變轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬態(tài)特征表示和提取與故障診斷研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)機(jī)械在機(jī)械設(shè)備中占有舉足輕重的地位，它們大多數(shù)為生產(chǎn)企業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，因此，保證旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全可靠運(yùn)行對(duì)企業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重要的意義。軸承、齒輪等旋轉(zhuǎn)零部件在機(jī)械系統(tǒng)中起著支撐、定位和傳遞動(dòng)力等作用，是旋轉(zhuǎn)設(shè)備的關(guān)鍵部件，當(dāng)它們出現(xiàn)局部故障時(shí)，在運(yùn)行中振動(dòng)信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊響應(yīng)成分，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬態(tài)特征的表示和提取關(guān)系到故障診斷的可靠性與準(zhǔn)確性，是機(jī)械設(shè)備故障診斷的關(guān)鍵問題。本文以軸承和齒輪兩種典型的零部件為研究對(duì)象，針對(duì)變轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)

2、機(jī)械瞬態(tài)特征表示與提取的問題提出了基于時(shí)頻特征融合的時(shí)頻特征表示方法、時(shí)頻特征重采樣方法、周期特征的極坐標(biāo)同步增強(qiáng)檢測(cè)方法和變轉(zhuǎn)速下瞬態(tài)特征的自動(dòng)檢測(cè)方法，并分別就有關(guān)問題進(jìn)行了深入的理論研究和應(yīng)用研究。
　　 介紹了軸承和齒輪常見的失效形式以及滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)，并進(jìn)行了軸承的局部故障實(shí)驗(yàn)設(shè)置，對(duì)恒定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了采集，保證理論研究工作都建立在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上。
　　 現(xiàn)有的兩類時(shí)頻分析方法，線性時(shí)頻分析和

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

4、常有效的手段，對(duì)時(shí)域信號(hào)重采樣使其在階域上滿足傅里葉分析的要求。由于旋轉(zhuǎn)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(dòng)，對(duì)瞬態(tài)成分重采樣會(huì)不可避免的引起失真?？紤]到瞬態(tài)成分在時(shí)頻域上是能量分布，不存在明顯的振蕩，因此提出了時(shí)頻特征重采樣方法，其本質(zhì)是將對(duì)信號(hào)時(shí)域上的重采樣擴(kuò)展到時(shí)頻域上對(duì)時(shí)頻特征值的重采樣，可以將非等周期的時(shí)頻特征轉(zhuǎn)化成等周期的時(shí)頻特征。
　　 對(duì)于變轉(zhuǎn)速下地局部故障，通常會(huì)存在某一瞬態(tài)角度特征周期，而且通

5、過時(shí)頻特征重采樣，瞬態(tài)特征將會(huì)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(guān)系。本文提出了周期特征的極坐標(biāo)同步增強(qiáng)檢測(cè)方法。將時(shí)頻特征重采樣和周期特征的極坐標(biāo)同步增強(qiáng)應(yīng)用到軸承的外圈、內(nèi)圈和滾動(dòng)體三種典型故障中，可以根據(jù)極坐標(biāo)上的特征分布有效的識(shí)別故障類型。
　　 針對(duì)變轉(zhuǎn)速下機(jī)械設(shè)備故障診斷問題，提出了一種變轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)機(jī)械瞬態(tài)特征的自動(dòng)檢測(cè)方法，是對(duì)時(shí)頻特征融合策略、時(shí)頻特征重采樣和周期

6、特征的極坐標(biāo)同步增強(qiáng)的結(jié)合。首先，對(duì)變轉(zhuǎn)下測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)應(yīng)用Wigner-ville分布和小波尺度譜這兩種不同的時(shí)頻分析方法，在這兩種時(shí)頻表示的基礎(chǔ)上應(yīng)用融合策略，可以將變轉(zhuǎn)下的瞬態(tài)特征很好的表示在時(shí)頻面上。然后，對(duì)得到的時(shí)頻特征矩陣應(yīng)用時(shí)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(yīng)用周期特征的極坐標(biāo)同步增強(qiáng)，可以得到變轉(zhuǎn)下振動(dòng)信號(hào)瞬態(tài)特征的增強(qiáng)表示。仿真信號(hào)以及軸承實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)的應(yīng)用驗(yàn)證了該方法的有效性和