滚动轴承复杂运动及其表面损伤故障诊断方法研究

摘要

滚动轴承是旋转机械中应用最为广泛的机械零部件之一。表面损伤故障是滚动轴承故障中比较常见且危害较大的故障，因此需要研究准确且有效的诊断方法。本文以转子动力学、Hertz接触理论和非线性动力学理论为基础，针对滚动轴承表面损伤故障，建立了具有表面损伤故障的滚动轴承—转子系统的动力学模型，将小波理论、分形理论应用于该类故障的诊断，分析了滚动轴承径向受载时的复杂运动，并验证了其合理性。本文工作主要有以下四部分： 一、通过Fourier变换和小波变换实例比较，说明小波变换在处理瞬态信息较传统方法的优势。应用小波变换对铁路货车197726型滚动轴承实测振动信号进行降噪，效果十分明显。引入小波包频带能量分析，通过对比小波变换和小波包变换分解信号的结构和在各尺度频带的分布，指出了小波包变换在频带能量分析中的优点。研究基于小波包分解的“能量—故障”诊断模式用于滚动轴承表面损伤故障诊断，表明该方法是可行性的。 二、利用分形维数对系统的状态进行定量描述。由于滚动轴承在不同工作状态下，信号的关联维数有明显区别，因此关联维数可以作为滚动轴承的故障特征向量。 三、应用非线性动力学理论，考虑滚动轴承中的非线性接触力，建立了滚动轴承径向受载的动力学模型，并进行数值仿真。利用相图、分叉图、庞加莱映射图、分形维数等判断混沌特征方法研究了系统随转速和阻尼的分叉和混沌运动规律。 四、建立了具有表面损伤故障的滚动轴承—转子系统的动力学模型，针对系统在该故障下出现冲击等瞬态信息，利用小波变换对外圈损伤、内圈损伤和滚动体损伤三种情况下的振动信号进行奇异性检测，得出了此类故障的特征。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1问题的来源与意义

1.2机械故障诊断技术的研究内容、现状及发展趋势

1.2.1机械故障诊断技术的研究内容

1.2.2机械故障诊断技术的国内外研究现状

1.2.3机械故障诊断技术发展趋势

1.3滚动轴承故障诊断的研究进展

1.3.1滚动轴承故障诊断的复杂运动研究

1.3.2小波变换在滚动轴承故障诊断中的应用

1.3.3分形理论在滚动轴承故障诊断中的应用

1.4本文的主要工作和创新点

1.4.1本文的主要工作

1.4.2创新点

第二章基于小波理论的滚动轴承故障诊断

2.1小波变换的基本理论

2.1.1连续小波变换的定义

2.1.2小波及小波变换的特性

2.2小波变换在滚动轴承故障诊断中的应用

2.2.1奇异信号检测

2.2.2信号降噪

2.3小波包分析

2.3.1小波包频带分析技术

2.3.2小波包频带能量分析在滚动轴承故障诊断中的应用

2.4本章小结

第三章基于分形理论的滚动轴承故障诊断

3.1分形理论简介

3.1.1分形与分形维数

3.1.2关联维数的计算

3.2基于关联维数的滚动轴承故障诊断

3.2.1试验

3.2.2结果分析

3.3本章小结

第四章滚动轴承复杂运动研究

4.1混沌理论、发生途径与研究方法

4.1.1混沌的基本观点

4.1.2通往混沌的途径

4.1.3研究混沌的方法

4.2滚动轴承的动力学模型

4.2.1滚动轴承的动力学分析

4.2.2参数选择及数值积分

4.3滚动轴承中的混沌

4.3.1以转速为控制参数的系统运动

4.3.2以阻尼为控制参数的系统运动

4.4本章小结

第五章滚动轴承表面损伤故障诊断研究

5.1滚动轴承的振动机理

5.1.1轴承本身结构特点及加工误差引起的振动

5.1.2轴承运行故障引起的振动

5.2滚动轴承故障特征频率计算

5.3表面损伤故障的滚动轴承动力学模型

5.3.1外圈单点损伤故障动力学模型

5.3.2小波变换在外圈损伤故障信号奇异性检测中的应用

5.3.3内圈单点损伤故障动力学模型

5.3.4小波变换在内圈损伤故障信号奇异性检测中的应用

5.3.5单个滚动体单点损伤故障动力学模型

5.3.6小波变换在滚动体损伤故障信号奇异性检测中的应用

5.4本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文