（机械设计及理论专业论文）大型减速机状态监测及故障诊断系统的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文来源于研究所与燕山石化合作项目的开展，主要针对石化行业大型减速机的故 障诊断而进行的研究。厂方减速机的故障诊断早期采取的是定期检修的方式，虽然获得 了一定效果，但是每次都要进行停机检修影响了整个生产线的运行，而且一旦检修不及 时而出现故障，将会造成巨大的经济损失。针对这一问题我们提出设备的状态监测及故 障诊断系统方案。开发了一套应用故障诊断技术、虚拟仪器技术与数据库技术相结合的 状态监测故障诊断系统，解决了设备检修不及时与“过剩维修”带来的问题。 本文首先通过对减速机故障的大量调查及信息搜集，对减速机故障诊断中出现的主 要问题进行了详尽的分析，特别对减速机易出现故障的关键部件轴承和齿轮的诊断机理 进行了研究。并论述了针对这些问题的行之有效的故障诊断方法。 第三章全面阐述了系统开发中所需要的关键技术。包括虚拟仪器、数据库、d l l 、 a d o 等多种技术。一方面，很好的利用了虚拟仪器平台在数据采集与仪器控制、数据 分析和数据表达等方面的优势。另一方面，随着诊断中数据量急剧增长，提出关系型数 据库o r a c l e 的应用，使得系统具有良好的数据库管理功能。 第四章详细探讨并研究了整个系统的设计和实现。系统实现了减速机的状态监测与 故障诊断功能。状态监测模块可以完成振动信号峰值r m s 值等的前台实时显示及自动 报警功能，数据库管理模块包括数据库整体信息查询、在线数据入库、历史数据查询、 故障案例入库及查询、报警值入库及更改、传动关系库与轴承库管理、系统参数在线配 置等。故障诊断模块可以实现自动诊断和手动诊断两种功能，并详细介绍了在减速机诊 断中最为常用的共振解调与倒谱两个分析诊断模块。 最后，我们将系统应用在燕化橡胶厂的减速机上进行跟踪监测诊断。实践表明，应 用本系统能够发现、分析并诊断出故障的位置及类型，证明了系统在减速机状态监测及 故障诊断方面的可行性和实用性。 关键词：减速机；故障诊断；虚拟仪器；数据库 张顺峰：大型减速机状态监测及故障诊断系统的研究 r e s e a r c ho ns t a t 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 mo f l a r g e s c a l e r e d u c e r a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hi sm a i n l yc a r r i e do u to nf a u l td i a g n o s i so ft h el a r g e s c a l e r e d u c e ri np e t r o l e u mc h e m i c a lt r a d e ，w h i c hi se x t r a c t e df r o mt h ep r o j e c to fy a n s h a n p e t r o c h e m i c a c o a n di n s t i t u t i o no fv i b r a t i o n e n g i n e e r i n go fd a l i a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y t h ef a c t o r yc a r r i e do u tf a u l td i a g n o s i st e r m l yb e f o r e t h o u g hi th a v eac e r t a i n g o o de f f e c t ，w h e nn o td i a g n o s e di nt i m e ，i tw i l lb r i n gs e r i o u se c o n o m i cl o s s t oa i dt h i s p r o b l e m ，at o t a ld e s i g np r o j e c th a sb e e np u tf o r w a r d , w h i c hi sb a s e do nt h ef a u l td i a g n o s i s t e c h n o l o g y 、v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y 、d a t a b a s et e c h n o l o g y ，e t c i ts o l v e dt h ep r o b l e m t h a t i sc a u s e d b y d i a g n o s i n g o u to f t i m eo r o v e r m a i n t e n a n c e i nt h i sp a p e r , f r e q u e n tf a u l td i a g n o s i so ft h er e d u c e ra r eg e n e r a l i z e dt h r o u g hag r e a td e a l f a u l t - c a s e so fr e d u c e rw e r e c o l l e c t e d ，a n d t h ef a u l tm e c h a n i s ma n dt h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i v o t a lp a r t so fg e a ra n db e a r i n ga r ei n t r o d u c e di nd e t a i l i nt h em e a n w h i l e ，t h em e t h o d so fv i b r a t i o ns i g n a la n a l y s i sa n df a u l td i a g n o s i sf o rt h e s ec o m p o n e n t sa r e d i s c u s s e d t h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rd e v e l o p i n gt h i ss y s t e ma r ed i s c u s s e di nd e t a i li nc h a n t e r3 t e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gv i r t u a li n s t r u m e n t 、d a t a b a s e 、d l l 、a d o ，e t c o no n eh a n d ，i tt a k i n g a d v a n t a g eo ft h es u p e r i o r i t yo fv i r t u a li n s t r u m e n tp l a t f o r mo nd a t ac o l l e c t i o n 、i n s t r u m e n t c o n t r o l 、s i g n a la n a l y s i s 、s i g n a ld i s p l a y ，e t c ；o nt h eo t h e rh a n d , w i t ht h eg r o w t ho f t h ed a t ai n f a u l td i a g n o s i s ，i tp r o p o s e st h ea p p l i c a t i o no fd a t a b a s e ，o r a c l e ，t om a k et h es y s t e mw i t h g o o dm a n a g e m e n tb yd a t a b a s e t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ew h o l es y s t e ma r ed i s c u s s e da n di n v e s t i g a t e di n c h a n t e r4 s t a t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so fr e d u c e ra p p a r a t u si sr e a l i z e d s t a t e m o n i t o r i n gm o d u l ec a ns c o u ta n dl o gt h ew o r ks t a t eo ft h ee q u i p m e n ta n da i a r mw h e nt h e e q u i p m e n tw o r k sa b n o r m a l l y d a t a b a s em a n a g e m e n tm o d u l e ，i n c l u d i n gd a t as a v i n ga n d q u e r y 、f a u l t c a s e ss a v i n ga n dq u e r y 、t r a n s m i s s i o na n db e a t i n gd a t am a n a g e m e n ta n df a u l t c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sc o n f i g u r a t i o n ，e t cf a u l td i a g n o s i sm o d u l ec o n t a i n sa u t o d i a g n o s i s m o 血l ea n dm a n u a l d i a g n o s i s t h er e s o n a n c ed e m o d u l a t i o nt e c h n i q u ea n dc e p s t r u mi n o d u l e ， w h i c hi su s e df r e q u e n t l yo nr e d u c e rd i a g n o s i sa r ep r e s e n t e de l a b o r a t e l y 大连理工大学硕士学位论文 f i n a l l y ，t h r o u g ht h em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i so nt h er e d u c e ri nr u b b e rf a c t o r yo f y a n s h a np e t r o c h e m i c a lc o ，t h es y s t e mo b t a i n ss i g n i f i c a n td i a g n o s t i cr e s u l t s i tc o n f i r m st h a t t h es y s t e mi sf e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo nt h ed i a g n o s i so f r e d u c e r k e y w o r d s ：r e d u c e r ；f a u i td i a g n o s is ：v ir t u a ii n s t r u m e n t ：d a t a b a s e 独创性说明 作者郑重声明：本硕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 工大学或者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己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 毗胗 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借闺。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：至趾墩垒 导师签名： 驻z l 翌篁年旦月旦日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及课题来源 在工业设备中，减速机的应用渗透于国民经济各个领域，如冶金、物流、石化、化 工、环保、国防等等领域。近几年随着经济的迅猛发展，使得社会化分工与专业化协作得 到了充分的发展，制造业的不断发展使减速机作为独立的产品迅速发展壮大，大量的用户 也将减速机传动装备分列，体现了减速机的专业性和重要性。 作为生产中的关键生产设备，保障减速机的安全运转十分重要。但是由于它们的广 泛存在，很少引起人们的重视，保养不当，其内部很容易出现故障。通常人们只是用听 觉、触觉，根据噪声大小、振动强烈来粗略判断故障原因、故障部位，往往造成误诊和 漏诊。因此，减速机的故障诊断，要求通过监测，在获取机械大量信息的基础上，基于 机器的故障机理，从中提取故障特征，进行周密的分析，才能进行诊断。 本课题来源于大连理工大学振动工程研究所与北京燕山石化橡胶厂合作项目。主要 针对燕山石化橡胶厂用于顺丁橡胶聚合的生产线上减速机装置而提出。论文是基于对该 减速机的状态监测故障诊断系统开发而完成的。 顺丁橡胶是燕化合成橡胶事业部主导产品，产品畅销国内外，在欧洲成为免检产品。 该装置始建于1 9 7 0 年4 月，1 9 7 1 年4 月投产，是我国第一套万吨级顺丁橡胶生产装置。 该装置由聚合、溶剂回收、凝聚后处理等工序构成，其中聚合2 条生产线、凝聚后处理 4 条生产线。经过3 0 多年的不断改进提高，生产技术已基本达到国际先进水平，生产规 模已经达到1 2 万吨年，为国内最大单套生产顾丁橡胶生产装置。聚合2 条生产线为一 成品车间、凝聚后处理4 条生产线为二成品车间。一成品、二成品车间生产过程的环境 十分复杂，它们的生产环境处于高温高压，生产的异常中断将造成巨大的经济损失。因 此，一成品、二成品车间在顺丁橡胶生产过程中具有举足轻重的作用。而减速机装置是 成品车间中的重要组成部分。减速机能否正常工作，直接关系到整个成品车间能否正常 工作，所以针对减速机的状态监测和故障诊断起到了至关重要作用。 一成品、二成品减速机的故障诊断早期采取的是定期检修的方式，虽然获得了一定 效果，但是每次都要进行停机检修，影响了整个生产线的运行。针对这一问题我们提出 状态监测故障诊断系统方案。 1 2 故障诊断的意义 机器的振动是难免的，过大的振动又往往是机器破坏的主要原因，随着现代生产的 飞速发展，设备的自动化程度不断提高，设备的结构也变得越来越复杂，一旦发生事故， 张顺峰：大型减速机状态监测及故障诊断系统的研究 损失将不可估量。因此，设备故障诊断技术也越来越彰显其重要性。随着科学技术与生 产的高度发展，各学科相互渗透、相互交叉、相互促进，设备故障诊断技术成为一个生 命力旺盛的新兴学科。它是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局 部是正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报发展趋势的技术。通俗的说，它是 一种给设备“医病”的技术。 现代工业逐渐向生产设备大型化、连续化、高速化和自动化的方向发展，在提高生 产率，降低成本，节约能源和人力，减少废品率，保证产品质量等方面有很大的优势。 但从另一方面来看，由于机械设备发生故障而停工造成的损失却成比例的增加，维修费 用也大幅度的上升。另外，某些现代尖端设备或结构一旦发生故障还可能招致重大事故。 如一个乙烯球罐停产一天损失产值5 0 0 万元，利润2 0 0 万元：一台大型化纤设备停产 i 小时，损失产值8 0 万元。这表明采用设各诊断技术，保证设备可靠而有效的运行是极 为重要的。 设备故障诊断技术日益获得重视与发展的另外一个重要原因是能够改革维修体制 。1 ，节省大量维修费用。目前，国内对机械设备主要采用计划维修。在许多场合下，这 是非常不合理的，不该修的修了，不仅费时花钱，甚至降低了设备工作性能：该修的没 修，不仅降低设备寿命，而且导致事故。例如：我国的大型钢厂，每年设备维修费用达 2 亿至3 亿元。某港口有5 台1 5 吨带斗机，原规定每台每年小修停机4 5 天，实施状态 与维护后，5 台每年共停机4 5 天，多获产值1 6 0 万元。大量正反事例都表明：对机械设 备，特别是关键设备实施状态监控与故障诊断是必要的。 1 3 国内外研究概况及发展趋势 131 国内外研究概况 故障诊断技术是在计算机技术、现代测量技术、信号处理技术以及预测理论的基础 上形成的一种现代新技术。在国外，它的发展是从2 0 世纪6 0 年代中后期以后开始的。 当时，美国宇航局倡导成立了美国机械故障预防小组，英国成立了英国机器保健中心， 开展了近代机械故障诊断技术的研究。7 0 年代，电子测量技术和频谱分析技术被应用到 故障诊断中，国外机电系统的状态监测和故障诊断技术开始进入实用化阶段，但此时的 振动监测只能给出早期的报警，还有待于进一步的发展。到了8 0 年代中期，以计算机 为中心的现代机械故障诊断技术得到了迅速发展，涌现了许多商业化的计算机辅助监测 和故障诊断系统”。这以后，人工智能理论得到迅猛发展，其中专家系统更被广泛应用 到各个领域中。以信息处理技术为基础的现代机械故障诊断技术开始向基于知识的智能 诊断技术方向发展，著名的有：美国西屋公司1 9 9 0 年已完成的网络化的汽轮发电机组 大连理工大学硕士学位论文 故障诊断专家系统，其三套人工智能化的诊断软件( 汽轮机t u r b i n a i d 、发电机g e n a i d 、 水化学c h e m a i d ) 共有诊断规则近一万条，实际应用中己对保障西屋公司自己生产的机 组的安全运行发挥了巨大的作用；美国b e n t l y 公司1 9 9 3 年推出的工程师帮助软件：日 本三菱重工研制的机械状态监测系统埘m s 等。另外，瑞典的s p m 轴承监测技术，挪威 的船舶诊断技术，丹麦的振动和声发射技术等也在世界占有领先地位“。 国内有关研究始自2 0 世纪8 0 年代初，尽管我国机械故障诊断技术起步较晚，但近 年来发展非常迅速。从国内设备诊断技术学术会议和有关杂志上发表的文章看，我国的 诊断技术己涉及到各行各业，取得了许多成果，获得了明显的经济效益和社会效益。在 现场信号采集与故障诊断仪器及数据管理软件的研制方面，国内有一些大学及研究所推 出了自己的产品，如北京振通检测技术研究所推出的9 0 2 和9 0 3 便携式数据采集器、重 庆大学测试中心的q l s a w 型振动噪声测试分析仪、大连理工大学振动工程研究所推 出的p d m 2 0 0 0 数据采集分析仪及管理软件等。我国机械设备故障诊断的发展经历了从 简易诊断到精密诊断，从一般诊断到智能诊断，从单机诊断到网络诊断的过程，发展速 度愈来愈快。同国外发达国家相比，我国虽然在理论上跟踪较紧，但总体而言，在机械 设备诊断的可靠性、智能化水平和诊断准确率等方面仍有一定差距。 1 3 1 发展趋势 状态监测和故障诊断技术发展趋势总的来说分为两个方面。一方面，随着计算机技 术、网络多媒体通讯技术、现代检测技术、故障诊断专家系统理论、数据库技术等多种 技术发展而来，尤其是远程医疗的空前成功，使得远程故障诊断在学术界及应用工程技 术方面崭露头角。另一方面，目前用于诊断轴承故障的仪器设备的故障诊断信号识别主 要采用模拟检测系统，如f f t 分析仪、幅值分析仪、电平记录仪等，这些系统功能单一， 分析内容不够丰富，开发周期长、成本高、价格昂贵，普通用户难以接受。随着科学技 术的发展，新的处理技术、新的器件、新的机型仍在不停地研制、不断地出现，并迅速 地向前发展，出现了以虚拟仪器为代表地新一代振动信号处理仪。 随着机械设备本身的不断向大型化、自动化、高速化和复杂化方向发展，使得人们 不再满足单机诊断这种封闭式的故障诊断系统，网络及远程诊断系统至少可以完成以下 功能：实现广域范围的设备状态监测、故障诊断与预知维修，通过多层结构的 i n t e r n e t i n t r a n e t e x t r a n e t 可以实现国际互联网、企业内部网和企业间网络的诸多机 械设备状态分散监测、诊断资源共享、诊断任务的协同工作和集中操作管理。企业根据 不同的设备分布情况，建立不同的应用程序网络体系结构。c s 体系故障诊断系统的结 构层次如图”： 张顺峰：大型减速机状态监测及故障诊断系统的研究 图1 1c s 体系故障诊断系统的结构 f i g i 1s t r u c t u r eo ft h ec sf a u l td i a g n o s i ss y s t e m 近些年来随着虚拟仪器技术的发展 8 】，越来越多的应用到故障诊断领域。将虚拟仪 器技术应用到故障诊断领域，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。 采用虚拟仪器技术代替传统测量仪器进行故障诊断方式是具有诊断灵活的优势，该 技术今后在机械故障监测与诊断领域必将有较大的应用前景，可望较大幅度的降低检测 及诊断成本，提高工作效率。该方法符合诊断检测设备智能化、虚拟化的行业发展潮流， 代表了高新技术的发展方向。不仅如此，虚拟仪器振动故障诊断技术还有着很广泛的应 用领域，该技术向其他相关领域的扩展也必将成为具有重大意义的历史必然。 1 4 论文的主要内容和结构 在全面调查和分析燕山石化故障诊断技术应用状况及特点的基础上，本文以燕山石 化橡胶厂成品车间六台减速机为具体研究对象，设计了适用于化工大机组故障诊断的数 据库，自行开发了一套故障诊断系统。 诊断系统采用虚拟仪器技术代替传统测量仪器进行故障诊断方式，使故障诊断更加 灵活。此外，随着故障诊断技术的发展，现代的故障诊断系统大多需要对设备进行全方 位检测，多传感器协调应用，从而有利于获取对目标系统的全面认识，这同时也会使产 生的数据量急剧增长。面对大量的数据信息无论是手工数据管理还是文件系统管理方式 都无法正确反映各类数据之间的密切联系，都不能有效的管理和组织数据，这就使数据 库的应用成为必然。因此，本文采用以数据库为中心，构建虚拟仪器平台下的状态监测 大连理工大学硕士学位论文 与故障诊断系统。 以设备状态监测与设备信息管理的数据库系统为核心，充分利用了数据库完善的诊 断信息，使得该系统能够适用于设各众多的生产线上，在诊断中取得了怠好的效果。系 统设计详细介绍了数据库管理模块的设计、诊断模块设计以及数据库与系统的接口设 计。系统基于c s 开发方式下，应用0 r a c l e 8 0 及l a b v i e w 7 0 实现程序设计。以下是 本论文章节内容的具体安排： ( 1 ) 第一章为绪论，介绍了故障诊断的意义及国内外的发展概况，减速机的故障诊 断简单介绍、本课题立项及工程背景、论文的主要内容等。 ( 2 ) 第二章对减速机的故障机理进行了研究，重点阐述了主要部件滚动轴承和齿轮 的故障机理，并对减速机故障诊断理论基础及典型的诊断方法进行了研究。 ( 3 ) 第三章介绍了系统开发应用的虚拟仪器技术、数据库技术、a d o 技术的应用等。 ( 4 ) 第四章介绍了系统的程序开发，包括数据库管理模块和诊断分析模块的详细开 发设计。阐述了故障诊断数据库的设计工作，包括开发平台，数据管道和数控窗口等关 键技术，同时具体介绍了设备数据库和轴承数据库中关键表的结构及轴承数据库的建立 和数据检索流程等。 ( 5 ) 第五章系统用于工程的实际诊断案例分析。 张顺峰：大型减速机状态监测及故障诊断系统的研究 2 减速机的故障特征分析及诊断方法 减速机是装在原动机与工作机之间，用来降低转速和相应地改变其扭矩。通常分为 两类：单级传动和多级传动。不论是何种传动方式的减速机，构成其内部结构的零部件 是相同的，都是由轴、轴承、齿轮、联轴器、机壳等组成。当减速机出现异常情况时， 一般就是这些零部件出现故障所引起的。因此，减速机的故障诊断也就是针对这几种零 件的故障诊断，各零部件失效百分比如图所示。从表中可以看到，减速机的振动故障有 很多类型，但其中几种常见故障的发生率占了总数的9 0 以上”1 ”，如果能对这些典型故 障做出准确的判断，则可以对减速机运行过程中出现的问题及时做出判断和处理，保证 机组运行的安全。因此，对典型、常发故障诊断技术的掌握有十分重要的工程意义。 本章主要介绍减速机的常见故障诊断机理。通过系统地统计并深入分析了大量的大 型减速机的事故资料，对各种运行事故发生原因及机理、预防措施进行了系统的研究。 从中发现常见的主要故障类型有四类：( 1 ) 轴不平衡、( 2 ) 轴不对中、( 3 ) 滚动轴承故障、 ( 4 ) 齿轮故障。其中主要部件滚动轴承和齿轮的失效百分比占大约8 0 。因此，本章也主 要就滚动轴承和齿轮的故障机理进行了详细的阐述。 表2 1 各零部件失效百分比 t a b 2 1c o m p o n e n t sf a i l u r er a t e 失效零件失效百分比 齿轮 轴承 轴 箱体 紧固件 油封 6 0 1 9 1 0 7 3 1 2 1 轴不平衡故障机理 不平衡是旋转机械最常见的故障。引起转子不平衡的原因有：结构设计不合理，制 造和安装误差，材质不均匀，运行中转子的腐蚀、磨损、结垢、零部件的松动和脱落等。 轴系不平衡的主要故障特征： ( 1 ) 轴频或基频出现蜂值，其他倍频振幅较小； ( 2 ) 径向振动大： ( 3 ) 轴心轨迹成为椭圆形； 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 振动强烈程度对工作转速的变化很敏感。 2 2 轴不对中故障机理 轴不对中通常是指相邻两转子的轴心线与轴承中心线的倾斜或偏移程度。轴不对中 可分为联轴器不对中和轴承不对中，联轴器不对中又可分为平行不对中、偏角不对中和 平行偏角不对中三种情况。 轴不对中的主要故障特征： ( 1 ) 平行不对中：径向出现轴的一倍频、_ - - 倍频峰值，尤以二倍频显著。 ( 2 ) 偏角不对中：轴向振动大，在基频、二倍频甚至三倍频处有稳定的高峰。 ( 3 ) 平行偏角不对中：轴向和径向均发生振动。 2 3 滚动轴承故障机理 滚动轴承的监测诊断技术有很多种，如振动信号分析诊断、声发射诊断、油液分析 诊断、光纤监测诊断等，它们各具特点，其中振动信号分析诊断技术应用最为广泛。在 轴承工况监视与故障诊断的各方法中，振动法由于其适用性强，效果好，测试及信号处 理简单直观等优点而被广泛采用。振动信号作为预知滚动轴承故障的载体，具有很优良 的性质。 2 3 1 滚动轴承的基本类型分类 滚动轴承已是标准化、系列化、通用化、商品化的部件。滚动轴承是机械构造中的 基础运动元件，对机械的运动、做功和发挥机械的功能与效率具有直接的制约功能。滚 动轴承的数据信息繁多复杂，分类方式主要依据轴承所能承受的负荷方向、公称接触角 及滚动体形状按照轴承类型对滚动轴承库的数据进行分类，基本类型如图所示。 厨厨 1 深沟球轴承2 圆锥滚子轴承3 角接触球轴承 图2 1 几种典型轴承结构 f i g2 1s t r u c t u r eo ft y p i c a lr o l l e rb e a r i n g 张顺峰：大型减速机状态监测及故障诊断系统的研究 2 3 2 滚动轴承的典型故障 滚动轴承的主要故障形式有： ( 1 ) 疲劳剥落 滚动轴承工作时，滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，由于交变载荷的作用， 首先在表面下一定深度处( 最大剪应力处) 形成裂纹，继而扩展到接触表面层发生剥落坑， 最后发展到大片剥落，这种现象就称为疲劳剥落。 ( 2 ) 磨损 由于滚道和滚动体的相对运动( 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。磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增 加，降低运转精度。 ( 3 ) 塑性变形 在工作负荷过重的情况下，轴承受到过大的冲击载荷和静载荷，或者因为热变形引 起的额外的载荷，或者当有高硬度的异物侵入时，都会在滚道表面上形成凹痕或划痕。 ( 4 ) 腐蚀 当水分直接侵入轴承时会引起轴承腐蚀。另外，当轴承停止工作时，轴承温度下降 达到雾点，空气中的水蒸气凝结成水滴吸附在轴承的表面上也会引起腐蚀。此外，当轴 承内部有电流通过时，在滚道和滚动体之间的接触点处，电流通过很薄的油膜引起电火 花，使轴承表面局部熔融，在表面上形成波纹状的凹凸不平。 ( 5 ) 断裂 当载荷超过轴承滚道或滚动体的强度极限时会引起轴承零件的断裂。此外，由于磨 削加工、热处理或装配时引起的残余应力、工作时的热应力过大等也都有可能造成轴承 零件的断裂。 ( 6 ) 胶合 所谓胶合是指一个表面上的金属粘附到另一表面上的现象。在润滑不良，高速重载 的情况下，由于摩擦发热，轴承零件可能在极短的时间内达到很高的温度，从而导致表 面烧伤及损坏。 ( 7 ) 保持架损坏 通常由于装配或使用不当而引起保持架发生变形，从而就可能增加保持架与滚动体 之间的摩擦，甚至使某些滚动体卡死而不能滚动，或保持架与内外滚道发生摩擦等均可 能引发保持架损坏。 2 33 滚动轴承的振动信号类型 滚动轴承的振动，原则上分为与轴承的弹性有关的振动和与轴承滚动表面状况有关 大连理工大学硕士学位论文 的振动两种类型 1 0 - 1 2 。前者不论轴承正常或异常，振动都要发生，它虽与轴承异常无关， 但却决定了振动系统的传递特性；后者则反映了轴承的损伤状况。下面分别对滚动轴承 的各种振动进一步讨论。 ( 1 ) 滚动轴承的固有振动 轴承工作时，滚动体与内环或外环之间可能产生冲击，而诱发轴承元件的振动。这 种振动是一种强迫振动，当振动频率与轴承元件固有频率相等时振动加剧。固有频率仅 取决于元件本身的材料，形状和质量，与轴转速无关。一般滚动轴承元件固有频率由数 千赫到数十千赫，是频率非常高的振动。根据频带不同，在轴承故障诊断中可利用的固 有振动有三种： 轴承外圈一阶径向固有振动，其频带在( 1 - - 8 ) k h z 范围内。在诸如离心泵、风机、 轴承寿命试验机这类简单机械的滚动轴承故障诊断中，这是一种方便的诊断信息。 轴承其它元件的固有振动。其频带在( 2 0 - - 6 0 ) k h z 范围内，能避开流体动力噪声， 信噪比高。 加速度传感器的一阶固有频率。合理利用加速度传感器( 安装) 系统的一阶谐 振频率作为监测频带，常在轴承故障信号提取中收到良好效果，其频率范围通常选择在 1 0 k h z 左右。 ( 2 ) 承载状态下滚动轴承的振动 滚动轴承在承载时，由于在不同位置承载的滚子数目不同( 图2 2 ) ，因而承载 刚度有变化，引起轴心起伏波动。它由滚动体公转而产生，这种振动有时称为滚动体的 传输振动。其振动主要频率成分为正+ z 。其中z 为滚动体数目，工为滚动体公转频率。 移 炝莎 j 台 淦炙 图2 2 滚子数目不同对承载位置的影响 f i g 22n u m b e r so ft h er o l l e rb e a r i n g sa f f e c tt h ef o r c e 轴承刚度非线性引起的振动 张顺峰：大型减速机状态监测及故障诊断系统的研究 滚动轴承是靠滚道与滚动体的弹性接触来承受载荷的，具有弹簧的性质。当轴承的 润滑状态不良时，就会呈现非线性弹簧的特性。 例如，轴向的弹簧特性如图2 3 所示。非线性导致在推力方向产生异常振动，其频 l ，l ， 率有轴的旋转频率正及高次谐波2 厶，3 工，分数谐波互厶，j 六，但是这种 振动多半发生在深槽球轴承上，在自动调心型和滚子轴承上不常发生。 j 一一j 劣 厂 一 轴向世鲁 图2 3 非线性弹簧特性 f i g 2 3n o n l i n e a rs p r i n gc h a r a c t e r i 5 t i o 轴承制造或装配的原因引起的振动 a 加工面波纹引起的振动，其频率比滚动体在滚道上的通过频率高很多倍。 ，7 上， b 轴弯曲或轴装歪，由于轴承偏斜引起的振动，其振动频率成分为儿1 儿。 c 滚动体大小不均匀引起的振动，其频率包括滚动体公转频率，c 及矾土，a ( 其中 n = l ，2 ) 。频率数值一般在l k h z 以下。 d 装配过紧或过松引起的振动，见图2 4 。当滚动体通过特定位置时，会产生频率相 应于滚动体通过周期的周期振动。 ，搬动波形 i _ i i - k 本咿 i 卜一 转动体 通过周 期 图2 4 装配过紧引起的振动 f i g 2 4v i b r a t i o nw a v e f o r mo ff i t t i n gt i g h t l y 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 异常轴承的振动 滚动轴承异常的羊中类是各种各样的，滚动轴承在运行过程中出现的故障按其振动信 号的特征不同可以分为两大类：一类为均匀磨损类故障：另一类称为表面局部损伤故障， 包括点蚀，剥落，损伤等。 均匀磨损类故障 一般来说，在正常使用情况下，滚动轴承工作表面磨损故障经历时间较长，是一种 渐变性故障。由图可见，磨损与正常轴承的振动相比，两者都是无规则的，振幅的概率 密度大体均为正态分布，频谱亦无明显差别，但磨损后振动水平( 幅值) 明显高于正常轴 承，这就是磨损故障引起的振动信号的基本特点。对于磨损故障通常做法是监测振动的 有效值和峰值，如果明显高于正常轴承，即判定为磨损。由于磨损不会马上引起轴承破 坏，其危害程度远小于表面损伤类故障。 表面局部损伤类故障 对于表面局部损伤类故障，当损伤点滚过轴承元件表面时要产生突变的冲击脉冲 力。该脉冲力是一宽带信号，所以必然覆盖轴承系统的高频固有振动频率而引起谐振。 表面局部损伤故障产生的冲击振动成分从性质上可以分为两类； a 由于轴承元件工作表面损伤点在运行中反复撞击与之相接触的其他元件表面而产 生的低频振动成分，也称为“通过振动”。其发生周期7 r 是有规律的，可以从转速和轴 承的几何尺寸求得。而且，损伤发生在内，外圈或滚动体上时，该频率正= 1 不同。 这一轴承“通过振动”发生的频率称为故障特征频率。利用频谱分析诊断轴承故障时， 基本原理就是察看轴承振动信号中有无故障特征颓率成分，若有则可以根据这些频率成 分的大小进一步确定故障发生的部位。滚动轴承故障特征频率一般在l k h z 以下，是滚 动轴承故障的重要特征之一。 b 由于损伤冲击作用而诱发的轴承系统的高频固有振动成分。轴承系统的高频固有 振动很复杂，如轴承内，外圈的径向弯曲固有振动，滚动体的固有振动，甚至测振传感 器的固有振动都可由于损伤冲击而产生并反映在轴承的振动信号中。通常测轴承振动时 往往把传感器布置在轴承座上测外圈的振动，所以轴承外圈的径向弯曲固有振动频率是 一个重要参数。通过检测轴承振动信号中是否存在高频固有振动是目前滚动轴承振动诊 断中所采用的共振解调法的基本出发点。 2 3 ，4 滚动轴承的故障特征频率计算 诊断中必须识别和提取轴承故障引起的振动的特征频率：滚动轴承的滚动体有滚珠 和滚子两类滚动体，它的大小和数量直接影响轴承的载荷能力。按所承受载荷方向和公 张顺峰：大型减速机状态监测及故障诊断系统的研究 称接触角a 的不同又分为向心轴承和推力轴承两类( 公称接触角a 指轴承中套圈与滚动 体接触处的法线和垂直于轴承轴线平面间的夹角) 。向心轴承公称接触角从o 。n 4 5 。主要 承受径向载荷，推力轴承公称接触角从4 5 。n 9 0 。，主要承受轴向载荷。轴承特征频率计 算如表2 2 。 表22 特征频率计算公式 t a b 2 2c h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yc o m p u t a t i o n 8 if o r m u l a 表面剥落的位置冲击振动的特征频率 内滚道 滚道 滚动体 保持架 工= 甜+ 吾 正= 三( - 一矿ds 口) 五= 等小一扣2 刁 正= 去正( 1 + 鲁c 。s 口) z ( 碰内环) 正= 三工( 1 一号c 。s 口) z ( 碰外环) 2 4 齿轮故障机理 24 1 齿轮的典型故障 由于齿轮制造，操作，维护以及齿轮材料、热处理、运行状态等因素的不同，产生 异常的形式也不同，常见的齿轮异常有以下几种形式。 r 1 ) 齿面磨损 润滑油不足或油质不清洁，将造成齿面剧烈的磨粒磨损，使齿廓显著改变、侧隙加 大，以至由于齿厚过度减薄导致断齿。 f 2 ) 齿面胶合和擦伤 重载和高速的齿轮传动，使齿面工作区温度很高。如润滑条件不好，齿面间的油膜 破裂，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，在齿面上形成垂直于节线的 划痕胶合。新齿轮未经跑合时，常在某一局部产生这种现象，使齿轮擦伤。 f 3 ) 齿面接触疲劳 齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点 大连理工大学硕士学位论文 两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环 变化的剪应力。当这种剪应力超过齿轮材料的剪切疲劳极限时，表面将产生疲劳裂纹。 裂纹扩展，最终会使齿面金属小块剥落，在齿面上形成小坑，称为点蚀。当“点蚀”扩 大，连成一片时，形成齿面上金属块剥落。此外，材质不均或局部擦伤，也易在某一齿 上首先出现接触疲劳，产生剥落。 ( 4 ) 弯曲疲劳与断齿 轮齿承受载荷，如同悬臂梁，其根部受到脉冲循环的弯曲应力作用。当这种周期性 应力超过齿轮材料的弯曲疲劳极限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展。当剩余部分无 法承受外载荷时就会发生断齿。齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质不均也都可 引起断齿。断齿和点蚀是齿轮故障的主要故障模式。 齿轮异常还可分为局部的和分布的。前者集中于某个或几个齿上，后者分布在齿轮 的各个齿上。下图给出齿轮常见异常形式。 ( i ) 齿面磨损( 2 ) 齿面胶合( 3 ) 齿面点蚀( 4 ) 轮齿折断 图2 5 齿轮常见异常形式 f i g 2 5t y p i c a lf a i l u r e so fg e a r 2 4 2 齿轮的振动信号类型 ( 1 ) 齿轮振动分析 若以一对齿轮作为研究对象，若忽略齿面上摩擦力的影响，则其振动方程为： m ，z ”+ c x + k ( t ) x = k ( t ) e 1 + k ( t ) e 2 0 ) ( 2 1 ) 式中： 工沿作用线上齿轮的相对位移 c 齿轮啮合阻尼 张顺峰：大型减速机状态监测及故障诊断系统的研究 k ( ) 齿轮啮合刚度 m ，齿轮副的等效质量 m 一：竺! ：竺； 脚1 + m 2 止- 齿轮受载后的平均静弹性变形 互( f ) 齿轮的误差和异常造成的两个齿轮间的相对位移( 亦称故障函数) 。 k ( o e - 与齿轮的误差和故障无关，称为常规啮合振动 k ( t ) e 2 ( r ) 取决于齿轮的啮合刚度置( f ) 和故障函数e 2 ( f ) 。啮合刚度眉( f ) 为周期 性的变量。可以说齿轮的振动主要是由足( f ) 的这种周期变化引起的。 k ( f ) 的变化可由两点来说明：一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一轮齿的 剐度发生了变化；二是随参加啮合的齿数在变化。 每当一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的啮合刚度就变化一次。 若齿轮副主动轮转速为齿数为z 。，从动轮相应为一：和z ：，则齿轮啮合刚度的变化 频率( 啮合频率) 及它们的谐频为 正= n f , z t = 惕z ：2 击z z 2 裔z z ( = 1 ，2 ，3 ) ( 2 2 ) 齿轮处于正常或异常状态下，啮台频率振动成分及其谐波总是存在的，但两种状态 下的振动水平是有差异的。从此意义上讲，根据齿轮振动信号啮合频率及其谐波成分诊 断故障是可行的。但仅是这些还不够，因为故障对振动信号的影响是多方面的，这就是 下面提出的幅值调制、频率调制以及其它振动成分问题。 ( 2 ) 齿轮振动信号中的调幅、调频现象 幅值调制 幅值调制是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响造成的。例如，齿轮的偏心造成齿 轮啮合时一边紧一边松，从而产生载荷波动，使振动幅值按此规律周期性地变化。又如， 齿轮加工造成节距不均匀及类似故障，使齿轮在啮合中产生短暂的“加载”和“卸载” 效应，也会产生幅值调制。 若t ( f ) = a 。s i n g 矾f + 卿为啮合振动载波信号，。( f ) 2 i + b c o s 2 矾。为齿轮轴的旋转调 制信号，则调制后的信号为 x ( r ) = a ( i + b c o s 2 矾f ) s i n ( 2 矾f + 中)( 2 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 = a s i n ( 2 n f 。t + d 9 ) + 0 5 a bs i n 2 z ( 工+ 厶) t + 】+ o 5 a bs i n d r ( 工一厶) t + 西 式中一为振幅；b 为调制指数：f n 为调制频率( 即齿轮旋转频率) 。 x ( 0 在频域可表示为 j j 刊= 爿t 必厂一z ) + n 5 爿刚z l ) + o s a a 5 j ( f 一五+ z ) 调制后的信号，除原来的啮合频率分量外，增加了一对分量( 工+ 工) 和( 正 它们以工为中心，以 为间距对称分布于正两侧，所以称为边频带，见图2 6 。 tx 半， ( 鑫) l i | l * 也一旁l 山m b 山乜 | 嗡l| 图2 6 齿轮边频带频谱的形成 f i g 26g e a rs i d e b a n df o r m a t i o n ( 2 4 ) 一l ) 。 对于实际的齿轮振动信号，载波信号和调制信号都不是单一频率的。一般地说，均 为周期函数。由式( 2 1 ) 可知，一般情况下，齿轮的激振函数为x ( t ) e