基于Hilbert-Huang变换的滚动轴承故障诊断方法研究

论文摘要

滚动轴承是大部分旋转机械的基本组成部件,也是易损零件,许多旋转机械中的故障都与滚动轴承有关。因此,研究滚动轴承的故障诊断方法具有十分重要的意义。本文以提取滚动轴承振动信号的特征及其故障诊断为主线,在分析了传统滚动轴承的振动信号处理方法的基础上,以Hilbert-Huang变换的时频分析方法为重点,对滚动轴承故障特征提取和故障诊断方法进行探索和研究,并对滚动轴承典型故障的振动信号进行分析和验证。最后,在此基础上开发出滚动轴承振动信号分析软件。论文首先研究了滚动轴承的常见失效形式及其特征,并对滚动轴承的振动机理和振动信号进行了深入研究。针对几种常用的滚动轴承故障特征提取的时频分析方法：短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布、小波变换等进行了研究。对Hilbert-Huang算法中涉及的采样数据延拓技术开展了研究,以减弱端点效应；利用中值滤波技术来克服模态裂解问题；通过仿真比较,发现Rilling的IMF筛选终止准则具有较好的数据处理特性。论文利用多种时频分析方法对仿真信号进行特征提取,再把基于Hilbert-Huang的时频分析方法与典型的时频分析方法进行对比研究,指出该方法对于分析非平稳信号具有更好的有效性和优越性。论文利用基于Hilbert-Huang的时频分析方法对实测的滚动轴承故障振动信号进行了分析。实验研究表明,Hilbert-Huang方法对滚动轴承故障诊断具有很好的有效性和可行性。最后,本文开发出交互式用户界面,便于分析程序的实际应用。论文的研究内容为滚动轴承故障特征提取及分析提供了新的思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题研究意义
• 1.2 滚动轴承故障诊断技术研究现状
• 1.2.1 滚动轴承故障诊断技术发展历程
• 1.2.2 滚动轴承故障诊断方法概述
• 1.3 振动信号分析方法
• 1.4 Hilbert-Huang变换的提出
• 1.5 本课题主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 2 Hilbert-Huang变换的基本理论
• 2.1 HHT的基本概念
• 2.1.1 瞬时频率及时间特征尺度
• 2.1.2 本征模函数
• 2.2 HHT算法实现原理
• 2.2.1 经验模态分解
• 2.2.2 Hilbert时频谱和边际谱
• 2.3 HHT算法实例验证
• 2.4 本章小结
• 3 HHT算法存在问题改进
• 3.1 端点效应和延拓技术
• 3.1.1 端点效应的机理与影响
• 3.1.2 信号序列偶延拓
• 3.1.3 信号序列周期延拓
• 3.1.4 信号序列镜像闭合延拓
• 3.1.5 信号序列包络极值延拓
• 3.2 模态裂解
• 3.2.1 模态裂解现象
• 3.2.2 中值滤波原理
• 3.2.3 仿真信号中值滤波分析
• 3.3 筛选终止准则
• 3.3.1 筛选终止准则研究
• 3.3.2 筛选准则比较
• 3.4 几种时频分析方法的仿真信号分析
• 3.4.1 典型时频分析方法简介
• 3.4.2 HHT与典型时频分析方法的比较
• 3.5 本章小结
• 4 HHT在滚动轴承故障诊断中的应用
• 4.1 滚动轴承故障的基本形式
• 4.2 滚动轴承振动信号特征分析
• 4.2.1 滚动轴承的振动机理
• 4.2.2 滚动轴承的结构组成
• 4.2.3 滚动轴承的固有频率和故障特征频率
• 4.2.4 滚动轴承振动信号特点
• 4.3 滚动轴承故障诊断
• 4.3.1 诊断的基本步骤
• 4.3.2 实验装置简介
• 4.3.3 轴承故障信号分析
• 4.4 本章小结
• 5 滚动轴承振动信号分析系统
• 5.1 开发工具简介
• 5.2 GUI设计及编程
• 5.2.1 GUI设计
• 5.2.2 界面编程
• 5.3 系统基本功能介绍
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文