内外激励耦合下的复杂齿轮传动系统动态特性与诊断方法研究

To meet the requirement of safe operation of complex gear transmission systems in mechanical equipment, this project will investigate dynamic behaviors and fault diagnosis issues of the complex gear systems. The effects of both internal excitation and external excitation on the health conditions of the complex gear systems are taken into account in the project aiming at these problems, such as the internal complicated structure making multi-source signals couple with each other, and external load instantaneous fluctuation adding the difficulty of fault diagnosis, etc. Multi-scale dynamic models from single-stage gear transmission systems to complex systems are developed. Based on these models, the coupling principle of dynamic responses between components and components or components and systems, and the dynamic behaviors are revealed respectively to provide the theoretical foundation for fault diagnosis. Numerical models simulating vibration signals of complex gear transmission systems are established, in which the modes of vibration signals of different fault types are generated, and the effect rule of external load fluctuation on the dynamic behaviors and the health conditions of complex gear systems is found. Special feature parameters, adaptive threshold selection methods, signal separation techniques and methods for health monitoring and fault diagnosis of complex gear transmission systems are proposed to estimate the fault severity degree and diagnose faults quantificationally under varying external load. The research output of the project will provide valuable foundational theories and critical techniques for guaranteeing safe operation and long lifetime usage of complex gear transmission systems.

本项目以机械装备健康运行的需求为背景，以机械装备的"大动脉"复杂齿轮传动系统为研究对象，考虑内、外激励两方面因素的耦合作用，对系统的动态特性和故障诊断方法展开研究。针对其内部结构复杂导致多源信号耦合、外部载荷波动增加了故障诊断难度等问题，建立复杂齿轮传动系统的多尺度动力学模型，揭示系统内部各零部件之间、零部件与系统之间动态响应的耦合原理和系统的动态特性，为其故障诊断提供理论依据；建立复杂齿轮传动系统振动信号数值仿真模型，获得不同故障时的振动信号模式，发现载荷波动与故障模式之间的关系；提出针对复杂齿轮传动系统的健康监测特色参数、信号分离与定量诊断方法，阐述载荷波动对系统动态特性与健康状况的作用规律。项目研究成果将为保障复杂齿轮传动系统的安全运行和长寿命使用提供有价值的基础理论与关键技术。

本项目以复杂齿轮传动系统为研究对象，从动力学建模、唯象建模、基于数据驱动的诊断方法等方面，对复杂齿轮传动系统的动态特性和故障诊断方法展开深入研究。项目瞄准国际研究前沿，为保障复杂齿轮传动系统的安全运行和长寿命使用提供有价值的基础理论与关键技术。主要研究成果和创新点包括：（1）研究了齿轮正常、裂纹、剥落、点蚀等不同健康状态下的时变啮合刚度，探究了齿轮故障的演化规律，为系统动力学建模奠定基础；（2）建立了定轴轮系的有限元Ansys模型，得到了静力学分析结果；提出了一种考虑振动传递路径时变效应的行星轮系动力学建模方法，求得了模型响应；（3）建立了行星齿轮箱正常与故障情况下的振动信号唯象模型，考虑行星轮偏移，推导了不同健康状况下的阶次谱分布；建立了轴承系统振动信号的唯象模型，得到了轴不平衡时惯性力和轴重力下振动信号的频谱特性；（4）提出了增强谱峭度方法、自适应非饱和双稳态随机共振方法、欠阻尼稳态匹配随机共振方法等，实现了机械早期故障微弱特征的提取；（5）提出了基于距离度量学习的虚拟健康指标构建方法与基于高斯混合模型的健康指标融合方法，表征了滚动轴承健康状态的衰退趋势；研究了报警阈值的确定方法和基于概率趋势判别触发机制的监测逻辑，自适应地设定故障报警门限；（6）在实验室搭建的实验台和昇阳公司实验台上设计和完成了多组齿轮、轴承故障实验，收集了包括振动、扭矩等大量实验数据，对提出的理论与技术进行了验证；（7）出版英文专著1部；共发表有本项目资助标注的论文34篇，包括杂志论文20篇、会议论文14篇，其中SCI检索17篇、EI检索3篇；完成硕士学位论文5篇；申请国家发明专利12项，其中4项已授权。项目负责人获2018年国家技术发明二等奖（排名第二）、2018年教育部青年科学奖（全国每年不超过10人）、2017年教育部自然科学一等奖（排名第一）等奖励，获2016年教育部“长江学者奖励计划”青年学者、2015年中组部“万人计划”青年拔尖人才等荣誉。