基于SIMPACK仿真的城轨列车齿轮箱故障诊断研究

摘要

城市轨道交通是一种重要的公共交通方式，其运营安全与否对于人们的生命财产来说至关重要。而齿轮箱是城轨列车的重要组成部件，也是易于发生故障的一个部件，其运行状态直接关系到城轨列车的运营状态。因此对轨道交通齿轮箱故障诊断进行研究，从而实现齿轮箱由事后维修、定期维修到视情维修（状态修）的根本转变，具有重大的意义。现有的对齿轮箱故障诊断的研究都是基于实验平台的，但是该方法存在投入资金大、适用范围窄、可以实现的齿轮箱故障仿真的形式和故障仿真的程度严重受限等缺点。为了弥补现有研究方法的不足，本文首次采用了基于SIMPACK多体动力学软件仿真的方法来研究城轨列车齿轮箱的故障诊断。基于SIMPACK的齿轮箱故障仿真不仅可以实现用于不同机械设备的齿轮箱的故障仿真，而且其可以仿真的故障类型及故障程度多样，可以根据实际需求来研究各种各样的齿轮箱故障。
　　本文对城轨列车齿轮箱的典型故障进行了仿真建模，利用时、频域分析及小波包分析法对齿轮箱各种故障的检测进行研究，分析结果证明了基于SIMPACK齿轮箱故障检测的可行性及可靠性。同时，本文还研究了各故障信号的时、频域特征提取方法，利用SVM算法实现了各种故障的分离。这对实现轨道交通齿轮箱的状态监测和故障诊断具有重要的参考价值。
　　本论文的具体研究工作如下。
　　(1)介绍了齿轮箱系统中各零部件的主要失效形式及齿轮箱系统主要的故障类型，并且着重分析了齿轮的振动机理以及齿轮的振动特征频率。
　　(2)利用SIMPACK多体动力学软件实现了对城轨列车齿轮箱系统的建模仿真，并验证了模型的正确性及可靠性。在此基础上，对齿轮箱系统的几种典型故障进行了仿真建模，即齿轮均匀磨损、轴不对中以及轴轻度弯曲。其中，针对轴轻度弯曲故障类型的特殊性重点介绍了齿轮箱弹性体建模。
　　(3)介绍了时、频域分析方法的理论基础，并将其应用到齿轮箱的故障分析中，即对仿真的各故障信号进行了分析、处理。总结了各故障形式的信号在时、频域的特征，分析结果证明了该方法的可行性及有效性。
　　(4)介绍了小波包分析方法的理论基础，并研究了该方法在齿轮箱系统故障诊断的应用，利用该方法对正常信号与故障信号进行了对比分析，从而获得了故障信号的特点。
　　(5)系统地介绍了SVM算法的理论基础以及其在故障分离中的应用，并将该算法应用到齿轮箱的故障分离中。采用时、频域及无量纲的特征值作为输入，分离结果表明了该方法在齿轮箱的故障分离中的可行性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．1．1 故障诊断学概述

1．1．2 齿轮箱故障诊断

1．1．3 齿轮箱故障诊断方法研究

1．2 齿轮箱故障诊断国内外研究现状

1．3 本文的主要研究内容

2 齿轮箱主要故障及齿轮振动机理

2．1 齿轮箱中各零部件的主要失效形式

2．1．1 齿轮的常见失效形式

2．1．2 轴的常见失效形式

2．1．3 滚动轴承的常见失效形式

2．2 齿轮箱系统故障的主要形式

2．3 齿轮振动机理分析

2．3．1 齿轮的基本振动分析

2．3．2 齿轮的振动特征频率计算

2．4 本章小结

3 SIMPACK城轨列车齿轮箱建模及故障仿真

3．1 SIMPACK软件介绍

3．1．1 SIMPACK概述

3．1．2 SIMPACK软件的特色

3．1．3 SIMPACK建模定义的要素

3．1．4 SIMPACK弹性体建模

3．2 地铁齿轮箱建模

3．2．1 SIMPACK地铁齿轮箱建模

3．2．2 SIMPACK地铁齿轮箱的故障仿真形式及其实现

3．3 本章小结

4 齿轮箱振动信号的时、频域分析

4．1 齿轮箱振动信号的时域分析理论

4．2 齿轮箱振动信号的时域分析

4．2．1 齿面均匀磨损

4．2．2 轴不对中

4．2．3 轴轻度弯曲

4．3 齿轮箱振动信号的频域分析理论

4．3．1 傅里叶分析

4．3．2 频域特征值

4．4 齿轮箱振动信号的频域分析

4．4．1 齿面均匀磨损

4．4．2 轴不对中

4．4．3 轴轻度弯曲

4．5 本章小结

5 小波分析

5．1 小波分析理论简述

5．1．1 小波分析

5．1．2 多分辨率分析

5．2 小波包分析

5．3 小波包分析在齿轮箱故障诊断中的应用

5．4 本章小结

6 基于支持向量机的故障分离方法

6．1 支持向量机

6．2 SVM分类原理

6．3 SVM分类法在齿轮箱故障分类中的应用

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 工作总结

7．2 研究展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集