基于时、频域-小波分析与神经网络方法的齿轮箱故障诊断研究

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1、太原理工大学硕士研究生学位论文障。随着设备的不断大型化、复杂化、自动化和连续化，齿轮箱的故障和失效给整个生产和社会造成的损失将越来越大，飞行中的飞机和航行中的舰船上的齿轮箱故障往往直接导致人身伤亡事故；而化工行业的压缩机组、钢铁工业的轧辊机组、建材等行业中一些设备中所用齿轮箱处于连续工作状态，意外的齿轮箱故障造成的严重设备事故和重大经济损失十分惊人。因此齿轮箱故障诊断的研究对检测和预防齿轮箱故障的发生有很大的意义。齿轮箱故障诊断中的信号分析和故障特征参数都比较复杂，而现场人员大多不会看谱图，不理解时域、频域分析原理，很难对齿轮箱故障进行有效诊断。如果能实现对箱齿轮箱故障的智

2、能诊断，而不要求操作人员具备太多专业知识，那么将大大提高故障诊断效率，从而减少突发故障的发生，提高维修的质量，创造巨大的经济效益。因此，本课题的研究有着深远的理论意义和较大的实用价值。1．2齿轮箱故障诊断的现状及发展1．2．1齿轮箱故障诊断的特点齿轮箱故障诊断一般包括三方面的内容：(a)、故障机理研究。故障机理研究就是要揭示故障的内在规律，发现故障发生和其外在表现的必然联系。(b)、状态监测。状态监测的任务就是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种监测、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对设备运行状态进行评估，判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和

3、记录，对异常状态进行报警，以便运行人员及时加以处理，并为设备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和基本数据。(c)、故障诊断。这是最关键和最重要的部分。故障诊断的任务就是根据状态监测所获得的信息，结合已知的结构特性、参数以及环境条件，再结合该设备的运行历史(包括运行记录和曾发生过的故障及维修记录等)，对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报、分析和判断，确定故障的性质、类别、程度、原因和部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发展和消除故障的对策措施，并加以实施，最终使设备恢复到原有的正常状态。齿轮箱故障诊断一般分四个步骤实施，分别为：信号检测

4、、特征提取(信号处理)、状态识别和诊断决策【4】。其具体内容为：(1)信号检测：根据齿轮箱的工作环境和性质，选样并测取能够反映齿轮箱工作情况或状态的信号，这种信号称为原始信号；’2太原理工大学硕士研究生学位论文(2)特征提取：将原始信号进行信号分析和处理，提取反映齿轮箱状态的有用信息(特征)，形成待检模式；(3)状态识别：将待检模式与样式模式(故障档案)对比和状态分类，判断齿轮箱是否工作正常或者说有无故障；(4)诊断决策：根据判别结果采取相应对策，对齿轮箱及其工作进行必要的预测和干预，减少故障所造成的损失。关于齿轮箱故障诊断的方法，传统上人们主要根据监视与诊断所采用的状态量

5、来分类，即按照测取信号的性质来分类。按照这一分类方法，目前常用的齿轮箱故障诊断有以下几种方法15～。温度法：通过监测箱体轴承座处的温度来判断齿轮箱工作是否正常。温度检测对齿轮箱齿轮载荷、轴承速度和润滑情况的变化反映比较敏感，尤其是对润滑不良而引起的轴承过热现象很敏感。但是，当齿轮箱中齿轮或轴承出现诸如早期点蚀、剥落等比较微小的故障时，温度检测基本上没有反映，只有当故障达到一定的严重程度时，用此方法才能检测到。。．油样分析法：是一种从齿轮箱所使用的润滑油中取出油样，通过收集和分析油样中金属颗粒的大小和形状来判断齿轮箱状态的方法。这种方法易受其他非齿轮箱损坏掉下的颗粒的影响。所

6、以，这种方法具有很大的局限性。振动法：通过安装在箱体适当方位的振动传感器检测齿轮箱振动信号，并对此信号进行分析与处理来判断齿轮箱状态。由于振动法具有①适用于各种类型各种工况的齿轮箱；②可以有效地诊断出早期微小故障；③信号测试与处理简单、直观；④诊断结果可靠等优点。所以在实际中得到了极为广泛的应用。1．2．2齿轮箱故障诊断的方法1．2．2．1时域法在信号处理与分析中，有两种最基本的信号表达形式：时域形式和频域形式。以时间作为变量，写出信号数学表达式或画出信号的波形，就是信号的时域形式川。从信号的时域描述，可分辨出信号的一些特征，如信号变化的快慢，信号幅值的范围，信号的连续性和

7、离散性等。时域分析方法中应用较多的分析方法有：时域波形分析、时域参数指标等几类方法。3U太原理工大学硕士研究生学位论文时域波形分析有直观、易于理解等特点。由于是原始的信号，所以包含的信息量大，对于某些有明显特征的故障，可以利用时域波形作初步和直观的判断。对时域波形的观察可以得到信号频率成分的复杂性；振动信号幅值的变化性和信号中有无明显冲击和调制成分。机械故障诊断中常用的时域参数指标有：峰值，均值，均方根值，波形指标，脉冲指标，峭度指标和裕度指标等。这些时域指标的特点是：对故障和缺陷足够敏感，对信号的幅值和频率不敏感