试述齿轮箱基于多尺度线调频小波路径追踪机械故障诊断策略

论文导读：
摘要：机械设备的状态监测与故障诊断对于保证设备的安全、可靠、高效运转具有重要的论述作用和实用价值。通过采取各种信号处理策略以机械设备故障振动信号中提取故障特点信息,是机械设备故障诊断的关键。机械故障振动信号通常为非平稳振动信号,选择合适的非平稳信号浅析策略是有效诊断机械故障的前提。变转速条件下,以等时间间隔拾取的齿轮振动信号通常为低信噪比的多分量非平稳信号,这使得采取目前常用的信号处理技术以中提取故障特点信息非常困难。另一方面,转子发生碰摩故障的早期阶段,故障特点信号非常微弱,常淹没于强大的工频背景信号中,使得故障难以实现早期检测。多尺度线调频小波路径追踪(Multi-scale Chirplet Path Pursuit, MCPP)策略是近年来提出的一种自适应的非平稳信号浅析策略,该策略具有自适应匹配浅析信号中能量最大的信号分量并准确估计其瞬时频率的能力,适合用于浅析频率呈大范围变化的非平稳振动信号,由此可用于解决变转速下齿轮振动信号故障特点难以提取以及转子早期碰摩故障特点难以检测的不足。论文在国家自然科学基金项目(项目编号：50875078)和高等学校博士学科点专项科研基金项目(项目编号：20090161110006)的资助下,将MCCP策略引入旋转机械故障诊断中,深入探讨了MCPP策略在变转速齿轮故障诊断及转子碰摩故障早期检测中的运用。论文主要探讨工作和革新性成果有：(1)针对升、降速状态下拾取的齿轮振动信号具有非平稳性,频谱浅析将产生频谱模糊,且不具有物理作用的不足,浅析了FrFT策略用于处理升、降速状态下拾取的齿轮振动信号的可行性及有着的不足,提出基于MCPP与FrFT的升、降速齿轮故障诊断策略,该策略采取MCPP策略以升、降速阶段获得的齿轮振动信号中提取适合采取FrFT浅析的齿轮振动信号段,并估计FrFT的最佳浅析阶次,以而实现FrFT在升、降速阶段齿轮故障诊断中的运用。(2)针对变转速下齿轮振动信号的调制边频带会随转速变化而变化,使得解调浅析变得非常困难的不足,将MCPP策略用于齿轮转速估计,以实现齿轮振动信号的阶比浅析；针对工程实际中获取的齿轮振动信号信噪比低的特点,将多尺度形态学浅析这一具有良好抗噪性能的策略运用于齿轮振动信号浅析,提出基于MCPP策略的多尺度形态学解调策略,探讨表明该策略适合用于低信噪比非平稳振动信号的解调浅析。(3)针对齿轮发生故障时,由于有着噪声与调制现象,振动信号体现出一定的非线性和非高斯性,使得其状态难以准确判断的不足,将双谱浅析和MCPP策略相结合,提出了基于MCPP的阶比双谱浅析策略,并将其运用于诊断变转速状态下的齿轮故障。实验探讨表明,该策略能正确区分不同状态的齿轮。(4)合理设置频率偏置搜寻范围和调频率搜寻范围是MCPP策略成功运用的关键,针对如何合理设置频率偏置搜寻范围和调频率搜寻范围的不足,提出了基于奇异值分解(Singular Value Decomposition)的MCPP策略,该策略将SVD策略用于振动信号预处理,以预处理后信号的Winger-ville分布时频图上得到对振动信号频率偏置范围及调频率范围的估计,有效解决了MCPP策略中频率搜寻范围和调频率搜寻范围的合理设置不足。(5)针对转子发生碰摩故障的早期阶段,故障特点信号非常微弱,容易被强大的工频信号所淹没的不足,将基于MCPP与信号稀疏分解的多尺度线调频基稀疏信号分解(Multi-scale Chirplet Sparse Signal Decompositon, MCSSD)策略用于转子早期碰摩故障检测,提出了基于MCSSD的转子碰摩故障早期检测策略。仿真和实验浅析验证了基于MCSSD的转子碰摩故障早期检测策略的有效性和优越性。MCPP策略能以具有线性频率的chirplet原子逐段自适应匹配浅析信号中能量最大的信号分量并准确估计其瞬时频率,根据MCPP策略的这一性质,本论文针对变转速条件下拾取的齿轮振动信号具有低信噪比、非平稳、非线性、非高斯等特点,将MCPP策略分别与FrFT、多尺度形态学浅析、双谱浅析、SVD策略相结合,运用于变转速条件下的齿轮故障诊断。仿真浅析和运用实例表明：将MCPP策略与FRFT、多尺度形态学浅析等信号处理策略相结合,可实现各种信号处理策略的优势互补,能有效诊断变转速条件下的齿轮故障。论文导读：轮箱振动信号转速提取52-562.5本章小结56-57第3章基于MCPP与FrFT的升降速齿轮故障诊断策略57-663.1引言57-583.2基于FrFT的齿轮振动信号幅值解调58-593.3MCPP与FrFT相结合的齿轮故障诊断原理593.4仿真信号浅析59-623.5实测齿轮振动信号浅析62-643.6本章小结64-66第4章基于MCPP的阶比多尺度形态学解调策略66-794.1引
本论文还针对转子早期碰摩故障特点微弱而难以检测的不足,将基于MCPP与稀疏信号分解的MCSSD策略运用于转子碰摩故障早期检测,仿真浅析和运用实例验证了MCSSD策略运用于转子碰摩故障早期检测的有效性。关键词：多尺度论文线调频小波路径追踪论文稀疏信号分解论文双谱浅析论文多尺度形态学浅析论文分数阶傅里叶变换论文奇异值分解论文齿轮箱论文故障诊断论文
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Abstract7-14
插图索引14-19
插表索引19-20
英文缩写对照表20-21
第1章 绪论21-40

1.1 课题探讨的背景和作用21

1.2 变转速旋转机械故障诊断探讨近况21-23

1.3 转子碰摩故障检测探讨近况23-24

1.4 信号处理技术在旋转机械故障诊断中的运用综述24-33

1.4.1 时域信号处理技术25

1.4.2 频域信号处理技术25-27

1.4.3 时频联合域信号处理技术27-33

1.5 多尺度线调频小波路径追踪策略33-35

1.6 本论文探讨思路与主要探讨内容35-40

1.6.1 本论文探讨思路35-36

1.6.2 本论文的探讨内容及章节安排36-40

第2章 多尺度线调频小波路径追踪策略40-57

2.1 引言40

2.2 MCPP策略的论述浅析与算法实现40-46

2.1 多尺度chirplet原子和chirplet图40-42

2.2 检测统计42-43

2.3 最佳路径统计43-44

2.4 最佳路径追踪策略44-46

2.3 仿真算例46-50

2.4 齿轮箱转速信号提取50-56

2.4.1 模拟齿轮箱振动信号转速提取51-52

2.4.2 实测齿轮箱振动信号转速提取52-56

2.5 本章小结56-57

第3章 基于MCPP与FrFT的升降速齿轮故障诊断策略57-66

3.1 引言57-58

3.2 基于FrFT的齿轮振动信号幅值解调58-59

3.3 MCPP与FrFT相结合的齿轮故障诊断原理59

3.4 仿真信号浅析59-62

3.5 实测齿轮振动信号浅析62-64

3.6 本章小结64-66

第4章 基于MCPP的阶比多尺度形态学解调策略66-79

4.1 引言66-67

4.2 多尺度形态学及其计算67-68

4.3 基于MCPP的多尺度形态学解调68-70

4.4 仿真信号浅析70-74

4.5 实测齿轮故障振动信号浅析74-77

4.5.1 断齿齿轮振动信号浅析74-76

4.5.2 裂纹齿轮振动信号浅析76-77

4.6 本章小结77-79

第5章 基于MCPP的阶比双谱浅析策略79-89

5.1 引言79

5.2 双谱浅析79-80

5.3 基于MCPP的阶比双谱浅析原理80-81

5.4 仿真信号浅析81-83

5.5 实测齿轮振动信号浅析83-88

5.6 本章小结88-89

第6章 基于SVD的MCPP策略89-100

6.1 引言89

6.2 基于SVD的一维信号处理策略89-90

6.3 基于SVD的MCPP策略及其在变转速齿轮故障诊断中的运用90

6.4 实测齿轮振动信号浅析90-99

6.5 本章小结99-100

第7章 基于MCSSD的转子碰摩故障早期检测策略100-116

7.1 引言100

7.2 MCSSD策略100-108

7.3 基于MCSSD分解的转子碰摩故障早期检测策略108-115

7.

3.1 转子碰摩故障早期检测原理108-109

7.

3.2 仿真信号浅析109-111

7.

3.3 实测信号浅析111-115

7.4 本章小结115-116
结论与展望116-119
参考文献119-133
致谢133-134
附录A 攻读学位期间发表和录用的论文目录134-135