振动信号处理技术在直升机齿轮箱故障诊断中的应用

齿轮箱作为直升机传动系统的核心部件，其故障对直升机飞行安全有着直接威胁，因此，对可能引发灾难性事故的齿轮箱故障进行有效检测对于保障直升机的飞行安全具有重要意义。但是，直升机齿轮箱状态特征信号往往比较微弱，加之工作环境比较恶劣，存在较强的背景噪声，造成齿轮箱状态特征的提取比较困难。因此，提高信号信噪比就成为齿轮箱故障诊断需要研究的关键问题之一。 时域同步平均是提高齿轮箱振动信号信噪比的有效技术。为了提高直升机齿轮箱故障诊断的效果，本文以某型直升机中减速器为试验对象，应用经验模式分解和时频分布分析等处理方法，对时域同步平均技术进行了深入研究，改进了传统的需要时标信号的时域同步平均技术，提高了振动信号信噪比，构建了直升机齿轮箱监控与诊断原型系统。具体地说，论文开展了以下研究工作： 1、针对无时标情况下的振动数据处理问题，分析了基于周期的时域同步平均技术及其固有的相位误差累积效应。定义了相位误差累积因子，用其定量分析了取整运算误差和频率估计误差这两种因素导致相位误差累积效应的机理；研究了相位误差累积因子、信号分量阶次和平均段数等参数对时域同步平均信号幅值的影响规律。 2、针对背景噪声分离问题，研究了经验模式分解对实际信号的有效分解条件。初步建立了有效分解定义；推导了经验模式分解对正弦信号的有效分解条件，并应用于齿轮箱轴承的故障诊断；理论分析表明故障齿轮振动信号分量满足经验模式分解的前提条件，为经验模式分解在齿轮故障诊断中的应用解决了一个关键问题；分析了经验模式分解对调制信号的分解过程，得到了有效分解充分条件。 3、针对振动信号时频信息提取问题，提出了基于经验模式分解的Wigner分布改进方法。对短时傅立叶变换和Wigner分布进行了研究，比较了这两种方法的优缺点；分析了Wigner分布存在的交叉项问题，提出了基于经验模式分解的Wigner分布改进方法。试验表明，这种改进方法可以有效降低Wigner分布交叉项，同时降低来自背景噪声的干扰。 4、针对低信噪比的振动数据处理问题，提出了基于相位估计的时域同步平均方法。利用齿轮振动信号的周期性变化，提出了基于冲击信号Wigner分布的相位估计方法和基于调制信号Wigner分布的相位估计方法，应用基于经验模式分解的Wigner分布改进方法，从振动信号本身提取时标信号用于时域同步平均，并在试验数据基础上对两种相位估计方法进行了比较，提出了基于相位估计的时域同步平均方法。试验结果表明这种方法可以有效减小振动信号背景噪声，增强齿轮状态特征。 5、针对直升机齿轮箱视情维修问题，初步构建了一个直升机齿轮箱监控与诊断原型系统。介绍了系统总体结构，将系统划分为机载监控系统和地面诊断系统；机载监控系统实现信号在线采集，并对严重故障进行告警；地面诊断系统对数据进行进一步