（机械设计及理论专业论文）转炉悬挂减速机动力学分析及故障诊断研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 转炉悬挂减速机是实现炼钢生产的关键部件，具有低速重载和启动制动频繁等特点。 因其结构复杂，工作环境恶劣会造成悬挂减速机出现故障。一旦发生严重故障，停产更换 的周期较长，经济损失较大。故对其运行状况进行实时监测，提高故障信号的监测、分析 与处理能力很有必要。本文旨在研究转炉悬挂减速机的动力学分析及故障诊断系统的开 发。所开发的软件能够实时地反映运行状态，判断设备有可能出现的问题，防止发生重大 事故。 首先，介绍转炉悬挂减速机的结构，对其进行动力学分析。将系统简化为三质量系统 力学模型，建立运动微分方程组，求解得到系统的固有频率、扭振的角位移和扭振力矩。 了解转炉悬挂减速机的振动特性，为正确使用维护设备、分析解决设备故障提供帮助。 其次，阐述了转炉悬挂减速机的主要故障形式、振动机理和故障的主要特征频率，针 对悬挂减速机运行特点，提出信号处理与故障诊断的方法。选择时域统计特征分析对悬挂 减速机进行简易诊断；将功率谱、细化谱、包络谱、小波分析等技术用于悬挂减速机的精 密诊断：将故障信号提取特征值，积累数据样本，作为b p 神经网络故障识别用于悬挂减 速机的智能诊断。 最后，以转炉悬挂减速机作为监测对象，合理地选择测点和监测信号，开发一套转炉 悬挂减速机在线监测故障诊断系统。论述系统硬件、软件的设计与开发，基于d e l p h i 高效 的开发平台，有效利用了m a t l 曲强大的科学计算功能和丰富的工具箱，实现软件的功能模 块包括：在线监测、信号分析、故障诊断以及数据库管理等，并根据需要可以对模块进行 扩展。研制的监测系统能比较同步、完整、实时地反映工作过程，合理地存储和管理数据， 正确地监测设备状态，对悬挂减速机运行的异常状态进行分析，并及时做出判断。整个系 统能较准确诊断出可能发生的故障类别和原因，有效避免发生重大设备事故。 关键词：齿轮箱故障诊断，动力学分析，小波分析，b p 神经网络 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n v e r t e rs u s p e n s i o nr e d u c e ri sak e yc o m p o n e n tt or e a l i z et h es t e e l m a k i n gp r o d u c t i o n i t h a sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha st h el o ws p e e dh e a v yl o a d e d ，s t a r t i n ga n db r a k i n gf r e q u e n t l y i t s c o m p l e xs t r u c t u r e ，a d v e r s ew o r k i n ge n v i r o n m e n ta n ds oo nc a u s e st h ef a i l u r eo fs u s p e n s i o n r e d u c e r o n c ec o n v e r t e rs u s p e n s i o nr e d u c e rh a p p e ns e r i o u sf a i l u r e s ，i tl e a d st ot h el o n gt i m eo f s t o pp r o d u c t i o na n dr e p l a c e m e n tp a r t s ，w h i c hc a u s e se n o r m o u se c o n o m i cl o s s e s t h e r e f o r e ，i t s p e r f o r m a n c en e e d si nr e a l t i m em o n i t o r i n g i m p r o v et h ef a u l ts i g n a lm o n i t o r i n g , a n a l y s i s i n ga n d p r o c e s s i n gc a p a b i l i t yh a sb e e nap r i o r i t y t h i sp a p e ri st os t u d yd y n a m i c sa n a l y s i sa n dt h ef a i l u r e d i a g n o s i ss y s t e ms o f t w a r e sd e v e l o p m e n to fc o n v e r t e rs u s p e n s i o nr e d u c e r d e v e l o p e ds o f t w a r e c a l lr e a l - t i m er e f l e c tt h er u n n i n gs t a t u s ，j u d g et h ee q u i p m e n tp r o b l e m st h a tm a ya p p e a r , p r e v e n t t h eo c c u r r e n c eo fh e a v ya c c i d e n t s f i r s t ，i ti n t r o d u c e sc o n v e r t e rs u s p e n s i o nr e d u c e r ss t r u c t u r ea n dd y n a m i c sa n a l y s i s s y s t e m s i m p l i f i e sm e c h a n i c a lm o d e lo ft h r e e m a s ss y s t e m t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n tm o v e m e n t s i m u l t a n e o u sd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s i ts o l v e st h e s y s t e m s n a t u r a l f r e q u e n c y , t h ea n g u l a r d i s p l a c e m e n to ft h et o r s i o nv i b r a t i o na n dt o r s i o nv i b r a t i o nt o r q u e t ou n d e r s t a n dt h ec o n v e r t e r s u s p e n s i o nr e d u c e r sv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，f o rc o r r e c t l yo p e r a t i n ga n dm a i n t a i n i n gf a c i l i t i e s ， a n a l y s i sa n ds o l u t i o ne q u i p m e n tf a i l u r e ，i tc a np r o v i d et h eh e l p s e c o n d l y , i td e s c r i b e st h ec o n v e r t e rs u s p e n s i o nr e d u c e r sm a j o rf a i l u r ef o r m ，v i b r a t i o n m e c h a n i s ma n dt h em a i nf e a t u r e so ft h ef r e q u e n c yo ff a i l u r e i nv i e wo fs u s p e n s i o nr e d u c e r s o p e r a t i o n a lf e a t u r e s ，i tg i v e st h es i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h ef a i l u r ed i a g n o s i sm e t h o d t h ec h o i c e o ft i m ed o m a i ns t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sc a r r i e so nt h es i m p l ed i a g n o s i st oc o n v e r t e r s u s p e n s i o nr e d u c e r t h et e c h n i q u e so fp o w e rs p e c t r u m , d e t a i l e ds p e c t r u m ，t h ee n v e l o p es p e c t r u m ， w a v e l e ta n a l y s i sa n ds oo nc a r r yo nt h ep r e c i s i o nd i a g n o s i st oc o n v e r t e rs u s p e n s i o nr e d u c e r t h e f a u l ts i g n a lc a nb ee x t r a c t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sv a l u e ，t h ea c c u m u l a t i o no fd a t as a m p l e sa sab p n e u r a ln e t w o r kf a u l tr e c o g n i t i o nt oc o n v e r t e rs u s p e n s i o nr e d u c e r si n t e l l i g e n td i a g n o s i s f i n a l l y , c o n v e r t e rs u s p e n s i o nr e d u c e ra sam o n i t o r i n go b j e c t ，c h o o s et h em e a s u r i n gp o i n t s a n dt h em o n i t o rs i g n a lr e a s o n a b l y , d e v e l o pac o n v e r t e rs u s p e n s i o nr e d u c e ro n l i n em o n i t o r i n g f a u l td i a g n o s i ss y s t e m i te l a b o r a t e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h es y s t e mh a r d w a r ea n d s o f t w a r e b a s e dd e l p h ih i g h - p e r f o r m a n c ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，e f f e c t i v e l yu s et h ep o w e r f u l s c i e n t i f i cc o m p u t i n gf e a t u r e sa n dr i c ht o o l b o xo fm a t l a b s o f t w a r ef u n c t i o nm o d u l e si n c l u d e ： o n l i n em o n i t o r i n g ，s i g n a la n a l y s i s ，f a u l td i a g n o s i sa sw e l la sd a t a b a s em a n a g e m e n t ，e t c a c c o r d i n gt ot h en e e d s ，i tc a nc a r r yo nt h ee x p a n s i o nm o d u l e s m o n i t o r i n gs y s t e mc a n r e f l e c tt h e w o r kp r o c e s ss i m u l t a n e o u s l y , c o m p l e t e l ya n dr e a l t i m e ，r e a s o n a b l et os t o r ea n dm a n a g ed a t a , c o r r e c t l ym o n i t o re q u i p m e n ts t a t u s ，c a r r yo nt h ea n a l y s i so ft h ea b n o r m a ls t a t eo fs u s p e n s i o n r e d u c e r m a k et h ej u d g m e n tp r o m p t l y , d i a g n o s et h ef a u l tc a t e g o r ya n dt h er e a s o na c c u r a t e l y w h i c h p o s s i b l yo c c u r s ，a v o i dh a v i n gam a j o ra c c i d e n te f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：g e a r b o xf a u l td i a g n o s i s ，d y n a m i c sa n a l y s i s ，w a v e l e ta n a l y s i s ，b pn e u r a ln e t w o r k 武汉科技大学 研究生学位论文创颟性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，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。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：查童登： 日期：逊兰! j 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对j l - j l i 务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究背景、目的及意义 转炉炼钢是目前最主要的炼钢方法之一，具有生产率高、建设费用低、生产成本低、 生产周期短、易与连续铸钢配套等优点。转炉炼钢的设备主要包括炉体、倾动机构、托圈、 耳轴等。其中倾动机构是实现转炉炼钢生产的关键设备之一。倾动机构工作特点：减速比 大，为使炉体获得很低的倾动速度，能平稳倾动和准确停位；倾动力矩大，转炉炉体自重 大，再加上装料重量等，整个被倾动部分的重量要达到上百吨或上千吨，要使转炉倾转， 必须在耳轴上施加几百、甚至几千吨力米的倾动力矩；启动制动频繁，承受较大的动载荷； 工作环境高温、多渣尘，表明转炉倾动机构工作的繁重和条件的恶劣。根据转炉倾动机构 的工作特点和操作工艺的要求，应满足：在整个生产过程中，必须安全可靠地运转，能适 应高温、动载、扭振的作用，具有较长的寿命【l 】。 目前我国在大中型氧气炼钢转炉上普遍使用的倾动机构为多点啮合柔性传动机构，大 致可分成“全悬挂和“半悬挂 两种。本文研究对象采用全悬挂式多点啮合柔性支承式 转炉倾动机构，全悬挂减速机所有传动部件包括电动机在内，都放置在二次( 末级) 减速 机箱壳上，并一起吊挂在耳轴上。由于转炉启动制动所产生的冲击力很大，单位重量传送 的扭矩较大，工作环境恶劣，当悬挂减速机中零部件制造工艺、材质、热处理、装配等因 素未达到理想状态时，往往会引起较大的振动、噪声，还会成为诱发机器故障的重要因素。 针对全悬挂多点啮合柔性传动系统的特点，对悬挂减速机进行动力学计算，为正确使用维 护设备、分析解决设备故障提供帮助。减速机中一般都包含齿轮、滚动轴承和轴，而且这 三类主要零部件失效时产生的故障通常会相互影响，所以研究齿轮、滚动轴承和轴的故障 诊断方法对悬挂减速机故障诊断有一定的指导意义。 齿轮和齿轮箱及滚动轴承的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，它是数学、物理、力学、化学、传感及测试技术、电子学、信号处理、模式识别理 论、计算机技术及人工智能、专家系统等学科的综合应用。悬挂减速机在转炉炼钢生产时 处于连续工作状态，一旦出现整体故障或零部件严重损伤，轻者造成停产，严重时会形成 炉体凝固报废，造成的损失与影响都是十分重大的。例如，支撑转炉的耳轴轴承，如果出 现故障造成卡死，其后果不可想象。即使不会卡死，由于该部件属于单件生产，从订货到 安装周期时间长，对于这种大型精密零件企业即使准备备件，但放置维护费用惊人，到使 用时往往达不到实用要求【2 】。转炉系统属于重载超低速运行，且属于非稳定非平稳系统。 解决问题的方法是对转炉悬挂减速机的运行状况实施在线监测和故障预测预报，提高转炉 悬挂减速机运行的安全可靠性，即提高运行维护水平，重视其状态监测和故障诊断。对转 炉悬挂减速机进行状态监测与故障诊断，可实现由事后维修、定期维修到视情维修的根本 转变，减少一些不必要的经济损失，创造更大的经济效益和社会效益，具有重大的意义。 第2 页武汉科技大学 硕士学位论文 本文研究目的是完成转炉悬挂减速机的动力学分析及故障诊断系统的开发。所开发的 软件能够及时地反映运行状态，判断设备有可能出现的问题，防止发生重大事故，把损失 降低在最小范围内。提高故障信号的监测、分析与处理能力己经是当务之急。针对悬挂减 速机低速重载、启动制动频繁的特点，应将先进、有效的分析处理方法运用到故障特征提 取和诊断中去，对此研究应用很有必要。 1 2 齿轮箱故障诊断技术的发展概况与现状 早在2 0 世纪初，人们就己经开始对齿轮箱的振动和噪声进行研究。但直到2 0 世纪6 0 年代中期，齿轮的振动和噪声问题才成为评价一个齿轮装置好坏的重要因素，引起了世界 范围内的广泛关注。英国学者h o p t i z 在1 9 6 8 年就齿轮振动与噪声的机理，发表了一些著 名的研究曲线，阐述齿轮箱的振动和噪声是传动功率和齿轮传动误差及齿轮精度的函数【3 】。 从7 0 年代初开始出现一些简单的齿轮箱故障诊断，仅仅限于直接分析测量如峰值、均方 根值、峰值指标等参数的变化来掌握齿轮的运行状态，用一些简易的方法诊断齿轮和齿轮 箱的故障。从7 0 年代未到8 0 年代中期，b r a n d a l l 和j a m e si t a y l o r 等人对齿轮箱故障诊 断的频域法做了很多有益研究，对齿轮磨损和齿断裂等故障诊断较为成功【4 5 】。美国得克萨 斯州m o s a n t 石油化工公司c j a c k s o n 在j s s h o r e 振动特征分析表的基础上编写了齿轮及 其它旋转机械振动的征兆一般变化规律表，给出了齿轮等振动常见故障及频率特征。1 9 8 4 年，m o r l e t 在研究地球物理信号敏锐地预感到了小波分析在信号分析中的远大发展潜力， 首次提出了小波变换的概念，并积极地推动其发展。目前，小波变换己成为分析非线性、 非平稳信号的重要方法之一。在此基础上相继出现了基于小波变换的多种时频分析方法， 如小波包分解、线调频小波变换、匹配追踪法等。进入9 0 年以后，神经网络、模糊推理 和网络技术的发展和融合使得齿轮系统故障诊断进入了蓬勃发展的时期，如k r a i n a rm a 采用c a i m a n b u c y 滤波建立变速机械非平稳随机振动信号的时变a r 模型的时频特征谱 阵，由其特征谱阵中的特征值作为b p 网络输入层的输入，然后再由网络学习、分类，实 现对变速机械的故障诊断睁l i 】。1 9 9 8 年由美国宇航局n e h u a n g 等人首次提出h i l b e r t h u a n g 变换( h h t ) 的方法。h h t 方法的提出首先是用于分析地震、海洋等典型的非线性、非平稳 信号的。国际上h h t 的应用还涉及信号处理、工程探伤、通信等领域。 当前齿轮箱的故障诊断方法很多，如振动诊断、噪声分析、扭振分析、油液分析、声 放射、温度及能耗监测等。齿轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振动，若发生故障， 其振动噪声信号的能量分布就会发生变化，振动噪声信号是齿轮箱故障特征的载体。对其 振动噪声状况分析，可实现不停机操作状态下的故障诊断，大大减少了由于停机所造成的 巨大经济损失，而且基于振动噪声分析的故障诊断系统性能可靠，操作方便，在我国及世 界范围内得到了广泛的应用。振动噪声诊断方法可分为简易、精密和自动诊断三种。简易 诊断技术，主要是由现场作业人员实施初级技术职能，对设备的运行状态迅速而有效地做 出概括评价，其主要手段是经验评价法。由于齿轮箱振动频率复杂，需要定位诊断故障。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 所以工程实际中大多数情况都需要进行精密诊断，主要是由专业技术人员对简易诊断技术 所测得的信息进行深入细致的分析和处理，从而确定故障性质、类别、部位、原因、程度 乃至发展趋势等各种情况。目前我国齿轮箱故障诊断仍然是以手工分析为主，现有的仪器 和分析系统仅仅为我们提供了必要的手段，但对人的依赖很大。通用的能综合诊断齿轮箱 故障、实用简便的自动诊断或智能诊断系统很少。 在齿轮箱故障诊断研究方面，国内学者也做了大量工作。信号的处理和分析方法从传 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、瀑布图、伯德图中的许多方法的精度和速度在近些年得 到了很大的提高和发展。采用离散频谱校j 下技术提高频谱分析的精度；采用基于复分解带 通滤波器的复调制细化选带频谱分析方法提高细化谱的分析精度和速度：采用基于复分解 带通滤波器的优化希尔伯特变换解调方法以克服解调分析的三种局限性。一些较新的信号 处理方法，如w i 印* l l e 分布技术、循环平稳解调分析、小波分析和希尔波特黄变换解 调等时频分析方法已开始得到应用，并取得一定的效果【1 2 l 。 2 0 0 0 年，重庆大学汽车学院提出了基于建立档案的时频域得分法来进行诊断的故障诊 断方法【l 引。诊断是采用对加速度和速度进行两时域( 时域信号和包络时域信号) 特征值和 三频域( 频谱分析、细化分析、窄带细化包络谱分析) 分析，最后根据由特征值对应的得 分计算总得分的方法来诊断故障。综合考虑了时域和包络时域的能量、冲击指标以及频域 特征参数的影响，从而提高了诊断的成功率。利用该方法实际进行齿轮箱故障诊断时，已 解决了工程中很多齿轮、轴和滚动轴承的故障诊断问题，可认为该方法是齿轮箱故障诊断 中的一种比较有效和实用的方法。 时域分析方法和频域分析方法对齿轮的分布式故障有很好的诊断效果。但是对于齿轮 的局部缺陷，这些诊断方法的应用效果不太理想，这是因为存在局部故障的齿轮啮合时会 产生周期性瞬时冲击，形成冲击振动，使得原来的平稳振动信号成为非平稳信号。而且这 种冲击故障幅度较弱，一般冲击比较轻微，尤其是在冲击故障的早期。小波分析具有多尺 度性和“数学显微”特性，能识别振动信号中的突变信号。利用小波分析良好时频特性，对 齿轮和滚动轴承的早期故障信号加以分析处理，提取故障特征信号【1 4 1 。 河南理工大学机械监测与故障诊断研究所荆双喜，行志刚提出基于同态滤波的低速重 载齿轮故障诊断研究，针对低速重载齿轮箱低频故障信息容易被强噪声淹没的实际问题， 提出了利用同态滤波技术对低速轴齿轮故障特征进行提取的方法【1 5 】。冷军发，荆双喜，陈 东海等提出小波包分析与同态滤波相结合对低速重载齿轮箱的低频故障特征进行有针对 性提取的观点f 1 6 j 。先利用小波包分析对高速轴和中间轴调制产生的故障找出其故障特征； 然后再结合同态滤波分析对输出轴( 低速轴) 调制产生的故障找出其故障特征，由于其调 制频率极低，若用小波包分解后会产生频率混叠现象，而无法进行故障特征提取和识别。 荆双喜，吴新涛，华伟提出了利用h i l b 嘲技术对低速轴齿轮故障特征进行有针对性提取 的观点【1 7 1 。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 武汉科技大学李友荣等提出一种基于广义谐波小波变换的共振解调算法应用于转炉 悬挂齿轮箱耳轴轴承的故障诊断。该方法把低频重复冲击信号转换为重复出现的高频自由 衰减振动，然后再变换成幅值和延续时间均得到放大的低频信号，实现轴承的故障诊断【l 引。 重庆大学周洪煜、封帆帆将小波分析应用于提钒转炉轴承故障发生时其相应的部位将 产生周期性的特征振动信号进行多层次多频带分解，分离特征频率与噪音的频率段，达到 去除噪音的目的。信号重构后再进行频谱分析准确地判断出轴承发生故障的准确部位1 1 9 1 。 周洪煜、王照阳、徐春霞利用b p 神经网络对炼钢转炉耳轴轴承运转时的典型故障和信号 进行学习与分析，设计了一个具有多征兆故障分析和数据管理等功能的故障诊断系统【2 0 】。 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条件。以往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【2 。 1 3 课题主要研究内容 针对全悬挂多点啮合柔性传动系统的特点，对悬挂减速机进行动力学分析，将系统简 化为三质量系统力学模型，通过建立运动微分方程组，并求解得到系统的固有频率、扭振 的角位移和扭振力矩，为正确使用维护设备、分析解决设备故障提供帮助。 对转炉悬挂减速机故障诊断，在通过监测获取大量信息的基础上，从中提取故障特征 进行诊断。根据诊断对象的特征和待诊故障，选择合适的特征量，用统计识别的方法对设 备进行诊断。对于振动信号选取6 个特征值，即均值、均方根值、峰值、峰值因子、偏态 和峭度；对于非振动信号取电机电流电压、转炉炉体的倾角和转速作为辅助信号，用以判 断悬挂减速机的工作所处的工况。传感器将这些信号采集到工控机，又由工控机发到服务 器，在服务器对这些原始数据进行自动分类整理，并存入相应的数据库。由于悬挂减速机 特殊的工作环境，提取振动信号信噪比低，尤其在早期故障时，故障信号的能量很小，它 所引起的变化会淹没在主分量( 常规振动) 与噪声之中。采取有效的信号处理方法从总体 振动与噪声中分离出这些特征，将有助于早期故障诊断与排除。 一般来说，随着振动能量的不同，齿轮箱振动信号中将产生齿轮啮合频率调制、齿轮 固有频率调制、箱体固有频率调制、滚动轴承外环固有频率调制4 种不同的调制现象。不 管齿轮正常与否，齿轮啮合时其啮合频率总会出现，但其它频率只在齿轮、轴承或轴出现 故障时才出现。另外，一旦有故障，在这4 种频率附近都将产生轴的旋转频率及其谐波的 调制【1 2 】。综合运用了功率谱分析、细化谱分析、包络分析、小波分析等方法提取故障特征 频率【2 2 1 。小波分析具有良好的时频局部化特性与特别的降噪能力，为机械故障诊断中的弱 信号提取提供了一条有效的途径。通常用希尔伯特变换提取信号包络【2 3 1 。运用小波包分解 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 和重构技术将信号分解到不同的频段内，实现故障信号与常规振动信号及噪声的分离，再 通过重构感兴趣的频带信号及频率分析，突出了故障信息，提高了诊断效果。减速机作为 机械传动的主要部件，其中齿轮、滚动轴承和轴的工作情况较复杂，各种典型故障一般并 不以单一形式出现，往往多个故障同时发生且相互影响。将b p 神经网络应用于悬挂减速 机故障的识别，利用b p 网络的逼近能力，通过对输出模式与标准模式比较判断输出信号 的类属，完成故障特征到故障类型的非线性映射，建立减速机运行状态的分类器。训练过 的人工神经网络可根据实际系统运行时表现出的征兆，把系统分类为正常状态或异常状态 以及哪( 几) 种故障状态【2 钔。基于上述内容，提出本课题转炉悬挂减速机动力学分析及故 障诊断研究。 总体来说，主要研究内容是： ( 1 ) 介绍转炉悬挂减速机的结构，对其进行动力学分析，将系统简化为三质量系统 力学模型，通过建立运动微分方程组，并求解得到系统的固有频率、扭振角位移和扭振力 矩。了解转炉悬挂减速机的振动特性。 ( 2 ) 对转炉悬挂减速机的主要故障形式、振动机理和故障的主要特征频率进行阐述， 针对悬挂减速机运行特点，提出信号处理与故障诊断的方法。 ( 3 ) 以转炉悬挂减速机作为监测对象，合理地选择测点和监测信号，开发一套转炉 悬挂减速机在线监测故障诊断系统。论述系统硬件、软件设计与开发，基于d e l p h i 高效的 开发平台，有效利用了m a t l a b 强大的科学计算功能和丰富的工具箱，实现软件的功能模块 包括：在线监测、信号分析、故障诊断以及数据库管理等。研制的监测系统能同步、完整、 实时地反映工作过程，合理地存储和管理数据，正确地监测设备状态，对悬挂减速机运行 的异常状态进行分析，并及时做出判断，能较准确诊断出可能发生的故障类别和原因，有 效避免发生重大设备事故。 第6 页武汉科技大学 硕士学位论文 第二章转炉悬挂减速机结构及动力学分析 转炉炼钢要求在一个冶炼周期内完成出钢、倒渣、加废钢、兑铁水、吹炼等操作，需 要倾动转炉多次，庞大的回转体处于启动制动状态。整个系统承受各类激励处于扭转振动 状态，如外力矩、加速度、速度和位移时，施加在各构件之间轴系上的力矩，将随扭转振 动引起振动幅值的变化，呈现出周期性交变力矩。由扭转振动所引起的动载力矩的峰值可 达额定力矩值的二倍至四倍，如不采取有效措施，则将会引起传动构件的疲劳损坏及断裂 事故【2 5 1 。对系统扭振进行动力学分析，为检测系统的故障提供理论依据，保证设备安全运 行，是非常必要的。 2 1 转炉悬挂减速机的结构 某厂1 2 0 t 转炉悬挂减速机的结构如图2 1 所示。该装置采用全悬挂多点啮合柔性传动 ( 简称多柔传动) 。二次减速机大齿轮由四台一次减速机输出轴上的小齿轮同时驱动，一 次、二次减速机及电动机全部悬挂在转炉托圈的耳轴上，二次减速机箱壳通过扭力杆与基 础连接。每台一次减速机均由若干个定位销和紧固螺栓将其箱体与二次减速机箱体联接为 一体，一次减速机输出齿轮轴的远端套装一套滚动轴承，辅助支撑于二次减速机高速轴轴 承座上。即四台一次减速机悬挂于二次减速机上，四点啮合，共同驱动二次减速机中的大 齿轮，二次减速机悬挂于耳轴上，驱动转炉旋转工作，倾翻力矩通过扭力杆装置来平衡【i 】。 采用悬挂安装方式，末级传动轴轴线始终保持平行不会发生偏载，齿轮啮合精度不受耳轴 挠度影响。柔性支承能吸收间隙启动、强力制动时突然加给系统的能量，减小了变载和碰 撞时的冲击作用，保持传动平稳，延长齿轮副的使用寿命。多点啮合方式可以成倍减小大 齿轮轮齿的载荷使设备尺寸明显减小。 1 二次减速机；2 一次减速机；3 扭力杆装置 图2 1 转炉悬挂减速机的结构 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 2 系统力学模型 2 2 1 四分支十二质量系统力学模型 如图2 2 所示为全悬挂四点啮合柔性传动机构简图，图中仅表示出一台一次减速机与 二次减速机啮合状态。 电机联轴搽 矿。 图2 2 全悬挂四点啮合柔性传动机构简图 将各回转部分简化为具有转动惯量的回转体，各轴毂与相互啮合的各级齿轮简化为具 有扭转刚度的弹性体，系统简化为四分支十二质量系统，如图2 3 所示( 注：图中仅表示 一个分支的情况) 。图中，。为悬挂齿轮箱绕耳轴的转动惯量；- ，为转炉炉体及托圈的转动 惯量，即负载端的等效转动惯量；j ，以。为各传动齿轮绕自身轴线的转动惯量；以为制 动轮联轴器绕自身轴线的转动惯量；一，为电机转子绕自身轴线的转动惯量：k 为扭力杆 缓冲装置的等效扭转刚度；k ：为转炉耳轴的扭转刚度；墨、e 、k ，、k 分别为各对齿 轮的啮合刚度；k 。、k 。、k 。、k 。o 分别为各段传动轴的扭转刚度；k 。为电动机轴的扭 转刚度。 支承减速箱壳体的各旋转体山：对应的质量分别为m 。聊。：，各旋转体回转中心 分别为置、r 2 、坞、r 。计算时选取仍仍2 为广义坐标，其中仍、仍、仍为绝对角位 移，f ：4 仍：为各构件相对于悬挂齿轮箱的相对角位移。痧，= a 孽o , d t ，= d 2 缈j d t 2 ，j = 第8 页武汉科技大学 硕士学位论文 l 1 2 。二次减速机( 末级减速机) = z 3 z 4 ，一次减速机( 初级减速机) i 2 = z 5 z 6 ， = z 7 z 8 ，= z 9 z l o ，总速比f = f l i 2 i 3 i 4 ，z 3 z l o 分别表示齿轮3 - - 1 0 的齿数瞵1 。 图2 3 四分支十二质量系统力学模型 其中动能计算时，将各级传动齿轮均作为刚性连接，运动关系由相关的传动比来考虑， 而势能计算时，考虑了各轴段弹性的影响。 系统动能为【2 8 】： r = 争，。驴? + ，：旌+ 厶秀+ 4 ，。( 织+ 晓) 2 + 4 j 5 ( 九+ 矽t ) 2 + 4 j 6 ( 丸+ 唬) 2 + 4 j 7 ( 驴7 + 办) 2 + 4 j 8 ( 识+ 晓) 2 + 4 j 9 ( 办+ 织) 2 + 4 j l o ( 识。+ 唬) 2 + 4 以i ( 晓l + 晓) 2 + 4 以2 ( 唬2 + 晓) 2 + 4 ( m 4 + m 5 ) r ? 衍+ 4 ( 朋6 + m 7 ) r ；驴? + 4 ( m 8 + 朋9 ) 尺；群+ 4 ( 优l o + m 1 1 + m 1 2 ) 尺；衍】 简化为 r = - 【1j 。, 仍2 + 以旌+ 厶秀+ 4 荟1 2 其中 ( 谚+ 识) 2 】 ( 2 1 ) 1 2 彳= j l + 4 ( m 4 + ，z 5 ) 砰+ 4 ( 朋6 + m 7 ) 碍+ 4 ( + 鸭) 碍+ 4 眉 j = 1 u 系统势能为： v = 去 k l 伊? + k 2 ( 仍一缈2 ) 2 + 4 k 3 f p 4 ( - 1 i i ) + 伊i 一仍】2 + 4 k 4 ( 一缈4 ) 2 + 4 k 5 【缈6 ( 一1 i 2 ) 一缈5 】2 + 4 k 6 ( 伊7 一妒6 ) 2 + 4 k 7 【伊8 ( - 1 i 3 ) 一缈7 】2 + 4 k 8 ( 鸭一纯) 2 + 4 k 9 【妒l o ( 一1 f 4 ) 一伤】2 + 4 k l o ( 仍l 一缈i o ) 2 + 4 k l l ( 伊1 2 - f p l l ) 2 ) ( 22 ) 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 2 2 三质量系统力学模型 考虑扭振系统关键轴段( 如扭力杆、耳轴等) 扭矩放大系数及全悬挂支承特点，建立 的力学模型既不失真又要简单，同时保持柔性传动的特点。系统进一步简化为三质量系统 力学模型( 即三自由度系统力学模型) ，如图2 4 所示。 西 砌： 以 。、 厂。、 以以 -k 五 图2 4 三质量系统力学模型 设仍、仍为绝对角位移，伤为相对于悬挂减速机的相对角位移。m 为负载力矩( 转 炉最大倾动力矩) ；m 。为全部电机折算到以( 悬挂减速机各旋转体折算到转炉耳轴上的等 效转动惯量) 的启动力矩。 系统动能为： t = 去【爿衍+ 以谚+ 以( 讧+ 识) 2 + 4 ( j 4 + 以) ( 九+ 哓) 2 + 4 ( j 6 + 以) ( 九+ 张) 2 + 4 ( 8 + ) ( 蟊+ 办) 2 + 4 ( j i o + 以l + 以2 ) ( 巍o + 晓) 2 】 其中九= 一九，九= 如九，蟊= 一f l 之毛九，巍。= 之如宠 令j # j ：+ j + 吃j j 以= 厶+ 4 # ( ，4 + 了5 ) + 4 i 2 i 2 ( j 6 + j 7 ) + 4 f i 2 芝f ；( + ) + 4 l 。1 2 l - 2 2 z 3 2 z - 4 2 ( 以o + - ，l l + 以2 ) 刀= 一4 i i ( j 4 + j 5 ) + 4 i l i 2 ( j 6 + - ，7 ) 一4 i l i 2 i 3 ( + 以) + 4 i l i 2 i 3 i 4 ( d l o + 以l + 以2 ) 得到t = 去( 懈+ 以旌+ 2 场缟+ 以r 2 ) ( 2 3 ) 系统势能为： v = i 1 k 刃+ 【( 仍+ 仍) 一仍】2 + 砭( 伤一仍) 2 一k 2 ( c , 0 3 一仍) 2 ) ( 2 4 ) 式中 l1l111111 一=一-4-4- 一一一i 1 k ；k ：4 k 3 。4 i 2 k 4 4 i 2 k 5 4 f 蚝。4 i 2 i ；k 7 4 f 苦心4 f g 。 1l 一上一 4 午孝考艺墨。4 午考k ， 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 由拉格朗日方程丢 嚣) _ 鬲o t + 荔= q 即 以蔹一k 2 仍+ k ；仍一k ；仍= 一m ( 2 5 ) 雕弱俘鞋甜嘲 娩6 ， 效转动惯量；以j i o 为各传动齿轮绕自身轴线的转动惯量；j 。为制动轮联轴器绕自身轴 扣1 2 m r 22 1l ( 孑1 彩印) ( 铲三脚 娩7 ， ，：! 朋f 生+ 堡1 ( 2 8 ) ，= i m ( ，2 + 寺) = 1i 1 兀( d 2 一爵) 印】丢( d 2 + 爵) = 量印p 4 一刃) ( 2 9 ) ，：三m f ，堕监+ 堡1 ( 2 1 0 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 ( 3 ) 平行轴定理：刚体对一轴的转动惯量，等于该刚体对此轴平行并通过质心之轴的 转动惯量加上该刚体的质量同两轴间距离平方的乘积。 j = j o + m 1 2 ( 2 1 1 ) 根据各旋转体的尺寸利用上述公式计算结果如表2 1 。 表2 1 各旋转体转动惯量及其部分质量 以= 4 0 8 9 4 x 1 0 5 k g m 2以= 5 0 4 9 4 x 1 0 6 k g m 2以= 1 5 0 0 6 x 1 0 5 k g m 2 以= 4 7 2 7 0 8 k g m 2以= 5 9 5 2 9 8 7 1 0 2 k g m 2以= 2 9 6 3 1 k g m 2 研4 = 1 4 5 9 9 x 1 0 3 k g m 5 = 3 0 4 6 5 x 1 0 3 k g 聊6 = 2 4 6 9 6 5 8 k g = 1 6 9 2 7 1 9 x 1 0 2 k g m 2以= o 3 4 2 8 k g m 2 山= 3 6 3 0 3 5 k g m 2 m 7 = 1 2 5 9 6 x 1 0 3 k g脚8 = 6 3 4 9 8 4 k gm 9 = 4 9 0 7 2 8 8 k g 以o = o 0 5 0 2 k g m 2 j l l = 2 8 8 7 9 k g m 2 2 = 6 8 2 k g m 2 m a o = 2 0 4 5 9 9 k g 确l = 2 0 0 k gm 1 2 - 0 k g 2 4 2 刚度 k 。为扭力杆缓冲装置的等效扭转刚度；k ，为转炉耳轴的扭转刚度；墨、疋、k ，、 分别为各对齿轮的啮合刚度；k 。、k 。、k 。、k 。分别为各段传动轴的扭转刚度；k 。 为电动机轴的扭转刚度。计算各刚度的公式如下。 ( 1 ) 扭力杆缓冲装置的等效扭转刚度 如图2 5 所示悬挂减速机( 刚性体o h a ) 及扭力杆缓冲装置( 包括扭力杆v s ；摆杆 a b ，h n ；连杆h a ，a a ) 的弹性变形示意图，实线表示各构件的原始位置，虚线表示 发生角位移后构件的位置。 图2 5 扭力杆系统弹性变形图 其中：k = k = 办，k = = a ，k = ，k = 乇s = 6 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 扭力杆缓冲装置的等效扭转刚度【2 7 l ： gl空降岳+等4-碉16b21723 e j , 1 旺 l 点fl g 兀d 4 3 e 兀d 4 心6 + j j 式中：e 为弹性模量，对于钢材，e = 2 0 6 x 1 0 4 m p a ；f 为连杆a a 截面积；，。为摆杆 a b 的截面惯性矩；g 为材料的剪切弹性模量，对于钢材，g = 8 1 x1 0 4m p a 。 ( 2 ) 圆轴扭转刚度 对于一根长为，直径为d 的圆轴扭转刚度以： k 。：丝：里：业( n m r a d ) ( 2 1 3 ) 缈 z3 2 l 式中：膨为轴所受的扭矩；妒为轴的扭转角；g 为轴的材料的剪切弹性模量，对于钢材， g = 8 1 1 0 4 m p a ；i p 为轴截面