基於磁記憶的低速重載齒輪潛故障早期診斷方法研究

《基於磁記憶的低速重載齒輪潛故障早期診斷方法研究》是依託北京工業大學，由胥永剛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於磁記憶的低速重載齒輪潛故障早期診斷方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：胥永剛
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

低速重載設備因其低轉速大負荷運行工況，極易使軸承、齒輪等承載零部件產生局部應力集中和細微變形而處於潛故障狀態。本課題以低速重載齒輪為研究對象，以磁記憶信號為信息載體，以現代信號處理和人工智慧為手段，研究低速重載齒輪潛故障的早期診斷理論與方法。課題首先建立低速重載齒輪有限元模型，獲得齒輪工作狀態下的應力場和應力梯度分布，並結合磁機械耦合效應理論對齒輪表面的磁場強度分布進行仿真分析；然後針對低速重載齒輪的特殊運行工況，搭建二維磁記憶信號連續採集系統，採集齒輪淺表層磁記憶信號的法向分量和切向分量；進而採用提升多小波對齒輪磁記憶信號進行信息淨化與增強，以Hermitian小波的空間-尺度的幅圖和相圖實現磁記憶信號的全信息檢測；最後基於加權模糊支持向量數據描述理論實現低速重載齒輪不同狀態下磁記憶信息的差異性預警，提供具有普遍意義的低速重載齒輪的潛故障早期診斷的理論與技術，滿足國民經濟發展的迫切需求。

結題摘要

本課題以低速重載齒輪為研究對象，以磁記憶信號為信息載體，以現代信號處理和人工智慧為手段，研究了低速重載齒輪潛故障的早期診斷理論與方法。主要內容如下：利用ANSYS有限元分析軟體對齒輪的磁記憶檢測實驗進行仿真模擬，首先建立正常齒輪與有裂紋齒輪的三維實體模型，通過在靜力學分析中施加約束與載荷得到齒輪的應力圖，然後根據地磁場環境下應力與相對磁導率的和應力與磁化強度的關係，對齒輪的應力集中的部位進行相對磁導率的劃分，最後建立地磁場模型，將試件放到模型中進行磁感應強度的仿真實驗得到試件的磁場強度曲線，通過仿真信號與實驗信號的對比驗證齒輪金屬磁記憶檢測實驗的正確性。課題組趕赴唐山鋼鐵集團，測取了煉鋼廠轉爐傾動機構減速箱典型齒輪的磁記憶信號，並對齒輪進行了顯微分析；趕赴天津港，測取了港口關鍵設備場橋橫樑的磁記憶信號，獲得了寶貴的工業現場數據。進一步研究了固有時間尺度分解（ITD）和局部特徵尺度分解（LCD）算法，分析了四種算法分解信號過程中的邊界效應抑制方法，編寫了相應的程式。利用固有時間尺度分解法（ITD）將磁記憶信號分解為若干固有旋轉分量(PRC) 和一個趨勢項，將前四個PRC分量直接疊加重構，重構信號既保留了突變細節信號的完整性，同時又剔除了原始磁記憶信號中的大周期趨勢與部分噪聲。再利用時域平均和局部統計特徵，可有效識別齒輪中的應力集中區域。對雙樹復小波變換進行了深入研究，分析了雙樹復小波包的能量泄露問題，將雙樹復小波/包分解與奇異值差分譜、比率譜、盲源分離、AR譜、譜峭度等有機融合，提出了非平穩信號處理與特徵提取的系列方法，並在軸承、齒輪的早期故障診斷中得到成功套用。借鑑小波多分辨分析的思想，基於矩陣二分遞推構造原理，重複進行SVD分解可以獲得具有不同解析度的近似和細節信號，以多解析度來展現信號不同層次的概貌和細部特徵。將上述思想用於場橋磁記憶信號的分解和重構，可以有效去除噪聲成分，提高信號信噪比，從而正確判斷場橋主梁應力集中區域，評估其應力狀態。最後利用支持向量機對齒根磁記憶信息特徵進行模式識別，用以區分各齒是否為異常狀態。該方法非常適用於齒輪磁記憶信號有效成分的精確拾取和判斷，能有效實現對信號的特徵提取並進行模式識別。試製了一款三維磁記憶檢測儀器。