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摘要 并联转子基本模型与实验研究 摘要 齿轮传动是机械设备中最常见的传动方式，现代机械对齿轮传动 的要求日益提高，既要求齿轮能在高速，重载，特殊介质等恶劣环境 条件下工作，又要求齿轮装置具有高平稳性，高可靠性和结构紧凑等 良好工作性能，由此使得齿轮发生故障的因素愈来愈多，而齿轮异常 又是诱发机器故障的重要因素。因此，齿轮故障诊断技术的应用研究 具有重要意义。 一 本课题将虚拟仪器测试技术应用于小型齿轮啮合振动实验台，利 用其高性能的模块化硬件和高效灵活的软件完成振动的测试，记录和 分析。这种实验方法使信号的采集和分析更为方便，快捷，准确。实 验采用n ie l v i s 教学实验台、8 通道p c 6 2 5 1 数据采集卡、非接触 式位移振动传感器及自行设计的l a b v i e w 数据采集和分析程序，对 齿轮轴进行实时振动监测，并随时对比当前状况和历史状况。主要研 究内容包括传感器相关理论、信号的采集和转换、虚拟仪器教学实验 台的搭建和齿轮振动故障分析。通过实验找出实验啮合齿轮存在的故 障，并验证虚拟仪器测试技术应用于小型齿轮啮合振动实验台良好的 实用性和扩展性。 关键词：虚拟仪器，齿轮啮合，振动，实时监测 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a la n a l y s i so fp a r a l l e lr o t o r g e a rm e s h a b s t r a c t g e a rt r a n s m i s s i o ni st h em o s tc o m m o nt r a n s m i s s i o nm o d ef o r m a c h i n e r ya n de q u i p m e n t m o d e mm a c h i n e r yi si n c r e a s i n gd e m a n d so f g e a rw h i c hi nh i g hs p e e d , h e a v y , h a r s he n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s a l s o r e q u e s tt h eg e a ru n i tw i t hh i g hs t a t i o n a r y ，r e l i a b i l i t y , c o m p a c t t h e s e d e m a n d sm a k et h eg e a rm o r ea n dm o r ef a c t o r so ff a i l u r e h o w e r eg e a r e x c e p t i o ni sa ni m p o r t a n tf a c t o ri nm e c h a n i c a lf a i l u r e t h e r e f o r e ，g e a r f a u l td i a g n o s i sh a sag e a ts i g n i f i c a n c e t h et o p i cu s e dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi nt h es m a l l g e a r m e s h i n gv i b r a t i o nt e s tb e d t o o ka d v a n t a g eo fi t sh i g hp e r f o r m a n c e h a r d w a r ea n df l e x i b l em o d u l a rs o f t w a r et oc o m p l e t et e s t i n g ，r e c o r d i n g a n da n a l y z i n g t h em e t h o do fe x p e r i m e n tm a d es i g n a la c q u i s i t i o na n d a n a l y s i sm o r ec o n v e n i e n t ，f a s ta n da c c u r a t e t h ee x p e r i m e n tu s e dn i e l v i s l a b o r a t o r yb e n c h ，8 - c h a n n e lp c 一6 2 51d a q ，n o n c o n t a c t d i s p l a c e m e n tv i b r a t i o ns e n s o r ，l a b v i e wd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s p r o g r a mt or e a l - t i m em o n i t o r e dv i b r a t i o na x i sa n dk e p tc o m p a r i n gt h e 北京化工大学硕上学位论文 c u r r e n ts i t u a t i o na n dh i s t o r i c a lc o n d i t i o n s t h em a i nc o n t e n t si n c l u d et h e t h e o r yo fs e n s o r , s i g n a la c q u i s i t i o na n dc o n v e r s i o n ，v i r t u a li n s t r u m e n tt e s t s t r u c t u r e sa n da n a l y s i so fg e a rv i b r a t i o nf a u l t b ye x p e r i m e n tt of i n dt h e e x i s t e n c eo ft h ef a u l ta n dv e r i f yt h ea v a i l a b i l i t ya n ds c a l a b i l i t yo fv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yf o rt h es m a l lg e a rm e s h i n gv i b r a t i o n k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t s ，g e a rm e s h ，v i b r i t i o n ，r e a l - t i m e m o n i t o r i n g i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不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。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：五隍日期： 兰! 翌：。宰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：丕照 日期： 兰翌! 翌：墨挈 导师签名：一季攫皂目金日期：与“n 上茑l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 并联转子齿轮啮合振动监测的研究意义 旋转机械广泛应用于石油，化工，电力，航天，国防，矿山等各个行业，很 多生产过程主要靠旋转机械来完成。齿轮传动是旋转机械中很常见的一种传动方 式，现代机械对齿轮传动的要求日益提高，既要求齿轮能在高速，重载，特殊介 质等恶劣环境条件下工作，又要求齿轮装置具有高平稳性，高可靠性和结构紧凑 等良好工作性能，由此使得齿轮发生故障的因素愈来愈多，而齿轮异常又是诱发 机器故障的重要因素。齿轮由于制造、操作、维护、齿轮材料、热处理以及运行 状态等因素不同，产生异常的形式也不同，常见的齿轮异常有齿面磨损，齿面胶 合和擦伤，齿面接触疲劳，弯曲疲劳和断齿等，这些异常使大型旋转机械的危险 性增高，往往某些微小故障就爆发连锁反应，导致整个设备乃至与设备有关的环 境遭受灾难性毁坏【l 2 1 。对齿轮故障诊断研究的目的也就在于防止由于小的故障导 致的灾难性损失，同时也能改革维修体制，大量节省维修费用。 虚拟仪器测试技术是一个集成的概念，n i 的虚拟仪器软件平台为所有的i o 设备提供了标准的接口，可以轻松地将多个设备集成到一个系统里，减少任务的 复杂性。将虚拟仪器测试技术引入到本课题中，通过软件功能实现数据采集控制， 数据显示，数据分析处理这三部分功能，充分利用计算机系统强大的数据处理能 力，在基本硬件的支持下完成传统仪器的各种功能。同时，实验充分发挥虚拟仪 器测试技术的灵活性，每一部分都独立形成单独的模块，方便修改，完善。例如 本实验的电机控制就是灵活运用e l v i s 实验台上的面包板搭建的小电路控制输入 电压的精度。这种灵活的实验方式在研究齿轮啮合振动状况的同时，也适合于学 校的实验教学工作，相对于传统的振动实验演示方式，可操作性更强。实验采用 无损探伤检测中的电涡流检测，这是现代机械故障诊断中探求故障根源和机理， 预测隐患的重要手段。涡流检测适用范围广，适合导电材料表面，灵敏度高，探 头不接触零件，电磁场的传播不受温度变化的限制。无损探伤检测是现代机械故 障诊断发展的一个大趋势，是对安全状态进行评价，确定危险源，主动维护，确 保安全生产的重要方法。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 并联转子齿轮啮合振动监测的现状与发展趋势 1 2 1 并联转子齿轮啮合振动研究现状 齿轮和齿轮箱故障总是给企业的生产活动带来极大的损失，包括经济损失和 人身伤亡。据了解，中国的一些大型冶金企业每年用于齿轮备件的花费达数千万 元之多。因此，齿轮和齿轮箱的故障诊断技术一直是人们研究的重要课题。产生 齿轮振动故障的主要原因有以下几种： 1 ) 齿轮制造和安装误差引起的故障 齿轮在制造过程中不可避免的存在误差，或由于装备过程中产生的误差，直 接降低了齿轮的位置精度，如果齿轮制造误差超出标准范围值后，将使齿轮的振 动和噪声增大，这种故障一般不会严重影响齿轮运行，但工作效率将下降。 2 ) 齿轮自身固有运动引起的故障 一对齿轮在相互啮合过程中，齿与齿之间的连续冲击作用将使齿轮产生受迫 振动，并产生冲击噪声。引起这种振动和噪声的主要原因是相互啮合的一对齿轮 的弹性刚度会发生周期性变化，吃的弯曲量也随之变化，便造成齿轮在进，出啮 合区时发生相互碰撞，引起齿轮产生频率等于啮合频率的振动和噪声 3 ) 齿轮表面的损伤 由于制造或装备误差或条件恶劣，如齿轮多次卸载，或长期负荷超标，润滑 不良等，均会使齿轮产生种种损伤。齿轮损伤是比较严重的故障，一旦出现，工 作状态将急剧下降。例如，当齿轮存在有齿根部大裂纹，局部的齿顶磨损，缺陷 造成的轮齿折断，局部的齿距或齿形误差，以及齿轮间隙增加时转速变动等局部 异常时，会有高频域引起振动。 在齿轮传动啮合过程中，影响齿轮产生振动的原因很多，有大周期误差也有 小周期误差。产生大周期振动的因素主要是齿轮加工过程中的运动偏心和几何偏 心以及安装中的对中不良；产生小周期误差的因素主要有：齿轮加工中的主轴回 转误差，啮合刚度的变化，齿轮啮入，啮出冲击以及在运行过程中产生的断齿， 齿根疲劳裂纹，齿面磨损，点蚀剥落，严重胶合等其中啮合刚度的周期性变化 时齿轮系统振动的重要激振源之一，它的周期性变化主要由以下两个原因所致： 一是随着啮合点位置变化，参加啮合的单一齿轮的刚度发生了变化；二是参加啮 合的齿数在变化【2 1 。 。 本实验为小型齿轮啮合并联振动实验，市场上的并联啮合振动实验台多为硬 件系统集成，由转子实验台，传感器，数据采集器，振动变送器，计算机等几部 分组成。为演示性实验，可操作性和灵活性不强，且价格昂贵。与常规的齿轮并 联啮合振动实验相比，本实验采用虚拟仪器测试技术，软件编程灵活，采用e l v i s 2 第一章绪论 教学实验台采集传感器信号，控制电机运行，可操作性和灵活性强。 1 2 2 并联转子齿轮啮合振动研究发展趋势 传统的测试设备由于自动化测试程度低已经逐渐不适用于现代测试的需要。 人工智能和计算机在齿轮故障诊断中的应用将越来越广泛，时域分析和频谱分析 在齿轮故障诊断中的应用将日趋完善；同时对于齿轮的故障机理研究会更加深入； 采用多种故障诊断方法相结合的方式如小波神经网络，模糊识别与小波分析结合， 提高诊断的效率和准确率，远程故障诊断也是其发展的一个重要方向。为了适用 这些发展趋势，引入虚拟仪器这个全新概念的测试仪器是必要的。该仪器功能通 过软件仿真实现，测量功能可由用户根据需要来定义扩展，突破了传统仪器的概 念，降低测试设备成本，增加系统稳定性，功能更加灵活，方便。同时用于教学 的并联转子齿轮啮合振动实验台的开发也向着集成度高，稳定性和可操作性强， 并且融入当前先进科学测试技术的方向发展着。 要实现上述目标，并联转子齿轮啮合振动测试技术应在以下几方面进行研究： 1 ) 将当前先进虚拟仪器测试技术引入并联转子齿轮啮合振动实验台，增加实 验台的可操作性。 2 ) 运用l a b v i e w 软件进行控制面板的设计，包括数据采集，数据回放，数据 分析三部分，充分发挥虚拟仪器软件的强大功能。 3 ) 从提取的特征信号中分析特征参数，采取合适的分析方法，例如轴心轨迹 分析，频谱细化等。 1 3 目前存在的问题 国内开展齿轮故障诊断始于1 9 世纪8 0 年代，目前的分析测试技术已经比较 成熟。形成了比较系统的分析方法和思路。同时，用于教学实验的小型齿轮啮合 实验台也达到了结构紧凑，体积小，运转方便，演示项目多，测试手段先进等优 点。但目前的小型齿轮啮合振动实验台主要目的是演示，其操作性不强，同时其 系统集成多为硬件，不符合当前虚拟测试的发展方向。本实验台采用虚拟仪器测 试技术，增加了可操作性和灵活性，虽然实验台的丌发取得了一些进展，但在直 接应用中还需解决以下问题： 1 ) 传感器使用非接触电涡流位移振动传感器，无法进行相关的相位分析。 2 ) 控制软件采用l a b v i e w 编制，包括数据采集，数据回放，数据分析三部分， 修改方便，但整个程序尚需完善。 3 ) 数据分析是整个实验的核心部分，需要对不同的分析方法进行大量的参考 北京化工大学硕十学位论文 研究，选取适合本实验的分析方法。 1 4 主要的研究工作 本文从齿轮啮合并联轴振动监测的实际需要与应用要求出发，主要进行了虚 拟仪器测试技术用于小型并联齿轮啮合振动实验的实用化研究对齿轮啮合振动 过程中，振动信号的采集，传输，分析与处理等技术进行了相关研究。本文将在 广泛查阅大量国内外科技文献资料的基础上，收集整理相关资料，主要研究工作 集中于以下几点： 1 ) 针对现存并联齿轮啮合振动实验台可操作性差的特点开发与虚拟仪器测试 技术相结合的并联齿轮啮合振动实验台。 2 ) 使用n l 公司提供的n i e l v i s 教学实验台与振动测试平台相结合，采集输 入信号，控制电机转速，实现完全电脑软件控制。 3 ) 对齿轮啮合故障进行人为设定，观察振动信号特点，运用l a b v i e w 软件对 采集到得信号进行分析。 4 _ ) 使用虚拟仪器l a b v i e w 软件对整个实验进行控制，完成振动信号的采集， 传输，并采用l a b v i e w 振动信号分析软件包对信号进行分析和处理，得出 结论，找到故障原因。 4 第二章齿轮故障及分析和虚拟仪器测试技术 第二章齿轮故障及分析和虚拟仪器测试技术 2 1 齿轮常见故障 1 ) 轮齿的断裂 齿轮副在啮合传递运动时，主动轮的作用力和从动轮的反作用力都通过接 触点分别作用在对方齿轮上，最危险的情况是接触点某一瞬间位于齿轮的齿顶 部，此时齿轮如同一个悬臂梁，受载后齿根处产生的弯曲应力为最大，若因突 然过载或冲击过载，很容易在齿根处产生过载荷断裂。即使不存在冲击过载的 受力情况，当齿轮重复受载后，由于应力集中现象，也易产生疲劳裂纹，并逐 步扩展，致使齿轮在齿根处产生疲劳断裂。对于斜齿轮或宽直齿齿轮，也常发 生齿轮的局部断裂。另外，淬火裂纹，磨削裂纹和严重磨损后齿厚过分减薄时 在齿轮的任意部位都可能产生断裂。齿轮的断齿是齿轮最严重的故障，常常因 此造成设备停机。齿根部的应力情况如图2 1 所示。 图2 - 1 齿根部的应力集中 f i g 2 - 1g e a rr o o ts t r e s sc o n c e n t r a t i o n 2 1 齿面磨损 齿轮传动中润滑不良，润滑油不洁或热处理质量差等均可造成磨损或划 痕，磨损可分为粘着磨损，磨粒磨损，划痕和腐蚀磨损。 a ) 粘着磨损润滑对粘着磨损影响很大，在低速，重载，高温，齿面粗糙， 供油不足或粘稠度太低等情况下，油膜易被破坏而发生粘着磨损。如润 滑油膜层完整且有相当厚度就不会发生金属问的接触，也就不会发生磨 损。润滑油的粘度高，有利于防止粘着磨损的发生。 5 北京化工大学硕士学位论文 b ) 磨粒磨损与划痕 当润滑油不洁，含有杂质微粒以及在开式齿轮传动中 的外来沙粒或在摩擦过程中产生的金属磨屑，都可以产生磨粒磨损与划 痕。一般齿顶，齿根部摩擦较节圆部严重，这是因为齿轮啮合过程中节 圆处为滚动接触，而齿顶，齿根处为滑动接触。 曲腐蚀磨损由于润滑油中的一些化学物质如酸，碱或水等污染物与齿面 发生化学反应造成金属的腐蚀而导致齿面损伤。 d ) 烧伤尽管烧伤本身不是一种磨损形式，但它是由于磨损造成又反过来 造成严重磨损失效和表面变质。烧伤是由于过载，超速或不充分的润滑 引起的过分摩擦所产生的局部区域过热，这种温度升高足以引起变色和 过时效，会使钢的几微米厚表面层重新淬火，出现白层。损伤的表面容 易产生疲劳裂纹。 曲齿面胶合大功率软齿面或高速重载的齿轮传动当润滑条件不良时易 产生齿面胶合破坏，即一齿面上的部分材料胶合到另一齿面上而在此齿 面上留下坑穴，在后续的啮合传动中，这部分胶合上的多余材料很容易 造成其他齿面的擦伤沟痕，形成恶性循环。 3 ) 齿面疲劳( 点蚀，剥落) 所谓齿面疲劳主要包括齿面点蚀与剥落。造成点蚀的原因，主要是由于工 作表面的交变应力引起的微观疲劳裂纹，润滑油进入裂纹后，由于啮合过程可 能先封闭入口然后挤压，微观疲劳裂纹内的润滑油在高压下使裂纹扩展，结果 小块金属从齿面上脱落，留下一个小坑，形成点蚀。如果表面的疲劳裂纹扩展 的较深，较远或一系列小坑由于坑间材料失效而连接起来，造成大面积或大块 金属脱落，这种现象称为剥落。剥落与严重点蚀只有程度上的区别，本质上是 一样的。实验表明，在闭式齿轮传动中，点蚀是最普遍的破坏形式。在开式齿 轮传动中，由于润滑不够充分以及进入的污物增多，磨粒磨损总是先于点蚀破 坏。齿面点蚀分布如图2 2 所示。 衢唾点蚀分甜l ，t 图2 - 2 齿面点蚀 f i g 2 - 2g e a rs u r f a c ep i t t i n g 6 第二章齿轮故障及分析和虚拟仪器测试技术 4 ) 齿面塑性变形 软齿面齿轮传递载荷过大时，易产生齿面塑性变形。在齿面间过大的摩擦 力作用下，齿面接触应力会超过材料的抗剪强度，齿面材料进入塑性状态，造 成齿面金属的塑性流动，使主动轮节圆附近的齿面形成凹沟，从动轮节圆附近 的齿面形成凸棱，从而破坏正确的齿形。有时可在某些类型从动齿轮的齿面上 出现“飞边”，严重时挤出金属充满顶隙，引起剧烈振动，甚至发生断裂5 0 】。 2 2 齿轮振动机理与信号特征 齿轮传动系统是一个弹性的机械系统，由于结构和运动关系的原因，存在着 运动和力的非平稳性。图2 3 为齿轮副的运动学分析示意图。图中o l 是主动轮轴 心，0 2 是从动轮轴心。假定主动轮以i 作匀角速度运动，a ，b 分别为两个啮合 点，则有0 i a o i b ，即a 点的线速度v a 大于b 点的线速度v b 。而0 2 a 0 2 b ，从 理论上有6 ) 2 = v b 0 2 b ，3 - - v d 0 2 a ，则2 3 。然而a ，b 又是从动轮的啮合点，当 齿轮副只有一个啮合点时，随着啮合点沿啮合线移动，从动轮的角速度存在波动； 当有两个啮合点时，因为只能有一个角速度，因而在啮合的齿轮上产生弹性变形 力，这个弹性变形力随啮合点的位置，轮齿的刚度以及啮合的进入和脱开而变化， 是一个随时间而变化的力。 同理，即使主动轮o l 传递的是一个恒转矩，在从动轮上仍然产生随时间变化 的啮合力和转矩。而且单个的齿轮可看成是变截面悬臂梁，啮合齿对的综合刚度 也随啮合点的变化而改变，这就造成轮齿振动的动力学分析更加复杂。但是他们 引起齿轮的振动是确信无疑的。 图2 - 3 齿轮副运动学分析 7 北京化工大学硕士学位论文 f i g 2 - 3g e a rp a i rk i n e m a t i ca n a l y s i s 因此，齿轮传动系统的啮合振动是不可避免的。振动的频率就是啮合频率， 也就是齿轮的特征频率，其计算公式如下： 齿轮一阶啮合频率 - - n z 6 0 ( 2 1 ) 啮合频率的高次谐波频率 e i = i i = l ，2 ，3 ，4 ( 2 2 ) 式中l r 齿轮轴的转速( r r a i n ) r 齿轮的齿数 由于传递的转矩也随着啮合而改变，它作用到转轴上，使转轴发生扭振。而 转轴上由于键槽等非均布结构的存在，轴的各向刚度不同，刚度变动的周期与轴 的周转时间一样，激发的扭振振幅也按轴的转动频率变动。这个扭振对齿轮的啮 合振动产生了调制作用，从而在齿轮啮合频率的两边产生出以轴频为间隔的变频 带。 变频带也是齿轮振动的特征频率，啮合的异常状况反映到边频带，造成边频 带的分布和形态都发生改变。可以说，边频带包含了齿轮故障的丰富信息 此外，齿轮制造时所具有的偏心误差，周节误差，齿形误差，装配误差等都 能影响齿轮振动。所以，在监测低精度齿轮的振动时要考虑这些影响【引。 2 - 3 齿轮故障分析方法 1 )功率谱分析法 功率谱分析可以确定齿轮振动信号的频率构成和振动能量在各频率成分上的 分布，是一种重要的频域分析方法。应用功率谱分析时，频率轴横坐标可采取线 性坐标或对数坐标，对于齿轮系统由于有较多的边频带，采用线性坐标更好功 率谱分析是目前振动监测和故障诊断中应用最广的信号处理技术在齿轮箱的故障 诊断中发挥了较大的作用。它对齿轮的大面积磨损，点蚀等均匀故障有比较明显 的分析效果，但对齿轮早期故障和局部故障不敏感，因而应采取其他分析方法 2 )边频带分析法 边频带成分包含有丰富的齿轮故障信息，要提取边频带信息，在频谱分析时 必须有足够高的频率分辨率。当边频带谱线的间隔小于频率分辨率时，或谱线间 隔不均匀，都阻碍边频带的分析，必要时应对感兴趣的频段进行频率细化分析， 以准确测定边频带间隔，如图2 4 所示。边频带出现的机理是齿轮啮合频率的振 第二章齿轮故障及分析和虚拟仪器测试技术 动受到齿轮旋转频率的调制而产生，边频带的形状和分布包含了丰富的齿面状 况信息。一般从两方面进行边频带分析，一是利用边频带的 窖 鼍 量 ： 2 馨 聋 嚣 拦 若 ： 呈 鬻 聋 廖垮 i 2 3 4 5 6 频窭h r 9 7 t a b 9 1 7 0 7 9 3 1 ，0 2 2 3 4 3 s 8 4 0 6 l 1 5 2 3 朋 1 9 3 1 0 3 8 3 4 9 8 4 2 9 5 振辎1 03 m 州s ) 1 4 0 , 9 2 1 1 4 8 l 9 25 3 7 7 。6 9 4 5 o ： 4 3 ，7 7 4 31 2 3 6 9 7 2 9 0 8 髹耘1 0 ( r a m s ) 9 。i s 5 3 9 1 4 9 l ，1 9 l 。1 6 1 1 0 图2 - 4 工程实际应用的频谱图 f i g 2 - 4 t h ef r e q u e n c ys p e c t r u mo ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n g 频率对称性，找出牡n ( n = 1 ，2 ，3 ) 的频率关系，确定是否为一组边频带。 如果是边频带，则可知道啮合频率和旋转频率。二是比较各次测量中边频带振 幅的变化趋势。根据边频带呈现的形式和间隔，有可能得到以下信息： a ) 当边频带出现间隔为旋转频率时，可能有齿轮偏心，齿距的缓慢的周期 变化及载荷的周期波动等缺陷的存在，齿轮每旋转一周，这些缺陷就重复 作用一次，即缺陷的重复频率与齿轮的旋转频率一致。根据旋转频率可 判断出问题齿轮所在的轴。 b ) 齿轮的点蚀等分布故障会在频谱上形成类似信息的边频带，但其边频阶数 少而集中在啮合频率及其谐频的两侧。如图2 5 所示。 9 哆 静。2 3 4 5 6 了8 9 脯蕊瞰心垃茹 ，64 2 s晰科刚蝌瓣娜 北京化工大学硕上学位论文 馨 诺 频率 图2 - 5 齿轮点蚀故障频谱图 f i g 2 - 5g e a rp i t t i n gf a i l u r ef r e q u e n c ys p e c t r u m c ) 齿轮的剥落，齿根裂纹及部分断齿等局部故障会产生特有的瞬态冲击调制， 在啮合频率及谐频两侧产生一系列边频带。其特点是边频带阶数多而谱线 分散，由于高阶边频的互相叠加而使边频带族形状各异，如图2 - 6 所示。严 重的局部故障还会使旋转频率及其谐波成分的振幅增高 骧 堵 频率 图2 - 6 齿轮剥落等故障边频带图 f i g 2 - 6s p a l l i n ga n do t h e rg e a rf a u l ts i d e b a n d sm a p 3 )倒频谱分析法 对于同时有数对齿轮啮合的齿轮箱振动频谱图由于每对齿轮啮合时都将产生 边频带，几个边频带交叉分布在一起，仅进行频谱细化分析识别边频特征是不够 的。由于倒频谱处理算法将功率谱中的谐波族变换为倒频谱图中的单根谱线，其 位置代表功率谱中相应谐波族的频率间隔时间( 倒频谱的横坐标表示的时间间隔， 即周期时间) ，因此可解决上述问题。 1 0 第= 章齿轮醢璋及分析目虚扭倥嚣穗试技术 图2 7 是某齿轮箱振动信号的频谱，图2 7 a 的频率范围为( g - 2 0 k h z ，频率分 辨率为5 0 h z ，能观察到啮合频率为4 3 k h z 及其二次三次谐波，但很难分辨出边频 带。图2 - 7 b 的频率范围为3 s 一1 3 5 k h z ，频率分辨率为5 h z ，能观察到很多边频 带，但仍很难分辨出边频带。图2 _ 7 c 的频率范围进一步细化为75 - - 9 s k h z ，频率 分辨率不变，可分辨出边频带，但还有点乱。若进行倒谱分析，如图2 7 d 所示， 能根清楚的表明对应于两个齿轮副的旋转频率( 8 5 h z 和5 0 l i z ) 的两个倒频分量( a i 和b i ) 。 倒频谱的另一个主要优点是对于传感嚣的测点位置或信号传输途径不敏感以 及对于幅值和频率调制的相位关系不敏感。因为倒频谱图中的幅值不是振幅而是 相同频率间隔的谱线的平均高度。这种不敏感反而有利于监测故障信号的有无， 因而在观察时不看重某测点振幅的太小，侧重于观察是否存在某个特征频率以及 它的谐振频率。这个特征频率以及它的谐振频率的数量越大，平均高度越高，则 在倒频谱图反映它的那根谱线越突出 9 - 埘。 图2 - 7 倒频谱分析齿轮箱振动信号中的边频带 f 日c z - 7 c e p s t n ma n a l y s i s o f v l m r a t l o ns i g n a l s o f g e a r b o x i n t h es i d e - b a n d 北京化1 二大学硕士学位论文 2 4 齿轮故障信号的频率特征 齿轮故障是一些宽频带信号，频率成分是十分复杂的。据一些资料介绍，在 频率域上的故障特征大致可做如下分类： 1 ) 均匀性磨损，齿轮径向间隙过大，不适当的齿轮游隙以及齿轮载荷过大等 原因，将增加啮合频率和他的谐波成分振幅，对边频的影响很小。在恒定 载荷下，如果发生啮合频率和它的谐波成分变化，则意味着齿的磨损，挠 曲和齿面误差等原因产生了齿的分离现象。齿面磨损的特征是：频谱图上 啮合频率及其谐波振幅都会上升，而高阶谐波的振幅增加较多，如图2 8 所示。 2 ) 不均匀的分布故障( 例如齿轮偏心，齿距周期性变化及载荷波动等) 将产 生振幅调制和频率调制，从而在啮合频率及其谐波两侧形成振幅较高的边 频带，边频带的间隔频率是齿轮转速频率，该间隔频率是与缺陷的齿轮相 对应的。 3 ) 齿面的剥落，裂纹以及齿的断裂等局部性故障，将产生周期性冲击脉冲， 啮合频率为脉冲频率所调制，在啮合频率及其谐波两侧形成一系列边频带， 其特点是边频带的阶数多而分散。而点蚀等分布性故障形成的变频带，在 啮合频率及其谐波两侧分布的边频带阶数少而集中。 齿轮的故障诊断方法还有很多。如小波分析法，时序分析法，时间同步平均法 等，但这些方法还不成熟，工程上得不到广泛的应用【“ 1 3 1 。 哎 茹 鬻 憋 黢 d 以2 ，3 频率 图2 8 齿面磨损导致振幅上升趋势 f i g 2 8g e a rf a c ew e a ra n dt e a rl e a dt oa nu p w a r dt r e n di nt h ea m p l i t u d e 1 2 第二章齿轮故障及分析和虚拟仪器测试技术 2 5 虚拟仪器技术的特点 2 5 1 虚拟仪器测试技术组成 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完 成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定 义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬 件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是n i 近3 0 年来始终引领测 试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化i o 硬 件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性 能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。 虚拟仪器技术有三个组成部分。 1 ) 高效的软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计 或调用特定的程序模块，工程师可以高效地创建自己的应用以及友好的人机 交互界面。提供的行业标准图形化编程软件一一l a b v i e w ，不仅能轻松方便 地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据 处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，还提供了更多交互 式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式 软件s i g n a l e x p r e s s 、用于传统c 语言的l a b w i n d o w s c v i 、针对微软v i s u a l s t u d i o 的m e a s u r e m e n ts t u d i o 等等，均可满足客户对高性能应用的需求。 有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而 发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。 2 ) 模块化的i o 硬件 面对如今同益复杂的测试测量应用，已经提供了全方位的软硬件的解决 方案。无论使用p c i ，p x i ，p c m c i a ，u s b 或者是1 3 9 4 总线，都能提供相应的 模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视 觉、运动、仪器控制、分布式i 0 到c a n 接口等工业通讯，应有尽有。高性 能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们 创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。 3 ) 用于集成的软硬件平台 专为测试任务设计的p x i 硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化 应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和p c 技术的成本优势为测量和自 动化行业带来了一场翻天覆地的改革。 北京化工大学硕士学位论文 p x i 作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平 台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的i o 硬件和相应的 测试测量开发软件就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对 简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助p x i 高性能的硬 件平台都能应付自如这就是虚拟仪器技术的无可比拟的优势【1 4 1 5 1 。 2 5 2 虚拟仪器测试技术特点 虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全“继承了 以现成即用的p c 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器 和文件i o ，在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外， 不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大 的优势。 这些软硬件工具使得工程师不再圈囿于当前的技术中。得益于软件的灵 活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至 无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，可以把它们 集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。 在驱动和应用两个层面上，n i 高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和 通讯方面的最新技术结合在一起。设计这一软件构架的初衷就是为了方便用 户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使轻松地配置、创建、发布、 维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案成为可能。 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件体系。随着产品在功能上 不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需 求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台 为所有的i o 设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成 到单个系统，减少了任务的复杂性f 1 6 1 。 1 4 第三章并联齿轮啮合振动实验监测系统组成 第三章并联齿轮啮合振动实验监测系统组成 3 1 振动监测系统的基本组成 振动监测室完成实验的必要前提条件。位移信号经过电涡流传感器的拾 取转换成电信号，在传输的前置器中进行放大和滤波处理，经过与数据采集 卡相连的e l v i s 输入口后进行数模转换，送入计算机，最后由软件进行分析， 处理和显示。图3 1 是并联齿轮啮合振动监测系统框图。振动监测系统一般 包括两部分，一部分完成信号的采集，传输，放大滤波，通讯和存储，即硬 件部分，包括电涡流传感器，前置器放大器，数据采集卡，计算机；另一部 分完成信号的处理，分析和显示功能，即软件部分。 振动位移信号随转速呈周期性变化，变化范围在0 3 m m 内变化，这就要 求振动监测系统具有高响应速度，高灵敏度，高线性度，高分辨率等性能。 3 2 齿轮啮合振动监测系统硬件 并联齿轮啮合振动监测系统硬件部分主要由电涡流传感器、前置放大 位移电涡流前置数据分析、处 - 信号 传感器放大器采集卡理软件 图3 - 1 并联齿轮啮合振动监测系统框图 f i g 3 - 1p a r a l l e lg e a rm e s h i n gv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb l o c kd i a g r a m 器、n i e l v i l s 教学实验台、p c 6 2 5 1 数据采集卡、计算机、高精度速度控 制电机、振动实验台等组成。 并联齿轮啮合振动监测系统的硬件选取与所要实现的目标有关，本课题 完成的并联齿轮啮合振动监测系统主要用于教学实验以及对齿轮啮合振动的 进一步研究。本节将从该系统对硬件的基本要求出发，论述硬件部分各个环 节。 3 2 1 电涡流位移传感器 电涡流传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式测量位移一振动传 感器。它能高线性度，高分辨率对进入其测量范围内的金属物体位移及运动 北京化工大学硕士学位论文 状况进行测量，也可用于高速旋转机械转子与机壳的热膨胀量，生产线的在 线自动检测和自动控制，科学研究中的多种微小距离和微小运动的测量等。 传感器是齿轮啮合振动监测系统的关键组成部分，它负责接收轴的振动 位移信号，其工作原理图如图3 2 所示： 探头线圈 激发磁 金属导 图弛传感器原理图 f i g 3 - 2s a l s o rs c h e m a t i c 将一块金属板放在传感器探头线圈附近，当传感器线圈中有一高频电流 通过时，便产生了高频电磁场。此交变磁场通过靠近的金属板，便在金属板 表面产生感生电流。在电磁学上称之为电涡流根据楞次定律，电涡流也产 生一个交变磁场。其方向与传感器线圈的原磁场方向相反，因此这两个磁场 相互叠加，改变了传感器线圈的阻抗。这一变化既与电涡流效应有关又与静 磁学效应有关，即与金属导体的电导率，磁导率，几何形状，线圈的几何参 数，激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关。电涡流传感器正 是利用这个定律将传感器线圈与被测金属导体之间的距离变化转换成线圈品 质因数，等效阻抗和等效电感三个参数的变化。再通过测量，检波，校正等 电路变为线性电压或电流的变化。工作原理图如图3 3 ： 蒿习 金7 - 霍年 - 叫d l 图3 3 传感器工作原理图 f i g 。3 - 3s e n s o rw o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a m 1 6 第三章并联c 莳轮啮合振动实验监测系统组成 传感器的特性包括线性量程，灵敏度，线性误差，温度漂移，分辨率， 频率响应，功耗等，这些特性取决于很多因素，如探头直径，温度，线圈形 状等。 本课题的研究阶段，选用的是北京海淀区桑拓应用技术研究所s t 一2 型 非接触电涡流位移振动传感器，探头直径5 m m ，在2 0 一1 5 0 范围内，相 对湿度9 5 的环境中可正常工作。标定条件为室温2 2 度，材料4 5 号钢。 s t 2 型非接触电涡流位移振动传感器适用于轴的径向振动量测量，轴向 位移测量，偏心测量，胀差测量。探头如图所示，探头传感元件的作用是通 过涡流效应将传导来的位移信号转变为电信号，通过延长电缆进入前置处理 器中。探头外壳为安装螺纹，方便进行安装【l 丌。 3 2 2 前置器 i 前置器是传感器系统的个重要组成部分，它是一个能屏蔽外界干扰的 金属盒，内部装有全部的测量电路，它为探头提供高频交变电流和感受金属 导体靠近探头引起线圈参数的变化，并转换成电流或电压的输出。本实验选 用的是变换电压型前置器，将原有的前置器与电压变换器组合成一体的前置 器，它能把普通的电涡流传感器的电压输出信号转换成可以直接输入到计算 机的电平，通常采用4 - 1 5 v 电源供电，此系统具有体积小，精度高，灵敏度高， 线性范围宽，并可根据使用要求选择输出电压范围。主要技术指标为变换输 出5 v ，输出阻抗1 0 0 欧，使用温度旺6 5 变换电压型前置器安装尺寸 如图3 4 所示，主要技术指标如图3 5 所示。 图3 - 4 前置器安装图 f i g 3 - 4p r e i n s t a l l e dm a p 1 7 北京化工大学硕士学位论文 一 鞴也电五绞性电椽 a 一钳 麴袅魃 ， 0 - 巧v l 一钾 i 坩 i 一5 v 整援电压型畦 。 一 舢j o v 向沈嘲电隘输 出 k 卫一 麓 凸一l i i v i r 变镄电魄赞理一沙 巧v 一5 v 士i 钟 囊i n v 一t i n 嘲比饶嚷压辆 1 夕一 弋 出 3 2 3n i - e l v i s 教学实验台 图3 - 5 前置器技术指标 f i 9 3 - 5t e c h n i c a li n d i c a t o r sf o rp r e n i e l v i l s 是一个将硬件和软件组合成一体的完整的虚拟仪器教学实 验套件，它主要包括硬件和软件两部分 1 1硬件平台工作站和d a q 设备一起建立了一个完整的实验系统， e l v i s 平台工作站如图3 - 6 所示。工作站提供了连接相关实验硬件仪器的功 能，工作站控制面板提供了函数发生器和可调电源等一些容易操作的按钮， 也提供了b n c 和香蕉型连接器可连到e l v i s 示波器s f p 和e l v i sd m m s f p 上。e l v i s 软件可以在s f p 仪器间传送e l v i s 平台工作站上的信号。平台工 作站带有d a q 设备的保护板以免实验错误对设备造成损害。连接平台工作站 上的是一个为用户提供的组建电路的平台，即原型设计面板，如图所示4 4 白色面包板【”】。 2 1 软件 n ie l v i s 软件是用l a b v i e w 编制的应用软件，包括s f p 仪器 和用于对e l v i s 硬件编程的l a b v i e wa p i 。e l v i s 自带用l a b v i e w 编制的 s f p 仪器及其源代码，用户不能直接修改可执行文件，但可以通过修改代码 来修改或增强这些仪器的功能，这些仪器是在典型实验室应用中必须要用到 的虚拟仪器。 1 8 第e 章并联齿轮疃台振动实验艟涮系统组成 x ；n r 网蚓蠢刮辞j 鹱刮墨剜螽 田“n i e l 虞拟仪器平台工作站及原型实验板 劢# 3 6 m e 【| v 硌啪f k g 嘶蚰删岫帅删眦p l a t 如啪柚d p n 勘孵晶p c 血蜘t 日l b o d a ) 仪器启动器( b g k 衄i 舶tl m m 咖) n i e l v l s 仪嚣启动器提供了对n i e