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基于扭转振动信号的行星齿轮箱齿根裂纹故障动力学仿真

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机械传动 2021年第10期45卷 164-169页

作者：魏伟李云鹏杨衍帅机械科学研究总院青岛分院有限公司山东青岛266000

基于振动的分析方法在行星齿轮箱齿根裂纹故障诊断中得到了广泛的应用。与传统的横向振动信号相比,扭转振动信号理论上不受时变传递路径的调制影响;其频率成分简单,易于提取故障特征。对动力学模型中提取的扭转振动信号进行分析,实现了... 详细信息

基于振动的分析方法在行星齿轮箱齿根裂纹故障诊断中得到了广泛的应用。与传统的横向振动信号相比,扭转振动信号理论上不受时变传递路径的调制影响;其频率成分简单,易于提取故障特征。对动力学模型中提取的扭转振动信号进行分析,实现了齿根裂纹故障诊断。建立了健康行星齿轮箱的刚柔耦合模型并进行了验证;基于健康行星齿轮箱的模型,建立了3种构件的裂纹故障模型,提取了故障行星齿轮箱的动态响应信号;通过分析横向振动信号和扭转振动信号来诊断齿根裂纹故障。结果表明,采用扭转振动信号诊断行星齿轮箱轮齿裂纹故障是可行的,其相比传统的横向振动信号更具优越性。

关键词：刚柔耦合模型齿根裂纹故障扭振信号

基于扭振信号加窗RMS时域同步平均的行星齿轮箱裂纹故障诊断

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机械传动 2021年第12期45卷 150-154页

作者：魏伟李云鹏梁景源机械科学研究总院青岛分院有限公司山东青岛266000 西安交通大学机械工程学院陕西西安710049

行星齿轮箱具有结构紧凑、传动效率高、运行平稳等优点,被广泛应用于关键机械装备中。由于恶劣的工作环境,行星齿轮箱易产生齿根裂纹故障损伤且不易被识别,易造成安全隐患。扭转振动信号理论上不受行星架旋转引入的路径调制影响,相比于... 详细信息

行星齿轮箱具有结构紧凑、传动效率高、运行平稳等优点,被广泛应用于关键机械装备中。由于恶劣的工作环境,行星齿轮箱易产生齿根裂纹故障损伤且不易被识别,易造成安全隐患。扭转振动信号理论上不受行星架旋转引入的路径调制影响,相比于传统研究中的横向振动信号具有很大的优越性,频率成分简单,易于提取故障特征。为此,以扭振信号为分析对象,提出了一种加窗RMS(Root meam square)时域同步平均技术,实现行星齿轮箱的早期齿根裂纹故障诊断;并搭建故障模拟试验台,验证了该方法的有效性。

关键词：行星齿轮箱齿根裂纹扭振信号时域同步平均加窗RMS

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基于时间序列行星齿轮箱故障诊断方法研究

基于时间序列行星齿轮箱故障诊断方法研究

作者：江涛南昌航空大学

学位级别：硕士

在航空、矿山和新能源领域,回转机械的传动系统是设备正常运转的关键,其传动系统常工作在时变工况,高速、变载、以及有限的安装空间,使得行星齿轮轮系被广泛应用在这些领域。因此行星齿轮箱通常在恶劣的环境中进行工作,在这种环境下极... 详细信息

在航空、矿山和新能源领域,回转机械的传动系统是设备正常运转的关键,其传动系统常工作在时变工况,高速、变载、以及有限的安装空间,使得行星齿轮轮系被广泛应用在这些领域。因此行星齿轮箱通常在恶劣的环境中进行工作,在这种环境下极易发生齿轮故障。所以对于行星齿轮箱故障诊断极其的重要,既保证操作人员和设备的安全,又可以降低设备维修的成本。目前,针对行星齿轮箱故障诊断大多数还是基于往复振动信号进行故障分析,通过安装在齿轮箱上的加速度传感器采集试验所需的往复振动信号,此方法在提取齿轮啮合振动信息时较为困难,然而通过安装在齿轮箱轴系中的增量式编码器来提取的扭转振动信号则方便很多,因为扭转振动信号相对往复振动信号其频谱结构相对简单,而且不受其它振动所影响,对故障特征也更加敏感。因此,本文提出基于扭转振动信号对行星齿轮箱故障特征进行试验分析。1.通过增量式编码器对行星齿轮箱扭转振动信号进行采集,利用高频脉冲计数的原理将采集的信号经过转换得到?-t的曲线关系图,然后采用一阶线性插值法将这些不均匀的扭振信号转变为均匀的扭振信号。为了更加接近行星齿轮箱工作环境,因此通过磁粉制动器对行星齿轮输出轴增加负载,并且完善试验整体设备,采集试验所需扭振信号。2.建设开发试验平台用来模仿观察行星齿轮箱的实际真实工作情况,通过调用Labview图形化编程语言,研究开发了一套试验平台中需要使用的行星齿轮箱扭振信号采集系统,与此同时,计算机总控设备将以txt格式,存储保存收集到的扭振信号用以后续数据处理及分析。将采集到的行星齿轮箱扭转振动信号进行故障特征提取,对扭振信号时域和频域进行分析,对比行星齿轮正常状态和故障状态下时域图和频域图。3.针对模拟行星齿轮箱在实际环境下的工作状态进行扭振信号特征提取,提出基于时间序列分析对行星齿轮箱进行故障诊断和预测,建立时间序列模型,利用信息论判据确定模型阶次,利用改进的协方差法对模型参数估计,通过两组数据的对比发现齿轮故障状态时模型系数不在参数容差范围内,并且对故障信号进行预测,发现此方法在齿轮故障诊断有较好的前景。

关键词：行星齿轮箱扭振信号故障诊断时间序列分析故障预测

基于时域同步平均算法的行星齿轮箱故障诊断技术研究

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基于时域同步平均算法的行星齿轮箱故障诊断技术研究

作者：罗欢欢南昌航空大学

学位级别：硕士

现代机械设备逐渐趋向复杂、大型、多用途方向发展,齿轮箱作为旋转机械核心传动部件之一其运行状态对整个系统的正常运行起决定性作用。行星齿轮箱具有较定轴轮系的齿轮箱更复杂的结构,故对于齿轮箱的故障诊断技术多建立在定轴轮系的基... 详细信息

现代机械设备逐渐趋向复杂、大型、多用途方向发展,齿轮箱作为旋转机械核心传动部件之一其运行状态对整个系统的正常运行起决定性作用。行星齿轮箱具有较定轴轮系的齿轮箱更复杂的结构,故对于齿轮箱的故障诊断技术多建立在定轴轮系的基础之上,对行星齿轮箱的故障诊断技术起步较晚且尚未成熟。在工程实际中,故障诊断的准确性碍于大的背景噪声而不能提高。时域同步平均算法常用于信号的降噪处理。因此,基于时域同步平均的行星齿轮箱故障诊断技术的研究具有重要意义。本文基于同步平均降噪思想,对行星齿轮箱的扭振信号以及横向振动信号的故障诊断技术进行了研究。主要内容有:单级的定轴齿轮箱信号成分更为单一,为简化研究,选用单级减速齿轮箱横向振动信号研究了基于无时标的时域同步平均算法用于信号降噪处理。提出了改进的时域同步平均算法,很好的解决了无时标采样的时域同步平均存在的截断误差问题。改进的算法极大的保留了原信号的有用信息,避免因过多损失信息导致后续处理出现错误。基于LabView软件开发了行星齿轮箱信号采集系统。分析了扭振信号从等角度采样到等时间采样的误差,发现消除误差将极大的增加计算量。详细阐述了行星齿轮箱故障诊断实验平台搭建过程中总体部件的组成以及传感器的选用。采集系统能够实时显示采集到的信号,能够按等时间间隔或手动保存指定长度的数据以供后续研究。此外,利用扭振信号不受转速变化的影响的特性对行星齿轮箱的扭振信号时域指标进行在线监测,在齿轮箱出现异常时发出警报。搭建实验平台后进行相关实验,深入研究了行星齿轮箱扭振信号在稳态、时变转速和时变负载工况下的时域以及频域特征。与横向振动信号在时变工况下难以提取故障特征不同的是,扭振信号不受负载及转速变化的影响,在角域具有恒等特性。在工程实践中,扭振信号提取故障特征将更为简单。利用基于增量式编码器采集的扭振信号在角域严格等分的特性,提出了角域频率概念,其中心思想为:类比时域的频率概念,以转轴旋转一圈为基本单位,以在转轴一圈内周期性信号出现的次数为角域频率。结果表明,基于角域频率的扭振信号在大的时变工况下依然能够有效的提取故障特征频率。

关键词：行星齿轮箱扭振信号 LabView 时域同步平均故障诊断

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行星齿轮箱扭振信号故障特征提取研究

行星齿轮箱扭振信号故障特征提取研究

作者：李耀祖南昌航空大学

学位级别：硕士

行星齿轮箱具有传动比大、体积小、承载能力大、工作稳定等诸多优点,广泛使用于航空领域、风力发电等机械传动系统中,行星齿轮箱工作运行时状态与机械设备工作效率密切相关,但又因行星齿轮箱长期处于高强度、高负荷的恶劣环境中工作,容... 详细信息

行星齿轮箱具有传动比大、体积小、承载能力大、工作稳定等诸多优点,广泛使用于航空领域、风力发电等机械传动系统中,行星齿轮箱工作运行时状态与机械设备工作效率密切相关,但又因行星齿轮箱长期处于高强度、高负荷的恶劣环境中工作,容易产生疲劳裂纹及齿轮磨损等机械故障。所以对行星齿轮箱进行故障诊断领域的研究有着重要意义,可以提前诊断出故障、提高设备使用寿命,预防突发性故障等。为此,本文研究了基于扭振信号行星齿轮箱故障特征提取,主要内容如下:提出并实现了基于安装在行星齿轮箱上的增量式编码器采集扭振信号的测量方法,通过高频脉冲计数原理选择多功能数据采集卡和高分辨率的编码器,完善行星齿轮箱相应的软件数据采集系统,再增加所需的硬件配置,搭建出完整的行星齿轮箱故障诊断实验平台。介绍了行星齿轮箱扭振信号有关的频谱特征,通过实验对比分析出扭振信号的可行性,相对于横向振动信号,扭振信号具有频谱结构简单、信噪比高、不易受其他振源影响、对故障敏感等优点,确定扭振信号为行星齿轮箱故障诊断实验分析信号。分别研究了在空载和不同负载下行星齿轮箱输入轴与输出轴的扭振信号,并分别在正常状态与断齿故障状态下对比分析,认为行星齿轮箱在空载运行时,输入轴扭振信号比输出轴对故障更加敏感,更能反映出故障特征。在负载不断变化时,发现输出轴扭振信号比输入轴更具优势,对故障特征更加敏感,刚好与空载时情况相反。与此同时,从故障特征指标的角度诊断故障,分别对比分析峭度值与均方根值故障前后的变化,发生两者诊断效果较好。针对行星齿轮箱在恶劣环境下故障特征提取,提出了基于H-P滤波与变分模态分解相结合的扭振信号时域分析方法。先通过构建模拟信号对该方法进行初步验证,然后通过实验方式,分别在不同负载下进一步论证该方法的可行性,实验还从扭振信号处理前后峭度值指标变化情况判断出故障的发生,较好的解决了负载时行星齿轮箱输入轴扭振信号故障特征提取不明显的问题。

关键词：行星齿轮箱扭振信号增量式编码器故障诊断 H-P滤波变分模态分解故障特征

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行星齿轮箱扭振信号的试验与分析

行星齿轮箱扭振信号的试验与分析

作者：曹展南昌航空大学

学位级别：硕士

行星齿轮箱具有体积小、重量轻、传动比大、传动效率高等优点,是直升机及风电传动系统的关键部件。然而行星齿轮箱相比定轴传动齿轮箱具有更加复杂的结构及运动形式,又因工作环境恶劣,极易发生齿轮局部磨损损伤及轮齿折断等故障,因此对... 详细信息

行星齿轮箱具有体积小、重量轻、传动比大、传动效率高等优点,是直升机及风电传动系统的关键部件。然而行星齿轮箱相比定轴传动齿轮箱具有更加复杂的结构及运动形式,又因工作环境恶劣,极易发生齿轮局部磨损损伤及轮齿折断等故障,因此对行星齿轮箱进行故障诊断方面的研究对于预防重大安全事故的发生具有重要的意义。迄今为止,行星齿轮故障诊断大多借鉴固定轴齿轮故障诊断技术进行开展的,通常由安装在齿轮箱体的加速度传感器采集到的往复振动信号进行分析。由于行星轮系相比于固定轮系啮合关系复杂,从采集到的行星齿轮箱往复振动信号中提取出相应的齿轮啮合振动信号信息极为困难,而从采集到的齿轮箱轴系扭转振动信号中获得齿轮的啮合振动信息则相对容易。因此,本文研究了基于扭振信号分析法的行星齿轮故障诊断,主要内容如下:1.行星齿轮箱扭振信号的采集与试验。利用安装在行星齿轮箱轴系的增量式编码器采集扭振信号,通过硬件的配置,确立了行星齿轮故障诊断试验台。通过LABVIEW图形化语言开发了行星齿轮往复振动信号及行星齿轮扭振信号采集系统。为了更加接近工程实际情况,试验时通过磁粉制动器给行星齿轮箱输出轴施加一定的载荷,通过速度控制器控制行星齿轮箱输入轴的转速分别在工况一、工况二及工况三三种工况下进行试验。分别采集行星齿轮箱在正常状态下、行星齿轮局部磨损损伤及行星齿轮局部断齿状态下的行星齿轮箱输入轴及输出轴扭振信号。2.行星齿轮箱扭振信号的时频域分析。在一定的工况下,对行星齿轮箱扭振信号进行时域、频域及时频解调分析。对扭振信号进行时域分析时,发现输出轴扭振信号比输入轴扭振信号在时域上更能够反应故障特征;对输出轴扭振信号信号用时频解调分析时,发现输出轴扭振信号能够准确从时频解调分析中揭示行星齿轮的故障特征。3.针对背景噪声干扰状态下的行星齿轮箱输入轴扭振信号故障特征提取,提出最小熵解卷积的谱峭度法在行星齿轮箱扭振信号分析中的应用。将这种方法应用于仿真信号及实际输入轴扭振信号,分析发现这种方法能够准确的提取行星齿轮故障特征。并将这种方法与小波降噪包络分析对比,突出了提出的方法的优势。

关键词：行星齿轮箱扭振信号解调分析最小熵解卷积谱峭度故障诊断

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行星齿轮传动的故障动力学研究

行星齿轮传动的故障动力学研究

作者：吴学勤南昌航空大学

学位级别：硕士

行星齿轮箱通常在恶劣环境下工作,行星齿轮箱中的齿轮失效是导致机械系统故障的主要原因之一。在行星齿轮箱运转过程中使用在线监测和故障诊断技术可以有效的预防重大事故,降低机器的维护成本。研究行星齿轮动力学模型及故障影响特征,... 详细信息

行星齿轮箱通常在恶劣环境下工作,行星齿轮箱中的齿轮失效是导致机械系统故障的主要原因之一。在行星齿轮箱运转过程中使用在线监测和故障诊断技术可以有效的预防重大事故,降低机器的维护成本。研究行星齿轮动力学模型及故障影响特征,具有重要意义。1、行星齿轮动力学分析。使用CATIA软件建立行星齿轮箱三维模型。使用ANSYS软件分析行星齿轮箱振动模态,各阶频率范围内的系统振型。研究不同程度故障对齿轮模态的影响,并对不同程度故障状态下啮合的齿轮做瞬态动力学分析,分析故障齿轮上的应力分布情况,为后期实验人为破坏齿轮故障位置的选择以及故障程度的选择提供了帮助。2、行星齿轮动力学仿真。基于ADAMS软件建立行星齿轮箱动力学模型,对行星轮系做多体动力学仿真,获得行星齿轮箱不同状态时输入轴的扭矩变化频域图。其次,分析频域图得到行星齿轮箱的转频、啮合频率和故障频率,诊断出行星齿轮箱故障及其故障类型。最后,将仿真结果与理论计算结果进行对比分析。3、基于扭振信号的行星齿轮故障诊断。搭建行星齿轮箱故障诊断实验平台,采集行星齿轮箱横向振动信号以及扭转振动信号。通过对行星齿轮箱横向振动信号与扭振信号的频谱对比与分析发现,扭振信号比横向振动信号更适合与行星轮系的故障诊断。针对扭振信号微弱,冲击特性不明显等特性,提出基于最大相关峭度反褶积法处理扭振信号。该方法使行星齿轮箱扭振信号的故障冲击特性得到显著提升,对于扭振信号的降噪与提高周期故障冲击特征有效,适用于行星齿轮箱扭振信号的故障诊断。

关键词：行星齿轮箱故障诊断瞬态动力学多体动力学仿真扭振信号最大相关峭度反褶积

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基于最小熵反褶积的行星齿轮箱故障诊断

制造业自动化 2017年第7期39卷 1-5页

作者：王轩徐九南姜毅王细洋南昌航空大学飞行器工程学院南昌330063 南昌工学院机械与车辆工程学院南昌330108

行星齿轮箱具有传动比大、传动效率高等优点,但比定轴齿轮有更复杂的结构,因常工作在恶劣的条件下,容易出现磨损或疲劳裂纹等故障。扭振信号因信噪比高、频谱结构简单等优点有利于对行星齿轮箱的故障诊断。所以针对重载、强噪声环境下... 详细信息

行星齿轮箱具有传动比大、传动效率高等优点,但比定轴齿轮有更复杂的结构,因常工作在恶劣的条件下,容易出现磨损或疲劳裂纹等故障。扭振信号因信噪比高、频谱结构简单等优点有利于对行星齿轮箱的故障诊断。所以针对重载、强噪声环境下行星齿轮箱故障特征的提取,提出了基于最小熵反褶积(Minimum entropy deconvolution,MED)的扭振信号时域分析方法,该方法通过反转滤波加强冲击特性从而提取行星轮的故障特征。通过对仿真信号和行星齿轮箱的扭振信号分析,在时域上提取了明显的故障冲击特征,并且较频谱分析能更直观清晰地看出故障特性。通过对不同负载情况下的比较,发现该方法对处于大负载情况下的故障诊断效果更佳。

关键词：行星齿轮箱扭振信号最小熵反褶积故障特征

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行星齿轮箱扭振信号检测及故障诊断

行星齿轮箱扭振信号检测及故障诊断

作者：张斌南昌航空大学

学位级别：硕士

行星齿轮传动是直升机动力传动系统中的关键部件,工作环境恶劣,极易发生各种失效现象。行星齿轮故障诊断技术在降低机器维护成本、预防重大事故方面意义重大。目前,行星齿轮故障诊断中通常使用箱体横向振动信号。由于行星轮系齿轮啮合... 详细信息

行星齿轮传动是直升机动力传动系统中的关键部件,工作环境恶劣,极易发生各种失效现象。行星齿轮故障诊断技术在降低机器维护成本、预防重大事故方面意义重大。目前,行星齿轮故障诊断中通常使用箱体横向振动信号。由于行星轮系齿轮啮合关系复杂,从采集信号中提取对象齿轮的啮合振动信号极为困难,而从齿轮轴扭振信号中提取齿轮啮合振动信息则相对简单。为此,本文研究了基于齿轮轴扭转振动信号的行星齿轮故障诊断技术:1.提出并实现了基于增量式编码器和高频时钟脉冲计数的扭振测量方法。该方法属于接触测量,编码器安装在轴上,不破坏机器的原有结构,不影响机器的正常运行。将测量到的计数值转换为一组角速度向量和时间向量,得到了描述扭振信号的角速度-时间曲线图。利用一阶线性插值重采样的方法将这种非等间隔的扭振时域信号重构为等间隔的扭振时域信号,以便于后期对该信号进行分析处理。2.应用LabVIEW图形化编程语言开发了行星齿轮箱扭振信号采集系统和分析系统,采集行星齿轮箱旋转轴扭振信号,并存储至计算机中,方便后期的分析处理。3.利用磁粉制动器给行星齿轮箱施加扭矩载荷,通过线切割加工的方式模拟行星轮的断齿故障,分别采集了行星齿轮在正常状态和故障状态下的旋转轴扭振信号,同时利用压电式加速度传感器采集行星齿轮箱体振动信号。4.对行星齿轮扭振信号进行了时域、频域、时频域分析以及基于小波包分解的归一化能量谱分析。同时对故障状态下采集到的行星齿轮箱体振动信号作功率谱分析,将振动信号的分析结果与扭振信号的分析结果作对比,得出相应的实验结论。实验结果表明扭振信号对故障更为敏感,扭振信号频谱图中各频率成分清晰可辨,能够有效地反映行星齿轮的故障特征,充分显示了将扭振信号用于行星齿轮故障的优越性

关键词：行星齿轮扭振信号 LabVIEW 采集系统分析系统故障诊断