設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

1、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：謝志江姓名：婁金花學號：20110702008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請論述齒輪嚙合頻率的原理及齒輪故障診斷的方法（一）齒輪嚙合頻率的原理齒輪嚙合頻率等于該齒輪的轉頻（轉每秒或 Hz）乘以它的齒數(shù)。相互嚙合 的兩個齒輪的嚙合頻率是相等的。即 fr zfr， fr n /60因此，齒輪的振動機理與信號特征分析如下：齒輪傳動系統(tǒng)是一個彈性的機械系統(tǒng)，由于結構和運動關系的原因，存在著 運動和力的非平穩(wěn)性。如圖1所示，為

2、齒輪副的運動學分析齒輪傳遞系統(tǒng)的嚙合振動是不可避免的。 振動的頻率就是嚙合頻率，也就是 齒輪的特征頻率，其計算公式如下。齒輪嚙合頻率：fco存嚙合頻率的高次諧波頻率：fci ifcoi=2,3,4,n式中：n齒輪軸的轉速（r/min）z齒輪的齒數(shù)由于傳遞的轉矩也隨著嚙合而改變，它作用到轉軸上，使轉軸發(fā)生扭振。 而轉軸上由于鍵槽等非均布結構的存在，軸的各向剛度不同，剛度變動的周期與軸的周轉時間一致，激發(fā)的扭振振幅也就按轉軸的轉動頻率變動。這個扭振對齒輪的嚙合振動產生了調制作用，從而在齒輪嚙合頻率的兩邊產生出以軸頻為間隔 的邊頻帶。邊頻帶也是齒輪振動的特征頻率， 嚙合的異常狀況反應到邊頻帶， 造

3、成邊頻帶的分布和形態(tài)都發(fā)生改變?？梢哉f，邊頻帶包含了齒輪故障的豐富信息。無論齒輪處于正常或異常狀態(tài)下，這一振動成分總是存在的。但兩種狀態(tài) 下振動水平是有差異的。因此，根據齒輪振動信號嚙合頻率分量進行故障診斷是 可行的。但由于齒輪信號比較復雜，故障對振動信號的影響也是多方面的， 特別 是由于幅值調制和頻率調制的作用，齒輪振動頻譜上總是存在眾多的邊頻帶成 分。因此，齒輪嚙合頻率的產生原因主要有：（1）節(jié)點附近的力方向和運動方向的變化主動輪與從動輪在嚙合線區(qū)域任意 S點嚙合時它們在該點的絕對速度分別是V1和Vs2。由嚙合原理可知， V和Vs2沿法線方向的速度分量應相等，即：Vs1 Coss Vs2

4、coss2顯然，在該點處主動輪和從動輪之間沒有相對滑動。 在嚙合線區(qū)域，主動輪和從動輪的相對運動是從動輪齒廓沿主動輪齒廓向主動輪 的齒根處滑動，摩擦力方向與運動方向相反，指向齒根的齒廓切線方向。（2）齒輪嚙合過程中齒上所承受載荷的變化及齒輪嚙合處剛度的變化隨著嚙合點位置的變化，參加嚙合的單一輪齒的剛度發(fā)生了變化， 參加嚙合 的齒數(shù)在變化。例如對于重合系數(shù)在1-2之間的漸開線直齒輪，在節(jié)點附近是單 齒嚙合，在節(jié)線兩側某部位開始至齒頂、齒根區(qū)段為雙齒嚙合（圖2）。顯然，在雙齒嚙合時，整個齒輪的載荷由兩個齒分擔，故此時齒輪的嚙合剛度就較大；同理，單齒嚙合時嚙合剛度較小圖2齒面受載變化圖3嚙合剛度變化

5、曲線從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。由此可計算出齒輪的嚙合周期和嚙合頻率。 總的來說，齒輪的嚙合剛度變化 規(guī)律取決于齒輪的重合系數(shù)和齒輪的類型。直齒輪的剛度變化較為陡峭，而斜齒 輪或人字齒輪剛度變化較為平緩，較接近正弦波（圖3）。若齒輪副主動輪轉速為ni、齒數(shù)為乙；從動輪轉速為n2、齒數(shù)為Z2，則齒 輪嚙合剛度的變化頻率（即嚙合頻率）為：fr腦f2Z2齊齡2（二）、齒輪故障診斷的方法分析如下：（1）常見齒輪故障1）齒面磨損齒輪傳動中潤滑不良、潤滑油不潔或熱處理質量差等，均可造成磨損或劃痕， 磨損可分為粘著磨損、磨粒磨損、劃痕（一種很嚴重的磨粒磨損）和腐蝕

6、磨損等。a. 粘著磨損是油膜被破壞而發(fā)生齒面金屬的直接接觸形成的。其原因可能是齒輪 工作在低速、重載、高溫、潤滑油黏度太低、供油不足和齒面粗糙等情況。b. 磨粒磨損和劃痕當潤滑油不潔（夾雜直徑大于 30um以上的磨粒，包括外來砂 粒或摩擦過程"生的金屬磨屑），都可以產生磨粒磨損與劃痕。一般齒頂、吃 根部摩擦較節(jié)圓部嚴重，這是因為吃了嚙合過程中，節(jié)圓處為滾動接觸，而齒頂、 齒根處為滑動接觸。c. 腐蝕磨損潤滑油中含有酸、堿和水等易對金屬產生腐蝕的化學物質，與齒面發(fā) 生化學反應，由腐蝕導致齒面損傷。齒輪磨損后，齒的厚度變薄，齒廓形狀變得 瘦長。齒輪磨損后，工作時產生動載荷，不僅振動和噪聲

7、加大，而且可能導致齒 的折斷。2）齒面疲勞（點蝕、剝落）所謂齒面疲勞主要包括齒面點蝕與剝落。造成點蝕的原因，主要是由于工作 表面的交變應力引起的微觀疲勞裂紋，潤滑油進入裂紋后，由于嚙合過程可能先 封閉入口然后擠壓，微觀疲勞裂紋內的潤滑油在高壓下使裂紋擴展， 結果小塊金 屬從齒面脫離，留下一個小坑，形成點蝕。如果表面的疲勞裂紋擴展的較深、較遠或一系列小坑由于坑間材料失效而連 接起來，造成大面積或大塊金屬脫落，這種現(xiàn)象叫剝落。剝落與嚴重點蝕只有程 度上的區(qū)別，而無本質上的不同。3）輪齒的斷裂齒輪副在嚙合傳遞運動時，主動輪的作用力和從動輪的反作用力都通過接觸 點分別作用在對方輪齒上，最危險的情況是接

8、觸點某一瞬間位于輪齒的齒頂部， 此時輪齒如同一個懸臂梁， 受載后齒根處產生的彎曲應力最大， 若因突然過載或 沖擊過載， 很容易在齒根處產生過載斷裂。 即使不存在沖擊過載的受力工況， 當 輪齒重復受載后，由于應力集中現(xiàn)象，也易產生疲勞裂紋，并逐步擴散，致使輪 齒在齒根處產生疲勞斷裂。 對于斜齒輪或寬直齒齒輪， 也常發(fā)生輪齒的具備斷裂。 另外，淬火列了、 磨削裂紋和嚴重磨損后齒厚過分減薄時， 在輪齒的任意部位都 可能產生裂紋。4）齒面塑性變形 軟齒面齒輪傳遞載荷過大（或在大載荷沖擊下）時，易產生齒面塑性變形。在齒面間過大的摩擦力作用下， 齒面接觸應力會超過材料的抗剪強度， 齒面材料 進入塑性狀態(tài)，

9、造成齒面金屬的塑性流動，是主動輪節(jié)圓附近的齒面形成凹溝， 從動輪節(jié)圓附近的齒面形成凸棱， 從而破壞了正確的齒形。 有時可在某些類型從 動齒輪的齒面上出現(xiàn)“飛邊”，嚴重時擠出的金屬充滿頂隙，引起劇烈振動，甚 至發(fā)生斷裂。（2）常用齒輪故障診斷方法1）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。 振幅譜也能進行類似的分析， 但由于功率譜 是振幅的平方關系， 所以功率譜比振幅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。功率譜分析對齒輪的大面積磨損、點蝕等均勻固有有比較明顯的分析效果， 但對齒

10、輪早期故障和局部故障不敏感，因而應采用其他分析方法。2）邊頻帶分析法邊頻帶出現(xiàn)的機理是齒輪嚙合頻率fz的振動受到了齒輪旋轉頻率 fr的調制而產生，邊頻帶的形狀和分布包含了豐富的齒面狀況信息。 一般從兩個方面進行 邊頻帶分析： 一是利用邊頻帶的頻率對稱性，找出 fz nfr 的頻率關系，確定是否為一組邊頻 帶；二是比較各次測量中邊頻帶振幅的變化趨勢。根據邊頻帶呈現(xiàn)的形式和間隔，有可能得到以下信息：a當邊頻帶間隔為選擇頻率fr時，可能有齒輪偏心、齒距的緩慢周期變化及載荷 的周期波動等缺陷存在， 齒輪每旋轉 1 周，這些缺陷就重復作用一次， 根據選擇 頻率fr可判斷出問題齒輪所在的軸。b. 齒輪的點

11、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，而集中在嚙合頻率及其諧頻的兩側 ,如下圖所示。c. 齒輪的剝落、齒根裂紋及部分斷齒等局部故障會產生特有的瞬態(tài)沖擊調制， 在嚙合頻率及其兩側產生一系列邊頻帶。其特點是邊頻帶階數(shù)多而譜線分散，由 于高階邊頻的互相疊加而使邊頻帶族形狀各異。 嚴重的局部故障還會使旋轉頻率 fr及其諧波成分的振幅增高。3）包絡分析法包絡分析法就是提取載附在高頻信號上的低頻信號，從時域上看，為取時域波形的包絡軌跡。像具有齒輪、軸承等零部件的旋轉機械故障診斷常常用到包絡 分析。當旋轉機械的軸承零部件有點蝕、剝落等損傷類故障時，伴隨設備運轉這 些故障會產生周期性脈沖沖

12、擊力，激起設備的各階固有振動。選擇沖擊激起的高 頻固有振動為研究對象，通過濾波將其從信號中分離出來，然后通過包絡檢波， 提取出載附在其上的與周期脈沖沖擊力對應的包絡信號，從其強度和頻次就可以 判斷零件損傷的程度和部位。這種技術稱為包絡解調，也稱為早期故障探測法， 它是判斷設備零件損傷類故障的一種有效的手段。4）小波分析法小波變換作為一種新的數(shù)學理論和方法，己在不少領域得到了廣泛的應用。 在振動信號分析中，小波變換屬于一種多分辨率的時頻分析方法， 具有很多優(yōu)點， 為非平穩(wěn)信號的分析提供了一個有價值的工具。 實際應用中常使用簡單方便的二 進離散小波變換。從多分辨率分析的角度上看，小波分解相當于一個

13、帶通濾波器 和一個低通濾波器，每次分解總是把原信號分解成兩個子信號， 分別稱為逼近信 號和細節(jié)信號，每個部分還要經過一次隔點重采樣。如此分解N次即可得到第N 層（尺度N上）的小波分解結果。小波變換常以下面3種方法用于齒輪箱運行狀態(tài)和故障診斷分析：（1）小波 包能量譜進行監(jiān)測；（2）邊帶識別；（3）奇異點的模極大值及過零點檢測。隨著小波分析技術的發(fā)展及計算機容量和運算能力的飛速發(fā)展，最近人們開始對連續(xù)小波變換應用于故障診斷分析。連續(xù)小波變換能為基小波的選擇提供很 大方便，當己知需檢成分的特征時，就可以選取成構造與之對應的基小波， 作連 續(xù)小波變換來揭示這些成分的分布和大小。小波變換雖然是一種很好

14、的信號分析工具，但它仍然存在下面兩個問題：（1）小波變換分析的結果不如傅立葉變換那樣直觀明了， 需要分析人員具有一定的小 波分析理論基礎進行判斷，不宜于使用計算機對結果進行自動分析和處理。(2)小波變換的核函數(shù)不是唯一確定的，需要根據工程應用中的實際進行選擇。二、請推導滾動軸承故障的特征頻率答：為便于推導軸(軸承)旋轉時運動元件缺陷的特征頻率，作如下假設：滾動體與滾道之間無滑動接觸；每個滾動體直徑相同，且均勻分布在內外滾道之 間；徑向、軸向受載荷時各部分無變形。方法1設外圈和內圈滾道上分別有一接觸點 A和B，如果徑向游隙為零，則A和B點的圓周速度分別為：Ve丄門。ViDni60 60Ve、Vi

15、 接觸點處圓周速度，mm/sDe、Di 接觸點處直徑，mmne、ni 外圈、內圈的轉速，r/minDe D d cos D(1 d /Dcos )滾動體圍繞軸承中心線的公轉線速度是Ve、Vi速度的平均值，即VcViVe速度為：Vc60Dn心 d / D cos ) ne(1 d / D cos )120滾動體的公轉線速度也就是保持架中心圓的線速度。 保持架中心圓上某一點的線由上面兩式得保持架的轉速為:ncni (1 d / D cos ) 2ne(1 d / D cos )內圈相對于保持架的轉速為:1% ni nc -(ni ne)(1 d/Dcos )1外圈相對于保持架的轉速為nec ne

16、nc - (nj ne)(1 d / D cos )2滾動體的自轉轉速ng可由接觸點處兩物體線速度相等的關系求得。例如，滾動體與內圈接觸的B點線速度為：Robnc 一r(1 d / D cos ) ne(1 no d60 2式中負號，表示滾動體與內圈接觸點 B的選擇方向相反。內圈滾道上與滾動體接觸的 B點相對于滾動體中心的線速度為：2 (ni ne) Di b60 2根據純滾動條件，滾動體上接觸點 B和內圈滾道上相應的B點速度相等，得到Rb bo由此可得滾動體的自轉轉速為：noDid(ncni)n)(i(-cos )2D絕大多數(shù)滾動軸承在實際應用中總是保持外圈靜止，內圈與軸一起旋轉，當軸的轉速

17、為n時，則R nre 0NiZRcn(1 d / D cos )z2i保持架相對于外圈的轉速：張沙n)(1d/D cos )丄 n(1 d / D cos )2外圈上某一點每分鐘通過的滾動體數(shù):Ne1ZRec - n(1d / D cos ) z內圈相對于保持架的轉速：11nic5ne)(1 d / D cos )n(1 d / D cos )22因為保持架有z個滾動體，所以內圈上某一點每分鐘通過的滾動體數(shù)為:滾動體自轉速度為:DiDnoGncni)2?neni)(1Di(-cos )2D2d n(1 (fcos )2保持架:d / D cos )丄 n(1 d / D cos )2三、同步齒

18、輪箱初始故障在線監(jiān)測與診斷裝置(1)齒輪箱的主要損傷形式和故障檢測參數(shù)的確定輪齒損傷形或項0珈艮嚙M傍止宦府拽、豊些磨扌気干涉蚩 列傷* #<豈合柄*L并勵侵入，仙t設針不眷理，或裂 重星、潤淸不SJF勸薛虛力試南*迭聞趣加匱丸、齊轉屯豪過離齒血疲勞¥飄雖*、曠展性點悒“刺菲齒由島部凸起.廉船虛力過掛、內金力過大尋壓痕.無舟咀電.StU, W異犧JK入.過員*吩舍齊乩.詞商事無滬爭燒儲烏揮湛度過高闍卅毛坯裂歧.殮化吐堰製療. 磨忻芒裂憶、樹嗎、毛坯費緘戲理撓陪、丸總倉沖的作用等盧空罐朕-張刊因索產生的蠻帶號飯*變應力林用子化乍屈性電辺眼 遠抵舉忖窘柑測潸仙申令雜炊、皆面間壓力過

19、咼樣在離舐二潤清光帶存展摩報、蠱鈾*剝暮祥誓種戲祎氣H時時沖擊力、局部高涵t 址唐虐ift電沈表 齒輪裝置故障檢測事數(shù)的有效性部位就障丸英描飭名轉按前噪聲扭起逞度蠅戟時展y0*幅4劉昔斷聲yoyvA&葉擊斷聶i/a 1*aA氏膳科霄科y0O吐JC刮祗Q0rAJC雋也#4fJOoa也XWitt0ooAK判工d0oAJKaoMK魁牲苣咼纏缶世男1/0y0-Mrt巻缶疋謝0y0KM凹祗yoYAJC吿匂星皆W|Lt/ooVAMl/00vAK畑気000OO咆人#棉宜0oAitJA00AKtCht/ac-c4XVoAx機K祁屮V0AKM檢功*0A就JCMif:盂皮丹壽3fHEMstVK戶玉碼汕Mt

20、tMNAH.a憐戰(zhàn)書枇冥KM.£OA注:竝有就O胃冇牝花韋町吧 恥4.鬥(2)裝置構成狀態(tài)監(jiān)測與診斷主要原理是通過監(jiān)測振動信號對故障進行分析，主要有硬件和軟件兩個部，考慮監(jiān)測設備的可擴充性，在實際安裝中要根據需要安裝監(jiān)測齒 輪箱的數(shù)量，設備增加時只需要增加傳感器和采集模塊便可。1 )硬件部分a傳感器。選擇量程50g,頻響1.24000HZ的加速度傳感器。b、數(shù)據采集器。由A/D卡、變參數(shù)共振解調信號處理箱構成，其中前者主 要采集車輛振動、速度等數(shù)據，后者主要采集抗混濾波頻率設定，放大倍數(shù)選擇、 沖擊信號監(jiān)測等數(shù)據。c中心服務器。中心服務器的關鍵就是數(shù)據庫，數(shù)據庫應選擇擴展性良好、 支

21、持分布式計算和集群的數(shù)據庫。甲骨文公司是世界上最流行的關系數(shù)據庫系 統(tǒng)，它是物理上存放于網絡的多個 ORACLE數(shù)據庫，邏輯上可以看成一個單個 的大數(shù)據庫。需要時只需將該角色授予一個用戶或一組用戶，這樣可以降低安全 機制的負擔和成本。d、硬件連接圖。如圖1所示，即將幾個加速度傳感器分別裝在同步齒輪箱 需要檢測的位置，然后將他們輸出的端與第一N路多路開關及第二N路多路開關 的輸入端聯(lián)接，其中，第一 N路多路開關的輸出公共端“ COM ”與變參數(shù)共振 解調信號調理箱相連，連接點是第一子系統(tǒng)和第二子系統(tǒng)的同號輸入端“IN+ ”,相對應的，第二N路多路開關的輸出公共端“COM ”與反號輸入端“IN-

22、”聯(lián)接。 子系統(tǒng)內部接線是：第一子系統(tǒng)輸出端 AH0AH2分別與A/D轉換卡的輸入端 BH0BH2對應連接；相對應的，第二子系統(tǒng)的輸出端與轉換卡的輸入端 BH3BH5對應連接。A/D轉換卡的輸出端 D0Dn-1通過總線與主控機的PC1擴展槽連接，最后，主控機通過以太網與服務器 連接。ffl I 便fl結構圈2）軟件部分該系統(tǒng)包括裝在主控機中的專家系統(tǒng)，以NI-Lab-view為信號處理軟件平臺， 使得整個系統(tǒng)在長期連續(xù)運行的過程中不會出現(xiàn)不正?；蛩罊C的現(xiàn)象，具有很高的品質。該軟件是利用硬件部分監(jiān)測同步齒輪箱的振動情況，通過傳感器將被測 部位的信號通過信號調理箱對信號進行處理之后傳入軟件系統(tǒng)進行

23、波形分析處 理得出結論。3）齒輪箱信號分析方法齒輪箱的信號分析可以采用的方法包括時域分析、頻域分析以及時頻分析三 大類。 時域分析時域分析包括時域統(tǒng)計分析和時域相關分析。齒輪均勻磨損、滾動軸承故障 和軸彎曲等故障都會使振動能量明顯增大， 而齒形誤差、斷齒、滾動軸承故障和 軸彎曲等故障都會產生調制現(xiàn)象， 從而使包絡能量增大；因此原始時域的統(tǒng)計特 征值分析是判斷齒輪箱有無故障和診斷故障程度的一個重要內容。時域統(tǒng)計分析常用統(tǒng)計特征值包括均值、最大值、最小值、均方值、方根幅 值、平均幅值、斜度、峭度、峰值指標、脈沖指標、裕度指標以及峭度指標等。 上述統(tǒng)計特征值見表 2.1表丄1時域統(tǒng)計分析常出絨計特征恒Tab 2.1 tlie