設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷作業(yè)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷作業(yè)一、論述齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機(jī)理及齒輪故障診斷方法二、滾動(dòng)軸承故障的特征頻率推導(dǎo)計(jì)算 三、針對(duì)某個(gè)機(jī)組對(duì)象建立其狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，描述測(cè)點(diǎn)布置、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成(框圖)及各部分功能（如：XXX(如汽輪機(jī))狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)）（如：旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能故障診斷）（如： 面向Internet的遠(yuǎn)程工況監(jiān)視與故障診斷） 內(nèi)容包括：監(jiān)測(cè)對(duì)象介紹，測(cè)點(diǎn)布置監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)構(gòu)成/總體結(jié)構(gòu)、功能模塊/如在線分析與智能診斷模塊）目 錄專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)1 論述齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機(jī)理及齒輪故障診斷方法齒輪是現(xiàn)代工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中極其重要的傳動(dòng)零件，由于

2、其在工作過(guò)程中長(zhǎng)期承受各種交變載荷、沖擊和摩擦力的作用或其本身在制造過(guò)程中留下了缺陷，齒輪相對(duì)于其他部件較容易出現(xiàn)故障甚至損壞。生產(chǎn)設(shè)備中的齒輪發(fā)生故障，輕者會(huì)使生產(chǎn)設(shè)備所加工出來(lái)的產(chǎn)品不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，重者會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備停車(chē)，從而給生產(chǎn)企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也擔(dān)誤了工時(shí)。因此，為了盡可能將這些不確定的機(jī)械故障所引起的經(jīng)濟(jì)損失降到最低，需要我們?cè)诠收铣跗诰湍茏鞒鲈\斷，為企業(yè)盡早安排檢修提供科學(xué)依據(jù)。對(duì)齒輪振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析就是一種比較實(shí)用的方法。1.1 齒輪嚙合頻率的產(chǎn)生機(jī)理1.1.1 概述齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)彈性的機(jī)械系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的原因，存在著運(yùn)動(dòng)和力的非平穩(wěn)性。圖1.1是齒輪副的

3、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析示意圖。圖1.1中是主動(dòng)輪的軸心，是被動(dòng)輪的軸心。假定主動(dòng)輪以 作勻角速度運(yùn)動(dòng)，A、B分別為兩個(gè)嚙合點(diǎn)，則有A> B，即A點(diǎn)的線速度 大于B點(diǎn)的線速度。而A<B，從理論上有 、 ，則。然而A、B又是被動(dòng)輪的嚙合點(diǎn)，當(dāng)齒輪副只有一個(gè)嚙合點(diǎn)時(shí)，隨著嚙合點(diǎn)沿嚙合線移動(dòng)，被動(dòng)輪的角速度存在波動(dòng)。當(dāng)有兩個(gè)嚙合點(diǎn)時(shí)，因?yàn)橹荒苡幸粋€(gè)角速度，因而在嚙合的輪齒上產(chǎn)生彈性變形，這個(gè)彈性變形力隨嚙合點(diǎn)的位置、輪齒的剛度以及嚙合的進(jìn)入和脫開(kāi)而變化，是一個(gè)隨時(shí)間變化的力 。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的嚙合振動(dòng)是不可避免的。振動(dòng)的頻率就是嚙合頻率。也就是齒輪的特征頻率，其計(jì)算公式如下： 齒輪一階嚙合頻率： 嚙合頻

4、率的高次諧波：， 其中：N齒輪軸的轉(zhuǎn)速（r/min） Z齒輪的齒數(shù)圖1.1 齒輪副的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析1.1.2 齒輪的振動(dòng)機(jī)理齒輪傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)激勵(lì)： 在齒面接觸力作用下沿作用線產(chǎn)生的齒輪相對(duì)位移齒輪副的等效質(zhì)量， 齒輪嚙合阻尼 齒輪嚙合剛度，隨時(shí)間t變化 齒輪受載后的平均彈性變形 圖1.2 一對(duì)齒輪的力學(xué)模型 齒輪傳動(dòng)誤差和故障激勵(lì)所引起兩齒輪間的相對(duì)位移激勵(lì)源由兩部分組成： 稱(chēng)為常規(guī)嚙合激勵(lì)，也即無(wú)故障的正常齒輪在嚙合過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生的向量振動(dòng)。 是由系統(tǒng)的內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)產(chǎn)生的，齒輪故障振動(dòng)主要由這部分激勵(lì)引起，所以也稱(chēng)為齒輪的“故障函數(shù)”。 內(nèi)部激勵(lì)是指輪齒在嚙合過(guò)程中由于缺陷或故障產(chǎn)生的激勵(lì)。

5、如齒輪由于制造不精確、裝配質(zhì)量低產(chǎn)生的輪齒周節(jié)誤差、齒形誤差、齒輪偏心、質(zhì)量不平衡、軸線不對(duì)中等故障，還有運(yùn)行中產(chǎn)生的齒面疲勞、擦傷、磨損和斷裂等故障帶給齒輪的激勵(lì)。 外部激勵(lì)則與齒輪本身問(wèn)題無(wú)關(guān)，是齒輪外部輸入的激勵(lì)，但也影響到齒輪的振動(dòng)情況。例如滾動(dòng)軸承故障的傳遞、負(fù)載力矩波動(dòng)、摩擦離合器發(fā)生的摩擦激勵(lì)等。 具體的動(dòng)態(tài)激勵(lì)有以下四種： （1）剛度激勵(lì)（2）傳動(dòng)誤差 （3）嚙合沖擊（4）節(jié)線沖擊1.1.2.1 剛度激勵(lì) 式中，和 分別為主動(dòng)輪和被動(dòng)輪的單齒剛度。單齒剛度隨嚙合位置的變化而變化。 綜合剛度的大小還與齒輪的重合度有關(guān)。重合度用來(lái)表示直齒齒輪嚙合時(shí)接觸輪齒的平均對(duì)數(shù)。大多數(shù)齒輪嚙合

6、的重合度不是整數(shù)，在嚙合過(guò)程中參與嚙合的輪齒對(duì)數(shù)隨時(shí)間而作周期性變化，因而輪齒嚙合的綜合剛度也隨時(shí)間而作周期性變化。從圖1.3可以看出直齒嚙合過(guò)程中的力和剛度變化。（a）嚙合齒上的作用力 （b）嚙合齒的剛度（c）齒輪發(fā)生的振動(dòng) 圖1.3 直齒嚙合過(guò)程中的力和剛度變化1.1.2.2 傳動(dòng)誤差傳動(dòng)誤差構(gòu)成了齒輪振動(dòng)和噪聲的主要激發(fā)源。傳動(dòng)誤差大，則齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于進(jìn)入和脫離嚙合時(shí)的碰撞加劇，產(chǎn)生較高的振動(dòng)峰值，并且形成短暫時(shí)間的幅值變化和相位變化。 具體有包括： （1）制造誤差 圖1.4 齒輪的偏心和周節(jié)誤差 圖1.5 齒輪的齒形誤差 （2）裝配誤差齒的寬度方向上接觸面積少，造成輪齒負(fù)荷不均。齒

7、輪軸不平行產(chǎn)生載荷沖擊，容易造成齒的斷裂。圖1.6 一端接觸圖1.7 兩齒輪軸不平行（3）輪齒損傷誤差 齒輪在運(yùn)行中由于各種故障形成的齒面損傷，在齒輪傳動(dòng)中就會(huì)產(chǎn)生齒輪的傳動(dòng)誤差激勵(lì)。傳動(dòng)誤差激勵(lì)正是我們?cè)\斷齒輪故障的信息來(lái)源。（4）外部激勵(lì)誤差 外部激勵(lì)的因素較多，負(fù)載波動(dòng)引起齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、滾動(dòng)軸承故障的傳遞、摩擦離合器力矩變化產(chǎn)生的影響等，這些故障信號(hào)雖然是從輪齒的外部輸入，但是影響到輪齒上的嚙合力和彈性變形，其最終結(jié)果就是產(chǎn)生輪齒的傳動(dòng)誤差。1.1.2.3 嚙合沖擊 齒輪在嚙合過(guò)程中，由于輪齒誤差和受載彈性變形的影響，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

8、合時(shí)均會(huì)發(fā)生沖擊，稱(chēng)為“嚙合沖擊”。 嚙合沖擊是一種周期性的沖擊力。1.1.2.4 節(jié)線沖擊 主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，主動(dòng)輪上的嚙合點(diǎn)由齒根移向齒頂，嚙合半徑逐漸增大，速度漸次增高；而從動(dòng)輪上的嚙合點(diǎn)是由齒頂移向齒根，嚙合半徑逐漸減小，速度漸次降低。兩輪齒齒面在嚙合點(diǎn)的速度差異就形成了主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的相對(duì)滑動(dòng)。 在主動(dòng)輪上，齒根和節(jié)點(diǎn)之間的嚙合點(diǎn)速度低于從動(dòng)輪上的嚙合點(diǎn)速度，因此 滑動(dòng)方向向下；而在節(jié)點(diǎn)處，因?yàn)閮奢喩?圖1.8 齒面滑動(dòng)方向的嚙合點(diǎn)速度相等，相對(duì)滑動(dòng)速度為0。因此，摩擦力在節(jié)點(diǎn)處改變了方向，形成了節(jié)線沖擊。1.2 齒輪故障診斷的方法1.2.1齒輪的故障類(lèi)型 齒輪由于某種原因不能

9、正常工作的現(xiàn)象，或者說(shuō)齒輪在其使用過(guò)程中，由于某些原因而喪失工作能力或功能參數(shù)漂移到界限值以外的現(xiàn)象，被稱(chēng)為齒輪故障。 從總體上講，齒輪故障可劃分為兩大類(lèi): 一類(lèi)是由制造和裝配等原因造成的，如齒輪誤差、齒輪與內(nèi)孔不同心、各部分軸線不對(duì)中、不平衡等；另一類(lèi)則是齒輪由于長(zhǎng)期運(yùn)行而形成的，如齒輪表面發(fā)生點(diǎn)蝕、疲勞剝落、磨損、塑性流動(dòng)、膠合以及齒根裂紋，斷齒及其他損傷等故障。 齒輪故障若按照振動(dòng)特征和故障診斷技術(shù)應(yīng)用的角度來(lái)分類(lèi)，大體分為以下兩類(lèi): (l)分布式故障 齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕及疲勞剝落。 (2)局部故障 齒根裂紋、斷齒、局部齒面剝落和塑性變形。 分布式故障分布在一個(gè)齒輪的各個(gè)輪齒上，而局部故

10、障則集中于某一個(gè)或幾個(gè)齒上。1.2.2 齒輪故障的特征信息1.2.2.1 嚙合頻率 齒輪工作過(guò)程中的故障信號(hào)頻率基本上表現(xiàn)為兩部分：一部分為齒輪嚙合頻率及其諧波構(gòu)成的載波信號(hào)，另一部分為低頻成分的幅值和相位變化所構(gòu)成的調(diào)制信號(hào)。調(diào)制信號(hào)包括了幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。 從頻域和時(shí)域上看，齒輪振動(dòng)信號(hào)的主要特征成分有： 1）嚙合頻率及其諧波成分。 2）幅值調(diào)制和頻率調(diào)制所形成的邊頻帶。 齒輪在嚙合過(guò)程中，嚙合齒上的載荷和剛度是隨時(shí)間而變化的，這種變化就會(huì)產(chǎn)生嚙合 頻率的振動(dòng)。 傳動(dòng)誤差、嚙合沖擊、節(jié)線沖擊等問(wèn)題也會(huì)使齒輪在嚙合過(guò)程中發(fā)生嚙合頻率的振動(dòng)。 轉(zhuǎn)軸中心固定的齒輪，其嚙合頻率為： 、主動(dòng)輪和從

11、動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速頻率、主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的齒數(shù) 圖1.9 正常齒輪的嚙合頻率波形 當(dāng)齒面發(fā)生磨損，或者負(fù)荷增大，齒輪徑向間隙過(guò)大以及齒輪游隙不適當(dāng)?shù)仍蛩鸬墓收蠒r(shí)，由于輪齒的嚙合狀況變壞，嚙合頻率的諧波成分幅值就會(huì)明顯增大。齒輪表面發(fā)生均勻性磨損，將引起嚙合頻率及其各次諧波幅值的變化。嚙合頻率的高次諧波增長(zhǎng)得比基波還快。磨損厲害時(shí)，二次諧波幅值可能超過(guò)嚙合基波。 從嚙合基頻及其諧波幅值的相對(duì)增長(zhǎng)量上可以反映出齒輪表面的磨損程度。 圖1.10 齒面磨損前后的嚙合頻率及其諧波幅值變化（實(shí)線為磨損前，虛線為磨損后）1.2.2.2 調(diào)制與邊頻帶(1) 幅值調(diào)制 設(shè)代表嚙合頻率的載波信號(hào)為： 代表齒輪旋轉(zhuǎn)頻率

12、的調(diào)制信號(hào)為： 則調(diào)幅后的振動(dòng)信號(hào)為：式中，A載波信號(hào)的振幅；B調(diào)制指數(shù)； 載波頻率（嚙合頻率）； 調(diào)制波頻率（齒輪旋轉(zhuǎn)頻率，每旋轉(zhuǎn)一周，故障點(diǎn)產(chǎn)生一次沖擊）；初相角。將上式展開(kāi)可得： 信號(hào)圖樣如圖1.11所示。 （a）載波信號(hào) （b）調(diào)制信號(hào) （c）幅值調(diào)制后的信號(hào) 圖1.11 u 局部性缺陷：發(fā)生斷齒或大的剝落等，當(dāng)嚙合點(diǎn)進(jìn)入到缺陷處，齒輪就產(chǎn)生一個(gè)沖擊脈沖。由于脈沖信號(hào)可以分解為許多正弦分量之和，因此在頻譜上形成以嚙合頻率為中心的一系列邊頻。其特點(diǎn)是邊頻數(shù)量較多，幅值較低，分布比較均勻平坦。圖1.12u 均布缺陷：是指比較均勻分布的缺陷，它相當(dāng)于時(shí)域包絡(luò)線較寬的脈沖。因此，它在頻域中表現(xiàn)

13、為在嚙合頻率兩邊產(chǎn)生了一簇幅值較高、起伏較大、分布較窄的邊頻帶。圖1.13(2) 頻率調(diào)制 若載波信號(hào)為： 制信號(hào)為： 頻率調(diào)制可表示為： 式中，頻率調(diào)制指數(shù)，即調(diào)制產(chǎn)生的最大相位移；最大頻率偏差值，也就是齒輪的最大角速度波動(dòng)量；調(diào)制頻率，即分度不均勻齒輪的轉(zhuǎn)頻。圖1.14 齒距周期性變化產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)和頻譜圖圖1.15 調(diào)頻、調(diào)幅綜合影響下的邊頻帶（3）典型故障與特征信號(hào)的關(guān)系u 斷齒或裂紋：以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，故障齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率，調(diào)制邊頻帶寬而高。u 齒輪均勻磨損：齒輪的嚙合頻率及其諧波的幅值明顯增大。u 齒面剝落等集中性故障：邊帶的階數(shù)多而分散。u 齒面點(diǎn)蝕

14、等分布性故障：邊帶階數(shù)少而集中。u 齒形誤差：以齒輪嚙合頻率及其諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉(zhuǎn)頻及其倍頻為調(diào)制頻率的嚙合頻率調(diào)制；u 軸不對(duì)中：調(diào)制頻率的2倍頻幅值最大；u 軸承故障： 齒輪嚙合頻率的振幅迅速升高，邊頻的分布和幅值并無(wú)變化。1.2.3 齒輪故障診斷的常用方法 盡管在齒輪振動(dòng)或噪聲信號(hào)及其頻譜圖中包含著豐富的信息，但是由于齒輪動(dòng)態(tài)特性及故障癥狀的復(fù)雜性，不同的齒輪故障具有不同的振動(dòng)特征及頻率結(jié)構(gòu)。因此為了獲得有效的故障特征信息，通常需要通過(guò)信號(hào)處理與分析技術(shù)，提取故障特征信息，以便最終給出正確的故障診斷結(jié)論。 目前常用的信號(hào)分析處理方法有以下幾種： 時(shí)域分析方法，包括時(shí)域波形、調(diào)幅

15、解調(diào)、相位解調(diào)等 頻域分析，包括功率譜、細(xì)化譜、倒頻譜分析 時(shí)頻域分析方法，包括短時(shí)FFT，維格納分布，小波分析等。 1.2.3.1 時(shí)域同步平均分析法 信號(hào)同步平均的原理是按齒輪每轉(zhuǎn)一周按脈沖的周期間隔截取信號(hào)，然后進(jìn)行分段疊加處理，以消除隨機(jī)信號(hào)和其它非周期信號(hào)的干擾影響。 這種方法可以有效降低其他部件和振動(dòng)源對(duì)于信號(hào)的影響，提高信噪比。 在測(cè)取齒輪振動(dòng)信號(hào)的同時(shí)也測(cè)取齒輪的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，脈沖的間隔時(shí)間作為齒輪每轉(zhuǎn)的時(shí)標(biāo)。用該脈沖信號(hào)去觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器工作，從而保證齒輪按旋轉(zhuǎn)周期截取信號(hào)，并且每段信號(hào)的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)于齒輪的某一角位置。然后再把每段信號(hào)進(jìn)行平均處理和光滑化濾波，最后得到的有效信

16、號(hào)中僅保留了周期成分，其它噪聲將被逐漸除去。圖1.16 時(shí)域同步平均法齒輪在幾種狀態(tài)下的時(shí)域平均信號(hào) （a）正常齒輪 （b）齒輪安裝對(duì)中不良 （c）齒面嚴(yán)重磨損 （d）齒面局部剝落或斷齒圖1.171.2.3.2 細(xì)化譜分析法 齒輪的振動(dòng)頻譜圖包含著豐富的信息，不同的齒輪故障具有不同的振動(dòng)特征，其相應(yīng)的譜線也會(huì)發(fā)生特定的變化。  由于齒輪故障在頻譜圖上反映出的邊頻帶比較多，因此進(jìn)行頻譜分析時(shí)必須有足夠的頻率分辨率。當(dāng)邊頻帶的間隔（故障頻率）小于分辨率時(shí)，就分析不出齒輪的故障，此時(shí)可采用頻率細(xì)化分析技術(shù)提高分辨率 基于復(fù)解析帶通濾波器的細(xì)化選帶頻譜分析： 具體步驟 1）確定中心頻率及細(xì)化

17、倍數(shù)。 2）構(gòu)造一個(gè)復(fù)解析帶通濾波器 3）選抽濾波。 4）復(fù)調(diào)制移頻。 5）作點(diǎn)FFT和譜分析，取正頻率部分 圖1.18 圖1.19 齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析 從圖1.19左圖中可幾以看出，在所分析的0-2kHz頻率范圍內(nèi)，有1-4階的嚙合頻率的譜線，還可較清晰地看出有間隔為25Hz的邊頻帶，而在兩邊頻帶間似乎還有其他的譜線，但限于頻率分辨率已不能清晰分辨。 利用頻譜細(xì)化分析技術(shù)，對(duì)其中900-1100Hz的頻段進(jìn)行細(xì)化分析，由細(xì)化譜中可清晰地看出邊頻帶的真實(shí)結(jié)構(gòu)，兩邊頻帶的間隔為8.3Hz，它是由于轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為8.3Hz的小齒輪軸不平衡引起的振動(dòng)分量對(duì)嚙合頻率調(diào)制的結(jié)果。 用振動(dòng)頻譜的邊頻帶進(jìn)行

18、齒輪不平衡一類(lèi)的故障診斷時(shí)，必須要有足夠的頻率分辨率，否則會(huì)造成誤診或漏診，影響診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。 1.2.3.3 倒譜分析法 倒頻譜分析又稱(chēng)二次頻譜分析，對(duì)于同時(shí)有數(shù)對(duì)齒輪嚙合的齒輪箱振動(dòng)頻譜圖，由于每對(duì)齒輪嚙合都將產(chǎn)生邊帶頻，幾個(gè)邊頻帶譜交叉分布在一起，僅進(jìn)行頻率細(xì)化分析是不行的，還需要進(jìn)一步做倒頻譜分析。 倒頻譜能較好地檢測(cè)出功率譜上的周期成分，將原來(lái)譜上成簇的邊頻帶譜線簡(jiǎn)化為單根譜線，便于觀察。 而齒輪發(fā)生故障時(shí)的振動(dòng)頻譜具有的邊頻帶一般都具有等間隔（故障頻率）的結(jié)構(gòu)，利用倒頻譜這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以檢測(cè)出功率譜中難以辨識(shí)的周期性信號(hào)。 倒頻譜可以將輸入信號(hào)與傳遞函數(shù)區(qū)分開(kāi)來(lái)，便于識(shí)別；還能區(qū)

19、分出因調(diào)制引起的功率譜中的周期量，找出調(diào)制源。 倒頻譜的定義是功率譜對(duì)數(shù)的功率譜，對(duì)多段平均的自功率譜取對(duì)數(shù)，得到對(duì)數(shù)譜，具體步驟如下：1) 先進(jìn)行FFT變換，使時(shí)域的卷積等于頻域相乘： 2) 取對(duì)數(shù)，變積為和: 3) 進(jìn)行頻譜反變換： 倒頻譜分析優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)周期性的能力圖1.20 (a) 振動(dòng)信號(hào)頻譜：包含嚙合頻率(4.3kHz)的三次諧波，由于頻率分辨率太低(50Hz )，沒(méi)有邊頻帶 (b) 2000線功率譜（3.5-13.5kHz）：包含三次諧波，但不包含兩根軸回轉(zhuǎn)頻率的低次諧波 (c) 7.5-9.5kHz的細(xì)化頻譜：看到軸轉(zhuǎn)速形成的邊頻帶 (d) 倒譜：清楚地表明了對(duì)應(yīng)兩根軸回轉(zhuǎn)頻率（

20、80Hz和50Hz）地分量A1，B1而在高分辯率譜圖(c)中卻難以分辯。1.3 實(shí)例分析 某集裝箱起重機(jī)小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)減速箱出現(xiàn)異響， 要求對(duì)該減速箱進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 判斷分析齒輪有無(wú)故障。圖1.21是該減速箱示意圖。 測(cè)得得電機(jī)轉(zhuǎn)速為650r/min，各齒輪齒數(shù)分別Z1=13，Z2=58，Z3=15，Z4=82。圖1.21 減速箱示意圖 對(duì)減速箱1，3，4測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。其中點(diǎn)3處齒輪振動(dòng)信號(hào)圖和功率譜圖如圖1.22所示。圖1.22 點(diǎn)3處齒輪振動(dòng)信號(hào)圖和功率譜圖 齒輪3的嚙合頻率： 在這三個(gè)峰值兩側(cè)存在間距等同的小峰，說(shuō)明齒輪3存在缺陷。 對(duì)上面的功率譜圖進(jìn)行倒譜分析，得到倒譜圖如下：圖1.23

21、 倒譜圖 在處的上邊頻： 齒輪3的轉(zhuǎn)頻： 根據(jù)頻譜圖在嚙合頻率 及二階、三階頻率 、 處強(qiáng)烈譜峰值且有峰值強(qiáng)烈的邊頻譜值，我們斷定齒輪3 有嚴(yán)重點(diǎn)蝕存在。經(jīng)開(kāi)箱檢查，發(fā)現(xiàn)在齒輪3 上有多個(gè)面積較大的凹坑，說(shuō)明診斷完全正確。1.4 小結(jié)振動(dòng)診斷法是齒輪故障診斷的最常用的方法，它是通過(guò)提取振動(dòng)信號(hào)的與各種故障相對(duì)應(yīng)的特征信息并進(jìn)行分析對(duì)比來(lái)確定齒輪的故障類(lèi)型、故障發(fā)生的位置和故障程度。目前基于振動(dòng)的齒輪故障診斷方法已經(jīng)發(fā)展到了相對(duì)成熟的水平，廣泛應(yīng)用于各種齒輪故障設(shè)備和在線故障檢測(cè)系統(tǒng)。但是隨著新技術(shù)新方法的不斷出現(xiàn)，齒輪故障診斷的方法也在不斷發(fā)展。其中智能化診斷系統(tǒng)成為一個(gè)重要的方向，并將得到進(jìn)

22、一步發(fā)展。智能專(zhuān)家系統(tǒng)中多種齒輪故障分析方法相互結(jié)合使用，如小波分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊識(shí)別與小波分析相結(jié)合等新分析方法應(yīng)用，這樣提高診斷的效率和準(zhǔn)確率。一、 滾動(dòng)軸承故障的特征頻率推導(dǎo)計(jì)算2.1 滾動(dòng)軸承故障特征頻率的經(jīng)驗(yàn)公式 內(nèi)圈故障頻率： 外圈故障頻率： 保持架故障頻率： 滾動(dòng)體故障頻率： ( < 10) ( > 10) 外圈與保持架關(guān)系： 外圈與內(nèi)圈關(guān)系： ( 為轉(zhuǎn)頻 ； 為滾動(dòng)體個(gè)數(shù) )2.2 滾動(dòng)軸承故障的特征頻率推導(dǎo)計(jì)算 當(dāng)軸承元件的工作表面出現(xiàn)局部缺陷時(shí)，會(huì)以一定的通過(guò)頻率(取決于轉(zhuǎn)頻、軸承型號(hào))產(chǎn)生一系列的寬帶沖擊，稱(chēng)為軸承的“通過(guò)頻率”或“故障頻率”，實(shí)際中滾動(dòng)軸承

23、故障振動(dòng)監(jiān)測(cè)就是檢測(cè)這個(gè)頻率。 下面以角接觸球軸承為例，通過(guò)分析軸承各元件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系來(lái)推出軸承故障特征頻率的計(jì)算公式。圖2.1 圖2.1所示為滾動(dòng)軸承各元件之間運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)軸承外圈固定，內(nèi)圈(即軸)的旋轉(zhuǎn)頻率為，軸承節(jié)徑為，滾動(dòng)體直徑為，接觸角為，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)為，并假定滾動(dòng)體與內(nèi)外圈之間純滾動(dòng)接觸。 由于外圈固定，所以滾動(dòng)體上B點(diǎn)的速度為零，而A點(diǎn)的速度為: 由此可以得到： 其中， 為滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)頻率，即保持架的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。 設(shè)滾動(dòng)體的自傳頻率為 ，則可以這樣求得：給整個(gè)軸承加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度“ ”（相當(dāng)于站在保持架上看軸承運(yùn)動(dòng)），則此時(shí)保持架固定不動(dòng)，外圈以轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)體只

24、有自轉(zhuǎn)角速度，根據(jù)純滾動(dòng)關(guān)系，此時(shí)B點(diǎn)的速度（注意此時(shí)滾動(dòng)體上A點(diǎn)繞其中心C轉(zhuǎn)動(dòng)） 由此可得： 進(jìn)而可得：（1）個(gè)滾動(dòng)體與外圈上某一固定點(diǎn)接觸的頻率為： （2）個(gè)滾動(dòng)體與內(nèi)圈上某一固定點(diǎn)接觸的頻率為： （3）滾動(dòng)體上某一固定點(diǎn)與外圈或內(nèi)圈接觸的頻率為： 、 和 分別稱(chēng)為外圈、內(nèi)圈和滾動(dòng)體的通過(guò)頻率。當(dāng)上述的“某一點(diǎn)”是局部損傷點(diǎn)(例如點(diǎn)蝕點(diǎn)、剝落點(diǎn)、燒傷點(diǎn)等)時(shí)， 、 和 分別成為局部損傷點(diǎn)撞擊滾動(dòng)軸承元件的頻率，所以又分別稱(chēng)為外圈、內(nèi)圈和滾動(dòng)體的故障特征頻率。 綜上所述，滾動(dòng)軸承故障特征頻率如下： 當(dāng)外圈有缺陷時(shí)，外圈的故障特征頻率為： 當(dāng)內(nèi)圈有缺陷時(shí)，內(nèi)圈的故障特征頻率為： 當(dāng)滾動(dòng)體有缺陷

25、時(shí)，滾動(dòng)體的故障特征頻率為： 二、 高爐布料器齒輪箱在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)3.1 高爐爐頂布料齒輪箱的構(gòu)成及工作原理為了實(shí)現(xiàn)環(huán)形布料、螺旋布料、點(diǎn)式布料和扇形布料等多種形式布料，高爐布料系統(tǒng)采用了較復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)裝置， 其布料溜槽驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3.1所示，圖中120 均為齒輪。其中5，6，17，18 為渦輪渦桿；20為扇形齒輪；H 為周轉(zhuǎn)輪系系桿。系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、傾動(dòng)電機(jī)、行星減速箱、齒輪箱組成，旋轉(zhuǎn)電機(jī)和傾動(dòng)電機(jī)既可以單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)又可以同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，以滿足不同的布料方式的需要。圖3.1 高爐布料溜槽驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖 為了保護(hù)機(jī)械設(shè)備， 在傳動(dòng)齒輪箱的中間設(shè)置了一個(gè)水冷裝置， 齒輪箱間采用氮?dú)饫鋮s，

26、壓力高于爐內(nèi)壓力0.010.015 MPa。 該系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，粉塵多，溫度高，尤其是下部齒輪箱故障頻繁。3.2 系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置 為了較全面地反映爐頂布料齒輪箱系統(tǒng)的工作情況，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)選定如下: ( 1) 齒輪箱振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)為7 個(gè)，具體監(jiān)測(cè)位置如圖3.2 所示，其中A5， A 6，A7 按120°等角度布置，A6 和A7 通過(guò)測(cè)振桿直接與內(nèi)部非旋轉(zhuǎn)部件接觸，以提高測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性和診斷精確性。但由于機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制，A6安裝方式與A5相同，仍為垂直安裝，但方位相差90°，A7未安裝。所有振動(dòng)信號(hào)均采用加速度傳感器拾取?？紤]到現(xiàn)，場(chǎng)環(huán)境惡劣，振動(dòng)傳感

27、器通過(guò)螺釘固定。圖3.2 齒輪箱振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖 (2) 齒輪箱內(nèi)部溫度、冷卻水流量、齒輪箱冷卻用氮?dú)鈮毫?、流量等工藝量反映布料系統(tǒng)的冷卻水和冷卻氮?dú)獾墓r，也反映布料齒輪箱的工作狀況，其信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的420 mA 電流信號(hào)。為了不影響原有高爐控制系統(tǒng)的正常工作，通過(guò)信號(hào)隔離裝置獲取信號(hào)。 (3) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)、傾動(dòng)電機(jī)的電流及溜槽的轉(zhuǎn)角。高爐運(yùn)行實(shí)踐表明旋轉(zhuǎn)電機(jī)電流的波動(dòng)情況與高爐齒輪箱故障有十分密切的關(guān)系，因此，將其作為一輔助監(jiān)測(cè)信號(hào)。傾動(dòng)電機(jī)電流則用來(lái)反映溜槽是否傾動(dòng)，它與溜槽轉(zhuǎn)角共同反映了溜槽的工作情況。旋轉(zhuǎn)電機(jī)、傾動(dòng)電機(jī)電流通過(guò)電流互感器變換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號(hào)后由A / D 轉(zhuǎn)換器獲

28、得。而溜槽傾轉(zhuǎn)角直接從高爐PLC 控制系統(tǒng)的傾角BCD 碼輸出接口讀取。3.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能模塊劃分 為了準(zhǔn)確、及時(shí)獲取設(shè)備的當(dāng)前信息特征值變化規(guī)律及其故障的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。同時(shí)考慮到系統(tǒng)的通用性，本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，共分三大模塊，如圖3.3所示。圖3.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 第一模塊為信號(hào)采集及預(yù)處理模塊，由多路振動(dòng)信號(hào)并行采集卡、工藝信號(hào)( 溫度、壓力、流量等信號(hào)) 采集卡、轉(zhuǎn)速采集卡以及相應(yīng)的信號(hào)切換、調(diào)理電路所組成。利用振動(dòng)、溫度、壓力等檢測(cè)傳感器在線獲取齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)信息， 且對(duì)于振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)同時(shí)刻采集。 第二模塊為實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與識(shí)別模塊，由PC 總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)監(jiān)視各

29、種快變信號(hào)( 如振動(dòng)) 、緩變信號(hào)( 如壓力、溫度) ，運(yùn)用通頻振幅、特征量等多種方法判別齒輪箱運(yùn)行是否正常，實(shí)現(xiàn)異常工況自動(dòng)報(bào)警，并有在不可預(yù)見(jiàn)事故發(fā)生時(shí)保存故障發(fā)生前一定時(shí)間以及最近的一定時(shí)間數(shù)據(jù)的功能。該模塊還具備故障初步診斷功能，以滿足運(yùn)行工程師的需要。 第三模塊為在線分析診斷模塊，該模塊提供豐富的信號(hào)分析和處理方法， 如相關(guān)分析、頻譜分析、小波分析、Wing er 譜分析、趨勢(shì)分析等，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備工況的精確分析與診斷。 其中信號(hào)采集模塊與實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊共同由一工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，它與分析診斷模塊間通過(guò)局域網(wǎng)互連，通訊快捷、可靠。同時(shí)考慮到設(shè)備管理的需要，本系統(tǒng)還可以與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)互連。3.3.1

30、 信號(hào)采集及預(yù)處理模塊 信號(hào)采集的硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖3.4所示。其中振動(dòng)、非振動(dòng)信號(hào)采集模塊用于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)加速度及溫度、壓力、流量、電流等模擬信號(hào)的預(yù)處理與采集,開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集模塊用于實(shí)現(xiàn)傾角角位移信號(hào)的獲取。圖3.4 信號(hào)采集的硬件結(jié)構(gòu)原理圖 (1) 振動(dòng)信號(hào) 振動(dòng)信號(hào)的預(yù)處理包括交、直流分離、積分、程控增益、低通濾波等環(huán)節(jié)。一體化振動(dòng)加速度傳感器多采用二線制結(jié)構(gòu)，信號(hào)線與電源線共用。傳感器輸出信號(hào)實(shí)際為一固定直流信號(hào)( 通常為10V 左右)上疊加一微弱的交變振動(dòng)信號(hào)， 對(duì)于該信號(hào)，其直流分量通常可用于傳感器工作狀態(tài)的自檢， 而交流信號(hào)則反映了設(shè)備振動(dòng)的大小，由于信號(hào)交、直流分量數(shù)值上通常相差

31、兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上， 故必須分別對(duì)其進(jìn)行處理以便于A/ D 卡采集。 通常對(duì)設(shè)備狀態(tài)的判別采用振動(dòng)速度均方根( RMS) 值或振動(dòng)位移值。因此， 當(dāng)采用加速度傳感器獲取振動(dòng)信號(hào)時(shí)，須對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行積分處理以獲取振動(dòng)速度或位移。程控增益電路用于對(duì)傳感器輸出的微弱交流電信號(hào)進(jìn)行放大，本系統(tǒng)各通道增益可分別配置為1，4，8，16 倍。系統(tǒng)采用二階巴特沃斯低通濾波器實(shí)現(xiàn)噪聲濾除及抗混濾波。 此外，系統(tǒng)還通過(guò)DC-DC 變換和恒流二極管從工控機(jī)+ 12 V電源獲取24 V 的加速度傳感器恒流供電電源。（2）壓力、流量、溫度信號(hào) 壓力、流量、溫度等信號(hào)屬緩變信號(hào)?？紤]到本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)量不超過(guò)16 個(gè)，為了減小系

32、統(tǒng)的復(fù)雜性，本系統(tǒng)直接將其接入振動(dòng)信號(hào)調(diào)理卡，利用振動(dòng)信號(hào)調(diào)理卡中的直流分離電路獲得相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行采樣處理。（3）旋轉(zhuǎn)電機(jī)、傾動(dòng)電機(jī)電流及溜槽傾轉(zhuǎn)角 經(jīng)互感器輸出的旋轉(zhuǎn)電機(jī)、傾動(dòng)電機(jī)電流屬交變信號(hào)，本系統(tǒng)將其與振動(dòng)信號(hào)一起進(jìn)行采樣。而傾角信號(hào)為PLC 輸出的24 V 脈沖信號(hào)，為此通過(guò)光電隔離接入專(zhuān)門(mén)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集卡進(jìn)行采集。3.3.2 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與識(shí)別模塊 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與識(shí)別模塊是以工控機(jī)為中心的多路信號(hào)并行采集模塊, 該模塊直接面向操作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè), 監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和顯示的直觀性是模塊的兩個(gè)重要指標(biāo)。該模塊主要實(shí)現(xiàn)4項(xiàng)功能: 信號(hào)獲取、信號(hào)處理及工況判別、數(shù)據(jù)管理和屏幕顯示 。根據(jù)總

33、體設(shè)計(jì)方案, 該模塊的具體設(shè)計(jì)如下。（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖形界面的設(shè)計(jì) 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與識(shí)別模塊直接面向操作人員, 本模塊的監(jiān)視圖形顯示方式可由用戶(hù)通過(guò)軟件提供的顯示模板自定義。圖3.5給出了兩個(gè)監(jiān)視圖形的示例。（a）總貌圖（b）圖形監(jiān)視圖3.5 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與識(shí)別模塊的監(jiān)測(cè)界面 其中，總貌圖通過(guò)棒圖顯示振動(dòng)有效值的大小, 通過(guò)儀表圖顯示壓力、流量、溫度、電流、角位值。為方便用戶(hù), 總貌圖中還給出了設(shè)備測(cè)點(diǎn)布置圖, 并在下方的狀態(tài)條中顯示報(bào)警日志。圖形監(jiān)視方式主要根據(jù)用戶(hù)的設(shè)定顯示振動(dòng)波形、頻譜、特征頻率趨勢(shì)、有效值/ 峭度系數(shù)趨勢(shì)以及壓力、溫度、流量等信號(hào)的變化趨勢(shì)。（2）數(shù)據(jù)采集方式的設(shè)計(jì) 由于布

34、料系統(tǒng)內(nèi)有多對(duì)齒輪，各對(duì)齒輪嚙合頻率相差較大， 為提高系統(tǒng)頻率分辨率，宜分組對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。同時(shí)為了獲得可比較的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)各組振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)同時(shí)刻采集，采樣頻率取為最高嚙合頻率的2n ( 如16，32，64， 128 等，視最高分析頻率而定) 倍。鑒于本“電機(jī)-齒輪箱-溜槽系統(tǒng)”的最高嚙合頻率為710. 5 Hz，在齒輪1 與2 嚙合處，而傾動(dòng)部分的最低旋轉(zhuǎn)頻率不足0. 1 Hz，因此，數(shù)據(jù)采集分組方式為: 第一組: 上部齒輪箱部分，其最高嚙合頻率為710. 5Hz； 第二組: 溜槽部分，其信號(hào)頻率分布在79. 3 Hz至小于0. 1 Hz 之間； 考慮到電流信號(hào)頻率為50 Hz，將其歸入第二組進(jìn)行采樣。而壓力、流量、溫度等緩變信號(hào)單獨(dú)作為第三組進(jìn)行采集。（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是保存設(shè)備運(yùn)行檔案的重要環(huán)節(jié), 為了完整記錄設(shè)備的運(yùn)行歷史, 本系統(tǒng)采用三種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式: 1）布料齒輪箱正常運(yùn)行時(shí), 系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)定的時(shí)間間隔, 如一小時(shí)自動(dòng)將所有原始數(shù)據(jù)( 振動(dòng)信號(hào)、溫度和壓力等工藝信號(hào)) 保存一次, 作為運(yùn)行檔案, 并備報(bào)表打印所需。 2) 設(shè)備異常報(bào)警時(shí), 系統(tǒng)自動(dòng)保留報(bào)警前200組( 可軟件設(shè)定) 數(shù)據(jù), 其后數(shù)據(jù)在200 組內(nèi)實(shí)行滾動(dòng)刷新。 3) 系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔, 保存最近一個(gè)月的運(yùn)