设备状态监测与故障诊断

目录（适用于课程论文、提交报告）.......................错误!未定义书签。一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法.................11.1齿轮啮合频率的产生机理......................................11.1.1概述..................................................11.1.2齿轮的振动机理........................................21.2齿轮故障诊断的方法..........................................51.2.1齿轮的故障类型........................................51.2.2齿轮故障的特征信息....................................51.2.3齿轮故障诊断的常用方法................................91.3实例分析...................................................121.4小结.......................................................14二、滚动轴承故障的特征频率推导计算.................................142.1滚动轴承故障特征频率的经验公式.............................142.2滚动轴承故障的特征频率推导计算.............................14三、煤气鼓风机状态监测与智能故障诊断............................163.1概述.......................................................163.2煤气鼓风机组成及参数.......................................173.3煤气鼓风机系统的测点布置...................................173.4系统硬件构成图及硬件要求...................................183.5系统控制室框架构成.........................................203.6系统的功能模块组成.........................................20四、感悟和致谢..................................................21第1页一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法齿轮是现代工、农业生产设备中极其重要的传动零件，由于其在工作过程中长期承受各种交变载荷、冲击和摩擦力的作用或其本身在制造过程中留下了缺陷，齿轮相对于其他部件较容易出现故障甚至损坏。生产设备中的齿轮发生故障，轻者会使生产设备所加工出来的产品不符合标准要求，重者会导致生产设备停车，从而给生产企业造成经济损失，同时也担误了工时。因此，为了尽可能将这些不确定的机械故障所引起的经济损失降到最低，需要我们在故障初期就能作出诊断，为企业尽早安排检修提供科学依据。对齿轮振动信号进行时频分析就是一种比较实用的方法。1.1齿轮啮合频率的产生机理1.1.1概述齿轮传动系统是一个弹性的机械系统，由于结构和运动关系的原因，存在着运动和力的非平稳性。图1.1是齿轮副的运动学分析示意图。图1.1中1O是主动轮的轴心，2O是被动轮的轴心。假定主动轮以1w作匀角速度运动，A、B分别为两个啮合点，则有1OA1OB，即A点的线速度AV大于B点的线速度BV。而2OA2OB，从理论上有22BvOB，32AvOA,则23ww。然而A、B又是被动轮的啮合点，当齿轮副只有一个啮合点时，随着啮合点沿啮合线移动，被动轮的角速度存在波动。当有两个啮合点时，因为只能有一个角速度，因而在啮合的轮齿上产生弹性变形，这个弹性变形力随啮合点的位置、轮齿的刚度以及啮合的进入和脱开而变化，是一个随时间变化的力F(t)c。齿轮传动系统的啮合振动是不可避免的。振动的频率就是啮合频率。也就是齿轮的特征频率，其计算公式如下：齿轮一阶啮合频率：060CNfZ啮合频率的高次谐波：0CiCfif，234ni、、其中：N——齿轮轴的转速（r/min）Z——齿轮的齿数第2页图1.1齿轮副的运动学分析1.1.2齿轮的振动机理齿轮传动的动态激励：x—在齿面接触力作用下沿作用线产生的齿轮相对位移M—齿轮副的等效质量，1212mmMmmC—齿轮啮合阻尼()Kt—齿轮啮合刚度，随时间t变化1—齿轮受载后的平均弹性变形图1.2一对齿轮的力学模型2—齿轮传动误差和故障激励所引起两齿轮间的相对位移激励源由两部分组成：1()Kt称为常规啮合激励，也即无故障的正常齿轮在啮合过程中也会产生的向量振动。2()Kt是由系统的内部激励和外部激励产生的，齿轮故障振动主要由这部分激励引起，所以也称为齿轮的“故障函数”。内部激励是指轮齿在啮合过程中由于缺陷或故障产生的激励。如齿轮由于制造不精确、装配质量低产生的轮齿周节误差、齿形误差、齿轮偏心、质量不平衡、轴线不对中等故障，还有运行中产生的齿面疲劳、擦伤、磨损和断裂等故障带给齿轮的激励。外部激励则与齿轮本身问题无关，是齿轮外部输入的激励，但也影响到齿轮的振动情况。例如滚动轴承故障的传递、负载力矩波动、摩擦离合器发生的摩擦激励等。具体的动态激励有以下四种：))(()(21tKxtKxCxM第3页（1）刚度激励（2）传动误差（3）啮合冲击（4）节线冲击1.1.2.1刚度激励1212KKKKK式中，1K和2K分别为主动轮和被动轮的单齿刚度。单齿刚度随啮合位置的变化而变化。综合刚度的大小还与齿轮的重合度有关。重合度用来表示直齿齿轮啮合时接触轮齿的平均对数。大多数齿轮啮合的重合度不是整数，在啮合过程中参与啮合的轮齿对数随时间而作周期性变化，因而轮齿啮合的综合刚度也随时间而作周期性变化。从图1.3可以看出直齿啮合过程中的力和刚度变化。（a）啮合齿上的作用力（b）啮合齿的刚度（c）齿轮发生的振动图1.3直齿啮合过程中的力和刚度变化1.1.2.2传动误差传动误差构成了齿轮振动和噪声的主要激发源。传动误差大，则齿轮运转过程中由于进入和脱离啮合时的碰撞加剧，产生较高的振动峰值，并且形成短暂时间的幅值变化和相位变化。具体有包括：（1）制造误差图1.4齿轮的偏心和周节误差图1.5齿轮的齿形误差第4页（2）装配误差齿的宽度方向上接触面积少，造成轮齿负荷不均。齿轮轴不平行产生载荷冲击，容易造成齿的断裂。（3）轮齿损伤误差齿轮在运行中由于各种故障形成的齿面损伤，在齿轮传动中就会产生齿轮的传动误差激励。传动误差激励正是我们诊断齿轮故障的信息来源。（4）外部激励误差外部激励的因素较多，负载波动引起齿轮传递转矩波动、滚动轴承故障的传递、摩擦离合器力矩变化产生的影响等，这些故障信号虽然是从轮齿的外部输入，但是影响到轮齿上的啮合力和弹性变形，其最终结果就是产生轮齿的传动误差。1.1.2.3啮合冲击齿轮在啮合过程中，由于轮齿误差和受载弹性变形的影响，轮齿进入啮合点和退出啮合点与理论值发生偏差，因而在进入啮合和退出啮合时均会发生冲击，称为“啮合冲击”。啮合冲击是一种周期性的冲击力。图1.8齿面滑动方向图1.6一端接触图1.7两齿轮轴不平行第5页1.1.2.4节线冲击主动轮带动从动轮旋转时，主动轮上的啮合点由齿根移向齿顶，啮合半径逐渐增大，速度渐次增高；而从动轮上的啮合点是由齿顶移向齿根，啮合半径逐渐减小，速度渐次降低。两轮齿齿面在啮合点的速度差异就形成了主动轮和从动轮的相对滑动。在主动轮上，齿根和节点之间的啮合点速度低于从动轮上的啮合点速度，因此滑动方向向下；而在节点处，因为两轮上的啮合点速度相等，相对滑动速度为0。因此，摩擦力在节点处改变了方向，形成了节线冲击。1.2齿轮故障诊断的方法1.2.1齿轮的故障类型齿轮由于某种原因不能正常工作的现象，或者说齿轮在其使用过程中，由于某些原因而丧失工作能力或功能参数漂移到界限值以外的现象，被称为齿轮故障。从总体上讲，齿轮故障可划分为两大类:一类是由制造和装配等原因造成的，如齿轮误差、齿轮与内孔不同心、各部分轴线不对中、不平衡等；另一类则是齿轮由于长期运行而形成的，如齿轮表面发生点蚀、疲劳剥落、磨损、塑性流动、胶合以及齿根裂纹，断齿及其他损伤等故障。齿轮故障若按照振动特征和故障诊断技术应用的角度来分类，大体分为以下两类:(l)分布式故障齿面磨损、齿面点蚀及疲劳剥落。(2)局部故障齿根裂纹、断齿、局部齿面剥落和塑性变形。分布式故障分布在一个齿轮的各个轮齿上，而局部故障则集中于某一个或几个齿上。1.2.2齿轮故障的特征信息1.2.2.1啮合频率齿轮工作过程中的故障信号频率基本上表现为两部分：一部分为齿轮啮合频率及其谐波构成的载波信号，另一部分为低频成分的幅值和相位变化所构成的调制信号。调制信号包括了幅值调制和频率调制。从频域和时域上看，齿轮振动信号的主要特征成分有：1）啮合频率及其谐波成分。2）幅值调制和频率调制所形成的边频带。齿轮在啮合过程中，啮合齿上的载荷和刚度是随时间而变化的，这种变化就会产生啮合频率的振动。传动误差、啮合冲击、节线冲击等问题也会使齿轮在啮合过程中发生啮合频率的振动。转轴中心固定的齿轮，其啮合频率为：图1.9正常齿轮的啮合频率波形第6页1122mffzfz1f、2f—主动轮和从动轮的转速频率1z、2z—主动轮和从动轮的齿数当齿面发生磨损，或者负荷增大，齿轮径向间隙过大以及齿轮游隙不适当等原因所引起的故障时，由于轮齿的啮合状况变坏，啮合频率的谐波成分幅值就会明显增大。1.2.2.2调制与边频(1)幅值调制设代表啮合频率的载波信号为：)2sin()(0tfAtgm代表齿轮旋转频率的调制信号为：()1cos(2)retBft则调幅后的振动信号为：0()[1cos(2)]sin(2)rmxtABftft式中，A—载波信号的振幅；B—调制指数；mf—载波频率（啮合频率）；rf—调制波频率（齿轮旋转频率，每旋转一周，故障点产生一次冲击）；0—初相角。将上式展开可得：000()sin(2)sin[2()]sin[2()]22mmrmrABABxtAftfftfft信号图样如图1.11所示。齿轮表面发生均匀性磨损，将引起啮合频率及其各次谐波幅值的变化。啮合频率的高次谐波增长得比基波还快。磨损厉害时，二次谐波幅值可能超过啮合基波。从啮合基频及其谐波幅值的相对增长量上可反映出齿轮表面的磨损程度。图1.10齿面磨损前后的啮合频率及其谐波幅值变化（实线为磨损前，虚线为磨损后）第7页（a）载波信号（b）调制信号（c）幅值调制后的信号图1.11局部性缺陷：发生断齿或大的剥落等，当啮合点进入到缺陷处，齿轮就产生一个冲击脉冲。由于脉冲信号可以分解为许多正弦分量之和，因此在频谱上形成以啮合频率为中心的一系列边频。其特点是边频数量较多，幅值较低，分布比较均匀平坦。图1.12均布缺陷：是指比较均匀分布的缺陷，它相当于时域包络线较宽的脉冲。因此，它在频域中表现为在啮合频率两边产生了一簇幅值较高、起伏较大、分布较窄的边频带。图1.13第8页(2)频率调制若载波信号为：0sin(2)mAft制信号为：sin(2)rft频率调制可表示为：0()sin[2sin(2)]mrxtAftft式中，rff—频率调制指数，即调制产生的最大相位移；f—最大频率偏差值，也就是齿轮的最大角速度波动量；rf—调制频率，即分度不均匀齿轮的转频。图1.14齿距周期性变化产生调频信号和频谱图图1.15调频、调幅综合影响下的边频带（3）