【毕业学位论文】基于无线传输网络的齿轮箱状态监测及故障诊断的研究

分类号 学校代码 10495 学 号 0915023002 武汉纺织大学 硕士学位论文 基于无线传输网络的齿轮箱状态监测及 故障诊断的研究 作者姓名： 徐安进 指导教师： 林富生 教授 学科门类： 工 学 专 业： 机械设计及理论 研究方向：机械工况监测及故障诊断 完成日期： 二零一二年四月 . S. y 012 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 武汉纺织大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 武汉纺织大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 论文题目：基于无线传输网络的齿轮 箱状态监测及故障诊断的研究 专 业 ：机械设计及理论 硕士生： 徐安进 指导老师：林富生 教授 摘要： 齿轮箱作为一种机械设备中必不可少的连接和传递动力主要组成部分，广泛的应用于各行各业。随着科学技术的飞速发展，现代机械设备也向着大型化、高效化、自动化和高性能等方向发展。工业是国民经济的命脉，保证机械设备的正常运行和持续运行尤其重要。本文在已有设备和技术的基础上建立齿轮箱状态检测与故障诊断试验平台，模拟齿轮箱的各种故障。通过数 据采集设备和故障诊断专家 系统进行数据采集和数据分析，经分析得到故障原因，然后比较理论分析结果和试验模拟结果，得出最终的结论。 研究中首先阐述了齿轮箱的故障机理，分别从齿轮箱故障形式和故障征兆、齿轮故障形式及振动机理、滚动轴承的故障特征及故障机理、齿轮轴的故障特征及故障机理和信号处理技术等几方面进行了介绍，并介绍了基于 术的无线传感器网络及故障诊断专家系统。 其次，在已有的无线传感器网络技术和故障诊断专家系统的基础上，用 设计齿轮箱故障振动试验台，在齿轮箱部分设置了传感器安装位，通过 线加速度传感器把振动试验台与数据采集系统及故障诊断专家系统连接起来。应用无线传感器网络对齿轮箱进行数据采集，将采集到的数据传入故障诊断专家系统，最终组成一个完整的基于无线传输网络的齿轮箱状态监测及故障诊断专家系统。 最后通过建立完成的系统进行试验，采集齿轮箱测点振动数据，分别应用故障诊断专家系统的时域分析模块、频域分析模块、倒频谱分析模块和包络谱分析模块对采集到的数据进行分析，提取频率特征并且判断故障，对比试验分析故障与实际模拟故障得出研究结论。根据研究结果对本课题提出建设性意见和未来的展望。 关键词： 齿轮箱；状态监测；故障诊断；无线传感器网络；试验平台。 研究类型： 应用研究 As a as an of is a in of is of is to of In on a to of to a of to we of of of In we of as of of on we to a up in in We on to a on to of we to to on to on we 录 1 绪论 . 1 课题研究的背景 . 1 轮箱故障诊断的研究现状 . 2 课题研究的目的和意义 . 4 题研究的目的 . 4 题研究的意义 . 4 文的主要内容 . 5 2 齿轮箱故障诊断基础 . 6 轮箱故障诊断的内涵 . 6 轮箱故障的定义 . 6 轮箱常见的故障形式及其分类 . 6 轮箱的故障征兆 . 7 轮箱中齿轮典型故障机理 . 8 轮常见故障 . 8 轮振动机理 . 10 轮箱中轴承典型故障及诊断方法 . 15 承的常见故障形式 . 15 动轴承的振动机理 . 15 动轴承的振动诊断方法 . 19 轮箱中轴典型故障诊断机理 . 20 动信号处理技术 . 25 域分析 . 25 域分析 . 25 频谱分析 . 26 振解调技术 . 26 章小结 . 29 3 无线传感器网络设计 . 30 线传感器网络的起源发展及应用 . 30 线传感器网络的起源和发展 . 30 线传感器网络的应用 . 31 线传感器网络的研究现状和前景 . 32 目录 外无线传感器网络研究现状 . 33 内无线传感器网络研究现状 . 33 线传感器网络未来的发展 . 34 线传感器网络的系统结构 . 34 线传感器网络的拓扑结构 . 35 术 . 36 种常见的短距离无线通信 . 36 见无线通信技术比较 . 37 起源 . 37 技术特点 . 38 络节点设备 . 38 络拓扑和路由 . 39 线传感器网络的设计 . 40 统的主要说明 . 40 线传感器的性能 . 41 统网络协调器 . 41 障诊断专家系统 . 42 章小结 . 43 4 齿轮箱故障诊断试验台设计 . 45 轮箱故障诊断试验系统模型 . 45 动试验台结构 . 45 验系统的功能 . 46 验系统测点布置 . 47 动试验台硬件组成 . 47 章小结 . 51 5 齿轮箱故障试验及试验分析 . 52 轮箱齿轮传动的特征频率 . 52 的转动频率特征 . 52 轮啮合的频率特征 . 52 轮箱齿轮崩齿故障工况设定 . 53 障齿轮设定 . 53 他测试工况的确定 . 53 验及试验分析 . 54 验参数设定 . 54 目录 验及试验分析 . 54 章小结 . 56 6 结论及展望 . 58 论 . 58 望 . 58 致谢 . 60 参考文献 . 61 附 录 . 65 附录 本人在攻读学位期间所发表的论文及获奖 . 65 1绪论 11 绪论 课题研究的背景 齿轮箱作为一种机械设备中必不可少的连接和传递动力的通用零部件，在很多领域得到广泛的应用，比如：金属切削机床、航空、电力系统、农业机械、运输机械、冶金机械等现代工业设备中。现今是科学技术飞速发展的时代，机械装备业也向着大型化、高效化、自动化和高性能等方向发展，作为传递运动和动力的齿轮装置，在各种大型设备中扮演着举足轻重的作用。但由于其本身结构复杂，工作环境恶劣等原因，齿轮装置存在着诸多难题：容易受到损伤、经常出现故障、诊断数据难于采集和故障原因难于判断等问题1。 齿轮失效是诱发齿轮装置故障的重要因素。据统计数据显示，机械传动中 80%的故障时由齿轮引起的，旋转机械中齿轮故障占其故障的 10%左右。因此，齿轮故障将直接影响机械设备的安全运行，降低加工精度和工作效率。随着机械设备的不断大型化、高速化、复杂化、自动化和连续化，齿轮箱的故障和失效给整个生产和社会造成的损失将越来越大。发生在我们身边的例子举不胜举，比如：行驶中汽车的齿轮箱故障将直接造成人身伤亡；一些处于连贯工作状态的设备，如电力行业的发电机组、钢铁行业的轧辊机组，由于齿轮箱故障造成停机停产的损失难于估计。就拿我国的水泥行业来说，水泥磨齿轮箱故障使水泥的产量每年减少200万吨以上。 我国某科学测量船在一次航行中发生主减速器传动齿轮局部折断，只能被迫减速航行，使得整个船队的行动受到影响。十年前，一家很有声望的美国齿轮公司所生产的提升机，在进行建筑物外表清洁时齿轮轮齿发生断裂，造成清洁工人从高空坠落，这一事件是该公司的产品质量声誉受到了很大的影响。1986 年 10 月，一架英国斯威士兰公司的直升机在英国北海油田上空执行任务时，传输动力的齿轮突然断裂，造成飞机失事，最终造成了严重的伤亡和损失。 随着现代工业的发展，由于齿轮传动准确、可靠、效率高以及齿轮传动的功率和速度的范围大，在现代机械中应用极为广泛，由此齿轮故障造成设备不能正常运转的现象屡见不鲜。对于一些大型连续的生产设备，一旦发生故障就会造成很大的损失。据日本新日铁会社的统计，在机械故障的总次数中，左右，而在齿轮箱的失效零件中，齿轮失效占60%左右。因此对齿轮故障诊断的研究有着十分重要的意义。 自二十世纪六七十年代以来，国内外的学者对齿轮故障的诊断研究做了大量的工作，并取得了很多的成绩。随着科学技术和计算机发展，综合各门学科，齿轮箱的故障1绪论 2诊断技术也得到了很大的提高。可以用各种软件对齿轮箱进行动力学分析研究，而动力学是对虚拟样机动力学行为的研究，通过对动力学分析数据的研究来判断虚拟样机设计的合理性2。但在机器的实际运转中，受很多因数的制约 ，实际运转的机器和虚拟样机存在着差异。要想准确判断齿轮箱故障所在，就得设计出相应的试验平台和相关的分析方法，二者结合才能做出准确的判断。 随着数据采集系统的磅礴发展，各种各样的数据采集系统和采集方法用于齿轮箱故障数据采集中，但由于齿轮箱工作环境的特殊性和复杂性，给布线式的数据采集系统带来了局限性。因此引入了最近几年刚刚发展起来的无线传感器网络进行齿轮箱故障的数据采集。无线传感器网络是新一代的无线传输网络信息获取技术，主要用来监测人类生活或者工作生产中的实体对象并实现信息的采集。他可以实现复杂的数据采集功能，具有易搭建、抗毁坏性强等优点，应用前景十分可观。无线传感器网络综合了众多学科，包括传感器技术、现代通信技术、分布式信息处理技术、微机电系统技术以及嵌入式技术等，通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或者监测对象的信息。这些信息通过无线方式被发送出去，并以自组多跳的网络方式传输到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界以及人类世界三元世界的连通。无线传感器网络可以通过集成各种传感器来实现各种所需要的功能，如：物体所受到的压力、移动实体的速度和移动方向等对象。 故障信号分析与处理技术对于正确诊断故障起着十分重要的作用。通过对信号的处理才可以从原始的时域信号中提取到故障诊断 需要的具体标准特征信号，例如：用换，将信号从时域变换到频域时，可以给出从原始时域信号无法得到的信号特征，利用基于 换的各种谱分析。可以确定某些信号是否是故障信号。相应的故障信息频域处理技术有频谱分析、相关分析、相干分析、传递函数分析、细化谱分析、倒谱分析等等。这些方法都是在以快速 换（ 核心的经典信号处理分析方法上发展起来的。利用已经应用成熟的故障诊断专家系统，对通过无线传输网络采集到的数据进行分析3。 轮箱故障诊断的研究现状 机械设备是国民经济建设和生产发展的重要物质基础。随着科学技术的进步和经济建设的发展，对机械设备性能的要求越来越高，其结构也越来越复杂。这不仅促进了机械制造技术及设计的提高，同 时也使人们认识到机械设备 仅有优良的性能是远远不够的。现代化的设备一旦发生故障，设备维修和停机将造成巨大的经济损失和社会危害，因此，如何提高机械设备的可靠性、可控性，保障设备的安全、稳定、长周期、满负载优质运转，及时发现并消除故障，已成为机械工程学急于解决的新课题。 1绪论 3齿轮箱是机械设备中应用最为广泛的零部件之一，在许多行业（电力、石化、采矿等）中因齿轮箱故障造成的恶性事故曾经给国家和企业造成极大的损失，因此对减速箱的运行实行有效的监测和诊断非常必要，这已经引起了国家和有关专家的重视。另外，随着科学技术的提高，机械设备不断向高速、轻型、高效、智能化发展，这也对设备的运行状态监测和故障诊断技术提出更高的要求。齿轮箱是国家基础设施和基础工业中最关键和最核心的部件之一。综合各门学科，共同研究机械设备状态监测和故障诊断已被认为是21实际的关键科学技术之一4。 20 世纪 70 年代以来，国家对机械设备进行状态监测和故障诊断的研究取得了很大的成绩，并取得了巨大的经济效益。从 80 年代以来，我国有关部门开始重视对齿轮箱进行状态监测和故障诊断技术的研究，使我国齿轮箱监测和诊断技术迅速提高。起初故障诊断手段较简单，诊断系统存在如下问题：诊断准确率不高；诊断范围相对狭小；诊断过程智能化、开放化程度不高。鉴于此，国内外的学者和工程技术人员不断的把信息论、系统论和控制论的科学技术成果，以及计算机的先进技术，非线性动力学理论、小波分析和神经网络理论等先进理论，用于齿轮箱的故障诊断技术，并从理论和工程实际应用上不断创新和提高。目前，机械设备故障诊断学已成为一门重要的新型交叉学科5。 由于齿轮箱运转的复杂性及强的非线性，使得故障诊断系统中包含着丰富的、复杂的非线性行为。在对非线性故障的特征进行提取时，应用常规信号分析方法（ 往难以反映其全部信号。 析方法的优势再其对于频域信号的分析，所以目前齿轮箱的许多运转故障常常用其频率信号值的出现来刻画，如各种倍频信号等。短时傅里叶变换、小波变换理论及非线性理论的逐步完善为提取非线性故障特征提供了保障，尤其是小波变换理论。可利用二进小波分解的分尺度分辨分析思想，将信号分解到不同频带内进行处理，是信号的时域特征和频域特征被准确的刻画出来6,7； 1993、1994 年提出的谐波小波良好的相位定位能力，可将二进小波和谐 波小波相结合，同时辅以近代非线性理论，来解决非线性故障的特征提取问题。 早在一个世纪前，人们就已经开始对齿轮箱的振动和噪声进行研究。但直到 20 世纪 60 年代中期，齿轮的振动和噪声问题才成为评价一个齿轮装备好坏的重要因素，引起了世界范围内的广泛关注。英国学者 1968年就齿轮振动和噪声的机理，发表了一些著名的研究曲线，阐述了齿轮箱的振动和噪声的传动功率和齿轮传动误差及齿轮精度的函数8,9。 另外，美国的 德国的 对齿轮箱的振动和噪声提出了自己的见解和看法。20 世纪 70 年代初开始发现了一些简单的齿轮箱故障诊断，仅仅限于直接分析测量一些简单的振动参数，如振动峰值 方根值 ，通过观察这些参数的变化来掌握齿轮的运行状态10。为了排除机械载荷变化的影响，还可以采用一些无量纲因数，如峰值系数 。用一些简易的方法诊断齿轮和齿轮箱的故障，虽然取得1绪论 4了一定的成功，但是齿轮箱故障的诊断灵敏度不高，诊断准确率很低。从20世纪70年代末到 20 世纪 80 年代中期，齿轮箱故障诊断的频域法发展很快，其中 人做了很多有益的研究，积累了一些故障诊断 的实例，对齿轮磨损和齿断裂等故障诊断较为成功。 在齿轮箱典型故障机理研究和特征提取方面，由于齿轮箱的结构复杂，工作环境一般比较恶劣，各种干扰较大，涉及问题较多，国内外学者虽然取得了一定的成绩，但对于齿轮和轴的故障机理研究仍然不够深入，需要进一步的完善和研究。 课题研究的目的和意义 题研究的目的 齿轮箱是机械设备中最为关键的零部件之一，每年因齿轮箱故障造成了较为严重的国民经济损失和社会危害。因此，实时的、准确的诊断出齿轮箱的故障具有巨大的社会意义。现在机械设备的状态监测和故障诊断技术虽然已经比较成熟，但由于齿轮箱所处环境的特殊性和恶劣性，给布线式齿轮箱的状态监测和数据采集带来了很多障碍，所以采用无线传输方式对齿轮箱进行状态监测和数据采集具有十分重要的价值。鉴于此，本课题研究的目的如下： （1）能够采用无线传输方式对齿轮箱各 测点进行数据实时采集，减少布线式数据采集带来的困难，并且确保所采集到的数据失真率低。 （2）能够模拟齿轮箱的各种故障，并应 用本课题所建立的基于无线传输网络的齿轮箱状态监测及故障诊断专家系统进行数据采集和故障诊断，通过对比诊断系统诊断故障和模拟故障，检测无线传输 网络传输数据的失真率和故 障诊断专家系统诊断的准确率。 题研究的意义 在机械设备中，齿轮箱出现故障的概率高，并且维修比较困难，所以该课题有如下几个研究意义： （1）降低机械设备中齿轮箱的故障发生率； （2）降低齿轮箱状态监测和故障诊断的 成本，布线式状态监测成本高，设备安装困难，系统维护成本高； （3）本课题建立的诊断系统能够为齿轮 箱故障研究提供试验平台，为理论研究带来便利和帮助。 1绪论 文的主要内容 传统齿轮箱故障诊断研究大多数偏重理论研究，而本课题采用理论与试验相结合的研究方式对齿轮箱故障诊断进行了研究，并且应用了新型数据采集方式（即无线传输网络）进行数据采集。本文的具体研究内容如下： （1）第一章主要介绍了以下几个方面的 内容：课题研究的背景、齿轮箱故障诊断的发展现状、本课题研究的目的和意义及论文的主要内容。通过这几方面的介绍，方便读者对论文作大体的了解。 （2）第二章阐述了齿轮箱故障诊断机理 ，从齿轮箱故障诊断的内涵、齿轮箱中齿轮的故障机理及故障特征、齿轮箱中轴承的故障机理及故障特征、齿轮箱中齿轮轴的故障机理及故障特征和振动信号处理技术等几方面进行了介绍。 （3）第三章首先介绍了无线传感器网络的发展、 术，在师兄研究的无线传感器网络的基础上，采用 线加速度传感器和 调器搭建本系统的无线传感器网络，介绍了本系统所用到故障诊断专家系统的功能模块。 （4）第四章建立基于无线传感器网络齿 轮箱状态监测与故障诊断专家振动试验平台，介绍本试验系统的总体模型、振动试验台总体机构设计、试验系统测点布置和振动试验台各组成部分的参数确定。 （5）第五章主要做了齿轮崩齿故障试验 ，通过试验采集数据并对数据进行分析，分析判断出齿轮箱故障。对比故障诊断系统的诊断结果与模拟故障，得出研究结论。 （6）通过前五章的研究，在第六章总结 了本课题研究的创新点和研究结论，并且对本课题后期的研究提出了建设性意见和未来的发展展望。 2 齿轮箱故障诊断基础 62 齿轮箱故障诊断基础 轮箱故障诊断的内涵 轮箱故障的定义 齿轮箱故障一般是指设备齿轮箱失去或者降低其规定功能的事件和现象，表现为它的某些零部件失去原有的精度和性能，使设备不能正常运行、技术性能降低，致使设备中断生产或效率降低而影响生产。设备在使用过程中，由于磨损、外力、应力及化学反应的作用，零件总会逐渐磨损和腐蚀、断裂导致故障而停机。加强设备保养维修，及时掌握零件磨损情况，在零件进入剧烈磨损阶段前，进行修理更换，就可防止故障停机所造成的经济损失。 轮箱常见的故障形式及其分类 齿轮箱系统是包含齿轮、传动轴、轴承和箱体结构等的复杂系统。其中，箱体结构在整个系统中起支承与密封作用，其出现故障的概率很低，所以，在齿轮箱中，故障主要发生在齿轮、传动轴和轴承中。据统计，齿轮、轴和滚动轴承故障占齿轮箱故障的90%以上。在齿轮箱的故障诊断中，一般只需给出是否产生