（轮机工程专业论文）基于虚拟仪器的齿轮箱监测诊断技术研究.pdf

大连理i 大学硕士学位论文 摘要 机械系统要求在一定条件下长期稳定的实现其功能，但在实际运行过程中，机械设 备由于各种原因会出现运行异常及失效，发展到一定程度将严重影响设备的功能。齿轮 箱是机械系统中重要的传递动力装置，齿轮箱的故障监测诊断一直是机械设备故障诊断 领域的重要课题。 介绍了齿轮箱故障诊断的特点及国内外研究现状，对设备故障监测诊断特别是齿轮 箱的故障监测诊断的机理及技术进行了探讨。在理论上使用并推导了一种通用的时移相 位差离散频谱校正方法：将采样时域序列前n 点作为第二段序列，分别对两段序列进 行f f t 分析，利用对应峰值谱线的相位差进行频谱校正的通用方法。与其他校f 方法 相比，此方法具有很好的通用性，其校厩方法不受所加窗函数不同的影响，算法简单， 计算速度快。 基于虚拟仪器的设备故障监测诊断是将设备监测诊断技术与虚拟仪器技术相结合， 使用通用p c 作为服务器，在被监测设备上通过数据采集设备建立状态监测点，采集设 备的运行状态数据。状态监测服务器会监视并记录设备的运行状态，当设备运行异常的 时候会立即报警。文中运用虚拟仪器技术，在l a b v i e w 开发平台上进行了针对齿轮箱 的故障监测诊断模块的开发。在软件模块的研制中，利用l a b v i e w 开发了试验信号生 成模块、数据采集及存储模块、数据调理及诊断模块等三个部分，初步实现了齿轮箱故 障监测诊断的功能，并与传统故障诊断方法进行对比，结果满足工程上的要求。 关键词：故障诊断；虚拟仪器；齿轮箱；l a b v i e w 垫王堡塑堡矍堕堂丝笪堕型堡堑垫查婴堑 t h er e s e a r c ho f m o n i t o r i n g a n d d i a g n o s i so f g e a r b o xb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n t a b s t r a c t m e c h a n i c a i s y s t e mr e q u i r e st oa c t u a l i z et h ef i m c t i o n i ns p e c i f i c a l l yc o n d i t i o n b u t i n f a c t ，m e c h a n i c a le q u i p m e n t i sa b n o r m a la n di n v a l i du n d e rs o m ec i r c t u n s t a n c et oa f f e c tt h e f u n c t i o no f t h ee q u i p m e n t b a d l y g e a r b o xi st h ei m p o r t a n tt r a n s m i s s i o nd e v i c ei nam e c h a n i c a l s y s t e m t h e f a u l td i a g n o s i so f g e a r b o xi sa i m p o r t a n t t a s ki nt h ef i e l do f t h ef a u l td i a g n o s i so f m e c h a n i c a l e q u i p m e n t t h e p a p e r i n t r o d u c e st h et r a i t sa n dt h er e s e a r c ha c t u a l i t yo f t h ef a u l td i a g n o s i so f g e a r b o x ，d i s c u s s e st h et h e o r ya n dt e c l m i q u eo f t h e f a u l td i a g n o s i so f m e c h a n i c a l e q u i p m e n t ( e s p e c i a l l y i nt h ef i e l do f g e a r b o x ) ，u s e sa g e n e r a lm e t h o d c a l l e dt i m e - s h i f t i n g c o r r e c t i n gm e t h o d o f p h a s ed i f f e r e n c eo nd i s c r e t es p e c t r u m t h a t i s ，s a m p l i n gs i g n a lo f ( l + n ) p o i n t s a so n e s e g m e n t , t a k i n g t h ef i r s tn p o i n t sa sn p o i n ts e q u e n c e ；f r o mt h el t hp o i n tt ot h e e n d ，a n o t h e rn - p o i n ts e q u e n c e i so b t a i n e d p e f f o n u i n gf f to nb o t h s e q u e n c e sa n dc o r r e c t i n g s p e c t n m ab y u s eo f t h e p h a s e d i f f e r e n c eo f c o r r e s p o n d i n g p e a kl i n e s c o m p a r e dw i t ho t h e r c o r r e c t i o nm e t h o d s ，i ti sm o r e g e n e r a lw h i c h c a l l tb ea f f e c t e db y a d d i n gd i f f e r e n tw i n d o w f t m c f i o ns i m p l ea l g o r i t h ma n df a s tp r o c e s s i n g s p e e d t h e f a u l t d i a g n o s i s b a s e d o n v i r t u a l i n s t r u m e n t i s t o i n t e g r a t e t h e t e c h n i q u e s o f f a u l t d i a g n o s i sa n d v i r t u a li n s t r u m e n t i tu s e sa g e n e r a lp c a sas e r v e r ，e s t a b l i s ht h em o n i t o r p o i n t o n t h ee q u i p m e n t b y d a t ac o l l e c t i o nd e v i c et oc o l l e c tt h ew o r kd a t a t h em o n i t o r i n gs e r v e rc a r l s c o u ta n d l o g t h ew o r ks t a t eo f t h e e q u i p m e n t a n da l a r mw h e nt h ee q u i p m e n t 、v o r k s a b n o r m a l l y u s i n g t h e t e c h n i q u eo f v k t u a li m t m m e n t j h ep a p e rr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p sa m o d u l eo f t h ef a u l td i a g n o s i so f g e a r b o xb yl a b v i e w ht h er & d ，u s i n gl a h v i e wt od e v e l o p t h r e e p a r t s ：t h es i g n a lg e n e r a t i n gm o d u l e ，d a t a c o l l e c t i o na n d s t o r a g em o d u l e ，d a t ad i s p o s a la n d d i a g n o s i sm o d u l e r e a l i z i n g t h eb a s a lf u n c t i o no f t h ef a u l td i a g n o s i so f g e a r b o xa n dm e e tt h e r e q n i r e m e n t so f e n g i n e e r i n gc o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d s k 昭w o r d s ：f a u nd i a g n o s i s ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；g e a r b o x ；l a b v i e w 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加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的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：日期： 火连理r 大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 综述 机械故障诊断技术，它是随着机器的不断完善化、复杂化和自动化而发展起来的。 机械故障诊断技术最早是在六十年代初期，由于航天、军工的需要而发展起来的，以后 逐步推广到核能设备，动力设备和其他一些大型成套设备中去的。当前，随着机械故障 诊断技术的不断发展，已经形成了以设备及其群体为研究对象，建立在检测技术、信号 处理、识别理论、预报决策及计算机技术等多种现代科学成就基础上的一门综合性横断 学科一故障诊断学。 机械系统要求在一定的条件下长期稳定的实现所设计的任务。在运行过程中，机械 设备受到各种各样的物理化学作用，其内在的一些不可避免的缺陷因这些作用而发展， 逐渐发生各种物理和化学的失效过程，使得零部件出现异常，并影响相关的子系统，使 之也出现异常。失效就这样沿着一定的途径在系统内传播，发展到一定程度将严重影响 设备的功能。在运行过程中设备的状态是逐渐劣化的 1 2 在故障诊断学中，设备的状态是指设备的工况，通常设备的基本状态有故障状态， 异常状态和正常状态三种，所以，故障只是机械设备三种状态中的一种 2 通常所说 的机械设备或零件正常是指它没有任何缺陷，或者虽有缺陷但也在允许的限度之内。异 常是缺陷已有一定程度的扩展使设备状态信号发生变化，设备性能劣化担任能维持工 作，故障则是由于设备性能指标严重降低，已无法维持正常工作。 故障的一般定义是：一台装置( 或设备) ，其功能的指标低于f 常时的最低极限值。 这样的故障范畴包括如下内容 3 ： 1 引起系统立即丧失功能的破坏性故障： 2 与降低设备性能相关联的性能上的故障： 3 ，由于操作事故和人为破坏所造成的状况。 设备故障往往是由于某种缺陷不断扩大经由异常然后再进一步发展而形成的。设备 故障有多种，不同的故障，对应着状态信号中的一系列特征信息。这就是设备状态或故 障能被识别和诊断的客观基础。 基于虚拟仪器的齿轮箱监测诊断技术研究 从上文中对故障的定义可以看出所谓的机械故障诊断就是识别机器运行状态的技 术，即它研究机器运行状态与诊断信息之间的映射关系。一般机械故障诊断的模型如图 1 1 所示 4 。 图1 1 故障诊断模型 f i g u r e 1 1f a u l td i a g n o s i sm o d e l 从上图可以看出具体的诊断实施步骤包括如下的四部分 5 ： 1 信号检测：按不同诊断目的选择最能表征工作状态的信号。一般我们将这种工作 状态信号称为初始模式。 2 ，信号处理：将初始模式向量进行维数压缩、形式变换，去掉冗余信息，提取故障 特征，形成待检模式。这一过程又往往被称为特征提取。 3 状态识别：将待检模式与样本模式对比，进行状态分类。为此要建立判别函数， 规定判别准则并力争使误判率最小。 4 诊断决策：根据判别结果采取相应的对策。对设备及其工作进行必要的预测及干 预。 1 2 齿轮箱故障诊断技术介绍及研究现状 1 2 1 齿轮箱的故障特点 齿轮箱是一种回转传动机构。在长期运转中，由于载萄作用引起的疲劳应力、或由 于工作环境以及冲击载荷等影响，轴承和齿轮都将不可避免地出现一些故障 6 。齿轮 箱的零件失效的统计表明，齿轮的失效比重最大达到了为6 0 。由此表明，在齿轮箱 中，齿轮本身的制造和装配质量及其运行维护是保证齿轮正常运行的关键。因而就齿轮 箱和诊断而言，对齿轮故障机理、故障诊断方法的研究是至关重要的 7 。 2 大连理：f 大学硕士学位论文 失效零件失效百分比 齿轮 6 0 轴承 1 9 轴 1 0 箱体 7 紧固件 3 油封 l 表1 1 齿轮箱失效统计 t a b l e1 】g e a rb o xi n v a l i d a t i o ns t a t i s t i c 齿轮是一种较为复杂的成形零件，保证其制造和装配质量也较为困难，特别是在高 速重载下运行齿轮，其工作条件更为恶劣，因此，齿轮的工况监测与故障诊断显得尤为 重要。齿轮的失效主要以轮齿的损伤为主。齿轮由于设计不当，制造有误差，装配不 良，或在不适当的条件下运行时，会产生种种损伤，其形式很多而且往往又互相交错在 一起 8 】。常见的损伤形式有： ( i ) 磨损是广义的磨损概念，但主要指磨料磨损、粘着磨损和由此引起的擦伤和胶 合。磨料磨损主要是外界的微粒进入轮齿啮合面。胶合是由于载荷集中于局部的接触齿 面上，油膜破坏或单位接触载荷过大。 ( 2 ) 疲劳包括初期点蚀、破坏性点蚀和最终剥落。初期点蚀是由齿面局部凸起，局 部承受较大载荷，受高频变应力作用；破坏性点蚀是由于局部点蚀引起动载荷加大，齿 面硬度低，齿面粗糙，润滑油粘度低引起的；剥落的出现是轮齿的表层和次表层的缺陷 以及热处理产生的过大内应力造成的。 ( 3 ) 变形包括压痕、起皱、隆起和犁沟。主要原因有受冲击载荷作用，啮合不良致 使齿面屈服和变形，齿度硬度低，润滑油粘度低。 ( 4 ) 断裂齿轮最严重的损伤形式，常常因此而造成停机。根据原因，可将断裂分为： 疲劳折断、磨损折断、过载折断等，其中疲劳折断最为常见，它是由于承受超过材料疲 劳极限的反复弯曲应力而发生的。通常首先沿受力侧齿根角内部产生裂纹，此后逐渐沿 齿根或向斜上方发展而致折断。折断的断面一般呈成串的贝壳状轮廓线，其中可以见到 比较光滑部分的会聚点。有的热加工裂纹和磨削裂纹也会成为疲劳折断的起因。 3 基于虚拟仪器的齿轮箱监测诊断技术研究 ( 5 ) 气蚀主要由于润滑油中析出的气泡被压溃破裂，产生瞬时冲击力和高温，使齿 面产生冲蚀麻点。 ( 6 ) 点蚀由于电气设备传导至啮合齿廓的漏电流，产生火花放电，侵蚀齿面，使齿 面产生电弧坑点。 所有这些损伤均会改变轮齿的正确形貌，恶化传动质量，加剧齿轮的振动，并改变 振动的特性。对一个正确设计、制造和使用的变速箱来说，磨损和断裂又是最常见的 9 。本文将着重以齿轮故障作为研究对象。 1 2 2 齿轮箱监测诊断技术的研究现状 设备故障诊断技术是一种了解何掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部 是否正常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。 设备故障诊断技术发展到今天，已经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、灰色系统珍断法、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、遗传算法等 1 0 。这些 方法在设备故障诊断文献中均有介绍，这里不再赘述。 齿轮箱故障监测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。故障诊断 般分为两个阶段四个步骤实施。两个阶段为状态检测何故障诊断。故障诊断的四个步 骤为：信号检测、特征提取( 信号处理) 、状态识别何诊断决策。其具体内容 1 1 为： 1 信号检测按照不同的诊断目的选择最能表征工作状态的信号。这种工作状态的 信号称为初始模式。 2 特征提取( 信号处理) 将初始模式向量进行信号处理，维数压缩，形式变换， 去掉冗余信息，提取故障特征，形成待检模式。 3 状态识别将待检模式与样式模式( 故障档案) 对比和状态分类。这一步是整个 诊断过程的核心。为此，要建立半惕0 函数，规定函数准则并力争使误差最小。 4 - 大连理工大学硕士学位论文 4 诊断决策根据判别结果采取相应对策。对设备及工作进行必要的预测及干预。 围绕上述故障诊断的四个步骤，目前的齿轮箱故障诊断研究主要集中在齿轮箱状态 检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，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。如同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， 基于便携机的诊断日益普及，如美国生产的m 6 0 0 0 系列产品。特别值得一提的是国内丌 发的一些基于微机的在线、离线监测分析系统，如重庆大学的d a s 动态信号分析及故障 诊断系统等。 振动信号的处理和分析方法也在突飞猛进。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、h i l b e r t 解调等时频分析方法 已开始得到广泛应用。 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，具有 数据采集、存储和压缩、状态监测等功能。到1 9 9 0 年为止，p d s 的系统诊断规则库大 约有一万条规则，能够诊断转子一轴承系统、发电机和蒸汽水循环的故障，并能进行热 效率计算等，该系统已在设备监测诊断领域取得很大的成功。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 系统的分析仪可在现场实现数 据采集，启停机过程的瞬态分析，现场动平衡及对中，还可进行各种复杂的时域和频域 分析，c s i 的数据管理系统具有数据库管理、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。其他国家如瑞典、日本、挪威、丹麦等都在故障诊断技术方 面有自己特有的贡献 1 2 。 齿轮故障诊断最早出现于7 0 年代后期，从诊断方法上看大体分为两大类，一类是 根据摩擦磨损理论，通过研究分析齿轮箱润滑油中的磨屑来诊断齿轮的状况：另一类是 5 基于虚拟仪器的齿轮箱监测诊断技术研究 通过对齿轮运行中的动态信号的处理分析来诊断。由于振动信号有便于汜录、处理和不 易受干扰等优点而被广泛采用 1 3 。 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要的作用。但不可否认的是，国 内诊断系统的水平还无法和国外相比，特别在诊断理论的机理研究方面。 1 3 虚拟仪器技术介绍及研究现状 电子测试仪器长期以来在电子行业占据着十分重要的地位，被称为电子行业的基 础，一个时代的测试仪器标志着这个时代电子技术发展的水平。随着电子技术向其他领 域的渗透，电子测试仪器也往往被用来作为测量许多非电量的精密测试设备，因此测试 仪器在某种程度上反映了这些领域的发展状况。但是，与计算机、通信等方向相比，电 子测试仪器发展的步伐相对落后 1 4 。 现代科技的进步以计算机的进步为代表 势从各个层面上影响着各行各业的技术迸步 革。 不断创新的计算机技术，正以不可逆转之 当前的测控仪器行业同样经历着一场大变 一方面，计算机技术的进步为新型的测控仪器产生提供了现实基础，主要表现 1 5 在： ( 1 ) 微处理器和d s p 技术的快速进步以其性能价格比不断提高大大改变了传统电 子行业的设计思想和观念，原来许多由硬件完成的功能现在可以通过软件实现。这有自 动化程度高、可靠性高、价格低、升级容易、系统具有宽适应范围的柔性结构、可维护 性好等优点。硬件软化的设计方法对当今测试仪器的设计产生了深刻的影响。 ( 2 ) 面向对象技术、可视化程序开发语言在软件领域为更多易于使用、功能强大 的软件开发提供了可能性。 另一方面，传统的测控仪器越来越满足不了科技进步的要求，主要表现在： ( 1 ) 现代测控要求仪器不仅能单独测量到某个量，更希望它们之间能够相互通 信，实现信息共享，从而完成对被测各系统的综合分析、评估，得出准确判断。传统仪 器在这方面显然存在严重不足，甚至根本不可能实现。 ( 2 ) 良好人机界面的要求促进了传统测试仪器的改造。对于越来越复杂的被测系 统，如果仍然使用传统的测试仪器必然会需要众多的仪器设备，面对各个厂家的不同测 一6 - 大连理工火学硕十学位论文 试设备，使用者需要的知识很多。这样的仪器不仅使用频率低，而且硬件存在冗余，造 成不必要的浪费。 鉴于上述原因，基于计算机的测试仪器逐渐变成现实，也提出了虚拟仪器的概念。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件 ( 如6 p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 、d a q ) 结合起来，用户可以通过友好的图形界面及图形化编 程语言来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而 完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成等功能 1 6 。 与传统仪器一样，它同样可以划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能 模块 1 7 ( 如图1 2 所示) 。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测控能 力相结合，实现仪器的功能运作。 图1 2 虚拟仪器内部功能划分 f i g u r e1 2v i r t u a li n s t r u m e n ti n n e rf u n c t i o np a r t i t i o n 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 、d a q ) 和可重复使用源码库函数等 软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发、源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器 系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减 硬软件模块，或重新配置现有系统以满足现有系统的测试要求。所以，虚拟仪器是由用 户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统功能所需附件，而这在 由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。 大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步 进行的。 第一阶段：利用计算机增强传统仪器的功能。 这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进的。由于g p i b 总线标准的确立，计算机 和外界通信成为可能，因而用户可以用计算机控制仪器，而随着计算祝系统性能价格比 的不断提高，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。经过近十年的发展，这些用户得到 了越来越多的关于计算机控制仪器的软件，并且这些软件易学易用。最新的软件包括仪 7 基于虚拟仪器的齿轮箱监测诊断技术研究 器驱动库、数据分析函数库、图形接口函数库等。用户可以利用这些的软件来增强自己 仪器系统的功能，使它能够分析和处理特定的数据，并显示结果，而不是限于仪器的固 定功能上。实际上，只需要把传统仪器通过g p i b 或r s 一2 3 2 同计算机连接起来，这些新 增功能就能运转良好。因而，用户可将大量的独立仪器同计算机相连形成用户自己设计 的虚拟仪器。 第二阶段：开放式的仪器构成。 为满足虚拟仪器市场不断增长的需求，这时在仪器硬件上出现了两大技术进步：一 是插入式计算机数据处理卡( p l u g i np cd a q ) ；二是v x l 仪器总线标准的确定。这些 新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内的由用户定义和供应商定义仪器功 能的区别。 第三阶段：虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。 软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来，虚拟仪 器将成为一种主流技术。许多行业标准在硬件和软件领域已产生，几个虚拟仪器平台已 经得到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。美国国家 仪器公司总结了这些观点并提出一句口号“软件即仪器” 1 8 。 国际上虚拟仪器的发展十分迅速，特别是以开放式的v x i 模块化仪器标准为基础的 虚拟仪器标准正在日趋完善。建立在v x i 上各种先进的测试仪器将会层出不穷。现在虚 拟仪器在发达国家已经十分普及，虚拟仪器的概念不仅在电子测量领域得到广泛的接 受，甚至深入到过程控制领域，利用虚拟仪器实现复杂的闭环控制已屡见不鲜。 1 4 选题意义 随着设备的不断大型化、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也越来越大，飞行中的飞机和航行中的舰船上的齿轮箱故障往往导 致人身伤亡事故：而气轮机组、化工行业的压缩机组、钢铁工业的辊轧机组、建筑等行 业中的一些设备中所使用的齿轮箱都处于连续工作状态，意外的齿轮箱故障造成的停机 停产损失十分惊人。 由于机械设备的故障造成的经济损失、人员伤亡和社会影响是难以估量的。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试验时，因机组减 速箱轴承失效和i 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 9 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试验 8 大连理工大学硕士学位论文 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。由此可见监测珍 断技术的重要性和意义。 4 设备故障监测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 维修时削，增加运行效率。据同本统计，采用诊断技术以后，事故发生率减少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 ：l ，无论从安全的角度，还是从经济效益出发，建立完备的 监测与诊断系统具有极其重要的意义。 5 1 9 e 2 0 齿轮箱是机械传动系的一个重要的组成部件，其受扭转和拉压两种载荷的综合作用 受力非常复杂其工作的正常与否，直接关系到整个机械设备的运行状态。掘丹阳、常州 等地的一些厂家的统计分析，就拖拉机而言，以齿轮为代表的变速箱故障发生率占除发 动机故障以外其他所有故障的5 0 7 0 ，因此研究和探索齿轮箱等机械传动系故障的 机理，模式及渗断方法就显得十分重要和迫切，关系到多种机械设备的f 常运行，可以 避免由于突然失效而造成人身与经济损失。 将虚拟仪器技术应用到齿轮箱故障诊断领域，可以有效地解决传统故障诊断方法仪 表不够灵活且成本过高的问题，用户可根据自己的需要来开发合适的仪器面板并自定义 使用何种方法来进行数据处理，使得机械设备故障监测诊断更灵活。 9 基于虚拟仪器的齿轮箱监测诊断技术研究 2 齿轮箱故障机理及分析 2 1 齿轮振动机理 2 1 i 理想齿轮啮合情况 齿轮副作为一个振动系统，其物理模型可以简化为如图2 1 所示 2 1 。 图2 ，l 理想齿轮啮合模型 f i g u r e2 1 p e r f e c tg e a rj o g g l i n gm o d e l 其动力学方程为： 疗+ c 毙+ k ( t ) x = f ( t 、 其中，x = x ：一z ，t 为沿啮合齿上齿轮相对位移，c 为齿轮啮合阻尼，k ( f ) 为啮合 刚度，m 为当量质量，m = ( 小。m 2 ) ( 聊+ 研：) 。f ( 0 为动载荷，包含故障缺陷所产生 的激励，它的变化受轮齿刚度和传动误差变化的影响，同时还与齿面摩擦力方向的变化 有关。 2 1 2 实际工作中齿轮振动的啮合调制现象 2 2 一对齿轮啮合运转，参与工作的齿数由一对变成两对，又由两对变成一对，形成单 双齿啮合交替变化，对齿轮旌加个周期性的冲击，从而形成齿轮啮合振动。正常情况 下，啮合频率及谐频成分为： z 。( f ) = a 。c o s ( 2 碱+ 丸) 正= ”苗z 为啮合频率，其中： 1 0 人连理t 大学硕十学 ! 7 _ 论文 7 一一自然数l ，2 3 ，为谐波次数一 一一齿轮轴的转速( r p m ) z 一一齿轮的齿数 齿轮加工、安装及使用过程中不可避免地会产生各种缺陷，如轮齿产生裂纹、齿面 疲劳、磨损、划痕，以及齿轮分度不均、质量不平衡、安装不对中等，这些缺陷一方面 使得轮齿接触面的负荷发生变化，啮合振动的外界激振力发生变化，比如，某一个大齿 有大的剥落，齿轮每旋转一周，缺陷齿参与啮合传动就产生一个脉冲激励。这个脉冲激 励对齿轮的啮合振动有一定的影响，使振幅发生变化，这种现象成为调幅。另一方面， 齿轮缺陷可使轮齿刚度发生变化，如齿轮有裂纹，除了使振动加大外，还使相位发生变 化，产生调频现象。绝大多数的齿轮缺陷既产生调频又产生调幅，调频与调幅统称为调 制，存在调制现象的齿轮振动动力学方程为： 朋譬+ c x + k ( t ) x = k ( t ) e i + k ( t ) e 2 ( t ) 其中，e ，为齿轮受载后的平均静弹性变形，e ，( t ) 为齿轮误差和故障造成的两个轮 齿间的相对位移，又称敌障函数。k ( t ) e 。为常规振动，k ( t ) e 2 ( t ) 取决于齿轮综合刚度和 故障函数。 由上式可知，齿轮的振源来源于两部分：一部分为常规振动部分k ( t ) e ，是由正常的 交变载荷引起的振动；一部分为k ( t ) e ：( f ) ，它取决于齿轮的综合刚度和故障函数。 如果设y ( t 产xo ( t ) d g ( t ) = k ( i ) e 2 ( t ) ，则) ( g ( t ) 为载波信号，它包含了齿轮啮合频 率及其高次谐频，d o ( t ) 为调制频率，反映了齿轮本身的误差和故障情况以及其它零部 件故障引起的齿轮传动误差情况，齿轮每转一圈，d o ( t ) 变化一次，包含了所在轴转频及 高次谐波。对y ( t ) 进行频谱分析，在谱图上就形成若干组围绕啮合频率及其高次谐波两 侧间隔为转频及其倍频的边频带，这就是啮合频率调制现象 2 3 】。齿轮箱中齿形误差和 点蚀、断齿、联轴节不对中和传动辖轻度弯曲都会产生这种调制现象，但其边频带分布 是不同的。 这对在齿轮箱测得的振动信号为： y ( f ) = g ( f ) + 彳g ( f ) ( f ) + 卫8 ( r ) d 口( r ) 十月( f ) 式中：g ( t ) 为与各转频相关的频率较低的振动信号： 茎王壁型堡堡塑塑笙笪些型丝堑垫查婴茎 x g ( t ) d g ( t ) 为齿轮啮合频率调制信号： x b ( t ) d b ( t ) 为滚动轴承异常振动信号； n ( t ) 为其它振动与干扰信号： ，t ) 为载波信号； d ( t 1 为调制信号。 一般情况下，断齿、大的脱落引起的调制边频带较宽且平坦，即边频带根数多且幅 值大小均匀。点蚀、划痕等均匀缺陷引起的调制边带幅值变化较大，靠近啮合频率的边 频分量幅值高，其他边频成分依次下降，幅值降低较快。不平衡、不对中、机械松动等 故障引起的调制边频带不对称。可见边频带的特征是诊断齿轮故障的重要信息。 2 1 3 齿轮振动信号的齿轮共振解调 当振动能量较大，如断齿、齿形严重误差、轴弯曲比较严重时，不但产生齿轮啮合 频率调制，而且激起齿轮本身的固有频率，产生齿轮固有频率振动调制现象。即以齿轮 本身固有频率为载波频率、转频为调制频率的齿轮共振调制现象。 这时在齿轮箱测得的振动动力学表达式为： y ( f ) = g ( f ) + x 6 ( r ) q 7 ( ，) + z 口( ，) d e ( r ) + 月( r ) + x ( ，) d “( ，) 式中：x g a ( t ) 表示齿轮本身固有频率的振动。 对于这类齿轮异常振动而言，有时固有频率振动成分占主导地位，有时却不能忽略 啮合频率调制成分。实际研究表明，齿轮共振调制现象是产生齿轮箱故障的一个很重要 因素，并且时常发生，应引起足够的重视。 2 ，l ，4 箱体共振频率调制 当激振能量特别大，如轴弯曲或齿轮严重故障时，齿轮传动中的异常振动会激励起 齿轮箱体固有频率，产生箱体固有频率振动调制现象。这时在齿轮箱测得的信号为： ，o ) = g ( r ) + 如( r ) d 6 ( r ) + x 。( f ) d 。( ，) + ( ，) + z 。( f ) d ( j ( ，) + 。( r ) d c j ( ，) 式中：x x ( t ) 表示箱体固有频率引起的振动。 在这类振动中，振动幅值最大的是艺x x ( t ) d g ( t ) ，它包含有故障轴转频及高次谐 波的调制边带。 1 2 大连理一大学硕i 学位论文 2 2 故障诊断中的频谱分析方法【2 4 】 频谱分析方法是在综合利用特征参数对搬轮箱进行简易渗断后，即判断齿轮箱是否 有故障。发现故障后，就应进一步通过振动信号的频率分析，以判明故障的类别和原 因频谱分析法有诸多优点，这使其成为故障诊断中应用最多的方法。频谱分析中最常 用到的是幅值谱和功率谱密度函数。这里假定x ( ) = f 【x ( r ) 】， 则有： 幅值谱为s ( f ) = l x ( 厂) 1 功率谱为g ，( 厂) = x ( f ) x ( ，) = l x ( i ) l 2 另外，工程上常用分贝谱，即取功率谱的对数。 总体上来说，齿轮箱的振动频谱一般可分为低频、中频和高频三个频段。低频为轴 频以下的频率范围，齿轮本身的动平衡、轴的对中情况等常反映在这一频段内。中频段 为轴频至啮合频率这一范围，通常认为中频段与齿轮箱的低阶结构共振频率关系较大， 实际上中频段的影响因素很多，随齿轮箱结构及转速不同而不同。另外齿轮、轴承的特 征频率也可能出现在这一频段啮合频率以上的频段为高频段，一般认为高频段包含的 信息较多。 当齿轮有缺陷时，在其啮合传动过程中，缺陷会对齿轮箱产生冲击，在振动信号上 表现为幅值调制和频率调制现象出现，不同的故障在频谱上有不同的表现，从频谱上t 别故障，一般是根据啮合频率及其谐频上的特征来识别。以下有几类常用的故障频谱识 别方法。 1 ) 基频识别 设齿轮的齿数为z ，转速为n ( r p m ) ，则其啮合频率为：仁z + n 6 0 。过去常以基频分 量的幅值变大作为发生故障的依据，但由于影响基频的因素很多，当故障不够明显时， 啮合频率幅值变化很小，往往难以识别出故障频率。 2 ) 频谱识别 根据谐频的间距来诊断，在分辨率较高的频谱上，常可以看到均匀的尖峰，对应的 频率之间有谐波关系，测量其间隔可以判断故障的发生部位。 i 3 基于虚拟仪器的齿轮箱监测诊断技术研究 3 ) 边频识别 边频识别是齿轮故障诊断中最常用的方法之一。由于齿轮故障一般会引起信号的调 制，通过识别频谱上边频的间距，可以知道引起调制的故障冲击频率，从而可推断故障 的位置。 但由于幅值调制和频率调制同时存在，边频往往变的复杂，不对称，特别当存在多 个调制源和低频调制时，直接识别边频往往很困难。对于这种情况，我们可以应用参考 文献 2 5 1 提出的二次f f t 方法解调出调频调幅信号的调制周期。 细化频谱技术的出现，使人们可以在频谱上将任意很小的局音口频段细化，大大提高 了频谱的分辨率，从而解决了边频有时难以直接识别的问题。但细化谱的频带很窄，一 般只与频谱结合使用，即选择频段加以细化。 4 ) 功率谱 参照文献 2 6 】所提供的功率谱图可以看出正常状态下，齿轮的啮合频率的2 , 3 ，4 ，5 谐波处的能量均高于啮合频率处的能量。随着故障的出现，功率谱在3 , 4 谐波处的能量 将有显著的提高，特别是4 次谐波对于故障非常敏感，它基本上反映了齿轮的劣化，因 而称4 次谐波为故障的敏感频率。 而从具体的数据则可以得出如下的结论 2 6 ： a ) 故障状态和正常状态下的谐频能量和的变化并不显著，其比值均小于1 , 5 。可见 从总体能量的变化来看，频谱能量之和的变化并不能很好的反映齿轮的状态。 b ) 齿轮故障敏感频率4 次谐波处的能量在故障状态与正常状态下的比值都大于 1 5 。可见在故障敏感频率上能量的增加反映了齿轮的劣化。 5 1 倒频谱 在齿轮故障诊断的方法中，倒频谱方法具有特殊的优越性，特别是用在边频识别 上，它提供了频谱中周期结构( 如谐波族、边须的信息。 传统上功率倒频谱定义为“对数功率谱的功率谱”，其表达式如下： c p ( q ) = f l o g g ( 刊 式中，g x ( f ) 为信号的自功率谱，c 。( q ) 为功率倒频谱。 实际工程上常用的表达式为： 1 4 大连理1 ：大学硕士学位论文 e ( g ) = c ，( g ) = f f l o g o 。( f ) i c 。( q ) 被称为幅值倒频谱，或简称为倒频谱。 由r 、( t ) 和瓯( f ) 为一对傅立叶变换对，即r x ( z ) _ f 。g x ( f ) ，可知，功率倒频谱或 幅值倒频谱的自变量q 与自相关函数的时间变量t 在量纲上是一致的，具有时间的因 次，一般以毫秒记，我们称q 为“倒频率”( q u e f r e n c y ) 。 对功率谱作倒频谱变换，其主要原因为在倒频谱上，可以较容易的识别信号的组成 分量，便于提取其中我们关心的信号成分，在倒频谱中，有峰值的地方，是有边带造成 的，而峰值的倒频谱表示调制信号的周期大小，其倒数恰好为调制频率，该调制频率是 我们要寻找的故障信息。 倒频率还可以消除路径对源的影晌，使源和路径分离，得到源的重要信息， 例如一个系统的脉冲响应函数h ( t ) ，输入为x ( 咄则输出为y ( t 户x ( t ) ( t ) 由卷积定理得：y ( o = x ( f ) h ( f ) 则功率谱：g ，( ) = 瓯( ) - j m l ) 1 2 l o g g ，( ，) = l o g g ，( f ) + l o g l h ( f ) 2 则倒频谱中，f 1 0 9 g ，( ) 】：f 1 0 9 g ：( f ) + o g l h ( f ) 1 2 】即 c ，( g ) = c ，( g ) + c ( g ) 此式说明，若三个量中，已知两个倒频谱，则可以求出另外一个倒频谱。输入信号 和系统的脉冲响应信号h ( o 在倒频谱中相分离，在齿轮箱的故障诊断中，我们可以利用 这一性能，使信号源的效应与传递路径的效应相分离，当两个振动传感器出于不同的位 置，它们的功率谱不相同，但在倒频谱中的重要信号分量相同，只是在低倒频率有些不 同，这只是由于传递路径不同，即传递函数h ( t ) 不同造成的。 2 3 激励能量对不同调制振动的影响 2 7 实际上不论是齿轮本身存在缺陷和故障，或是由于轴弯曲等其他故障引起齿轮传动 产生异常振动时都可能产生调制现象，调制的载波频率是以啮合频率及其倍频成分为 主，是以齿轮本身的各阶固有频率为主，还是以箱体的各阶固有频率为主取决于激励能 量，也表征了故障的严重程度。当故障较轻时，比如轻微的轴弯曲或面积小、数量少的 1 5 基于虚拟仪器的齿轮箱监测诊断技术研究 齿面点蚀，一般表现为啮合频率为转频调制的啮合频率调制现象，如果故障较严重，激 励能量较大时，则齿轮本身的固有频率被激起，产生以箱体固有频率为载波频率的共振 调制现象。当激振能量非常大，故障非常严重时，则齿轮箱箱体的固有频率被激起，产 生箱体固有频率调制现象。应当特别注意的是不论载波频率是多少，这三种调制现象的 调制频率均为故障轴的旋转频率及其高次谐波，这一点对故障渗断非常重要。 针对不同故障引起的不同振动调制现象，应采用不同的诊断方法： ( 1 ) 对啮合频率调制采用频谱和解调谱相结合的双谱分析法。用解调谱找到有故障 轴的转频或倍频成分，从而渗断故障发生的主要部分在哪个轴；再利用频谱分析找到载 波频率，也就是啮合频率及其倍频成分，诊断出产生主要故障的齿轮副。不论是转频还 是啮合频率，在已知或实测出转速各传动链的情况下，是可以通过计算得到的，这为珍 断提供了有效的参考数据，如果辅以时域波