损伤源-异常点累计谐波减速器性能退化评估.pdf
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1、引用格式:引用格式:赵永强,徐洋,解国升,等.损伤源-异常点累计谐波减速器性能退化评估J.中国测试,2024,50(2):59-65.ZHAOYongqiang,XUYang,XIEGuosheng,etal.Performancedegradationevaluationofharmonicreducerbasedondamagesources-outliersaccumulationJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(2):59-65.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022100106损伤源-异常点累计谐波减速器性能退化评估赵永强,
2、徐洋,解国升,张熠鑫(东华大学机械工程学院,上海201620)摘要:以 LSHG-20-50-C-I 型谐波减速器为研究对象,以声发射为监测手段,提出损伤源-异常点累计算法,完成谐波减速器的性能退化评估。首先,分析声发射信号,通过对振铃计数的经历图分析分辨出性能退化过程中磨损和裂纹两类声发射源,对比加速寿命实验结果,验证损伤源分类的准确性。在此基础上,建立裂纹扩展模型,依据裂纹扩展规律及能量和平均电平平均值的变化趋势,进行基于损伤源的性能退化评估,区分出占主要地位的裂纹扩展在性能退化过程中的 4 个时期。为解决单一声发射参数趋势性和单调性差的问题,提出基于 PCA 异常点累计指标的性能退化评估
3、方法,与传统的 One-ClassSVM 算法相比,PCA 算法对早期异常点更敏感,阈值报警时间提前 650h,更适用于谐波减速器的异常点检测与性能退化评估。关键词:谐波减速器;性能退化;异常点累计量;声发射;裂纹中图分类号:TH132.3文献标志码:A文章编号:16745124(2024)02005907Performance degradation evaluation of harmonic reducer based ondamage sources-outliers accumulationZHAOYongqiang,XUYang,XIEGuosheng,ZHANGYixin(Col
4、legeofMechanicalEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)Abstract:Taking LSHG-20-50-C-I harmonic reducer as the research object and acoustic emission as themonitoring means,the damage source-outliers accumulation algorithm is proposed to complete theperformancedegradationevaluationofharmon
5、icreducer.Firstly,theAEsignalswereanalyzed,andthewearandcracktypesofAEsourcesintheprocessofperformancedegradationwereidentifiedbytheexperiencegraphanalysisofringingcount.Theaccuracyofdamagesourceclassificationwasverifiedbycomparingtheresultsofacceleratedlifeexperiment.Onthisbasis,acrackgrowthmodelwa
6、sestablished.Accordingtothecrackgrowthlawandthechangingtrendoftheaverageenergyandaveragelevel,theperformancedegradationevaluationbasedonthedamagesourcewascarriedout,andthefourmainstagesofthecrackgrowthintheperformancedegradationprocessweredistinguished.Tosolvetheproblemofpoortrendandmonotonicityofsi
7、ngle AE parameters,a performance degradation evaluation method based on PCA outliers accumulativeindexwasproposed.ComparedwiththeconventionalOne-ClassSVMalgorithm,PCAalgorithmwasmore收稿日期:2022-10-22;收到修改稿日期:2022-12-09作者简介:赵永强(1998-),男,山西吕梁市人,硕士研究生,专业方向为性能评估、损伤识别、PHM。通信作者:徐洋(1977-),女,黑龙江虎林市人,教授,博士,研究方
8、向为大型复杂机械耦合系统动力学建模及参数识别,系统振动源、噪声源定位识别及主被动控制方法。第50卷第2期中国测试Vol.50No.22024年2月CHINAMEASUREMENT&TESTFebruary,2024sensitivetoearlyoutliersandthethresholdalarmtimewas650hearlier,whichwasmoresuitableforthedetectionofoutliersandperformancedegradationevaluationofharmonicspeedreducers.Keywords:harmonicreducer;p
9、erformancedegradation;outliersaccumulation;acousticemission;crack0 引言谐波减速器具有体积小、传动效率高以及承载能力强等优点,在航空航天、工业机器人及矿山冶金等领域得到日益广泛的应用1。通常,谐波减速器由刚轮、柔轮、波发生器组成,具有薄壁结构的柔轮及柔性轴承会持续承受高频交变应力载荷作用,极易造成各部件的内在损伤,包括柔轮断裂、柔轮磨损、柔性轴承断裂2等。谐波减速器作为一种复杂的高精密机械部件,其健康状态直接影响装备的整机性能。因此,对谐波减速器性能退化评估的研究具有重要意义。迄今为止,关于性能退化评估的研究大多依赖于振动分析方
10、法来实现。虽然振动信号可直接反映设备运行状态,但对早期的微弱损伤征兆做出判断和预警难度较大,且谐波减速器大多应用于轨迹复杂、激励源众多的场景,在掺杂较多噪声时,振动信号难以解耦,无法满足谐波减速器性能退化评估的需求。目前,关于谐波减速器性能退化评估的研究主要从宏观的角度出发,基于裂纹或磨损演变规律研究较少。如:林鑫3以谐波减速器的主要部件柔性轴承为对象,分出正常、内圈故障、外圈故障 3 类状态,并未将谐波减速器视为一个整体。陈仁祥等4将谐波减速器的状态分成了间隙过大、卡顿、正常3 种,但只是以各部件的配合关系出发,没有考虑损伤程度等。现阶段,声发射技术是一种有效的无损检测方法,其信号频率范围宽
11、,信息量大,对微小损伤有较高的敏感性5,能有效反映材料内部的损伤演化趋势,同时采样频率高,能排除低频噪声干扰,可很好地弥补振动信号在性能退化评估方面的局限性,在轴承、齿轮的性能评估中都有所应用6-7,但其数据量大、数据分析复杂,在谐波减速器领域应用较少。本文从声发射技术出发,以 LSHG-20-50-C-I 型谐波减速器为研究对象,利用滑动平均以及参数分析法降低声发射数据量,分析加速寿命实验过程数据,分辨磨损和裂纹两类损伤源。在此基础上,将谐波减速器的生命周期划分为正常无损伤期、裂纹萌生期、裂纹稳定扩展期及裂纹失稳扩展期,最后基于主成分分析法(principalcomponentanalysi
12、s,PCA)的异常点累计指标,完成性能退化趋势评估以及报警阈值的确定。1 谐波减速器性能退化评估流程LSHG-20-50-C-I 其结构如图 1 所示。谐波减速器的额定寿命为 10000h。为了缩短实验时间,本文采用加速实验的方法进行数据获取,进一步进行性能评估。波发生器柔性轴承柔轮刚轮椭圆凸轮图 1 谐波减速器结构图1.1 加速寿命实验平台本实验使用美国物理声学公司的检测系统,声发射传感器型号为 Micro-200-HF,声发射工作参数设置如表 1 所示。为快速获得谐波减速器的损伤信号,搭建加速寿命试验台如图 2 所示,主要由变频电机、联轴器、谐波减速器、磁粉制动器 4 部分组成。全生命周期
13、实验的加速破坏通常有两种方式8-9:增大转速与提高负载,本实验采用后者,额定负载为 40Nm,转速为 5000r/min。为模拟机器人实际工况,输出方向每分钟循环 43 次,实验概况如表 2所示。表 1 声发射工作参数设置门限值/dB采样率/MHz峰值鉴别时间/s撞击鉴别时间/s最大持续时间/s3022008001000001.2 特征参数获取声发射数据量庞大,以试验 1 为例,总时长为2966h,每个撞击采集的数据包括到达时间、上升60中国测试2024年2月时间、计数等声发射参数,共包含 2108个撞击。为减小数据量,每隔 1h 取 1000 个撞击作为一个样本,共得到 2966 个样本作为
14、谐波减速器的状态数据。以第 1h 的样本为例,列出了 1000 个撞击点中前 5 个撞击点的特征参数,如表 3 所示。表 3 谐波减速器声发射信号特征参数数据列表到达时间上升时间/s计数能量/eV幅值/dBASL/dB00:00.0000005170473083986494900:00.1010013266732939982495000:00.2020017194233642984505000:00.3030010131073214984505000:00.40400138829251998351481.3 性能退化评估流程本文性能退化评估主要分成两部分,具体评估流程如图 3 所示。第一部分是
15、基于损伤源的性能退化评估,并依据裂纹扩展模型及裂纹扩展规律,划分 4 个谐波减速器生命周期。第二部分是基于异常点累积指标的性能退化评估,将声发射参数输入到 PCA 异常检测模型,若判定为异常点,则对异常点累计指标进行迭代,以此评估退化趋势,确定报警阈值。2 基于损伤源的生命周期划分2.1 损伤源分析疲劳裂纹及磨损是谐波减速器的主要声发射源10-11,其活动性评价和发展趋势可以通过声发射参数经历图分析方法实现。经历图的原理是分析声发射信号参数随时间或外变量的变化趋势。根据经历图分析法分析 3 组试验数据,可获得谐波减速器振铃计数与时间的经历图,如图 4(a)4(c)所示。其中,每幅图包含了前期(
16、500h)和后期(2000h)的样本数据。观察 3 组经历图的共同特征,根据振铃计数(Count)的大小,可将撞击点分成两类:第类撞击点:Count 较大;第类撞击点:Count 较小。从撞击数量上看,第类撞击点数量更多,故该声发射源信号更活跃。3 组试验的主要失效形式均为疲劳裂纹,磨损程度各不相同。使用内窥镜观测,可获得谐波减速器在加速寿命试验后的磨损图,如图 4(d)4(f)所示。表 4 对比了 3 次试验后零件的磨损情况及第类撞击点的存在情况,发现二者之间存在明显相关性。因此,第类撞击点对应的声发射信号为裂纹的损伤源,而第类撞击点的声发射信号则对应磨损,实验分析与观测结果完全吻合。变频电
17、机 联轴器谐波减速器 磁粉制动器图 2 谐波减速器加速寿命试验图表 2 试验概况实验名称总时长/h负载/(Nm)试验1296690试验22210131试验3334090开始结束观测样本构建谐波减速器状态数据生命周期划分计算训练集异常值阈值 C1、C2、测试集异常分数 SS C1 或 S C2?正常点是否异常点累积量与性能退化趋势PCA 模型损伤源识别基于损伤源的生命周期划分基于 PCA 异常点累积量的性能退化评估图 3 性能退化评估流程第50卷第2期赵永强,等:损伤源-异常点累计谐波减速器性能退化评估61表 4 磨损情况及第类撞击点存在情况试验磨损情况第II类撞击点试验1磨损剧烈全生命周期均存
18、在试验2轻微磨损前期无,中后期存在试验3未观察到明显磨损整个生命周期均无2.2 生命周期划分以 Paris 公式表征疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子的关系12-13:dadN=C1(K)m(1)式中:a裂纹长度;N疲劳循环次数;C1和 m材料相关常数;K应力强度因子范围。将式(1)转化为对数形式:(a)试验 1 经历图(b)试验 2 经历图(c)试验 3 经历图(d)试验 1 磨损剧烈(e)试验 2 轻微磨损(f)试验 3 未观察到明显磨损500.0005 00010 00015 000振铃计数20 00025 00030 00035 00005 00010 00015 000振铃计数20 00
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