齿轮箱嵌入式故障诊断关键技术研究

论文摘要

传动机构是武器装备的重要组成部分。运行过程中,由于许多无法避免的因素影响,传动机构会发生故障,降低或失去其预定的功能,甚至造成严重或灾难性的事故。对于齿轮箱来说,由于其空间狭小,难以安装普通传感器获取其运行状态信息,采用嵌入式故障诊断技术对其进行运行状态的在线监测和故障诊断,对于提高武器装备传动系统可靠性、降低维修费用等具有重要的理论意义和实际应用价值。本文在武器装备重点预研基金和国家自然科学基金(50805142)项目的资助下,以ZQ250型通用齿轮减速器为研究对象,综合运用有限元分析、非线性优化、图论以及粒子群优化等方法对基于齿轮箱的嵌入式故障诊断技术进行了深入研究。论文主要研究内容如下:1.在齿轮传动系统动力学分析基础上,研究分析了开槽对轴承和齿轮机械性能的影响规律,并根据此规律给出轴承和齿轮上开槽嵌入无线传感器模块的最佳尺寸和位置,为齿轮箱嵌入式传感设计提供依据。2.利用ANSYS建立了齿轮箱有限元法模型,并通过瞬态动力学分析计算得到故障振动信号在齿轮箱中的传递特性,为后续建模提供所需的时延和增益数据。3.采用量化符号有向图方法描述故障振动在整个齿轮箱内的传递特性,在此基础上建立了基于故障振动传递符号有向图的齿轮箱嵌入式传感器优化配置模型,并研究了自适应粒子群优化算法进行模型求解,最终得出传感器的最优配置方案。4.基于上述工作定制了可嵌入微传感器模块的齿轮箱样机,完成了微传感器模块和无线信号传输的软硬件设计,构建了实验系统并进行了故障诊断实验。实验结果表明,经过优化配置的传感器能准确、快速地诊断出轴承故障。总之,本文对基于嵌入式传感器的齿轮箱故障诊断技术进行了深入研究,建立了齿轮箱嵌入式传感器优化配置模型,研究了自适应粒子群优化算法对模型进行求解,初步构建了齿轮箱嵌入式故障诊断原型系统。以上研究为齿轮箱运行状态的实时在线监测提供了一种有效的新方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景及意义
• 1.2 课题相关技术的国内外研究现状
• 1.2.1 齿轮箱故障诊断技术研究现状
• 1.2.2 嵌入式故障诊断技术研究现状
• 1.2.3 传感器优化配置技术研究现状
• 1.3 论文研究思路及结构
• 1.3.1 论文研究思路
• 1.3.2 论文结构
• 第2章 基于有限元分析的齿轮箱嵌入式传感设计
• 2.1 基于Solidworks 的齿轮箱三维实体建模
• 2.2 齿轮传动系统动力学分析
• 2.3 基于有限元静力学分析的齿轮箱轴承开槽分析
• 2.3.1 齿轮箱轴承开槽位置的确定
• 2.3.2 齿轮箱轴承结构开槽有限元分析
• 2.4 基于有限元模态分析的齿轮开孔分析
• 2.4.1 齿轮的固有振动分析
• 2.4.2 齿轮开孔位置的确定
• 2.4.3 开孔齿轮的模态分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于有限元瞬态动力学分析的齿轮箱振动传递分析
• 3.1 齿轮传动系统故障振动传递分析
• 3.1.1 齿轮传动系统三维模型的简化
• 3.1.2 齿轮传动系统的瞬态动力学分析
• 3.2 齿轮传动系统故障振动传递符号有向图（SDG）模型
• 3.2.1 故障传递SDG 建模
• 3.2.2 齿轮箱SDG 模型的建立
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于自适应粒子群算法的齿轮箱嵌入式传感器优化配置模型求解
• 4.1 齿轮传动系统嵌入式传感器优化配置模型
• 4.1.1 嵌入式传感器优化配置准则
• 4.1.2 建立嵌入式传感器配置优化模型
• 4.2 基于惯性权重自适应动态调节的改进粒子群优化算法
• 4.2.1 设计粒子群算法的基本原则
• 4.2.2 粒子群算法的设计步骤
• 4.2.3 基本粒子群算法
• 4.2.4 标准粒子群优化算法
• 4.2.5 基于惯性权重自适应动态调节的粒子群算法
• 4.3 基于惯性权重自适应动态调节粒子群优化算法的模型求解
• 4.3.1 传感器优化配置模型的简化
• 4.3.2 传感器优化配置模型的求解
• 4.4 本章小结
• 第5章 齿轮箱嵌入式故障诊断实验研究
• 5.1 齿轮箱嵌入式故障诊断实验台设计
• 5.1.1 机械系统设计
• 5.1.2 传感器系统设计
• 5.2 齿轮箱嵌入式数据采集硬件设计
• 5.2.1 嵌入式传感器模块
• 5.2.2 无线信号处理与发射模块
• 5.3 齿轮箱嵌入式故障诊断软件设计
• 5.3.1 串口数据采集模块
• 5.3.2 信号显示与处理模块
• 5.3.3 信号保存模块
• 5.4 齿轮箱轴承故障嵌入式诊断实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果