设备状态监测与故障诊断作业(罗静)(共17页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上设备状态监测与故障诊断作业姓名：罗静 学号： 课程老师：谢志江、陈平一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法答：齿轮啮合频率产生的机理：齿轮的振动频率基本上可归纳为三类:轴的转动频率及其谐频，齿轮的啮合频率及其谐频，齿轮自身的各阶固有频率。其中齿轮啮合频率产生的机理如下：（1）齿轮啮合过程中由于周节误差、齿形误差或均匀磨损等都会使齿与齿之间发生撞击，撞击的频率就是它的啮合频率。（2）由于齿轮啮合过程中轮齿发生弹性变形，使刚刚进人啮合的轮齿发生撞击，因而产生沿着啮合线方向作用的脉动力，于是也会产生以啮合频率为频率的振动。对于齿廓为渐开线的齿轮，在节点附近为单齿啮

2、合，而在节点两侧为双齿啮合，故其刚度是非简谐的周期函数，所产生的强迫振动与上述第一种情况不同，不仅有以啮合频率为频率的基频振动，而且还有啮合频率的高次谐波振动。齿轮故障诊断方法：1 齿轮常见故障类型和失效比例1) 齿的断裂，故障比例为 41% ;2) 齿面疲劳( 点蚀、剥落等) ，失效比例为 31% ;3) 齿面划痕，失效比例为 10% ;4) 齿面磨损，失效比例为 10% ;5) 其他故障，例如齿面龟裂、化腐、塑性变形等。2 故障原因和特点2. 1 断裂齿的断裂有疲劳断裂和过负荷断裂 2 种情况。齿的根部在传递周期性载荷过程中，承受弯矩最大，由于几何形状和工艺上的原因，在根部有较为严重的应力

3、集中，交变载荷易使根部产生裂纹最终导致断裂，裂纹的扩展可以是沿横向的，也可以是沿斜线向上的。因此，断裂形式可能是齿根，也可能是齿顶部分，如图 1 所示。疲劳和过负荷断裂从本质上说是由于设计、制造、装配不良而引起的轴系共振、轴的弯曲、系统速度的急剧变化、不平衡载荷等原因造成的。2. 2 磨损由于润滑油或其他原因，在齿面上有污物、金属屑末、尘埃和砂粒，润滑不良、齿面粗糙等也是引起磨损的因索，故齿轮磨损后齿的几何形状、厚度均产生变化，使动载荷加大，不但振动和噪音加大，而且最终导致齿的折断。2. 3 齿面疲劳( 点蚀、剥落)齿面疲劳是指齿表面金属微屑剥落下来而形成的麻斑逐步发展成为点蚀。点蚀多发生在节

4、线和齿根区间而又靠近节线附近，它与齿的磨损故障形式是不同的，如图 2 所示。造成点蚀的主要原因是由于工作表面的交变应力引起的微观疲劳裂痕。试验表明: 在闭式传动中，点蚀是最普遍的破坏方式; 在开式传动中，由于润滑油不够充分以及进入污物可能性增多，磨损总是先于点蚀破坏。2. 4 齿面划痕齿面划痕与点蚀不同，它的故障机理是由于齿面在相对滑动时，因油膜破裂引起金属表面熔融粘着并剥落而产生的损伤。这类故障往往发生在润滑油粘度过低、低转速、大载荷和运行温度过高的情况。3 故障诊断方法齿轮故障诊断的基本方法是利用振动信号在频域和时域上诊断。时域法主要依赖诊断者的经验和对故障机理的透彻了解; 频域法即利用细

5、化谱分析和倒频谱技术进行边带分析。3. 1 细化谱分析法频域分析在齿轮诊断中主要是提取边频特征信息，但是在以啮合频率为中心的两边分布或单边分布有边频族，这些谱线之间的间隔很小，一般的频率分析无法分辨出这些间隔很密的频率。因此，有频谱分析中采用了所谓细化技术，实质上就是进行局部放大，用来判断或读出故障的特征信息。细化谱边频诊断故障一般从两个方面着手: ( 1)利用边带的对称性，找出的频率关系，确定是否成为一组边带，如果是边带，则可知道啮合频率 fc和调制信号频率 fe; ( 2) 比较各次测量中边带幅值变化的趋势。由此 2 点，就可判断故障的类型和故障发展的程度。JCF 500 型齿轮箱的结构及

6、细化边频谱分析如图 3、4 所示。在细化谱上，以啮合频率 fc=299. 84Hz 为中心，具有对称分布的一族边带。其中边带族以( 299. 84 n 12. 5) Hz 比较突出，而其他边带族则不明显，说明输入轴的转频 fz是主要调制源，故障发生在小齿轮轴上，其故障性质有两种可能: ( 1) 小齿轮加工分度误差大; ( 2) 载荷波动。3. 2 倒频谱分析法倒频谱是功率谱对数的功率谱，又称功率倒频谱、倒谱分析，也称为二次谱分析。倒频谱有两条显著优点: ( 1) 倒频谱在功率谱的对数转换时给低幅值分量有较高的加权，而对高幅值分量较小的权，加权的结果有助于突出小信号的周期性，又能精确测出频率间隔

7、，这对于检测出谱图中的故障边带族( 周期信号) 是十分有用的; ( 2) 倒频谱分析对谱的形状不敏感，具体说来就是对于传感器的测点位置或信号传偷途径不敏感，对于幅度和频率调制的相位关系不敏感，由于这种不敏感，十分有助于我们找到故障源的特征须率。二、滚动轴承故障的特征频率推导计算答：图2为向心推力滚动轴承的结构图和运动分析简图，中间为滚珠轴承的轴向剖面图，右边为滚动轴承的轴向剖面图。分析的外环固定而内环随轴转动的情况，轴承故障引起振动，它的特征频率是诊断中必须要识别提取的，为便于推导轴承故障的特征频率，作如下假设：(1)滚动体与滚道之间无滑动接触；(2)每个滚动体直径相同，目_均匀分布在内外滚道

8、之间；(3)径向、轴向受载荷时各部分无变形。图2 设外圈转频为，内圈转频为，保持架转频为，轴承节径为D，滚动体直径为d，接触角为。通过滚动轴承运动学的分析，可以求得滚动体通过内、外圈滚道的频率，以及滚动体相对保持架的回转频率等。这些频率与故障密切相关的。滚动体与内环接触点的速度为：滚动体与外环接触点的速度为：滚动体的速度为：由此可得单个滚动体在外圈滚道上的通过频率，即为保持架相对外圈的回转频率，可由上式求得，即同理，单个滚动体在内圈滚道上的通过频率为滚动体相对保持架的回转频率(即自转频率)，也可求得，即考虑到滚动轴承有N个滚动体，则滚动体在外圈及内圈滚道上通过频率、及可表示为：式中为内外圈的相

9、对转动频率，当外圈固定时，即为轴的转频率，即 如果在外圈滚道上有故障时，则产生以为频率的脉冲激励，所以称为外圈的故障频率，同理为内圈的故障频率。若滚动体上有故障时，因其自转一周通过内外圈各一次，故滚动体的故障频率为。一般径向滚珠轴承，一般外圈固定，即，其故障频率如表1所示(其中N为滚动体个数)。元件故障频率公式内圈外圈滚珠表1三、针对某个机组对象建立其状态监测与故障诊断系统，描述测点布置、系统硬件结构组成(框图)及各部分功能（如：汽轮机状态在线监测与故障诊断系统）（如：齿轮箱状态在线监测与故障诊断系统）（如：煤气鼓风机/旋转机械在线监测与故障诊断系统）答：以齿轮箱为例：1、状态监测与故障诊断定

10、义设备状态监测与故障诊断是通过掌握设备过去和现在运行中或在基本不拆卸的情况下的状态量，判断有关异常或故障的原因并预测对将来的影响，从而找出必要对策的技术。它在动态情况下，利用机械设备劣化进程中产生的信息(如振动、噪声、压力、温度、流量、润滑状态及其他指标等)来进行状态分析和故障诊断，涉及传感器及测试技术、电子学、信号处理、识别理论、计算机技术以及人工智能、专家系统等多种基础学科和技术学科，是这些理论的综合应用。机械设备状态监测与故障诊断的基本过程如图1.1。2、齿轮箱信号分析与故障诊断2.1齿轮箱的结构和组成部件齿轮箱一般由齿轮、轴、轴承、箱体等零部件组成。2.1.1齿轮一般情况下两个齿轮组成

11、一个齿轮传动副，它可以传递空间任意两轴间的转动；可以变转动为直线运动或反之，可以实现定角速比传动，也可以实现按一定规律而变化的变角速比传动。常见的类型有平面齿轮传动和空间齿轮传动，平面齿轮传动可分为外啮合、内啮合两种。齿轮机构传动适应范围很广，它的直径可以从几十毫米到二十余米，传动功率可以从几瓦到几十万瓦，圆周速度可高达300ms：齿轮传动准确平稳、承载能力高，使用寿命长。齿轮传动的这些优点使得齿轮在现代机械中应用非常广泛。2.1.2轴轴是齿轮箱的一个重要零件，机器中作回转运动的零件如齿轮、带轮等都要安装在轴上才能实现其回转运动。轴的功用包括两个方面：支撑轴上的零件，并使其有确定的工作位置；传

12、递运动和动力。根据轴的承载情况，轴可分为：转轴、心轴、传动轴三类。工作时既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴；用来支撑回转零件，只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴；主要用来承受扭矩而不承受弯矩或弯矩很小的轴称为传动轴。根据轴线的几何形状，轴可分为直轴和曲轴。齿轮箱中使用的轴一般是转轴。2.1.3轴承滚动轴承是一种标准化基础部件，它有多种类型和规格以适应不同工况的需要。滚动轴承的基本结构由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。内圈通常安装在轴上，随轴一起转动，外圈通常安装在轴承座孔内。内、外圈具有沟形的滚道，滚动体沿着滚道滚动。保持架可以使滚动体等距离地分布在轴承内。其内部图见图3.1所示:图3.1

13、 齿轮箱内部结构图由上图可以看出，齿轮箱的传动部分主要是由两对啮合斜齿轮、输入轴、中间轴和输出轴等零部件构成，它们是由箱体和轴承支撑的。2.2齿轮的数学模型2.2.1一般共轭啮合齿轮传动的动力学方程在空间坐标系()中，一个齿轮有六个自由度，即沿移动和绕这些轴的转动，分别用，表示相对这些轴的转动角度，用分别表示沿这些轴的位移。这样，一对啮合的齿轮有十二个自由度，把对应于这些自由度的转动角度、位移用一个向量的形式表示为： 其中j=1,2，分别代表主动齿轮和从动齿轮。为研究一对齿轮啮合振动，建立如图2.1所示的坐标系。坐标圆点（j=1,2）,分别取在理想安装的主、从动轮的质心，（j=1,2）分别与每

14、个齿轮的回转轴线重合，并设与相对应的单元矢量为 。设在某一瞬间，同时有L点参与啮合(对于线接触齿轮，L代表同时啮合的齿数；对于点接触齿轮，L代表同时啮合的点数)，Pi(f=1L)是各啮合点的载荷中心(对于线接触齿轮，Pi是第i个同时啮合齿轮的载荷分布中心)，Pi点在坐标系和的位置用矢径(j=1，2)表示。齿面上Pi点的单位法矢线在o1,o2坐标系中分别为，则由振动乙导致的只点的几何变形可表示为：将式(22)整理后的如下形式：设啮合点Pi的单元啮合刚度为,则点的法向力为： 是pi点的轮齿单点啮合刚度在Zj上的分配比例。由此，可将啮合轮齿的刚度矩阵表示如下：为单点(齿)啮合刚度。同理，阻尼矩阵也可

15、以表示如下：为啮合点的阻尼系数。设在Pi点轮齿间的综合静态传递误差为,则由于综合静态传递所导致的轮齿啮合点间的相互作用力为，由于L点同时啮合而导致的啮合间的作用力向量为： 如果忽略轴和轴承的影响，根据牛顿第二定律得空间一对齿轮的运动微分方程为： 式(28)是一个十二个变量的微分方程组，由于它是从齿轮啮合的一般原理出发而建立起来的，因此，它适用于渐开线齿轮、锥齿轮以及圆弧齿轮等齿轮传动方式。一般情况下，因为k是变化的，并且同时啮合的点数(齿数)也是变化的，所以，它是一个变系数常数方程。2.2.2齿轮振动的简化模型和产生机理在工程实际中，分析和求解式(28)是一个相当复杂的过程，通常对齿轮传动系统

16、进行简化，认为一个齿轮振动系统是由齿轮的质量、齿轮的弹簧刚度和传动误差组成，其简化模型如图2.2所示。在图2.2所示的系统中，主要影响振动及其变化的是齿轮刚度和传动误差，而在恶劣工而在恶劣工况下，主要影响振动的因素是传动误差。根据图22所示的简化模型，可得到齿轮振动方程如下： 这是一个扭振形式的运动微分方程，式中J1，J2是主、从动齿轮的惯性矩；是主、从动齿轮的转角(弧度)；W是齿轮齿面上法线方向的力；和为主、从动齿轮的基圆半径；和是主、从动齿轮单位齿宽上的扭矩。如果在和中考虑摩擦力的影响，则重合度为时，有： 其中为啮合齿间的动载荷，i表示啮合轮齿编号，为齿面的摩擦系数，为压力角，是节点到啮合

17、点的距离，号表示：一为主动齿轮齿根部啮合，+为主动齿轮齿顶部啮合。从式(2.10)和(2.11)可知，当齿轮的设计、制造和安装确定，工作载荷、速度确定之后，各参量也都基本确定。随着运转时间的不断延续，齿面恶化、损伤开始，发生变化的将主要是。另外，有些情况下摩擦系数也将会增大并产生影响。在正常润滑条件下，值为0.040.08。齿轮动载荷是啮合刚度和传动误差的函数： 其中，为传动误差函数，刚度随啮合时间t和弹性变形量x而变化，它是t和x的函数。设齿轮的等价质量为和，即： 略去的影响，并以阻尼D作为x的函数，最后合并、代换(29)一(213)，从而得到简化的齿轮运动微分方程： 因此，考察动载荷，最终

18、归结为轮齿刚度变化和传动误差变化的问题；一定情况下，摩擦系数的影响也应考虑。2.2.3齿轮载荷冲击的周期性轮啮合是间歇性的，因此轮齿的承载是脉动的，每一轮齿从啮入开始受载，啮出停止受载；就齿面上某一点来讲也是周期脉动的，它遵循赫芝应力分布，在接触区压力呈半圆形分布，压力大小从零开始至最大再至零。最大尖峰载荷的频率，即载荷脉动频率为： 上式中，r为载荷脉动周期，n为齿轮转速，z为齿轮齿数。 这一载荷脉动频率就是齿轮啮合频率；相应地，啮合刚度、传动误差引起的附加载荷都是以这个频率周期变化的。2.2.4齿轮的传动误差 假设齿廓为理想形状，并且轮齿刚度为绝对刚性，两个齿轮啮合时，主动轮转过角度，从动轮

19、转过角度，如图2.3所示。和的关系是： 两个相啮合的齿轮按照 图23齿轮传动误差这样的关系均匀地回转，但是实际齿轮不是绝对刚性的，而且由于各种因素，如齿轮制造误差、齿面温升、磨损等等，使得相啮合的两个齿轮相对角速度不均匀，从动轮产生角加速度。这时从动轮的转角为： 其中e12是从动轮转角的相对偏差量，称为传动误差，也叫啮合误差，它是一个综合误差。图2.4是传动误差的曲线示意图，其中含有随轮齿变化的误差和随周节(转速)变化的误差，下两条曲线是将这两种成份分离出来的情形。这两种误差的基频分别是齿轮啮合频率和齿轮所在轴的转频。轴的转频成份的误差反映的是齿轮周节累积误差，而啮合频率成份的误差反映的是与齿

20、形有关的误差。齿轮运行状态发生恶化，直接反映在齿轮传动误差上，如齿轮轴的松动、偏心、局部齿根疲劳裂纹或断齿等将影响传动误差的长周期(与转频相关)误差成份；齿面发生过度磨损、胶合、点蚀等损伤时，传动误差的短周期(与齿轮啮合频率相关)成份加大，所有这些都使动载荷加大，振动也相应加大。2.2.5轮齿的啮合刚度从齿轮振动分析可以看出，轮齿的弹簧刚度的周期变化对齿轮啮合振动的影响极大。轮齿弹簧刚度的周期变化使系统的平移和回转振动具有相应的周期性波动，其振动能量经轴、轴承传到齿轮箱箱体上。直齿轮的啮合刚度随时间变化情况如图2.5(a)所示；斜齿轮的情况如图2.5(b)所示；与直齿轮相比，斜齿轮重合度大，其

21、啮合刚度波动较平缓，波形近似正弦波。根据经验可知：在相同的精度和工况下，斜齿轮传动的振动比直齿轮传动的小，辐射的噪声也较小。 通常情况下轮齿的刚度是稳定的，当齿根疲劳裂纹产生时，在啮合过程中轮齿刚度会发生瞬时的变动，产生一个低频脉冲；当齿轮发生损伤时，如胶合、过度磨损等，轮齿剐度也将发生变化，这一变化也会在振动信号中反映出来。3、齿轮箱状态监测与故障诊断判断齿轮、轴、滚动轴承和箱体在工作时的状态，判断它们是否正常工作，从而判断其状态情况。3.1齿轮箱的振动测量1) 测点选择以及布置位置齿轮箱故障诊断时测点的选择是很重要的，一般在轴承座附近是最合适的。在对齿轮箱进行故障诊断中，首先需要确定监测齿

22、轮箱的哪些部位，之后就是监测点的选择问题。选择最佳的测点并采用合适的监测方法是获取设各运行状态信息的重要条件。尽可能避免多层相隔，以减少振动信号在传递过程中因中间环节造成的能量衰减；测量点必须要有足够的刚度。因为齿轮箱属于非高速旋转体，所以以测轴承的振动为主。为了保持每次测定位置不变，最好的办法是对各测点做出标记。真实而充分地监测到足够数量的能够客观地反映设各运行工况的信号是诊断成功与否的先决条件，而测量点选择的正确与否，关系到能否对设备故障做出正确的诊断。另外，还应注意测定部位的表面应是光滑洁净的，避免脏物对振动传递造成衰减。齿轮发生的异常是各种各样的，发生最大振动的方向也各不相同，因此一般

23、应尽可能地沿水平、垂直和轴向三个方向进行测定。本实验根据前面的分析设计了测点的位置，如图3.2 所示：图 3.2 齿轮箱测点布置示意图如3.2图所示，一共选取了六个测点，布置了六个加速度传感器，测点具体如下:1 测点:设在箱体输入轴(一轴)的右轴承座处，测量垂直一轴的竖直平面振动。2 测点:设在箱体中间轴(二轴)的右轴承座处，测量垂直一轴的竖直平面振动。3 测点:设在箱体输出轴(三轴)的右轴承座处，测量垂直一轴的竖直平面振动。4 测点:设在箱体左侧后齿轮(即与第二轴啮合齿轮)处，测量垂直于中间轴的水平平面内的振动。5 测点:设在箱体左侧二轴轴承处，测量垂直于二轴的水平平面内的振动。6 测点:设

24、在箱体上盖左前侧二轴轴承处，测量垂直于二轴的竖直平面内的振动。2) 测量参数齿轮发生的振动中，包含有固有频率、齿轮轴的旋转频率及轮齿啮合频率等成分，其频带较宽。对这种宽带频率成分的振动进行监测与诊断时，一般情况下应将所测的振动按频带分级，然后根据不同的频率范围选择相应的测量参数。通常在进行振动测定时选用加速度传感器，再通过积分电路转换或所需的测量参数。齿轮箱各齿轮的啮合状况如图 3.3 所示，各齿轮的齿数：=30,=69,=18,=81，故齿轮的传动比为:第一级= 2.3，第二级=4.5，总传动比=10.35。图 3.3 齿轮箱各齿轮啮合示意图齿轮箱中齿轮及轴的转动频率，其中 n 是齿轮轴的转

25、数；齿轮的啮合频率,是齿轮的齿数；齿轮的固有频率。输入轴转频可直接通过计算变频器的输入值得到，即；中间轴转频为；输出轴转频为；Z1，Z2齿轮的啮合频率为；Z3，Z4齿轮的啮合频率为 195.66Hz 。3.2系统硬件组成系统硬件由四部分组成：传感器、信号调理箱、转接端子、AD采集卡，结构框图如图3.4所示：图3.4 系统硬件结构构成3.2.1传感器的功能在所选择的测点上安装振动传感器，来采集能表示齿轮箱运行状况的振动信号。它的作用是把被测对象的机械振动量(位移、速度加速度)准确无误地接受下来，并将此机械量转换成电信号(电流或电压)输出或显示出来。从能量的观点来看，振动传感器实现了将机械能到电能

26、的转换。目前，在设备振动诊断中，压电式加速度传感器是应用最多，最普遍的一种传感器，约占目前所使用的各种加速度传感器的80。它的许多特性是其他类型的传感器不能达到或者不能取代的，这种传感器在制造技术方面也相当成熟。本系统中所用的传感器为美国PCB的产品，型号为608A11，如图3.5所示：其主要参数指标：灵敏度：100mVg，量程：50g pk，频响：0.5-10kHz，宽带噪声：350ug，接头类型：顶端集成电缆加速度传感器安装在同步齿轮箱预先钻好的螺孔内，并要求定期的进行检查传感器是否松动，若发现松动现象要及时拧紧，不然将影响检测质量。另外从控制柜引线的端子要定期检查，防止松动，以免影响控制

27、系统的正常工作。图3.5 608A11根据所选择测点位置，将传感器安装固定好，再将由传感器检测出的信号通过电缆传送到工作室，并用自制的信号调理仪进行滤波，放大等处理。3.2.2信号调理箱的功能本系统信号调理箱的主要功能：a) 对信号进行低通滤波、选频和放大，振动信号的放大倍数是由AD卡的数字I/O口控制的。通过AD卡的数字I/O端口在编程之前也应该与模拟输入端口一样进行配置，由I/O口传出的数字量在调理箱里转化为电压值，从而对调理仪进行控制，因此输出电压的范围与截止频率之间满足一个线性关系，在编程中应对好1-100Hz截止频率以及1倍、10倍、100倍三种放大倍数与各数字量之间的关系。b) 采

28、用的共振解调技术，使AD卡能直接采集到振动信号的共振解调信号。共振解调技术能很好的识别轴承、齿轮的初期故障。3.2.3转接端子CB-68LP的功能基于采集卡在机箱内部，使用不方便，故相配套一个转接端子。3.2.4A/D采集卡的功能美国NI公司的PCI6220数据采集卡有16路模拟输入，如图3.6所示，引脚如图3.7所示。其功能性能参数有：a) 分表率：16-Bit，采样率：250kS/s，16路模拟输入；b) 24路数字I/O；32位计数器；c) 数字触发功能；d) 相关的DIO（8时钟，1MHZ）；e) NI-MCal校准支持；f) NI-DAQmx测试软件和硬件配置程序支持；g) NIST

29、-校准证书和多余70种的信号调理模块选择。图3.6 PCI6220采集卡图3.7 PCI6220引脚定义图表3-1是PCI6220采集卡详细规格说明。表3-1 PCI6220详细规格表数据采集卡的功能有模拟输入，模拟输出，数据I/O，计数器计时器等。模拟输入是采集卡最基本的功能。它一般由多路开关，放大器，采样保持电路以及模数转换器来实现。一个模拟信号通过上述各部分后可以转化为数字信号。ADC的性能和参数直接影响着采集数据的质量，应根据实际测量所需要的精度来选择合适的ADC。模拟输出通常是为采集系统提供激励信号。输出信号受模数转换器(ADC)的建立时间，分辨率等因素影响。建立时间反映了输出信号幅值改变的快慢，例如建立时间短的ADC可以提供频率较高的信号。专心-专注-专业