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基于可拓模糊理论的齿轮箱故障诊断研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 齿轮箱故障诊断研究现状

1.2.2 齿轮箱故障诊断技术概况

1.2.3 可拓理论用于故障诊断的研究现状

1.3 主要研究内容和组织结构

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 文章组织结构

第2章 齿轮箱零部件常见失效形式及机理

2.1 齿轮箱中零部件的常见失效形式

2.1.1 齿轮的失效形式

2.1.2 滚动轴承的失效形式

2.1.3 轴的不平衡、不对中和弯曲

2.2 齿轮的振动机理和失效特征分析

2.2.1 齿轮振动机理分析

2.2.2 齿轮的振动信号数学模型

2.2.3 齿轮的典型故障频谱特征

2.3 滚动轴承的振动机理和故障特征分析

2.3.1 滚动轴承振动机理分析

2.3.2 滚动轴承的振动信号模型

2.4 齿轮箱振动信号的处理方法

2.4.1 时域分析

2.4.2 频域分析

2.4.3 小波变换的噪声消除处理

2.5 本章小结

第3章 可拓模糊模型的构建

3.1 可拓基本物元理论

3.1.1 物元模型

3.1.2 物元的可拓性

3.1.3 可拓集合理论

3.1.4 关联函数

3.2 可拓模糊模型的搭建

3.2.1 可拓模糊模型搭建的意义

3.2.2 机械系统的可拓模糊性

3.2.3 可拓模糊诊断原理

3.3 本章小结

第4章 基于PCA特征级融合及熵权的可拓模型优化

4.1 齿轮箱故障诊断PCA特征指标融合

4.1.1 主成分分析

4.1.2 主成分分析的基本原理

4.2 齿轮箱故障诊断的指标权重的确定

4.2.1 指标权重的确定方法选择

4.2.2 基于熵权法的指标权重确定

4.3 可拓模糊故障诊断模型搭建

4.3.1 特征参数指标选择

4.3.2 特征参数权重的确定

4.3.3 可拓模糊模型的判断矩阵建立

第5章 可拓模糊故障诊断模型的实例应用

5.1 齿轮箱振动测试实验台的搭建

5.2 数据采集系统的组成

5.3 齿轮箱故障模拟实验方案

5.3.1 齿轮故障模拟

5.3.2 传感器的测点布置

5.3.3 实验步骤

5.4 齿轮振动信号的特征提取

5.5 基于可拓模糊理论齿轮故障诊断

5.5.1 特征参数的确定

5.5.2 参数权重的确定

5.5.3 用基于可拓模糊模型的齿轮故障诊断

5.6 本章小结

第6章 总结和展望

6.1 论文总结

6.2 论文工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得学术成果

附录

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摘要

齿轮箱作为最常见的机械设备,在工业、农业、交通等各行业都有着广泛的使用空间。齿轮箱机械设备中必不可少的连接及传递动力机构,其工作状态直接关系到整个机械设备的运行状态,因此对齿轮箱的状态评价和故障诊断具有重要的意义。齿轮箱的振动信号中蕴藏着齿轮箱运行状态的大部分信息,当齿轮箱工作状态发生变化时,其振动信号也会发生改变。研究齿轮箱的振动特性,从中提取有效的信号并准确地分析出来,可以对齿轮箱进行状态监测和故障诊断,并采取有效措施排除故障,从而提高齿轮箱的使用安全性和可靠性,降低维修费用,减少不必要的损失。
  可拓理论是近年来迅速发展起来的一种用于解决矛盾问题的方法,其运用可拓物元模型定性地研究特征参数,同时采用可拓集合理论定量地确定特征参数的隶属程度,为解决故障问题的确定提供了一种形式化、模型化、定性和定量相结合的方法。可拓理论与模糊理论相结合可以很好的解决齿轮箱故障中的模糊性、不相容、矛盾的问题,最后通过实验验证了该方法的可行性和有效性。本文的主要研究工作如下:
  首先,本文简要介绍了齿轮箱的组成结构及其主要失效形式,分析了齿轮、滚动轴承的常见故障类型、故障振动信号特征及故障产生机理。
  其次,在了解齿轮箱的振动机理和状态评价的基础上,搭建齿轮箱的故障实验平台,分别对齿轮的正常状态、磨损状态和断齿状态进行模拟,对各种状态下的时域、频域的相关特征参数进行测取。
  最后,建立可拓模糊故障诊断模型,利用主成分分析法选取特征参数,对可拓模糊模型进行优化;利用熵权法对各特征指标权重进行客观地确定,定量地确定特征参数权重。根据实验进行模型的验证,结果证明该方法应用于齿轮箱故障诊断的可行性,从而为机械故障诊断提供了一种新的工具和方法。

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