趨勢線的參考信號構造算法38-40
• 2.3.2 變轉速運行模式下自適應濾波算法核心參數的選取40-44
• 2.3.3 變轉速齒輪噪源消除算法流程44
• 2.4 仿真驗證44-52
• 2.4.1 變轉速運行模式下的仿真模型建立45-47
• 2.4.2 基于仿真模型的齒輪噪源去除算法驗證47-52
• 2.5 實驗驗證52-59
• 2.5.1 實驗裝置介紹52-53
• 2.5.2 基于實測數據的齒輪噪源去除算法驗證53-59
• 2.6 本章小結59-62
• 3 滾動軸承等效轉頻的構造與提取62-82
• 3.1 引言62
• 3.2 等效轉頻趨勢線的構造62-65
• 3.2.1 等效轉頻趨勢線應具備的特性62-64
• 3.2.2 瞬時故障特征趨勢線概念的提出64-65
• 3.3 瞬時故障特征頻率趨勢線的提取65-70
• 3.3.1 基于譜峭度快速算法及STFT的包絡時頻譜獲取65-68
• 3.3.2 基于幅值累加的瞬時故障特征頻率趨勢線提取68-70
• 3.4 算法驗證70-79
• 3.4.1 仿真驗證70-74
• 3.4.2 實際信號驗證74-79
• 3.5 本章小結79-82
• 4 變轉速運行模式影響的抵消算法82-106
• 4.1 序言82
• 4.2 基于時頻分布的階比跟蹤算法概述82-83
• 4.3 變轉速工作模式下故障沖擊波形峰值時間的分布特性83-89
• 4.3.1 基于傳統(tǒng)沖擊響應計算模型的理論推導84-88
• 4.3.2 實驗數據驗證88-89
• 4.4 包絡畸變現(xiàn)象的產生機理及其對軸承故障診斷的影響89-94
• 4.4.1 包絡畸變的產生機理90-92
• 4.4.2 包絡畸變現(xiàn)象對滾動軸承故障診斷的影響92-94
• 4.5 基于分段擬合與包絡畸變補償的故障相角域重采樣算法94-99
• 4.5.1 包絡畸變的補償值的確定94-96
• 4.5.2 核心參數的確定96-98
• 4.5.3 重采樣算法流程98-99
• 4.6 算法驗證99-103
• 4.6.1 仿真信號驗證99-100
• 4.6.2 實測信號驗證100-103
• 4.7 本章小結103-106
• 5 基于故障特征階比模板的軸承故障診斷106-118
• 5.1 序言106
• 5.2 基于故障特征階比譜的軸承故障診斷原理106-108
• 5.3 基于故障特征階比模板的滾動軸承故障診斷108-117
• 5.3.1 齒輪轉頻階比的影響108-110
• 5.3.2 基于轉頻階比邊帶的故障特征階比模板構造110-111
• 5.3.3 算法驗證111-117
• 5.4 全文算法流程總結117
• 5.5 本章小結117-118
• 6 結論118-122
• 6.1 全文總結118-120
• 6.2 工作展望120-122
• 參考文獻122-130
• 附錄A130-134
• 作者簡歷及攻讀博士學位期間取得的研究成果134-138
• 學位論文數據集138

【參考文獻】

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本文編號：350704