齒輪噪源干擾下變轉(zhuǎn)速運行滾動軸承的故障診斷研究.pdf

1、對滾動軸承開展故障診斷研究的動機(jī)源自其在機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定運行中的重要地位:一方面，由于絕大多數(shù)機(jī)械設(shè)備均涉及轉(zhuǎn)動，這使得軸承成為應(yīng)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(zhuǎn)設(shè)備中的易損部件。實際工程中，滾動軸承往往決定著整個設(shè)備甚至整條生產(chǎn)線的工作狀態(tài)。
　　因為滾動軸承在機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定運行中所扮演的重要角色，故障診斷領(lǐng)域的許多學(xué)者對其振動特性

2、及診斷方法進(jìn)行了長期的研究并提出了以包絡(luò)解調(diào)技術(shù)為代表的有效解決方案。但是，該技術(shù)的成功應(yīng)用卻是以轉(zhuǎn)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(jī)械設(shè)備向復(fù)雜化與集成化發(fā)展，滾動軸承復(fù)雜的運行模式與環(huán)境必將使對其運行狀態(tài)進(jìn)行判斷更加困難。其中，大范圍的變轉(zhuǎn)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?qū)L動軸承故障特征的提取構(gòu)成干擾。為此，本學(xué)位論文試圖在階比跟蹤和包絡(luò)分析的框架下，以對變轉(zhuǎn)

3、速運行模式下故障軸承及齒輪噪源的振動特性進(jìn)行詳細(xì)分析為基礎(chǔ)，提出一套不依賴輔助設(shè)備的，切實可行的算法解決齒輪噪源干擾下變轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)用。為此，本文首先通過對變轉(zhuǎn)速運行模式下齒輪噪源的振動特性的分析提出

4、瞬時峰值嚙合倍頻趨勢線的概念，其次，以該趨勢線為基礎(chǔ)提出了僅與齒輪噪源相關(guān)的理想?yún)⒖夹盘枠?gòu)造方法與變轉(zhuǎn)速運行模式下自適應(yīng)濾波算法核心參數(shù)（濾波器長度與步長參數(shù)）的確定準(zhǔn)則，最后，在不依賴任何輔助設(shè)備的前提下，依靠新構(gòu)造的理想?yún)⒖夹盘柵c適合變轉(zhuǎn)速工作模式的自適應(yīng)濾波參數(shù)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(zhuǎn)頻隨時間的變化規(guī)律進(jìn)行獲取是實現(xiàn)抵消變轉(zhuǎn)速工作模式影響的前提。然而，若不依賴轉(zhuǎn)速計的幫助，很難通過滾動

5、軸承振動信號本身或其它表達(dá)對相應(yīng)的轉(zhuǎn)頻趨勢線進(jìn)行獲取。針對這一問題，本文提出了構(gòu)造替代參量的策略。首先，通過對傳統(tǒng)的基于時域包絡(luò)譜和角域階比包絡(luò)譜的滾動軸承故障診斷策略進(jìn)行對比，總結(jié)出能夠替代瞬時轉(zhuǎn)頻趨勢線實現(xiàn)變轉(zhuǎn)速運行模式影響抵消的等效參量所應(yīng)該具備的兩條特性:與軸承轉(zhuǎn)頻同步變化且二者之間的比例關(guān)系固定。其次，通過對變轉(zhuǎn)速運行模式下故障軸承振動特性的分析構(gòu)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(zhuǎn)頻趨勢線。最后，聯(lián)合應(yīng)用基于k

6、urtogram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(luò)時頻譜，并提出基于幅值累加的峰值搜索算法對其進(jìn)行提取。
　　階比跟蹤技術(shù)是為抵消變轉(zhuǎn)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(dāng)利用該方法分析變轉(zhuǎn)速運行模式下故障軸承的振動信號時，對應(yīng)的重采樣結(jié)果與理想情況卻存在偏差，而該偏差還將會進(jìn)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(yīng)計算模型推導(dǎo)出軸承故障沖擊波形峰值時間在變轉(zhuǎn)速運

7、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(jī)理，闡述重采樣波形包絡(luò)畸變現(xiàn)象的產(chǎn)生原理，最后，提出基于分段擬合與包絡(luò)畸變補(bǔ)償?shù)碾A比跟蹤算法以消除包絡(luò)畸變現(xiàn)象，實現(xiàn)以瞬時故障特征頻率趨勢線為基礎(chǔ)的故障相角域重采樣。
　　以瞬時故障特征頻率趨勢線為基礎(chǔ)的重采樣結(jié)果與傳統(tǒng)的角域重采樣結(jié)果有著本質(zhì)的區(qū)別，基于包絡(luò)分析的滾動軸承故障診斷策略還會受到解調(diào)齒輪轉(zhuǎn)頻階比峰值的干擾。針對上述問題，本文首先對

8、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(jìn)行闡述，其次，詳細(xì)討論解調(diào)齒輪轉(zhuǎn)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(jī)理，最后，提出構(gòu)造故障特征階比模板實現(xiàn)對軸承轉(zhuǎn)頻階比的直接定位進(jìn)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(jù)變轉(zhuǎn)速模式下故障軸承與齒輪噪源的振動特性構(gòu)造仿真信號，其次，通過利用和改造渥太華大學(xué)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