（航空宇航推进理论与工程专业论文）齿轮与滚动轴承故障的振动分析与诊断.pdf

两北工业大学工学博士学位论文 摘要 振动分析是进行齿轮和滚动轴承的状态监测与故障诊断的重要手段。本文旨在研究适 于齿轮和滚动轴承的振动信号处理方法。为此，分别建造了齿轮、滚动轴承故障诊断实验装 置，模拟了9 种齿轮故障、1 8 种滚动轴承故障对所建立的故障诊断方法进行了验证和校核。 齿轮振动信号中常常含有大量噪声。为了有效地提取故障特征信息，本文建立了周期分 段技术，即单齿分析技术。它将振动平均信号等距分段( 所分段数与被监测齿轮齿数相等) ， 然后对分段信号进行频谱分析等。比较各段信号的异同以揭示故障齿的确切位置。实验分析 结果表明，该方法对齿轮的表面局部损伤故障的早期诊断和断齿故障早期诊断十分有效，可 以准确地辨别出有故障齿的位置，为齿轮故障诊断提供了一种有效手段。 齿轮和滚动轴承故障振动信号均呈现调制特征。因此，对测得的振动信号进行解调是 齿轮和滚动轴承故障诊断的关键。常用包络解调技术对此类信号进行分析，但易受噪声影响， 使得齿轮或滚动轴承的故障特征难以凸显。本文从研究相关函数的特性入手，经理论证明， 发现自相关函数并不改变调制信号的调制特征，但具有显著的降噪特点。由此建立了时延相 关解调方法，用于诊断齿轮和滚动轴承故障。这一方法的实现步骤是首先对测得的振动信号 进行自相关分析，再对自相关函数进行时延然后对时延后的自相关函数进行h i l b e r t 变换 解调。实验分析结果证实了时延相关解调技术是一种良好的降噪解调技术。并初步总结出了 利用时延相关解调法识别滚动轴承不同故障类型的诊断特征。 另外，论述了常用的时额分析方法：w i g n e r - v i l l e 分布与小波变换。在齿轮故障诊断中， w i g n e r - v i l l e 分布不但可以判断局部故障的有无，且可监测局部故障的发展趋势。而在滚动 轴承故障诊断中，w i g n e r - v i l l e 分布难以判断故障的有无。w i g n e r - v i l l e 分布计算时间长，不 适于齿轮与滚动轴承的实时诊断。利用小波变换方法，分别对故障齿轮和滚动轴承的实测振 动信号进行了分析、研究。结果表明：连续小波变换( c w t ) 可以诊断齿轮局部故障，但 是其计算耗时，不宜用于实时诊断；离散小波变换( d w t ) 可以诊断滚动轴承故障，且可 分辨轴承内环故障、外环故障及滚珠故障。但利用时延相关解调技术比使用d w t 分析滚动 轴承故障更为有效，且物理解释明确。 文中还针对转速、测点位置、故障分布( 位置) 、负载等因素对频谱分析、包络分析、 时延相芙解调等方法的诊断效果进行了大量的实验研究。结果表明，时延相关解调谱比包络 谱受噪声影响小，能较好地凸显微弱故障信息。 关键词： 齿轮、滚动轴承故障诊断 振动分析周期分段单齿分析技术 包络分析时延相关解调时频分析 a b s t r a c t a b s t r a c t d e t e c t i o no ff a u l t si n g e a r sa n dr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g sh a sb e e np a i d m u c ha t t e n t i o na n d d e s e r v e sf u r t h e ri n v e s t i g a t i o nb e c a u s eo ft h ed i v e r s i t yo ft h et y p e sa n dw o r kc o n d i t i o n so ft h e s e m e c h a n i c a lp a r t s v i b r a t i o na n a l y s i si sw i d e l yu s e di nt h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td e t e c t i o n o ft h eg e a r sa n dr o l i i n ge l e m e n tb e a r i n g s m a n yr e s e a r c h e so nt h i st o p i ch a v eb e e nm a d e 2 0 6 0 1 ， b u tm u c hs t i l lr e m a i n st ob ed o n e f o re x a m p l e ，o n eo ft h ep r o b l e m si st os u p p r e s sn o i s ei nt h e v i b r a t i o ns i g n a l sm e a s u r e do nag e a r b o xo ro nab e a r i n gp e d e s t a l i ti s p a r t i c u l a r l yi m p o a a n ti n d e m o d u l a t i n gt h ev i b r a t i o ns i g n a l s i ti sw e l lk n o w nt h a tt h em o d u l a t i o no fv i b r a t i o ns i g n a l si sa d e c i s i v es i g n a t u r eo ft h ep r e s e n to fal o c a lf a u l ti ne i t h e rg e a r so rb e a r i n g s t h ed e m o d u l a t i o no f t h e s es i g n a l sw i l lm o r ec l e a r l yr e v e a lt h es i g n a t u r e s ，h o w e v e rt h er e s u l to fd e m o d u l a t i o ni so f t e n m a s k e db yn o i s ec o n t a i n i n gi nt h em e a s u r e ds i g n a l s ，v i b r a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa r e s o u g h ti nt h i sd i s s e r t a t i o n s ot h et e s tf i g so f t h eg e a ra n dt h er o l l i n ge l e m e n tb e a r i n ga r eb u i l t a n dd i f f e r e n tt y p e so ft h ef a u l t sa r es i m u l a t e di n d i v i d u a l l yi nt h eg e a ra n dt h er o l l i n ge l e m e n t b e a r i n g i nt h i sp a p e r , s e v e r a lc o n v e n t i o n a lm e t h o d sf o rp r o c e s s i n gt h ev i b r a t i o ns i g n a l sa r ev e r i f i e df o r d e t e c t i n g f a u l t si n g e a r s a n db a l l b e a r i n g s w i t ht w ot e s t r i g sd e s i g n e de s p e c i a l l y f o rt h i s i n v e s t i g a t i o n t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ep e a kv a l u e ，r m s ，s t a n d a r dd e v i a t i o n ， c r e s tf a c t o r , k u r t o s i sv a l u ea n di m p u l s ev a l u eo ft h ev i b r a t i o ns i g n a l sc a l ld i s t i n g u i s hb e t w e e nt h e n o r m a la n da b n o r m a lc o n d i t i o n so f t h eb a l lb e a r i n gw h e nt h el e v e lo f n o i s ei sl o w h o w e v e r , w h y a n dh o wt h ef a u l t sh a p p e ni nt h em a c h i n e sc a nn o tb er e v e a l e d t h e nt h er e s o n a n c ed e m o d u l a t i o n t e c h n i q u ei su s e di na n a l y z i n gt h e v i b r a t i o ns i g n a lo f t h eg e a ra n db a l lb e a r i n g t os o m ee x t e n tt h e r e s u l t sd e p e n do nt h es e l e c t e df r e q u e n c yb a n d i no r d e rt oe f f e c t i v e l ye x t r a c tt h ed e f e c ts i g n a t u r e o ft h ev i b r a t i o n s i g n a l ，t w o n e wm e t h o d s ，s i n g l e g e a r t o o t ha n a l y s i s ( p e r i o d s e g m e n t a t i o n t e c h n i q u e ) a n dt i m e d e l a y e dc o r r e l a t i o nd e m o d u l a t i o n ，a r ee s t a b l i s h e da n de x p e r i m e n t a l l yt e s t e d t h em a i ni d e ao ft h es i n g l eg e a rt o o t ha n a l y s i s ，i st h a tt h ev i b r a t i o ns i g n a l sc o l l e c t e dw i t hh i g h s a m p l i n g r a t ea r ed i v i d e di n t oan u m b e ro fs e g m e n t sw i t has a m et i m ei n t e r v a l t h en u m b e ro ft h e s i g n a ls e g m e n t si se q u a lt ot h a to fg e a rt e e t h t h ea n a l y s i so f i n d i v i d u a ls e g s n a n tr e v e a l sm o r e s e n s i t i v e l yt h ec h a n g e so f t h ev i b r a t i o ns i g n a l si nb o t ht i m ea n d 丹e q u e n c yd o m a i n c a u s e db y g e a r f a u l t s i na d d i t i o n ，t h el o c a t i o no ff a i l e dt o o t hc a nb ei n d i c a t e di nt e r m so ft h ep o s i t i o no ft h e s e g m e n tt h a t d e v i a t e s f r o ，m n o r m a l s e g m e n t s a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n v e r i f i e dt h e a d v a n t a g e so f t h es i n g l eg e a rt o o t ha n a l y s i s i ti sag o o dm e t h o df o rm o r e s e n s i t i v ed e t e c t i o no f t h e i n c i p i e n tf a u l t sa n dl o c a t i n gt h ef a u l t si nt h eg e a r t h et i m e - d e l a y e dc o r r e l a t i o nd e m o d u l a t i o ni se s t a b l i s h e di no r d e rt o s u p p r e s s t h en o i s ea n d d e m o d u l a t i n gt h es i g n a l t h ea u t o - c o r r e l a t i o nf u n c t i o n so f v i b r a t i o ns i g n a l sm e a s u r e do i lb e a r i n g c a s e sa r ef i r s tc o m p u t e d ，w h i c hw i l lr e d u c et h en o i s eg r e a t l y , b u tn o tc h a n g et h em o d u l a t i o n s i g n a t u r eo ft h es i g n a l s t h e nt h ea u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n sa r ed e l a y e df o rs o m et i m ei a g sj n o r d e rt od e c r e a s et h ea f f e c t i o no fn o i s eb e f o r ed e m o d u l a t e d b y h i l b e r tt r a n s f o r m t h e e f f e c t i v e n e s so ft i f f sm e t h o di sc o n f i r m e db ys i m u l a t e dd a t aa n de x p e r i m e n t a ld a t a m o r e o v e r , t h e 堕! ! 王些盔堂王堂竖主堂垡笙塞 f a u l t so nt h eo u t e rr i n g ，i n n e r r i n ga n dr o l l i n ge l e m e mc a r t b er e c o g n i z e db yt h et i m e d e l a y e d c o r r e l a t i o nd e m o d u l a t i o n m o r e o v e r , t h et i m e 。f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d s ；w i g n e r - v i l l ed i s t r i b u t i o na n dw a v e l e t t r a n s f o r m ， a r es t u d i e di nt h i sp a p e r s o m ef a u l t si nt h eg e a ra n db a l l b e a r i n gc a nb ed e t e c t e db yt h e s et w o m e t h o d s ，h o w e v e r , t h ec o m p u t i n gt i m ei ss o m el o n g s ot h e yc a l ln o tb eu s e di no n l i n ef a u i t d e t e c t i o na n dc o n d i t i o nm o n i t o r i n g a n dt h e e x p l a n a t i o no ft h et i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i si sn o t e a s i l ya c c e p t e db yt h ee n g i n e e r s t h ee x p e r i m e n t a lf a c t o r s ，s u c ha sr o t a t i o n a ls p e e da n dm e a s u r e dp o s i t i o na n df a u l td i s t r i b u t i o n a n dl o a d ，a r ec o n s i d e r e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni no r d e rt oi n v e s t i g a t et h e s e n s i t i v i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h et i m e d e l a y e dc o r r e l a t i o nd e m o d u l a t i o n c o m p a r i n gw i t hf r e q u e n c ys p e c t r u ma n de n v e l o p e s p e c t r u m i t i s i n v e s t i g a t e db yt h ee x p e r i m e n to n c em o r et h a tt h e t i m e 。d e l a y e d c o r r e l a t i o n d e m o d u l a t i o ns p e c t r u mc a nr e v e a lf a u l ti n f o r m a t i o ni nt h e v i b r a t i o ns i g n a lm o r e c l e a r l y k e y w o r d s ： g e a ra n d r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n gf a u l td i a g n o s i s ， v i b r a t i o na n a l y s i s ，p e r i o ds e g m e n t a t i o n ，s i n g l e g e a rt o o t ha n a l y s i s ， e n v e l o p ea n a l y s i s ，t i m e d e l a y e dc o r r e l a t i o nd e m o d u l a t i o n ，t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s 西北工业大学工学博士学位论文 第一章绪论 随着现代工业及科学技术的迅速发展，生产设备日趋大型化、集成化、高速化、自动化 和智能化，由此而使设备的功能愈来愈多，性能指标越米越高。设备特别是关键设备在生产 实践中的作用愈来愈大，使得对设备管理和维修人员的要求也愈来愈高。发展有效的设各状 态监测和故障诊断技术成为当今设备管理和维修的迫切需求。 1 1 机械故障诊断学的研究内容和发展趋势 机械故障诊断是本世纪六七十年代产生并发展起来的- - i g 综合性边缘学科。所谓机械故 障诊断，就是对机械设备的工作状态的正常与否，异常程度作出判断，需要在事故发生之前 查明，以便采取相应决策，杜绝事故的发生。机械故障诊断的过程如图1 1 所示。 图1 1 机械故障诊断过程】 f i g1 it h ep r o c e s so f t h em e c h a n i c a ld i a g n o s i s 【l 】 设备维修的发展过程经历了事后维修、预防维修和状态维修3 个阶段【2 5 j 。现今状态维 修技术发展十分迅速，特别是相关的信号处理方法多种多样，为故障特征的提取提供了有效 的手段 6 - i 6 。而我国设备故障诊断技术的起步较晚，大多数工矿企业的重点设备维修还处 于事后维修或定期维修阶段，状态维修的应用还不是很广。在石化、冶金、电力等部门有部 分企业已经意识到设备维修技术的重要性，并且维修方式也向状态维修转变，例如，首钢、 宝钢等大型企业。 1 1 1 机械故障诊断学的研究内容卜3 2 0 由机械故障渗断的过程可以得知，其主要研究内容为： 1 ) 设备运行状态的监测一根据机械设备在运行时产生的信息判断设备是否运行正常， 其目的是为了早期发现设备故障的苗头。 2 ) 设备运行状态的趋势预报一在状态监测的基础上进一步对设备运行状态的发展趋 势进行预测。其目的是为了预知设备劣化的速度以便为生产安排和维修计划提前做 好准备。 3 ) 故障类型、程度、部位、原因的确定一最重要的是故障类型的确定，它是在状态监 测的基础上，当确认机器已处于异常状态时所需要进一步解决的问题，其目的是为 最后的诊断决簧提供依据。 第一章绪论 1 1 2 机械故障诊断学的发展趋势2 j 7 设备故障诊断已成为一门独立的跨学科的综合信息处理技术。它以可靠性理论、信息 论、控制论和系统论为理论基础，以现代测试和计算机为技术手段，结合各种诊断对象( 系 统、设备、机器、装置、工程结构、工艺过程等) 的特殊规律而逐步形成的一门新兴学科。 设备故障诊断技术与当代前沿科学的融合是设备故障诊断技术的发展方向。当今故障 诊断技术的发展趋势是传感器的精密化、多维化，诊断理论、诊断模型的多元化，诊断技术 的智能化，具体来说表现在如下方面： 1 ) 与当代最新传感器技术尤其是激光测试技术的融合。近年来，激光技术应经从军事、 医疗、机械加工等领域深入发展到振动测量和设备故障诊断中，并且已经成功应用于澳4 振和 旋转机械对中等方面。 2 ) 与最新信号处理方法相融合，研究典型机械部件的失效分析及其在二次信息中的反 映。随着新的信号处理方法在设备故障诊断领域中的应用，传统的基于快速傅里卅变换的机 械设备信号分析技术有了新的突破性进展。 3 ) 与非线性原理和方法的融台。机械设备在发生故障时，其行为往往表现为非线性。 随着混沌与分形几何方法的日趋完善，这一类诊断问题必将得到进一步解决。 4 ) 与多元传感器信息的融合。现代化的大生产要求对设备进行全方位、多角度的监测 和维护，以便对设备的运行状态有整体的、全面的了解。冈此，在进行设备故障诊断时，可 采用多个传感器同时对设备的各个位置进行监测，然后按照一定的方法对这些信息进行处 理，如人工神经网络方法。 5 ) 与现代智能方法的融合。现代智能方法包括专家系统、模糊逻辑、神经网络、进化 计算等。现代智能方法在设备故障诊断技术中已得到广泛的应用。随着智能技术的不断发展， 设备状态的智能监测和设备故障的智能诊断，将是故障诊断技术的最终目标。 1 2 齿轮故障诊断 齿轮是1 ：业中应用十分j “泛的产品。齿轮传动多以齿轮箱的结构出现，它是目前，1 泛采 用的主要传动形式2 一。虽然齿轮从设计、结构、材料到制造等方面已相当成熟和规范。但 仍然难以避免诸如磨损、剥落、点蚀、裂纹等常发故障。研究表明，齿轮箱6 0 的故障由 齿轮引发的；而9 0 的齿轮故障都是局部故障，例如裂纹、崩齿等”j 。特别是对于涡轴、 | 5 6 桨航空发动机。减速器是动力涡轮功率输出的主要环节，其减速比高、负荷大，属于故障 多发件。减速器一旦出现故障，直接威胁发动机以至于整个飞机的安全。对减速器的诊断是 航空发动机状态监测与故障诊断中的关键技术之一，意义重大。 2 西北丁业大学工学博l 学位论文 1 2 1 故障类型 齿轮故障类型及其可能损伤的原因见图1 2 。 图1 2 齿轮故障类型及其损伤原因示意图 8 】 f i g i2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo l lt h et y p e so f t h eg e a rf a u l t sa n dt h e i rc a u s e s 1 2 2 齿轮故障诊断技术的发展 齿轮装置在运行中与其运行状态有关的征兆由温度、噪声、振动、润滑油中磨损物的含 量及形态、齿轮传动轴的扭转振动和扭矩、齿轮齿根应力分布等构成 8 1 。由此产生了相应 的故障诊断技术，如下所列： 1 ) 振动信号检测与诊断方法。目前大多数的齿轮故障诊断技术均以振动信号为研究对 象，从时域、频域、时频联合域不同的角度对其分析和解释。 2 ) 模态分析与参数识别法。利用测得的振动参数对其零部件的模态参数进行识别，以 确定故障的原因及部位。 3 ) 磨屑残余物测定法。其主要包括铁谱法、磁塞法、光谱法等。但是此方法对一些故 障毫无检测能力，如齿根裂纹、松动、不平衡等毫无检测能力，且其不适于运行状态的实时 监洲。 4 ) 声学法。此方法易受背景噪声的影响，使得分析结果与实际情况出入较大。但是由 于声测量技术和分析方法的发展，利用噪声诊断齿轮故障近年来又引起了人们的关注。 5 ) 温度监测法。对压痕、裂纹等典型故障无检测能力。 第一章绪论 6 ) 无损探伤法。此方法主要用于齿轮箱零部件的损伤检测。 通过上述方法的比较，可以得知齿轮的振动是最佳征兆提取量。它对运行状态的反映迅 速、真实、全面，能够反映绝大部分齿轮故障，有利于开展齿轮运行状态的实时监测和故障 诊断。故与此相关的振动信号处理技术蓬勃发展，如统计参数分析、幅值谱与功率谱分析、 倒频谱分析、时序分析、高阶谱分析、包络解凋分析、高频共振解调分析等技术。8 “。 1 2 3 齿轮故障诊断文献综述 r b r a n d a l l 模拟了齿轮中的分布故障与局部故障，并详细阐述了齿轮振动中的幅值调 制与频率调制现象【j 。文献e 2 3 ，7 3 建立_ 齿轮啮合振动模型，从动力学角度揭示了齿轮 发生故障时的振动特征。t r e e v e s 从齿轮设计理论出发，分析齿轮振动产生的内部机理，为 齿轮故障的诊断提供了依据，并研究了传感器位置对诊断结果的影响 1 1 7 j 。文献 i3 7 1 3 8 3 研究了齿轮故障典型频谱。时域同步平均技术可以有效地提取所监测齿轮的振动信息，而抑 制其它不同步振动信息及噪音 6 5 - 6 6 1 。当监测中提供的相位信号不是所需分析齿轮相位时， p d m c f a d d e n 针对齿轮振动信号提出了减小偏差的插值方法【6 “，有效地解决了计算时间与 偏差之间的矛盾。齿轮无论有无故障，其振动中都包含啮合频率及其倍频成分，当进行齿轮 故障分析时常常滤除此部分振动信号，剩余的信号称之为残余信号| 6 ”。目前大多数齿轮振 动信号分析均建立在此基础之上。齿轮故障的特征提取很多都与残余信号的统计参数有关 9 8 j 1 9 。k a t h e r i n e 等分析比较了齿轮箱残余振动信号与偏差振动信号所反映的故障特征。 j a m e s l i 利用线性动态模型( a r 模型) 诊断齿轮故障，并预测故障发展趋势口“。 包络解调技术能够有效地提取齿轮振动信号中的故障特征信息u 。_ ”，”。b g e r o p p 利片! ；| 包络解调分析了齿轮与滚动轴承信号”j 。w e n y iw a n g 在齿轮啮合振动模型基础之上，将 高频共振解调技术用丁早期裂纹故障监测与诊断”“。丁康与江利旗研究了解凋分析在机械 故障诊断中的局限性问题，并提出了解决方法 13 6 1 。 高阶潜是分析非高斯信号的主要工具，在振动分析中有着广泛的应用【1 1 5 , 1 6 1 。它能够求 得信号的真实相位和幅值，克服了功率谱只有在最小相位才能恢复信号相位的缺点。另外， 高阶谱能够有效地检测各频率之间的非线性耦合。b c o l l i s 等系统地阐述了高阶谱理沧及其 对于振动信号的工程解释 3 7 1 。j w a ，f a c k r e l l 等分析了不同类型振动信号的双谱特性，并研 究了采样频率对般谱分析结果的影响【j “”j 。t a i k a n gn i n g 等提山一种新的双谱分析方法， 较好地诊断和区分了不平衡与不对中等分布故障i j 。i m h o w a r d 利用高阶谱分析幅值调制 与相位调制振动信号，并对齿轮故障作出了正确的判断【7 2 。 对于一类特殊的非平稳信号，其统计矩呈现周期性变化，称之为准周期信号 ( c y c o l s t a t i o n a r ys i g n a l ) 。a c m c c o r m i c k 研究了旋转机械振动中存在的准周期现象，详细 阐述了其在故障诊断中的各种应用，并对滚动轴承故障进行了分析 7 9 , 1 2 1 。c c a p d e s s u s 等人 研究了齿轮振动信号，指出其呈现2 阶准周期特征，利用准周期信号处理方法对齿轮故障进 行了正确的诊断”“。准周期信号处理方法主要有2 类：2 维自相关函数与2 维傅里叫变换 ( 或称为谱相关分析) 。r b r a n d a l l 等研究了谱相关分析与包络分析的关系，并对齿轮箱中 的滚动轴承故障信号进行了分析l l z o l 。 4 西北工业大学工学博卜学位论文 由于齿轮振动信号具有非平稳特性，故时频分析在齿轮与滚动轴承故障诊断中得到越来 + 越多的重视- 1 “”4 。”j 。w j w a n g 与p d m c f a d d e n 对齿轮故障信号进行了合适的时频解释 【4 7 “】。w j s t a s z e w s k i 等使用w i g n e r - v i i i e 分布监测齿轮故障信号，并进行模式识别】。 n a i m b a y d a r a n d a n d r e w b a l l 对齿轮振动信号与声信号利用w i g n e r - v i l l e 分布分别进行处理， 并分析了故障趋势对处理结果的影响 1 0 q 。针对w i g n e r - v i l l e 分布将会出现的交叉项，许多 学者进行了广泛的研究坤”。文献 2 4 2 8 1 利用小波变换与多分辨率的概念提取齿轮故障 特征，诊断出齿轮局部故障( 齿面破损、崩齿、裂纹等) 。齿轮与滚动轴承振动信号中常常 含有大量的噪声，为了有效地提取故障特征，d o n o h o 与j o n e s t o n e 提出了软闽值降噪技术 1 1 7 9 。林京与屈梁生利用m o r l e t 小波改进了此降噪方法，使之能够有效地提取振动信号中的 脉冲信息。rgs t o c k w e l l 等研究了s 变换的局部性”，m c f a d d e n 等在此基础上提出了广 义s 变换，并将之应用于齿轮故障诊断之中p ”】。g d a l p a z 等对齿轮故障诊断中常用的信 号处理方法与小波分析及准周期( c y c l o s t a t i o n a r y ) 信号分析技术作了对比研究，并诊断山 了齿轮局部故障 2 2 - 2 4 1 。近年来，国内、外许多学者利用小波变换进行了齿轮的故障特征提 取与诊断 1 0 0 - 1 0 3 3 5 5 - 1 6 2 | ，取得了有效的成果。 1 3 滚动轴承故障 滚动轴承是机械设各中最常用也是最易损坏的零件之一。旋转机械中发生的故障有7 是由因滚动轴承故障而引发 2 1 。滚动轴承是发动机的承力单元，除转速高、负荷大外，工 况也极端恶劣。因此，亦属故障多发件。滚动轴承的故障诊断近年来获得越来越多的重视。 在球轴承中，故障9 0 发生在内环与外环上，其它故障则基本发生在滚动体上，很少有保 持架故障发生 1 9 7 i 。基于此，本文模拟了3 0 7 轴承的内环故障、外环故障与滚珠故障。 1 3 1 故障类型 滚动轴承有很多损坏形式，常见的有磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕 失效和胶合失效。滚动轴承故障也可分为分布故障与局部故障。分布故障主要体现为表面波 纹度、不对中、游隙过犬等形式；局部故障主要体现为轴承元件裂纹、划痕、点蚀等形式。 由丁滚动轴承的广泛使用，为防止其意外失效或发生故障，有必要建立有效的滚动轴承状态 监测与故障诊断方法。 由表1 1 中各种监测方法的比较可知，振动法能够诊断大多数滚动轴承故障，而且可在 运动中测得轴承信号。国内外开发生产的各种滚动轴承故障诊断与监测仪器大都是根据振动 法的原理制成的。有关轴承监测和诊断的文献，8 0 以上讨论的是振动法。 第一章绪论 表11 滚动轴承失效监测方法及其适用性【1 9 5 l 监测方法 振动温度磨损微粒 声发射轴承游隙 油膜电阻 光纤法 疲劳剥落 oo o o 裂纹 o o 故 压痕oo 磨损 oo ooo 障 电蚀oooo 擦伤 oo o 类 烧伤ooo 锈蚀 0 型 保持架破损 蠕变 运动中测定 可 可 可可不可可可 注：表中符号0 有效，一有可能，一水适合 1 3 2 滚动轴承故障诊断文献综述 振动分析广泛地应用于滚动轴承故障诊断之中，相应的振动信号处理技术蓬勃发展。 m c f a d d e n 与s m i t h 建立了滚动轴承在径向载荷下单点故障和多点故障的振动模型，揭示了 的不同故障的振动特征，为故障诊断提供了基本的理论依据 6 33 4 。d a v i db r i e 将滚动轴承 机构简化为一线性时变模型，更清楚地揭示了轴承存在故障时的振动规律 5 5 1 。g k c h a t u r v e d ia n dd wt h o m a s 利用自适应降噪技术( a n c ) 使得统计分析及谱分析对滚动轴 承的故障诊断更加有效”“。r b w h e n g 与m j m n o r 利用统计特征参数分析了滚动轴承振 动信号与声信号，并就转速对统计参数的影响进行了研究 8 6 1 。t w i l l i a m s 采用统计特征参 数预测滚动轴承寿命【7 “。e d m c f a d d e n 与m ，m t o o z h y 将时域同步平均技术与高频共振解 调技术相结合分析滚动轴承振动信号b 0 8 。c j a m el i 与sm w u 采用合适的滤波器提取共振 信息，将信号同步分段与参数谱估计相结合，建立了在线滚动轴承故障诊断系统。 c k m e c h e f s k e 与j , m a t h e w 利用参数谱有效诊断了低速滚动轴承故障f 4 l 4 2j 。d c b a i l l i ea n d j m a t h e w 比较了3 种白回归模型在滚动轴承故障诊断中的应用，并研究了采样妖度对分析 结果的影响”。j p d r o n 等利用时序分析建立了高分辨率的滚动轴承故障监测方法”。 包络分析在滚动轴承的故障诊断中有着广泛的应用【6 “”0 ，”。y f w a n g 与p j k o o t s o o k o s 针对低速滚动轴承故障诊断提出了包络自相关技术”。d h o 与r b r a n d a l l 将 a n c 技术与包络分析相结合，大大降低了噪音影响，更加有效地提取山轴承故障特征信号 7 7 1 。 滚动轴承振动与齿轮振动信号都呈现调制特性，而且都具有非平稳性。a c m c c o r m i c k 针对振动信号的非平稳特性，利用高阶统计量分析对滚动轴承故障作出了有效判断1 “。 杨江天利用双谱分析有效地分析了滚动轴承外环故障与转子不对中故障”j 。文献 8 1 8 3 ， 西北工业大学t 学博士学位论立 1 6 3 1 7 6 利用小波变换或者结台其他信号处理方法有效地提取了滚动轴承故障特征。s + p r a b h a k a r l 等使用离散小波变换( d w t ) 分析了滚动轴承外环、内环故障 4 6 , 7 1 1 。j a l t m a n n 与j m a t h e w 利用小波包分析与轴承振动信号包络的a r 分析相结合，大大提高了信噪比【7 ”。 r r u b i n i 等利用连续小波提取脉冲的优良特性，使用若干频率截面平均幅值谱监测滚动轴承 故障的发展趋势【9 9 1 。 1 4 论文研究的目的 齿轮和滚动轴承振动信号呈现调制特征及含有大量噪声。包络分析是提取调制信息的主 要方法，本文的研究表明它受转速、负载状态、测点位置等因素的影响很大。同一故障在不 同的条件可能会得到不同的诊断结果，这容易造成误诊。本文针对包络分析的这一局限性， 提出了一种新的降噪解调方法一时延相关解调法。 齿轮易发生崩齿、齿面破损等局部故障。为了获知故障齿的位置，本文提出改进的周期 分段技术，即单齿分析技术，将时域平均信号按齿数分段，利用传统的时域、频域方法，对 各段信号分析、比较，判断故障齿位置。 1 5 论文内容简介 本文首先分别建造了齿轮、滚动轴承故障实验装置，模拟了9 种齿轮故障、1 8 种滚动 轴承故障并编制了一套适刚的诊断软件对振动数据进行分析。本文首先沧述了齿轮和滚动 轴承产生故障时的振动机理。再根据齿轮与滚动轴承早期故障特点，提山了改进的周期分段 技术，分别提取了齿轮与滚动轴承周期分段统计特征参数。进而针对齿轮与滚动轴承振动信 号呈现的调制特征及信噪比低的特点，提出了时延相关解调技术。其次，研究了w i g n c r v i i i e 分布与小波分析在齿轮与滚动轴承故障诊断中的应用。最后，在建造的实验装置上进行了大 量的实验研究。本文章节安排如下： 第一章为绪论，同顾总结了齿轮和滚动轴承的各种故障诊断技术及其适用性，着重讨论 了振动信号的处理方法，并指出了方展方向。 第二章介绍了本文建造的齿轮、滚动轴承实验装置，并编制了相应的故障诊断分析软件。 第三章阐述了齿轮与滚动轴承存在故障时的振动特征，介绍了常用的时域、频域简易诊 断方法、共振解调法以及倒频谱分析法。 第四章利用周期分段技术，与时域特征参数相结台诊断齿轮与滚动轴承故障。尤其对于 齿轮故障诊断，提出了单齿分析技术，改变了传统周期分段法必需大量采样周期的缺点，方 便了数据的存贮和分析，为故障的在线监测提供了条件。 第五章指出了自相关函数不改变信号的调制特征的特性，结合噪声的白相关函数分布特 征，提出了一种降噪解调方法一时延相关解调技术。分别分析了齿轮与滚动轴承中常发生的 多种故障。 第六章论述了常用的时频分析方法：w i g n e r - v i l l e 分布与小波分析，并利用两种方法对 齿轮与轴承振动信号进行了分析与处理。 第七章在齿轮、滚动轴承实验装置上作了大量的故障模拟实验。主要利用时延相关解调 7 第一章绪论 法对振动信号进行处理，研究实验条件对分析结果的影响。 第八章总结了全文的工作，并对以后工作提出了设想与建议。 西北工业大学t 学博十学位论文 第二章齿轮与滚动轴承故障诊断实验设计 2 1 齿轮故障的模拟实验 2 1 1 实验装置 幽21 齿轮故障诊断实验装置示意图 f i g2 1 t h e t e s tr i g f o r t h e g e a r 齿轮故障诊断实验装置如图2 1 所示( 其照片见附图1 ) 。它由j z o 一2 5 0 型齿轮减速器、 交流驱动电机、变频器和抱闸等部件组成。齿轮1 至4 的齿数依次为3 5 、6 4 、1 8 和8 1 。交 流电机、齿轮箱及抱闸均固定在刚性平台之上。变频器可控制电机在2 0 0 - - 3 0 0 0 r p m 之间运 转。齿轮箱的负载通过盘一抱闸结构实现。抱闸和装于齿轮箱输出轴( i l l 轴) 上的圆盘接 触时将产生摩擦，摩擦力的大小可由抱闸上的力簧加以调节。由此产生的摩擦力矩用来模拟 齿轮箱的负载。有的文献中齿轮实验装置的负载由电机加电阻箱的方式实现，用以提供恒定 负载：有的文献中采用闭环结构提供监测齿轮所需的负载，即利用两副相同的齿轮，但传动 方向相反。组成刚环结构。本文利用摩擦力矩提供实验装置所需的负载，具有经济易实现的 特点。另外，本实验装置提供的模拟负载在齿轮箱稳定运行时虽然可能有所波动，但这更接 近于实际况，因为齿轮传动的负载多不恒定，例如煤矿挖掘机等。j z q - 2 5 0 型齿轮减速器 i 、i i 轴两端轴承均为4 0 6 型滚动轴承，i i i 轴两端采用4 1 2 型滚动轴承，其参数见表2 1 。 表2 1 齿轮箱各轴承几何参数 t a b21t h e g e o m e t r i c a lp a r a m e t e ro f t h eb e a r i n g so f t h eg e a r b o x 9 第二章齿轮与滚动轴承故障诊断实验设计 图2 2 传感器安装位置示意图 f i g2 2t h es c h e m a t i cp i c t u r eo f t h ei n s t a l l e dp o s i t i o n so f t h e s e n s o r