ar时序模型的齿轮箱故障诊断方法研究【字数：10179】
摘 要齿轮箱是我们日常生活中最为普遍的机械设备，因此对于齿轮箱的故障检测尤为重要。保证齿轮箱故障的减少和有效的预防，都将有利于机械设备的完整工作。本文建立AR时序模型对齿轮箱的故障诊断研究。首先，阐述了齿轮箱的故障特征机理，接着分析了AR模型的理论，并利用AR算法确定数据模型的阶次，从中选择最优阶次即误差最小，还利用Mapminmax算法把数据进行归一化，从均方根、误差百分比等方面进行对比。最后，将数据的特征提取出来，利用knn算法把数据进行分类，计算实验精度，判断故障类型。
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究的目的和意义 1
1.3 课题研究的基础及国内外研究发展现状 2
1.3.1时间序列分析的研究现状 2
1.3.2齿轮箱诊断技术现状 2
1.4 本章小结 3
2. 齿轮箱故障特征 4
2.1 齿轮箱故障形式 4
2.2 齿轮失效类型 4
2.3 本章小结 5
3. 基于AR模型对数据的建模 6
3.1 AR模型理论 6
3.2 AR模型阶数的确定 6
3.3 数据归一化理论 7
3.4 数据的建模与分析 7
3.4.1 正常数据 8
3.4.2 均匀磨损数据 10
3.4.3 非均匀磨损数据 12
3.5 本章小结 14
4. 数据的分类与诊断 15
4.1 knn算法理论 15
4.2 数据的分类与分析 15
4.3 本章小结 18
5. 总结与展望 19
5.1 全文总结 19
5.2 未来展望 19
参考文献 20
致 谢 21
附 录 22 绪论
1.1 课题背景
齿轮箱作为典型传动机械设备的代表机械结构之一，在随着机械制造的发展，对于齿轮箱使用要求越来越高，在机械工业领域中的应用也越来越广泛。由于其负载能力大、高转速、连续工作的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
特性，结构中的零部件更容易引发各种故障从而导致机械系统不能够正常的工作，进而影响整个的生产效益。齿轮箱也作为连接不同机构、通过齿轮及轴在齿轮箱内部中转换动力的重要结构，普遍应用在各种重大机械设备中。
齿轮箱由于本身结构复杂，再加上所处工作条件多变、复杂，其内部的零件如齿轮、轴承的部分更容易引发故障。在大多数的工业生产中，有很多因为齿轮箱箱体裂纹故障、齿轮箱轴承等零部件的磨损故障和因磨损而导致的故障等，会造成人员伤亡和经济损失。
1.2 研究的目的和意义
齿轮箱是日常生活中用来改变转速和传递动力的机械结构，在各大现代化工业设备中得到了普遍的应用。在如今的时代，工业的比重占国家经济的一大部分，其中机械设备在不断的改进与优化，作为传递运动形式和动力的齿轮箱装置几乎在一些大型设备中都能够见到。但由于齿轮箱是一种常见的机械设备，它的工作环境具有多变性，故容易受到损伤和出现故障；而其中的零部件如齿轮、轴、轴承等加工工艺复杂，同时要求的装配精度又高，经常在高速度、重载荷下不间断工作，故障率较高，是影响齿轮箱故障的重要原因。本章主要利用是AR模型研究其在运行状态下的故障诊断和分析。
AR模型也是一种时间序列分析。近几十年中，时间序列分析同控制理论相结合，发展迅速，应用广泛，使之成为了系统辨识和系统分析的重要方法之一。时序模型可以分为线性时序模型和非线性时序模型，在现实生活中的某个运动、某个系统或者某个现象，都或多或少包含着非线性因素，完全纯粹的线性系统几乎是不存在的。通常情况下，只有在非线性因素对系统输出影响较小的条件下，线性模型的描述才有意义。
齿轮箱的故障诊断技术对齿轮箱进行运行状态监测与故障诊断分析，可以判断出齿轮箱出现故障的位置，并进行小范围的故障检修，大大的减少了设备维修的经济损失，从而创造更大的经济效益和工业效益。
1.3 课题研究的基础及国内外研究发展现状
1.3.1时间序列分析的研究现状
时间序列分析方法最早是由1927年数学家Yule提出的，当时的主要是用来监测市场数据，为了方便对市场变化做出预测。到了20世纪中后期，时间序列分析在谱分析与谱估计方面取得了突破性进展后，有了飞速发展。随着计算机技术和信号处理技术的迅速发展，时间序列分析将继续彰显其无穷的魅力，得到更进一步的重视和更为广泛的应用。
但是线性时间序列模型存在局限性，有的样本数据中存在分线性特征，这些数据的存在使得线性时间序列模型不能很好地表现结果。在很多的工程实例中，存在许多非线性的特征，因此促进了非线性时间序列的发展。
我国的时间序列分析研究虽然起步较晚，但是发展速度很快，进入二十一世纪以来发展开始平稳。当然了，前一阶段的迅速发展其实遗留了许多的问题需要去解决。如范剑青等人系统地概述了非线性时间序列的研究成果，很好地体现了参数和非参数方法的结合在时间序列分析方面的优势；杨叔子等人将时间序列与控制理论、模式识别等学科相结合，从工程角度阐述了有关时间序列分析的概念、理论与方法。可以预期，在不久的将来，我国在时间序列分析的研究和应用方面又将有新的突破。
1.3.2齿轮箱诊断技术现状
早在20世纪初中期，齿轮箱的故障诊断技术就已经得到研究与发展，尤其是美国、欧洲等地方，研发最为先进。在20世纪中期，美国最先开始对机械故障诊断技术的开发与研究，并在故障机理研究及故障监测、故障诊断和故障预测等方面都取得了初步的进展和有实用意义的研究果实，并且成功的运用到了各大机械行业中，大大增加国家的工业经济。在欧洲一些学者发表了关于齿轮箱振动信号数据及噪声函数曲线的文章后，之后就以齿轮箱振动信号和噪声的指标作为判断一个齿轮箱装置好坏的重要因素。在20世纪后期，齿轮箱故障诊断技术得到了较快的发展，但是由于研发的技术应用领域不大，仅仅只是采取振动信号参数和分析故障的手段。之后一段时间，在对齿轮箱故障机理研究、特征提取、诊断预测等方面都有了一定的进步，同时积累了大量的诊断实例。20世纪90年代以后，随着齿轮箱诊断技术与计算机技术的相结合，监测和诊断变得更加便捷，各种多样的诊断技术都纷纷出现。
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究的目的和意义 1
1.3 课题研究的基础及国内外研究发展现状 2
1.3.1时间序列分析的研究现状 2
1.3.2齿轮箱诊断技术现状 2
1.4 本章小结 3
2. 齿轮箱故障特征 4
2.1 齿轮箱故障形式 4
2.2 齿轮失效类型 4
2.3 本章小结 5
3. 基于AR模型对数据的建模 6
3.1 AR模型理论 6
3.2 AR模型阶数的确定 6
3.3 数据归一化理论 7
3.4 数据的建模与分析 7
3.4.1 正常数据 8
3.4.2 均匀磨损数据 10
3.4.3 非均匀磨损数据 12
3.5 本章小结 14
4. 数据的分类与诊断 15
4.1 knn算法理论 15
4.2 数据的分类与分析 15
4.3 本章小结 18
5. 总结与展望 19
5.1 全文总结 19
5.2 未来展望 19
参考文献 20
致 谢 21
附 录 22 绪论
1.1 课题背景
齿轮箱作为典型传动机械设备的代表机械结构之一，在随着机械制造的发展，对于齿轮箱使用要求越来越高，在机械工业领域中的应用也越来越广泛。由于其负载能力大、高转速、连续工作的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
特性，结构中的零部件更容易引发各种故障从而导致机械系统不能够正常的工作，进而影响整个的生产效益。齿轮箱也作为连接不同机构、通过齿轮及轴在齿轮箱内部中转换动力的重要结构，普遍应用在各种重大机械设备中。
齿轮箱由于本身结构复杂，再加上所处工作条件多变、复杂，其内部的零件如齿轮、轴承的部分更容易引发故障。在大多数的工业生产中，有很多因为齿轮箱箱体裂纹故障、齿轮箱轴承等零部件的磨损故障和因磨损而导致的故障等，会造成人员伤亡和经济损失。
1.2 研究的目的和意义
齿轮箱是日常生活中用来改变转速和传递动力的机械结构，在各大现代化工业设备中得到了普遍的应用。在如今的时代，工业的比重占国家经济的一大部分，其中机械设备在不断的改进与优化，作为传递运动形式和动力的齿轮箱装置几乎在一些大型设备中都能够见到。但由于齿轮箱是一种常见的机械设备，它的工作环境具有多变性，故容易受到损伤和出现故障；而其中的零部件如齿轮、轴、轴承等加工工艺复杂，同时要求的装配精度又高，经常在高速度、重载荷下不间断工作，故障率较高，是影响齿轮箱故障的重要原因。本章主要利用是AR模型研究其在运行状态下的故障诊断和分析。
AR模型也是一种时间序列分析。近几十年中，时间序列分析同控制理论相结合，发展迅速，应用广泛，使之成为了系统辨识和系统分析的重要方法之一。时序模型可以分为线性时序模型和非线性时序模型，在现实生活中的某个运动、某个系统或者某个现象，都或多或少包含着非线性因素，完全纯粹的线性系统几乎是不存在的。通常情况下，只有在非线性因素对系统输出影响较小的条件下，线性模型的描述才有意义。
齿轮箱的故障诊断技术对齿轮箱进行运行状态监测与故障诊断分析，可以判断出齿轮箱出现故障的位置，并进行小范围的故障检修，大大的减少了设备维修的经济损失，从而创造更大的经济效益和工业效益。
1.3 课题研究的基础及国内外研究发展现状
1.3.1时间序列分析的研究现状
时间序列分析方法最早是由1927年数学家Yule提出的，当时的主要是用来监测市场数据，为了方便对市场变化做出预测。到了20世纪中后期，时间序列分析在谱分析与谱估计方面取得了突破性进展后，有了飞速发展。随着计算机技术和信号处理技术的迅速发展，时间序列分析将继续彰显其无穷的魅力，得到更进一步的重视和更为广泛的应用。
但是线性时间序列模型存在局限性，有的样本数据中存在分线性特征，这些数据的存在使得线性时间序列模型不能很好地表现结果。在很多的工程实例中，存在许多非线性的特征，因此促进了非线性时间序列的发展。
我国的时间序列分析研究虽然起步较晚，但是发展速度很快，进入二十一世纪以来发展开始平稳。当然了，前一阶段的迅速发展其实遗留了许多的问题需要去解决。如范剑青等人系统地概述了非线性时间序列的研究成果，很好地体现了参数和非参数方法的结合在时间序列分析方面的优势；杨叔子等人将时间序列与控制理论、模式识别等学科相结合，从工程角度阐述了有关时间序列分析的概念、理论与方法。可以预期，在不久的将来，我国在时间序列分析的研究和应用方面又将有新的突破。
1.3.2齿轮箱诊断技术现状
早在20世纪初中期，齿轮箱的故障诊断技术就已经得到研究与发展，尤其是美国、欧洲等地方，研发最为先进。在20世纪中期，美国最先开始对机械故障诊断技术的开发与研究，并在故障机理研究及故障监测、故障诊断和故障预测等方面都取得了初步的进展和有实用意义的研究果实，并且成功的运用到了各大机械行业中，大大增加国家的工业经济。在欧洲一些学者发表了关于齿轮箱振动信号数据及噪声函数曲线的文章后，之后就以齿轮箱振动信号和噪声的指标作为判断一个齿轮箱装置好坏的重要因素。在20世纪后期，齿轮箱故障诊断技术得到了较快的发展，但是由于研发的技术应用领域不大，仅仅只是采取振动信号参数和分析故障的手段。之后一段时间，在对齿轮箱故障机理研究、特征提取、诊断预测等方面都有了一定的进步，同时积累了大量的诊断实例。20世纪90年代以后，随着齿轮箱诊断技术与计算机技术的相结合，监测和诊断变得更加便捷，各种多样的诊断技术都纷纷出现。
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