時變轉(zhuǎn)速工況下行星齒輪箱故障診斷方法研究

時變轉(zhuǎn)速工況下行星齒輪箱故障診斷方法研究行星齒輪箱較之于傳統(tǒng)定軸齒輪箱而言, 具有傳動比高、負(fù)載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢, 因此被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、重載車輛、船舶運輸?shù)裙I(yè)現(xiàn)場。然而, 由于這些復(fù)雜裝備長期在沙塵、腐蝕等惡劣環(huán)境條件下工作 , 行星齒輪箱容易出現(xiàn)齒面劃痕、齒根裂紋、齒輪疲勞斷裂等缺陷。這些故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)振動加劇、傳動效率降低、計劃外停機(jī)甚至整體結(jié)構(gòu)毀壞等后果, 造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。 因此 , 行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷, 對保障工業(yè)設(shè)備安全高效運行、減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失、避免重特大工業(yè)事故, 有著十分重要的意義。然而 , 對于行星齒輪箱故障診斷問題 , 目前仍存在兩方面難點尚未得到有效解決 :(1) 行星齒輪箱的故障機(jī)理和特征形式尚未得到系統(tǒng)梳理總結(jié)?，F(xiàn)有參考多基于固定轉(zhuǎn)速條件下的頻譜峰值分布 , 而未考慮時變轉(zhuǎn)速工況下時變邊帶的特征。并且大多數(shù)研究只針對橫向振動 , 并未考慮其它物理量特征的故障特征反饋。 (2) 時變轉(zhuǎn)速工況下的行星齒輪箱非平穩(wěn)信號分析方法還有待進(jìn)一步提高。 行星齒輪箱信號具有復(fù)雜的調(diào)幅調(diào)頻結(jié)構(gòu) , 在時變轉(zhuǎn)速工況下 , 旋轉(zhuǎn)相關(guān)的特征頻率呈現(xiàn)時變特性 , 基于時域或頻域的故障診斷方法難以揭示變化的頻率特征,而常用的時頻分析方法存在時頻分辨率低或交叉項/ 自項干擾等缺陷,難以準(zhǔn)確顯示復(fù)雜的時變故障特征。本文針對以上兩方面難點, 對行星齒輪箱時變轉(zhuǎn)速工況下的故障診斷問題 , 進(jìn)行了深入研究。從理論建模、非平穩(wěn)信號時頻結(jié)構(gòu)分析、故障特征提取方面入手 , 通過理論推導(dǎo)、仿真分析和實驗驗證 , 完成了一系列創(chuàng)新研究 :1. 在理論建模方面 , 系統(tǒng)總結(jié)了包括橫向振動信號、扭轉(zhuǎn)振動信號、電機(jī)電流信號在內(nèi)的 3 種行星齒輪箱特征信號解析模型 , 并具體實現(xiàn)了 :(1) 將現(xiàn)有的恒定轉(zhuǎn)速故障特征推廣至更通用的時變轉(zhuǎn)速工況故障特征 ;(2) 將故障調(diào)制特征的載波成分從常用的嚙合頻率推廣至固有頻率 ;(3) 將基于橫向振動的行星齒輪箱故障特征規(guī)律研究延伸至扭轉(zhuǎn)振動信號和感應(yīng)電機(jī)定子電流信號分析。 這些研究為行星齒輪箱故障特征提取提供了理論基礎(chǔ)。 2. 在非平穩(wěn)信號時頻結(jié)構(gòu)分析方面 , 考慮傳統(tǒng)時頻分析方法在應(yīng)對行星齒輪箱故障診斷問題上的局限和不足 , 應(yīng)用前沿信號處理方法進(jìn)行故障特征提取 , 并針對性地做出了改進(jìn)和創(chuàng)新 :(1) 針對傳統(tǒng)方法時頻分辨能力不足的問題 , 應(yīng)用重排小波尺度譜 , 有效提取了時變邊帶和沖擊特征 ;(2) 針對重排方法應(yīng)對復(fù)雜時頻結(jié)構(gòu)的不足, 提出基于迭代廣義重排的多種高性能時頻分布 ;(3) 針對前沿的同步壓縮變換理論 , 改進(jìn)其時間方向定位能力的不足 , 提出迭代廣義同步壓縮變換方法。 這三種方法具有時頻精度高、 無交叉項或自項干擾的優(yōu)點 , 能夠適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的行星齒輪箱非平穩(wěn)信號特征提取問題。3. 在故障特征提取方面 , 將傳統(tǒng)的幅值解調(diào)和頻率解調(diào)分析方法推廣到了時變轉(zhuǎn)速的條件 , 并基于迭代廣義解調(diào)提出了一種新的階比譜分析方法。此外 , 針對扭轉(zhuǎn)振動信號提出了基于扭轉(zhuǎn)共振邊帶識別的故障診斷方法 , 針對電流信號提出了基于時變空間向量分析的故障診斷方法。為多渠道、 更方便地提取非平穩(wěn)故障特征提供了有效途徑。本論文中 , 結(jié)合不同齒輪故障條件下的行星齒輪箱時變轉(zhuǎn)速測試結(jié)果 ,驗證了所提出的行星齒輪箱時變轉(zhuǎn)速工況下的橫向振動、扭轉(zhuǎn)振動以及電流模型的準(zhǔn)確性。進(jìn)一步結(jié)合這些信號模型 , 驗證了所提出的時頻分析、時變解調(diào)和階比分析方法的優(yōu)越性。最后 , 將這些方法應(yīng)用于實驗條件下的真實行星齒輪箱信號分析中 , 成功診斷出了不同位置的行星齒輪箱齒輪故障。綜上而言 , 針對應(yīng)用廣泛的行星齒輪箱的時變轉(zhuǎn)速工況下故障特征提取問題 , 包括橫向振動、扭轉(zhuǎn)振動、定子電流在內(nèi)的多種特征信號在本文中被成功解析建模 ; 包括時頻分析、時頻解調(diào)分析、階比分析、空間向量分析在內(nèi)的多種非平穩(wěn)信號故障特征提取方法 , 以及同步壓縮變化、 迭代廣義解調(diào)在內(nèi)的多種先進(jìn)算法 , 在本文中被具體應(yīng)用和驗證。 這些理論和技術(shù)將為廣泛的設(shè)備監(jiān)測診斷提供創(chuàng)新性的指導(dǎo)和幫助。