关键词：
故障诊断
轴承动力学
齿轮箱动力学
包络谱分析
故障严重程度评估
摘要：
齿轮箱作为交通运输和工业生产等领域的重要组成部分,对促进交通运输和工业的发展起着重要作用。轴承是齿轮箱中的关键元件,其健康状态是保障齿轮箱高效、安全运行的关键。因此,针对齿轮箱轴承的故障诊断方法研究越来受到重视。随着对轴承故障诊断方法的不断探究,作为诊断方法理论基础的轴承动力学建模与振动响应分析也越来越受关注。但针对齿轮箱轴承振动响应机理的研究仍存在诸多不足:首先,故障轴承动力学模型无法准确阐释其多元内部激励的作用机理;其次,对于故障诊断方法中重点关注的特征频率幅值随故障严重程度的演化规律及早期微弱故障对于轴承振动响应的影响机理尚未明晰;最后,在实际工作中齿轮箱轴承受到来自轴承内外激励的联合作用,所呈现的动态特性耦合了外部激励,因此针对单一轴承的研究难以完备反映实际中齿轮箱轴承的故障特征。因此,本文针对内外激励下的齿轮箱轴承精细化动力学建模与振动分析展开研究,为齿轮箱轴承健康监测与智能运维提供理论支撑。本文首先从本构方程出发,针对研究对象构建有效的动力学模型分析手段。然后研究多模式内部故障激励演化对振动特征的影响,建立物理关系到仿真信号到故障特征的完整逻辑链,充分揭示了故障特征的变化趋势,解决故障诊断方法中对于特征频率幅值变化不明确的问题。最后在内部激励研究的基础上进一步引入齿轮箱轴承的外部激励,深入研究了内外激励下齿轮箱轴承的振动响应。主要研究内容包括:(1)建立精细化齿轮箱轴承动力学解析模型,对数值结果进行特征分析与误差分析。首先根据经典深沟球轴承模型,在考虑多刚体独立自由度、混合弹流润滑影响、姿态解算和滚珠动态圆周运动等要素下构建三维深沟球轴承动态解析模型,为全文研究奠定了理论基础。其次,针对滚道、滚珠和动不平衡负载等内部故障激励源,分析了在此类常见故障模式下所建立模型的动态特征,并通过实验加以验证,证明所建立模型的正确性。然后,在此模型基础上,本文进一步考虑了完备的保持架几何,将保持架兜孔、柔性保持架建立在动态轴承模型中,归纳了滚珠运动中与保持架兜孔间的作用力分布规律。最后,基于建立的模型本文还分析了赫兹接触模型、非负载区滚珠运动在此模型中的误差影响,增加了理论模型的准确性。(2)构建了齿轮箱轴承多模式故障内部激励模型,研究了从早期微弱磨损到严重凹坑故障下的轴承动态特性的全面机理分析。首先,将早期磨损以表面粗糙度变化的形式体现在动力学模型中。其中,表面粗糙度变化经由混合弹流润滑影响、间接位移激励方式将故障特征辐射到滚珠滚道的径向力和摩擦力部分,进而影响整个动力学模型。随后,基于所提出的耦合摩擦故障动力学模型,本文定量地研究和讨论了故障深沟球轴承特征频率幅值随多重故障参数的演化规律,为后续着眼于特征频率的故障诊断方法研究提供理论依据。(3)提出了一种故障轴承模型和齿轮啮合模型耦合的齿轮箱模型,建立了全面考虑了外部激励的故障齿轮箱轴承振动响应分析方法。首先,使用时变啮合刚度方法描述考虑了局部故障的齿轮动态啮合力和动态摩擦力并使用位移激励来描述轴承的局部故障,讨论了故障轴承在齿轮箱壳体上所呈现的频域响应特征。然后,本文分析了完备动态轴承模型中对于齿轮箱系统影响不大的部分,在不引入显著误差的情况下针对系统对轴承模型进行了优化。最后,分析了以此建立的耦合齿轮啮合振动、轴承振动、齿轮箱壳体振动和多个局部故障的动力学模型并分析故障特征,为齿轮箱系统中的故障轴承诊断提供了理论基础。综上,本文建立了完备深沟球轴承动力学解析模型,分析了局部故障区域赫兹接触模型的近似误差,建立了在平面负载情况下考虑保持架几何的柔性保持架模型并研究了其中滚珠与保持架间的作用力分布规律。提出了一种针对多模式、不同演化阶段的轴承故障描述方式,整合到前文构建的轴承模型中,定量地深入分析了不同故障模式下处于不同故障阶段的轴承频率特征随故障参数的演变规律。解决了现有轴承故障动力学分析中特征频率幅值随故障参数变化规律不明确的问题。建立了耦合了轴承、齿轮、转子系统和齿轮箱外壳的耦合动力学模型,分析了在包含外部复杂激励环境下的轴承动力学建模方法,深入研究了齿轮箱系统中的轴承故障特征,并通过实验信号验证了研究方法的有效性。
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