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振动信号处理技术在直升机齿轮箱故障诊断中的应用

作　者: 沈国际
导　师: 温熙森
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 直升机 HUMS 齿轮箱 故障诊断 时域同步平均 相位误差累积效应 相位估计 经验模式分解 Wigner分布
分类号: V267
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


齿轮箱作为直升机传动系统的核心部件，其故障对直升机飞行安全有着直接威胁，因此，对可能引发灾难性事故的齿轮箱故障进行有效检测对于保障直升机的飞行安全具有重要意义。但是，直升机齿轮箱状态特征信号往往比较微弱，加之工作环境比较恶劣，存在较强的背景噪声，造成齿轮箱状态特征的提取比较困难。因此，提高信号信噪比就成为齿轮箱故障诊断需要研究的关键问题之一。 时域同步平均是提高齿轮箱振动信号信噪比的有效技术。为了提高直升机齿轮箱故障诊断的效果，本文以某型直升机中减速器为试验对象，应用经验模式分解和时频分布分析等处理方法，对时域同步平均技术进行了深入研究，改进了传统的需要时标信号的时域同步平均技术，提高了振动信号信噪比，构建了直升机齿轮箱监控与诊断原型系统。具体地说，论文开展了以下研究工作： 1、针对无时标情况下的振动数据处理问题，分析了基于周期的时域同步平均技术及其固有的相位误差累积效应。定义了相位误差累积因子，用其定量分析了取整运算误差和频率估计误差这两种因素导致相位误差累积效应的机理；研究了相位误差累积因子、信号分量阶次和平均段数等参数对时域同步平均信号幅值的影响规律。 2、针对背景噪声分离问题，研究了经验模式分解对实际信号的有效分解条件。初步建立了有效分解定义；推导了经验模式分解对正弦信号的有效分解条件，并应用于齿轮箱轴承的故障诊断；理论分析表明故障齿轮振动信号分量满足经验模式分解的前提条件，为经验模式分解在齿轮故障诊断中的应用解决了一个关键问题；分析了经验模式分解对调制信号的分解过程，得到了有效分解充分条件。 3、针对振动信号时频信息提取问题，提出了基于经验模式分解的Wigner分布改进方法。对短时傅立叶变换和Wigner分布进行了研究，比较了这两种方法的优缺点；分析了Wigner分布存在的交叉项问题，提出了基于经验模式分解的Wigner分布改进方法。试验表明，这种改进方法可以有效降低Wigner分布交叉项，同时降低来自背景噪声的干扰。 4、针对低信噪比的振动数据处理问题，提出了基于相位估计的时域同步平均方法。利用齿轮振动信号的周期性变化，提出了基于冲击信号Wigner分布的相位估计方法和基于调制信号Wigner分布的相位估计方法，应用基于经验模式分解的Wigner分布改进方法，从振动信号本身提取时标信号用于时域同步平均，并在试验数据基础上对两种相位估计方法进行了比较，提出了基于相位估计的时域同步平均方法。试验结果表明这种方法可以有效减小振动信号背景噪声，增强齿轮状态特征。 5、针对直升机齿轮箱视情维修问题，初步构建了一个直升机齿轮箱监控与诊断原型系统。介绍了系统总体结构，将系统划分为机载监控系统和地面诊断系统；机载监控系统实现信号在线采集，并对严重故障进行告警；地面诊断系统对数据进行进一步

全文目录


摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
图表目录  12-15
第一章 绪论  15-34
  §1.1 研究背景  15-19
    1.1.1 研究意义与课题来源  15
    1.1.2 直升机健康和使用监控系统发展历程  15-18
    1.1.3 直升机齿轮箱故障诊断的研究问题  18-19
  §1.2 直升机齿轮箱故障模式与其信号特征  19-23
    1.2.1 直升机齿轮箱各零件的失效概率  20
    1.2.2 齿轮的主要故障模式  20-21
    1.2.3 齿轮的振动机理  21-22
    1.2.4 轴承的主要故障模式和振动机理  22-23
  §1.3 齿轮箱振动信号处理技术研究综述  23-28
    1.3.1 时域同步平均技术  23-24
    1.3.2 频域信号处理技术  24-25
    1.3.3 时频域信号处理技术  25-27
    1.3.4 其它信号处理技术  27-28
  §1.4 本文的主要研究工作及内容安排  28-34
    1.4.1 问题提出  28-31
    1.4.2 论文研究思路  31-33
    1.4.3 论文内容安排  33-34
第二章 相位误差累积效应研究  34-50
  §2.1 时域同步平均技术的原理  34-36
  §2.2 时域同步平均技术的噪声抑制效果分析  36-38
    2.2.1 对随机信号的抑制效果  36
    2.2.2 对非同步信号的抑制效果  36-38
  §2.3 相位误差累积效应的机理分析  38-43
    2.3.1 相位误差分析  38-40
    2.3.2 取整运算引起的相位误差  40-41
    2.3.3 频率估计引起的相位误差  41-43
  §2.4 相位误差累积效应对有用信号的影响规律  43-49
    2.4.1 理论分析  43-44
    2.4.2 相位误差累积因子对有用信号幅值的影响规律  44-45
    2.4.3 分量阶次对有用信号幅值的影响规律  45-46
    2.4.4 平均段数对有用信号幅值的影响规律  46
    2.4.5 仿真验证  46-49
    2.4.6 讨论  49
  §2.5 本章小结  49-50
第三章 经验模式分解的有效分解问题研究  50-80
  §3.1 经验模式分解原理与研究现状  50-58
    3.1.1 经验模式分解的提出  51-53
    3.1.2 经验模式分解的算法  53-56
    3.1.3 经验模式分解的研究现状  56-58
  §3.2 有效分解的定义  58-59
  §3.3 经验模式分解对正弦信号的有效分解条件研究  59-65
    3.3.1 理论分析  60-61
    3.3.2 仿真验证  61-65
  §3.4 经验模式分解在轴承故障特征提取中的应用  65-72
    3.4.1 轴承故障特征提取原理  65
    3.4.2 直升机齿轮箱轴承试验  65-68
    3.4.3 试验数据分析  68-72
  §3.5 齿轮振动信号与经验模式分解结果的关系研究  72-74
  §3.6 经验模式分解对调制信号的有效分解条件研究  74-79
    3.6.1 理论分析  75-77
    3.6.2 仿真验证  77-79
  §3.7 本章小结  79-80
第四章 基于经验模式分解的Wigner分布改进方法研究  80-98
  §4.1 短时傅立叶变换及其性质  80-84
    4.1.1 短时傅立叶变换的定义  81
    4.1.2 短时傅立叶变换的特性  81-84
  §4.2 Wigner分布及其交叉项  84-90
    4.2.1 Wigner分布的定义及其性质  85-86
    4.2.2 Wigner分布的时频分辨力  86-88
    4.2.3 Wigner分布的交叉项问题  88-89
    4.2.4 减小交叉项的时频分布  89-90
  §4.3 基于经验模式分解的Wigner分布改进方法  90-93
  §4.4 基于经验模式分解的Wigner分布改进方法的应用  93-97
    4.4.1 直升机齿轮箱齿轮试验  93-95
    4.4.2 试验数据分析  95-97
  §4.5 本章小结  97-98
第五章 基于相位估计的时域同步平均方法研究  98-121
  §5.1 基于冲击信号Wigner分布的相位估计方法  98-102
  §5.2 基于调制信号Wigner分布的相位估计方法  102-105
  §5.3 相位估计方法的比较  105-109
    5.3.1 点蚀数据相位估计结果  105-107
    5.3.2 裂纹数据相位估计结果  107-109
  §5.4 基于相位估计的时域同步平均方法  109-114
    5.4.1 基于相位估计的时域同步平均算法  109-110
    5.4.2 试验验证  110-114
  §5.5 基于相位估计的时域同步平均在齿轮故障特征提取中的应用  114-120
    5.5.1 齿轮故障特征提取原理  114-115
    5.5.2 齿轮点蚀故障特征提取  115-117
    5.5.3 齿轮裂纹故障特征提取  117-120
  §5.6 本章小结  120-121
第六章 直升机齿轮箱监控与诊断原型系统的设计与验证  121-136
  §6.1 某型直升机齿轮箱特性及其原有状态监控功能  121-122
    6.1.1 直升机传动系统的组成  121-122
    6.1.2 某型直升机齿轮箱原有状态监控功能  122
  §6.2 直升机齿轮箱监控与诊断系统总体设计方案  122-124
  §6.3 机载监控系统设计  124-128
    6.3.1 机载监控系统硬件设计  124-126
    6.3.2 机载监控软件设计  126-127
    6.3.3 状态监控模块设计  127-128
  §6.4 地面诊断系统设计与测试  128-135
    6.4.1 地面诊断软件设计  129-130
    6.4.2 基于经验模式分解的轴承故障诊断算法  130-133
    6.4.3 基于时域同步平均的齿轮故障诊断算法  133-135
  §6.5 本章小结  135-136
第七章 结论与展望  136-138
  §7.1 研究结论  136-137
  §7.2 研究展望  137-138
参考文献  138-150
致谢  150-151
附录A：第二章部分公式的推导  151-155
附录B：第五章部分公式的推导  155-162
附录C：作者攻读博士学位期间发表的主要论文  162

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空制造工艺 > 航空器的维护与修理
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