徐衛(wèi)剛-故障診斷作業(yè)要點

1、炎夬學研究生課程考核試卷科目：設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷教師：謝志江 教授姓 名： 徐 衛(wèi) 剛 學 號： 20110702043專 業(yè)：機械制造及其自動化類 別： 學 術上課時間：2012 年 4 月至 2012 年 6 月考生成績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語：閱卷教師（簽名）重慶大學研究生院制設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷課程作業(yè)1 .論述齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機理及齒輪故障診斷方法1.1 齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機理每當一個輪齒開始進入嚙合到下一個輪齒進入嚙合，齒輪的嚙合剛度就變化一次。 齒輪剛度的變化頻率即嚙合頻率，是指齒數(shù)與旋轉軸轉動頻率的乘積。其計算公式為:=z* fr = Zi* fri =

2、Z2* fr260z1n1z2n260式中：乙、Z2一主、從動齒輪的齒數(shù)；n1、n2一主、從動齒輪的轉速（r/min ）。無論齒輪處于正常狀態(tài)還是故障狀態(tài)，在齒輪的振動信號中，嚙合頻率振動分量及 其諧波始終都是存在的，但兩種狀態(tài)下的振動水平是有差異的。經(jīng)過分析得到齒輪嚙合（1）平均載荷的變化為了使兩齒輪能夠連續(xù)地傳動，必須保證齒輪傳動的重合度大于或等于相應重合度 許用值，這些許用值都大于1。一對齒輪在傳動過程中，每個輪齒周期地進入和退出嚙 合。齒輪傳動的這種特點決定齒輪嚙合區(qū)有兩種：單齒嚙合區(qū)和雙齒嚙合區(qū)。在單齒嚙 合區(qū)內(nèi)，全部載荷由一對輪齒承擔；當一旦進入雙齒嚙合區(qū)，則載荷由兩對輪齒按其嚙

3、合剛度（嚙合輪齒在其嚙合點處抵抗撓曲變形和接觸變形的能力 ）的大小分配承擔。在 單、雙齒嚙合區(qū)的交變位置，每對輪齒所承受的載荷將發(fā)生突變，由 1個平均載荷變?yōu)?0.5個平均載荷，再由0.5個平均載荷變?yōu)?個平均載荷，如此循環(huán)交替。齒輪每轉一 圈，其載荷變化次數(shù)等于其齒數(shù) Z,變化次數(shù)再乘以其轉速（r/s）就是齒輪的嚙合頻 率fzo齒輪傳動時每個輪齒周期地進入和退出嚙合的特點決定了平均載荷的變化是齒輪 產(chǎn)生嚙合頻率的主要原因之一。（2）剛度的變化以漸開線圓柱直齒齒輪為例，如圖1.1所示。由于齒輪傳動的重合度不為整數(shù)的原 因，則在齒輪的嚙合過程中，有時候一對齒嚙合，有時兩對齒嚙合，在單齒嚙合區(qū) B

4、-C 中齒輪的嚙合綜合剛度較小，齒輪彈性變形較大；在雙齒嚙合區(qū) A-B和C-D中，由兩 對輪齒承受載荷，齒輪嚙合綜合剛度較大，齒輪彈性變形較小。止匕外，在嚙合開始時的 A點主動齒輪在齒根處嚙合，彈性變形較小，從動齒輪在齒頂處嚙合，彈性變形較大。 進入嚙合以后，主動輪的嚙合點從吃定部分的 A逐漸向齒根部分的D點過度，相應的輪齒剛度從大變小，彈性變形從小變大，而從動輪的情況剛好相反。這樣每嚙合一次，輪齒嚙合點的剛度周期性變化一次。因此，嚙合處得剛度變化頻率等于嚙合頻率fz。所以，剛度的變化是齒輪產(chǎn)生嚙合頻率的另一個主要原因。圖1.1(3)滑動方向與摩擦力方向的改變齒輪在嚙合過程中，輪齒表面同時存在

5、相對滾動和相對滑動。主動輪帶動從動輪旋 轉時，主動輪上的嚙合點從齒根移向齒頂，嚙合半徑逐漸增大，速度逐漸增高；而從動 輪上的嚙合點是由齒頂移向齒根，嚙合半徑逐漸減小，速度逐漸降低。兩輪齒齒面在嚙 合點的速度差異就形成了主動輪和從動輪的相對滑動。在主動輪上，齒根和節(jié)點之間的 嚙合點速度低于從動輪上的嚙合點速度，滑動方向向下；在節(jié)點處，因為兩輪上的嚙合 點速度相等，相對滑動速度為零。因此，摩擦力在節(jié)點處改變了方向，形成節(jié)線沖擊。 由以上分析可知，每一對齒的嚙合都會導致滑動方向與摩擦力方向變化一次，齒輪每轉 一圈的變化次數(shù)就等于齒數(shù)Z,變化次數(shù)再乘以轉速(r/s)就是齒輪的嚙合頻率fz 1.2齒輪故

6、障診斷方法齒輪處于正常運轉狀態(tài)時，具振動信號的頻譜以嚙合頻率及其倍頻為主，諧波值依 次減小，邊頻帶較少。當齒輪的運行狀態(tài)劣化之后，對應于嚙合頻率及其諧波的振動幅 值會明顯增加，從此意義上講，根據(jù)齒輪嚙合頻率及其諧波成分診斷故障是可行的。而 且，由于不同齒輪副的嚙合頻率一般不同，使得在齒輪故障診斷中可以實現(xiàn)故障的快速 準確定位，提高維護效率。齒輪故障診斷方法很多，如振動診斷、扭振分析、噪聲分析、聲發(fā)射、油液分析、 溫度及能耗檢測等。這些方法大體可分為兩大類：一類是通過對齒輪運行中的動態(tài)信號 的處理來診斷振動、噪聲信號，由于具有便于記錄、處理和不易受干擾等優(yōu)點而被廣泛 采用；另一類是根據(jù)摩擦磨損理

7、論，通過研究分析齒輪箱的溫度和潤滑油中的磨屑來診 斷齒輪的狀況。1.2.1 振動診斷方法振動和噪聲信號是齒輪故障特征信息，目前能夠通過各種信號傳感器、放大器及其 他測量儀器，很方便地測量出齒輪箱的振動和噪聲信號，通過各種分析和處理，提取其 故障特征匯總，從而診斷出齒輪的故障。目前常用的信號分析處理方法有時域分析法 （包 括時域波形、調(diào)幅解調(diào)、相位解調(diào)等）、頻域分析法（包括功率譜、細化譜）、倒頻譜分 析、時頻域分析法（包括短時FFK維格納分布、小波分析等）、瞬態(tài)信號分析方法（包 括瀑布圖等）等。常見的齒輪故障診斷方法有：（1）時域同步平均法時域同步平均法是從混雜有噪聲干擾的信號中提取周期性分量的

8、有效方法，也稱為相干檢波法。當隨機信號中含有確定性周期信號時，如果使截取信號的采樣時間與周期 信號的周期相等，將所截的信號進行疊加平均，那么就能將特定周期信號從隨機信號、 非周期信號以及與指定周期不一致的其他周期信號中分離出來，從而大大提高指定周期信號的信噪比。（2）功率譜分析法功率譜分析可確定齒輪振動信號的頻率構成和振動能量在各頻率成分上的分布，是一種重要的頻域分析方法。幅值譜也能進行類似的分析，但由于功率譜是幅值的平方關 系，所以功率譜比幅值譜更能突出嚙合頻率及其諧波等線狀譜成分而減少了隨機振動信 號引起的一些“毛刺”現(xiàn)象。應用功率譜分析時，頻率軸橫坐標可采取線性坐標或對數(shù)坐標。對數(shù)坐標（

9、恒百分 比帶寬）適合故障概括的檢測和預報，對噪聲的分析與人耳的響應接近；但對于齒輪系 統(tǒng)由于有較多的邊頻成分，采用線性坐標（恒帶寬）會更有效。（3）邊頻帶分析法邊頻帶成分包含有豐富的齒輪故障信息，要提取邊頻帶信息，在頻譜分析時必須有 足夠高的頻率分辨率。當邊頻帶譜線的間隔小于頻率分辨率時，或譜線間隔不均勻都會 阻礙邊頻帶的分析，必要時應對感興趣的頻段進行頻率細化分析（ZOOM分析），以準確測定邊頻帶間隔。一般從兩方面進行邊頻帶分析，一是利用邊頻帶的頻率對稱性，找出（n=1,2, 3）的頻率關系，確定是否為一組邊頻帶。如果是邊頻帶，則可知道嚙合頻率fz和調(diào)制信號頻率fr。二是比較各次測量中邊頻帶

10、幅值的變化趨勢。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）當邊頻間隔為旋轉頻率fr時，可能為齒輪偏心、齒距的緩慢的周期變化及載荷 的周期波動等缺陷存在，齒輪每旋轉一周，這些缺陷就重復作用一次，即這些缺陷的重 復頻率與該齒輪的旋轉頻率相一致。旋轉頻率 fr指示出問題齒輪所在的軸。2）齒輪的點蝕等分布故障會在頻譜上形成類似 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（參見圖1.2）。3）齒輪的剝落、齒根裂紋及部分斷齒等局部故障會產(chǎn)生特有的瞬態(tài)調(diào)制，在嚙合 頻率其及諧頻兩側產(chǎn)生一系列邊帶。其特點是邊帶階數(shù)多而譜線分散，由于高階邊頻的 互相疊加而使邊頻族形狀各異（參見圖1.

11、3）。嚴重的局部故障還會使旋轉頻率fr及其諧波成分增高。-.J Ij.jS litMjillL ! 11 lllhllu ir_/ / 圖1.2圖1.3（4）倒頻譜分析法對于同時有數(shù)對齒輪嚙合的齒輪箱振動頻譜圖，由于每對齒輪嚙合時都將產(chǎn)生邊頻 帶，幾個邊頻帶交叉分布在一起，僅進行頻率細化分析識別邊頻特征是不夠的。由于倒 頻譜將功率譜中的諧波族變換為倒頻譜圖中的單根譜線，其位置代表功率譜中相應諧波族（邊頻帶）的頻率間隔時間（倒頻譜的橫坐標表示的是時間問隔，即周期時間），因此可解決上述問題。倒頻譜的另一個主要優(yōu)點是受信號傳遞路徑影響較小，這一優(yōu)點對于故 障識別極為有用。（5）高頻分析法齒輪齒面有局

12、部損傷時，在嚙合過程中就要產(chǎn)生碰撞，激發(fā)齒輪以其固有頻率做高 頻自由衰減振動。采用固有頻率振動為分析對象，診斷齒輪狀態(tài)的方法叫高頻分析法。 這種方法的主要過程是先用電諧振器從振動信號中排除干擾，分離并放大與諧振頻率相同的高頻成分，經(jīng)檢波器進行包絡檢波得到低頻包絡信號后，進行頻率分析就可以得到頻譜圖。在譜圖上，基頻譜線的頻率就是故障沖擊的重復頻率，根據(jù)此頻率即可診斷出 有故障的齒輪及故障的嚴重程度。在圖1.4中圖（a）是齒輪振動的原始波形；圖（b）是原始波形經(jīng)過協(xié)振器濾波后 提取的高頻成分；圖（c）是高頻成分經(jīng)過包絡檢波后得到的低頻包絡波形，由于他近 似周期信號，所以它的頻譜圖中有較明顯的尖峰；

13、圖（ d）所示，這對故障分析十分有 利。（b）白菰F力海脂（a） 值始激舊共14頁第8頁圖1.4（6）細化譜分析法由于齒輪故障在頻譜圖上反映出頻域分析在齒輪診斷中主要是提取邊頻特征信息, 的邊頻帶比較多，因此進行頻譜分析時必須有足夠的頻率分辨率。在以嚙合頻率為中心 的兩邊分布或單邊分布有邊頻族，這些譜線之間的間隔很小，當邊頻帶的間隔（故障頻 率）小于分辨率時，就分析不出齒輪的故障，此時可采用頻率細化分析技術提高分辨率。 所以，在頻率分析中，采用了所謂細化技術，實質(zhì)上就是進行局部放大用來判斷或讀出 故障的特征信息。以某齒輪變速箱的頻譜分析為例，如圖 1.5所示。從圖中可以看出，細化譜分析技 術可

14、以清晰地看出邊頻帶的真實結構。(a)普通頻譜圖(b)細化頻譜圖圖1.5齒輪箱頻譜圖(7)頻譜分析振動信號的頻譜分析時齒輪故障信息的最基本的研究方法。齒輪的制造與安裝誤 差、剝落和裂紋等故障會直接成為振動的激勵源，這些激勵源以齒輪軸的旋轉為周期， 齒輪振動信號中含有軸的旋轉頻率及其倍頻。故障齒輪的振動信號往往表現(xiàn)為旋轉頻率 對嚙合頻率及其倍頻的調(diào)制，在譜圖上形成以嚙合頻率為中心，兩個等間隔分布的邊頻 帶。由于調(diào)頻和調(diào)幅的共同作用，最后形成的頻譜表現(xiàn)為以嚙合頻率及其各次諧波為中 心的一系列邊頻帶群，邊頻帶反映了故障源的信息，邊頻帶的間隔反映了故障源的頻率, 幅值的變化反映了故障的程度。因此，齒輪故

15、障診斷實質(zhì)上是對邊頻帶的識別。齒輪振動的各調(diào)制邊頻可以用下式表示：f = Pfm - mfri 一 nfr2式中：fm -齒輪副的嚙合頻率；fri、fr2 一主動齒輪和被動齒輪的轉動頻率；P 一嚙合頻率的各階諧頻的序數(shù);m、n一主、被動齒輪轉動頻率的各階諧頻的序數(shù)。由上可知，齒輪的振動頻譜圖的譜線一般有齒輪的轉動頻率及其低階諧頻、齒輪的 嚙合頻率及其倍頻、嚙合頻率的邊頻帶和齒輪副的各階固有頻率等。其中，齒輪副的周 有頻率是由于齒輪嚙合時齒間撞擊而引起的齒輪自由衰減振動，它們位于高頻區(qū)且振幅較小，易被噪聲信號淹沒。(8)波形分析及示性指標在各態(tài)歷經(jīng)的假設前提下，對隨機過程的分析便變?yōu)閷ζ淙我粯颖?/p>

16、的統(tǒng)計分析，下 面就在時域中描述信號因素的幾個常用的統(tǒng)計參量。概率分析法如圖1.6所示，概率密度函數(shù)p(x)定義為信號幅值為x的概率。圖1.6信號及其概率密度函數(shù)概率密度函數(shù)可直接用于機械設備的故障診斷。圖1.7所示是新舊兩個齒輪箱的振動信號的概率密度函數(shù)，圖示直觀地說明新舊兩個齒輪箱的振動信號之間有明顯的差 異?！?工)圖1.7概率密度函數(shù)用于機械故障診斷(a)新齒輪箱(b)舊齒輪箱1.2.2油液診斷技術油液診斷技術是借助對該系統(tǒng)有代表性油樣的分析來實現(xiàn)機器狀態(tài)檢測和故障診 斷的。油液分析技術是機械設備故障預報和診斷的一項比較實用的技術，它包含兩個方 面：一方面是對油液中磨屑的檢測，另一方面

17、對油液本身理化性能分析。磨屑檢測是油液分析狀態(tài)監(jiān)測的主要手段，它通過對油液中磨粒的檢測分析出設備 的磨損狀態(tài)，目前，油液分析監(jiān)測方法主要是光譜分析和鐵譜分析。(1)光譜分析光譜分析是最早應用與機械設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的并取得成功的油液檢測技 術之一。它主要是根據(jù)油樣中各種元素在受到激發(fā)時所發(fā)射的特定波長的光譜來檢測油 樣的元素類型和含量的。(2)鐵譜分析所謂鐵譜分析，就是利用具有高梯度磁場作用的鐵譜儀將機器摩擦副中產(chǎn)生的磨損 顆粒從潤滑油液中分離出來，并使其按照尺寸大小一次沉積在顯微基片上制成鐵譜片， 然后用鐵譜顯微鏡觀察，以獲得摩擦副磨損過程的各類信息，分析機器的磨損機理和判 斷磨損的狀態(tài)

18、、機器運動副表面的磨損類型、磨損程度和磨損部位的技術。設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷課程作業(yè)2.滾動軸承故障的特征頻率推導計算滾動軸承的典型結構如圖2.1所示，它由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四部分組成圖2.1滾動軸承的典型結構在分析軸承各部運動參數(shù)的時候，為了簡化運算，做如下假設：軸承外圈固定不動；滾動體與內(nèi)外圈直徑的接觸為純滾動接觸；滾道與滾動體之間無相對滑動；承受徑向、軸向載荷時各部分無變形。內(nèi)圈（軸）的旋轉頻率為，軸承節(jié)徑為D ,滾動體直徑為d ,接觸角為口 ,滾動 體個數(shù)為z,內(nèi)圈滾道回轉頻率為fe,外圈滾道回轉頻率為f。，保持架回轉頻率（即滾 動體公轉頻率）為f2。如圖2.2所示，假設內(nèi)圈固

19、定在軸上與軸一起旋轉，外圈固定不動。1）由瞬心法知v2 = 2vl內(nèi)圈與軸一起以轉速n轉動，所以內(nèi)圈的旋轉頻率f1,即f 60 fin由于v2= 2二 f1（D -d cos - ）12vi= 2 f2D/2式中，f2為保持架旋轉頻率。所以有2 二 f1(D -d cos -：)/2 = 2 二 f2D故得到1 d -f2（1 cos :） f12 D2）設滾動體的自傳頻率為 九，則九可以這樣求得：給整個軸承加一轉動角速度滾動體只有自傳角速度“ -f”（相當于站在保持架上看軸承運動），則此時保持架固定不動，外圈以-f轉動,fb,根據(jù)純滾動關系，此時B點的速度（注意此時滾動體上的A點繞其中心C轉

20、動）=dfb =(D d cos :) f2由此可得fbD d 22 京-目cos小2共14頁第14頁3）求得保持架通過內(nèi)圈頻率f4（由于保持架與內(nèi)圈都在旋轉且方向一致，因此它們 之間的相對旋轉頻率即為f4）二f1 一r 1df2 = (1 cos - ) f12D4）求得滾動體通過內(nèi)圈頻率fe （每轉一圈Z個滾動體都會與內(nèi)圈產(chǎn)生振動接觸）fe = Zf4= Z（1 dcos ： ） f12 D5）求得滾動體通過外圈頻率fo （因外圈固定，因此保持架的頻率就是單個滾動體 與外圈振動接觸的頻率）Z d=一（1 cos - ） f12 D6）滾動體上某一固定點與外圈或內(nèi)圈接觸的頻率fgg, D d

21、 22,fg = fb1 - (-)2 cos2 ： f2d Dfo、fe和fg分別稱為外圈、內(nèi)圈和滾動體的通過頻率。當上述的“某一固定點” 是局部損傷點(例如點蝕點、剝落點、燒傷點等)時，fo、fe和fg分別成為局部損傷點撞擊滾動軸承元件的頻率，所以又分別稱為外圈、內(nèi)圈和滾動體的故障特征頻率。振動法是通過安裝在軸承座或箱體適當方位的振動傳感器監(jiān)測軸承振動信號，并對此信號進行分析與處理，來判斷軸承的工況與故障的故障診斷方法。利用頻譜分析診斷 軸承故障時，其基本原理就是查看軸承振動信號中有無故障特征頻率成分，若有，則可 根據(jù)這些頻率成分的大小進一步確定故障發(fā)生的部位。3.針對某個機組對象建立其狀

22、態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，描述測點布 置、系統(tǒng)硬件結構組成（框圖）及各部分功能煤氣鼓風機是煤化工廠的重點關鍵設備之一，其機組結構復雜、故障種類多，且故 障具有隱蔽性，如軸向竄動、轉子碰摩、滑動軸承油膜共振、齒輪故障、不平衡、不對 中等。煤氣鼓風機組的性能直接關系到焦爐生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟運行。煤氣鼓風機在線監(jiān) 測診斷系統(tǒng)在在線監(jiān)測的同時，計算機在后臺在線實時自動地進行各種動態(tài)振動信號分 析，判別機組運行狀態(tài)，然后根據(jù)各種分析結果，經(jīng)智能推理在線實時顯示故障種類、 原因、部位和嚴重程度。這樣，當有故障報警后，就能夠及時獲得故障種類、原因、部 位和嚴重程度等信息。3.1 振動測點布置煤氣鼓風機組由電動機、液力耦合器、增速器及鼓風機組成，相互之間由齒輪聯(lián)軸 器聯(lián)結。除了液力耦合器為滾動軸承外，其它設備為滑動軸承。圖3.1系統(tǒng)測點布置圖圖3.1中S1S4為振動速度傳感器；S5S8為安裝在軸承座上的組合式加速度傳 感器，對檢測的加速度信號進行積分變換，可轉換為振動速度和振動位移信號。檢測的 信號頻率范圍是110000Hz,比常規(guī)檢測儀器或系統(tǒng)的檢測范圍（20100Hz）寬、精度 高、性能穩(wěn)定。S9S12為安裝在煤氣鼓風機軸承座上直接測量煤氣鼓風機轉軸的振動 信號，S13為推力軸承軸向位移傳感器，檢測煤氣鼓風機轉子軸向竄動信號。其他測點還包括各機組的電流