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機(jī)械原理
基于局部平均分解的階次跟蹤分析及其在齒輪故障診斷中的應(yīng)用
Junsheng Cheng, Kang Zhang, Yu Yang
關(guān)鍵詞：
階次跟蹤分析 局部平均分解 解調(diào) 齒輪 故障診斷
摘要：
局部平均分解(LMD)是一種新的自適應(yīng)時(shí)頻分析方法,這種方法特別適合處理多分量的調(diào)幅信號(hào)和調(diào)頻(AM-FM)信號(hào)。通過(guò)使用LMD方法,可以將任何復(fù)雜的信號(hào)分解為一系列的產(chǎn)品功能PF分量(PFs),每個(gè)PF分量都是純調(diào)頻信號(hào)和包絡(luò)信號(hào)的乘積，且通過(guò)純調(diào)頻信號(hào)可以獲得具有物理意義的瞬時(shí)頻率。從理論上講,每個(gè)PF分量都是一個(gè)單分量的AM-FM信號(hào)。 因此,可以將LMD的過(guò)程看作是信號(hào)解調(diào)的過(guò)程。齒輪發(fā)生故障時(shí),振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)明顯的AM-FM特征。因此，針對(duì)齒輪升降速過(guò)程中故障振動(dòng)信號(hào)為多分量的調(diào)制信號(hào)，以及故障特征頻率隨轉(zhuǎn)速變化的特點(diǎn)，提出了一種基于LMD和階次跟蹤分析的齒輪故障診斷方法。齒輪箱的故障診斷實(shí)驗(yàn)表明本文提出的方法能有效地提出齒輪故障診斷特征。
1 引言
齒輪傳動(dòng)是機(jī)械設(shè)備中常見的傳動(dòng)方式, 故對(duì)齒輪進(jìn)行故障診斷具有重要意義。
齒輪故障診斷的關(guān)鍵一步是故障特征的提取。一方面，傳統(tǒng)的齒輪故障診斷方法的重點(diǎn)在一個(gè)固定的旋轉(zhuǎn)速度檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析。 而齒輪作為一種旋轉(zhuǎn)部件, 其升降速過(guò)程的振動(dòng)信號(hào)往往包含了豐富的狀態(tài)信息, 一些在平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)不易反映的故障特征在升降速過(guò)程中可能會(huì)充分地表現(xiàn)出來(lái)[1],此外，來(lái)自齒輪振動(dòng)信號(hào)的暫態(tài)過(guò)程中，速度依賴性總是顯示非平穩(wěn)特征。如果頻譜分析直接應(yīng)用于非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)，混頻將不可避免的發(fā)生，這將對(duì)故障特征提取帶來(lái)不良影響。在以往的研究中，為了跟蹤技術(shù)，通常利用振動(dòng)信號(hào)中添加旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸轉(zhuǎn)速信息，已經(jīng)成為一個(gè)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷[2,3]的重要途徑。從本質(zhì)上講，階次跟蹤分析技術(shù)可以在時(shí)域非平穩(wěn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成角域靜止，可以突出的旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)的振動(dòng)信息和抑制無(wú)關(guān)的信息。因此，階次跟蹤分析是在助跑過(guò)程中齒輪的故障特征提取和運(yùn)行了一個(gè)可取的方法
另一方面，當(dāng)發(fā)生故障的齒輪振動(dòng)信號(hào)，拿起在運(yùn)行和運(yùn)行過(guò)程中始終存在的振幅特性調(diào)制和頻率調(diào)制（AM–FM）。為了提取齒輪故障振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制特征，解調(diào)分析是最流行的方法之一[ 4,5 ]。然而，傳統(tǒng)的解調(diào)方法，如希爾伯特變換解調(diào)和傳統(tǒng)包絡(luò)分析有其自身的局限性[ 6 ]。這些缺點(diǎn)包括兩個(gè)方面：（1）在實(shí)踐中大多數(shù)的齒輪故障振動(dòng)信號(hào)都是多組分是–調(diào)頻信號(hào)。這些信號(hào)，在傳統(tǒng)的解調(diào)方法，他們通常是通過(guò)帶通濾波器分解成單組分是–調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)，然后提取的頻率和振幅信息。然而，這兩個(gè)數(shù)載波頻率的載波頻率成分和幅值都難以在實(shí)踐中被確定，所以帶通濾波器的中心頻率的選擇具有主體性，將解調(diào)誤差和使它提取機(jī)械故障振動(dòng)信號(hào)的特征是無(wú)效的；（2）由于希爾伯特不可避免的窗口效應(yīng)變換，當(dāng)使用希爾伯特變換提取調(diào)制信息，目前的非瞬時(shí)響應(yīng)特性，即，在調(diào)制信號(hào)被解調(diào)以及打破中間部分的兩端會(huì)再次產(chǎn)生調(diào)制，使振幅指數(shù)衰減的方式得到的波動(dòng)，然后解調(diào)誤差將增加[ 7 ]。為了克服第一個(gè)缺點(diǎn)，一個(gè)合適的分解方法應(yīng)尋找獨(dú)立的多分量信號(hào)為多個(gè)單組分是–調(diào)頻信號(hào)的包絡(luò)分析之前。由于EMD（經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）自適應(yīng)復(fù)雜多分量信號(hào)分解為一系列固有模態(tài)函數(shù)（IMF）的瞬時(shí)頻率的物理意義[ 8,9 ]，基于EMD的階比跟蹤方法已廣泛應(yīng)用于齒輪故障診斷[ 13 ]。然而，仍然存在許多不足之處[ 14 ]，如在EMD的端點(diǎn)效應(yīng)和模態(tài)混 [ 15 ]，仍在進(jìn)行。此外，對(duì)原信號(hào)通過(guò)EMD分解，產(chǎn)生了由希爾伯特變換（上面提到的）缺點(diǎn)是不可避免的在IMF進(jìn)行希爾伯特變換的包絡(luò)分析。此外，有時(shí)無(wú)法解釋的負(fù)瞬態(tài)頻率時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)頻率計(jì)算每個(gè)IMF進(jìn)行希爾伯特變換[ 16 ]
局部均值分解（LMD）是一種新型的解調(diào)分析方法，特別適合于處理多組分的幅度調(diào)制和頻率調(diào)制（AM–調(diào)頻）信號(hào)[ 16 ]。用LMD，任何復(fù)雜的信號(hào)可以分解成許多產(chǎn)品功能（PFS），每一種產(chǎn)品的包絡(luò)線信號(hào)（獲得直接由分解）的PF瞬時(shí)振幅可以得到一個(gè)純粹的頻率調(diào)制信號(hào)從一個(gè)良好定義的瞬時(shí)頻率可以計(jì)算。在本質(zhì)上，每個(gè)PF正是一種單組分我–調(diào)頻信號(hào)。因此，LMD的程序可以，事實(shí)上，作為解調(diào)過(guò)程。調(diào)制信息可以通過(guò)頻譜分析的瞬時(shí)振幅（包絡(luò)信號(hào)，直接獲得通過(guò)分解）每個(gè)PF分量進(jìn)行希爾伯特變換，而不是由PF分量。因此，當(dāng)LMD和EMD方法分別應(yīng)用到解調(diào)分析，與EMD，LMD的突出優(yōu)點(diǎn)是避免希爾伯特變換。此外，LMD迭代過(guò)程中所采用的手段和當(dāng)?shù)氐姆炔黄交牡胤接肊MD的三次樣條的方法，這可能帶來(lái)的包絡(luò)的誤差和影響的精度瞬時(shí)頻率和振幅。此外，與EMD端點(diǎn)效應(yīng)相比并不明顯，因?yàn)樵贚MD方法更快的速度和算法的迭代次數(shù)更少[ 17 ]。
基于以上分析，階次跟蹤和解調(diào)技術(shù)，LMD最近的發(fā)展，科學(xué)相結(jié)合，并應(yīng)用于齒輪故障診斷過(guò)程中各軸速度。首先，訂單跟蹤技術(shù)被用于將從時(shí)間域的齒輪振動(dòng)信號(hào)角域。其次，分解角域重采樣信號(hào)的PF系列LMD，因此組件和相應(yīng)的瞬時(shí)振幅和瞬時(shí)頻率可以得到的。最后，進(jìn)行頻譜分析的故障信息含有顯性PF分量的瞬時(shí)幅值。從實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)信號(hào)，表明該方法能有效地提取故障特征和分類準(zhǔn)確齒輪工作狀態(tài)的分析結(jié)果。
本文的組織如下。第2節(jié)是一個(gè)給定的LMD方法理論。在第3節(jié)中的齒輪故障診斷方法中，以技術(shù)和LMD跟蹤相結(jié)合的提出和實(shí)踐應(yīng)用表明，提出的方法。此外，LMD和基于EMD的比較也在第3節(jié)提到了基礎(chǔ)的方法。最后，我們得出了第4部分的結(jié)論。
2 LMD 方法
LMD方法的本質(zhì)是通過(guò)迭代從原始信號(hào)中分離出純調(diào)頻信號(hào)和包絡(luò)信號(hào),然后將純調(diào)頻信號(hào)和包絡(luò)信號(hào)相乘便可以得到一個(gè)瞬時(shí)頻率具有物理意義的PF分量,循環(huán)處理直至所有的PF分量分離出來(lái)對(duì)任意信號(hào)x(t),其分解過(guò)程如[16]:
( 1) 確定原始信號(hào)第i個(gè)局部極值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,計(jì)算相鄰兩個(gè)局部極值和的平均值
(1)
將所有平均值點(diǎn)mi在其對(duì)應(yīng)的時(shí)間段[,]內(nèi)伸一線段,然后用滑動(dòng)平均法進(jìn)行0平滑處理,得到局均值m11(t) 。
( 2) 采用局部極值點(diǎn)計(jì)算局部幅值 :
=| -|/2 (2)
將所有局部幅值點(diǎn)ai在其對(duì)應(yīng)的時(shí)間段[,]內(nèi)伸成一條線段,然后采用滑動(dòng)平均法進(jìn)行平滑處理,得到包估計(jì)函數(shù)a11(t) 。
( 3) 將局部均值函數(shù)m11(t)從原始信號(hào)x(t)中分離來(lái), 即去掉一個(gè)低頻成分,得到
h11(t)=x(t)-m11(t) (3)
( 4)用h11(t)除以包絡(luò)估計(jì)函數(shù)A11( t)以對(duì)h11(t)進(jìn)行解調(diào),得到
s11(t)=h11(t)/A11(t) (4)
對(duì)s11( t)重復(fù)上述步驟便能得到s11(t)的包絡(luò)估計(jì)函數(shù)A12(t),若A12(t)不等于1,則s11( t)不是一個(gè)純調(diào)頻信號(hào)需要重復(fù)上述迭代過(guò)程n次,直至s1n(t)為一個(gè)純調(diào)頻信號(hào),即 s1n(t)的包絡(luò)估計(jì)函數(shù) A1(n+1)(t)=1,所以,有
(5)
(6)
為理論上, 迭代終止的條件
(7)
在實(shí)踐中,一種變體δ會(huì)提前確定。如果1?δ≤a1(n + 1)(t)≤1 +δand?1≤s1n(t)≤1,然后迭代過(guò)程將停止
( 5) 把迭代過(guò)程中產(chǎn)生的所有包絡(luò)估計(jì)函數(shù)相乘便可以得到包絡(luò)信號(hào)( 瞬時(shí)幅值函數(shù)) :
（8）
( 6) 將包絡(luò)信號(hào)A1(t)和純調(diào)頻信號(hào)s1n(t)相乘便可以得到原始信號(hào)的第一個(gè)PF分量:
PF1(t）=a1(t)s1n(t) ( 9)
PF1(t)包含了原始信號(hào)中頻率值最高的成分,是一個(gè)單分量的調(diào)幅-調(diào)頻信號(hào),PF1(t)的瞬時(shí)幅值就是包絡(luò)信號(hào)A1(t),PF1(t)的瞬時(shí)頻率f1(t)則可由純調(diào)頻信號(hào)s1n(t)求出,即:
(10)
( 7)將第一個(gè)PF分量PF1(t)從原始信號(hào)x(t)中分離出來(lái), 得到一個(gè)新的信號(hào)u1(t),將u1( t)作為原始數(shù)據(jù)重復(fù)以上步驟,循環(huán)k次,直到 uk為一個(gè)單調(diào)函數(shù)為止,即:
(11)
原始信號(hào)x(t)能夠被所有的PF分量和uk重構(gòu),即:
(12)
產(chǎn)品功能p的數(shù)量在哪里.此外,相應(yīng)的完整的時(shí)頻分布可以通過(guò)組裝瞬時(shí)幅度和瞬時(shí)頻率的PF組件。
3 基于階次跟蹤分析與 L M D 的齒輪故障診斷
3.1 階次跟蹤分析
階次跟蹤分析首先根據(jù)參考軸的轉(zhuǎn)速信息對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行等角度重采樣, 將時(shí)域非平穩(wěn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為角域平穩(wěn)信號(hào), 再對(duì)角域平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行譜分析得到階次譜。階次跟蹤分析能夠提取信號(hào)中與參考軸轉(zhuǎn)速有關(guān)的信息, 同時(shí)抑制與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的信號(hào), 因此非常適合分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械在變轉(zhuǎn)速過(guò)程下的振動(dòng)信號(hào)。實(shí)現(xiàn)階次跟蹤分析技術(shù)的關(guān)鍵在于, 如何實(shí)現(xiàn)被分析信號(hào)相對(duì)于參考軸的等角度重采樣, 即階次重采樣。常用的階次重采樣方法有硬件階次跟蹤法[ 6]、計(jì)算階次跟蹤法[ 7]和基于瞬時(shí)頻率估計(jì)的階次跟蹤法[ 8]等。硬件階次跟蹤法直接通過(guò)專用的模擬設(shè)備實(shí)現(xiàn)信號(hào)的等角度重采樣,實(shí)時(shí)性好,但只適用于軸轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定的情況,且成本很高;基于瞬時(shí)頻率估計(jì)的階次跟蹤法不需要專門的硬件設(shè)備,無(wú)需考慮硬件安裝問(wèn)題,且成本較低, 但是不適用于分析多分量信號(hào),而實(shí)際工程信號(hào)大多為多分量信號(hào), 因此其實(shí)際應(yīng)用意義不大;COT法通過(guò)軟件的形式實(shí)現(xiàn)等角度重采樣,分析精度高, 對(duì)被分析的信號(hào)沒有特別的要求,并且無(wú)需特定的硬件, 因此是一種應(yīng)用廣泛的階次跟蹤分析方法。
根據(jù)試驗(yàn)條件采用COT法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的階次重采樣,其具體步驟如下:
1. 對(duì)振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)分兩路同時(shí)進(jìn)行等時(shí)間間隔(間隔為$t)采樣,得到異步采樣信號(hào);
2. 通過(guò)轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)算等角度增量 $H 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列ti ;
3. 根據(jù)時(shí)間序列ti的值,對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行插值,求出其對(duì)應(yīng)的幅值,得到振動(dòng)信號(hào)的同步采樣信號(hào),即角域平穩(wěn)信號(hào);
4.使用LMD分解平衡角重采樣信號(hào),因此sPF系列組件和相應(yīng)的瞬間振幅和瞬時(shí)頻率可以獲得
5.光譜分析應(yīng)用于每個(gè)PF的瞬時(shí)振幅組件,然后我們有訂單譜
3.2 齒輪故障診斷實(shí)例
升降速過(guò)程中的齒輪故障振動(dòng)信號(hào)通常是多分量的調(diào)幅-調(diào)頻信號(hào),并且故障特征頻率會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的變化而改變。針對(duì)升降速過(guò)程齒輪故障振動(dòng)信號(hào)的這些特點(diǎn), 提出了基于階次跟蹤分析和 LM D 的齒輪故障診斷方法。首先采用階次跟蹤分析將齒輪升降速過(guò)程的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成角域平穩(wěn)信號(hào);然后對(duì)角域信號(hào)進(jìn)行LMD分解,得到一系列PF分量,以及各個(gè)PF分量的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率; 最后對(duì)各個(gè)PF分量的瞬時(shí)幅值進(jìn)行頻譜分析,便可以有效地提取出齒輪故障特征。為了驗(yàn)證方法的正確性,在旋轉(zhuǎn)機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了齒輪正常和齒根裂紋兩種工況的試驗(yàn)。該系統(tǒng)中, 電機(jī)輸入軸齒輪齒數(shù)z1=55, 輸出軸齒輪齒數(shù)z2 = 75。在輸入軸齒輪齒根上加工出小槽,以模擬齒根紋故 障, 因此齒輪嚙合階次xm=55,故障特征階次xc=1。圖1和圖2所示分別為由轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的輸入軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速n(t),以及由振動(dòng)傳感器測(cè)得的齒輪故障 振動(dòng)加速度a(t),其中采樣頻率為8192H z,采樣時(shí)間為20s從圖1可以看出,輸入軸轉(zhuǎn)速首先從150r/min逐漸加速至1410r/min, 然后再減速到820r/min,而加速度信號(hào)的幅值也隨著作出了相應(yīng)的變化。不失一般性,截取圖2中5~ 7s升速過(guò)程的信號(hào) a1(t)進(jìn)行分析。
圖 1 輸 入軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速 n ( t )
圖 2 齒輪故障振動(dòng)加速度信號(hào) a( t )
值在秩序O=55和O=110相應(yīng)的齒輪嚙合秩序和雙。因此這意味著頻率混淆現(xiàn)象已經(jīng)在很大程度上消除。然而,為j1(θ)仍然是一個(gè)多個(gè)組件MA-MF信號(hào)。因此,一邊頻帶反映故障特征頻率模糊。有效地提取故障特征,應(yīng)用LMD j - 1(θ),因此七PF組件和殘?jiān)梢缘玫綀D6所示,這意味著LMD解調(diào)的進(jìn)展。因此,它是可以提取齒輪故障特性,利用頻譜分析的瞬時(shí)振幅PF組件包含主要故障信息。通過(guò)分析,我們知道失敗的主要信息包括在第一個(gè)PF組件。因此,無(wú)花果。7和8給瞬時(shí)振幅a1(θ)的第一個(gè)PF組件PF 1(θ)和相應(yīng)的秩序光譜的a1(θ),很明顯,有不同的光譜峰值在第一順序(O = 1)對(duì)應(yīng)齒輪階次跟蹤功能,符合齒輪的實(shí)際工況。
圖9和圖10顯示轉(zhuǎn)速信號(hào)的n(t)和振動(dòng)加速度信號(hào)的時(shí)域波形s(t)齒輪分別與破碎的牙齒,采樣率為8192 Hz和總樣品時(shí)間是20年代。斷齒故障引入輸入軸上的齒輪與激光切割槽的牙根。首先,一段信號(hào)s1(t)5 s-7年代為進(jìn)一步分析的進(jìn)步是攔截;其次,假設(shè)樣本點(diǎn)每旋轉(zhuǎn)400;第三,角域信號(hào)為j1(θ)圖11所示可以通過(guò)執(zhí)行命令重采樣s1(t);第四,LMD適用于j-1(θ);最后,相應(yīng)的秩序頻譜圖12所示的瞬時(shí)振幅首先PF組件PF 1(θ)可以了,很明顯,有不同的光譜峰值(比在圖8)在第一順序(O = 1)階次跟蹤分析對(duì)應(yīng)于齒輪故障功能,符合齒輪的實(shí)際工況。
同樣的,我們同樣可以做正常的齒輪。轉(zhuǎn)速信號(hào)n(t)和振動(dòng)的時(shí)域波形加速度信號(hào)s(t)的正常齒輪分別列在無(wú)花果。13和14,采樣率為8192 Hz和總樣品時(shí)間是20多歲。在上述相同的方法應(yīng)用于原始信號(hào)圖14所示,結(jié)果無(wú)花果所示。15和16。圖15顯示了角域j - 1(θ)執(zhí)行順序重采樣后的信號(hào)部分(5s-7年代在籌備進(jìn)展)的原始信號(hào)。圖16顯示了相應(yīng)的瞬時(shí)振幅譜第一個(gè)PF組件,很難找到齒輪故障特征,也符合實(shí)際的工作狀態(tài)的裝備。
目前,多組分的另一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)解調(diào)方法AM-FM信號(hào),即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?EMD)存在,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于信號(hào)解調(diào)分析(7、22)。為了比較兩個(gè)EMD方法,取代LMD,我們能做的同樣使用EMD進(jìn)行重采樣信號(hào)無(wú)花果所示。圖4、11和15
圖 3 齒輪故障振動(dòng)加速度信號(hào)的頻譜
圖 4 階次重采樣后的齒輪故障振動(dòng) 加速度信號(hào)
圖5 j1(θ)的階次譜
分別,因此可以獲得一系列國(guó)際貨幣基金組織(IMF)組件。此外,相應(yīng)的瞬時(shí)振幅和國(guó)際貨幣基金組織每個(gè)組件的瞬時(shí)頻率可以通過(guò)希爾伯特變換計(jì)算。通過(guò)分析,我們知道,IMF主要特征信息包含在第一個(gè)組件。因此,只有應(yīng)用于瞬時(shí)頻譜分析第一個(gè)國(guó)際貨幣基金組織(IMF)組件的振幅。無(wú)花果。17日至19日給訂單頻譜對(duì)應(yīng)三種振動(dòng)信號(hào)的破解斷層、斷齒故障和正常的齒輪,分別,很明顯,訂單跟蹤分析基于EMD也可以提取齒輪故障特性,確定齒輪的工作狀態(tài)。盡管EMD和LMD都可以分解原始信號(hào)實(shí)際上,兩種方法之間的差異仍然存在。EMD方法比較,如第一節(jié)中所述,LMD有更多迭代次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn),不明顯的效果和更少的瞬時(shí)頻率的虛假成分,可以使用更多的應(yīng)用在實(shí)踐中。
圖 6 角域信號(hào)j1( θ )的LMD分解結(jié)果
圖 7 PF1(θ)的瞬時(shí)幅值A(chǔ)1(θ)
圖 8 第1個(gè)PF分量的幅值譜
圖 9 輸入軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速 n(t)
圖 1 0 正常齒輪的振動(dòng)加速度信號(hào) a(t)
圖11 階次重采樣后的正常齒輪振動(dòng)加速度信號(hào)j1(θ）
圖 12 第一個(gè)PF分量的幅值譜
圖13 輸入軸轉(zhuǎn)速r(t)正常齒輪前和過(guò)程中
圖圖14 齒輪的振動(dòng)加速度信號(hào)(t)在正常狀態(tài)
圖15 相應(yīng)的振動(dòng)加速度信號(hào)為j1(θ)角域通過(guò)應(yīng)用順序重采樣tos(t)圖14所示。
圖17 第一個(gè)IMF分量的幅值譜
圖 18 第一個(gè)IMF分量的幅值譜
3 結(jié)論
在齒輪故障診斷技術(shù)、階次跟蹤是一個(gè)著名的技術(shù),可用于故障檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)機(jī)器采用振動(dòng)信號(hào)。針對(duì)齒輪故障振動(dòng)信號(hào)的調(diào)制特點(diǎn)在助跑和破敗的和缺點(diǎn)在齒輪經(jīng)?？梢园l(fā)相關(guān)軸轉(zhuǎn)速在瞬態(tài)過(guò)程中,階次跟蹤和技術(shù)LMD相結(jié)合用于齒輪故障診斷。從理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果以下幾點(diǎn)得出結(jié)論:
( 1) 在分析齒輪變轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)時(shí),轉(zhuǎn)速波動(dòng)會(huì)引起頻譜圖出現(xiàn)頻率混疊, 而階次跟蹤分析通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行階次重采樣能夠在很大程度上消除頻率混疊, 使頻譜圖的譜線清晰可讀。
( 2) 齒輪故障時(shí)的振動(dòng)信號(hào)為一多分量的調(diào)幅- 調(diào)頻信號(hào), 采用LMD方法能將其分解為若干個(gè)PF分量之和,同得到各個(gè)PF分量的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率, 實(shí)現(xiàn)了原信號(hào)的解調(diào)。對(duì)含有齒輪故障特征的PF分量的瞬時(shí)幅值進(jìn)行頻譜分析, 能夠準(zhǔn)確地提取出齒輪故障特征信息。
圖19 階次的第一個(gè)國(guó)際貨幣基金組織(IMF)組件的正常使用EMD齒輪
( 3) 對(duì)齒輪正常和齒根裂紋兩種工況的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析,分析結(jié)果表明, 本文方法能夠準(zhǔn)確地反映出齒輪的實(shí)際工況。
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湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告書
題 目：基于pro/E的車床撥叉加工專用銑床夾具設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名 詹 明
學(xué) 號(hào) 11130107
專業(yè)班級(jí) 機(jī)自1101
指導(dǎo)老師 羅 頌 榮
2015年 3 月 25 日
論文（設(shè)計(jì)）題目
基于pro/E的車床撥叉加工專用銑床夾具設(shè)計(jì)
課題目的、意義及相關(guān)研究動(dòng)態(tài)：
一、選題的背景及意義
制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)隨著以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主導(dǎo)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展以“時(shí)間驅(qū)動(dòng)”為特征的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)品更新?lián)Q代的加快、商品需求的多樣化等使制造業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)特別是像撥叉類不規(guī)則零件的加工就出現(xiàn)了重大問(wèn)題在現(xiàn)階段撥叉類零件的加工還沒有達(dá)到現(xiàn)代自動(dòng)化的加工水平。在批量的生產(chǎn)中它的加工工藝還需要人工畫線的方法來(lái)保證其精度而對(duì)工件的裝夾也是通過(guò)人工的方法進(jìn)行的。夾具是制造系統(tǒng)的重要組成部分不論是傳統(tǒng)制造還是現(xiàn)代制造系統(tǒng)夾具都是十分重要的。 因此好的夾具設(shè)計(jì)可以提高產(chǎn)品勞動(dòng)生產(chǎn)率保證和提高加工精度降低生產(chǎn)成本等還可以擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍從而使產(chǎn)品生產(chǎn)在保證精度的前提下提高效率、降低成本。當(dāng)前Pro /Engineer技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)很高的境界 ,它能為產(chǎn)品開發(fā)人員提供更先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段 ,具有形象生動(dòng)、 直觀明了、 快速響應(yīng)等設(shè)計(jì)特點(diǎn) ,其開發(fā)過(guò)程很符合設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思維。三維開發(fā)平臺(tái)的出現(xiàn)和完善 ,為增強(qiáng)企業(yè)的開發(fā)能力、 提高設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量 ,提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。三維開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用和推廣 ,可謂是傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)的一次革命;三維立體設(shè)計(jì)逐步替代傳統(tǒng)的二維平面是必然的趨勢(shì). 因此基于pro/E的車床撥叉加工專用銑床夾具設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
二、國(guó)內(nèi)外研究歷史現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
夾具從產(chǎn)生到現(xiàn)在大約可以分為三個(gè)階段:第一個(gè)階段主要表現(xiàn)在夾具與人的結(jié)合上這一階段的夾具主要是以人為主夾具作為單純的輔助工具使加工過(guò)程趨于完善;第二階段夾具成為人與機(jī)床之間的橋梁夾具的機(jī)能發(fā)生變化它主要用于工件的定位和夾緊。人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到夾具的改進(jìn)可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高加工精度、改善操作者的工作條件和擴(kuò)大機(jī)床的使用范圍所以對(duì)夾具引起了重視;第三階段表現(xiàn)為夾具與機(jī)床的結(jié)合夾具作為機(jī)床的一部分成為機(jī)械加工中不可缺少的工藝裝備。我國(guó)對(duì)撥叉類不規(guī)則零件的加工還處于效率低、加工成本高的階段。特別是像撥叉類不規(guī)則零件的加工還處于落后階段[1-3]。然而在今后的發(fā)展過(guò)程中為加速撥叉類零件的生產(chǎn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作加速工藝裝備的準(zhǔn)備工作以獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果必須重視機(jī)床夾具的標(biāo)準(zhǔn)化系列化和通用化工作。同時(shí)在對(duì)該類零件的設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)大力推廣使用組合夾具、半組合夾具和可調(diào)夾具尤其是成組夾具[4]。隨著數(shù)控機(jī)床組合機(jī)床及其它高效自動(dòng)化機(jī)床的出現(xiàn)夾具的自動(dòng)化程度也得到相應(yīng)的提高它將向著柔性化、集成化方向發(fā)展才能更好的發(fā)揮機(jī)床的作用和提高生產(chǎn)效率[4-6]。
撥叉、撥叉體類零件廣泛用于汽車、拖拉機(jī)、坦克等行走機(jī)械的變速箱中,其工藝裝備的設(shè)計(jì)與制造成本是影響整體成本的一個(gè)重要方面。通常,企業(yè)在加工這類零件時(shí),常常針對(duì)不同零件的不同工序設(shè)計(jì)專門的工裝[5,6]。由于該類零件的多樣性,造成工裝類型多,制造周期長(zhǎng),給企業(yè)帶來(lái)了很大的浪費(fèi)。如果在設(shè)計(jì)工裝時(shí)考慮應(yīng)用成組技術(shù),則可以大大縮短其設(shè)計(jì)和制造周期,減少材料消耗,從而降低制造成本。
Pro/Engineer系統(tǒng)是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC）的產(chǎn)品。PTC公司提出的單一數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)的概念，開發(fā)出來(lái)第三代機(jī)CAD/CAE/CAM產(chǎn)品Pro/Engineer軟件能將設(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，讓所有的用戶能夠同時(shí)進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造工作，即實(shí)現(xiàn)所謂的并行工程[7-9]。
課題的主要內(nèi)容、創(chuàng)新之處：
三、主要研究?jī)?nèi)容
以Pro/E為機(jī)床專用夾具設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)平臺(tái)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)專用夾具的零件設(shè)計(jì)零件和部件的裝配工程圖樣的生成根據(jù)需要可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
1根據(jù)撥叉零件尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算專用夾具體的設(shè)計(jì)參數(shù)。
2利用Pro/E軟件進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)。
4、 創(chuàng)新之處
1選題具有實(shí)際意義符合市場(chǎng)需求
2手段先進(jìn)，利用Pro/E軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
研究方法、設(shè)計(jì)方案：
五、 研究方法
1.主要研究方法資料查詢類比法與導(dǎo)師同學(xué)討論法。
2.本項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵所設(shè)計(jì)的夾具首先應(yīng)滿足以下要求:
第一在未受外力作用時(shí)加工件對(duì)刀具和機(jī)床應(yīng)保持正確的位置即加工件應(yīng)有正確的定位。 第二在加工過(guò)程中作用于加工件上的各種外力不應(yīng)當(dāng)破壞加工件原有的正確定位即對(duì)加工件應(yīng)有正確的夾緊。第三零件的有關(guān)數(shù)據(jù)采集和零件間相互關(guān)系的確定。找一個(gè)典型的分度裝置進(jìn)行反求測(cè)量運(yùn)用Pro/E對(duì)各零部件作造型設(shè)計(jì)采用自下而上的設(shè)計(jì)方法完成零件到部件再到分度裝置。
六、 設(shè)計(jì)方案
夾具方案
設(shè)計(jì)銑床夾具夾具時(shí)，首先應(yīng)考慮滿足加工要求。由于在前面的工序中孔和平面都已經(jīng)加工，并都達(dá)到了一定的精度要求，在加工槽時(shí)我選擇以小頭孔、大頭孔及小頭孔端面來(lái)定位。在小頭孔用一長(zhǎng)銷定位限制了工件的四個(gè)自由度，在小頭孔的端面用一定位環(huán)定位限制了工件的一個(gè)自由度，在大頭孔用一削邊銷定位限制了工件的一個(gè)自由度，在夾具上的一個(gè)長(zhǎng)銷、一削邊銷和一定位環(huán)作為定位機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了典型的一面兩銷定位，零件被完全定位。夾緊機(jī)構(gòu)我選擇用一個(gè)移動(dòng)壓板，在小頭孔和大頭孔之間的連接板上實(shí)現(xiàn)壓緊。在夾具的頂端用一連接板來(lái)支撐對(duì)刀塊，以保證刀具的位置，來(lái)保證零件的加工精度。
定位方案
由于槽的寬度有公差要求,因此應(yīng)以右端面為主要定位基準(zhǔn).由于鑄件的公差要求較大,利用軸孔的中心軸作為輔助定位基準(zhǔn)時(shí),另外為了防止工件轉(zhuǎn)動(dòng)為限制次自由度應(yīng)該以健限制工件旋轉(zhuǎn)另輔助一左端面為輔助定位防止工件左右移動(dòng)因此為了滿足這些定位要求設(shè)計(jì)壓板結(jié)構(gòu)既可以滿足軸向力的要求又可方便工件的裝夾。
實(shí)體建模
1、撥叉零件的建模
2、夾具體的建模
3、對(duì)刀塊的建模
4、其他零件的建模
5、夾具的裝配
6、支承板的裝配
7、撥叉的裝配
完成期限和預(yù)期進(jìn)度：
七、時(shí)間安排
1．畢業(yè)設(shè)計(jì)調(diào)研階段：（第1~2周）進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí)與=調(diào)研，結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)課題寫出調(diào)研報(bào)告；完成文獻(xiàn)檢索和英文文獻(xiàn)翻譯。
2．畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告階段：（第3～4周）要求完成開題報(bào)告。
3．畢業(yè)設(shè)計(jì)主要工作階段：（第5～13周）完成主體設(shè)計(jì)，并撰寫畢業(yè)論文。
(1)總體方案設(shè)計(jì)與具體設(shè)計(jì)計(jì)算（第5～7周）；
(2)零件圖與裝配圖的三維建模與工程圖樣的繪制（第8～10周）；
(3)設(shè)計(jì)說(shuō)明書的撰寫（第11～13周）。
4．畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯階段：（第14～15周）。
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