基于声发射传播特性与弹性波反演的风机故障诊断研究

本项目针对大型风机安全运行的需要，利用声发射信号对微弱故障敏感、抗干扰能力强等优点，将其应用于风机齿轮箱和叶片的故障检测与识别。通过理论、仿真和实验研究，建立风机齿轮箱和叶片的声发射传播模型，研究不同模态及频率声发射波在复杂结构（齿轮箱）和复合材料（叶片）中的传播特性；在实验研究风机典型故障如转轴裂纹、齿轮裂纹、断齿、轴承损伤、叶片裂纹作用下的声发射多模态组成基础上，建立典型故障的声发射模型，研究不同位置、尺寸及损伤量对声发射特征的影响；研究多模态故障声发射信号通过不同传播界面（包括发生故障和损伤的不规则界面）的模态转换及干涉、耦合作用下的波场分布；通过对波场信息进行多尺度小波变换提取低信噪比条件下的模态信号，反演传播介质中引起物理、力学参数突变的缺陷、不连续分层等具有强散射特征的界面的分布和结构等几何特征，确定声发射源（也就是故障位置）。

本项目针对风电装备安全运行的需要，研究基于声发射技术的风电齿轮箱和叶片的故障诊断。首先，研究了声发射信号在风电装备中的传播特性，建立了声发射信号在结构轴和点接触中的传播模型，使用ANSYS-DYNA仿真研究了声发射信号在轴承和转子系统中的传播特性；基于三维弹性理论对单层碳纤维复合材料层合板相群速度分别进行建模，利用传递矩阵法给出了复合材料层合板的相群速度频散特性。其次，分析了故障和损伤下的声发射故障机理，研究了齿轮箱常见齿轮和轴承故障、复合材料叶片基体开裂、纤维断裂等的声发射信号特征，实验研究了不同模态和频率的声发射信号经过不同位置、尺寸及损伤量的波形特征、传播时间和衰减特性。最后，研究了基于声发射技术的典型故障诊断，通过Morlet小波变化提取了复合材料叶片损伤以及齿轮箱行星轮故障的声发射特征，通过反演获得了故障的位置；研究了碰摩故障的声发射信号特征，并确定了碰摩故障导致的特征频率。本项目共发表论文6篇，其中SCI收录1篇，EI收录4篇，培养博士研究生2人，硕士研究生4人，获得高等学校自然科学奖一等奖1项。