基于小波包与倒频谱分析的风电机组齿轮箱齿轮裂纹诊断方法

为实现风电机组齿轮箱及时有效地监测和维护,提出基于小波包与倒频谱分析的风电机组齿轮箱齿轮裂纹诊断方法。该方法针对齿轮裂纹振动信号为转速频率对啮合频率及其倍频调制的特点,利用小波包分解来识别振动信号中的故障特征,通过小波包频带能量监测得到故障部位的啮合频率范围;考虑到倒频谱可以分离和提取难以识别的密集调制信号的周期成分,基于倒频谱识别故障部位的转速频率,综合利用两种频谱分析方法得到的啮合频率和转速频率,能诊断故障部位和类型。实验研究表明,该方法能精确地诊断齿轮裂纹故障,并可以实现对风电机组齿轮在复杂环境中退化状态的监测,预防断齿等重大故障的发生。     

多轴系耦合作用下齿轮系统转子裂纹故障的振动特性研究

为了探究多轴系耦合齿轮系统中的转子裂纹故障与单轴系转子裂纹故障振动响应特性的异同点,基于Jones轴承建模理论,建立滚动轴承的拟静力学模型;利用Timoshenko梁单元建立传动轴的有限元模型;考虑时变啮合刚度、齿轮传递误差、陀螺效应等因素,利用集中参数法建立齿轮副的动力学模型。将轴承、传动轴与齿轮副模型进行集成,建立齿轮系统非线性动力学模型;利用能量释放率理论与应力强度因子为零法分析裂纹转子单元的呼吸效应,利用Newmark-?数值积分法对转子裂纹故障进行动力学仿真,研究转子裂纹故障的振动响应特征。结果表明：与单轴系转子裂纹故障不同,当齿轮系统发生转子裂纹故障时,由于齿轮啮合的引起的耦合效应及转子裂纹引起的呼吸效应,时域响应表现出明显的幅值调制现象,频域中转频及其2倍频幅值增加明显,在啮合频率处伴有明显的边频带。研究结果为齿轮系统转子裂纹故障的监测与诊断提供了理论基础。     

波动负载对齿轮系统振动特性及边频调制影响研究

齿轮传动系统在工作时常承受复杂多变的外部波动载荷,导致轮齿啮合特性和系统振动响应频率特征复杂。基于时变啮合刚度的能量法合成模型,建立考虑系统扭振和横振响应影响的时变啮合刚度动态修正模型。建立单级齿轮传动系统的弯扭耦合模型,用Newmark法求解系统的振动响应。利用啮合刚度动态修正模型和齿轮系统弯扭耦合模型,通过数值算例分析波动负载对啮合刚度和系统振动响应的影响。结果表明,在波动负载作用下,啮合刚度和系统振动响应均存在明显的以波动负载频率为调制频率的边频调制现象,且被调制的中心谐波频率越高,调制现象越明显;外部波动负载的幅值越大,啮合刚度和系统振动响应的调制现象越明显,且当波动负载幅值较小时,表现为窄带调频和调幅的叠加,啮合频率两侧仅各有一条明显的边频谱线。     

含齿面剥落缺陷影响的共轴对转轮系振动特性分析

针对某型无人直升机共轴对转主减齿轮箱设计,采用集中参数法建立该齿轮箱中多级斜齿轮传动系统25自由度动力学模型,模型中考虑了时变啮合刚度、轴承支承刚度、传动轴扭转刚度以及啮合误差的影响。分析了输入转速和高速级齿轮齿面剥落缺陷尺度、位置对传动系统动态特性的影响规律。研究表明,上下旋翼轴齿轮副动态啮合力波动较大,上旋翼轴齿轮副动态啮合力波动幅度是下旋翼齿轮副的1.7倍;随着转速增大,各级齿轮副动态响应中的2倍输入级啮合频率的幅值提升最显著;当高速级齿轮齿面出现剥落缺陷,啮合频率附近会出现边频带,振动冲击随着缺陷尺寸的增大而增大;在不同的缺陷位置中,位于双齿啮合区与三齿啮合区交界位置,缺陷产生的振动冲击幅值最大。研究结论为无人直升机共轴对转主减齿轮箱的减振降噪,故障诊断提供了理论参考。     

多轴系耦合作用下齿轮系统转子裂纹故障的振动特性研究

为了探究多轴系耦合齿轮系统中的转子裂纹故障与单轴系转子裂纹故障振动响应特性的异同点,基于Jones轴承建模理论,建立滚动轴承的拟静力学模型;利用Timoshenko梁单元建立传动轴的有限元模型;考虑时变啮合刚度、齿轮传递误差、陀螺效应等因素,利用集中参数法建立齿轮副的动力学模型。将轴承、传动轴与齿轮副模型进行集成,建立齿轮系统非线性动力学模型;利用能量释放率理论与应力强度因子为零法分析裂纹转子单元的呼吸效应,利用Newmark-β数值积分法对转子裂纹故障进行动力学仿真,研究转子裂纹故障的振动响应特征。结果表明:与单轴转子系统转子裂纹的振动响应特征不同,当齿轮系统发生转子裂纹故障时,由于齿轮啮合的引起的耦合效应及转子裂纹引起的呼吸效应,时域响应表现出明显的幅值调制现象,频域中转频及其2倍频幅值增加明显,在啮合频率处伴有明显的边频带。研究结果可为齿轮系统转子裂纹故障的监测与诊断提供理论基础。     

虚拟仪器与传感器融合在齿轮监测中的应用研究

目的研究印刷机齿轮在高速印刷时的振动状况。方法借助Labview软件为平台开发印刷机齿轮振动在线检测仿真系统,并结合虚拟仪器和传感器融合技术,研究印刷机的振动状况。结果通过仿真系统得出原始齿轮振动信号中的啮合频率受转频2倍频(23.6Hz)和3倍频(34.69Hz)调制。结论虚拟仪器与传感器信息融合技术可以监测到印刷机在高速印刷时的振动状况,并通过相关特征波形提取分析,实时检测到齿轮磨损、断齿故障。     

裂纹故障对行星齿轮传动系统动力学特性的影响

针对行星传动装置动态特性复杂、故障率高的问题,拟从动力学角度探索行星传动系统的故障机理。采用改进能量法,仿真分析正常与含裂纹齿轮时变啮合刚度,考虑时变啮合参数影响,运用集中参数法建立了行星齿轮传动系统动力学模型;求解得到了正常与含故障齿轮传动系统动态响应,并对比分析了裂纹故障对动力学特性的影响;通过台架实验,分析了裂纹故障对齿轮动态响应的影响,结合小波分析与EEMD方法对齿轮振动信号进行频谱分析,并对比分析了正常与故障齿轮的频域特性差异,揭示了行星齿轮传动系统的故障机理。研究表明:所建立的动力学模型精度较高,能够很好地描述含故障齿轮传动系统的动力学特性;由于裂纹故障引起传动系统振动的调制效应,导致在齿轮啮合频率附近出现明显边频带,故障齿轮箱的振动能量主要集中在高频段。     

传动箱齿轮和轴故障的振动诊断方法的研究

齿轮失效和轴弯曲是常见的机械设备故障，特别是安装齿轮的轴弯曲故障更需要认真研究。本文讨论了激振能量对这些故障产生的振动调制现象的影响，指出齿轮啮合频率调制、齿轮固有频率调制和传动箱固有频率调制三种不同的调制现象是由于激振对量不同而产生的，提出了相应振动诊断方法并成功地运用到几个实例中。     

基于接触有限元的斜齿轮副啮合动态响应及频谱特性分析

基于ABAQUS商业有限元软件,采用三维接触有限元方法,建立考虑轴及轴承刚度的一对斜齿轮副-轴-轴承系统动态啮合有限元模型。分析齿轮副在仅释放从动轮旋转自由度、释放从动轮所有自由度、在从动轮中心施加轴向静推力3种工况下的啮合动态响应。对响应中的角速度、角加速度、法向动态接触力开展频域特征分析,相较于现有研究获得详细的频谱特性、幅值特性。研究结果表明,考虑轴与轴承刚度后,齿轮副的振动响应加剧;响应的频域中呈现以啮合频率为载波频率、以从动轮转频及其倍频为调制频率的调制现象。     

含裂纹故障的齿轮系统动力学特性研究及其故障特征分析

考虑齿轮的时变啮合刚度、传动误差和轴承支撑刚度的影响,建立含齿根裂纹故障的齿轮系统多自由度力学模型,基于动力学方法对其故障机理进行研究。通过材料力学的方法计算齿轮在正常和含裂纹两种情况下的啮合刚度,对比两种刚度曲线的变化趋势,便于进行精确的动力学特性分析;对建立的模型求解系统的动态响应,结果表明当齿根存在裂纹时,其时域波形中会出现周期性的冲击现象,频谱中在啮合频率的基频及其倍频等地方形成一系列等间隔的边频谱线,其间隔大小等于故障齿轮的转频;这些边频成分幅值较低,能量分散且分布不均匀,在不同频带的幅值大小存在差异。针对上述特点,通过正交小波包方法对信号的频带进行分解,应用倒频谱分析各子频带信号的边频成分;结果表明,该方法能够有效的提高信号的信噪比,有助于识别和提取信号中由裂纹故障引起的边频成分。     

基于混沌和取样积分技术的大型风电增速箱早期故障诊断

针对风力发电机组增速箱早期故障振动信号被噪声调制污染,信噪比低,难以识别问题,根据增速箱振动信号的特点,提出基于混沌和取样积分技术结合的早期故障诊断方法。采用取样积分技术提高混沌振子对增速箱振动故障信号的检测门限,利用混沌振子相图变化及lyapunov指数确定增速箱齿轮啮合频率边频带及三倍频信号状态变化,从而对齿轮早期故障进行判断。通过对某风场1.5WM风力机增速箱实验,证明该方法有效。     

边带特征在齿轮箱故障识别中的应用

当齿轮箱存在某些故障时，由于故障信号对某一特征信号的调制作用，会在其频谱图上产生以特征频率为中心，以故障的旋转频率为间隔的边频带。因此可以利用信号的频谱图的边频带对机械故障进行诊断及故障部位识别。结合实例证明，此方法能够有效地反映机械故障产生的原因，从而达到对齿轮箱进行故障诊断的目的。     

振动调频信号的时延二次变换解调研究

调频信号在频谱上具有与调幅信号相同的频率分布特征，然而，轴承和齿轮故障诊断中常用的解调方法却只适用于调幅信号，不能分析调频信号。基于以上问题，从确定调频信号频率分量幅值的贝塞尔函数的性质出发，分析了平方解调法不能对调频信号进行解调的原因。分析过程中发现由于贝塞尔函数的一些特殊性质，使得常用的解调方法不再适用于调频信号。针对这个原理，本文提出利用时延二次变换（信号与时延信号的乘积）打破调频信号边频分量的贝塞尔函数的特殊性，使得变换之后的信号中包含有调制频率，从而实现了对调频信号的解调。     

行星齿轮箱太阳轮故障动态啮合周期特性

与定轴齿轮箱相比,行星齿轮箱内部齿轮副复杂的相对运动所引发的振动响应更加复杂多样,因而对其关键部件进行故障诊断颇具挑战。当内部轮齿发生故障时,由于故障啮合位置的动态性引起传递路径的时变性,固定在系统箱体上的单个传感器观测到的故障信息强度亦将呈现不规则变化的独特性。若想恰如其分的利用这些故障信息实现简单而有效的诊断,需重点关注故障啮合位置的周期特性,而后基于该周期所观测的信号进行“统筹兼顾”的分析,便可突显出各类故障的差异性。该研究在深入研究行星齿轮系统内部齿轮副的运行规律的基础上,创新性的提出了确定太阳轮故障动态啮合位置周期的方法,并考虑了以下两种情况:行星轮各不相同;行星轮完全相同。基于上述两种情况分别推导出太阳轮和行星架所需的最小旋转圈数的一般性表达式,该表达式可用于计算齿圈固定型的行星齿轮箱中的太阳轮故障啮合位置的运动周期。最后通过实验提出并验证了基于上述周期的故障诊断最小数据长度。     

基于复解析小波变换的瞬时频率分析方法

提出了利用基于复解析小波变换的瞬时频率分析的新方法。复解析小波变换将Hilbert变换与小波分析紧密结合在一起，具有自适应分析能力。对信号作复小波解析变换得到信号的瞬时频率，通过瞬时频率的功率谱分析就可提取信号特征。通过对齿轮故障振动信号的分析，表明该方法能有效地诊断齿轮局部故障，且与传统的频域方法相比具有更好的分析效果。     

Detection and Advancement Monitoring of Distributed Pitting Failure in Gears

Conventional methods (i.e. time, frequency and cepstrum) can routinely be used to reveal fault-indicating information in the vibration signal. In recent years, Wavelet analysis, which can lead to the clear identification of the nature of faults, are widely used to describe machine condition. Capability of this method in the detection of any abnormality can be further improved when its low-order frequency moments are considered. This paper presents the use of vibration-based techniques in the early detection and advancement monitoring of distributed pitting fault. The pits were seeded on all of the gear tooth surfaces in differing degrees of severity, and intended to replicate the pitting damage due to misalignment. With each fault severity, the helical gears were tested and the resulting vibration data were recorded. The application of employed vibration-based methods (i.e. time, frequency, cepstrum, and wavelet transform: scalogram and its mean frequency variation) to each set of experimental data are presented. It has been found that presence of pitting fault cannot be clearly revealed by the conventional unless fault severity is significantly large. In contrast, the scalogram and especially its mean frequency variation provide early indications of presence and progression of pitting faults in gears even when the fault severity is considerably smaller.     

齿轮传动系统的非线性冲击动力学行为分析

主要研究在考虑时变刚度和摩擦时,轮齿间隙及载荷参数对齿轮系统冲击动力学响应的影响,首次研究了齿轮传动非线性动力学的脱啮冲击、周期解的形成过程及对应的非光滑系统冲击中出现的切分岔行为。含时变参数系统的解析求解非常困难,本文根据间隙函数,将相平面划分为三个区域并构建了与之相对应的Poincare映射,结合谐波平衡法及序列二次规划方法求得了区域 和 内的解,利用数值仿真的方法分析了载荷参数、初始条件等因素对齿轮冲击响应的影响,本文研究表明： 1)随着常量载荷 的增大,脱齿运行的时间减小,且啮合冲击的速度也逐渐减小,齿轮的运动也相对平稳,同时出现切分岔的初始速度的绝对值迅速增大;2) 随着载荷波动分量 的增大,脱齿运行的时间减小,但是啮合冲击的速度也相应的有所增大,轮齿间冲击的冲击比较剧烈&;#61472;。     

Dynamic features of three-dimensional helical gears under sliding friction with tooth breakage

Mass eccentric and mesh stiffness variation induced by tooth breakage will change the dynamic features of helical gears. However, the internal excitation in helical gears under sliding friction with tooth breakage is seldom considered to reveal the dynamic features. In this study, the calculation method of mesh stiffness in helical gears with tooth breakage is proposed based on the time-varying contact line. A three-dimensional analytical helical gear pair model is developed by considering the mass eccentric and mesh stiffness induced by tooth breakage with sliding friction. The effects of tooth breakage on the dynamic responses of helical gears are performed. The results show that the amplitude modulation phenomenon emerged in the dynamic transmission error by considering the mass eccentric caused by tooth breakage. The oscillation of the dynamic response change significantly in the tooth breakage area, especially with the growth of the breakage size. Sliding friction plays a certain role in inhibiting the amplitude of the frequency. Tooth breakage results in the presence of rotational frequency and sidebands around mesh frequency and its harmonics. The rotational frequency increases significantly by considering the mass eccentricity due to tooth breakage defect.