（机械设计及理论专业论文）基于labview的齿轮箱故障诊断研究与应用.pdf

基于l a b v ie w 的齿轮箱故障诊断研究与应用 摘要 随着科学技术的不断进步，机械设备向着高性能、高效率、高自动化和高可靠性的 方向发展。齿轮箱由于具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，常用于改变设 备的转速和传递动力，是机械设备的一个重要组成部分，也是故障易于发生的一个部件， 其运行状态对整机的工作性能有很大的影响。 将虚拟仪器技术应用于齿轮箱故障诊断，能够共享硬件和软件资源，快速、方便地 组建各种自动测试系统，并可以方便地利用计算机的强大功能，进行信号分析、数据处 理、存储以及图形化显示等工作 文中首先介绍了故障诊断的基本理论，分析了齿轮箱的故障机理，具体研究了齿轮 箱的主要部件一齿轮和轴承的故障，为齿轮箱故障诊断提供了理论依据。利用l a b v i e w 软件搭建了数据采集及分析平台，实现了使用n i 卡进行数据采集功能，研制了数据读 取程序、共振解调与时域同步平均技术数据预处理程序，以及信号的频谱分析程序等， 为后续的故障诊断提供了正确的分析数据，使提高诊断率成为可能。本文将b p 神经网 络技术应用于齿轮箱故障诊断，搭建了b p 神经网络诊断模型，并对使用共振解调与时 域同步平均技术处理后的数据进行了诊断，结果表明两种处理方法能较好的分离噪声信 号，使故障特性更加明显，误诊率明显降低。 关键字：共振解调，时域同步平均，l a b v i e w ，b p 神经网络，故障诊断 r e s e a r c ha n da p p li c a t i o no fg e a rc a s ef a u i td i a g n o s i s b a s e do nl a b v i o w a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h et r e n do fd e v e l o p m e n tf o rm e c h a n i c a l e q u i p m e n ti sh i g hp e r f o r m a n c e ，h i 【g he f f i c i e n c y , h i g ha u t o m a t i ca n dr e l i a b i l i t y w i t ht h e a d v a n t a g eo ff i x e dd r i v er a t i o ，l a r g ed r i v i n gt o r q u ea n dc o m p a c ts t r u c t u r e ，g e a r c a s ei su s e dt o c h a n g et h er o t a t i o n a ls p e e da n dt r a n s f e rp o w e r i t i sa l li m p o r t a n t p a r to fm e c h a n i c a l e q u i p m e n t ，a n da l s oi se a s yt og e t o u to fo r d e r t h em n n i n gs t a t u so fg e a rc a s eh a sal a r g e e f f e c tt ot h ep e r f o r m a n c eo fe q u i p m e n t t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e sw h e nd o i n gg e a rc a s ef a u l td i a g n o s i su s i n gv i n u a id e v i c e t e c h n o l o g y i ti sa b l et os h a r eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，c r e a t cv a r i o u sa u t o m a t i ct e s ts y s t e m s ， a n dc o m p l e t em a n yw o r k ss u c ha ss i g n a la n a l y s i s ，d a t ap r o c e s s i n ga n ds t o r a g e ，g r a p hd i s p l a y c o n v e n i e n c eu s i n gt h ea d v a n t a g e so fp e r s o n a lc o m p u t e r t h eb a s i ct h e o r yo ff a u l td i a g n o s i si si n t r o d u c e da n dt h ef a u l tm e c h a n i c so fg e a rc a s ei s a n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ef a u l tf o rt h em a i np a r t so fg e a rc a s ei n c l u d i n gg e a rw h e e la n d p i l l o wi ss t u d i e d t h ea c h i e v e m e n ts u p p l yt h e o r ya s s i s t sf o rt h eg e a rc a s ef a u l td i a g n o s i s t h e d a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i sp l a t f o r mi sc r e a t e du s i n gt h el a b v i e ws o f t w a r e t h ef u n c t i o no f d a t aa c q u i s i t i o ni sr e a l i z e du s i n gn ic a r d t h ep r o g r a m so ff e t c h i n gd a t a , p r e p r o c e s s i n gd a t a u s i n gt h er e s o n a n c ed e m o d u l a t i o na n dt i m ed o m a i ns y n c h r o n o u sa v e r a g i n gt e c h n o l o g y , a n d s i g n a ls p e c t r u ma n a l y s i sa r ed e v e l o p e d t h ec o r r e c ta n a l y s i sd a t au s e dt of a u l td i a g n o s i s c a l l b eg e n e r a t e d t h eb pn e u r a ln e t w o r k st e c h n o l o g yi sa p p l i e dt ot h eg e a rc a s e ：f a u l td i a g n o s i s 纽 t h i sp a p e r t h eb pn e u r a ln e t w o r k sd i a g n o s em o d e li sc r e a t e da n dt h ed a t ap r o c e s s e du s i n gt h e r e s o n a n c ed e m o d u l a t i o na n dt i m ed o m a i ns y n c h r o n o u sa v e r a g i n gt e c h n o l o g yi sd i a g n o s e d i t c a nb ec o n c l u d e df r o mt h ed i a g n o s er e s u l t st h a tt h en o i s es i g n a l nb es e p a r a t e du s i n gb o t h t h em e t h o d s ，t h ef a u l tc h a r a c t e ri sm o r ee x p l i c i ta n dt h em i s d i a g n o s i sr a t ec a nb er e d u c e d o b v i o u s l y k e y w o r d s ： r e s o n a n c ed e m o d u l a t i o n ，t i m ed o m a i ns y n c h r o n o u sa v e r a g i n g , l a b v i e w , b p n e u r a ln e t w o r k s , f a u l td i a g n o s i s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：缝丝墨日期：勾0 1 午q 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名：缝丝盈 导师签名：磁 日期：二0 0 7 , 诉z ? 中北大学学位论文 1 1 机械故障诊断的研究内容 1 绪论 机械故障诊断是本世纪六七十年代产生并发展起来的- f - 综合性边缘学科。设备的 故障，是指设备的行为超出允许范围的不正常状态。所谓机械故障诊断，就是对机械设 备的工作状态的正常与否，异常程度作出判断，而机械设备的故障诊断是确定其整体或 其局部异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术，通俗地说，它是 一种给机械设备“看病”的技术。机械故障诊断的过程如图1 1 所示。 l 麓愀叫嚣针鬟 lf ：趱l 删取l 箔弓i 挝取 图1 1 机械故障诊断过程【1 l 对于设备的诊断，一是防患于未然，早期发现潜在的故障；二是诊断故障，采取措 施。具体地说，设备故障诊断技术包括：选择和检测反映设备有关状态的特征信号；从 特征信号中提取反映设备有关状态的有用信息( 征兆) ；根据征兆进行设备的状态诊断； 根据状态和征兆进行设备的状态分析；根据状态分析做出决策，干预设备的工作进程， 以确保设备可靠、高效地发挥效能，达到设备诊断的目的。 1 2 课题研究目的和意义 传动箱作为机械设备中一种必不可少的连接和传递动力的通用零部件，在金属切削 机床、航空工业、电力系统、农业机械、运输机械、冶金等现代工业发展中得到了广泛 的应用。在今天科学技术飞速发展的时代，机械装备向着大型化、高效率、高强度、自 动化和高性能的方向发展。作为传递运动和动力的齿轮装置几乎在任何大型设备中都具 有重要的作用1 2 】。 但是随着设备的不断大型化、复杂化、自动化和连续化，机械设备的故障和失效给 1 中北大学学位论文 整个生产和社会造成的损失将越来越大，造成的经济损失、人员伤亡和社会影响更是难 以估量。飞行中的飞机和航行中的舰船上的传动箱故障往往直接导致人身伤亡事故；而 气轮机组、化工行业的压缩机组、钢铁工业的轧辊机组、建材等行业中一些设备中所用 传动箱处于连续工作状态，意外的传动箱故障造成的停机停产损失十分惊人。1 9 8 6 年美 国的“挑战者”号航天飞机爆炸事；1 9 9 2 年6 月，日本海南电厂的一台6 0 0 m w 超临界 火力发电机组在进行超速实验时，因机组轴承失效和临界转速下降引起机组共振，造成 机毁事故，直接经济损失4 5 - 5 0 亿日元；1 9 8 8 年2 月，我国秦岭发电厂的一台2 0 0 m w 气轮机发电机组在进行超速实验时，发生了轴系断裂的严重事故，造成的经济损失约 3 0 0 0 万元左右。由此可见诊断技术的重要性和意义1 3 , 4 j 。 本课题的目的是结合振动实验室的实验台两级传动箱实验数据的分析研究，进一步 完善传动箱状态监测与故障诊断系统，并且通过试验验证理论的正确性、可靠性；同时， 争取摸索出一套完整的传动箱故障诊断技术方法。 设备故障诊断技术的意义主要表现在降低事故的发生率，降低维修费用，减少维修 时间，增加运行时间。据日本统计，采用诊断技术以后，事故率减少7 5 ，维修费用降 低2 5 - 5 0 ，英国专家t h o m a s 认为，若进行旋转机械的振动量的监测，其利润与投资 之比可以高达1 7 ：1 ，无论从安全的角度，还是从经济效益出发，建立完备的监测与诊 断系统都具有及其重要的意义【3 ，5 6 1 。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 设备故障诊断技术发展到今天，已成为一门独立的跨学科的综合信息处理技术，它 可简单的划分为传统的诊断方法、数学诊断方法以及智能诊断方法。传统的诊断方法包 括：振动检测技术、油液分析技术、噪声检测技术、红外测温技术、声发射技术以及无 损检测技术等；数学诊断方法包括：基于贝叶斯决策判据以及基于线形与非线形判别函 数的模式识别方法、基于概率统计的时序模型诊断法、基于距离判据的故障诊断法、模 糊诊断原理、灰色系统诊断法、故障树分析法、小波分析法，以及混沌分析与分形几何 法等；智能诊断方法包括：模糊逻辑、专家系统、神经网络、进化计算方法等。这些方 法在设备故障诊断文献中均有介绍，这里不再具体叙述。 传动箱故障诊断技术作为设备故障诊断技术的分支也正在日益发展，它是一个多学 2 中北大学学位论文 科综合技术，涉及动态信息处理、计算机、人工智能等众多领域的知识1 7 j 。目前的传动 箱故障诊断研究主要集中在传动箱状态监测仪器和分析系统的开发、信号处理和分析、 故障机理研究和典型故障特征的提取、诊断方法研究和人工智能的应用等几个方面。 在监测分析系统的开发方面f 1 ，& 9 1 ，人们已经进行了大量的研究，并研制了许多相应 的仪器、设备，如日本和丹麦生产的磁带记录仪、美国亚特兰大公司的m 7 7 7 便携式数 据采集仪、h p ，b & k ，c f 的信号分析仪等。近年来，由于微机，特别是便携机的迅速 发展，基于便携机的在线、离线监测与诊断日益普及，如美国生产的m 6 0 0 0 系列产品。 振动信号的处理和分析方法也在突飞猛进1 1 0 n 1 从传统的分析方法如时域波形分 析、转速同步分析、功率谱分析、细化谱分析、相关分析、相干分析、倒频谱分析、解 调分析到一些较新的分析方法如小波分析、w i g n e r - v i l l e 技术、l - i i l b e r t 解调等时频分析 方法己开始得到应用。 由于故障诊断在国民经济中的重要作用，各国都将设备故障诊断作为一项重要的工 作。经过几十年的发展，已经取得很大的成绩。1 9 7 6 年，西屋公司着手开发基于计算机 的发电机在线诊断系统，并于1 9 8 0 年在电厂得到试用。1 9 8 2 年西屋公司选择卡内基一 梅隆大学研制的过程诊断系统p d s 作为开发工具，在1 9 8 4 年夏天投入实际应用。p d s 系统由设在各个电厂的数据中心p d c 和位于奥兰多的诊断操作中心d o c 组成。p d c 具 有数据采集、存储和压缩、状态检测与d o c 通讯等功能，不断地将数据传给d o c 。送 到d o c 的数据由p d s 系统自动进行诊断，诊断结论从d o c 返回到p d c 。d o c 也将对 结论的建议和不采取行动的后果传送到p d c ，以便电厂操作人员采取适当的处理措施。 p d s 系统分为三个子系统：t u r b i n a i d ，g e n a i d 和c h e m a i d 。三个子系统各有自己的 规则库，共享一个数据库。到1 9 9 0 年为止，系统韵诊断规则库大约有一万条规则，其 中包括t u r b i n a i d 一3 0 0 0 多条，g 锄a i d 近3 6 0 0 条，c h 锄a m 近3 2 0 0 条， 能够诊断转子轴承系统、发电机和蒸汽水循环的故障，并能进行热效率计算等。该系 统已在所监测的设备取得很大成功。美国工业系统有限公司研制的振动分析系统c s i 系 统也是这方面的杰出代表。c s i 系统，硬件包括c s l 2 1 1 5 单通道振动分析仪和c s l 2 4 0 0 动态信号分析仪，软件主要包括m a s t e r t r e n d 和n s p e c t r i i 等。c s l 2 1 1 5 分析仪兼有便 携式频谱分析仪和数据采集器功能，可以实现数据采集，启停机过程的瞬态分析，现场 动平衡及对中，并具有数据管理、显示和打印功能。c s l 2 4 0 0 分析仪是双通道或四通道 3 中北大学学位论文 同时进行数据采集和f f f 分析的信号分析仪，可在现场进行各种复杂的时域和频域分 析。m a s t e r t r e n d 数据管理系统主要有数据库管理、各种谱分析和趋势分析、报表输出、 故障历史编辑和图形库等功能。其它国家如瑞典、日本、挪威、丹麦都在故障诊断技术 方面有自己特有的贡献。 类似的，我国8 0 年代以后在设备故障诊断方面也作出了很大的贡献，陆续开发出 一批故障诊断系统，这些诊断系统在不同领域发挥了重大的作用。但不可否认的是，国 内诊断系统的诊断水平还无法和国外相比，特别在诊断理论的机理研究方面。 而传动箱中最关键、最重要的部件是齿轮和轴承。这两种部件相对于整台机械来说 是价格低廉的部件，但却是故障率最高的部件。据有关统计资料，机械设备的故障7 0 是振动故障，而振动故障中的7 0 是由轴承和齿轮引起的故障这是因为轴承和齿轮是 机械设备中工作条件最为恶劣的部件。它们在机械设备中起着承受载荷、传递载荷的作 用，因而其运行状态直接影响到整台机器的功能。这两种部件故障所造成的整台设备损 坏、引发灾难性事故、造成重大经济损失的事例不胜枚举。 目前，国内对滚动轴承和齿轮进行监测和诊断常用两种方法【1 2 1 ：一是采用专用的监 测分析仪器系统；二是采用微机监测系统。专用仪器系统硬件所占比例大，处理速度快， 但这类仪器价格较高，专用性强，处理功能固定，不易作进一步的开发，对分析结果的 判定需要工程技术人员具有丰富的经验。近年来，随着微型计算机的普及和应用，以微 机为核心的信号分析与故障诊断系统得到了很大的发展。微机信号分析与故障诊断系统 不但具有灵活性高、适应能力强、易于维护和升级的特点，而且易于推广应用，是高质 量、高效率、低成本地发展机械设备故障诊断的新途径。 由于滚动轴承和齿轮所组成的传动系统结构复杂、传动元件多。尤其是各传动元件 间故障联合作用时，其振动信号的频率成分多而复杂，所以要充分提取故障信息，准确 判断滚动轴承和齿轮的故障性质和故障源，依赖于某一种信号处理方法很难奏效。传统 的滚动轴承和齿轮故障诊断方法有频域分析方法和时域分析方法，它们对滚动轴承和齿 轮的分布式故障有很好的效果。但是对于局部缺陷，这些诊断方法的应用效果不太理想， 尤其是在故障的初期。 近年来，新的诊断方法不断涌现，其中包括时频分析方法【t1 3 】。时频分析方法可以 有效地应用于非平稳信号的分析，弥补了传统的基于快速傅立叶变换的频谱分析只适用 4 中北大学学位论文 于平稳信号分析的缺陷。常用的时频分析方法有短时傅立叶变换、w i g c r - v f l l e 分布和小 波分析等。小波分析是近几年才开始应用于振动信号处理的时频分析方法，它能同时提 供振动信号的时域和频域的局部化信息。小波分析还具有多尺度性和“数学显微”特性， 这些特性使得小波分析能够识别振动信号中的突变信号。另外，由于当齿轮或轴承存在 缺陷时，振动信号中将包含有与故障相关的幅度调制信号，故在滚动轴承和齿轮的故障 诊断中振动信号解调分析是一种很有效的方法。许多机械设备在带故障运行时，都要伴 随振动和冲击的发生。振动和冲击的发生也常常反映了机械的故障。因此目前的故障诊 断方法大都以振动理论为基础。共振解调技术是近年来发展起来的对滚动轴承的点蚀、 剥落、擦伤和裂纹等所谓元件工作表面损伤类故障行之有效的方法1 1 4 1 。 最近两年，有关专家在总结齿轮故障诊断成果的基础上，提出了一种用于齿轮故障 诊断的综合方法一一一“三谱二域法”。“三谱”是指原始谱、解调频谱、细化频谱；“二 时域”是指原始时域和包络时域 1 5 - i $ 。齿轮的各类故障在时域波形中都有典型的特点， 由时域波形的分析，可以大致得到三方面的故障信息：即时域函数的类型( 确定性的还 是随机的) ，波形中频率成分是否复杂；振动幅值是否变化，变化规律如何；波形中有 无明显的冲击和调制成分。而时域特征值分析则为故障诊断提供了定量参考。所以，借 助于时域分析可对有无故障进行直观的初步判断。但要准确地判断齿轮故障的性质、程 度、部位和原因，还需借助频谱分析、解调分析、细化谱分析等方法1 1 9 1 。 综上所述，滚动轴承和齿轮的振动信号处理及故障诊断的发展趋势是采用时频域分 析的方法。当前许多专家学者正在对共振解调分析技术的理论进行更进一步的研究，并 逐步应用到工程实践中阻2 1 1 。 1 a 本论文所要完成的主要工作 本文根据国内外的最新动态，以j z q 2 5 0 型号的传动箱的故障诊断为例，在共振解 调与时域同步平均方法处理故障振动信号的基础上，提取故障征兆，结合神经网络故障 诊断理论探讨了如何建立齿轮箱故障诊断系统，以期待能够在齿轮箱智能故障诊断方面 有所突破和发展。本课题的主要工作安排如下： 1 理论分析故障诊断的基本知识，介绍传动箱的振动机理及常见故障形式； 2 对两种不同的数据处理方法共振解调法与时域同步平均法进行阐述，提出提 5 中北大学学位论文 取强背景噪声条件下的微弱故障信息的预处理方法； 3 通过对传动箱振动特点、结构特点及使用环境的分析，设计传动箱振动铡试实验 方案，介绍自行开发的故障诊断虚拟仪器的软件、硬件的设计原则和组成，阐述在 l a b v i e w 环境中开发虚拟仪器的理论和方法，具体介绍数据采集、共振解调与时域同步 平均数据处理程序实现方法，并对振动试验台进行试验和数据预处理仿真，并对处理前 后结果进行比较： 4 在了解神经网络诊断技术的基础上，使用m a t l a b 软件建立神经网络诊断模型， 设定阅值，以大量试验数据为依据，进行具体的测试，判别故障，并对诊断结果进行比 较，验证预处理方法及神经网络诊断模型的正确性与有效性； 5 根据全文得出一些相关结论，弗做出一定的工作展望。 6 中北大学学位论文 2 1 传动箱故障机理分析 2 故障诊断基本知识 传动箱一般由齿轮、轴、轴承、箱体和润滑系统等组成，是传动系统的重要部件， 由于其本身结构复杂、工作环境恶劣等原因，容易受到损害和出现故障。传动箱的运行 是否正常，往往直接影响到整个机械系统的工作【硐。因此了解传动箱的失效形式对诊断 传动箱故障是非常重要的。对于传动箱而言，主要有可能产生故障的部件有：齿轮、轴 承和轴。因为在传动箱中，齿轮、轴承的数量占大多数，所以齿轮、轴承的故障也就成 为传动系统上的主要故障。而我们对这些部件进行故障诊断的依据就是轴承和齿轮的缺 陷会通过振动信号反映到箱体表面上，这种振动信号是箱体壁将产生振动并激发空气而 产生的。在传动箱诊断中，当零部件在运转过程中发生故障时，机体受到的动态激励和 动态响应都发生变化，并且在故障的位置和形式不同时，机体动态响应的变化方式也有 所不同。可通过分析响应和激励信号以及系统的特征参数，判断传动箱的工作状态。 2 2 传动箱中常见的故障形式及产生的原因 传动箱在实际使用中，不同的部位，不同的使用条件，其出现的故障迹象和故障类 型也不尽相同1 2 3 , 2 4 1 。 2 21齿轮常见的故障形式及产生的原因 齿轮是最常见的机械传动零件。齿轮本身，作为高度复杂的成形零件，由于在制造 和装配中出现的误差以及使用条件、使用环境等因素的影响，就会出现各种故障，如齿 轮齿面损伤、轮齿断裂、组合损伤，旋转机构不平衡、不对中、松动，润滑系统油温升 高、漏油、油质恶化，箱体刚度不足、密封不良、精度变差等。在高速、重载下运行的 齿轮，其服役条件也要比其他零件恶劣得多。所以在传动箱中，齿轮本身的失效比重比 较大，是诱发机器故障的重要因素。据统计，传动机械中8 0 的故障是由齿轮引起的l 巧1 ， 旋转机械中齿轮故障占其故障的1 0 左右齿轮，故障将直接影响设备的安全可靠运行， 降低加工精度和生产效率。 7 中北大学学位论文 齿轮常见的损伤大约有四类： ( 1 ) 齿面磨损齿面磨损包括磨粒磨损和腐蚀磨损两种主要形式。磨料进入工作 齿面啮合区，起磨粒作用，引起磨粒磨损；而润滑剂中的活性成分( 酸、水等) 和轮齿材 料发生化学反应，造成齿轮磨损，从而引起腐蚀磨损。磨损使齿廓显著改变，侧隙增大， 甚至会由于齿厚过度减薄而导致断齿。 ( 2 ) 齿面胶合齿面胶合分为热胶合和冷胶合两种形式。在较高的滑动速度下， 啮合的两齿面实际接触区金属融化而粘着，粘着金属随齿面相对运动而撕落；在较低滑 动速度下，重载齿轮在较高的局部压力下，使两啮合齿面间的表面膜被刺破，因金属直 接接触而导致两齿面粘着，随齿面相对运动沿滑动方向撕伤。 ( 3 ) 齿面疲劳齿面疲劳的基本形式是点蚀与剥落。其特点是，工作齿面存在磨 擦与磨损作用，且表层发生塑变与发热。 齿面疲劳是在过大的接触应力和应力集中作用下，表层塑性变形，逐渐积累而引起 微观穿晶裂形成原始微裂纹，此裂纹源向赤面方向按疲劳裂纹扩展规律发展，以致齿面 掉下一片片贝壳状的材料，即形成点蚀。由点蚀扩展而连成一大片材料脱落或从齿表面 层内向外延伸扩展而使较大片金属剥离齿面，从而形成剥落。 ( 4 ) 轮齿折断轮齿折断根据断齿的原因，可分为过载折断，疲劳折断和随机折 断等。由于短时意外的严重过载，使得轮齿的应力超过极限应力所造成的折断为过载折 断：轮齿在过高的交变应力多次作用下，从危险截面处疲劳源起始的疲劳裂纹不断扩展， 使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力所形成的断齿为疲劳折断：随机断裂是指不在 正常的轮齿的危险截面断裂的一种轮齿折断形式。轮齿折断主要是由于某种内在的缺陷 或过高的有害残余应力所造成的。 但是在生产条件下，人们很难直接检测某一个齿轮的故障信号，一般是在轴承、箱 体有关部位测量，所测得的信号是轮系的信号，从轮系的信号中分离出故障信息。在齿 轮箱故障诊断中，振动检测是目前的主要方法。当齿轮旋转时，无论齿轮发生了异常与 否，齿的啮合都会发生冲击啮合振劫，其振动波形表现出振幅受到调制的特点，甚至既 调幅又调频。 齿轮的齿面除了上述四种失效方式外，有时齿面上还可以看到有波纹状的辊压现 象，这是表面。层塑性流动的结果，一般不认为是一种失效形式。但是发展下去可能形 8 中北大学学位论文 成齿面擦伤。 2 2 2 轴承常见的故障形式及产生的原因 轴承是传动箱中的另一重要部件【2 叼，也是机械设备中最常用也是最易损坏的零件之 一。旋转机械中发生的故障有7 是由因轴承故障而引发l z q 。轴承是承力单元，负荷大， 工况较为恶劣。因此，亦属故障多发件。轴承的故障诊断近年来获得越来越多的重视。 在球轴承中，故障9 0 发生在内圈与外圈上圆】，其它故障则基本发生在滚动体和保持架 故障上轴承的失效直接影响着传动箱的工作，会产生振动和噪声，同时产生振动也直 接影响齿轮的传动能力。滚动轴承发生严重失效时，传动箱必须停止运行，以免发生因 其引起的故障。 滚动轴承有很多损坏形式，常见的有磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、 压痕失效和胶合失效； ( 1 ) 磨损失效由于超负荷工作或润滑不良造成轴承滚道、滚动体、保持架、内孔 和轴颈非正常磨损、轴承精度超差，引起振动和轴承失效。 ( 2 ) 疲劳失效轴承的强迫安装和润滑不良，使滚动体及滚道表面在交变载荷作用 下加速疲劳剥落，进而造成轴承失效。 ( 3 ) 腐蚀失效由于没有及时更换失效或变质润滑油造成轴承表面化学腐蚀，在表 面产生锈蚀，从而引发轴承的失效。 ( 4 ) 断裂由于长时间高转速、大载荷运行及润滑不良引起轴承高温抱轴，若继续 运转，轴承将碎裂。 ( 5 ) 胶合失效由于轴承内缺乏润滑油，轴承运转生成的热量不能及时散发，造成 两金属表面粘连剥落。 滚动轴承故障也可分为分布故障与局部故障。分布故障主要体现为表面波纹度、不 对中、游隙过大等形式；局部故障主要体现为轴承组件裂纹、划痕、点蚀等形式。 总之，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振 动特性异常。这些异常的主要表现是：振动和噪声急剧恶化，摩擦力矩和温度急剧增加， 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。因此，对传动箱 的故障诊断也包括对轴承的故障诊断。 9 中北大学学位论文 其它故障，如箱体、紧固件、密封件及基础不平；箱体共振，联轴器对中不良，配 合松动，刚性不好等等。 2 3 齿轮箱振动信号的特点 对于j z 0 2 5 0 型齿轮箱而言，其实际出现的主要故障是齿轮和滚动轴承故障。通过 上述典型故障分析得知，齿轮故障信号一般会混在强烈的噪声干扰信号中，振动信号中 含有冲击脉冲信息，这使得振动信号具有非平稳性。冲击振动虽然具有较大的幅值，但 是其能量在振动总能量中所占比例较小，故障信号可能淹没在噪声之中；而当滚动轴承 出现故障时，其动态信号中包含了有关的冲击成分。通常冲击故障的早期冲击能量很小， 它使系统产生的振动响应也比较小，隐藏在系统的总体振动中，因此用传统意义上的频 谱分析方法、时域波形等手段都难以发现。但是这些冲击振动成分对于我们进行滚动轴 承的故障诊断很有用，所以这就促使去寻新的方法，对信号进行分析处理，将隐藏于信 号中的冲击成分突出出来。 时域同步平均是齿轮箱诊断最为常用的一种信号增强方法，通过对感兴趣的那对齿 轮的振动信号进行采样，并对多周期的信号进行同步平均，就可以得到时域同步平均信 号。这种方法可以有效降低其他部件和振动源对于信号的影响，提高信噪比。 共振解调法是故障诊断中的一种重要方法，可将待诊断的滚动轴承故障引起的包含 故障冲击的振动信号从很强的齿轮啮合振动和背景噪声中分离出来。 所以可以尝试使用共振解调与时域同步平均方法来处理齿轮箱的振动信号，以获得 比较有效的诊断特征信息。 l o 中北大学学位论文 3 1 共振解调 共振解调与时域同步平均 传统的振动分析技术，是直接对振动信号作f f t 分析，得到“振动频谱”。该频谱 中含有：机器转子不平衡、支承对中不良等因素引起的低频振动的多阶频谱、齿轮啮合 频率振动的多阶频谱和轴承故障损伤引起冲击的若干阶频谱。在该频谱中，前两种因素 的谱线能量非常强大。 轴承故障冲击的谱线实际上是很难看到的，因为故障产生的冲击能量远远小于背景 振动、噪声能量，而目故障的冲击能量很快就被衰减。因此，企图从中发现轴承的故障 几乎是不可能的。傅立叶级数的提出已有1 8 0 多年，频谱分析技术的发展与应用也有几 十年了。在信号分析领域，频谱分析一直占有重要地位。然而，在轴承故障检测领域， 很多年以来没有取得突破性进展，原因之一就是：过去研究人员把精力集中到了分析振 动信号本身。将共振解调技术应用于振动分析，给分析带来方便，因此取得了较好的成 绩。 3 1 1共振解调理论 共振解调技术印1 0 f d i n c i p i e n tf a i l u r ed e t e c t i o n ) 早在7 0 年代被瑞典s k f 轴承公司 利用，后又被美国m r r 公司和瑞典s p m 公司进一步发展，用于提取淹没在强烈背景噪 声中的冲击脉冲信号。这一技术被轴承故障诊断仪和冲击脉冲计广泛采用。 共振解调技术的基本原理如下1 3 0 , 3 1 l ：当机械设备正常运转时，各回转部件大多数作 匀速转动。若哪一个零件发生故障时，运行部件之间有冲击作用，则振动信号在时域内 表现为周期性冲击特性。冲击可看作窄脉冲，频谱展开可得到很宽的频带。就是说，它 的故障冲击具有机器中任何振动所不具有的高频能量。由机械振动理论可知，获取振动 信号的加速传感器相当于一个单自由度振动的机械系统，其阻尼很小，固有频率与无阻 尼时的固有频率几乎相等，等于加速度传感器的共振频率，所以，加速度传感器的单位 脉冲响应函数为 1 1 中北大学学位论文 i l ( c ) 一e - c o * s i n o x ( o j m )( 3 1 ) 式f 3 1 ) e e 为传感器共振频率；研为振子质量。 由故障信号的传递过程可知，滚动轴承故障信号以弹性波形式传递到支座表面时仍 具有冲击性特征。它通过传感器这个机械系统时相当于给该系统一个冲击性激励z ( f ) 。 由振动理论可知，加速度传感器的输出响应为输入与系统单位脉冲响应函数的卷积，即 墨o ) 一h q ) * x q )( 3 2 ) 其中s ( f ) 加上噪声部分即为轴承信号的模型。 由卷积性质知道，时域中的卷积即为频域中的乘积，所以故障信号经加速度传感器 后变成了调制信号。因为冲击性故障信号具有宽频带特性，由传感器的频率特性曲线可 知，故障信号经加速度传感器后在共振频率处被放大数十倍，而在其它频段内则相对抑 制减小。常规噪声信号只在低频段内有值，经过传感器后仍然只在低频段有值。由此可 见，加速度传感器拾取的轴承振动调制信号包含两部分内容，即冲击性故障信号和常规 干扰噪声信号。 当机器出现故障而产生周期为t o 的冲击脉冲时( 图3 1 a ) ，根据傅立叶级数理论，该 脉冲串的频谱为包含基频，0 - v r o 在内的一系列谐波分量( 图3 1 b ) ，其中某阶高次谐波 若与结构系统或传感器的固有频率正相吻合( 应具有较高的频率，一般为1 0 k h z 以 上) ，则将激发起周期性的高频自由衰减振动( 图3 1 c ) ，该振动信号大周期为脉冲串的周 期，而衰减振动的频率则为结构系统或传感器的固有频率，机器的其他工作振动频率都 远低于该固有频率，对引起该频率的振动贡献极小，故实际上便消除了其他振动信号的 干扰，该高频自由衰减振动信号经检波和低通滤波后( 称为解调) ，便得到了一个与原脉 冲串相对应的并经放大了的信号( 图3 1 d ) ，根据该信号便可求出原脉冲串的周期和相应 的幅值大小。 中北大学学位论文 i nl 垒三 l _ 1110 ( a ) kki l j | jh 。肌。 l t f f i r 。r r 旷 一 止 ( b ) ( c ) ( d ) 图3 1 共振解调技术原理 ( a ) 故障产生的脉冲串；( b ) 脉冲串的频率； ( c ) 激发的自由衰减振动；( d ) 检波和低通滤波后的信号 对于传动箱传动系统，当轴承某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行过程中将 与其它元件表面发生撞击，从而产生能量集中的冲击脉冲力。由于冲击脉冲力的频带较 宽，其中必然包含轴承外圈、传感器、附加谐振器等各自固有频率激发的相应的高频固 有振动。可根据实际需要选择某一高频固有振动作为研究对象，利用其中心频率等于该 固有频率的带通滤波器将该固有振动分离出来，然后通过包络检波器去除高频衰减振动 的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络信号，通过对这一包络信号进行频谱 分析即可诊断出元件故障。包络分析过程如图3 2 所示。 匝p 鬻恒 匝珂圈 图3 2 包络分析过程 图中使用了希尔伯特变换处理带通信号的解调。一个时问实函数信号f ( t ) 的希尔伯 特变换为，o ) 为： 中北大学学位论文 衲= 托粤拓川去 ( 3 3 ) 希尔伯特变换而得的解析信号实部为实信号本身，虚部为其希尔伯特变换，解析 信号的模即为信号的包络。设原始信号z ( f ) 经过高通滤波后的信号为y ( t ) ，则) 7 ( f ) 的 h i l b e r t 变换为： _ ( r ) 一日胁) ) ) = 托等如 ( 3 - 4 ) 实信号) ，( f ) 与他的h i l b e r t 变换组成解析信号tq ( t ) ： 。q o ) 一y q ) + i f ( t )( 3 5 ) 则信号y q ) 的包络为： 6 ( f ) 。i q ( t ) l ，痧丽万丽 对包络信号作频谱分析， 即可得到包络信号的包络谱。 3 12共振解调的工作原理 ( 3 6 ) 基于共振解调技术进行滚动轴承故障诊断的原理如图3 3 所示，齿轮箱零部件损伤 会产生冲击信号，激起某一元件高频固有振动，传感器拾取时域信号经过一个高带通滤 波模块之后进入包络检波；经过包络检波得到解调信号；而后通过一个低通滤波器；最 后得共振解调信号。 孵调 惦芍 图3 3 共振解调工作原理 共振解调技术的特征是： 对应性振动冲击波中的每一次冲击( 小脉冲) ，都对应地激发一次共振解调，获得 一个“共振解调波”。这就是对应性共振解调波与轴承等故障冲击一一对应，不遗 漏任何一次故障冲击。 选择性共振解调有消除低频振动的滤波作用，只对故障冲击响应，没有故障冲 击就没有共振解调波，也就没有作f f t 分析后的频谱。这与直接的振动分析大不相同一 1 4 中北大学学位论文 一没有故障的振动信号也有很多谱线，而有故障的振动信号中却难以找到对应的故障谱 线。 放大性微小的故障冲击能激起很大的共振解调波，而低频振动不管幅度多大， 只有衰减没有放大 比例性共振解调波的幅度与原始的故障冲击幅度成比例。因此，完全可以通过 共振解调波的幅值来判断故障的程度。 展宽性共振解调波的宽度远大于冲击脉冲的宽度，展宽的程度与谐振器的q ( 品 质因数) 值有关，与冲击的重复频率无关。 低频性由于共振解调波被展宽，解调技术将冲击的高频谐振返回到低频，它的 频谱范围已经变得很低，就是说，共振解调波具有低频性。共振解调波的重复频率和它 的高阶谐波都是低频信号，即：共振解调将冲击的高频能量调理为以低频信号的方式出 现，方便于f f t 分析。使分析工作可以回避高频、高分辨率的难点。解调波的基频( 一 阶谱) 是故障冲击的频率。 多阶性频谱由间隔相等( 等于故障冲击的重复频率) 的一组频谱构成，这就是共振 解调频谱独有的多阶性。共振解调波的频谱是多阶的梳状谱线，这一特征有别于低频振 动，振动波是很少具有多阶性的。 3 2 时域同步平均 3 2 1 时域同步平均理论i x 9 , 珏3 4 j 齿轮传动箱广泛应用于工业领域，在传动箱中齿轮和轴承的失效比重最大，就其故 障诊断而言，重点是针对齿轮和轴承的故障诊断【蠲。 齿轮装置故障诊断最有效的方法是利用齿轮的振动信号，根据齿轮振动机理及谱分 析来进行振动信息处理和特征提取。但由于齿轮机构故障信号弱，信噪比差，传统的谱 分析技术不能满足对故障判断，因此本系统在传统的谱分析技术基础又利用了一种时 域同步平均算法1 3 6 , y q 对齿轮振动信号进行处理，取得了较好的效果。 设x ( f ) 为回转机械运行产生的机械信号，对应的离散信号为- 工o a ) ，a 为采样 间隔。按回转频率，0 提取相应的周期信号，则将分为p 段，每段对应周期t v 矗， 中北大学学位论文 开设各段米样患双相，寺且刀n ，则盯域同步半划口j 表不刀： i ；薹+ 硝 对上式作z 变换得 雄) 一著h 】 根据z 变换的时移特性，上式化为： 荆一i 1 础) 驴 化简并令z - e ，“， 得时域同步平均的频率响应函数为： 1 一p i h f 螂 丑( 厂) l p 二。( 1 - 兰# z 一却n ) 因为a 一t 。1 厶，所以： 日( ，) 一 肛疃卜e ) 最后得到时域同步平均的幅频、相频特性分别为： 陋( 州。1 p 妒( ，) 。掣 ，a o 7 ) 0 8 ) 0 9 ) 0 1 0 ) p 1 1 ) 蔓1 2 ) 岱1 3 ) 图3 4 为式( 3 1 2 所示时域同步平均幅频特性曲线( p - 1 6 尸，它是由一系歹等距分 布的带通滤波器及旁瓣组成，称为梳形滤波器，其相频特性与频率成线性关系，表示各 数据段的延时。 1 6 中北大学学位论文 带通滤波器的中心频率是回转频率矗的倍数，即坑 - 0 1 2 3 一) ；通带增益 i h ( k f o ) i - 1 ，半功率带宽近似等于厶，p ；第一旁瓣峰值等于1 ps i n ( 1 纠p ) ，第二旁瓣 蜂值等于l p s i n ( 2 勋，p ) ，第三旁瓣峰值等于1 p s i n ( 3 5 p ) 。在平均次数p 很大时， 通带宽度变得很窄，旁瓣峰值分别趋于0 2 1 2 ，o 1 2 7 ，0 0 9 1 ，因此时域同步平均能有 效提取与回转频率矗相关的周期信号，消除噪声及非相关信号。选择适当的兀就可以达 到提取相应信号，排除干扰的目的。当平均次数p 很大时，通带宽度变得很窄，旁瓣峰 值也衰减得很快，因此时域同步平均能有效提取与回转频率矗相关的周期信号，消除噪 声及非相关信号。选择适当的五可以达到提取相应的信号，排除干扰的目的【剪】。 设随机噪声的功率谱为常数只，则通过时域同步平均后的功率谱s ，( ，) 可写为 最( 厂) - s ，l z ( ：) 1 2 ( 3 1 4 ) 在一个频域周期内求s ，( ，) 总能量 ，胆1 2s ( ，) 巧一，麓置旧( 厂) | 2 彤 ( 3 1 5 ) 信噪比为 掣1,2s 。嚣) ) f ：彤 回 1 7 中北大学学位论文 代入式( 3 1 2 ) 并简化，得 一嘉e 寨址1 p 似乃 式( 3 1 7 ) 表明，经时域同步平均后，随机噪声功率降为原来的v p 。 3 2 2 时