同步轴系统是升船机驱动机构的主要组成部分,其通过机械硬连接保证驱动机构行程协调,维持升船机承船厢的水平姿态。同步轴系统的主要部件锥齿轮、滚动轴承和空心轴容易发生各种机械故障,为实现同步轴系统故障诊断智能识别,对同步轴系统进行故障诊断方法研究。
本文以某升船机同步轴系统为对象,进行振动信号故障诊断方法研究,创建同步轴系统的动力学模型并验证,仿真获得同步轴系统正常与故障状态的振动信号。对同步轴系统振动信号进行SVD降噪预处理,采用遗传算法优化VMD方法的预设参数,得到GA-VMD方法对振动信号进行分解,提取同步轴系统振动分解信号时域和频域的特征参数,利用PCA方法降维得到状态特征空间,采用网格搜索优化Xgboost算法的预设参数,得到优化后的Xgboost算法,对同步轴系统状态特征空间进行识别,实现同步轴系统的故障诊断。主要研究成果如下:
(1)建立同步轴系统动力学模型,仿真获得振动信号。分析同步轴系统的主要部件常见故障的原因以及动力学特征用于后续验证与分析,创建同步轴系统Adams刚柔耦合动力学模型,其仿真结果表明:动力学仿真参数与理论值相对误差较小、仿真扭矩与实际扭矩值接近,验证了同步轴系统动力学模型的正确性,分析同步轴系统仿真振动信号,其时域周期特征不明显,包络谱特征频率幅值较低,表明原始振动信号的特征区分度不高。
(2)采用信号分解方法处理同步轴系统振动信号,得到明显的时域周期特征和突出的包络谱特征频率幅值。使用VMD方法所得的分解信号,频段能量重叠占比和能量偏差指标较小,表明该方法分解效果较好,但模态个数和惩罚因子取值会影响分解信号的频率带宽和中心频率,采用GA-VMD方法所得的分解信号,融合特征参数较大、包络谱特征频率幅值较高,表明该改进方法分解效果较好,可以突显振动信号特征。采用SVD降噪方法与GA-VMD方法处理同步轴系统振动信号,获得降噪预处理后的振动分解信号,其时域周期特征明显,包络谱特征频率幅值突出,表明同步轴系统的振动信号经过信号分解后,能增强信号的特征信息。
(3)采用特征提取与降维方法,构建状态特征空间,选用机器学习方法对同步轴系统进行故障诊断,得到适用于同步轴系统的故障诊断方法。利用统计方法提取振动分解信号的特征参数,采用PCA方法对特征参数降维,得到同步轴系统状态特征空间,选用网格搜索优化的Xgboost算法,对同步轴系统状态特征空间进行识别,发现GA-VMD方法分解信号状态特征空间识别效果较好;选用不同的分类算法,对该状态特征空间进行识别,发现网格搜索优化Xgboost算法识别效果较好,表明GA-VMD方法与网格搜索优化的Xgboost算法结合,可实现对同步轴系统振动信号的分类识别,适用于升船机同步轴系统故障诊断。