约束势随机共振的行星齿轮箱早期故障诊断关键技术方法研究

Due to the complex transmission path of the planetary gearbox and the harsh working environment, the fault characteristics are often difficult to extract. In particular, the early weak faults of planetary gearboxes are more difficult to identify. The stochastic resonance uses noise energy to transfer to a weak signal, weakens part of the noise while enhancing weak fault characteristics, and thus extracts weak faults with a very low signal-to-noise ratio. Based on the existing research results, the authors of this project further developed early fault diagnosis methods for planetary gearboxes based on confining potential stochastic resonance..The main contents are as follows: Firstly, the unsaturated confining potential stochastic resonance model is established to determine the influencing factors of the stochastic resonance characteristics of confining potentials. Secondly, based on the unsaturated confining stochastic resonance model, an underdamped confining potential stochastic resonance model is established to reveal the particle motion law with energy consumption and frequency change in complex environment. Then, establish a delay confining potential stochastic resonance model, study the stochastic resonance of various factors such as the extension of delay, feedback strength, and confining potential model parameters. Finally, this paper proposes an early weak fault diagnosis method for planetary gearboxes with unsaturation, underdamped and delay confining potentials, and is applied to the simulation and verification of planetary gearboxes.

由于行星齿轮变速箱传递路径复杂、工作环境恶劣，故障特征往往难以提取，尤其是行星齿轮箱的早期微弱故障更难以识别。随机共振利用噪声能量向微弱信号转移，在增强微弱故障特征的同时削弱部分噪声，从而提取信噪比极低的微弱故障。. 本项目作者在已有研究成果的基础上，进一步开展基于约束势随机共振的行星齿轮箱早期故障诊断方法研究。主要内容为：首先建立非饱和约束势随机共振模型，确定约束势随机共振饱和特性的影响因素；其次，在非饱和约束势随机共振模型的基础上，建立欠阻尼约束势随机共振模型，揭示复杂环境下具有能量消耗和频率变化的粒子运动规律；然后，建立时延约束势随机共振模型，研究时延长度、反馈强度以及约束势模型参数等多种因素协同作用的随机共振；最后，提出非饱和、欠阻尼和时延约束势的行星齿轮箱早期微弱故障诊断方法，并应用于仿真和行星齿轮箱的实验验证。

本课题针对传统随机共振方法的不足，提出相应的解决方案，最后将所提方法应用于机械设备的微弱故障信号诊断。本课题的研究内容主要包括以下几个方面：（1）针对双稳随机共振的饱和特性，提出一种新的分段线性非饱和随机共振势模型，以期提高微弱信号增强效果;（2）针对当前传统的欠阻尼随机共振故障诊断方法势模型结构单一，参数匹配容易陷入局部寻优问题，提出一种新的多参数约束势欠阻尼随机共振故障诊断方法，通过多个轴承实验样本验证了所提方法的优越性，并将所提方法应用于轧机齿轮箱的实验验证；（3）针对复杂工程中噪声强度较大且势函数优化参数过多，造成非线性系统不稳定且响应时间过长的问题，提出了一种周期势欠阻尼随机共振系统微弱故障诊断方法。通过仿真、齿轮箱磨损、裂纹、缺齿及断齿实验均验证了所提方法的有效性，同时，将所提方法应用于轧机齿轮箱的齿轮磨损实验验证；（4）针对随机共振系统的粒子振动处于理想化状态，提出了时延周期非正弦随机共振对微弱故障诊断方法，在传统随机共振基础上引入周期非正弦势模型，研究了时延项与结构参数对系统输出的影响；（5）针对时延系统的参数匹配问题，提出了一种时延约束势随机共振的故障信号检测方法。研究了系统参数、时延长度和反馈强度对信噪比和噪声强度关系的影响，其次利用参数优化算法，实现了随机共振系统的最佳匹配，对齿轮箱轴承信号的仿真验证以及实验验证和工程验证，并与传统随机共振方法的输出结果进行对比；（6）提出了一种时延欠阻尼三稳态随机共振系统，该方法通过了仿真和轴承验证，将其与时延随机共振系统和欠阻尼随机共振系统的处理结果进行比较，以验证所提出的方法具有更高的信噪比和可靠性。本课题的意义旨在保证机械设备的健康监测以及强噪声背景条件下的微弱故障诊断，确保机械设备实现早期的故障识别，从而提高生产效益。