基于同步位域运动误差的齿轮故障诊断技术

摘要

齿轮传动由于其传动准确、可靠、效率高以及齿轮传递的功率和速度范围大等优点，在现代机械中应用广泛。齿轮故障会严重影响传动可靠性，对其进行诊断和预知十分有必要。电机驱动诊断法是新的研究热点，其中的时频域方法多适用于稳态转速下的诊断，且需要较大的数据量，而针对实际工况中频繁加减速过程，该类方法存在应用局限性。针对此问题，本文提出了同步位域运动误差诊断法。
　　首先讨论了运动误差的含义与诊断机理，分析了在变速情况下传统时频域方法的失效原因，并对比分析了两种方法在稳态与暂态下的诊断效果。设计了一种基于状态反馈的级联观测器，用于对驱动侧输入轴矩与运动误差进行观测。通过所设计观测器仅需相应电机驱动系统控制算法即可完成对传动系统运动误差的有效观测，而无需增加负载侧传感器，大幅度减小了诊断成本。研究了状态反馈增益系数对观测器性能的影响，得出两个增益系数分别与观测器稳定性与带宽相关的结论。
　　然后提出了一种位域下的信号重采样技术，结合时域下的运动误差信号与位置信号完成了位域下运动误差信号的重构，并通过三次样条插值算法提高了信号采样率。为了减小噪声对诊断效果的影响，对重构后的信号采用了同步平均方法来提高信噪比，更有利于故障的诊断。
　　最后搭建了单级齿轮传动的实验平台，在平台上进行了不同负载与突变负载情况下的观测器性能测试，结果证明所设计观测器能够很好地对轴矩变化进行跟踪。在稳态速度与非稳态速度下采集了位置信息与运动误差信号，并以离线的方式完成了信号的重采样过程。通过实验结果说明了位域下的运动误差方法能够解决稳态速度与时变速度下的齿轮故障诊断的问题，并且建立了故障的位置分布图，非常直观地表现出了故障类型与分布,将非常有利于对故障的诊断与设备的维护。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的与意义

1.2 国内外该方向的研究及发展现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 单级齿轮传动系统建模及机理分析

2.1 交流永磁同步电机控制系统建模

2.2 单级齿轮传动系统模型

2.3 利用运动误差进行诊断的机理分析

2.4 仿真验证

2.5 本章小结

第3章 传统MCSA法与KE法对比研究

3.1 时频域下MCSA诊断方法

3.2 位域下KE诊断方法

3.3 本章小结

第4章 运动误差观测器设计

4.1 运动误差级联观测器结构

4.2 运动误差级联观测器仿真

4.3 本章小结

第5章 位域信号重采样技术

5.1 信号重采样在故障诊断中的应用

5.2 运动误差信号的重构

5.3 运动误差信号的插值

5.4 运动误差信号的同步平均处理

5.5 本章小结

第6章 同步位域运动误差齿轮故障诊断实验

6.1 实验平台

6.2 实物平台轴矩观测器性能验证

6.3 同步位域运动误差诊断效果测试

6.4 关于本课题研究中发现的问题

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢