（船舶与海洋工程专业论文）船舶齿轮箱故障诊断系统研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。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过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：颦一日期：剑 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：世务鬲导师( 签名) ：爱孔易审 日期：弘l 。f 绣 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 船舶齿轮箱故障诊断技术是- - f l 正在不断发展和完善的课题。它具有保障 传动系统正常运行，预防突发事故，节约维修保养费用等特点，在现代化大型 船舶航行作业中发挥着重要的作用。随着振动信号处理技术的不断进步，齿轮 箱故障诊断技术取得了较大进展。新时频方法的不断涌现，增强了对非平稳振 动信号分析的有效性和准确性，奠定了对船舶齿轮箱实施故障诊断的坚实基础。 本文以大型巡航救助船中传动齿轮箱为具体的研究对象，在振动信号测试、 处理、分析的基础上对齿轮箱进行故障诊断。由于齿轮箱中的齿轮与滚动轴承 是重要零件，其故障率也最高，因此它们的故障尤为值得关注，是文中研讨的 重点。 全文结构如下： 第1 章：介绍课题研究的背景与意义。综述了机械设备状态监测与故障诊 断的国内外发展现状。指出了齿轮箱故障诊断研究的主要领域。总结了振动信 号的分析方法。最后简述了课题的来源及本文的研究内容。 第2 章：详细总结了齿轮箱中齿轮及轴承的故障形式及其产生的原因。介 绍了齿轮副的振动机理以及各种激励因素对振动信号的影响，并分析了由于齿 轮、轴承故障所引起的冲击对振动信号产生的调制作用。 第3 章；对于齿轮和轴承的振动信号，分别从时域和频域两个方面介绍各 种常用分析方法的原理、适用范围及优缺点，针对单一时域或频域分析的不足， 应用了十分适合处理非平稳信号的一种时频方法一小波分析法。 第4 章：首先介绍了时频分析、小波变换的基本理论，在此基础上通过m a t l a b 的小波工具箱对齿轮点蚀故障进行信号分析与处理，结果充分体现了小波分析 的优点，表明该方法是一种有效的分析手段。文中也提到了这种时频分析方法 的局限性。 第5 章：总结本文的工作和创新点。指出小波变换需要完善和解决的问题。 关键词：船舶齿轮箱；故障诊断；振动信号；时一频分析理论；小波变换 。ll。卜 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yo fm a r i n eg e a r b o xi sas u b j e c tt h a tn e e dt ob e d e v e l o p e da n di m p r o v e d i th a st h ec h a r a c t e rt h a te n s u r et r a n s m i s s i o ns y s t e mr u n n i n g n o r m a l l y , p r e v e n ta c c i d e n t ，s a v em a i n t e n a n c ec o s ta n ds oo n ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h es a i l i n ga s s i g n m e n t so fm o d e r nl a r g em a r i n e s w i t ht h ea d v a n c eo fv i b r a t i o n s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , f a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yo fg e a r b o xh a v em a d eg r e a t p r o g r e s s w i t ht h en e wl i m e - f r e q u e n c ym e t h o d se m e r g i n gc o n s t a n t l y , t h ee f f e c t i v e n e s s a n da c c u r a c yo ft h en o n - s t a t i o n a r yv i b r a t i o ns i g n a l sw i l lb es t r e n g t h e n e d ，t h es o l i d f o u n d a t i o nw i l lb ee s t a b l i s h e do ni m p l e m e n t a t i o no ff a u l td i a g n o s i so fm a r i n e g e a r b o x i nt h i st h e s i s ，t r a n s m i s s i o ng e a r b o xo fl a r g ec r u i s es a l v a g es h i ph a sm a d ea s s t u d yo b j e c t ，t h ef a u l td i a g n o s i so fg e a r b o xa r eb a s e do nt h et e s t i n g , p r o c e s s i n ga n d a n a l y s i so ft h ev i b r a t i o ns i g n a l s b e c a u s et h eg e a r sa n dr o l l i n gb e a t i n g sa l ei m p o r t a n t p a r t si nt h eg e a r b o x ，w h o s ef a i l u r er a t ei sa l s ot h eh i g h e s t ，s ot h e i rf a u l ti sn o t a b l ea n d w i l lb et h ek e yo fr e s e a r c hi nt h i sp a p e r t h es t r u c t u r eo f t l l i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： c h a p t e ro n e ：t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c hs u b j e c ta r e i n t r o d u c e d t h ed o m e s t i ca n df o r e i 印d e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i t u a t i o no fc o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n df a u l t sd i a g n o s i so nm e c h a n i c a le q u i p m e n ti sb r i e f l ys u m m e du p t h e m a i nf i e l d so ff a u l t sd i a g n o s i sr e s e a r c ho ng e a r b o xa r ep o i n t e do u t t h ea n a l y t i c a l m e t h o d so fv i b r a t i o ns i g n a la l es u m m a r i z e d a tl a s tt h eo r i g i no ft h i sr e s e a r c hs u b j e c t a n dr e s e a r c hc o n t e n ta r eb r i e f l yi n t r o d u c e d c h a p t e rt w o ：t h ef a u l tf o r m sa n dc a u s e so fg e a ra n db e a r i n gw h i c ha r ei nt h e g e a rb o xh a v eb e e nd e t a i l e d l ys u m m a r i z e d v i b r a t i o nm e c h a n i s ma n dv i b r a t i o ns i g n a l e f f e c tw i t hd i f f e r e n ti n s p i r i tf a c t o rh a v eb e e ni n t r o d u c e d ，a n da n a l y z e dc o n c o c te f f e c t b e c a u s eo fc o n c u s s i o nw h i c hi sc a u s e db yf a u l to fb e a r i n ga n dg e a r c h a p t e rt h r e e ：f o rv i b r a t i o ns i g n a lo fg e a ra n db e a t i n g , p r i n c i p l e ，a p p l i c a t i o n r a n g e , a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ev a r i o u sc o m m o nm e t h o d sh a v eb e e n i n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l yf r o mt w oa s p e c t so ft i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n ，f o r d i s a d v a n t a g e so fs i n g l et i m ed o m a i no rf r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s ，w a v e l e ta n a l y s i s 武汉理工大学硕士学位论文 h a sb e e np r o p o s e d ，w h i c hi sak i n do ft i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d ss u i t a b l ef o r p r o c e s s i n gt h en o n - s t a t i o n a r ys i g n a l c h a p t e rf o u r - f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r i e so ft i m e f r 鹎u e n c ya n a l y s i sm e t h o da n d w a v e l e tt r a n s f o r m h a v eb e e ni n t r o d u c e d ，a n db a s e do nt h i s ，t h r o u g hm a t l a bw a v e l e t m o l b o xt h e g e a rp i t t i n g c o r r o s i o nf a u l t s i n g a li sa n a l y z e da n dp r o c e s s e d ，t h e a d v a n t a g e so f w a v e l e ta n a l y s i sh a v eb e e nf u l l ye m b o d i e db yt h er e s u l t s ，i ti ss h o w n t h a tw a v e l e ta n a l y s i sm e t h o da ne f f e c t i v e a n a l y s i st e c h n i q u e t h i sp a p e ra l s o m e n t i o n e dt h el i m i t a t i o n so fw a v e l e tt i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d c h a p t e rf i v e ：t h ew o r ka n di n n o v a t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o na res u m m a r i z e d t h e p r o b l e m st h a ta r en e e d e dt oi m p r o v ea n ds o l v e o nw a v d e tt r a n s f o r ma r ep o i n t e do u t k e yw o r d s ：m a r i n eg e a rb o x ；f a u l td i a g n o s i s ；v i b r a t i o ns i g n a l ；t i m e - f r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i st h e o r y ；w a v e l e tt r a n s f o r m i i ! 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景与意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文研究的意义及目的5 1 4 本课题的来源及主要工作内容6 第2 章诊断理论基础7 2 1 齿轮箱的故障类型7 2 1 1 齿轮失效的常见形式及原因8 2 1 2 滚动轴承的常见失效形式及原因1 0 2 2 齿轮箱的振动机理及分析1 1 2 3 齿轮故障振动信号的调制1 4 2 3 1 幅值调制1 4 2 3 2 频率调制1 7 2 3 3 齿轮振动信号调制特点1 9 2 4 齿轮故障振动信号的其他成分1 9 2 4 1 附加脉冲1 9 2 4 2 隐含成分：。i j 。：。- ：+ 2 0 2 4 3 轴承振动2 1 2 5 本章小结2 1 第3 章齿轮箱信号分析及振动诊断2 2 3 1 齿轮振动信号的时域分析2 2 3 1 1 有量纲型的幅值参数2 2 3 1 2 无量纲型参数2 3 3 1 3 时域同步平均2 3 3 2 齿轮振动信号的频域分析2 5 3 2 1 功率谱( 频谱) 分析2 5 3 2 2 倒频谱分析2 6 3 3 故障轴承的振动信号特征2 8 3 3 1 疲劳剥落损伤2 8 i v 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 2 磨损2 9 3 3 3 胶合2 9 3 4 滚动轴承的振动诊断。2 9 3 4 1 分析频带选择2 9 3 4 2 监测参数的选择3 0 3 4 3 冲击脉冲法( s p m 法) 3 0 3 4 4 共振解调法3 1 3 4 5 因素判断法3 1 3 4 6 其他判别法3 2 3 5 齿轮箱振动信号处理对小波分析的内在需求3 3 3 6 本章小结3 4 第4 章齿轮箱振动信号的时频小波分析3 5 4 1 时频分析的基本概念3 5 4 1 1 非平稳随机信号3 5 4 1 2 时频分析的由来及分类3 6 4 2 小波分析理论3 7 4 2 1 连续小波变换3 7 4 2 2 离散小波变换3 9 4 2 3 小波的分解与重构4 0 4 2 4 小波包分析；，i “一；“4 1 4 2 5 机械信号处理中常用的小波4 2 4 3 基于小波分析的振动信号分析4 4 4 3 1 小波检测信号的理论分析4 4 4 3 2 实验系统的构成：4 7 4 3 3m a t l a b 软件简介4 7 4 3 4 用小波变换检测齿轮点蚀故障4 8 4 4 本章小结5 1 第5 章总结与展望5 2 致谢5 6 参考文献5 3 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 随着现代工业及计算机与电子技术的飞速发展，生产设备日趋大型化、精 密化、高速化、自动化和智能化。机器设备各方面性能指标愈来愈高，工作强 度愈来愈重，生产体系规模持续加大，各部分的关联也变得愈来愈密切，从而 使它在生产中的地位显得越发重要。功能齐全、构造复杂的设备，极大地满足 了提高生产率、节约能源、降低成本、减少废品率等现代化绿色大生产的要求， 然而一些关键设备的正常运行状况能否得到保障，将直接关系到一个行业发展 的各个层面。一旦关键机器设备发生故障停机，不仅设备受损、停工，造成十 分巨大的经济损失，而且可能危及人身安全、造成环境污染，带来严重的社会 问题。 当前，造船技术与远洋运输事业有了飞速发展。为满足航运企业低成本、 高效益的要求，现代船舶的轮机人员趋于减少，逐渐用结构日益复杂、性能日 趋优越的船舶机械装置替代了。它的运行情况直接关系到船舶的安全及经济效 益，所以准确有效地掌握船舶机械的工作状态并及时无误地预测潜在故障，已 成为船舶设备管理追求的目标。 ， 作为传递动力和运动的齿轮箱，由于它具有传动比固定、结构紧凑、传动 精度高等优点，广泛应用于各种机器设备之中。对于船舶传动装置，它也是极 为重要的通用传动部件，能将发动机的功率传给螺旋桨。一般浆的转速越低， 直径越大，其效率越高。这种起减速、动力传递桥梁作用的齿轮传动设备称为 船用减速齿轮箱。齿轮箱除了用于传动螺旋桨外，还广泛用来传动发电机及其 它的辅助机械。齿轮箱装置是动力传递的核心，它出现故障必然造成机械系统 的瘫痪或使船舶的航行任务不可如期完成。例如，我国某科学测量船在一次科 考航行活动中跚，发现主齿轮箱传动齿轮局部折断，因此该船只得被迫减速航行， 以致影响到了整个船队的考察任务。 由此可见，齿轮箱作为船舶的重要传动部分，发展其故障诊断技术，监测 齿轮箱的运行状态：一是可以减少或避免由于零部件的故障导致整套动力设备 停止运行及突发恶性事故。二是能帮助维护技术人员及时正确地发现各种异常 武汉理工大学硕士学位论文 状态或故障源，以便尽快查明故障原因，预测故障的影响，从而实现有计划、 有针对性地按状态进行维修，即视情维修。这就充分挖掘了齿轮箱的潜力，延 长服役时间和使用寿命，提高了设备运行的安全性、可靠性与有效性，将故障 损失降低到最低水平。三是有针对性、有计划的视情维修能安排时间在维修前 做好充分的准备工作，有利于提高维修质量并且减少了平时的备件储备。在对 设备最有利的时间进行拆卸保养，可避免过剩维修，从而从总体上降低费用。 总之，研究齿轮箱监测与诊断技术对保证船舶设备的正常运行、工作人员 的人身安全，实现齿轮箱由定期维修、事后维修到视情维修的根本转变，减少 一些不必要的经济损失，从而创造更大的经济、社会效益，具有十分重要的意 义。 1 2 国内外研究现状 监测与故障诊断技术是由于军工、航天的需要而发展起来的，美国是最早 开展研究工作的国家之一。1 9 6 1 年阿波罗计划启动后发生了由于设备故障原 因所造成的一系列事故，美国有关部门十分重视，后来，在美国宇航局( n a s a ) 与海军研究室( o n r ) 的关注下，召开了以“明确课题的含义、组织问题及有 组织地开发监测与诊断技术 为议题的“机械故障防御小组( m f p g ) 成立大 会。1 9 7 1 年，由美国国家标准局( n b s ) 领导的m f p g 下设了检测诊断与预测 技术、故障机理研究、材料耐久性评价、可靠性设计四个小组。另外，在应用 声发射技术对静设备故障诊断方面，锅炉压力容器检测中心( 由美国机械工程 师学会( a s m e ) 领导) 取得了重要研究成果，其他的还有例如t e d e c o 、s p i r e 、 j o h n sm i t c h e l 公司分别在润滑油液分析诊断技术、军用机械轴与轴承的诊断技 术、超低温水泵和空压机监测技术上处于国际领先优势。 2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，英国以科拉科特( r a c o l l a c o r ) 为首的机器 保健中心( u k m e c h a n i c a lh e f l t hm o n i t o r i n gc e n t e r ) 着手对状态监测与故障诊 断技术展开工作。1 9 8 2 年，沃福森工业维修公司( w i m u ) 在曼彻斯特大学成 立了，它主要的任务就是教育培训和状态监测与故障诊断研究。 欧洲的其他国家，设备状态监测与故障诊断技术在如挪威的船舶诊断、瑞 典s p m 仪器公司的轴承监测，丹麦b & k 公司的传感器制造等某一方面占有独 特的优势。 相比美国故障诊断技术在核工业乜钔、航空等部门的领先优势，日本则在如 2 武汉理工大学硕士学位论文 钢铁冶炼、铁路运输、化学工业等行业取得了快速发展，并有先进的水平。日 本积极关注其他国家设备故障诊断技术的状况，努力引进并吸收最新技术来达 到发展壮大自己的目的。它尤其注意研制诊断设备，最为有名的是在机械基础 零件的故障诊断技术方面做了较为深入系统研究的国立船舶技术研究所和机械 技术研究所。此外，相继设立的专业研究机构有机械学会、日本机械维修学会、 电气学会及计测自动控制学会等。与此同时，一些高校先后也开展了这方面的 研发工作，进行了学术探讨，有名的东京大学、早稻田大学、东京工业大学以 及东北大学等学校发表了许多有价值的学术论文。一些如国际机械振动公司 ( m ) 、三菱重工、东京芝蒲电器等著名企业开发的与工业生产实际联系紧密、 水平较高的应用项目，以及撰写的研究论文也是重要的科研成果。 我国在设备故障诊断技术方面的发展与国外有类似的经历，1 9 7 9 年以前， 主要是高等院校与一些研究部门依托其人才资源和试验设备的优势条件，逐步 在这方面进行理论和局部范围内的工程技术应用研究。后来一些装置的机组多 次发生重大事故，再加上如3 0 万吨合成氨等一批大型石化装置的引进，促进了 主管部门对故障诊断这项技术的重视。 在1 9 7 9 年到1 9 8 3 年这段时间内，我国主要是学习美、日、英等发达国家 的经验和先进技术，逐渐深入研究一些故障机理、诊断方法等故障诊断技术， 进入到了简易监测诊断仪器研制的实践阶段。尔后，国家经委颁布了国营工 业交通企业设备管理试行条列，成立了如冶金部设备诊断研究室、化工部振动 检测中心等专门的研究机构，这对我国机械故障诊断技术的研究工作起到很大 的推动作用。在国内成立的学术团体机构，举办的学术论坛和会议也交流探讨 了该领域内国内外方方面面的成果及发展趋势。 进入2 1 世纪以来n 3 ，由于世界高新科技的发展极为迅速，国际学术交流分 外活跃，仪器厂家系列产品不断推陈出新，从而有力推动了诊断工作。无论在 理论上还是在实践上，故障诊断技术都进入了一个新的历史阶段。目前，我国 在计算机监测与故障诊断软件开发等领域的技术水平同发达国家相比，其差距 已极大减小h 】，完全可以满足我国工程实际的需要，与世界先进水平同步。 对于齿轮箱的监测与故障诊断技术，在上世纪7 0 年代初陆儿刀，其诊断方法 只是局限于直接测量分析一些简单的振动参数，如均方根值r m s 、振动峰值p k 等。通过观察、分析这些参数的变化情况来掌握齿轮的运行状态，为了达到排 除机器载荷变化因素影响的目的而又采用例如峰值系数c f 等无量纲参数。用这 些简易方法对齿轮和齿轮箱的故障进行诊断所形成的弊端是结果灵敏度较差、 武汉理工大学硕士学位论文 诊断准确率不高，当然在某些方面还是取得了一定的成绩。在上世纪7 0 年代末 到上世纪8 0 年代中期，齿轮箱故障诊断技术以b r a n d a l l 和i t a y l o r 等人做的研 究较为突出，在频域分析方向上的发展很快，对齿轮的磨损、轮齿断裂等故障 诊断较为成功，积累了一些故障诊断实例，这为学者们在故障诊断方面的后续 研究工作奠定了基础。 在多数情况下，仅仅依靠研究单一的某一方面是无法有效地解决故障诊断 中相当复杂的问题，因此，必须从各个角度、各种相关学科中广泛探求有利于 故障诊断的原理、方法和手段。目前嘲，齿轮箱故障机理、诊断方法、振动信号 分析以及齿轮箱典型故障特征的提取、现代智能方法的应用等几个方面是故障 诊断技术研究的热点和前沿。 故障机理的研究，一般从机械动力学着手，研究齿轮箱中轴承、轴、齿轮 等零件故障产生的原因。在齿轮箱典型故障的特征提取方面，主要是基于振动 机理。通常情况下，不同的振动能量将会导致齿轮箱振动信号中产生滚动轴承 外环固有频率、齿轮固有频率、齿轮啮合频率和箱体固有频率四种不同的调制 现象。在这些频率当中，齿轮传动时其啮合频率是一定存在的，其余的频率只 会出现在轴承、轴或齿轮产生故障的时候，而且齿轮箱一旦有故障都会致使轴 的旋转频率及其谐波调制在这四种频率附近产生。 对于信号提取，早期主要是借助于傅里叶变换。但该变换存在谱图有畸变、 频率成分的分辨率不高、随机起伏明显不光滑的缺点，使得人们重新提出了如 自回归谱估计法。最大熵谱估计法等分辨率较高的现代谱分析法。小波分析是 正在迅速发展与完善的一种新方法。例如，1 9 9 8 年，中南工业大学的黄明辉、 李子萌介绍了小波神经网络的基概念、构造，并针对齿轮箱故障的复杂性，综 合利用小波函数的特点，构造了用于齿轮箱故障诊断的小波网络，对齿轮箱的 状态进行判别，实现故障诊断嘲。2 0 0 0 年，太原理工大学的杨洁明n 们、熊诗波 利用小波包分析法从很强的总体振动信号中提取清晰的损伤特征，实现了早期 诊断，是一种有效途径。2 0 1 1 年，重庆大学的刘小峰、彭永金等在研究谐波小 波频段分解与h i l b e r t 解调分析的基础上，提出了基于谐波小波包变换的解调分 析法，对存在磨损及点蚀故障的齿轮箱振动信号进行了分析。结果表明：基于 谐波小波包的包络解调法具有精确提取任意频段调制信息的能力，能够为齿轮 箱故障源的准确定位及故障程度提供可靠的判断依据1 。其他的还有诸如利用 极坐标的小波幅值映射n 刳、h i l b e r t - - h u a n g 变换n 3 儿1 4 1 、高阶累积j f r ( h i g h e 广_ o r d e r c u r n u l a n t s ) n 5 m 钔、信号的平均方法n ”、模糊诊断n 钔、基于奇异值分解技术n 钔、基 4 武汉理工大学硕士学位论文 于盲源分离诊断啪1 、基于等边频带谱理论瞳、包络方法诊断捌等等方法，不一 而足。 1 3 本文研究的意义及目的 船舶传动装置是把主机功率传递给螺旋桨的整套装置嘲。船舶主机的转速 一般不小于1 0 0 0 r m i n ，有时会更高，而螺旋桨效率最高的转速一般为1 0 0 2 0 0 r r a i n ，因而需要传动装置来实现动力传输、减速和通断离合。采用齿轮箱的齿 轮传动是一种间接传动形式，可通过选择合适的减速比，使主机转速不受螺旋 桨低转速的限制，可以与螺旋桨的最佳转速相匹配，提高推进效率。对于高速 或大型船舶，通过齿轮减速传动可实现多机并车，达到大功率输出的要求。采 用倒顺离合齿轮减速传动后，还可选用操纵机构简单的不可反转柴油机作主机， 并使船舶倒顺车和停车的操纵灵活、迅速。齿轮箱传动的这些优点，促使它在 内河及沿海中小型船舶上得到广泛采用，大型远洋货船采用齿轮传动也在日益 增多。 由于船舶具有离岸嘲、流动作业的特点，对船舶的安全性和可靠性要求特 别高。因此，船舶动力机械的可靠运行是船舶安全航行的关键。对于大型巡航 救助船来说，承担着事关重大的生命财产的搜救工作，保障其设备的完好正常 更是如此。再者，船舶在水上航行受到天气、海况等客观环境因素影响的同时， 。也受到机舱内噪声高、振动大、空气流通性差。环境封闭。温度高、湿度大的 影响。虽然目前船舶动力装置的可靠度有所提高，但船机故障仍不可避免，时 常因机损事故造成巨大的损失。齿轮箱作为船舶设备中尤为关键的传动部件， 是船舶推进装置中的重要部分，影响到整个船舶动力装置的性能，其工作的好 坏又直接涉及到船舶的正常工作和安全。所以保证它完好无损、延长其使用寿 命的重要性不言而喻。当船舶齿轮箱发生故障时，如何快速而准确地进行故障 诊断定位、恢复航行，是巡航救助船在水上安全、迅速、高效地执行任务的基 本前提。 可见，船舶齿轮箱状态监测和故障诊断技术是现代自动化船舶不可缺少的 重要课题。本文研究船舶齿轮箱监测与故障系统的目的如下： ( 1 ) 利用监测系统需对齿轮箱的运行情况进行巡回检测、处理和报警来预 防事故。 ( 2 ) 利用齿轮箱监测与故障诊断技术对其运转状态进行监视，保证齿轮箱 5 武汉理工大学硕士学位论文 始终在最佳状态下运行。 ( 3 ) 实现预知维修。维修制度由预防维修向预知维修转化是必然1 ，而真 正实现预知维修的基础是工况监测与故障诊断技术的发展和成熟。这一技术一 般是暂不分解、破环设备，对作用于设备的应力、故障趋势、强度和性能进行 定量的描述，预测寿命及可靠性，同时解决其恢复方法的技术。实现预知维修 可减少查找故障原因的时间，提高设备的可靠性和使用效率。 ( 4 ) 提高经济效益。故障诊断技术最终目的是避免故障的发生，使零部件 的寿命得到充分发挥，延长检修周期，提高维修的速度和精度，降低维修费用， 获得最佳的经济效益。 1 4 本课题的来源及主要工作内容 l 、课题的来源 该课题来源于实际企业项目：大型巡航救助船远程监测系统的研制。 2 、本文的主要研究内容 本文以巡航救助船齿轮箱齿轮中故障率极高的齿轮和滚动轴承为研究对 象，比较系统地介绍基于振动信号处理与分析的齿轮箱故障诊断的基本原理及 理论。首先全面总结了齿轮与滚动轴承的故障形式及其产生的原因，接着讨论 了振动信号调制原理并就齿轮及轴承的振动调制信号给予了分析。最后在总结 前人对齿轮箱振动信号处理方法的基础上，提出了近年来发展迅速的小波变换， 并分析了它在故障诊断技术中应用的优势与不足。 主要工作内容为： ( 1 ) 研究分析齿轮箱中齿轮及滚动轴承的故障诊断理论； ( 2 ) 归纳齿轮箱振动信号处理与分析的方法； ( 3 ) 对比以往的信号处理方法来说明小波变换在非平稳信号处理中的优点， 运用小波分析诊断齿轮点蚀故障。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章诊断理论基础 实际上，由于能够表明齿轮箱运转状态的信息非常多，因此，在对齿轮箱 进行故障诊断时，可选择的监测信息参数也相应有很多。但是每一种信息对齿 轮箱同一种故障的敏感性是不一样的，而且处理方法也是不同的。作为故障诊 断来讲，当然是要选择对故障最敏感并且处理方法简单可行的信息。 众多信息中，通过齿轮运转过程中所产生的振动信号，运用信号处理方法 能够更快速、直接地反映机械设备的运行状态。据统计，7 0 以上的故障都是 以振动形式表现出来的，所以用检测的振动信号来分析判断齿轮箱运行状态是 齿轮箱故障诊断的主要方法。 2 1 齿轮箱的故障类型 船用齿轮箱具有减速、倒顺、离合与承受螺旋桨推力的功能，与主机配套 组成船用动力机组。图2 1 为齿轮箱的实体模型图，它的构造比较复杂，一般由 若干组齿轮、轴、轴承、离合器、拨叉、润滑装置及壳体等部分组成。 图2 - 1 齿轮箱实体模型 1 上箱体2 中箱体3 下箱体4 轴承孔上座 齿轮副一般安装在齿轮箱内 3 4 1 ，齿轮箱是各类机械的变速部件，其状况的 好坏直接关系到整个机械能否正常运行。齿轮箱失效主要是指其内部各个零件 7 武汉理工大学硕士学位论文 失效，一般失效原因是由于正常疲劳与磨损、设计不当、制造装配的精度差、 维护保养不善以及操作失误所造成的，其中以轴系、齿轮与轴承等较易失效。 各零件具体失效百分比可参考表2 1 嘲1 。 表2 1 变速箱失效零件及失效比重 失效零件失效比重( ) 齿轮 6 0 轴承 1 9 轴 1 0 箱体7 紧固件 3 油封 1 可以看出齿轮箱失效主要表现在齿轮、轴和轴承这三类零件上，其中最容 易失效的是齿轮，也就是说，齿轮箱能否正常运行关键取决于齿轮的工作状况， 轴承和轴也占据了一定份额，它们集中了9 0 左右的失效比重。因此齿轮和轴 承的故障诊断将是本文的重点。 2 1 1 齿轮失效的常见形式及原因 齿轮由于结构形式、材料与热处理、操作运行环境和条件等因素不同，发 生故障的形式也不同。齿轮发生故障后将会改变齿轮的啮合状况，使齿轮出现 传动误差，传动误差是齿轮振动增大的主要原因。齿轮失效形式一般有齿面磨 损、胶合、擦伤、疲劳、齿面点蚀与剥落、塑性变形、以及轮齿断裂与齿端崩 角等。 1 、齿面磨损 轮齿传动中如润滑不良，润滑油不洁、设计选材不当和操作不当均可造成 磨损。磨损可分为粘着磨损、磨粒磨损、擦伤、腐蚀磨损和烧伤咬合。 ( 1 ) 粘着磨损 润滑对粘着磨损的影响很大，如润滑油膜层完整且有相当厚度就不会发生 金属间的接触，也就不会发生磨损。在相同油膜温度和压力下，油的粘度高， 有利于防止磨损发生，在低速、重载、极端温度、相对比较粗糙不规则的表面、 供油不足和油粘度太低的情况下，油膜可能被破坏而发生磨损。此时的磨损在 除节圆之外的大部分轮齿面上发生。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 磨粒磨损与擦伤 当润滑剂不干净含有杂质颗粒或在摩擦过程中金属相互作用产生的磨屑， 都可以产生磨粒磨损。严重的磨粒磨损会产生表面擦伤现象。此时齿根部和齿 尖端磨损得最厉害，然而节线区域仍然保持其原状，这是因为在节线处主要存 在滚动方式的接触，只有很小的或者根本不存在滑移作用。 ( 3 ) 腐蚀磨损 由于润滑剂中的一些物质，诸如水和酸等污染物与齿表面的化学反应造成 金属的腐蚀，这样就形成了腐蚀磨损。活性的极压添加剂也是造成腐蚀磨损的 一个原因，特别是齿轮在受重载时更是严重；过分过热，极压添加剂将加速腐 蚀磨损；零件表面保留一层紧密热处理造成的氧化膜对抗腐蚀磨损有利，这种 作用甚至在碱溶液洗涤剂去油处理后仍能保持。 ( 4 ) 烧伤 烧伤是由于齿面剧烈磨损；磨损引起的局部高温；齿隙不足；润滑不当引 起的过分摩擦；齿面加工精度不够或超负荷、超速运行等原因形成的。它将引 起齿面变色、有腐蚀斑点或使钢的几微米厚表面出现白层，结果使得齿面局部 软化，疲劳寿命随之降低。烧伤由磨损造成而又反过来造成严重的磨损与表面 变质。 ( 5 ) 胶合与撕伤 大功率软齿面齿轮传动，当负荷集中于局部接触的齿面上、单位接触负荷 过大、油膜破坏而造成齿面强烈摩擦时，易产生齿面胶合破坏。破坏较轻时， 在齿面形成沿滑动方向的擦伤沟痕，破环严重时，由于局部高温，形成齿面熔 焊粘附现象。齿轮磨损到一定程度会产生噪音和振动，严重磨损则不能正常工 作，甚至使齿折断。 2 、齿面点蚀与剥落 两齿接触过程中某一瞬时在齿面上的特定区域分别受拉、压、剪应力。当 齿轮在运转时，齿上各点的应力在不断地周期性交化着，一定循环次数后，由 于疲劳作用在表面或次表面产生微裂纹，润滑油进入裂纹后产生高压，使裂纹 长大和连接起来，结果小块金属从表面上掉下来，留下一个小坑，这叫点蚀。 主动齿上表面间的滑动方向与滚动方向相反，使表面金属受拉伸，促进了疲劳 裂纹的发生与扩展。如果表面疲劳裂纹向内向四周扩展得较深较远，或者一系 列小坑由于坑间材料失效而连接起来，造成大片或大片金属脱落的现象叫剥落。 这种类型的剥落与严重的点蚀，只有程度上的区别，无本质上的不同，它是在 9 武汉理工大学硕士学位论文 较多次循环后才会发生。另一种剥落是由于齿的表面缺陷和热处理造成的过量 内应力，或严重的集中超载而造成的。 引起点蚀和剥落的主要因素与设计和材料( 强度与形变能) 有关，而润滑 也有一定的影响。严重点蚀或剥落会引起振动、噪声加大，甚至断齿。 3 、齿面塑性变形 软齿面齿轮传递载荷过大( 或在大冲击载荷下) 时，易产生齿面塑性变形。 在齿面间过大摩擦作用力下，齿面接触应力会超过材料抗剪屈服极限，齿面材 料进入塑性状态，造成齿面金属塑性流动，使主动轮的节线附近齿面形成凹坑， 从动轮节线附近齿面形成棱脊，从而破坏了正确的齿形。 轮齿的塑性变形主要有辗压与锤击变形、起波纹等类型。如果传动载荷很 高或由于振动产生的高冲击力，将使齿面承受辗压与锤击变形。波纹状塑性变 形是齿表面上与滑移方向垂直的波纹状花样，这是由剪应力引起的。塑性变形 可以在破坏之前和破坏同时发生，也可以与点蚀、剥落一起产生。 4 、轮齿断裂与齿端崩角 渐开线圆柱齿轮轮齿断裂有两种：一是轮齿因组装不当，负荷集中于齿轮 一端；突然停止或转向；轴承损坏、轴弯曲或啮合咬死、冲击而引起的过载断 裂，它的失效特征是硬脆材料断口为丝状，韧性材料断口模糊，纤维状材料断 口呈撕拉状。另一种是由于轮齿设计不当；负荷过大；组装不良、偏载；多次 重复的交变应力作用引起的疲劳断裂，它的失效特征是部分或整齿断裂，在断 面上可见一连串的贝壳状轮廓线，在其中心有一个清晰的哆眼弘。 - 圆弧圆柱齿轮当模数过小，齿根承受的交变循环应力超过材料的疲劳极限 时，就会引起轮齿疲劳断裂。断口呈月牙形，位置大都发生在靠近齿端的地方。 圆弧齿轮理论上是点接触集中载荷。当齿宽较大时，还因齿轮及轴的扭转一弯曲 变形而加重了轮齿搭接过程中的冲击，齿端也容易发生崩角。 齿根部分最容易产生齿轮的轮齿断裂与齿端崩角失效，其原因是齿轮齿根 部的应力最大，而且有较高的应力集中。另外淬火裂纹、磨削裂纹和严重磨损 也会使齿发生断裂，当然严重磨损也是磨损失效中主要的一种。 2 1 2 滚动轴承的常见失效形式及原因 滚动轴承是齿轮箱中不可或缺的零件，也是最易损坏的元件之一。齿轮箱 中有些故障也与滚动轴承有关，其缺陷能导致设备产生异常振动和噪声，甚至 l o 武汉理工大学硕士学位论文 损坏。滚动轴承的故障有： ( 1 ) 磨损。由于运输中轴承受到振幅很小的摇摆运动作用；配合面间有微 小间隙造成的滑动磨损以及滚道和滚动体的相对运动；尘埃异物的侵入、润滑 不良、对中不好引起表面磨损。结果是在配合表面上出现红褐色磨损粉末的局 部磨损，配合间隙变大，表面由于机械摩擦而产生损伤、出现凹坑或刮痕，使 得振动和噪声加大。 ( 2 ) 疲劳。它是由于安装时冲击载荷过大，圆柱滚子轴承的装配过盈量太 大；轴、保持架精度不高；间隙过小，载荷或预压过大等载荷与相对运动作用 而产生的，会造成滚动体或滚道表面剥落或脱皮，运转时的冲击载荷、振动和 噪声随之加剧。 ( 3 ) 腐蚀。有水分或腐蚀性化学物质侵入，以致在轴承元件表面上产生红 色或黑色的锈斑痕、搓板状凹凸或点蚀。或是由于轴电流的连续或间断通过， 因电火花形成圆形的凹坑。 ( 4 ) 压痕。由于静载荷、冲击载荷过大；装配不当；滚道负荷不均匀；热 变形增加载荷或硬度很高的异物侵入，使得滚道或滚动体表面变形产生凹凸不 平或划痕。 ( 5 ) 破裂。残余应力过大的载荷都会引起轴承零件的破裂。 ( 6 ) 胶合。由于润滑不良、润滑脂过硬，滚道表面不平行，高速重载，造 成高温使表面烧伤及胶合。 ( 7 ) 保持架损坏。保持架与滚动体或与内、外圈发生摩擦等，使振动、噪 声与发热增加，造成保持架的损坏。 2 2 齿轮箱的振动机理及分析 这里先介绍一下一对啮合齿轮的理想模型，其中齿轮可认为是具有一定质 量的弹簧，所以若以一对啮合齿轮为研究对象，则该齿轮副可看作一个振动系 统，其力学模型如图2 2 所示。根据模型可写出其振动方程为： m ，碧+ 凹+ k ( f ) 【x 层o )