（机械工程专业论文）球磨机边缘减速器故障诊断系统开发.pdf

摘要 球磨机利用钢球作为破碎介质进行磨矿，是选矿及冶金等工业部 门中最普遍、最通用的粉磨设备，并且其大型化发展趋势一直都是生 产实际的需求和技术发展的方向，同时与球磨机回转体相连接的球磨 机边缘减速器对球磨机的使用效率和工作状态有着显著的影响。对边 缘减速器的状态在线检测及故障诊断系统的开发也就具有了非常重 要的现实意义。 本文首先对球磨机的发展趋势和研究现状进行了阐述，分析了开 发球磨机边缘减速器的在线检测系统的现实意义；重点介绍了减速器 中齿轮、轴承和轴等关键部件的失效形式及报应的振动信号的时域和 频域特征，为本文的故障信号的提取和非线性特征量的计算提供了理 论基础；提出了基于故障信号非线性特征的诊断方法，并详细介绍了 基于离散数据的关联维数和l e 指数的计算方法；最后以l a b v i e w 软 件为开发平台，开发了球磨机边缘减速器的在线检测系统，将所采集 的信号导入m a t l a b 软件，并利用小波滤波方法除去噪音；将滤波后 的信号做相空间重构，并分析计算得到了表证信号非线性特征的关联 维数，即得到了表征减速器故障的一个定量数据，比已有的时域和频 域分析方法更加有效和直观。最后通过对比检查减速箱中齿轮、轴和 轴承实物，证实了该方法的有效性。 本文提出的基于l a b v i e w 和关联维数的减速器故障诊断在线检 测系统，为故障检测系统提供了一种新的途径和方法。 关键字：球磨机减速器非线性l a b v l 6 w 关联维数 a b s t r a c t b a l lm i l li sk i n do fg r i n d i n ge q u i p m e n tw h i c hu s es t e e lb a l la s g r i n d i n gm e d i a ，i th a ss i m p l es t r u c t u r e ，s t a b l ep e r f o r m a n c e ，h i g hc r u s h i n g r a t i o t h e r e f o r e ，b a l lm i l l i st h em o s tc o m m o ng r i n d i n ge q u i p m e n ti n p r o c e s s i n g ，b u i l d i n gm a t e r i a l ，c h e m i c a l ，m e t a l l u r g i c a l a n dm a t e r i a l i n d u s t r i e s ，i to c c u p i e sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni n m i n e r a lc r u s h i n ga n d s u p e r f i n ep r o c e s s i n g ，w h i c hh a sa r o u s e dp e o p l e sf a v o r m e a n w h i l et h e e d g es p e e dr e d u c e rw h i c hc o n n e c tt h em o t o ra n dr e v o l v i n gb o d yo f b a l l m i l l p l a y a ni m p o r t a n tr o l e i nt h ee f f i c i e n c ya n ds t a t eo fb a l lm i l l s y s t e m s ot h eo n l i n em e a s u r ea n df a u l td i a g n o s es y s t e mi so fi m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p i n gt r e n da n dc u r r e n tr e s e a r c ho n m i l l ，a n a l y s e st h er e a l i s t i cs i g n i f i c a n c eo ft h eo n l i n ea n df a u l td i a g n o s e s y s t e m t h ei n v a l i d a t i o nf o r mo fg e a rp a i rs y s t e ma n ds h a f ta n db e a r i n g s a n dt h ec o r r e s p o n d i n gt i m ed o m a i n sa n df r e q u e n c yd o m a i n sc h a r a c t e r i c a r ep r e s e n t e d ，w h i c hi su s e f u lf o rp i c k i n gu pt h en o n l i n e a rs i g n a l sp a r t si n t h ev i b r a t i o na n ds o u n ds i g n a l s b a s e do nag r e a td e a lo fl i t e r a t u r ea n d c o m b i n e dw i t ht h er e a lr e s e a r c h ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ew a yt oc a r r yo u t v i b r a t i o nm e s s u r e m e n tb yu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y e s t a b l i s h e do nl a b v i e ws o f h v a r e i nt h i s s u b j e c tr e s e a r c h ，v i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt om e a s u r eo u tt h ev i b r a t i o na n ds o u n d s i g n a l ，c o m b i n ew i t hm a t l a bw ec a ng e tt h ec o r r e l a t i o nd i m e n s i o n w h i c h p r o v e dt h ev a l i d i t yo f t h em e t h o dp r o p o s e di nc h a p t e r3 f a u l td i a g n o s es y s t e mo fs p e e dr e d u c e rb a s e do nl a b v i e wa n d c o r r e l a t i o nd i m e n s i o na r ea p p r o a c h e da n dw h i c hp r o v i d ean e wm e t h o d a n dr o u t ef o rf a u l td i a g n o s e k e yw o r d ：b a l lm i l l ，s p e e dr e d u c e r , n o n l i n e a r , l a b v i e w , c o r r e l a t i o nd i m e n s i o n n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另t l d n 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 日期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名垒翌竺日期：竺年旦月口 工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 球磨机及振动问题研究的现状 自从1 8 9 1 年法国人k o n o w 和d a v i d s o n 在德国申请了第一台连续作业的管磨 机专利开始，至今已有1 0 0 多年的历史 1 - 3 。虽然新型粉磨设备一一立磨、辊 压机、辊筒磨等纷纷投入市场 。对球磨机市场形成了种挑战。但是球磨机仍 以其稳定可靠的操作、运行等特点占主导地位 3 。随着生产的发展和技术的进 步，球磨机的规格越来越大，目前世界上投入运行的大型球磨机规格已经达到 0 6 2 m x 2 5 m ，装机功率为1 1 2 0 0 k w 。 球磨机是发电、选矿、化工和建材等重工业领域中最广泛采用的机械 3 - 8 。 球磨机系统是由电机、减速机与一个水平装在两个大型轴承上的低速回转简体组 成，其主要机件是简体。在电力行业，球磨机是研磨煤块的重要设备，它能否长 期安全地工作，将直接影响着电厂的经济利益，因此，研究球磨机筒体的振动情 况对保证球磨机正常运行及噪声分析具有重要的意义。球磨机在工作时简体内的 物料会冲击衬板而使筒体振动，从而会降低其使用寿命、工作效率和可靠性，损 坏各种机器零件，并对周围环境产生振动噪声污染。球磨机在正常运转时噪声级 高达1 1 5 1 2 0 d b ，远远超过国家允许的最大噪声标准9 0 d b 。据调查，我国电厂球 磨机噪声的治理，主要集中在华东地区的上海、江苏、山东以及华北地区的北京、 河北等电力系统，而其他地区电厂相对较少一些，东北地区约有4 0 0 0 多台球磨 机，有近8 0 没有进行降噪处理 8 ，9 。球磨机的降噪效果始终都无法达到国家 允许的噪声标准。由此可见，研究球磨机的减振降噪意义深远 1 0 - 1 2 。 在国内外，球磨机系统振动问题早已受到专家学者的高度重视，并针对不同 规格的球磨机系统进行了研究。1 9 7 5 年，丹麦学者k n u dt a n d e r s o n 和 p o u l o x e n b o l 就研究过中心传动式和边缘齿轮传动式两种不同传动方式的球磨机 系统的动态特性，求出了传动系统振动的模态及响应 1 3 。美国著名学者 c b m a y e 在1 9 8 2 年曾经提出很多传动系统可能存在共振的问题，在对球磨机进 行分析后阐明了可能引起传动系统共振的原因是来自各个系统的激励 1 4 。美国 学者p j c r e s c e n z 。，d a f e n i o n ，c b m a y e 研究了电机边缘齿轮传动系统的动 特性和载荷特性，找到了部件失效的原因是由于某项激励频率接近于系统固有频 率，同时也找到了共振控制的方法 1 5 在国内，原武汉工业大学机械工程研究所的全体成员在杨志谦教授的带领 下，以中心传动式磨机系统为研究对象，研究了球磨机系统的动态特性与传动系 工程硕士学位论文第一章绪论 的合理匹配问题，得出下列结果 t 6 ( 1 ) 精确地测试了球磨机系统的启动过程，建立了球磨机系统启动期间的力 学模型与数学模型，提出了降低球磨机系统启动负载的途径。 ( 2 ) 建立了中心传动减速机的输出轴、平衡轮及悬吊与限位装置在球磨机运 行状态下的线性振动模型，得出了计算其垂直振动固有频率的方法，给出了这类 减速机均载计算和测试评价的方法。 ( 3 ) 建立了系统的扭振模型，并分别用状态空间法和传递矩阵法对系统扭振 进行了分析，认为减速机过早失效的主要原因是球载激励的作用。 国内某大型电厂有多台球磨机，规格为中3 5 0 0 x 7 0 0 0 ，从调查的情况看，在 球磨机系统的运行期间，主要存在下列问题 1 7 ： ( 1 ) 球磨机磨头的断裂； ( 2 ) 球磨机齿轮圈的严重磨损； ( 3 ) 减速机齿轮磨损、点蚀。 国内外针对于球磨机系统的振动分析与测试技术相对都比较少，但是球磨机 系统在工程应用中具有非常重要的价值，对球磨机系统的在线检测及故障诊断也 就具有非常重要的理论和实践意义。 1 2 球磨机边缘减速器常见故障 1 2 1 轮齿的主要故障形式 齿轮在制造过程中如果存在偏心、周节误差、齿形误差，或者在装配过程引 起齿轮一端接触、两齿轮轴不平行，均可能造成齿轮故障。齿轮的失效类型很多， 基本上可分为两类：一类为制造和装配不善造成的，如齿形误差、轮齿与内孔不 同心、各部分的轴线不对中、齿轮的不平衡等；更为常见的是齿轮在长期运行中 形成的第二类失效，由于轮齿表面承受的载荷很大，两啮合轮齿之间既有相对滚 动又有相对滑动，而且相对滑动摩擦力在节点两侧的作用方向相反，从而产生力 的脉动，在长期运行中导致齿面发生点蚀、胶合、磨损、疲劳剥落、塑性流动及 齿根裂纹，甚至断齿等失效现象【1 8 】。这些损伤会造成运转时齿面间的撞击，从 而产生具有一定频率特征的振动和声音。齿面产生这些损伤时，剥离的金属微粒 必然进入齿轮箱的润滑油内，不同类型的损伤其微粒的形貌特征、化学成分、数 量多少等方面都有所区别。因此，对于齿面损伤不仅可以根据振动与声的特征进 行诊断，也可以通过对油液中的金属微粒进行物理化学分析来判断齿面损伤的类 型和严重程度。 据国外统计分析结果，轮齿的各种损伤发生的概率如表1 1 所示【1 8 】。从中 2 工程硕士学位论文第一章绪论 可以看出齿轮最为常见的故障类型是裂纹( 断齿) ，其发生概率高达4 1 ；其次是点 蚀故障，有将近1 3 的故障是由点蚀引起的；这两种故障合计占到全部故障的7 0 以上，因此裂纹和点蚀等故障是齿轮故障诊断的主要对象。 表1 1 轮齿损伤发生概率 齿轮故障类型裂纹、断齿 点蚀 划痕磨损其它 所占百分比( ) 4 13 1l o1 08 轮齿上由于各种原因造成的裂纹是断齿损伤的前兆。轮齿在承受载荷时，如 同是悬臂梁，在轮齿的根部受到循环弯曲应力的作用，当这种应力超过齿轮材料 的弯曲疲劳极限时，就会在齿根部引起疲劳裂纹，并逐步扩展，当裂纹齿轮强度 无法承受载荷时，就会发生断齿【1 8 】点蚀的发生机理与裂纹有着密切关系。当齿 面的接触应力超过材料疲劳极限时，在表面层开始产生微细的疲劳裂纹，裂纹进 一步扩展最终会使齿面金属小块剥落，在齿面形成小坑，形成早期点蚀，其特征 是麻坑体积小、数目少、分布范围小，一般发生在节线附近且靠近齿根部的区域。 早期点蚀的小麻坑可能随运行时间进一步扩大，数目逐渐增加并连成大麻坑，形 成扩展性点蚀，造成齿面金属块剥落，其特征是麻坑大而深，并沿节线扩展，分 布范围较大。当剥落面积不断增大，剩余齿面不能继续承受外部载荷时，整个轮 齿发生断裂 1 8 】从齿轮故障诊断的角度出发，凡是齿廓偏离理想形状和位置，都 可以认为齿轮存在故障。齿轮故障若按照分布特征来分类，还可分为分布故障和 局部故障前者分布在一个齿轮的各轮齿，如均匀磨损；而后者集中于某一个或几 个齿，例如点蚀、裂纹等。 1 2 2 齿轮的振动机理 下面分析一下齿轮的振动机理，重点介绍点蚀和裂纹等常见故障模式对振动 信号的影响规律。齿轮可看成是以轮齿为弹簧、以齿轮本体为质量的振动系统， 由于齿轮刚度周期性变化、齿轮装配误差或扭矩变化等原因引起的激振力的作 用，齿轮将会产生圆周方向的扭转振动。又由于轴、轴承、轴承座的变形或齿向 误差等因素的作用，圆周方向的扭转振动激发径向和轴向振动，从而形成轴承座 的扭曲振动。这些振动通过轴承和轴承座传播到齿轮箱壳体产生振动并激发噪 声。与齿轮故障诊断有关的振动主要包括啮合振动、因齿轮局部异常引起的冲击 振动和调制振动。啮合振动是由于齿轮在相互啮合过程中齿与齿之间的连续冲击 作用，齿轮产生频率等于啮合频率的受迫振动。引起这种振动的主要原因是相互 啮合的一对齿轮，其轮齿的弹性刚度会发生周期性的变化，造成轮齿在进出啮合 工程硕士学位论文第一章绪论 区时发生碰撞，引起齿轮产生频率等于啮合频率的振动和噪声。齿轮局部异常引 起的冲击振动与齿轮系统的固有振动有关。当齿轮存在裂纹、局部的齿顶磨损、 缺陷造成的轮齿折断、局部的周节误差或齿形误差以及齿轮间隙增加时的转速变 动等局部异常时，异常轮齿进入进出啮合过程都会产生冲击，激发齿轮系统的固 有频率振动，并且只有在异常轮齿参与啮合时才产生幅值较大的冲击振动。这种 原因造成的振动信号频率较高，而且经包络检波后其波形中包含较多的旋转频率 成分 1 9 2 6 】。局部故障引起的调制振动是最为常见的故障特征形式，可以分为幅 值调制和频率调制。如果齿轮存在局部故障，这时相当于齿轮啮合振动受到短脉 冲的幅值调制，在频谱中表现为在啮合频率两侧的边频带，其幅值较低且均匀而 平均。调频效应是由于齿矩周期性变化及载荷波动引起的。事实上齿轮的载荷发 生波动就会引起速度的波动，所以幅值调制的同时也必然会产生频率调制效应， 调频的结果同样引起边频带。从理论上讲两种调制效应所产生的边频带对载波应 是对称的，但实际上由于两种调制效应往往同时产生，而且受到相位等其它因素 的影响，在功率谱图上往往形成不对称的边频带 2 7 】。 根据以上振动特征，齿轮传动是一种典型的回转运动，齿轮的多数故障都会 通过振动特征表现为频率的变化，因此，频域信息处理技术在齿轮故障诊断中一 直占有重要的地位。 1 2 3 轴承的主要故障模式和振动机理 疲劳剥落和磨损是滚动轴承最为常见的两种故障形式。滚动轴承工作时，滚 道和滚子表面既承受载荷又相对滚动，在交变载荷的作用下，首先在表面下一定 深度处( 最大剪应力处) 形成裂纹，继而扩展到接触表层发生剥落坑，最后发展到 大片剥落。疲劳剥落是滚动轴承故障的主要原因【1 8 】。滚道和滚子的相对运动( 包 括滚动和滑动) 和尘埃异物的侵入等都会引起表面磨损，而当润滑不良时更会加 剧表面磨损。磨损的结果是轴承游隙增大，表面粗糙度增加，从而降低了轴承的 运转精度【1 8 】。不论何种损伤形式，只要其损伤累积到一定程度时，便会引起滚 动轴承的动特性异常。这些异常的主要表现为振动和噪声急剧恶化、摩擦力矩和 温升急剧增加、润滑剂异常、运转不灵活，严重时甚至发生轴承“卡死 而不能 运转。与齿轮振动机理类似，轴承振动原因大多也可以归结为不同轴承元件的碰 撞和冲击。在轴承运转过程中，由于轴承本身的结构特点、加工装配误差以及故 障等因素的作用，轴对轴承和轴承座等组成的振动系统产生激励，从而产生振动 并传递到齿轮箱壳体，被传感器接收后其中包含了轴承的状态信息。在轴旋转时， 由于滚子在不同位置所受作用力不同，承载的滚子数目也不尽不同，这些轴承特 性造成轴承刚度的变化，引起轴承振动。另一方面，轴承加工时表面波纹度、粗 4 工程硕士学位论文第一章绪论 糙度、形位误差以及装配误差等原因造成的交变激振力也会导致轴承振动，由 于这些因素的影响规律非常复杂，因此这些激振力导致的轴承振动相应地包含多 个频率成分并具有较强的随机性【1 8 】。如果轴承存在剥落等表面故障，当损伤点 通过轴承接触区域时，会产生突变的冲击脉冲力，这个冲击脉冲是短时宽带信号， 激发轴承固有频率振动，产生冲击振动。由于损伤点周期性通过轴承元件接触区 域，其振动信号中包含低频振动成分，其频率可以通过转速和轴承的结构参数求 得，并且当损伤发生在轴承不同组件( 滚子、外环、内环) 时，这些低频振动信号 的频率也各不相同，称之为轴承故障特征频率，这些特征频率是轴承诊断的重要 信息 1 8 1 。 综上所述，实际齿轮箱壳体振动信号是内部齿轮、轴承和轴等各个部件相互 作用的结果，其表现形式非常复杂。根据上文对齿轮和轴承振动的分析，可以把 这些由于不同因素产生的振动分为两类：一是“故障 振动，也就是齿轮或轴承 故障导致的振动，这些振动包括齿轮故障引起的冲击振动和调制振动，以及轴承 故障导致的频率等于轴承故障特征频率的振动等：二是各部件结构特点决定的振 动，这些振动成分无论齿轮箱发生故障与否，都存在于齿轮箱壳体振动信号中， 例如齿轮的啮合振动和轴承的固有振动等。除此之外，其它动部件的振动信号以 及随机噪声也会被安装在齿轮箱壳体的传感器接收，进一步加大了齿轮箱故障诊 断的难度。这些振动信号中，除了与故障诊断有关的“故障”振动外，其它振动 都可以视为背景噪声信号，而且往往背景噪声信号的能量比“故障 振动大的多， 因此需要对齿轮箱壳体振动信号进行分析和处理，从这种强噪声背景下的微弱状 态特征信号中提取有用信息用于故障诊断。 1 3 减速器齿轮故障诊断发展现状 为了从复杂的齿轮箱振动信号中提取状态特征信息，就需要对振动信号进行 适当的分析和处理，因此振动信号处理技术就成为齿轮箱故障诊断的关键技术， 这一方向也一直是机械故障诊断技术的热点，积累了丰富的研究成果。 1 3 1 时域同步平均技术 时域同步平均广泛用于齿轮箱振动信号的处理，可以有效提高信号信噪比。 时域同步平均( t i m es y n c h r o n o u sa v e r a g i n g ) t s a ) 是从混有噪声干扰的信号中提 取周期性信号的过程，也称相干检波( c o h e r e n td e t e c t i o n ) 。其实现过程是对机械 信号以一定周期为间隔去截取信号，然后将所截得的信号段叠加平均，这样可以 消除信号中的非周期分量和随机干扰，保留确定的周期分量 2 7 1 。时域同步平均 工程硕士学位论文第一章绪论 技术较早的应用见于b r a u n 对声音信号的分析【2 8 】，以及s t e w a r t 对齿轮箱振动 信号的分析【2 9 】。时域同步平均可以分为基于时标的时域同步平均和基于周期的 时域同步平均两种方法。 基于时标的时域同步平均对每个振动信号采集时标信号来控制采样，在最简 单的情况下，这种信号来自安装在轴上的转角传感器。但是获取每个有用信号对 应的时标信号并不容易，因此时域同步平均技术的研究一直致力于减少所需时标 信号的数目。时标信号获取的解决办法之一是获取单个合适的时标信号，利用锁 相分频器转化为其它振动信号所需的时标信号，但锁相分频所用边缘触发技术容 易受到噪声的干扰引起锁相失败，影响时域同步平均的效果，同时锁相分频和采 样控制电路也比较复杂 3 0 】。 基于周期的时域同步平均典型方法是m c f a d d e n 提出的离线插值技术，以简 化时域同步平均采样设备。离线插值技术的主要思想是在单个时标信号和多个振 动信号定频同步采样的基础上，根据传动比将单个时标信号转化为多个需获取的 时标信号，对振动信号进行插值和分段后进行平均 3 1 】。m c f a d d e n 还对这种技 术进行了发展，研究了行星齿轮系统【3 2 ，3 3 和单个轴承不同组件( 滚予、滚道等) 等不同对象的时域同步平均问题【3 4 】。对于直升机齿轮箱这种特定环境，b l u n t 研究了安装单个转角传感器同时解决多个齿轮箱所需的时标信号问题，将一架 s 7 0 a 直升机主减速器的转角信号和尾减速器的转角信号进行了对比，结果由于 主减速器和尾减速器之间存在较长的传动轴，传动轴的扭曲变形和转速的波动造 成两个齿轮箱转角信号之间存在较大差异，结论是直升机中减速器和尾减速器需 要单独的转角传感器指导时域同步平均 3 5 1 。基于周期的时域同步平均方法的缺 点在于存在相位误差累积效应，对时域同步平均结果有不利影响。s o o n s e n g 和 s h e r m a n 用实际直升机齿轮箱振动信号验证这一固有缺陷的存在性，并出用时标 过零信号消除相位误差累积效应【3 6 】。但是这一方法仍然要求为每个振动信号获 取相应的时标过零信号。j e nj o n g 等人最早认识到基于无转角传感器的时域同步 平均的重要意义，提出了相位同步平均技术，根据相位变化和已知频率对振动信 号进行插值和变距重采样，得到相位一致的信号；之后根据已知频率进行同步平 均【3 7 】。这种方法适合轴振动信号的时域同步平均。时域同步平均技术的另外一 个改进是e d w a r d 和m a r i a n n e 提出的非连续时域同步平均技术，其依据是齿轮箱 振动信号往往与扭矩、转速等参数存在关联，因此应根据这些参数的不同对信号 进行分组平均 3 8 1 。 1 3 2 频域信号处理技术 频域信号处理技术在齿轮箱故障诊断研究中占有重要的地位，这是由齿轮转 6 工程硕士学位论文第一章绪论 动的周期性所决定的。韩捷和张瑞林 3 9 】以及李国华和张永忠 4 0 1 在他们的专著 中都对齿轮正常、偏心、局部异常等状况下的频域特征进行了介绍；丁康和朱小 勇对齿轮箱常见的九种故障，也介绍了故障特征和诊断策略 4 1 1 。k u a n g 和l i n 对直齿轮建立了动力学模型，通过数值仿真研究了磨损对齿轮振动功率谱的影 响，表明功率谱的变化可以反映齿轮磨损的程度 4 2 】。 功率谱分析在齿轮箱故障诊断中发挥了重要作用，但是实际齿轮箱振动信号 是非常复杂的，直接观察功率谱的变化往往难以得到准确的状态特征信息，倒谱 分析和解调分析可以用来挖掘更为显著的频域特征。倒谱分析技术来源于声音信 号处理领域。z h e n g 和w a n g 分析了常规倒谱分析的缺点，应用复倒谱恢复齿轮 箱振动信号中包含的瞬态成分，而这些瞬态成分的出现与齿轮箱故障有着密切的 联系 4 3 】。b a d a o u i 建立了可以研究点蚀故障的六自由度动力学模型，提出用 m o v i n gc e p s t r u m 技术对齿轮箱故障进行诊断 4 4 】。在此基础上，b a d a o u i 对传感 器拾取的振动信号建立了数学模型，用功率倒谱定义了一个特征参数，实际齿轮 箱振动数据分析结果表明，这个特征参数受信号幅值、传感器位置和信噪比变化 的影响较d x 4 5 】 另一方面，解调分析的思想来自无线电领域。m c f a d d e n 从齿轮故障调制模 型出发，分析了解调信号的物理意义，较早地应用解调分析诊断齿轮故障 4 6 1 。 丁康和米林对宽带解调方法 4 7 】。朱利民和钟秉林对全波解调【4 8 】、丁康和江利 旗对广义检波和h i l b e r t 变换等解调方法进行了深入分析 4 9 】，指出这些方法都存 在混频效应，在背景噪声的干扰下可能得到错误的解调结果。为了克服传统解调 方法存在的问题，相继出现了一些新的解调方法。m a 和“发展了基于信号模型 的自适应宽带解调方法，改进传统的基于滤波器组的解调方法 5 0 】。自适应解调 分析的另外一个途径是b r i e 提出的基于线性回归的方法，其效果得到实际齿轮 箱振动信号分析结果的验证，w a n g 参照硬件共振解调技术的分析原理，用软硬 件结合的方法模拟了硬件共振解调，用于齿轮的故障诊断。a l t m a n n 和m a t h e w 将时间序列模型与解调分析结合起来，克服了微弱的轴承故障振动信号给解调分 析带来的困难。传统解调方法不能处理非平稳信号，p e t e r 用小波分析提取振动 信号包络，提取轴承故障特征。在此基础上，s h e e n 用复数小波变换得到了新的 提取包络方法。刘红星提出了能量算子法，并与h i l b e r t 变换法进行了比较。梁 凤岗和孙蕙庆用正交小波函数逼近连续滤波器，实现了一种新的解调算法。祝海 龙和屈梁生院士还提出了自组织包络解调方法，根据故障特征频率诊断轴承故 障。姜鸣和陈进探讨了循环自相关函数对幅值调制信号的解调性能，对基于 h i l b e r t 变换和基于循环自相关函数两种解调算法进行了理论分析和试验验证。 7 工程硕士学位论文第一章绪论 1 3 3 时频域信号处理技术 5 1 信号平稳性假设是传统频域分析的基础，考虑到齿轮箱状态特征信号表现出 的非平稳性，为了检测早期故障的需要，小波分析和时频分布这两种主要的非平 稳信号分析方法得到了深入研究和广泛应用。 小波分析是由m o r l e t 在1 9 8 2 年提出的方法，这种方法具有局部化和多分辨 率的特点，这使得其分析瞬变信号比传统的傅里叶分析具有显著的优势。早在 1 9 9 3 年，随着小波分析在其它领域应用的蓬勃开展，w a n g 和m c f a d d e n 就将小 波分析应用于齿轮振动信号分析，表明小波分析不仅可以检测早期机械故障而且 有望对故障进行分类。m a h f o u d h 在齿轮动力学模型研究中，用小波分析和统计 分析对齿轮振动信号进行了处理，表明小波分析在检测齿轮故障方面的有效性。 l i n 和m c f a d d e n 利用b 样条小波良好的时频分辨力，对故障齿轮边频带的成分 和结构从时间尺度域进行了研究，通过观察其周期性变化分析裂纹齿轮的状态信 息。钟掘院士根据现有的小波理论和滚动轴承的振动特征，提出了基于傅里叶分 析与小波分析的包络一小波分析法，将其应用于滚动轴承故障诊断。徐金梧和徐 科采用小波包分解和信号重构的方法，提取滚动轴承振动信号中被噪声所掩盖的 由滚子剥落故障所引起的冲击成分。张中民和张英堂利用正交小波基将滚动轴承 振动信号变换到时间一尺度域，对高频段尺度域的小波系数进行包络细化谱分 析。唐英和孙巧以滚动轴承振动信号为分析对象，求解待测信号的小波变换极大 模来检测和识别信号中奇异点位置和奇异性大小，并通过对噪声极大模的处理， 实现降低噪声的目的。m e l t z e r 和d i e n 对非平稳转速下振动信号进行了连续小波 分析，用极坐标改进小波谱的表示形式，克服了转速变化对故障诊断的干扰。类 似的研究还包括h a n 等人基于时域同步平均的复连续小波分析在齿轮故障诊断 的应用。随着基于小波分析的齿轮箱故障诊断研究的深入，开始针对齿轮箱信号 的特点，选择和构造合适的小波分析参数。林京和屈梁生院士从参数离散到参数 优化角度系统研究了连续小波变换的工程应用方法，建立了“小波嫡 的概念， 并以此作为基小波参数的择优标准。郑海波提出了基于m o r l e t 连续小波变换的 时间平均小波谱的概念，提出了谱形比较法和特征能量法两种新方法，并将其应 用于齿轮故障诊断。程军圣等针对滚动轴承振动信号的特点，构造脉冲响应小波， 应用连续小波变换提取滚动轴承故障振动信号的特征，在此基础上提出了尺度一 小波能量谱比较法用于滚动轴承故障诊断。赵学智以轴承振动信号处理为例，分 析了卷积型和内积 型两种小波变换形式的频带分离效果和对信号中故障特征的提取效果，结果表明 卷积型小波变换所提取的故障特征信息更为显著。p e n g 和c h u 对小波分析在机 8 工程硕士学位论文第一章绪论 械故障诊断中的应用研究进行了比较全面的综述。 除了小波分析之外，时频分布分析也是常用的时频域信号处理技术，这些分 布中最为著名的是w i g n e r 分布。二十世纪八十年代c l a a s e n 和m e c k l e n d r a u k e r 实现了w i g n e r 分布的离散化之后，引起人们对于w i g n e r 分布的重视。八十年代 末f o r e v e r 最早将这些方法应用于齿轮箱故障诊断。在此基础上，m c f a d d e n 和 w a n g 在直升机齿轮箱故障诊断研究中给出了w i g n e ：分布图像特征的解释，并提 出了增强w i g n e r 分布改进诊断效果。c h o y 和b r a u n 应用w i g n e r 分布对模型预 测数据与实际振动数据进行比较，也表明w i g n e r 分布可以有效诊断出齿轮故障 b a y d a r 和b a l l 应用w i g n e r 分布分析齿轮箱噪声信号，从中提取故障特征。 s t a s z e w s k i 应用图像识别技术对w i g n e r 分布图像进行特征提取后，输入神经网 络实现了自动w i g n e r 分布分析。p o l y s h c h u k 用w i g n e r 分布计算瞬时功率谱，在 此基础上定义了统计参数n p 4 用于齿轮故障诊断。w i g n e ：分布存在交叉项问题， 降低交叉项的研究一直是时频分布的研究方向之一。w i g n e r 分布可被认为是 c o h e n 类分布的一种，通过核函数的设计可能减小交叉项干扰。姜鸣比较了谱图、 平滑准w i g n e r 分布、c h o i w i l l i a m s 分布等c o h e n 类时频分布方法及其性能，讨 论了不同分布降低交叉项的性能，表明c h o i w i l l i a m s 分布更适用于故障的早期 诊断需要。熊良才提出时频分布信息嫡的定义，根据信息嫡最小的原则对 c h o i w i l l i a m s 分布的参数进行优化，得到的分布能较好地反映信号的时频结构， 将该方法应用到齿轮故障诊断取得了良好的效果。小波分析基于线性变换算法， 得益于小波函数的完备性、自相似性和多分辨率，具有快速算法和良好的时频局 域特性；困难在于小波母函数的选择和尺度直观性。c o h e n 类时频分布基于双线 性变换算法，其运算和分析更为复杂，还存在交叉项问题；但时频分布在不确定 性原理约束下时频分辨力的优异性能也具有相当吸引力，时频谱也比时间一尺度 谱更易于解释。客观而言，各种时频域信号处理技术难分轩轻，关键是需要根据 具体信号选择合适的分析算法。 1 3 4 其它信号处理技术 5 2 除了以上介绍的这些方法，还有众多学者为齿轮箱故障诊断技术提供了其它 手段和方法。峭度f m 4 是时域分析最为常用的统计参数，定义为原始信号的四 阶矩。d e u s z k i e w i c z 和r a d k o w s k i 应用均方值和峭度等时域特征参数建立了齿轮 箱在线诊断系统。在时域同步平均技术的基础上，z a k r a j s e k 提出了改进的峭度 参数n a 4 ，用残余信号代替原始信号，减小了负载变化的影响。n a 4 不能区分 不同扭矩下的历史数据，为了减小扭矩的影响，d e m p s e y 引入扭矩信号指示，据 此更新历史数据，得到新的特征参数。为了提高诊断效果，d e m p s e y 定义了新的 9 工程硕士学位论文第一章绪论 统计参数m 8 a ，将其与f m 4 参数等用于故障诊断，将实验室得到的参数阐值应 用到实际飞行试验。为了检验这几个时域特征对不同参数齿轮的诊断效果， z a k r a j s e k 和l e w i c k i 对三个齿厚不同的齿轮进行了裂纹故障试验，结果表明n a 4 等时域特征对小齿厚齿轮故障不够敏感。d e c k e r 对航空齿轮故障的分析结果得 到了类似的结论，表明n a 4 等时域特征的鲁棒性和重复性难以满足要求。d e c k e r 还尝试用滤波技术改进时域特征参数，比较了滤波前后时域参数的诊断结果，表 明诊断鲁棒性没有明显提高。更为详细的试验验证是由n a s a g l e n n 研究中心完 成的，验证的特征参数既包括传统的峰值、均方根、f m 4 等，也包括n a 4 ，n a 4 * 、 n b 4 ，n b 4 * 等改进峭度参数，以及m 6 a 等更高阶的统计参数。d e c k e r 介绍了部 分试验结果，表明高阶统计参数多数情况下更为有效。循环平稳理论及相应的高 阶统计分析也是齿轮箱故障诊断研究的热点。c a p d e s s u s 等人在齿轮动力学模型 的基础上指出齿轮振动本质上是循环平稳的：a n t o n i 进一步讨论了这一结论的约 束条件，并将循环平稳分析的应用范围扩展到轴承、发动机等其它旋转机械振动 信号。 1 4 本文研究内容、意义、目的 本课题的主要研究是： 1 ) 建立基于l a b v i e w 的信号球磨机振动和噪音信号检测系统； 2 ) 利用小波降噪原理，将检测得到信号做滤波降噪处理，为进一步对球磨 机系统的故障诊断及状态检测提供基础； 3 ) 基于分形理论，并利用相空间重构技术，提取振动噪音信号中的非线性 特征量，并用这些量来刻画球磨机减速器的运动特征。 在此基础上形成一个技术合理、经济合算、实施简便、满足噪声指标并能协 调高效运转的减振降噪方案，从而降低球磨机噪声对周围环境的污染，改善人们 工作环境。 1 0 第二章边缘减速器原理及故障信号特征 齿轮传动系统中轴、齿轮和轴承在工作时候会产生振动，一旦发生故障其振 动信号的能量分布就会发生变化，所以振动信号是齿轮箱故障特征的载体。齿轮 传动系统中存在齿形误差、断齿、轴不对中、齿面磨损、轴不平衡、箱体共振、 轴弯曲、轴向窜动、轴承疲劳脱落和点蚀等典型的故障。对具有故障的齿轮箱振 动信号进行时域分析和频域分析，从而提取典型的故障的特征。 2 1 球磨机边缘减速器结构特点及工作原理 球磨机是物料被破碎之后e 1 ，再进行粉碎的关键设备。它广泛应用于水泥、 硅酸盐制品、新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑色与有色金属选矿以及玻璃陶 瓷等生产行业，对各种矿石和其它可磨性物料进行干式或湿式粉磨。 球磨机工作原理：球磨机为卧式筒形旋转装置，外沿齿轮传动，两仓、格子 形球磨机。物料由进料装置经入料中空轴螺旋均匀地进入磨机第一仓，该仓内设 有阶梯衬板或波纹衬板，内装不同规格钢球，筒体转动产生离心力将钢球带到一 定高度后落下，对物料产生重击和研磨作用。物料在第一仓达到粗磨后，经单层 隔仓板进入第二仓，该仓内镶有平衬板，内装钢球，将物料进一步研磨。粉状物 通过卸料箅板排出，完成粉磨作业。结构特点：球磨机由给料部、出料部、回 转部、传动部( 减速机、小传动齿轮、电机、电控) 等主要部分组成。中空轴采 用铸钢体，内陈可拆换，回转大齿轮采用铸件滚齿加工，筒体内镶有耐磨衬板， 具有良好的耐磨性。本机运转平稳，工作可靠。球磨机根据物料及排矿方式，可 选择干式球磨机和湿式格子形球磨机。 王捏硒生位垃奎 疆三重垫缝硅基盎厘理厦蘸睦值呈挂延 22 装配型式及外型图 囤2 - 1 球磨机的外形安装结掏示意圉 j d x 2 84 5 减速机的装配型式及外形尺寸见图2 - 2 m 1 0 1n o 1 0 2 啪1 0 3n o 1 0 4n o 1 惦n o 1 囤2 - 2j d x 2 8 4 5 球磨残速机的装配形式l x j l - 彤困 23 齿轮故障的时域特征与频域特征 振动信号是齿轮故障特征信息的载体，目前能够通过各种振动信号传感器、 放大器及其它测量仪器能很方便地测量出齿轮箱的振动信号，通过各种分析和处 理方法提取其故障特征信息，从而诊断出齿轮的故障。作为实用特征信息，频域 分析与识别仍然是最为有效的方法，但也应看到，在许多情况下，从齿轮的啮合 波形也可以直接观察出故障。 齿轮的精密诊断方法 ( 振动、噪音) 析 蒜 时域分析 倒频域分析 时序分析 时频分析 时域波形 调幅解调 相位解调 倒频谱 f 时序参数 l 最大熵谱 f 短时f f t 维格纳分布 i 小波分析 图2 - 3 齿轮的精密诊断方法 l 、正常齿轮的时域特征与频域特征 正常齿轮是指没有先天和后天缺陷的齿轮，其振动主要是由于齿轮自身的刚 度等引起的。 ( 1 ) 时域特征 正常齿轮由于刚度的影响，其波形为周期性的衰减波形。其低频信号具有近 似正弦波的啮合波形， ( 2 ) 频域特征 正常齿轮的信号反映在功率谱上，有啮合频率及其谐波分量，即有n f z ( n - - l ，2 ，) ，且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小；同时，在低频处有 齿轮轴旋转频率f r 及其高次谐波m f r ( m - - 1 ，2 ，) 。 2 、均匀磨损齿轮的时域特征与领域特征 均匀磨损齿轮是指由于齿轮的材料、润滑等方面的缺陷或者长期在高载荷下 工作所造成的发生在大部分齿面上的磨损。 ( 1 ) 时域特征 齿轮发生均匀磨损时，导致齿侧间隙增大，其正弦波式的啮合波形就遭到破 坏。 ( 2 ) 频域特征 均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量n f , ( n = 1 ，2 ) 保持不变，但幅值大 小改变，而且高次谐波幅值相对增大较多。分析时，至少要分析三个以上谐波的 幅值变化，才能从谱上检测出这种磨损。 3 、齿轮不同轴的时域特征与频域特征 齿轮不同轴故障指由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和铀不同轴。不同轴齿 轮会使齿轮产生局部接触从而承受较大的负荷。 ( 1 ) 时域特征 当齿轮出现不同轴或不对中时，其振动的时域信号具有明显的调幅现象。如 图所示低频振动信号。 ( 2 ) 频域特征 具有不同袖的齿轮，由于其振幅调制( 从数学上讲，相当于两信号在时域相 乘，而在频域上相当于两个信号的卷积。两个信号中，频率较高的为载波，另一 个为调制波，在齿轮振动信号中，啮合频率成份通常为载波成份，齿轮轴旋转频 率成份通常为调制波成份。调制就是使一个信号的某些参数在另一个信号的控 制下而发生变化的过程，前者为载波) 作用，会在频谱上产生以各阶啮台频率 n f z ( x - - 1 ，2 ，) 为中心，以故障齿轮的旋转频率f r 为间隔的一阶边频等，即 n f z 土f r ( n = l ，2 ，) ，同时，故障齿轮的旋转特征频率m f r ( m - - 1 ，2 ，) 在 谱图上有一定反映。如图为典型的具有不同轴故障的特征频谱。 4 、齿轮偏心时的时域特征与频域特征 齿轮偏心是指齿轮的中心与旋转轴的中心不重合。这种故障往往是由于加工 造成的。 ( 1 ) 时域特征 当齿轮有偏小时，其振动波形由于偏心的影响被调制产生调幅振动。 ( 2 ) 频域特征 齿轮有偏心时，将在两个方面有所反映，一是由于齿轮的几何偏心所引起图 以齿轮的旋转频率为特征的附加脉冲幅值增大；二是齿轮偏心会引起以齿轮一转 为周期的载荷波动，从而导致调幅现象，这时的调制频率为齿轮的回转频率，只 是它比所调制的啮合频率要小得多。 5 、局部异常齿