變轉速下旋轉機械瞬態(tài)特征表示和提取與故障診斷研究.pdf

1、旋轉機械在機械設備中占有舉足輕重的地位，它們大多數為生產企業(yè)中的關鍵設備，因此，保證旋轉機械的安全可靠運行對企業(yè)和國民經濟有重要的意義。軸承、齒輪等旋轉零部件在機械系統(tǒng)中起著支撐、定位和傳遞動力等作用，是旋轉設備的關鍵部件，當它們出現局部故障時，在運行中振動信號中會出現瞬態(tài)沖擊響應成分，對旋轉機械瞬態(tài)特征的表示和提取關系到故障診斷的可靠性與準確性，是機械設備故障診斷的關鍵問題。本文以軸承和齒輪兩種典型的零部件為研究對象，針對變轉速下旋轉

2、機械瞬態(tài)特征表示與提取的問題提出了基于時頻特征融合的時頻特征表示方法、時頻特征重采樣方法、周期特征的極坐標同步增強檢測方法和變轉速下瞬態(tài)特征的自動檢測方法，并分別就有關問題進行了深入的理論研究和應用研究。
　　 介紹了軸承和齒輪常見的失效形式以及滾動軸承的運動學，并進行了軸承的局部故障實驗設置，對恒定轉速和變轉速的振動信號進行了采集，保證理論研究工作都建立在實驗驗證的基礎上。
　　 現有的兩類時頻分析方法，線性時頻分析和

3、雙線性時頻分析，線性時頻分析沒有交叉項但聚集性差，雙線性時頻分析聚集性好但存在交叉項，基于此基礎提出了一種基于線性時頻分析和雙線性時頻分析融合的策略，此方法類似于邏輯與，對時頻特征融合，得到了一種新的時頻特征表征方法。對仿真信號以及軸承和齒輪實測振動信號的應用驗證了該方法對軸承和齒輪故障特征提取的有效性和適用性。
　　 在變轉速下，瞬態(tài)成分不再是等周期的，而是和轉速有關。在實際應用中，對于變轉速下振動信號的處理，階比分析是一種非

4、常有效的手段，對時域信號重采樣使其在階域上滿足傅里葉分析的要求。由于旋轉部件局部故障引起的瞬態(tài)成分在高頻處趨向于振蕩阻尼振動，對瞬態(tài)成分重采樣會不可避免的引起失真?？紤]到瞬態(tài)成分在時頻域上是能量分布，不存在明顯的振蕩，因此提出了時頻特征重采樣方法，其本質是將對信號時域上的重采樣擴展到時頻域上對時頻特征值的重采樣，可以將非等周期的時頻特征轉化成等周期的時頻特征。
　　 對于變轉速下地局部故障，通常會存在某一瞬態(tài)角度特征周期，而且通

5、過時頻特征重采樣，瞬態(tài)特征將會等周期的表示在角度頻率域，然而，這仍然很難獲得角頻域上的角度特征周期和故障類型之間的關系。本文提出了周期特征的極坐標同步增強檢測方法。將時頻特征重采樣和周期特征的極坐標同步增強應用到軸承的外圈、內圈和滾動體三種典型故障中，可以根據極坐標上的特征分布有效的識別故障類型。
　　 針對變轉速下機械設備故障診斷問題，提出了一種變轉速下旋轉機械瞬態(tài)特征的自動檢測方法，是對時頻特征融合策略、時頻特征重采樣和周期

6、特征的極坐標同步增強的結合。首先，對變轉下測得的振動信號應用Wigner-ville分布和小波尺度譜這兩種不同的時頻分析方法，在這兩種時頻表示的基礎上應用融合策略，可以將變轉下的瞬態(tài)特征很好的表示在時頻面上。然后，對得到的時頻特征矩陣應用時頻特征重采樣，將非等周期的瞬態(tài)特征變成了角頻域上的等周期瞬態(tài)特征。最后，應用周期特征的極坐標同步增強，可以得到變轉下振動信號瞬態(tài)特征的增強表示。仿真信號以及軸承實測振動信號的應用驗證了該方法的有效性和