重载齿轮箱复杂工况多源激励下复合故障耦合机理及诊断方法研究

大型重载装备齿轮箱传动系统，常工作于重载、冲击和变载荷等复杂工况下，其核心部件易产生剥落、裂纹甚至断裂等损伤性单、复合故障。课题重点研究齿轮箱内关键零部件（齿轮与滚动轴承）存在复合损伤性故障与外部冲击载荷及系统误差等多重激励下，系统振动响应形式及故障之间的耦合关系。以动态扩展和小波有限元及集中参数法为技术手段，建立含复合故障（包括轴承单、复合故障及与齿轮的复合故障）可扩展齿轮箱多自由度耦合动力学模型，研究耦合因子和数值求解算法及多动态参数激励下动态响应和相关实验。研究各种工况下单故障、复合故障及单故障至复合故障发展过程中系统力学特性、振动响应特性及与故障发展相对应的振动信息特征表征规律；提出基于复合字典多原子匹配技术的复合故障耦合特征分离与提取方法，研究基于频域统计检验理论的自适应降噪技术与先进时频综合信号处理方法。提供具有普遍意义重载齿轮箱故障诊断理论方法，满足国民经济发展的迫切需要。

重载齿轮箱关键零部件（齿轮和滚动轴承）易发生损伤性单、复合故障，其故障机理复杂，故障特征难于提取。因此本课题采用理论分析和数值仿真以及实验和工程实际数据分析等研究手段，重点研究了轴承损伤性复合故障耦合机理及其复合故障诊断方法及单级齿轮箱多源激励下的损伤性故障机理及其故障特征提取方法。.针对轴承损伤性复合故障耦合机理及复合故障诊断方法方面，主要研究成果在于：综合考虑了滚珠滑移、油膜刚度和轴承非线性时变刚度等影响因素，建立了滚动轴承复合故障非线性耦合动力学模型，分析了各部件单故障及内外圈复合故障下的轴承振动响应特征；依据轴承故障机理研究结果，提出了一种能够反映滚动轴承结构参数和运行参数及故障状态特征参数的新型冲击字典模型，提出了基于自适应字典的匹配追踪和基追踪稀疏分解复合故障诊断方法；提出了一种基于零空间微分算子和盲源分离的轴承复合故障诊断方法；提出了基于复合品质因子的共振稀疏分解复合故障诊断方法；所提出的系列方法均在仿真信号、实验信号或工程实际中都取得了很好的效果。. 此外，研究了单齿轮系统在故障激励、冲击激励以传递误差等多重激励下的系统振动响应，建立了八自由度齿轮箱非线性动力学模型；提出了齿轮裂纹扩展模拟的小波扩展有限元仿真分析方法；提出了基于齿轮齿廓普遍方程的齿轮副啮合刚度计算新方法；分析了曲线和直线两种裂纹影响线对轮齿啮合刚度及系统振动响应计算结果的影响；提出了基于衰减系数迭代终止的多原子复合字典匹配追踪算法；采用特征波形法建立了模式匹配库，提出了基于特征波形和匹配追踪齿轮故障信号模式识别方法；提出了基于共振稀疏分解的齿轮箱故障非线性解调分析方法。上述方法均采用了齿轮振动仿真信号和实验信号或工程信号验证其可行性及有效性。