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影弘 硅譬硕士学位论文 摘要 齿轮和滚动轴承的状态监测与故障诊断 摘要 振动分析是对齿轮和滚动轴承进行状态监测和诊断故障的重要手段。 本文对齿轮和滚动轴承的故障机理进行了剖析，研究了齿轮和轴承振动信号 的故障特征，介绍了齿轮和轴承的常见失效形式。阐述了齿轮和滚动轴承的振动 测试过程，详细说明了测试所涉及的各种硬件设备，并介绍了常用的振动信号时 域、频域分析方法。 分别改建了齿轮和滚动轴承实验装置，模拟了齿轮崩齿故障和滚动轴承外环 划痕故障。并编制了齿轮和滚动轴承故障诊断软件系统h s g d 3 0 0 0 ，给出了 h s g d 3 0 0 0 诊断系统分析仿真信号的示例。 基于单齿分析技术，本文建立了信号周期分段处理法。该方法适用于单级传 动齿轮副的故障诊断，它不仅能诊断出齿轮副的局部故障，还有可能诊断出单级 传动齿轮副中同步齿轮和非同步齿轮的故障齿位置。 利用时延相关解调法分析仿真信号和实测信号，通过与传统的频谱、包络分 析结果对比，表明时延相关解调谱更能凸显故障特征信息，可以更有效地诊断早 期的齿轮和滚动轴承故障。 对时延相关解调法的时延量值做了研究，通过选择不同的时延量值进行对比 分析，结果表明在1 1 6 周期到3 4 周期之间选择不同的时延量值，时延相关解调 法分析的结果基本相同。即在该选择区间内，时延量值可以任意选取。 关键词： 周期分段处理 时延相关解调 时延量包络分析 时频分析 孑弘歹章士学硕士学位论文 a b s t r a c t o o n d i t i o nm o n i t o t i n ga n df a uj td i a g n o s iso ft h eg e a r s a n dr o iii n ge i e m e n tb e a r in g s a b s t r a c t v i b r a t i o na n a l y s i si sw i d e l yu s e di nt h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so f t h eg e a r sa n dr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g s t h ev i b r a t i o nt h e o r yo ft h eg e a r sa n dr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g sh a sb e e nr e s e a r c h e di n t h i st h e s i s t h em o d u l a t i o no fv i b r a t i o ns i g n a l s i st h ed e c i s i v es i g n a t u r ei nt h e v i b r a t i o ns i g n a l so ft h eg e a r sa n dr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g sw i t hl o c a lf a u l t s t h e nt h e d r o c e d u r eo fv i b r a t i o nt e s ti si n t r o d u c e d a n da l lk i n d so fe q u i p m e n t su s e di nt h et e s t a r ei n t r o d u c e dt o o m o r e o v e lt h ec o n v e n t i o n a lt i m e f r e q u e n c ya n a l y s e sh a v eb e e n e x p o u n d e d t h et e s tr i g so ft h eg e a r sa n dr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g sa r eb u i l t a n dt h es o f t w a r e ， h s g d 3 0 0 0 ，h a v i n gb e e nc o m p i l e d ，i su s e dt od e t e c tt h ef a u l t so f 窖e a r sa n dr o l l i n g e l e m e n tb e a r i n g s t h eo e d o ds e g m e n t a t i o nm e t h o dw h i c hi sb a s e du p o ns i n g l eg e a rt o o t ha n a l y s i si sf i t f o rd i a g n o s i n gg e a rp a i r sf a u l t s f u r t h e rm o r e ；t h el o c a t i o no ft h ef a i l e dg e a rt o o t h c a n b ei d e n t i f i e di nt e r mo ft h ep o s i t i o no ft h es e g m e n tw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mn o r m a l s e g m e n t s b o t hn u m e r i c a ls i m u l a t e ds i g n a la n de x p e r i m e n t a lv i b r a t i o ns i g n a l sm e a s u r e df r o m t h e g e a r s a n dr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g sv e r i f y t h a t t i m e d e l a y e d c o r r e l a t i o n d e m o d u l a t i o ni sb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a lm e t h o d s ，s u c ha ss p e c t r u ma n a l y s i s a n d e n v e l o p ea n a l y s i s 1 n t h i sp a p e r , t h et i m e d e l a y e ds i z eo ft h et i m e d e l a y e dc o r r e l a t i o nd e m o d u l a t i o ni s i n v e s t i g a t e d d i f f e r e n tt i m e d e l a y e ds i z e sh a v eb e e na n a l y z e d ，a n dt h e i rr e s u l t s a r e a l m o s ts a m e t h e r e f o r e ，t h et i m e d e l a y e ds i z ec a nb es e l e c t e df r e e l yi no n e r e v o l u t i o n - k e y w o r d s ： p e r i o ds e g m e n t a t i o np r o c e s s i n gt i m e - d e l a y e dc o r r e l a t i o nd e m o d u l a t i o n t i m e d e l a y e d s i z ee n v e l o p ea n a l y s i st i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s i i 彳弘，王硅掌硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 现代机械设备日益向大型化，高速化、连续化和自动化方向发展，但同时也 潜伏着一个危机，即一旦发生故障所造成的损害将十分严重。随着生产的发展， 这种危机的影响愈柬愈突m ，这。客观形势促使了机械设备诊断这门新的技术 和学科的诞生和兴起。 齿轮和滚动轴承广泛应用在机械设备中，是机器设备中的关键部件，一旦发 生故障就成为引起机器设备失效的重要原因。因此，对齿轮和滚动轴承的状态监 测和故障诊断进行研究是机械设备诊断这门学科的重要研究内容。 1 1 机械设备故障诊断的意义 对机械设备进行渗断可以有效地避免意外事故，消除续发损坏，节约大量维 护费用；由于减少维修次数，从而增加设备正常运转时间，提高设备利用率，缩 减维修备件的库存及库存时间。 对机械设备状态进行机械动态特性以及压力、温度、流量、液位、电量、润 滑油含水等常规项目的综合自动监测和诊断同时可进一步研究增加控制功能，调 整设备输出使设备在效率较佳、能耗较低的状态下运行。 机械设备故障淦断技术原理与技术方案不仅适用于普通机械设备还适于连 续运转的大中型旋转机械，如：机械、车辆、电力、石化、冶金、煤炭、核能等 许多行业中的关键设备，从而推广应用领域广泛，经济效益潜力巨大。 1 2 机械设备故障诊断的基本原理和内容 1 2 1 设备劣化进程的一般规律” 造成设备发生故障的原因很多( 表1 1 给出了常见机械故障原因) 。依据大 量的设各维修工程，统计碍出一般机械设备劣化进程的规律如图1 1 所示，由于 曲线的形状类似浴盆的剖面线，因此被称为浴盆曲线。 ! 坐! ! 兰! 堕主兰堡丝塞 箜= 皇堕堡 1 | 。 l 世 ii i 连 、r、 ， r 0 酬 f i g 1 1t h el i f ec u r v eo f m a c h i n e s 2 表1 1 机械设备故障原因 3 z l t a b 1 1c a u s e so ft h em a c h i n ef a u i t s 【3 2 间 故障分类主要原因 设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动或自激振动 结构不合理，应力集中 设计原因 设计工作转速接近或落人临界转速区 热膨胀量计算不准，导致热态对中不良 零部件加工制造不良，精度不够 制造原因零件材质不良，强度不够，制造缺陷 转子动平衡不符合技术要求 机械安装不当，零部件错位，预负荷大 轴系对中不良 机器几何参数( 如配合间隙、过盈量及相对位置) 调整不当 安装、维修 管道应力大，机器在工作状态下改变了动态特性和安装精度 转子长期放置不当，改变了动平衡精度 未按规程检修，破坏了机器原有的配合性质和精度 工艺参数( 如介质的温度、压力、流量、负荷等) 偏离设计值，机器运行工 况不正常 机器在超转速、超负荷下运行，改变了机器的工作特性 运行点接近或落人临界转速区 操作运行 润滑或冷却不良 转子局部损坏或结垢 启停机或升降速过程操作不当，暖机不够，热膨胀不均匀或在临界区停留时 间过久 长期运行，转子挠度增大或动平衡劣化 转子局部损坏、脱落或产生裂纹 机器劣化零部件磨损、点蚀或腐蚀等 配合面受力劣化，产生过盈不足或松动等，破坏了配合性质和精度 机器基础沉降不均匀，机器壳体变形 浴盆曲线沿时间轴分为三部分： i 磨合期，表示新机器的跑合阶段，此时故障率较高； 1 i 正常使用期，表示机器经跑合后处于稳定的阶段，此时故障率最低 2 万p ，量士掌硕士学位论文 第一章绪论 i 耗损期，表示机器由于磨损疲劳腐蚀已处于老年阶段，故障率逐步升 高。 当机器处于耗损期时，正是机器故障多发时期，在该时期内要对机器进行必 要的测量及诊断。尤其当机器处于耗损期末期时，机器已处于严重或危险状态， 要准备随时停机。 机械诊断的基本概念来源于中医学，借用了中医“望、闻、问、切，辨症旋 治”八字诀的医学诊断基本过程和原理。用现代科技语言表达，所谓“诊”就是 提取信号特征进行状态分析，而“断”就是进行状态识别和决策。具体说，机械 故障诊断就是在动态情况下，利用机械设备劣化过程中产生的信息来进行状态分 析和故障诊断的。机械设备故障诊断的基本过程如图1 2 所示。 图1 2 机械故障诊断过程例 f i g 1 2t h ep r o c e s so ft h em a c h i n ed i a g n o s i s p 1 2 。2 机械故障诊断基本内容口一5 7 由图1 2 所示的机械故障诊断过程图可以看出，机械故障诊断的基本内容包 括以下几个方面： ( 1 ) 设备运行状态的监测根据机械设备在运行时产生的信息判断设备 是否运行正常，其目的是为了早期发现设备故障的苗头。 ( 2 )设备运行状态的趋势预报在状态监测的基础上进一步对设备运行 状态的发展趋势进行预测，其目的是为了预知设备劣化的速度以便为生产安排和 孑弘芏击学硕士学位论文 第一章绪论 维修计划提前作好准备。 ( 3 ) 故障类型、程度、部位、原因的确定最重要的是故障类型的确定， 它是在状态监测的基础上，当确认机器已处于异常状态时所需要进一步解决的问 题，其目的是为最后的诊断决策提供依据。 1 3 机械故障诊断技术的研究现状及发展趋势p 6 “ 机械故障诊断诞生于上世纪六七十年代，3 0 多年来，设备故障诊断已成为 一门独立的跨学科的综合信息处理技术。它以可靠性理论、信息论、控制论和系 统论为理论基础，以现代测试和计算机为技术手段，结合各种诊断对象( 系统、 设备、机器、装置、工程结构、工艺过程等) 的特殊规律而逐步形成的一门新兴 学科。 设备故障诊断技术与当代前沿科学的融合是设备故障诊断技术的发展方向。 就其技术手段而言，已逐步形成以振动诊断、油样分析、温度监测和无损检测探 伤为主，其他技术或方法为辅的局面。这其中又以振动诊断涉及的领域最广、理 论基础最为雄厚、研究得最为充分。目前，在振动信号的分析处理方面，除了经 典的统计分析、时频域分析、时序模型分析、参数辨识外，近来又发展了频率细 化技术、倒频谱分析、共振解调分析、三维全息谱分析、轴心轨迹分析以及基于 非平稳信号假设的短时傅里叶变换、w i g n e r 分布和小波变换等。而当代人工智 能的研究成果为机械故障诊断注入了新的活力，故障诊断的专家系统不仅在理论 上得到了相当的发展，且已有成功的应用实例，作为人工智能的一个重要分支， 人工神经网络的研究己成为机械故障诊断领域的一个最新研究热点。 1 4 齿轮和滚动轴承故障诊断研究现状和发展趋势 研究表明，齿轮箱6 0 的故障由齿轮引发，而9 0 的齿轮故障都是局部故 障，例如裂纹、崩齿等 9 1 ；而滚动轴承同样是易损坏的零件，据统计旋转机械中 发生的故障有7 是由滚动轴承故障引发【5 】，其中9 0 发生在内环与外环上，其 它故障则基本发生在滚动体上，很少有保持架发生故障【l 。 齿轮箱装置在运行中与其运行状态有关的征兆由温度、噪声、振动、润滑油 中磨损物的含量及形态、齿轮传动轴的扭转振动和扭矩、齿轮齿根应力分布等构 成 9 | 。因此相应的故障诊断技术有：振动信号检测与诊断方法：模态分析与 参数识别法；磨屑残余物测定法：声学法；温度监测法；无损探伤法。 滚动轴承有多种损坏形式，常见的有磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂 4 万业歹王击掌硕士学位论文 第一章绪论 失效、压痕失效和胶合失效【1 。常用的诊断滚动轴承故障的技术有：振动信号 检测与诊断方法：油膜电阻法；磨损微粒测定法；声发射法；温度监测 法；光纤法。 目前，基于振动信号分析的机械监测诊断技术，仍然是齿轮和轴承诊断的主 要手段之一。与齿轮和滚动轴承有关的振动有以下两个主要特征： ( 1 ) 周期性脉冲波形。当齿轮存在局部故障或轴承元件存在缺陷，在机器 运转过程中将对系统产生周期性冲击，这种冲击重复地激发系统的固有振动。因 此齿轮和轴承振动信号中通常存在具有一定周期的重复冲击衰减波形。 ( 2 ) 幅值调制和频率调制特征 1 4 - 1 9 1 。由于滚动轴承的特有结构，轴承元 件缺陷产生的冲击振动会受到转动频率和保持架运转频率的调制，因此振动信号 中常含有幅值调制特征。对于齿轮振动，由齿轮偏心、崩齿、裂纹等缺陷引起的 振动会产生幅值调制和频率调制特征。 由于齿轮和滚动轴承所组成的传动系统结构复杂，传动元件多，尤其当各传 动元件间故障联合作用时，振动信号的频率成分多而复杂，此时要充分提取故障 信息，准确判断齿轮和滚动轴承的故障性质和故障源，仅仅依赖于一种信号处理 方法较难奏效。传统的齿轮和滚动轴承故障诊断方法有频域分析方法和时域分析 方法。传统诊断方法对齿轮和滚动轴承的分布式故障有较好的效果，但对于局部 故障j ，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， 信号处理中的时频分析方法 1 2 , 1 3 1 被应用到故障诊断中。时频分析方法可以有效地 应用于非平稳随机信号 2 0 1 的分析，弥补了传统的基于快速傅里叶变换的频谱分 析只适用于平稳信号分析的缺陷。常用的时频分析方法有短时傅里叶变换 2 ”、 w i g n e r - v i l l e 分布瞄“，刎和小波分析2 5 。6 1 等方法。 随着人工智能技术的发展，为齿轮和滚动轴承故障诊断开辟了更宽广的空 间，为故障监测和故障分析的智能化发展提供了可能。以往的以数据处理为核心 的故障诊断过程将被以知识处理为核心的过程所替代，发展了专家系统、神经网 络和模糊分析等理论、方法和应用技术。届时起主导作用的将是人类专家的知识， 包括人类专家所拥有的领域知识、求解问题的方法等。由于实现信号检测、数据 处理与知识处理的统一，使得先进技术不再是少数专业人员才能掌握的技术，而 是一般操作人员所能使用的工具。 1 5 论文研究的目的 单齿分析技术常用来诊断同步齿轮故障，但不能诊断非同步齿轮故障。 基于该方法，本文建立了振动信号分段处理法。信号周期分段处理法适用于单级 万弘，；士掌硕士学位论文 第一章绪论 传动齿轮副同步齿轮及非同步齿轮故障的诊断，弥补了单齿分析技术的不足。 对诊断滚动轴承故障的时延相关解调法进行了探讨，尤其对时延相关解调法 的时延量进行了研究，在此基础上得出了不影响解调结果的时延量的取值范围。 这是对时延相关解调法的改进和完善。 1 6 论文内容简介 本文首先对齿轮和滚动轴承的故障机理进行了剖析，研究了齿轮和轴承振动 信号特有的故障特征，介绍了齿轮和轴承的常见失效形式。紧接着阐述了齿轮和 滚动轴承的振动测试过程，详细说明了测试所涉及的各种硬件设备，同时还阐述 了振动信号传统时、频域分析方法。 接着分别改建了齿轮和滚动轴承的实验装置，模拟了齿轮崩齿故障和滚动轴 承外环划痕故障，并编制了齿轮和滚动轴承故障诊断软件系统h s g d 3 0 0 0 ，给出 了h s g d 3 0 0 0 诊断系统分析仿真信号的示例。 基于单齿分析技术，本文建立了信号周期分段处理法，该方法适用于单级传 动齿轮副的故障诊断，它不仅能诊断出齿轮副的局部故障，还可以准确地诊断出 单级传动齿轮副中同步齿轮和非同步齿轮的故障齿位置。随后利用时延相关解调 法分析仿真信号和实测信号，通过与传统的频谱、包络分析结果对比，表明时延 相关解调谱更能凸显故障特征信息，可以更有效地诊断早期的此类齿轮和滚动轴 承故障，并且对该方法的时延量值做了研究，选择不同的时延量值进行对比分析， 结果表明在1 1 6 周期到3 4 周期之间选择不同的时延量值，时延相关解调法分析 的结果基本相同，即在该选择区间内，时延量值可以任意选取。 本文主要内容如下： 第一章为绪论，回顾了机械设备故障诊断的意义、基本原理和研究内容，展 望了机械故障诊断技术的发展趋势。根据本文研究对象，总结了齿轮和滚动轴承 故障渗断研究现状和发展趋势。 第二章对齿轮和滚动轴承的故障机理进行剖析，研究了齿轮和轴承振动信号 特有的故障特征，介绍了齿轮和轴承的常见失效形式。 第三章阐述了齿轮和滚动轴承的振动测试过程，详细说明了测试所涉及的硬 件设备，介绍了振动信号的常用时、频域分析方法。 第四章分别改建了齿轮和滚动轴承的实验装置，模拟了齿轮崩齿故障和滚动 轴承外环划痕故障，并编制了用于诊断齿轮和滚动轴承故障的软件系统 h s g d 3 0 0 0 ，给出了h s g d 3 0 0 0 诊断系统分析仿真信号的示例，对该软件进行了 校核。 6 万扣7 l 击乎硕士学位论文 第一章绪论 第五章基于单齿分析技术，本文建立了信号周期分段处理法，该方法适用于 单级传动齿轮副的故障诊断，它不仅能诊断出齿轮副的局部故障，还可以准确地 诊断出单级传动齿轮副中同步齿轮和非同步齿轮的故障齿位置。 第六章利用时延相关解调法分析仿真信号和实测信号，通过与传统的频谱、 包络分析结果对比，验证了该方法的优越性。并且对该方法的时延量大小做了研 究，结果表明在1 1 6 周期到3 4 周期之间选择不同大小的时延量，时延相关解调 法分析的结果基本相同。即在该选择区间内，时延量的大小可以任意选取。 第七章总结了全文的工作，结合本文工作给出了一些结论和建议。 ! 坐! ! 兰兰堕主兰焦堡窭 兰三童童丝塑堕垫塑墨塑塑堕塑堡塑! 塑 第二章齿轮和滚动轴承的故障机理剖析 齿轮和轴承发生故障以后，振动、噪声和旋转阻力都会增加，严重时会引起 工作机组失效。对齿轮和滚动轴承的故障机理进行剖析，对于识别故障类型进而 正确指导故障诊断，有重要的意义。 2 1 齿轮故障机理剖析 2 1 1 齿轮和齿轮箱的失效形式”瑚 齿轮箱是各类机械的变速传递部件。造成齿轮箱故障的原因，主要是由于设 计不当，制造不良和维护操作不善引起的。因此要提高齿轮箱运行的可靠性，在 改进设计、制造和装配质量的同时，要提高运行维护水平。 常见的齿轮失效形式有四种：即断裂、磨料磨损、粘附磨损或擦伤、以及疲 劳剥落。 ( 1 ) 断裂和磨料磨损失效。齿轮承受载荷，如同悬臂粱，其根部的弯衄应 力最大。由于过载，特别是冲击载荷，会引起整个齿与其相应部分断裂。当周期 性的应力过高时，也会引起疲劳断裂。当轮齿工作面间有金属微粒、金属氧化物 或其他磨料存在时，会引起磨料磨损。这些外界的硬粒，开始时先嵌入一个工作 面，然后从另一个工作面上撕下金属。通常只有在润滑油中夹杂有直径在3 0 以上的磨料时，齿轮才会在运行中引起磨料磨损。 ( 2 ) 齿面引起粘附磨损或擦伤失效。这种擦伤是两个啮合的齿面在相对滑 动时油膜破裂，在摩擦和表面压力的作用下产生高温，使接触区内的金属局部熔 焊继之以撕裂的现象。在齿面的滑动方向上可以看到粗糙的、商低不平的条纹， 严重时可以看到表面层熔化的迹象。一般，润滑油粘度过低、转速过低、运行温 度过高、齿面上单位面积载荷过大、相对滑动速度过高、以及接触面积过小，均 会使油膜易于破裂而造成齿面擦伤。 ( 3 ) 齿面剥落失效。当齿面的接触应力超过材料允许的疲劳极限时，在表 面层开始产生微细的裂纹，继之由小块剥落扩大造成挣开剥落，当剥落的面积不 断增大时，齿面上剩余的有效工作面积无法再继续承担外部载荷，从而使整个齿 产生断裂。 万弘7 耋击掌硕士学位论文 第二章齿轮和滚动轴承豹故障机理静 析 ( 4 ) 齿面疲劳裂纹失效。齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑 动。因此齿面的疲劳裂纹是由于两种应力综合作用的结果。在滚动中，齿面接触 区内的正压力使表面层深处产生剪应力，当此剪应力最大值超过材料的强度极限 时，开始出现裂纹。另一方面，齿面的相对滑动，又会使表面产生拉应力。 2 1 2 齿轮振动剖析 2 1 2 1 齿轮的固有振动频率 齿轮在啮合过程中，受周期性冲击载荷的激励，会引发齿轮的固有振动，齿 轮的固有振动频率在振动信号中属于高频成份。其固有振动频率计算公式如下： ，o2 去、告( 2 - 1 ) 式中，m 为齿轮的等效质量，k 为齿轮的刚度系数。 2 1 2 ，2 齿轮的故障监测频率 ( 1 ) 齿轮在运转过程中，两个齿轮相互啮合，齿轮在啮合过程中载荷的分配 是变化的，载荷的变化会引起齿轮刚性的变化，从而引起齿轮的振动，这种振动 称为啮合振动。当齿轮有缺陷时，啮合振动频率及其谐频成分会格外的突出，因 此监测啮合频率对于齿轮故障诊断很重要。其计算公式如下： 丘= z 。丽n l = z 2 丝6 0 ( 2 - 2 ) 其中，z 为齿轮的齿数，n 为相应齿轮的转速。 ( 2 ) 齿轮轴每旋转一周重复产生的附加脉冲会引起齿轮及轴的转动频率及 其低次谐频。当诊断啮合齿轮中单个齿轮的故障时，该齿轮的转频及其谐频在频 谱图中就成为监测的重点。 ( 3 ) 隐含成份1 。一对新齿轮传动时，在其振动频谱上会出现某一频率的基 频及其低次谐频成分，称其为隐含成分。它是由制造该齿轮所用加工机床的分度 齿轮的啮合频率。隐含成分有两个特点：不受载荷变化的影响：当齿轮运转 一段时间，齿轮均匀磨损后，啮合频率的各次谐波的振动分量逐渐加大，而隐含 成分及其各次谐波成分却逐渐下降。因此隐含成分的各阶谐频的下降往往显示了 该齿轮齿廓磨损的信息。 2 1 2 3 齿轮振动的调制效应 2 9 3 d 对采集的齿轮振动信号进行频谱分析，常常会发现啮合频率及其倍频附近存 在一些等间距的频率成分，这些频率成分称为变频带，它反映了振动信号的调制 特征。信号的调制效应是由载波和调制信号共同作用的结果。在一对齿轮啮台的 万业7 孝士掌硕士学位论文第二章齿轮和滚动轴承的教障枕理剖析 过程中，其啮合频率及其各次谐波可以看作一个高频振荡，即把它看作载波。而 那些在每周呈现出一次或二次的振动信号，如齿轮偏心，齿面点蚀、剥落等故障 引起的振动信号可视作缓变信号，即调制信号。两种信号同时出现时，就会产生 调制效应。 从数学的观点上看，调制效应是两个函数( 信号) 的相乘。设一对齿轮的啮 合信号为z 。o ) ，故障信号为x 。0 ) ，总的时域信号 _ ) ，o ) = x 。o ) 石。o )( 2 - 3 ) 而在频域中则表现为两函数的卷积，即 y ( ，) - z 。( ，) + z 。( ，)( 2 4 ) 对具有调制效应的信号，在做故障诊断时，通常观察信号频域的边频带，边 频的增多在某种程度上预示了故障的发生，而边频的距离往往反映故障的来源和 特征。调制可分为幅值调制、频率调制等。 ( 1 ) 调幅现象。振幅调制简称调幅。齿轮齿距的周期性变化、载荷的波动、 局部及均匀分布的故障都会产生振幅调制效应。局部故障：当齿轮发生局部故 障时，齿轮每转一周就会产生一个脉冲激励，齿轮的啮合频率被一个短的周期脉 冲调制，在频谱中表现为在啮合频率两侧有大量的边频带，其幅值较低，分布均 匀平坦。均布故障：均布故障是一种分布比较均匀的缺陷，相当于时域包络线 较宽的脉冲，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。 ( 2 ) 调频现象。调频效应是由于齿距周期性变化及载荷波动引起的。实际 中，一个齿轮上载荷波动就必然引起转速的波动。因此，在调幅的同时就会产生 频率调制现象。调频的结果同样是引出一簇边频带，其间距的涵义与调幅时相同。 2 1 3 包络解调技术诊断齿轮故障 图2 1 和图2 。2 为齿轮带崩齿故障时的时域波形及其频谱图。测取信号转速 为1 2 5 7 r m i n ，连续采样1 6 周期，每周期采集1 0 2 4 点。 2 0 1 口 偷 v 0 迥 鐾1 d 一2 0 ob 1 o 畜2 1 赫振撩时嚣o 6o7 州s ) 图齿轮箱振动信号时域波形 f i g 2 1t h et i m ed o m a i nw a v e f o r mo ft h ev i b r a t i o ns i g n a lo ft h eg e a r b o x 1 0 孑拙士乎硕士学位论文 第二章齿轮和滚动轴承的故障机理剖析 04 03 粤0 2 札丑 盥01 0 3 0 仓2 0 一 翟1 0 e 0 ， 7 50 0 h z i。9i【| 【j l l j 1“。i l 雌 蝴溅m黼 i i 岫。 山，j 吲瑚嘲匪【誓 l _ 开r 即l r 盯啊i i f 7 甲_ r - 啊t 1 咿邗i ” 02 0 04 0 06 0 08 0 01 ( 3 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 图2 2 齿轮箱振动信号频谱 频率( h z ) f i g 2 2t h es p e c t r u mo ft h es i g n a lm e a s u r e df r o mt h eg e a r b o xh o u s i n g 0口102030 4口5060708 图2 3 齿轮箱振动信号的包络线图 时间( s ) f i g 2 3t h ee n v e l o p eo ft h eg e a r b o x 15 q1 、一 蚓 馨05 口 2 1 叶【z 1 1 8 1 - 1 0k 九n n m 帆气q |”矾心m m 02 d4 口即明1 口口1 刃1 4 口1 6 d。i j i ：】2 1 3 0 图2 4 齿轮箱振动信号包络谱图频率( h z ) f i g 2 4t h es p e c t r u mo ft h ee n v e l o p eo ft h eg e a r b o x 在图2 2 的频谱图中可以看到在7 5 0 h z 附近频率成分的幅值很突出，此频率 正与两啮合齿轮的啮合频率7 3 3 2 5 h z 相近，这表明故障与啮合齿轮的两个齿轮 有关，但具体是哪个齿轮发生了故障不能确定。 图2 3 和图2 4 分别为齿轮箱振动信号的包络线图及其包络谱。在图2 4 上 2 1 h z 处有一个突出的峰值，该频率与被监测齿轮的转频一致，可以诊断该齿轮 发生故障；同时，在1 1 8 h z 处也有一个较突出的峰值，该频率与大齿轮的转频 1 1 5 h z 基本一致，可以诊断大齿轮上亦存在故障，这与在该两齿轮上模拟的崩 齿故障一致。 由以上频谱与包络谱的比较，可以知道包络解调法能较准确地珍断齿轮故 障，因此包络解调法常用来诊断齿轮故障。 1 1 彳弘，i 士旁硕士学位论文 第二章齿轮和滚动轴承斡故障机理剖析 2 2 轴承故障机理剖析 2 2 1 滚动轴承失效的形式【2 3 2 由于设计不当，或零件的加工和安装工艺不好，或轴承工作条件欠佳，或载 荷的冲击，使轴承在承载运转一段时问后会产生各种各样的缺陷，并且在继续运 行中其缺陷还会进一步扩展，使轴承运转状态逐渐恶化以至完全失效。滚动轴承 产生失效的初始阶段，由于失效程度较为轻微，往往不易发现，当失效发展到明 显过热、强烈振动或滚动噪声足够大时发现，有可能造成设备损坏。滚动轴承失 效的形式较多，故障种类有磨损、剥落、压痕、胶合和裂纹等，其中典型故障是 由疲劳剥落引起的损伤。 n ) 点腐蚀。点腐蚀是金属表面缺陷、疏松以及夹渣等产生微电池作用的 结果。点腐蚀呈圆形，周围没有裂纹，能够向深处扩展，甚至穿透金属，引起应 力集中并且在高接触应力下导致表面剥落，造成轴承失效。 ( 2 ) 疲劳失效。疲劳失效是各类轴承表面常见的失效形式之一，是金属在交 变载荷的长期作用下而产生的失效，主要表现为疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂的 过程。裂纹的产生有两种方式：从表面产生，即在滚动轴承的接触过程中，因 外载的作用在工作表面引起周期性变化的接触应力，在表层产生塑性变形和形变 硬化，最后在工作表面出现微小裂纹，由表面向里发展，在该裂纹形成的两个表 面之间，由于润滑剂的楔入，使裂纹壁受力张开，迫使裂纹向前发展；裂纹从 表层产生，即在表面接触应力的反复作用下，裂纹最初产生于离接触表面有一定 深度之处，并顺着与表面成一定角度的方向发展，达到距表面某一深度之后，又 越出到表面上来，最后形成麻点剥落，在接触表面上遗留下一个个麻坑。 ( 3 ) 磨损失效。磨损是滚动轴承常见的一种失效形式。当有外界硬粒等磨料 进入轴承滚道、滚动体、座孔或安装轴承的轴颈的工作表面，负载工作情况下， 这些工作表面会发生磨损。 f 4 1 滚动轴承的压痕失效。压痕是由于轴承过载、撞击或异物进入滚道内使 得滚动体或滚道表面产生局部变形而出现的凹坑。主要由于装配不当，有时也可 能是过载或撞击造成。 f 5 ) 滚动轴承的断裂失效。轴承零件的破断与裂纹主要是由于磨削或热处理 引起的，也有的是由于运行时载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不善，产生 过大的热应力引起。 综上所列举的各种失效形式，轴承失效的主要影响因素口2 1 可以归结为： 材料的冶炼质量；热处理状态；表面加工精度：表面残余应力；润滑油； 万弘7 耋硅掌硕士学位论文第= 章齿轮和滚动轴承的故障机理剖析 接触表面塑性变形。 2 2 2 滚动轴承振动剖析 2 2 2 1 滚动轴承的结构组成 滚动轴承是由内圈、外圈、滚动体和保持架等元件组成。内圈、外圈分别与 轴颈及轴承座孔装配在一起，通常内圈随轴回转，外圈不动，滚动体在内、外圈 滚道上进行滚动。图2 5 为滚动轴承简图，图上给出了轴承的部分结构参数。 厂朔 ：。彦p 、 罗 坳 嘭 l 一一 图2 5 滚动轴承结构简图 2 1 f i g 2 5t h es c h e m a t i cs t l q l c t u i eo fab a l lb e a r i n g 2 】 图中各参数表示：d 为轴承节径，d 为滚动体直径，b 为接触角。 2 2 2 2 滚动轴承的固有频率 轴承在旋转过程中，会产生振动，一种是由轴承元件的不圆度、粗糙度和 波纹度引起，该振动是随机的；另一种是由外力激励或滚动体与内、外圈之间产 生冲击诱发的轴承各元件固有振动。轴承元件的固有频率取决于它的材料、结构、 尺寸、质量及安装方式，与轴承的转速无关。下面给出滚珠、内外圈的固有频率 计算公式。 ( a ) 滚动体的目有频率 = 半j 与； ( b ) 轴承内、外圈的固有频率正= ，i 岛：一1 11 压 丢忑翥7 万。 式中，r 为滚动体半径，p 为材料密度，e 为弹性模量，n 为固有频率的阶 次，l 为套圈截面绕中性轴的惯性矩，a 为回转轴线到中性轴的半径，m 为单位 长度的质量。 2 2 2 3 滚动轴承的故障特征频率 2 1 滚动轴承在回转过程中所产生的振动是随机的，含有滚动体的传输振动，其 彳弘， 士摹硕士学位论文 第二章齿轮和滚动轴承的故障机理剖析 主要频率成分为滚动轴承的特征固有频率。故障特征频率根据轴承的结构参数计 算如下： ( a ) 内圈回转频率正；，；n 6 0 ： ( b ) 保持架回转频率；，c = 三f 1 一石dc 。s 芦) 五； c 。滚珠自转频率p 1 d 1 - ( 警m ( d ) 保持架通过( 内圈) 频率 厶= 三f 1 + 石dc o s 声) ； ( e ) 滚珠通过内圈频率f b , = n l , ； ( 0 滚珠通过外圈频率，未= ，巩。 式中，n 为轴的转速，d 为轴承节径，d 为滚动体直径，b 为接触角，n 为 滚珠数量。 当轴承出现故障后，滚动轴承的振动加剧，故障引起的振动特征是在振动信 号中存在着冲击脉冲。在时域中，冲击使信号的均值、方差和高阶矩等发生变化； 在频域中，信号高频成分明显增多，信号的能量分布发生变化f 3 1 】。在滚动轴承 振动频谱中会出现其特征频率的谱峰。在实际监测中，谱峰的频率并不总是精确 地等于理论计算值，因为滚动体并非纯滚动，另外，实际轴承中存在几何误差和 安装误差。因此，在各种谱图上寻找故障特征频率时，可在理想特征频率值附近 寻找近似频率来做故障诊断。 大量的现场监测测试分析，诊断专家逐步认识到，被广泛采用的频谱分析技 术直接用于轴承故障诊断，收效甚微1 3 3 】。轴承上有损伤时，在振动频谱图上往 往并不出现与故障有关的特征频率。原因在于轴承有故障时，其振动波形往往是 调幅波，相当于载波的是轴承各部件以其固有频率振动的高频成份，起调制作用 的是与故障有关的低频成份。如果对滚动轴承的振动波形进行包络解调，再对检 波信号作频谱分析，就可以凸显轴承故障的特征频率。 2 2 3 包络解调法诊断滚动轴承故障 图2 6 和图2 7 为3 0 7 型轴承带外环划痕故障时的时域波形及其频谱图。测 取信号转速为2 9 8 8 r m i n ，连续采样1 6 周期，每周期采集5 1 2 点。 翌兰! ! 兰! 婴主兰竺堡塞 蔓三雯堂竺! ! 茎垫婪至塑垫堕垫望型堑 6 4 ，、2 翌 趔0 蛏- 2 4 6 盈 v 趔 馨 000 501 01 502d2 5 图2 6 轴承振动信号时域波形 f i g 2 6t h ew a v e f o r mo fab a l lb e a r i n g 03 时间( s ) 8 6 o 测4 坚 2 d 口5 口4 粤03 舞0 2 01 d 图2 7 轴承振动信号频谱 频率( h z ) f i g 2 7t h es p e c t r u mo fab a l lb e a r i n g 【 -l 龇蕊 - 工 “ 岫哺州嘲i 眦叫l 雌j山虬 啊柙啊啊i 可咿_ , 1 1l。口盯- 啊_ ，i i甩丌仰l 啊 00d 50 1d1 5d20 2 5 图2 8 轴承振动信号的包络线图 f i g 。2 8t h ee n v e l o p eo f ab a l lb e a r i n g 0 303 5 时间( s ) 1 1 2 h z ：l 6 硝7：悯翻m w w刷双贰m瓯 口5 01 0 口1 5 0 2 0 1 3 2 6 03 1 3 1 33 5 04 0 1 34 6 05 0 0 图2 9 轴承振动信号包络谱国 频率( h z ) f i g 2 9t h es p e c t r u mo ft h ee n v e l o p eo fab a l lb e a r i n g 1 5 ! 竺! 兰苎雯堕主兰竺堡奎 兰三兰堂竺塑鎏垫塑至塑垫堕垫堡型塑 根据滚动轴承的几何参数计算故障特征频率如下： i = 4 9 8 h z f ：一1 8 6 2 h zf h = 9 2 4 6 h zf 。一3 1 1 8 h z f m = 2 1 8 2 5 h zf b 。= 1 3 0 3 5 h z 图2 7 的频谱图中可以看到在1 1 2 h z 处有一个突出的峰值，但在2 0 0 h z 、 4 0 0 h z 、5 0 0 h z 等附近处亦有突出的峰值，这些频率分别对应轴承内环、外环的 故障特征频率及其倍频。若依照频谱结果，可以诊断为轴承内、外环都发生故障。 但事实上只在轴承外圈制作了划痕故障，内圈并无故障。 图2 8 和图2 9 分别为该轴承振动信号的包络线图及其包络谱。在图2 9 上 1 1 2 h z 处有一个突出的峰值，对应频率正好在轴承外环故障特征频率，。附近， 可以诊断该轴承外环发生故障。这与在轴承外环制造的划痕模拟故障一致。 由以上频谱与包络谱的比较，可以知道包络解调法能较准确的诊断滚动轴承 故障，因此，包络解调法在轴承故障诊断领域应用很广泛。 2 3 小结 ( 1 ) 剖析了齿轮和滚动轴承的故障振动机理以及故障失效形式。 ( 2 ) 阐述了齿轮和滚动轴承的振动信号特有的调制特征。 ( 3 ) 利用包络解调分析方法可以较有效地诊断齿轮和滚动轴承故障。 1 6 彳业7 姒筝硕士学位论文 第三章齿轮和滚动轴承的振动测试 第三章齿轮和滚动轴承的振动测试 对齿轮和滚动轴承进行状态监测与故障诊断，首先必须测取齿轮和轴承的振 动信号，然后用有效的信号处理方法对振动信号进行分析，从而实现故障诊断。 由此，本章主要介绍齿轮和滚动轴承的振动测试技术以及振动信号的基本分析方 法。 3 1 测试的目的和任务h “4 1 机器振动测试的目的和任务主要体现在以下几个方面。 ( 1 ) 能了解机器设备的运行状态，保证其运行状态在设计约束之内。通过 对机械设备进行连续的测试，可在任意时刻都能很好地了解设备的运行状态。同 时对机器运行的异常，提醒人们及时采取补救措施。例如监测位移可以报警运动 件与静止件之间的相互接触及干涉，监测振动和速度可以保证力不超过极限。 ( 2 ) 能提供机器状态的准确描述。为决定设备的维修和大修内容、周期提 供依据，从而避免为了肉眼检查而拆卸设备，既保养了机器在满意状态下的完整 性，又提高了设备的使用效率。 ( 3 ) 实现预测维修。通过振动测试，及时、准确地掌握机器的运行状态， 对出现的故障及其发展趋势给出预报，为实现机器的预测维修提供技术保证。 3 2 振动信号的测试 3 2 1 振动测试的工作过程与步骤 要对齿轮箱和轴承进行监测和故障诊断时，总是要先选用适当的传感器，将 传感器安装在合适的测点位置。由于传感器测得振动信号较微弱，因此传感器测 锝信号要接入放大器进行放大，从放大器出来的放大信号再接入信号调理器进行 滤波、降噪等预处理。从信号调理器出来的信号是模拟信号，计算机是无法的识 别的，因此振动信号还要接入模数转换器，即a d 卡，进行模数转换，转换为 计算机可以处理的数字信号。最后利用计算机对数字信号进行时域、频域的分析， 从而成功的实现对齿轮和轴承的振动测试。 j 兰兰三兰兰! 堕圭兰焦堡壅 兰三雯塑竺塑鎏垫塑至塑塑垫型堇 在此，给出振动测试的工作过程与步骤的图形表述，如图3 1 所示。 图3 1 振动测试的工作流程与步骤 f i g 3 1 t h e p r o c e s s o f v i b r a t i o n t e s t 3 2 2 齿轮和轴承振动测试所使用硬件设备n 帕l 机械故障诊断中待研究的许多物理量如力、位移、转角、噪声等并不是容易 测量、记录、处理的物理量通常使用各种传感器将其转换为电压、电流等可测 物理量。传感器的种类很多，按工作原理可分为电感、电阻、电容、电涡流、压 电、光电、热电以及霍尔效应等类型的传感器；按被测量对象可分为力、位移、 温度、噪声、应变或其组合如阻抗头( 可同时测力和加速度) 等类型的传感器； 按被测量的物体运动状态可分为直线运动、旋转运动及相应的接触式或非接触式 等类型的传感器；按被测量物体的工作