行星齿轮传动系统故障诊断与动态可靠性评估研究

Planetary gearbox systems are extensively used in engineering practices. Their fault diagnosis and health management are of great importance to their effective operation. However, up to date, many critical research issues in the areas of vibration mechanism, fault feature extraction, fault diagnosis, and dynamic reliability assessment for planetary gearbox systems have not been addressed thoroughly or properly due to their complicated physical structures and operating conditions. With the aim of advancing the state of the art in fault diagnosis and prognosis of planetary gearbox systems, this proposal focuses on the following important research topics: (1) Develop dynamic modeling and simulation methods to reveal the vibration behaviors of the sun gear, planet gears, ring gear, carrier, bearing, and input and output shafts; (2) Investigate new Local Mean Decomposition(LMD)-based signal analysis methods to extract fault symptoms and health status information from multi-component time-varying modulation vibration signals of planetary gearbox systems; (3) Develop feature ranking criteria and feature reduction methods to facilitate data-driven fault diagnosis of planetary gearbox systems, and build intelligent classification algorithms to improve the fault and damage identification capability. (4) Study dynamic reliability assessment methods to characterize the complicated failure modes and degradation patterns of planetary gearbox systems so as to predict health status deterioration and future reliability. The proposed research covers scientific research topics in the areas of life prediction of sophisticated engineering systems and complex infrastructures. The research results to be developed will provide a suite of novel theoretical methods and useful practical tools for effective reliability and safety assurance of planetary gearbox systems.

行星齿轮传动系统特殊的物理结构和复合运动形式导致了故障机制、失效规律以及振动响应的复杂性，目前在故障振动机理、信号特征分析、故障诊断以及动态可靠性评估等方面尚存在若干关键问题亟待解决。本项目通过动力学建模仿真分析，揭示太阳轮、行星轮、齿圈、行星架、轴承和输入输出轴等主要零部件的故障振动机理；针对振动信号的复杂多分量时变调制特点，研究基于局部均值分解的信号分析新方法，有效提取故障征兆和健康状态信息；针对数据驱动的故障诊断中特征量的高维问题，研究特征排序准则和选择方法以及智能分类算法，以提高故障和损伤程度辨识能力；针对行星齿轮传动系统复杂的失效模式和退化规律，研究其动态可靠性建模及预测技术，以预示和保障系统的运行可靠性。本项目研究重大技术装备与重大设施寿命预测共性基础研究中的重要科学问题，将为解决行星齿轮传动系统的性能监测、故障诊断与预示问题提供新思路和新方法，具有重要的科学意义和工程价值。

行星齿轮箱是重大技术装备中广泛应用的重要部件，利用状态监测手段进行故障诊断及动态可靠性评估是保障系统安全可靠运行和降低全寿命周期运维成本的有效手段。然而，特殊的物理结构和复合运动形式导致了行星齿轮箱在故障机理、失效规律以及动态响应方面具有复杂性，这对正确建立动态响应与故障信息、动态可靠性之间的关联关系带来了挑战。本项目以行星齿轮箱中的太阳轮、行星轮、齿圈和轴承等典型零部件为研究对象，采用了动力学、现代信号处理、最优化理论、随机过程、人工智能和可靠性理论等分析方法，结合了仿真分析、故障试验和工程数据，主要开展了以下研究工作：1）针对故障机理方面，以时变啮合刚度为切入点，基于势能法建立了点蚀、裂纹等行星轮齿典型故障模式与动态响应之间的动力学模型，分析了配合误差对动力学特性的影响，为行星轮齿故障诊断提供了正向的逻辑关系依据；2）针对动态响应分析方面，重点解决了振动信号时变调制的问题，发展了局部均值分解、变分模态分解、固有时间尺度分解等时频联合解调分析方法，发展了形态学滤波、基于谱负熵的频带选择、准确度谱图、Vold-Kalman阶次跟踪技术等定转速和变转速下的滤波方法，这些研究为正确解析故障信息奠定了基础；3）针对故障诊断方面，提出了潮汐频率、边频带能量比、瞬时相位熵等新型故障诊断指标，在此基础上，发展了高维故障特征评价与选择方法，建立了基于数据驱动的故障特征与典型零部件故障模式和程度之间的关联关系模型，并研究了模型的参数优化问题；4）针对动态可靠性评估方面，提出了基于健康状态评估的剩余寿命预测模型，进而考虑特定个体系统的随机行为，提出了利用系统级观测数据的多状态系统动态可靠性评估方法，建立了动态响应与动态可靠性之间的关联关系。综上所述，本项目研究了重大技术装备寿命预测共性基础研究中的重要科学问题，为解决行星齿轮箱的故障诊断和可靠性评估提供了新思路和新方法，具有重要的科学意义和工程价值。