設(shè)備故障診斷

1、研究生課程考核試卷科 目：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 教師:學術(shù)、專業(yè)）姓名： 學號：專業(yè)： 車輛工程類 別:上課時間：2016年3月至 2016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）一、論述齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機理及齒輪故障診斷的方法解： 1、齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機理根據(jù)齒輪傳動的特點， 齒輪嚙合過程中嚙合點的位置和參與嚙合的齒數(shù)都是 周期性變化的， 這就造成齒輪輪齒受力和剛度成周期性變化， 從而引起周期性的 振動，能反映這個周期性特征的是嚙合頻率及其高次諧波。1）齒輪嚙合過程中，齒面既有相對滾動，又有相對滑動。主動輪上的嚙合 點由齒根移向齒頂， 隨嚙合半徑逐漸增大，

2、 速度逐步增大； 而從動輪上的嚙合點 則由齒頂移向齒根， 速度逐步降低。 兩輪速度上的差異就形成了相對滑動。 在節(jié) 點處，兩輪速度相等，相對滑動速度等于零。在主動輪上，齒根與節(jié)點間嚙合點 速度低于從動輪上嚙合點速度， 因此滑動方向向下； 而在節(jié)點與齒頂間嚙合點速 度高于從動輪，滑動方向向上。在節(jié)點處，主動輪、從動輪都改變了滑動方向， 即摩擦力的方向在節(jié)點處發(fā)生了改變，形成了節(jié)線沖擊激勵。2 ）齒輪嚙合過程中，除了上述節(jié)線沖擊外，更為重要的是由于參與嚙合的 齒數(shù)變化而引起的嚙合沖擊， 也就是說， 重合度對齒輪嚙合的影響。 對于重合度 在 1-2 之間的漸開線直齒輪， 在節(jié)點附近是單齒嚙合區(qū)， 在

3、齒根、 齒頂附近是雙 齒嚙合區(qū)。顯然，單雙齒交替嚙合對載荷、剛度影響很大。即使齒輪傳遞恒定扭 矩，在每對齒輪嚙入或嚙出時， 由于載荷和剛度的突變， 齒輪也會形成周期性嚙 合沖擊。對于重合度小的直齒，嚙合沖擊更為顯著。對于斜齒，重合度較大，其 嚙合點是沿齒寬方向移動的，嚙合過程較為平緩，嚙合沖擊有所改善。因此，輪 齒的嚙合沖擊和嚙合剛度的變化取決于齒輪的類型和重合度。3）由于制造、安裝、齒面磨損等原因造成齒輪傳動誤差、側(cè)隙變化，也會 影響沖擊激勵，從而影響齒輪嚙合頻率。綜上所述，齒輪節(jié)線沖擊、嚙合沖擊、嚙合剛度是周期性變化的，這個周期 性變化的頻率，就是轉(zhuǎn)速頻率 fi 與齒數(shù) Zi 的乘積。也就

4、是齒輪嚙合頻率 f ，即 f fi Zi （i =1、2）式中，fi齒輪的轉(zhuǎn)速頻率；乙齒輪的齒數(shù)。在一個嚙合周期中， 齒輪在嚙入、 嚙出、節(jié)線沖擊時發(fā)生不止一次的沖擊過 程，即多次沖擊。 因此在齒輪嚙合的振動信號中不僅包含嚙合頻率 f ，而且還有 高次諧波成分2f , 3f。2、齒輪故障診斷的方法 齒輪在機械設(shè)備的齒輪箱中是一種非常重要的部件，這種部件應用十分廣 泛，齒輪主要的作用是起鏈接、傳遞動力和運動。在工作過程中 , 齒輪、軸承和 軸等零部件都會因各種因素而產(chǎn)生振動信號 , 當振動信號異常于正常情況的振動 信號時，則預示著零件有可能發(fā)生了故障。振動信號一般都包含設(shè)備（齒輪箱） 運行狀態(tài)信

5、息，利用這些信息進行故障的識別是機械故障診斷中十分常用的方 法。通過這種方法所用到的信號需要利用數(shù)學工具如傅立葉變換、 小波變換、 相 關(guān)分析等進行處理。隨著工程應用和科學研究的不斷發(fā)展 , 所涉及到的故障監(jiān)測 診斷問題越來越復雜。2.1 常見的齒輪故障形式通常齒輪在運轉(zhuǎn)時 , 由于各種因素（維護不當、環(huán)境惡劣）會產(chǎn)生各種形式 的故障。 故障形式又隨著運轉(zhuǎn)狀態(tài)、 熱處理、 齒輪材料等各種因素的變化而有所 不同, 常見齒輪故障形式有：齒輪斷裂、齒面磨損和劃痕、齒面疲勞、齒面塑性 變形等。2.2 齒輪故障診斷的常用方法1）功率譜分析法頻譜圖的幅值有兩種表示方法 : 一種是以能量形式表示的功率譜；另

6、一種以 振幅形式表示的幅值譜。 功率譜分析可確定齒輪振動信號的頻率構(gòu)成和在各頻率 成分上分布的振動能量， 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(guān)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，同時還能減少由隨機振動信號引起的“毛刺”現(xiàn)象。在應用功率譜分析時， 頻率軸橫坐標可采取線性坐標或?qū)?shù)坐標。 但是對于 齒輪系統(tǒng)，由于有較多的邊頻成分，采用線性坐標（恒帶寬）比采用對數(shù)坐標更 有效。2）邊頻帶分析法邊頻帶出現(xiàn)的機理是齒輪嚙合頻率 f 的振動受到了齒輪旋轉(zhuǎn)頻率 f r 的調(diào)制 而產(chǎn)生的， 邊頻帶成分包含大量的齒輪故障信息， 對邊頻帶信

7、息， 在頻譜分析時 必須有足夠高的頻率分辨率才能提取。當邊頻帶譜線間的間隔小于頻率分辨率（或譜線間隔不均勻） 時，都會阻礙對邊頻帶的分析， 必要時應對感興趣的頻段 進行頻率細化分析（ZOO研析），以準確測定邊頻帶間隔。邊頻帶分析從兩方面進行，一是利用邊頻帶的頻率對稱性，找出f z±nf r（n=1、2、3）的頻率關(guān)系，確定是否為一組邊頻帶。若是邊頻帶，則可知道嚙合頻率?Z和調(diào)制信號頻率?r。二是比較各次測量中邊頻帶幅值的變化趨勢。根據(jù)邊頻帶呈現(xiàn)的形式和間隔，有可能得到以下信息：a）當邊頻間隔為旋轉(zhuǎn)頻率?r時，可能是齒輪偏心、齒距緩慢的周期變化及 載荷的周期波動等缺陷存在。 齒輪每旋轉(zhuǎn)

8、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(zhuǎn)頻率相一致。根據(jù)旋轉(zhuǎn)頻率 ?r 可找出問題齒 輪所在的軸。b） 齒輪的點蝕等分布故障會在頻譜上形成類似a）的邊頻帶，但其邊頻階 數(shù)少且集中在嚙合頻率及其諧頻的兩側(cè)。c）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)沖擊調(diào) 制，在嚙合頻率其及諧頻兩側(cè)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。 嚴重的局部故障還會使旋轉(zhuǎn)頻率 ?r及其諧波成分增高。由于邊頻帶成分具有不穩(wěn)定性， 在實際工作環(huán)境中， 尤其是幾種故障并存時， 邊頻族錯綜復雜， 其變化規(guī)律難以用上述的典型情況表述

9、， 而且還存在兩個軸的 旋轉(zhuǎn)頻率？ri（主動軸?r1，被動軸?r2 ）混合情況。但邊頻的總體水平是隨著故障 的出現(xiàn)而上升的。3）倒頻譜分析法對于同時有幾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；由于倒頻譜處理算法將功率譜圖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 表示的是時間間隔，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)點是對于傳感器的測點位置或信號傳輸途徑不敏感 以及對于幅值和頻率調(diào)制的相位關(guān)系不敏感。 這種

10、不敏感， 反而有利于監(jiān)測故障 信號的有無，而不看重某測點振幅的大?。赡苡捎趥鬏斖緩蕉贿^分放大） 。二、滾動軸承故障的特征頻率推導計算解：為了便于推導出軸承旋轉(zhuǎn)時運動元件缺陷的特征頻率，現(xiàn)有如下假設(shè):1) 滾動體與滾道之間沒有滑動接觸；2) 每個滾動體直徑相同，并且均勻分布在內(nèi)外滾道之間；3) 徑向、軸向受載荷時各部分沒有變形。圖2.1如上圖所示，先求單個滾動體相對于外圈的旋轉(zhuǎn)頻率。內(nèi)圈滾道的切線速度為V Difn (D d)fn(D d) ，N為轉(zhuǎn)軸速度(r/min )。60由于滾動體只滾動而不滑動，所以滾動體與內(nèi)圈滾道在接觸點A的速度為Va Vi，又假定外圈固定，故滾動體與外圈滾道接觸點

11、 D的速度為Vd 0。滾(D d)fn，單個滾動體相對于外圈的旋轉(zhuǎn)頻21動體中心B的速度為Vb -Va2率為:Vb式中I滾道節(jié)圓周長。由以上原理可求出軸承在受軸向力和不受軸向力工況下各部件存在缺陷時 的特征頻率。A、不受軸向力工況1)如果外圈滾道上某處有一缺陷時，則有Z個滾動體滾過該缺陷時的頻率應為:z Zf為:2）如果內(nèi)圈上有一處缺陷點時,則有Z個滾動體滾過該缺陷時的特征頻率z Zf3）如果滾動體上某處有缺陷時的特征頻率。如果該滾動體每自轉(zhuǎn)一周只沖Dn7擊內(nèi)圈滾道一次，則其特征頻率為:z 11三、針對某個機組對象建立其狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，描述測點布 置、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成（框圖）及各部分功

12、能-（如：汽輪機狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)）-（如：齒輪箱狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)）-（如：煤氣鼓風機/旋轉(zhuǎn)機械在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)）解：汽輪機是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機械能的一種旋轉(zhuǎn)式原動機，屬于旋轉(zhuǎn)機械。相比于其它類型的原動機，汽輪機具有單機功率大、熱經(jīng)濟性高、運行安全 可靠、單位功率制造成本低等一系列優(yōu)點，所以在現(xiàn)代火力發(fā)電中得到普遍應用， 即汽輪機發(fā)電機組。隨著時代的發(fā)展和科學技術(shù)的進步， 汽輪機組性能的提高和容量的增加，人 們對設(shè)備安全、穩(wěn)定、長周期、滿負荷運行的要求越來越迫切。即使機組自動化 程度、制造精度和安裝工藝水平都有所提高， 使得機組的振動故障有所減少，但 是由于設(shè)備的復雜

13、性、運行環(huán)境的特殊性、安裝與檢修中影響振動因素的不確定 性，使得振動等故障仍然是影響汽輪機機組正常運行的重要因素。對汽輪機機組在線狀態(tài)監(jiān)測方式主要有三種：1）離線定期監(jiān)測方式。測試人員定期到現(xiàn)場用一個傳感器依次對各測點進行 測試，并用磁帶機記錄信號，數(shù)據(jù)處理在專用計算機上完成，或是直接在便攜式 內(nèi)置微機的儀器上完成。這是當前利用進口監(jiān)測儀器普遍采用的方式。 采用該方式，測試系統(tǒng)較簡單，但是測試工作較煩瑣，需要專門的測試人員，又由于是離 線定期監(jiān)測，不能及時避免突發(fā)性故障。2）在線監(jiān)測離線分析的監(jiān)測方式，即主從機監(jiān)測方式。在設(shè)備上的多個測點 均安裝傳感器，由現(xiàn)場從機系統(tǒng)進行各測點的數(shù)據(jù)采集和處理

14、， 在主機系統(tǒng)上由 專業(yè)人員進行分析和判斷。這種方式是近年來在大型旋轉(zhuǎn)機械上普遍采用的方式。相對第一種方式，該方式免去了更換測點的麻煩，并能在線進行監(jiān)測和報警。3）自動在線監(jiān)測方式。該方式不僅能自動在線監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)， 及時進 行故障預報，而且能在線根據(jù)專家經(jīng)驗和有關(guān)準則智能化地進行數(shù)據(jù)處理和分析 判斷。由上可知，由離線定期監(jiān)測方式、在線監(jiān)測離線分析監(jiān)測方式，發(fā)展為自動 在線監(jiān)測方式是技術(shù)進步的必然趨勢。隨著人工智能理論的發(fā)展及其在實際中的 應用、數(shù)據(jù)處理軟件的大量開發(fā)，今后汽輪發(fā)電機組振動狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)正向多目 標、多層次監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。3.1在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)完整的汽輪機組

15、在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如下圖3.1所示H4S”兀ft測汽輪機組廠內(nèi)E域M汽輪機址ItssA婆曼舄殆號圖3.1在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖對于整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，屬于集散型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由多個“在線監(jiān)測系統(tǒng)” 和上位機及通信接口、通信線路組成。采用上、下位機同步工作方式，下位機一 般是由單片機等在線監(jiān)測裝置組成， 安裝于汽輪機組上或其附近， 獨立完成數(shù)據(jù) 采集和處理等任務，并將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式傳送給上位機（計算機） 。上位 機是故障診斷系統(tǒng)， 負責數(shù)據(jù)的存儲、 歷史數(shù)據(jù)分析、 趨勢分析與故障判斷等工 作，此外還可以將系統(tǒng)的控制參數(shù)發(fā)送給下位機的各個在線監(jiān)測系統(tǒng)， 以調(diào)整

16、在 線監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)。上位機與下位機之間通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸與信息通 訊。3.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 線監(jiān)測系統(tǒng)位于汽輪機組在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的最前端， 采集三類機組 信號，分別是振動信號、鍵相信號和緩變量信號。汽輪機因設(shè)計工藝、負荷和冷 熱不均等原因造成的機械故障表現(xiàn)大致可以分為異常振動 （如軸承或者轉(zhuǎn)軸發(fā)生 劇烈轉(zhuǎn)動）和系統(tǒng)失穩(wěn)（如汽缸熱膨脹，轉(zhuǎn)軸偏心或發(fā)生軸向位移） 。這兩種故 障相互影響，有彼此加劇可能。 若想全面掌握機械的運行狀態(tài)， 監(jiān)測系統(tǒng)必須從 這兩類故障出發(fā)， 將機械運行的動態(tài)特征和靜態(tài)特征作為監(jiān)測對象。 汽輪機運行 的動態(tài)特征量主要指振動量， 它反映了傳感器探頭端部與轉(zhuǎn)

17、子表面的快速間隙變 化。汽輪機運行的靜態(tài)量， 亦稱緩變量，包含軸向位移、 軸偏心、缸脹和溫度等。 在旋轉(zhuǎn)機械振動測量中， 通常在轉(zhuǎn)子上開一個凹槽， 每轉(zhuǎn)一周， 當凹槽經(jīng)過渦流 探頭的位置時，相當于探頭與轉(zhuǎn)子表面 （被測面）之間距離發(fā)生改變， 傳感器會產(chǎn) 生一個脈沖信號， 這個信號稱為鍵相信號。 該信號的前沿為軸系各測點振動信號 的采樣提供同步觸發(fā)信號， 以確保各通道振動信號在采集時刻上無相位偏差， 并 在頻譜上為各振動信號提供統(tǒng)一的相位基準。在線監(jiān)測系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上， 主要由智能數(shù)據(jù)采集單元、 主處理單元、 振動3.2 所示。分析單元、開關(guān)電源構(gòu)成。在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案如下圖320X24UL

18、CDJ1旅勸分折甲元1圖3.2在線監(jiān)測系統(tǒng)每個不同單元實現(xiàn)的功能：數(shù)據(jù)采集單元：主要完成的功能有自適應鍵相信號處理； 靈活的選擇鍵相信 號作為振動信號采樣的同步觸發(fā)信號；振動信號的調(diào)理和多路振動信號的同步采 集；緩變量信號的調(diào)理和采集；采樣數(shù)據(jù)的處理；數(shù)據(jù)緩存模塊的管理。主處理單元：主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，鍵相信號調(diào)度，與振動分析單元進行數(shù)據(jù) 交換等功能。振動分析單元：實現(xiàn)的主要功能是對采集到的實時數(shù)據(jù)進行分析以及人機交 互，外圍設(shè)備有液晶顯示屏、鍵盤、LED燈、檢測維護接口其中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元硬件設(shè)計如下圖 3.3所示：A/D轉(zhuǎn)楡CPLD微處理器總線雲(yún)動9底板接口5V-*9J7I TVDC-DC3V>12V圖3.3數(shù)據(jù)采集單元3.3故障診斷系統(tǒng)設(shè)計設(shè)備故障智能診斷系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)主要由 6個功能模塊組成，如圖3.4所 示。每個模塊所起的作用是：1）人機接口模塊是整個系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)機構(gòu)；2）知識庫和數(shù)據(jù)庫管理模塊的功能是對診斷必需的知識和數(shù)據(jù)進行建立、 增加、刪除、修改、查找等操作；3）診斷推理模塊是診斷系統(tǒng)的核心，負責運用診斷信息和相關(guān)知識完成診 斷任務；4）診斷信息獲取模塊通過主動、被動和交互等方式獲取有價值的診斷信息；5）解釋機構(gòu)的任務是向用戶提供診斷咨詢及診斷推理過程的中間結(jié)構(gòu)，幫 助用戶了解診斷對象及診斷過程；6）機器學習模塊用于完善系統(tǒng)的知識庫，提高系統(tǒng)的