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时变载荷下齿轮衰变过程的早期诊断
RaynaldGuilbaulta, Seacute;bastienLalondeb
摘要：
本研究开发了一种齿轮诊断程序，用于检测在时变载荷作用下演变的多重和并发退化过程。该过程不是在描述符和警报级别之间进行常规比较，而是将其检测策略基于描述符演化跟踪; 持续的描述符增加表示存在正在进行的降解机制该程序适用于频域准备的时域残差信号，并接受任何齿轮条件作为参考。为了提取负载波动的影响，程序集成了一个比例因子。本研究首先进行了一个简化，假设负载和动态响应幅度之间的线性关系。然而，虽然通常很有价值，但与大负载变化相关的精度损失可能掩盖微小缺陷的贡献。为了更好地反映真实的非线性关系，本文重新计算比例因子; 指数值为0.85的产生负载效应提取的显着改进。为了减少剩余振荡的后果，该过程还包括一个过滤阶段。在验证程序期间，假设磨损深度和摩擦力之间的相称关系的合成磨损进程确保了表面退化影响的受控演变，而角焊缝裂纹增长完全由操作条件决定。全球范围内，测试条件证明最终策略能够准确监测共存的孤立损坏和一般表面恶化，并且其跟踪检测能力不受外部负载的严重时间变化的影响。该程序立即检测到存在不断变化的异常现象。测试表明描述符曲线形状实际上描述了叠加在裂纹长度演变上的恒定磨损进程。在牙齿断裂处，残余信号的平均值显示出强烈的扰动，而在该事件发生后，监测曲线继续指示正在进行的磨损过程。
关键词：
齿轮、时变载荷、裂纹检测、裂缝监测、磨损检测、磨损监测
1. 简介和文献调查
一个正常的齿轮传动系统的动态响应取决于传动结构以及其运行条件：速度，载荷和润滑性能。而且，由于系统退化最终会影响原始响应，所以动态签名监视应该代表一个简单的故障检测途径。然而，在实践中，对全球行为的退化贡献往往难以察觉，特别是在损害进展的早期阶段。因此，文献提供了丰富的论文来开发或评估故障指标和检测方法。
参考文献[1-4]叙述了更常用的监测方法。尽管大多数表现出良好的总体反应能力，但大多数常见指标呈现的反应水平是损害类型的函数。 一些参数确实旨在检测孤立的损害，而另一些则针对一般的表面退化[5,6]。 在全世界，几乎所有人都会根据从时间同步平均后获得的振动信号中提取的信息产生来预测结果[7]。但他们也忽略负载变化的影响。因此他们认为，振动信号的任何波动都应该来自恶化的演变。 这种内在假设可能会导致误报检测错误。
Wang研究了参考文献中的负载变化问题[7]。作者采用了一些先进的技术，目的是在可变负载条件下提高检测精度。他评估和比较了小波分析，共振解调和自回归建模方法，并得出结论认为，由于所需的最小先验知识，自回归方法可能是车载诊断系统的最佳技术。后来，Wang等人[8]基于小波变换的幅度引入了一种新的度量方法来检测变化载荷下的早期故障进展。他们表明，即使没有负载波动的实际整合，所提出的参数实际上能够消除它们对残余信号的影响。大约在同一时间，Bartelmus和他的合作者发表了一系列文章[9-11]对在时变条件下运行的变速箱进行诊断。他们证明了变速箱对负载变化的响应取决于其状态[9]。他们还特别强调[10]一个可靠的诊断策略必须真正考虑到外部负载。他们提出的诊断程序评估了一个线性回归的斜率变化，该线性回归拟合了变速箱在不同运行条件下的动态响应; 该检测结果来自与在相同条件范围内运行的等效健康齿轮箱的直接比较。该程序与Cempel等人提出的方法有一些相似之处[12]，其中分析的特征被重新缩放到标准负载条件。
在最近的文献中[13]，我们提出了一种简单而有效的齿轮齿形裂纹传播检测策略。这种监测方法不是考虑描述符阈值，而是分析描述符响应的演变。该程序首先从齿轮组动态响应中删除参考签名。 参考信号可以在完好的齿轮组上或在任何损坏的条件下测量。对于所研究的案例，该程序被证明对于早期裂纹增长识别是有效的。本文将程序的应用范围扩展到在时变负载下检测多进程和并发退化进程。 除了本地TFC之外，增强版本还应该处理一般的表面变化。
第2节中参考文献TFC监测方法的重要内容[13]。并开发并发衰变过程。时变负荷监测过程最后的方法适用于从数学模型建立的数字错误标注[14]，并扩大了领域[13]，以整合TFC传播。因此，第3节首先简要描述该模型，然后添加处理改变的齿侧面的能力。最后一节说明了在动态响应，齿轮组周期性，伪随机性或单调增加载荷变化下工作的齿轮组中出现的裂纹和表面磨损演变增加的情况下，该过程的检测能力。
2.监测程序
2.1 原始程序
故障检测方法基于齿轮退化增加动态响应内容的前提。因此，斯图尔特[15] 建议通过消除来自时间平均信号的齿啮合分量和相关谐波以形成特征残余振动信号（RS）来准备集中故障签名。 随后的研究工作表明RS证实了缺陷的贡献。 为了更有效地消除与故障进程无关的组件，最近的出版物已经利用简单的时间信号减法。 例如，吴等人的[16] 方法包括从损坏的系统上测量的时间响应信号中减去为完整齿轮组收集的参考信号。 或者，Hong等人[17] 引入了一个由研究传输的振动特性构成的综合估计来代替参考信号。当程序提出时[17] 包括动态时间扭曲以对齐信号，文献中开发的其他技术需要基于物理参考点精确对齐数据。在工业环境中，这种限制引起了实际问题，因此很少实施[17]。 另一方面，我们开发的方法[13] 避免了所需的时间同步，并简单地在频域中建立RS
该过程类似于Boll提出的谱减法技术[18] 用于噪声补偿和语音增强。 然而，尽管传统的语音降噪程序忽略了阶段项[19,20]，本方法解释复杂的信号表示（幅度和相位）; 减法过程对信号的各个实部和虚部进行操作。
该过程涉及以下操作：在开窗操作之后，将参考信号和分析信号转换为其频域表示。由于两组数据之间的不可避免的时间间隔在频域中产生相移，所以首先基于诸如网格频率的共享主成分对齐表示。 之后，从分析的响应中减去参考签名。然后将残余动态传输误差（DTE）信号变换回时域，并将反窗口函数应用于所产生的故障信号。 尽管这种方法是一般的，但在分析中[13]仅考虑DTE估计。与时间逼近相比，该过程通过参考共同频率的简单数字重新定位来取代依赖于物理参考点的时间信号同步。更有意思的是，因为信号减法仅保留由条件演变产生的信息，所以可以针对完整的齿轮对或任何损坏的条件收集参考数据。
文献[13]表明TFC增长导致RS标准差和平均（x）值增加。因此，描述符的正斜率或趋势对应于TFC级数，而空值表示停滞条件。因此，与任何参考条件相比，裂缝进展的开始应该位于持续描述符正斜率的第一个位置。文献[13]也证明，与标准偏差相比，平均值确保了早期的检测结果，并显示更接近损伤大小的演变。
x值由公式(1)，其中NPT是包含在评估中的点数。 另一方面，斜率值通过线性回归的第二项（S）进行评估方程（1）和(2)）。 在由Lambda;疲劳周期块（N\）定义的时间段上的移动线性回归产生描述符趋势的最优跟踪：
(1)
(2)
其中Lambda;对应于考虑的评估点的数量，Di是第i个描述符值，NFCI是第i个疲劳周期数。
2.2改进的程序
该方法的原始版本旨在检测TFC。因此，它固有地假设频谱幅度随着默认进展而增加。但是，扩展的表面磨损可能导致特定频率下的能量减少。 减法过程因此会导致负值。因此，正如在提出的[21]对于语音增强，引入一个地面因子（beta;1）以避免可能的过度减法; 如果Sr（f）和S（f）是参考信号和实际信号，则残差频谱（RSp）由方程(3)。 在本研究中，beta;被设定为10
（3）
外部负载波动会产生几乎相应的振动水平变化，因此会对系统特征造成影响，与许多齿轮降级机制相媲美。因此，所提出的频谱相减似乎与负载波动不相容; 例如，考虑方程(3)，在最大负载期间获得的S\（f）评估会将任何剩余频谱RSp（f）设置为beta;S（f），除非降级重要性超过负载影响。
为了减少负载条件的贡献，Cempel等人[12]假定负载和负载之间存在线性关系观察到“症状”，并定义了一个比例因子Lsf =（1）REF= 1。 在Lsf中，lREF和l分别代表参考负载和实际负载。
实际上，动态响应与施加载荷之间的联系确实不成比例，因为接触刚度[13]和网状阻尼[14]展现与负载的非线性关系。 然而，这些非线性关系对全球行为的最终影响通常仍然很低。 因此，目前的调查也评估了这种线性简化式(3)因此重写如下，其中Lsf中的l和lREF分别表示与S（f）和S\（f）相关的常数值。
（4）
由Lsf引入的简化显然保持了一定程度的RS振荡，可能会在大负载变化下危及故障诊断。 然而，由于目前的诊断方法并不依赖于描述符值达到警报水平，而是依赖于对趋势的评估（方程(2)）应用于重组的描述符时域残留信号，剩余的与负载有关的振荡可以通过移动平均滤波器从描述符响应中滤出。 该滤波器可提供最佳的随机降噪，同时保留尖锐的阶跃响应[22]。RS描述符值首先由多通道移动平均值平滑，然后用公式(2)。过滤过程由等式(5)，其中Df\（t）是第k个滤波的时域剩余信号描述符，并且N是进入平均值的点的数量。 此外，为了避免偏移Df\（t）值，输入数据被对称地选择在滤波后的位置周围。在本研究中，N固定为5，最大过滤通过数为10。
（5）
3.动态模型
3.1 原始模型
参考文献[13,14] 提供了正齿轮动态模型的详细描述。总之，表征将TFC的线性弹性断裂力学分析整合为非直线齿轮组动态行为的非线性模拟;该模型处理传动运动，润滑和多个TFC的传播之间的相互作用。网格刚度由齿面刚度公式计算，该公式综合了裂纹效应并考虑了整个齿轮体，并结合了从赫兹理论导出的接触刚度表达式。虽然该模型也整合了轴承灵活性的贡献，但计算结果见图1[13,14] 都是在完全刚性轴承的假设下实现的，本文也采用这种模式。裂纹扩展预测是从应力强度因子确定的，该应力强度因子是从英国制定的公式计算而来[13]在最大牙齿负载位置。整体网状阻尼结合了三个要素：与齿轮齿不直接相关的阻尼源，齿滞后和与挤压运动相关的润滑剂效应。最后一个元素由润滑剂非牛顿性质，接触载荷和温度控制。 原始版本也忽略了延长的齿接触的影响，并且仅考虑理论接触线。
3.2改进模型
在没有齿面修改的情况下，在任何载荷下发生在理论接触路径之前和之后在齿角处发展的齿接触，并导致被指定为延长的齿接触。尽管延长的齿接触影响了网格的刚度和全局传输运动，但很少有论文研究这个问题。Lin等人发表的文章[23]，Munro等人[24]，He等人[25]，都在其中。文献[23,24]提出了关于齿间距和轮廓误差以及轮廓修正的确切的理论发展，然而[25] 通过有限元接触分析建立数值接触位置。
开发模型的改进版本利用了数字选项，尽管耗时更长，但它提供了更好的多功能性。考虑在时间离散期间访问的每个角位置处的最大五个潜在齿对接触来计算接合齿分离。参考文献[23]证明，考虑到驾驶员或从动装置被固定会产生不同的轮廓间隔，并且平均间隔将更能代表实际情况。然而，为了加速联络线计算，但主要是因为最终的精确增益没有明显的影响，所以整合到模型中的程序仅考虑被动齿轮被固定以及施加在小齿轮上的转矩。
实际上，对于远离齿角的潜在接触点，该程序保持非常快速，但对接近尖端半径和在期望的线性接触路径之外的计算要求更高。为了最大化拐角接触期间的预切，该模型包括基于黄金分段搜索的修改版本的优化策略。然而，这一战略的详细描述似乎超出了本文的范围。最终程序处理任何配置文件更正或降级。
3.3 磨损模拟
文献提供了许多可靠的磨损计算方法。但是，考虑到本文的目标，将磨损预测程序纳入本分析当然是不明智的。另一方面，完美控制和可预测的表面退化是必不可少的。在表面磨损的动态影响呈现在[26]。除此之外，其中在静态情况下，进行评估[27]表明最大磨损发生在齿根部分，磨损深度在齿顶部分较小，在
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