齿轮轮体振动信号的测量及其在故障诊断中的应用

论文摘要

齿轮传动系统作为机械设备中一种必不可少的传动机构,已经被广泛应用于工业、农业、国防、航空航天、交通运输等现代机械设备中。但是由于其结构复杂,工作环境恶劣等原因,齿轮传动系统容易受到损害和出现故障,其中齿轮又是最容易损坏的机械零件之一。所以,如果能及时地发现齿轮传动系统的早期故障,对经济合理地安排维修设备时间,避免发生重大人身、设备伤亡事故有着十分重要的意义。在设备使用过程中,操作人员希望能够尽早地得到齿轮传动系统的早期故障信息。但是,与齿轮传动的常规振动相比较,齿轮早期故障所引起的振动激励非常微弱,振动响应的传递路径很复杂,信号经过强干扰以及非线性的传递后,有用的故障信息常常淹没在其它频率成分和测量噪声之中。再者现有的齿轮诊断技术只适合于诊断齿轮发生严重磨损等一类分布性故障问题,不能有效地（或不能完全有效地）解决齿轮的早期故障和局部故障诊断问题。这就为齿轮的早期故障诊断带来了很大困难。本文通过对比从齿轮轮齿啮合点附近到轮体测试点的传递函数与啮合点附近到箱体测试点的传递函数的分析结果,初步探讨了振动信号传递路径对齿轮故障诊断的影响。以及采用将两个特性相同的加速度计对称安装在齿轮端面的方法,测量齿轮的振动信号并将其与同时测得的箱体振动信号加以对比,发现齿轮轮体振动信号比箱体振动信号对齿轮故障的敏感程度要高。将轮体振动信号应用于齿轮局部故障诊断时,轮体振动信号的时频域分析法以及连续小波函数变换方法和Hilbert-Huang变换方法都可以发现齿根裂纹的故障特征。研究表明:（1）对从脉冲频响函数中得到的系统固有模态进行分析,我们发现齿轮振动信号在传递过程中会被过滤、衰减或者放大。（2）轮体振动信号能够直接反映齿轮振动的实际状态,测量干扰小,测量精度高。通过轮体振动信号反映齿轮的振动起因,不会受到振动传递路径的影响,即不会减少有用的频率成分也不会增加其他频率成分。（3）实验证明轮体振动信号对齿轮故障比较敏感且信噪比高,利用轮体振动信号更容易发现齿轮的早期故障。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 齿轮振动信号测试方法现状
• 1.2.2 齿轮及齿轮箱诊断技术现状
• 1.3 课题研究目的及主要内容
• 1.3.1 目的
• 1.3.2 课题主要内容
• 1.4 课题来源
• 第二章 传递路径对齿轮振动信号的影响
• 2.1 齿轮振动信号的产生及传递路径
• 2.1.1 齿轮副的内部激励
• 2.1.2 齿轮副的简化振动模型
• 2.1.3 振动的传递路径
• 2.2 传递路径对齿轮振动信号的影响理论分析
• 2.3 采用传递函数测试方法研究传递路径对振动信号的影响
• 2.3.1 实验设计
• 2.3.2 实验结果分析
• 2.4 采用轮体振动信号测试法研究传递路径对振动信号的影响
• 2.5 虚拟仪器及 LabVIEW 简介
• 2.5.1 虚拟仪器概述
• 2.5.2 LabVIEW 技术简介
• 2.6 本章小结
• 第三章 轮体振动信号的直接测量
• 3.1 实验装置设计
• 3.1.1 齿轮试验台设计
• 3.1.2 数据采集系统的组成
• 3.2 振动测试程序设计
• 3.2.1 数据采集、存储VI
• 3.2.2 数据回放、处理及分析VI
• 3.3 实验数据采集与存储
• 3.3.1 实验目的
• 3.3.2 齿根裂纹的物理模拟
• 3.3.3 实验对象的参数
• 3.3.4 加速度计测点布置
• 3.3.5 数据采集与存储
• 3.4 实验数据回放与分析
• 3.4.1 数据回放
• 3.4.2 数据分析
• 3.5 扭振信号的获取及分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 齿轮的局部故障诊断方法
• 4.1 轮体振动信号时频域诊断法
• 4.2 连续小波变换诊断法
• 4.3 Hilbert-Huang 变换诊断法
• 4.3.1 瞬时频率
• 4.3.2 本征模函数（IMF）
• 4.3.3 EMD 计算方法
• 4.3.4 基于经验模式分解的 Hilbert 谱
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于轮体振动信号的齿轮故障诊断
• 5.1 轮体振动信号在齿轮啮合频率调制现象中的应用
• 5.2 用轮体振动信号的时域法诊断齿根裂纹
• 5.3 用连续小波函数方法诊断齿根裂纹
• 5.4 用 Hilbert-Huang 变换诊断齿根裂纹
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文