变工况运转下行星齿轮箱的性能退化评估和剩余寿命估计

Planetary gearboxes are widely used in the community of aerospace, energy, etc. because they are able to provide large transmission ratios for mechanical transmission systems. In the case of varying working conditions, heavy loads, etc., the key elements of a planetary gearbox, such as a sun gear, a ring gear, several planet gears and a carrier, are prone to suffer faults, such as fatigue cracks, pitting, etc., which may cause planetary gearbox failures and transmission system breakdowns, and result in huge economic loss and unexpected casualties. Considering complicated and nonstationary vibration signals caused by several gear meshing pairs in the case of varying working conditions, this project aims to preprocess planetary gearbox vibration signals, assess planetary gear performance degradation and estimate planetary gear remaining useful life. This project will track state of the art in fault diagnosis and prognosis of planetary gearboxes and will further provide fundamental theories and technologies for planetary gear performance degradation assessment and its remaining useful life estimation. Outcomes generated from this project are valuable to both academic society and engineering applications.

行星齿轮箱由于其体积小、重量轻、传动比大等特点，被广泛应用于航空、能源等重要领域的机械传动系统中。由于变工况、重载等外在因素的影响，行星齿轮箱的关键零部件，如太阳轮、行星轮、内齿圈以及行星架，易于发生磨损、疲劳裂纹等故障，从而导致行星齿轮箱失效以及整个机械传动系统停机，并很可能造成巨大的经济损失和意外的人员伤亡。针对行星齿轮箱多对齿轮同时啮合所造成的复杂振动成分和变工况运行时的非平稳振动响应，本项目将从行星齿轮箱振动信号预处理、变工况行星齿轮性能退化评估和行星齿轮剩余可用寿命估计三个方面进行行星齿轮性能退化评估和寿命预测。本项目及时追踪国内外故障诊断和寿命预测相关领域的最新研究动态，为行星齿轮性能退化评估和剩余寿命预测提供进一步的理论依据和技术支持，具有重要的学术和工程应用价值。

航空航天、交通运输、能源化工等领域的重大装备由于服役过程中受到磨损、冲击、负载等因素影响，装备不可避免发生性能退化、故障，甚至失效。全面而高效地实施装备状态监测、故障诊断和寿命预测成为保障装备安全运行的重要措施，也是我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020年)》中的重点发展方向。早期故障诊断及剩余寿命预测是当前高端装备全寿命周期健康保障研究的难点和热点。在青年科学基金项目的资助下，围绕产品和装备早期故障诊断和剩余寿命预测，开展了一系列理论及应用基础研究。研究成果主要分成四部分：1)从数学上一般化了谱峭度(spectral kurtosis)经典理论，并且建立了谱峭度理论与多个稀疏测度理论的数学桥梁，丰富了故障诊断领域理论基础；2)提出了一般化轴承状态监测健康指数，并数学上研究了状态监测健康指数的理论上下界，为轴承全寿命量化提供了理论依据；3)把动态贝叶斯理论引入到了机械信号处理中，提出了动态贝叶斯小波变换这一全新最优滤波方法学，可以更有效地检测旋转机械故障引起的循环脉冲信号；4)为了更加准确的预测装备剩余寿命，从数学上一般化了当今寿命预测领域的两个经典理论，丰富了装备寿命预测学理论基础。研究成果主要发表在Mechanical Systems and Signal Processing、 Journal of Sound and Vibration、IEEE Transactions等国际权威期刊上，其中发表SCI论文23篇（第一作者20篇），ESI高被引论文4篇。多次受邀做国内外学术报告。受邀担任Elsevier、IEEE、Sage、Springer等出版社的50多种SCI源刊同行评审人，评审过300多篇国际期刊论文；获Elsevier和IEEE出版社13个国际权威期刊的获杰出审稿人称号(Outstanding Reviewer Status)；受聘担任IEEE Access(IF 3.244)副主编(Associate Editor)、J LOW FREQ NOISE V A(IF 1.017)副主编(Associate Editor)、J PRO HEALTH MANAG副主编(Associate Editor)以及多个SCI源刊客座编辑；受邀担任领域内多个国际会议职务，评审过大量会议论文；受邀担任智利国家科技发展基金会外籍评审专家。