設(shè)備檢測(cè)-王偉-謝志江

1、研究生課程考核試卷（適用于課程論文、提交報(bào)告）科 目：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷教 師： 謝志江（教 授）20110702095專 業(yè)：機(jī)械電子類另I：（學(xué)術(shù)、專業(yè)）上課時(shí)間:20 12 年 4月至2012 年 7 月考生成績(jī):卷面成績(jī)平時(shí)成績(jī)課程綜合成績(jī)閱卷評(píng)語(yǔ):第一章、齒輪產(chǎn)生嚙合頻率的機(jī)理和齒輪故障診斷的方法1.1激起齒輪振動(dòng)的部分原因1.1.1岡1!度激勵(lì)1.1.2嚙合沖擊51.1.3節(jié)線沖擊5.1.2齒輪故障診斷的方法1.2.1常見(jiàn)的齒輪故障形式6.1.2.2齒輪的振動(dòng)特征6.1.2.3齒輪故障診斷的常用方法1.2.3.1細(xì)化譜分析法7.1.2.3.2倒頻譜分析法7.1.2.3.3邊頻帶

2、分析法第二章、滾動(dòng)軸承故障分析2.1.滾動(dòng)軸承無(wú)故障特征頻率9.2.2.滾動(dòng)軸承有故障特征頻率1.0第三章、風(fēng)電機(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)分析3.1.1知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)1113123.1.2推理機(jī)的結(jié)構(gòu) 3.1.3風(fēng)電機(jī)齒輪箱的結(jié)構(gòu)知識(shí)確定153.2風(fēng)電機(jī)齒輪箱信號(hào)特征值3.2.1風(fēng)電機(jī)齒輪箱監(jiān)測(cè)特征值的選定173.2.2風(fēng)電機(jī)齒輪箱故障特征值的選定213.3專家啟發(fā)知識(shí)的確定223.3.1監(jiān)測(cè)特征值闌值的確定223.3.2標(biāo)準(zhǔn)故障樣本的確定293.4風(fēng)機(jī)的齒輪箱監(jiān)測(cè)與診斷硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.4.1風(fēng)電機(jī)齒輪箱故障診斷專家系統(tǒng)的需求分析313.4.2風(fēng)電機(jī)齒輪箱故障診斷專家系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)31第一章

3、、齒輪產(chǎn)生嚙合頻率的機(jī)理和齒輪故障診斷的方法1、齒輪產(chǎn)生嚙合頻率的機(jī)理嚙合頻率是對(duì)一對(duì)嚙合齒輪而言的，對(duì)單個(gè)齒輪是無(wú)意義的。齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是，嚙合過(guò)程中嚙合點(diǎn)的位置和參與嚙合的齒數(shù)都是周期 性變化的，這就造成了齒輪輪齒的受力和剛度成周期性變化，由此而引起的振 動(dòng)必然含有周期性成分。顯然，齒輪的嚙合沖擊，節(jié)線沖擊，嚙合剛度的變化是周期性的，而這個(gè)周期性變化的頻率，就是轉(zhuǎn)速頻率f與齒數(shù)Z的乘積（每秒的變化圈數(shù)由轉(zhuǎn)速頻率定，每圈的變化次數(shù)由齒數(shù)定，乘積就是每秒的變化次 數(shù)），也就是嚙合頻率fz，即fc站也齊60z2式中，fr-齒輪的轉(zhuǎn)速頻率;Z-齒輪的齒數(shù);n 齒輪轉(zhuǎn)速。對(duì)于沒(méi)有缺陷的正常齒輪，剛度

4、的周期性變化、嚙合沖擊及接線沖擊是其振動(dòng)的主要激勵(lì)。1.1激起齒輪振動(dòng)的部分原因1.1.1剛度激勵(lì)齒輪的嚙合剛度是指整個(gè)嚙合接觸區(qū)中參與嚙合的各對(duì)輪齒的綜合剛度。單對(duì)輪齒的等效剛度為K1K2K1K2式中K1、K2主動(dòng)輪和被動(dòng)輪的單齒剛度剛度的變化主要有兩個(gè)方面：一是在齒高方向隨著嚙合位置的變化,參與嚙合的單一輪齒的剛度發(fā)生了變化；二是參加嚙合的齒數(shù)隨時(shí)間作周期性變化。例如對(duì)于重合度在1到2之間的漸開(kāi)線直齒輪，在節(jié)點(diǎn)附近是單齒嚙合，在節(jié)線兩側(cè)單部位開(kāi)始至齒頂、齒根區(qū)段為雙齒嚙合。顯然,在雙齒嚙合時(shí)，整個(gè)齒輪的載荷由兩個(gè)齒分擔(dān)，故此時(shí)齒輪的嚙合剛度就較大；同理，單齒嚙合時(shí)嚙合剛度較小。從一個(gè)輪齒開(kāi)

5、始進(jìn)入嚙合到下一個(gè)輪齒進(jìn)入嚙合，齒輪的嚙合剛度就變化一次。嚙合剛度的變化頻率與齒輪的嚙合頻率相等，說(shuō)明嚙合剛度的變化是嚙合頻率產(chǎn)生機(jī)理之一。1.1.2嚙合沖擊齒輪在嚙合過(guò)程中，由于輪齒承載產(chǎn)生彈性變形， 使得輪齒進(jìn)入嚙合點(diǎn)和退出嚙合點(diǎn)與理論值發(fā)生偏差，因而在進(jìn)入嚙合和退出嚙合時(shí)均會(huì)發(fā)生嚙合沖擊，嚙合沖擊的頻率與嚙合頻率相等。說(shuō)明嚙合沖擊也是嚙合頻率產(chǎn)生機(jī)理之一。1.1.3節(jié)線沖擊齒輪在嚙合過(guò)程中，輪齒表面既有相對(duì)滾動(dòng)又有相對(duì)滑動(dòng)。對(duì)于主動(dòng)輪，嚙合點(diǎn)從齒根移向齒頂，嚙合半徑逐漸增大，速度增高，而從動(dòng)輪則恰好相反。主動(dòng)輪和從動(dòng)輪在嚙合點(diǎn)上的速度差異形成了兩者之間的滑動(dòng)。在齒根部分，主動(dòng)輪上嚙合點(diǎn)的

6、速度小于從動(dòng)輪，因此滑動(dòng)方向向下；而在齒頂部分，主動(dòng)輪上嚙合點(diǎn)的速度大于從動(dòng)輪，因此滑動(dòng)方向向上；在節(jié)線處，兩輪上嚙合點(diǎn)的速度相等，相對(duì)滑動(dòng)速度為零。因此摩擦力在接線處改變了方向，形成了節(jié)線沖擊。有節(jié)線沖擊的形成原理可知，節(jié)線沖擊的頻率也與嚙合頻率相等。說(shuō)明節(jié)線沖擊也是嚙合頻率產(chǎn)生機(jī)理之一。1.2、齒輪故障診斷的方法齒輪及齒輪箱在機(jī)械設(shè)備中是一種非常關(guān)鍵的零部件，這種零部件非常通用，齒輪及齒輪箱主要是起鏈接和傳遞動(dòng)力的作用。齒輪在工作過(guò)程中，齒輪、軸承和軸都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，當(dāng)振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生了不同形式的變化時(shí)，則預(yù)示著零 件可能發(fā)生了故障。振動(dòng)信號(hào)一般都會(huì)攜帶運(yùn)行狀態(tài)信息，利用這些運(yùn)行狀態(tài) 信息進(jìn)

7、行故障模式的識(shí)別是機(jī)械故障診斷中常用的方法。而這些方法中所用到 的信號(hào)處理的主要數(shù)學(xué)工具有傅立葉變換、小波變換、相關(guān)分析等。隨著工程 應(yīng)用和科學(xué)研究的不斷提高，所涉及到的監(jiān)測(cè)診斷問(wèn)題日趨復(fù)雜和困難。1.2.1.常見(jiàn)的齒輪故障形式通常齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于操作維護(hù)不善或制造不良會(huì)產(chǎn)生各種形式的故障。而故障形式又隨運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、熱處理、齒輪材料等因素的不同而不同，常見(jiàn)的齒輪故障形式有齒面接觸疲勞和彎曲疲勞與斷齒、齒面膠合和擦傷、齒面磨損等。1.2.2齒輪的振動(dòng)特征在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，隨著內(nèi)部故障的發(fā)生和發(fā)展，必然會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)上的異 常。經(jīng)實(shí)踐證明，振動(dòng)分析在齒輪故障檢測(cè)的方法中是一種最有效的方法。若齒 輪副

8、主輪轉(zhuǎn)速為m,齒數(shù)為Z1 ,頻率為fi；從輪轉(zhuǎn)速為門2,齒數(shù)為Z2,頻率為f2,則齒輪嚙合頻率fc為：fc Nf1z, Nf2z2 Nz,N -n2z2。當(dāng)齒輪處于正常或異常60 60狀態(tài)時(shí)，嚙合頻率的振動(dòng)部分及其倍頻總是存在的，但這兩種狀態(tài)下的振動(dòng)水平 是有差異的。如果僅僅依靠對(duì)齒輪振動(dòng)信號(hào)的嚙合頻率和它的倍頻成分的差異 來(lái)判別齒輪的故障是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)楣收蠈?duì)振動(dòng)信號(hào)的影響往往是多方面的 這其中就包括幅值調(diào)制、頻率調(diào)制和其他的頻率成分。1.2.3.齒輪故障診斷的常用方法123.1細(xì)化譜分析法細(xì)化譜分析法是通過(guò)采用頻率細(xì)化技術(shù)來(lái)增加頻譜圖中某些頻段上的頻率 分辨率，即所謂的“局部頻率擴(kuò)展”法

9、。在齒輪故障信號(hào)中，調(diào)制后得到的邊 頻含有豐富的故障信息，但是在一般的頻譜圖上往往又找不出清晰、具體的邊 頻，究其原因是頻譜圖的頻率分辨率太低。頻譜圖上的頻率分辨率則是由譜線 和最高分析頻率決定的，具體關(guān)系為下式:fc / n fs/N式中，f 頻率間隔，即頻率分辨率;fc 分析頻率范圍，即最高分析頻率;米樣頻率，一般取 fs=2.56 fc;n 譜線條數(shù);N 采樣點(diǎn)數(shù)。123.2倒頻譜分析法頻譜圖的幅值有兩種表示方法：一種是以振幅形式表示，稱為幅值譜；另 種以能量形式表示，稱為功率譜。功率譜是用來(lái)研究各頻率成分的能量在頻域上的分布。頻譜圖縱坐標(biāo)的刻度也有兩種表示方法：一種是線性坐標(biāo)，另一種是

10、對(duì)數(shù)坐標(biāo)。線性坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是直觀，缺點(diǎn)是不能同時(shí)顯示數(shù)值相差很大的成分;而對(duì)數(shù)坐標(biāo)恰恰相反，可以同時(shí)顯示出數(shù)值相差很大的頻率成分，但這些成分 之間是不成線性比例關(guān)系的。幅值譜的縱坐標(biāo)為線性坐標(biāo)，功率譜的縱坐標(biāo)一般為對(duì)數(shù)坐標(biāo)。對(duì)數(shù)坐標(biāo) 以分貝dB表示，其定義為A 20lg(A/A)式中，A基準(zhǔn)幅值，常取Ad =1V。1.2.3.3邊頻帶分析法邊頻帶出現(xiàn)的機(jī)理是齒輪嚙合頻率fz的振動(dòng)受到了齒輪旋轉(zhuǎn)頻率fr的調(diào)制 而產(chǎn)生，邊頻帶的形狀和分布包含了豐富的齒面狀況信息。一般從兩個(gè)方面進(jìn)行邊頻帶分析:是利用邊頻帶的頻率對(duì)稱性，找出 fz±nf r的頻率關(guān)系，確定是否為一組邊頻帶。二是比較各次測(cè)量中

11、邊頻帶振幅的變化趨勢(shì)。根據(jù)邊頻帶呈現(xiàn)的形式和間隔，有可能得到以下信息:1 ）當(dāng)邊頻隔為選擇頻率fr時(shí)，可能有齒輪偏心、齒距的緩慢周期變化及載荷的 周期波動(dòng)等缺陷存在，齒輪每旋轉(zhuǎn)1周，這些缺陷就重復(fù)作用一次，根據(jù)選擇 頻率fr可判斷出問(wèn)題齒輪所在的軸。2）齒輪的點(diǎn)蝕等分布故障會(huì)在頻譜上形成類似 1）的邊頻帶，但其邊頻階數(shù)少,而集中在嚙合頻率及其諧頻的兩側(cè)。3）齒輪的剝落、齒根裂紋及部分?jǐn)帻X等局部故障會(huì)產(chǎn)生特有的瞬態(tài)沖擊調(diào)制,在嚙合頻率及其兩側(cè)產(chǎn)生一系列邊頻帶。其特點(diǎn)是邊頻帶階數(shù)多而譜線分散, 由于高階邊頻的互相疊加而使邊頻帶族形狀各異。嚴(yán)重的局部故障還會(huì)使旋轉(zhuǎn) 頻率fr及其諧波成分的振幅增咼。4

12、、齒輪故障信號(hào)的頻域特征齒輪故障時(shí)一些寬頻帶信號(hào)，其頻率成分是十分復(fù)雜的。1）均勻性磨損、齒輪徑向間隙過(guò)大、不適當(dāng)?shù)凝X輪游隙以及齒輪載荷過(guò)大等原因，將增加嚙合頻率和它的諧波成分振幅，對(duì)變頻的影響很小。在恒定載荷下, 如果發(fā)生嚙合頻率和它的諧波成分變化，則意味著齒的磨損、撓曲和齒面誤差 等原因產(chǎn)生了齒的分力（脫嚙）現(xiàn)象。齒輪磨損的特征是：頻譜圖上嚙合頻率及其諧波振幅都會(huì)上升，而高階諧波的振幅增加較多。2）不均勻的分布故障（如齒輪偏心、齒距周期性變化及載荷波動(dòng)等）將產(chǎn)生振幅調(diào)制和頻率調(diào)制，從而在嚙合頻率及其諧波兩側(cè)形成振幅較高的邊頻帶，邊 頻帶的間隔頻率是齒輪轉(zhuǎn)速頻率，該間隔頻率是與有缺陷的齒輪對(duì)

13、應(yīng)的。值得 注意的是：對(duì)于齒輪偏心所產(chǎn)生的邊帶，一般出現(xiàn)的是下邊頻帶成分，即 fz-nfr，上邊頻帶出現(xiàn)的很少。3 ）齒面剝落、裂紋以及齒的斷裂等局部性故障，將產(chǎn)生周期性沖擊脈沖，嚙合 頻率為脈沖頻率所調(diào)制，在嚙合頻率及其諧波兩側(cè)形成一系列邊頻帶，其特點(diǎn) 是邊頻帶的階數(shù)多而分散。而點(diǎn)蝕等分布性故障形成的邊頻帶，在嚙合頻率及 其諧波兩側(cè)分布的邊頻帶階數(shù)少而集中。第二章、滾動(dòng)軸承故障分析2.1滾動(dòng)軸承無(wú)故障特征頻率滾動(dòng)軸承由內(nèi)圈、外圈、保持架、滾動(dòng)體組成。d為滾動(dòng)體直徑，D為軸承節(jié)圓直徑，為接觸角，Z為滾動(dòng)體數(shù)量，fa為軸回轉(zhuǎn)頻率。我們選用角接觸球軸承為例，且假定:1）滾到與滾動(dòng)體之間為純滾動(dòng)接觸

14、;2 ）軸承中各元件均無(wú)受力變形。由上圖得知:rA D(1 dcos2 DrB D(1 cos )2 D內(nèi)環(huán)一外滾道的旋轉(zhuǎn)角速度:fr（即軸的角速度）外環(huán)一內(nèi)滾到的旋轉(zhuǎn)角速度:fa滾動(dòng)體質(zhì)心的公轉(zhuǎn)角速度:fc滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)角速度:fr、fa、fc、fs為各自的旋轉(zhuǎn)頻率,假定外圈-內(nèi)滾道和滾動(dòng)體在A點(diǎn)無(wú)滑動(dòng)接觸，可以得到:AABB2d解方程可得:rAarArBrBrrArB d rArB(從而將角速度轉(zhuǎn)化為了圓頻率:2d(fafr)(1£cOs2D1 2（滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)頻率）（滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)頻率）2.2滾動(dòng)軸承有故障特征頻率(1) 當(dāng)滾動(dòng)體出現(xiàn)缺陷時(shí)滾動(dòng)體每轉(zhuǎn)一周將對(duì)內(nèi)外滾道各沖擊一次，并且隨著缺

15、陷的逐漸增加沖擊d22)r cos )D2d22 )尹0s )d22 ) cos ) D將會(huì)變得更加強(qiáng)烈。那么滾動(dòng)體缺陷特征頻率fb fs g(fa fr)(12d當(dāng)外圈固定，fa= 0，則有fb fr(12d當(dāng)內(nèi)圈固定，fr = 0，則有fb fa(12d(2) 當(dāng)外圈一內(nèi)滾道出現(xiàn)缺陷時(shí)外圈一內(nèi)滾道相對(duì)于滾動(dòng)體質(zhì)心旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，將于每個(gè)滾動(dòng)體各發(fā)生一次沖擊碰撞,因而外圈一內(nèi)滾道的旋轉(zhuǎn)缺陷頻率:fi Z fa fc|計(jì)算得:ficos )D當(dāng)外圈固定,fa =0，則有 fi當(dāng)內(nèi)圈固定,fr = 0，則有 fiZ fa fr|(1-fr(1 cos )2Dzd2fa(1 Dcos )(3)

16、當(dāng)內(nèi)圈一外滾道出現(xiàn)缺陷時(shí)內(nèi)圈一外滾道相對(duì)于滾動(dòng)體質(zhì)心旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中將于每個(gè)滾動(dòng)體各發(fā)生一次沖擊碰撞，外滾到缺陷的選裝特征頻率:fo Zfr fc|計(jì)算得:fo |fr fa|(1 -Dcos )當(dāng)外圈固定，fa =0，則有fo彳fr(1 IcOS ) 2D當(dāng)內(nèi)圈固定，fr = O，則有fo Z fa(1 2coS )2D軸承出現(xiàn)故障后，在其振動(dòng)頻譜中會(huì)出現(xiàn)其特征頻率的譜峰。但在實(shí)際中, 譜峰的頻率并不總是精確地等于理論計(jì)算值。這主要是因?yàn)闈L動(dòng)體并非純滾動(dòng) 等因素造成的。所以在頻譜圖上尋找各特征頻率時(shí)，需在計(jì)算的頻率值的上下 找其近似的值來(lái)做診斷判斷。第三章、風(fēng)電機(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)

17、分析3.1.1知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)知識(shí)庫(kù)是風(fēng)電機(jī)齒輪箱故障診斷專家系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分之一，它決定了故 障診斷專家系統(tǒng)的性能。風(fēng)電機(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷專家系統(tǒng)的知識(shí)來(lái)2.2源于書刊文獻(xiàn)、風(fēng)電機(jī)齒輪箱的歷史資料、風(fēng)電機(jī)齒輪箱故障診斷領(lǐng)域的專家 知識(shí)經(jīng)驗(yàn)等。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖 所示，包括：風(fēng)電機(jī)齒輪箱結(jié)構(gòu)知識(shí)層、信號(hào)特征知識(shí)層和專家啟發(fā)知識(shí)層。風(fēng) 電機(jī)齒輪箱結(jié)構(gòu)知識(shí)層包括：風(fēng)電機(jī)齒輪箱的結(jié)構(gòu)和性能、輸入和輸出、各個(gè)零 部件的工藝參數(shù)、測(cè)點(diǎn)的布置情況、計(jì)算得出的齒輪嚙合頻率、軸承外圈特征 頻率等故障特征的頻率等；信號(hào)特征知識(shí)層表示診斷對(duì)象在運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的外部 直接可觀察和

18、測(cè)量的信號(hào)（振動(dòng)、噪聲和溫度等），本專家系統(tǒng)主要是風(fēng)電機(jī)齒輪 箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷特征值的選取，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析確定監(jiān)測(cè)特征值，通過(guò)頻域能量比重譜來(lái)確定故障診斷的特征值；專家啟發(fā)知識(shí)層表示故 障、征兆和原因等直接相聯(lián)系的專家啟發(fā)式經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，主要包括 故障閡值的確定、征兆與故障的聯(lián)系以及風(fēng)電機(jī)齒輪箱在正常工況和各種故障工況下的故障特征值樣本12。3.1.2推理機(jī)的結(jié)構(gòu)推理機(jī)是用于控制和協(xié)調(diào)整個(gè)專家系統(tǒng)計(jì)算機(jī)程序，本文中設(shè)計(jì)的大型風(fēng)電 機(jī)的齒輪箱故障診斷專家系統(tǒng)是基于數(shù)值計(jì)算的專家系統(tǒng)，其推理機(jī)也是基于數(shù)值計(jì)算而進(jìn)行的推理。推理機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色理論的指導(dǎo)下，輸

19、入待檢故障的特征值，得出專家系統(tǒng)的診斷結(jié)論，數(shù)據(jù)處理 后輸入信息融合層并使用 D 一 S證據(jù)理論比較分析兩種診斷的結(jié)果，最終得出故障結(jié)論，本專家系統(tǒng)選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。圖2.2推理機(jī)基本結(jié)構(gòu)3.1.3風(fēng)電機(jī)齒輪箱的結(jié)構(gòu)知識(shí)確定本專家系統(tǒng)只針對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱設(shè)計(jì)的，并不適用于所有齒輪 箱。大型風(fēng)電機(jī)齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖如圖 2.3所示?？梢钥闯龃笮惋L(fēng)電機(jī)齒輪箱的傳動(dòng)部分由高速軸、中間軸、中間軸大齒輪、低速軸、低速軸大齒輪、 太陽(yáng)輪、行星架、行星輪、內(nèi)齒輪和滾動(dòng)軸承構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中使用三相電機(jī)通過(guò) 聯(lián)軸器連接輸入軸，利用變頻器對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出軸的負(fù)載由抱緊裝置提 供，本專家系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)與

20、診斷風(fēng)電機(jī)齒輪箱的齒輪和滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀 態(tài)。-T丄高速軸屮間軸低速軸低連軸人齒輪行星架行杲輪一一2 二內(nèi)齒輪圖2.3風(fēng)機(jī)齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳感器和采集卡是專家系統(tǒng)硬件部分的關(guān)鍵?？紤]到大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱 轉(zhuǎn)速不高和實(shí)驗(yàn)條件有限，選擇壓電式加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量，將采集卡的最 大采樣頻率設(shè)定為7000Hz。為了反映齒輪箱的實(shí)際運(yùn)行工況，測(cè)點(diǎn)選擇在軸 承的最大承載區(qū)，并且將軸承座最大承載區(qū)磨平，并將剛度適中的剛塊粘貼在軸承座上，用鋼制螺栓將傳感器固定，傳感器的測(cè)點(diǎn)布置情況如圖2.4所示,而加速度傳感器可以按實(shí)驗(yàn)需求放置在任意測(cè)點(diǎn)位置上，也可同時(shí)測(cè)量各測(cè)點(diǎn) 振動(dòng)數(shù)據(jù)。3.2風(fēng)電機(jī)齒輪箱信號(hào)特征值大型風(fēng)

21、力發(fā)電機(jī)的齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的研究重點(diǎn)是確定監(jiān)測(cè)特征 值與故障特征值。監(jiān)測(cè)的特征值要顯示風(fēng)電機(jī)齒輪箱的仁作狀態(tài)。故障特征值 要區(qū)分風(fēng)電機(jī)齒輪箱的各種故障。3.2.1風(fēng)電機(jī)齒輪箱監(jiān)測(cè)特征值的選定監(jiān)測(cè)特征值既要反映風(fēng)電機(jī)齒輪箱的工作是否異常，還要計(jì)算方便且不受 齒輪箱各種工況的影響，即受轉(zhuǎn)速和環(huán)境等的變化影響小。以下分析狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的特征值選取過(guò)程，分析峭度指標(biāo)、裕度指 標(biāo)、峰值指標(biāo)、波形指標(biāo)和功率譜重心指標(biāo)如下14：(1)峭度指標(biāo):N 4,iiX/Nk44s(2.1)式中:N-表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，S-表示標(biāo)準(zhǔn)差。峭度指標(biāo)表示故障形成的大幅值脈沖出現(xiàn)的概率。它反映信號(hào)偏離正態(tài)分布的程度，對(duì)信

22、號(hào)的沖擊成分敏感，并且其數(shù)值大小與輸入軸轉(zhuǎn)速、齒輪箱各零部件尺寸以及負(fù)載無(wú)關(guān)。為了拉大脈沖響應(yīng)與背景噪聲的差距，從而提高信噪比，取峭度系數(shù)為脈沖響應(yīng)幅值的4次方作為判斷依據(jù)，大大的提高了準(zhǔn)確度。(2)裕度指標(biāo):XpCLfXr(2.2)式中：Xr表示方根幅值，表達(dá)式為：(2.3)裕度是指留有一定余地的程度，允許有一定的誤差。(3)峰值指標(biāo):XpCf -i(2.4)峰值是指在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)，時(shí)變量的最大值(4)波形指標(biāo):(2.5)式中：Xp為峰值，即某時(shí)刻振動(dòng)幅值的最大值；Xrms為有效值，反映了振動(dòng)信號(hào)能量的大小，其表達(dá)式為：Xrms：iXi2(2.6)波形指標(biāo)適用于點(diǎn)蝕類的故障，能提前預(yù)報(bào)早

23、期故障和反映故障發(fā)展趨勢(shì)。(5)功率譜重心指標(biāo):FcxN £i 1fipiNi 1pi(2.7)式中：fi表示i時(shí)刻的功率譜所對(duì)應(yīng)的頻率值；Pi 表示i時(shí)刻的功率譜幅值。功率譜估計(jì)是數(shù)字信號(hào)處理的主要內(nèi)容之一，主要研究信號(hào)在頻域中的各種特征，目的是根據(jù)有限數(shù)據(jù)在頻域內(nèi)提取被淹沒(méi)在噪聲中的有用信號(hào)。功率譜重心指標(biāo)反映的是功率譜重心位置變化的程度。當(dāng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，頻率的振動(dòng)幅值將發(fā)生變化，會(huì)在很大程度上影響功率譜的重心位置15。利用測(cè)得的數(shù)據(jù)分析這五個(gè)預(yù)選監(jiān)測(cè)指標(biāo)，選出一個(gè)指標(biāo)作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)。數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)背景如下：大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱機(jī)組1#和2#，輸出軸轉(zhuǎn)速分別為:900rpm、1200

24、rpm，測(cè)試的故障狀態(tài)有以下五種：齒輪Z5單齒磨損、齒輪25崩齒、測(cè)點(diǎn)7的軸承外圈剝落及內(nèi)圈剝落、還有齒輪箱正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所設(shè)故障都在測(cè)點(diǎn)7處，故選擇測(cè)點(diǎn)7信號(hào)作為源信號(hào)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如表2.1和表2.2所示。表2.1轉(zhuǎn)速為900rpm時(shí)，測(cè)點(diǎn)7在各種工況下的特征值工況峭度指標(biāo)波形指標(biāo)峰值指標(biāo)裕度指標(biāo)頻譜重心指標(biāo)崩齒19.13451.524519.425426.4517457.6411單齒磨損8.04761.412911.364811.9284351.4587內(nèi)圈剝落8.04761.52419.844112.1465384.4254外圈剝落7.46011.45848.1648

25、10.2548465.7254正常4.76471.65447.64718.3644472.9941表2.2轉(zhuǎn)速為1200rpm時(shí)，測(cè)點(diǎn)7在各種工況下的特征值工況峭度指標(biāo)波形指標(biāo)峰值指標(biāo)裕度指標(biāo)頻譜重心指標(biāo)崩齒19.61821.418419.481527.4597453.1853單齒磨損9.79241.647811.647211.7522386.6421內(nèi)圈剝落7.62411.644421.356425.9428431.9421外圈剝落6.12441.542211.645111.5741352.6444正常5.14881.34419.64528.9845385.6451由表2.1和表2.2可以看

26、出，在轉(zhuǎn)速變化時(shí)峭度指標(biāo)比較穩(wěn)定，波形指標(biāo)變化小，峰值指標(biāo)和裕度指標(biāo)有一些不穩(wěn)定，而頻譜重心變化沒(méi)有規(guī)律。隨后又重復(fù)三次試驗(yàn)得出相同結(jié)論，故本一專家系統(tǒng)監(jiān)測(cè)特征值選擇峭度指標(biāo)。322風(fēng)電機(jī)齒輪箱故障特征值的選定故障特征值的選定影響風(fēng)電機(jī)的齒輪和軸承的各種故障鑒別，所以必須要有良好的故障鑒別能力，可以分辨出齒輪和軸承的各種故障在信號(hào)分析中的特點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)齒輪的特征頻率分析達(dá)到齒輪的故障診斷，如圖2.5(a)所示齒輪崩齒時(shí)，沖擊脈沖頻率為齒輪旋轉(zhuǎn)頻率，轉(zhuǎn)頻及其各階諧波頻率的呈現(xiàn)較高幅值。如圖2.5(b)所示齒輪均勻磨損時(shí)，嚙合頻率及其諧波頻率在頻譜圖位置不變，但幅值增加，而高次諧波頻率增加較多。

27、a)崩齒由于實(shí)測(cè)的振動(dòng)信號(hào)中摻雜有許多別的成分，例如齒輪箱的特征頻率，工況 狀態(tài)以及載荷信息等，這些成分掩蓋了齒輪和軸承的特征頻率，如果出現(xiàn)沖擊 現(xiàn)象、調(diào)頻調(diào)幅現(xiàn)象、非線性因素、共振現(xiàn)象以及禍合疊加等現(xiàn)象，齒輪和軸 承的特征參數(shù)提取就更困難佝。圖2.6(a)是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱在轉(zhuǎn)速為1200rpm，Z5齒輪發(fā)生崩齒故障時(shí)測(cè)點(diǎn) 7的頻譜圖，圖2.6(b)是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱在轉(zhuǎn)速為1200rpm ，Z5齒輪發(fā)生均勻磨損故障時(shí)測(cè)點(diǎn)7的頻譜圖。圖譜是由型號(hào)為1916的便攜式測(cè)振儀直接測(cè)得，從圖中可以看出別的成分將 故障特征頻率都掩蓋了，受功率譜的頻率分辨率限制，使計(jì)算機(jī)根本識(shí)別不出特征值頻率，

28、限制了使用特征頻率進(jìn)行精密故障診斷。! -C一區(qū)Fl-仙ILI勺 遠(yuǎn):;-X T當(dāng).SK? *唸蠶如-裹二丄口 hZrjJ2"-述衛(wèi)主篙處 i芫,圖2.7風(fēng)機(jī)齒輪箱崩齒和均勻磨損頻譜圖利用時(shí)域同步平均可以去掉噪聲等信號(hào)分量，提取有用周期信號(hào)。時(shí)域同步 平均法要拾取被分析信號(hào)和回轉(zhuǎn)軸的時(shí)標(biāo)脈沖，用于鎖定各信號(hào)段的起始點(diǎn),采用頻率跟蹤技術(shù)，采樣頻率能夠?qū)崟r(shí)跟蹤回轉(zhuǎn)頻率，并且是它的整數(shù)倍【17】。但時(shí)域同步平均法對(duì)系統(tǒng)硬件要求過(guò)高，故未予以采用。而共振解調(diào)法通過(guò)獲 取軸承和齒輪因故障碰撞而產(chǎn)生的沖擊信號(hào)，利用諧振器和調(diào)制解調(diào)器得到與故障特征頻率相同的低頻信號(hào)【18-19】。但共振解調(diào)法必須

29、采用高頻一諧振器以及米樣頻率咼達(dá)幾十千赫茲的米集系統(tǒng)，故也未予以米用。能量譜是用于描述(2.8)而能量譜分析法也被廣泛運(yùn)用到各種設(shè)備的故障診斷中。信號(hào)能量沿頻率軸的分布情況，其表達(dá)式如下2ff x t齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)如果含有豐富頻率成分，會(huì)影響系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻譜結(jié) 構(gòu)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的沖擊激勵(lì)會(huì)抑制和增強(qiáng)各頻率成分。它會(huì)顯著地抑制某些頻率成，增強(qiáng)另一些頻率成分。如圖2.7所示，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒輪箱在輸入轉(zhuǎn)速為1200rpm的情況下，正常工況齒輪和Z5崩齒，測(cè)點(diǎn)7內(nèi)圈剝落 故障以及外圈剝落故障時(shí)的頻譜。圖中頻譜的結(jié)構(gòu)變化明顯，因此當(dāng)風(fēng)電機(jī)齒 輪箱發(fā)生故障時(shí)，同頻帶信號(hào)的能量差別較大，某些頻

30、帶的信號(hào)能量降低，而 使一些頻帶的信號(hào)加大。因此，在各頻率成分信號(hào)的能量譜包含豐富的故障信 息，可以用能量譜識(shí)別故障類別。圖2.7正常與崩齒以及軸承內(nèi)外圈剝落四種故障時(shí)振動(dòng)信號(hào)的頻譜由于原始信號(hào)與小波變換的能量是等價(jià)的，以下利用小波能量法改進(jìn)能量譜方法得出能量比重譜。將 OHZ 4000HZ頻率域平均劃分為8個(gè)頻帶，分別為:0-500、500-1000、1500-2000、2000-2500、2500-3000、3000-3500、3500-4000(Hz)，計(jì)算各頻帶的能量，并作歸一化處理。歸一化公式如下20:XiXmaxXi(2.9)8。d）井H劇落圖2.8正常與發(fā)生崩齒以及軸承內(nèi)外圈剝落

31、故障時(shí)振動(dòng)信號(hào)的能量比重譜3.3專家啟發(fā)知識(shí)的確定3.3.1監(jiān)測(cè)特征值闌值的確定監(jiān)測(cè)特征值閉值是指當(dāng)實(shí)際峭度指標(biāo)大于該值時(shí)，可以判定齒輪箱出現(xiàn)故障。但由于齒輪箱的振動(dòng)是隨機(jī)的，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化或者其他原因，會(huì)導(dǎo)致峭度指標(biāo)在采樣過(guò)程中超過(guò)該閡值，但齒輪箱沒(méi)有故障。因此試驗(yàn)中連續(xù)多次采樣，計(jì)算各個(gè)樣本的峭度指標(biāo)值，對(duì)這些峭度指標(biāo)二次統(tǒng)計(jì)分析后再進(jìn)行故障判斷。如表2.3所示，在正常工況下轉(zhuǎn)速為1200rpm 時(shí)通道5連續(xù)Z5次采樣,每次采集2048個(gè)點(diǎn)得到的25個(gè)峭度指標(biāo)值。表2.3正常工況下的25個(gè)峭度指標(biāo)值1-56-1011-1516-2021-254.87545.17415.46514.9109

32、5.01425.23125.57684.69974.94416.36297.46345.63194.79235.66235.387486.581038.317598.05145.81516.74514.23545.74216.21455.81044.0145由表可得：峭度指標(biāo)的最大值為8.1759，最小值為4.0145，平均值經(jīng)計(jì)算得5.6417。與理論值不符，峭度指標(biāo)在正常工況下的理論值應(yīng)該是3左右，但實(shí)測(cè)的齒輪箱上峭度指標(biāo)的平均值為5.6417。將齒輪箱拆蓋后發(fā)現(xiàn)齒輪箱各零部件的制造及裝配精度有缺陷，連軸器對(duì)中度不夠和齒輪制造精度不夠等原因造成診斷數(shù)據(jù)偏差。從表2.1和表2.2可以看出，當(dāng)

33、轉(zhuǎn)速增高的同時(shí)峭度指標(biāo)也有所增大，所以在正常工況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1200rpm 時(shí)峭度指標(biāo)的平均值肯定小于5.6417，因此只要在低轉(zhuǎn)速下峭度指標(biāo)的平均值大于5.6417就可以確定監(jiān)測(cè)特征值。轉(zhuǎn)速為30Orpm時(shí)進(jìn)行25次連續(xù)采樣，各種故障工況崩齒、齒面單磨、軸承內(nèi)圈剝落和軸承外圈剝落的25個(gè)峭度指標(biāo)值分別如表2.4，表2.5，表2.6和表2.7所示。對(duì)四個(gè)表中的25個(gè)峭度指標(biāo)求均值，分別是:10.6152、5.4681、12.0684、6.5899，顯然只有齒面單磨故障不符合預(yù)測(cè)，于是可以保守地將監(jiān)測(cè)正常工況的閥值設(shè)定為6，故障閥值設(shè)定為6.5，警告區(qū)間設(shè)定為6至6.5。為了分析齒面單磨故障，

34、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)它們的標(biāo)準(zhǔn)差分別如下:5.4211、76.4847、12.9842、51.6874、23.1584，可以看出故障工況的標(biāo)準(zhǔn)差都超過(guò)了10,故可以把峭度指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差作為一個(gè)輔助的診斷準(zhǔn)則。所以判別風(fēng)電機(jī)齒輪箱是否在正常工況，除了 25個(gè)峭度指標(biāo)的均值需要滿足不大于 6的規(guī)則外,同時(shí)也要符合標(biāo)準(zhǔn)差是否超過(guò) 10。表2.4崩齒工況下的25個(gè)峭度指標(biāo)值1-56-1011-1516-2021-254.425112.84512.4573.784113.7517.54795.85413.01424.987413.7843.810117.2414.15244.10217.98546.75

35、1376.3124.01247.412411.4575.014211.2544.724111.7517.1724表2.5齒面單磨工況下的25個(gè)峭度指標(biāo)值1-56-1011-1516-2021-254.04123.91328.75415.71242.9753.754253.1475.42143.01245.75423.810117.2414.15244.10217.98546.784376.3124.01247.412411.4575.01429.54775.647914.54898.5724表2.6軸承內(nèi)圈剝落工況下的25個(gè)峭度指標(biāo)值1-56-1011-1516-2021-253.124512

36、.98425.41613.01454.16723.24192.02486.04553.31527.01253.21525.24955.87453.14155.26872.44855.39674.01247.412411.4572.2364345.3633.15462.46542.684表2.7軸承外圈剝落工況下的25個(gè)峭度指標(biāo)值1-56-1011-1516-2021-253.54123.895111.2548.26355.64123.78419.642510.4522.78454.12234.95244.32659.21054.12528.12644.25455.321514.2353.267

37、88.23758.215419.72512.6486.942520.4573.3.2標(biāo)準(zhǔn)故障樣本的確定標(biāo)準(zhǔn)故障樣本的確定是 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色理論推理的基礎(chǔ)。因?yàn)?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理是以網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閉值為基礎(chǔ)的，專家系統(tǒng)知識(shí)的關(guān)鍵是確定齒輪 箱在各種故障狀態(tài)下的故障特征值，故專家啟發(fā)知識(shí)中應(yīng)該加入 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閉值。把能量比重譜作為本專家系統(tǒng)的故障特征值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集 各種故障工況下的標(biāo)準(zhǔn)樣本，提取標(biāo)準(zhǔn)故障特征值并存入知識(shí)庫(kù)中。例如設(shè)置 轉(zhuǎn)速為900rpm 和1200rpm 時(shí)，Z5齒輪崩齒和單齒面磨損以及測(cè)點(diǎn) 7軸承內(nèi)圈剝落和外圈剝落四種故障，并選擇測(cè)點(diǎn)7信號(hào)作為故障診斷源信號(hào)。表

38、2.8表2.9分別表示轉(zhuǎn)速為900rpm 和轉(zhuǎn)速為1200rpm 時(shí)，齒輪Z5崩齒和單齒面 磨損以及測(cè)點(diǎn)7軸承內(nèi)圈剝落和外圈剝落故障以及正常工況時(shí)的專家啟發(fā)知 識(shí)。表2.8轉(zhuǎn)速為900時(shí)7測(cè)點(diǎn)的專家啟發(fā)知識(shí)工況0-500500-10001000-1501500-2002000-250崩齒0.67880.74210.96411.00000.7821單齒磨損0.35240.82440.81701.00000.2341內(nèi)圈剝落0.35210.94861.00000.87240.4590外圈剝落0.52531.00000.64210.75940.1786正常0.51780.87521.00000.87

39、240.4125表2.9轉(zhuǎn)速為1200時(shí)7測(cè)點(diǎn)的專家啟發(fā)知識(shí)工況0-500500-10001000-1501500-2002000-250000崩齒0.38950.59750.51200.52430.0874單齒磨損0.23090.84121.0000.75240.2341內(nèi)圈剝落0.35210.94861.00000.87240.1357外圈剝落0.23641.00000.86410.64210.1204正常0.54230.80261.00000.78240.2415333推理機(jī)原理分析及仿真(1)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程是有監(jiān)督或稱有導(dǎo)師的學(xué)習(xí)，由信息的正向傳播和誤差的反向

40、傳播兩個(gè)過(guò)程組成。輸入層中的神經(jīng)元負(fù)責(zé)接收外界輸入信息，并傳遞給中間層神經(jīng)元 沖間層負(fù)責(zé)信息變換，根據(jù)信息變化能力的要求，可以設(shè)計(jì)為單隱層或者多隱層結(jié)構(gòu)；最后信息從隱層傳遞到輸出層的各神經(jīng)元，完成一 次正向傳播處理，處理結(jié)果由輸出層向外界輸出；若實(shí)際輸出與期望輸出不一致, 進(jìn)入誤差反向傳播，誤差通過(guò)輸出層向隱層和輸入層逐層反傳，信息正向傳播 和誤差反向傳播，各層權(quán)值不斷調(diào)整，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，直到網(wǎng)絡(luò) 輸出的誤差減少到可接受值或者提前設(shè)定的訓(xùn)練次數(shù)終止，學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本設(shè)定為XXjXQ.X，己知導(dǎo)師樣本為T 九鮎.九，通過(guò)學(xué)習(xí)算法得出的實(shí)際輸T和丫盡可能相近出丫y1,y2.yr的誤差來(lái)改變

41、與其權(quán)值和聞值，從而達(dá)到】。學(xué)習(xí)步驟如下【22-23】：1)網(wǎng)絡(luò)各層節(jié)點(diǎn)輸出：yijWjXj j ,i 1,2,.L 1(2.10)式中W連接權(quán)值,j-節(jié)點(diǎn)闌值，激活函數(shù)采用f(a)=1/(1 +式中:'一期望輸出,i 一網(wǎng)絡(luò)誤差。2)網(wǎng)絡(luò)輸出誤差:(2.11)tiyi * yi * 1 yi3)若網(wǎng)絡(luò)誤差滿足最大允許誤差，結(jié)束訓(xùn)練。否則，按公式(2.12)修正權(quán)值后繼續(xù)執(zhí)行步驟(I)。Wijk 1WijkiXi(2.12)式中:Wij k 1為下次循環(huán)的連接權(quán)值，Wij k為當(dāng)前連接權(quán)值，表示學(xué)習(xí)率。(2) 改進(jìn)后BP算法由于BP算法訓(xùn)練次數(shù)多，收斂速度慢，學(xué)習(xí)效率較低；容易陷入局部

42、極小 值；學(xué)習(xí)新樣本過(guò)程中會(huì)有遺忘舊樣本的情況。為了加快訓(xùn)練速度，避免陷入 局部極小值和改善其它方面能力，對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法進(jìn)行以一下改進(jìn)24-26:1）用附加動(dòng)量因子的方法避免局部極小值在反向傳播法上，給各個(gè)權(quán)值加上一個(gè)正比于前次值變化量的值，井采取反向傳播法產(chǎn)生新的權(quán)值變化。權(quán)值調(diào)節(jié)公式為Wj k 11 me j Pj me Wj k(2.13)式中：k-訓(xùn)練次數(shù)，me-動(dòng)量因子一般為0.95。附加動(dòng)量的實(shí)質(zhì)是用動(dòng)量因子傳遞最后一次權(quán)值的變化。加入動(dòng)量因子后，權(quán) 值的變化方向?yàn)檎`差曲面底部的平均方向，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的誤差曲面底部較平緩的 區(qū)域變化較小，此時(shí)得出VWji k 1 VWji k，可

43、以有效防止VWji =0，便于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)避免訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)局部最小值。2）學(xué)習(xí)率自動(dòng)調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)率n又稱步長(zhǎng)，步長(zhǎng)太小會(huì)增加訓(xùn)練次數(shù)，當(dāng)誤差變化較大會(huì)導(dǎo)致迭代次 數(shù)增加。步長(zhǎng)調(diào)節(jié)的準(zhǔn)則為：如果權(quán)值的修正值使誤差函數(shù)減小，證明學(xué)習(xí)速率 減慢，于是應(yīng)該增加一個(gè)量；反之應(yīng)該減小學(xué)習(xí)速率。學(xué)習(xí)速率自動(dòng)凋整公式如f+1)< SSE(k)叭f(wàn)e + 1) = j O777(/c)SSE(k + 1) > l04SSE(A0I“(R)其他(2.14 )(3)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障鑒別BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷實(shí)行閑值鑒別法。導(dǎo)師樣本標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定為1，闌值設(shè)定為0.8，當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點(diǎn)的值大于或等于0.8，便可以判

44、定該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，反之工況良好，當(dāng)所有值都小于 0.8時(shí)，貝U判定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法識(shí)別，但這種判別方法的確診率不高，對(duì)數(shù)據(jù)分析比較發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的值較大,其余三個(gè)節(jié)點(diǎn)的值較小，其相差倍數(shù)都小于18dB【27-28】。例如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)分別代表崩齒、軸承內(nèi)圈和軸承外圈故障的節(jié)點(diǎn)，對(duì)于崩齒工況的測(cè)試樣本，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果分別為：0.2945、0.0117、0.0274，可以看出無(wú)法用閩值鑒別法進(jìn)行判斷，分析發(fā)現(xiàn)其中最大值與另外兩個(gè)值的比值分別為20.17dB和18.64dB。所以使用這種最值與其他值的相比的第二閡值是否大于 18dB進(jìn)行故障鑒別，可提高確診率，本專家系統(tǒng)就采用這種雙重閩

45、值鑒別法。(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷仿真對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)證明 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能準(zhǔn)確故障診斷?；贛ATLAB7.0的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱得出下面的仿真結(jié)果。由于每次BP辛中經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的權(quán)值和閡值調(diào)整結(jié)果會(huì)有所不同，利用測(cè)試樣本來(lái)確定適合大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。仿真實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練樣本見(jiàn)前文的表2.8和2.9，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)期望輸出樣本如表2.10所示。轉(zhuǎn)速為900rpm和1200rpm 的訓(xùn)練樣本各 五組數(shù)據(jù)，其中1-5為900rpm，6-10為1200rpm。表2.10神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)期望輸出樣本表工況 12345678910崩齒磨損剝落剝落正常選擇的測(cè)試樣本分別為：900rpm 時(shí)崩齒故障、1200

46、rpm 時(shí)單齒磨損故障、900rpm 時(shí)測(cè)點(diǎn)7軸承內(nèi)圈故障，1200rpm 時(shí)測(cè)點(diǎn)7軸承外圈剝落故障和正常工況。其故障特征值如表2.11所示:表2.11神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試樣本表工況0-500500-10001000-15001500-20002000-2500崩齒0.45110.44670.924210.97541.000單齒磨損0.23090.84121.0000.75240.2341內(nèi)圈剝落0.35210.94861.00000.87240.1357外圈剝落0.24581.00000.45640.59420.1134正常0.35460.31410.57841.0000.1325BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有固定的初始化狀態(tài)，訓(xùn)練的狀態(tài)和結(jié)果每次都不相同，經(jīng)過(guò)多次訓(xùn)練與仿真并調(diào)整診斷精度，得出最佳BP宇中經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，其仿真的結(jié)果如表2.12所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定第一聞值0.8，第二閑值1sdB。山以上結(jié)果得出待檢樣本能對(duì)應(yīng)相應(yīng)的故障，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷試驗(yàn)表明該組數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率到達(dá)100%，說(shuō)明能夠利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)大型風(fēng)電機(jī)的齒輪箱進(jìn)行故障診斷。表2.12神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果工況樣本一樣本二樣本三樣本四樣本五崩齒0.93245323.35152400.00153080.00021760.23532430