基于信息熵优化变分模态分解的滚动轴承故障特征提取

针对变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)的参数需事先人为确定的问题以及如何选取包含故障特征信息的本征模态分量(Intrinsic Mode Function,IMF)的问题,提出了基于信息熵的参数确定方法和基于信息熵的IMF选取方法。该方法首先对原始故障信号进行变分模态分解,通过信息熵最小值原则对其参数进行优化,获得既定的若干IMF分量;在优化参数时获得信息熵最小值所在的IMF,选取其为有效IMF分量进行包络解调分析,提取轴承故障特征频率。通过轴承仿真信号和实际数据分析,表明该方法能够提取滚动轴承早期故障信号的微弱特征,并实现故障的准确判别。

基于自适应MOMEDA与VMD的滚动轴承早期故障特征提取

轴承故障衍生早期,由于故障尺寸较小且易受环境噪声和信号衰减的影响,因此故障冲击信号往往非常微弱。变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)已经在轴承的故障特征提取中有一定的应用,但对于背景噪声较强时的滚动轴承的微弱故障提取效果并不理想。针对这一问题,将改进多点优化最小熵解卷积(Multipoint Optimal Minimum Entropy Deconvolution Adjusted,MOMEDA)与VMD相结合,研究了滤波器长度对MOMEDA效果的影响,提出基于进退法确定最优滤波器长度的自适应MOMEDA方法。利用自适应MOMEDA对信号降噪并避免传统MED迭代以及滤波后可能出现的虚假峰值。将自适应MOMEDA降噪后的信号使用VMD进行分解,然后依据谱峭度大小进行重构,对重构之后的信号进行故障特征提取,取得了较好的效果。最后通过实验验证了方法的可行性及有效性。

基于频移及谱线编辑的齿轮故障窄带解调分析方法

通过对旋转机械变速运行齿轮箱振动研究,提出基于频移及谱线编辑的齿轮故障窄带解调分析方法。对齿轮箱变速等非稳态信号进行时域同步采样,利用阶比跟踪对时域信号等角度重采样转换为角域准平稳信号,克服转速波动对信号分析产生的频率模糊现象;对角域信号进行同步平均削弱与转速无关的频率成分,提高信噪比;对平均信号进行窄带解调分析,通过对阶比谱自动编辑分离出齿轮故障主要啮合阶比分量后恢复到角域信号,进行幅值解调及基于频移的相位解调,据幅值解调及相位解调波形图提取齿轮故障特征。结果表明,基于频移、谱线编辑的齿轮故障窄带解调分析方法能有效提取齿轮故障特征信息。

基于角域加窗同步平均的太阳轮故障检测方法

行星齿轮箱广泛应用于风电机组等大型装备中,其振动特征提取在故障诊断领域有重要意义。但由于存在非平稳、调制、传递路径复杂、传递路径具有时变特性等特点,常规定轴齿轮箱的同步平均技术不直接适用。在原有行星齿轮箱加窗时域平均方法基础上提出一种适合时变传递路径及变速工况的角域加窗同步平均技术,从中提取有用信号同时降低传输路径的影响。由计算阶比跟踪对时域加窗振动信号进行等角度重采样,转换为角域准平稳信号,然后进行同步平均。将该方法对行星齿轮箱故障实测振动信号进行了分析,实验结果表明,所提出方法能够有效地提取行星齿轮箱太阳轮故障的特征信息。

基于声发射信号的滚动轴承外圈疲劳剥落故障双冲击特征提取

疲劳剥落是引起滚动轴承失效的主要原因。跟振动信号一样,当滚道出现疲劳剥落故障时滚动体在进入和退出剥落区时的声发射信号也存在对应的两类不同冲击特征,称为双冲击现象。对双冲击特征的提取可实现双冲击间隔的有效测量。声发射信号具有对早期故障敏感、不易受噪声干扰等优点。采用将两类特征分离处理的方法,将声发射信号中两类冲击特征分为两部分,通过AR模型和最小熵解卷积滤波增强故障特征信号,和基于复Morlet小波的谱峭度图算法提取优化解调频带对应的包络信号,对包络信号相加并进行双冲击间隔测量。实验研究表明,该方法能够有效地分离出滚动轴承外圈疲劳剥落故障声发射信号中的双冲击特征。

基于时变传输路径的太阳轮故障窄带解调分析方法

行星齿轮箱是风力机传动装置的重要组成部分,其振动特征提取在故障诊断领域具有重要意义。为此,提出了一种适合故障特征信号解调及时变传递路径的太阳轮故障窄带解调分析方法。利用Tukey窗对振动信号进行加窗处理;利用计算阶比跟踪对加窗信号进行等角度重采样,转换为准平稳角域信号,并进行同步平均;对加窗角域平均信号进行窄带解调分析,通过其阶比频谱编辑分离出太阳轮故障相关阶比分量后转换到角域信号,获取太阳轮故障特征及故障位置。试验数据分析结果表明,该方法能有效识别太阳轮故障特征信息。

水轮发电机定子机座有限元分析与尺寸优化

定子机座是水轮发电机中固定定子铁芯并支承上机架的重要部件,在结构设计中,应在保证其强度、刚度和动态特性的要求下,实现结构轻量化.以定子机座为研究对象,建立有限元模型,对强度、刚度和动态特性进行分析计算.基于结构尺寸优化设计方法,选择定子机座结构的板厚为设计变量,以正应力和刚度两种设计指标作为约束条件,对其进行以质量最小为目标的优化设计.采用复合形法进行寻优迭代,得到定子机座尺寸优化结果.轻量化设计后定子机座的最大应力及最大位移均在许用值范围内.模态分析表明:优化后结构的动态特性满足设计要求.轻量化设计使定子机座结构的质量减小了1890kg,减重率达24.2%,材料的潜力得到充分利用,实现了轻量化目标.优化结果在厂方的定子机座改进设计中得到应用,经满负荷运行及现场测试,其动力特性均满足要求.

基于共振区幅值-相位解调技术的早期齿轮齿根裂纹故障检测

常用齿轮故障诊断方法中窄带解调分析存在低频干扰的问题,共振解调分析不涉及相位调制信息。针对传统方法的不足,提出了一种以共振频率作为载波的共振区幅值-相位解调技术。方法首先通过快速谱峭度算法寻找齿轮振动信号的共振区,然后在共振区中通过幅值最大搜索法获得共振频率,并以该共振频率为载频进行解调分别得到幅值和相位调制信号。该方法结合共振区对弱信号的放大以及对低频干扰的隔离作用,可有效提取齿轮的故障信息。仿真及试验研究表明,所提出的共振区幅值-相位解调技术可以有效检测早期齿轮齿根裂纹故障信息,是对传统方法的有效补充。

基于尺寸优化的水轮发电机上机架轻量化设计

上机架是水轮发电机中的重要承载部件。以上机架为研究对象,建立有限元模型,对其强度、刚度和动态特性进行仿真分析。基于结构尺寸优化设计方法,选择上机架结构的8种板厚为设计变量,以正应力和刚度两种设计指标作为约束条件,进行以其质量最小为目标的优化设计。通过复合形法进行寻优迭代,得到上机架优化设计结果。轻量化设计后上机架的最大应力及最大位移均在许用值范围内,其动态特性满足设计要求。上机架结构的质量减小527 kg,减重率达25. 5%,实现了轻量化目标。

考虑内外啮合相位差的行星轮系动态特性分析

对1.5MW级风电齿轮箱行星轮系统采用集中参数法建立行星轮系扭转动力学模型,运用Runge-Kutta法对所建立的扭转动力学模型进行求解,分别讨论了时变啮合刚度和相位差对行星轮系固有特性和稳态响应特性的影响。研究结果表明:时变啮合刚度导致系统各阶固有频率随时间周期性波动,而啮合相位差导致第1阶固有频率波动范围增大,其余4阶固有频率波动范围变小,且各阶固有频率间的变化步调存在相位差;是否考虑相位差对第3、4阶振型影响较为明显;对不同时刻的第3、4阶振型影响较大;考虑相位差时保持架、行星轮、太阳轮扭振角速度幅值均降低。

滚动轴承性能退化评估研究

轴承从正常工作到损伤累积,最后到其性能完全失效需要经历一个性能退化过程。有效的提出反映轴承性能退化指标的特征量可以有效的检测轴承性能在运行过程中的状态。单一的特征量在反映轴承退化过程的评估中有一定的局限性,无法全面有效的反映出轴承性能退化过程。而过多的特征量会造成维数灾难,带来过多的计算量。使用主成份分析方法可以有效的融合特征量,全面有效的反映轴承退化过程。

基于模态柔度和能量分布的机床动态优化设计

使机床切削点动柔度最大值在整个工作频率范围内最小,是机床实现无颤振稳定切削和高精度切削加工的要求,也是对其进行动态优化设计所应达到的目标。基于模态柔度和能量分布的机床结构动态优化设计原理,实现了一种以降低切削点交叉动柔度值为目标的优化方法。该方法利用切削点交叉动柔度与模态柔度的关系,首先寻找薄弱模态,再分析薄弱模态上各部件和环节的能量分布,确定该模态上的薄弱环节,然后在一定的约束条件下,改进这些环节的设计参数,从而实现优化目标。以某型万能工具铣床为例,在整机建模分析计算的基础上,阐述了该优化方法的具体应用。通过模态柔度和能量分布计算,判明该机床的薄弱环节是横梁-水平主轴体系统,针对薄弱环节设计参数的改进实现其质量和刚度的优化,优化后的静柔度和模态柔度都有较大的降低,而固有频率则相应提高,切削点动柔度的最大值降低近18%。并在此基础上进行结构改进设计,改进前后机床的谐响应分析和切削试验对比结果表明优化方法有效地改善了机床的动态性能,再生颤振稳定性得到大幅提高。