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Hilbert-Huang变换改进算法及其在齿轮箱故障诊断中的应用研究

作　者: 高昌鑫
导　师: 荆双喜
学　校: 河南理工大学
专　业: 机械工程
关键词: Hilbert-Huang变换 故障诊断 齿轮箱 时频分析 去趋势项
分类号: TN911.72
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


针对齿轮故障振动信号的非线性、非平稳性,引入了Hilbert-Huang变换方法,它包括经验模式分解(EMD)和Hilbert变换两部分,将信号分解为有限个数的本征模函数(IMF)之和,然后对每个IMF进行Hilbert变换,得到Hilbert-Huang谱。本文在原有的Hilbert-Huang方法的基础上,为了改善在求取包络线时的过冲、欠冲现象以及Hilbert-Huang谱上的端点效应,提出了一种利用最小二乘法去趋势项和基于立方B样条的滑动平均求均值相结合的改进的Hilbert-Huang算法。通过总结各种插值和延拓方法的优缺点,在迭代求取IMF前加入最小二乘法去趋势项,再利用立方B样条作基底的滑动平均法直接拟合均值序列来取代原来的通过样条插值求取包络线再求均值的方法,避免了利用样条插值求取包络线所带来的诸多问题。根据新算法做出流程图,引入仿真信号进行对比研究,表明新方法能够减少虚假分量个数,降低能量泄漏,具有初步的优越性。针对齿轮箱的振动机理,将改进的Hilbert-Huang变换方法应用于提升机齿轮箱的故障诊断中。利用改进的Hilbert-Huang变换方法进行分析,得到Hilbert-Huang谱图和边际谱图,并进行细化谱分析,在啮合频率和齿轮轴旋转频率附近出现故障特征。高次谐波幅值相对增大较多,出现较多的分数谐波,在这些谐波附近有一系列频率波动,并发现信号受到明显的频率调制作用,根据信号的故障特征成功地诊断出发生的是齿面磨损故障。

全文目录


致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-9
1 引言  9-17
  1.1 机械状态监测与故障诊断技术的应用概况  9-11
    1.1.1 机械状态监测与故障诊断  10-11
    1.1.2 机械设备诊断过程和分类  11
  1.2 齿轮故障诊断技术的现状与趋势  11-15
    1.2.1 齿轮故障诊断技术的现状  12-14
    1.2.2 信号处理方法的发展趋势  14-15
  1.3 论文研究的主要内容  15-17
2 齿轮箱的振动机理及故障类型  17-32
  2.1 齿轮副啮合受力分析  17-21
  2.2 齿轮振动信号的调制分析  21-24
  2.3 齿轮振动的其他成分  24-25
  2.4 齿轮和齿轮箱的常见失效形式和原因  25-30
    2.4.1 齿轮失效形式和频谱特征  25-27
    2.4.2 各种运行中的故障类型及频域诊断  27-29
    2.4.3 齿轮故障的产生原因  29-30
  2.5 本章小结  30-32
3 故障诊断方法与时频分析方法简介  32-41
  3.1 齿轮的故障诊断方法  32-36
    3.1.1 齿轮的简易诊断法  32-33
    3.1.2 齿轮的精密诊断方法  33-36
  3.2 时频分析基础及信号分析方法  36-40
    3.2.1 Fourier 变换  36-37
    3.2.2 小波变换  37-40
  3.3 本章小节  40-41
4 Hilbert-Huang 变换在齿轮箱故障诊断中的应用  41-54
  4.1 瞬时频率和解析信号  41-44
  4.2 本征模态函数和单分量信号的概念  44-45
  4.3 时间特征尺度  45-46
  4.4 EMD 分解方法  46-49
  4.5 Hilbert 谱和边际谱  49-50
  4.6 多分量信号 Hilbert-Huang 变换的仿真研究  50-53
  4.7 本章小节  53-54
5 改进的 Hilbert-Huang 变换在齿轮箱故障诊断中的应用  54-82
  5.1 EMD 方法的最新研究与概况  54-61
    5.1.1 抑制EMD 端点效应的理论研究  54-57
    5.1.2 信号插值方法的综述  57-59
    5.1.3 各种一维插值方法构成包络线的比较  59-61
  5.2 对仿真信号进行样条插值包络线研究  61-64
  5.3 改进的 Hilbert-Huang 变换在齿轮箱故障信号中的研究  64-67
    5.3.1 最小二乘法消除多项式趋势项  64-65
    5.3.2 基于极值点滑动平均的B 样条的线性组合法  65-67
  5.4 改进的 Hilbert-Huang 方法  67-81
    5.4.1 改进的EMD 分解流程  67-69
    5.4.2 边际谱与傅里叶谱的差别  69
    5.4.3 仿真信号的对比研究  69-70
    5.4.4 改进的Hilbert-Huang 方法的工程应用  70-81
  5.5 本章小结  81-82
6 工作总结和展望  82-85
  6.1 工作总结  82-83
  6.2 工作展望  83-85
参考文献  85-89
作者简历  89-90
  一、基本情况  89
  二、学术论文  89-90
学位论文数据集  90

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信理论 > 信号处理 > 数字信号处理
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