（机械制造及其自动化专业论文）圆筒造球机振动异常情况的分析与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在炼钢的过程中，需要将细磨精矿制成球团来满足高炉冶炼的要求，圆筒 造球机就是专门用于生产球团的专用设备。造球机能否可靠运行是保证球团产 量、质量的关键因素。目前在国内大型冶金企业，球团生产采用的圆筒造球机 和球团生产线都是由发达国家引进的，因此，研究圆筒造球机的工作情况对生 产厂家用好生产线和我国自主研发球团生产线是非常重要的。 某大型冶金企业球团厂的造球生产线在正常生产一年后，生产线上的圆筒 造球机发生了工作异常，使得生产建筑物发生剧烈的振动，严重的影响到生产 和人员的安全。该球团厂的工作人员想解决这个问题，但是由于造球机体积庞 大，工作环境恶劣，所以一直找不到造球机振动过大的振源。针对这种情况， 作者在该球团厂进行了数据测试，然后通过对现场测试数据的分析研究，同时 采用虚拟样机技术进行理论分析，最后找出了造球机振动过大的原因，并且总 结了造球机发生振动故障时的一些常见情况，这对于以后分析圆筒造球机的振 动故障情况有一定的意义。 本论文主要阐述了以下几个方面的内容： ( 1 ) 圆筒造球机的结构以及工作原理。 ( 2 ) 圆筒造球机在工作过程中可能出现的各种故障情况以及判断方法。 ( 3 ) 现场测试圆筒造球机振动情况时所采用的软件以及具体测试方法。 ( 4 ) 圆筒造球机虚拟样机的建模及分析。利用三维建模软件p r o e 建立圆 筒造球机的模型，然后结合动力学分析软件a d a m s 建立圆筒造球机的虚拟样 机，对其进行运动学分析以及动力学分析，根据虚拟样机得到的数据，与现场 实测数据进行对比，来研究圆筒造球机的振动情况。 、 通过具体分析现场测试得到的数据，得出了初步结论，再用圆筒造球机虚 拟样机分析得出的理论值，来印证此结论的正确性。在排除几种可能情况之后， 诊断出圆筒造球机振动过大是由于齿轮系统造成的。该球团厂对齿轮系统进行 改造后，造球机振动明显减小，这也验证了诊断分析的正确性。 关键词：圆筒造球机，故障检测，虚拟样机 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h es t e e l m a k i n gp r o c e s s ，t h ee x t r a c tm i n eh a v et ob em a d ea sb a l l st om e e t t h en e e do f b l a s tf u m a e es m e l t ，a n dt h ec y l i n d e rb a l l - m a k i n gm a c h i n ei sm a d et om e e t t h i s p u r p o s e t h en o r m a lw o r k i n gs t a t u eo ft h eb a l l m a k i n gm a c h i n ei sv e r y i m p o r t a n tf o rt h eq u a l i t ya n do u t p u to ft h eb a l l s s of a ri nt h es t e e l m a k i n gf a c t o r yi n c h i n a , t h ec y l i n d e rb a l l - m a k i n gm a c h i n ea n dt h eb a l l m a k i n gl i n e ，w h i c ha r eu s e dt o p r o d u c eb a l l s ，a l lc o m ef r o ma b r o a d ，s oi t si m p o r t a n tt or e s e a r c ho nt h ew o r k i n g s t a t u eo ft h ec y l i n d e rb a l l - m a k i n gm a c h i n ef o rc h i n a sb a l l - m a k e r st o 啪t h e b a l l - m a k i n gl i n ew e l la n dt op r o d u c et h el i n e t h eb a l l - m a k i n gl i n eh a ss o m e t h i n gw r o n ga f t e rw o r k i n gf o ray e a rn o r m a l l yi n ab i gs t e e l - m a k i n gf a c t o r y , t w oo ft h eb a l l m a k i n gm a c h i n e si nt h el i n eh a v e s o m e t h i n gw h i c hi sa b n o r m a l ，a n dt h i sc a u s e sab i gv i b r a t i o ni nt h ef a c t o r yb u i l d i n g , a n dt h ep r o d u c ea n dt h ec r e wh a v eb e e nt h r e a t e n e d t h ec r e wo ft h i sf a c t o r yw a n tt o s o l v et h i sq u e s t i o nb u ta st h eb a l l - m a k i n gm a c h i n ei sh u g ea n dt h ew o r k i n g s u r r o u n d i n g i s c o m p l i c a t e d , 8 0t h e r e a s o nw h yt h e r ei sab i gv i b r a t i o ni nt h e b a l l - m a k i n gm a c h i n ec a nn o tb ef o u n d i nt h i ss i t u a t i o n , t h ea u t h o rm e a s u r e dd a t ai n t h ef a c t o r y , a n df i n a l l yf i n dt h er e a s o no ft h ev i b r a t i o n , t h r o u g hs t u d y i n gt h ed a t a m e a s u r e da n dd o i n gd u m m ys a m p l ea n a l y s i s t h ea u t h o ra l s ol i s t sk i n d so fv i b r a t i o n s i t u a t i o n so ft h eb a l l - m a k i n gm a c h i n e s ，a n dt h i si sh e l p f u lf o rt h ea n a l y s i so ft h e c y l i n d e rb a l l - m a k i n gm a c h i n e s v i b r a t i o na b n o r m a l i t y t h i ss t u d yi n c l u d e sc o n t e n t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec y l i n d e rb a l l - m a k i n gm a c h i n e ( 2 ) k i n d so ff a i l u r e sd u r i n gt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ec y l i n d e rb a l l - m a k i n g m a c h i n ea n dw a y st or e c o g n i z et h e m ( 3 ) t h es o f t w a r eu s e dt om e a s u r ev i b r a t i o nd a t aa n dt h em e a s u r em e t h o d ( 4 ) m o d e l i n ga n da n a l y s i so ft h ed u m m ys a m p l eo ft h ec y l i n d e rb a l l - m a k i n g m a c h i n e s e t t i n gu pt h em o d e lo ft h ec y l i n d e rb a l l - m a k i n gm a c h i n ew i t ht h e t h r e e - d i m e n s i o nm o d e l i n gs o f t w a r ep r o e ，t h e nt ob u i l dt h ed u m m ys a m p l eo ft h e c y l i n d e rb a l l - m a k i n gm a c h i n ew i t ht h ed y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r ea d a m s p u t t i n g 武汉理工大学硕士学位论文 u pt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i s ，t or e s e a r c ht h ev i b r a t i o ns i t u a t i o no ft h e c y l i n d e rb a l l - m a k i n gm a c h i n e ，b yc o m p a r i n gt h ed a t ef r o mt h ed u m m ys a m p l ea n d t h el o c a l em e a s u r e m e n t b yt h ea n a l y s i so ft h ed a t am e a s u r e d ，t h ei n i t i a lc o n c l u s i o ni sg o t ，t h e nt op r o v e t h ec o r r e c t i o no ft h ec o n c l u s i o nw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u ef i o mt h ed u m m y s a m p l e a tt h ee n dt h ec o n c l u s i o nt h a tt h eb a l l - m a k i n gm a c h i n e sv i b r a t i o ni sc a u s e db yt h e g e a rs y s t e m si sr e a c h e d ，a f t e rr e m o v i n gt h eo t h e rp o s s i b i l i t i e s a n dt h ev i b r a t i o n h a sa s h a r pd e c r e a s ea f t e rar e p a i ro nt h eg e a rs y s t e m ，a n dt h i sa sw e l la sg i v 懿as u p p o r tt o t h ec o n c l u s i o n k e yw o r d s ：c y l i n d e rb a l l - m a k i n gm a c h i n e ，f a i l u r e - i n s p e c t i n g ，d u m m ys a m p l e h i 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：奎垩茎墨日期：圣! 了：i 圣 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) p 研究生( 签名) ：查丕j ( 乏导师( 签名) ：协卟日期咖乡侈t y 人 j 。 一 ， 一 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 现代铁矿开采中富铁块矿已越来越少，绝大部分都是粉矿和经磨选后的细 精矿。粉矿一般通过烧结工艺造块后供炼铁使用，而经细磨挑选后的精矿宜采用 球团工艺生产成球团矿供炼铁使用。 如果将细磨铁精矿用于烧结造块，对烧结生产是十分不利的，不仅所产烧结 矿强度差，含粉率高，f e o 含量高，还原粉化指数高，而且烧结矿产量明显受到制 约，此外还会严重地恶化生产环境。细磨铁精矿其粒度很细，在配加少量粘结剂 的情况下，很容易造出具有一定强度的圆形小球，经高温氧化焙烧后具有很高的 强度。这种大小均匀、形状规则的球团矿对竖式冶金炉( 高炉是其中之一 生产 是十分有利的。因而细磨铁精矿用于球团矿生产，比用于烧结矿生产更加合理【l l 。 高炉使用球团矿最早进行实验是1 9 4 8 年，首先是美国矿山局在米尼坡里斯 ( m i n n e a p o l i s ) 试验站的小高炉( 炉缸直径d = o 9 1 5 米) 中进行半工业性试验， 取得了令人满意的结果，如图1 1 所示。 球团矿阁致风澡 炉顶煤气 焦，比产量增减酉分率( ) ( )( y c o c o l公斤吨钦 吨铗r 煞比 产 量 o5 7 02 5 1 l 1 1 4 55 6 8l o o1 0 0 i 3 0，5 筋2 。1 51 0 4 06 7 3一1 3+ 1 8 3 05 5 52 3 51 0 6 06 。6 31 i+ 1 8 6 05 5 21 9 08 9 2b 7 52 毒+ 3 6 6 05 4 91 8 8 9 3 0 7 7 72 2 争3 7 ， 1 6 1 - 7 6 09 6 33 6 + 7 0 1 0 05 4 6 l 1 0 05 3 11 4 7 l 7 2 0 1 0 0 04 0+ 7 6 注l + 为增加百分比；一为降低百分比 图1 1 美国矿山局球团矿半工业性实验高炉指标 武汉理工大学硕士学位论文 在完成大量试验以后，1 9 5 0 年以后，大规模球团矿的工业生产才开始进行 由于球团工艺既能解决美国当时的铁隧岩细粒精矿的造块问题，又具有改善高 炉炉料的理化性质和冶炼效果好等许多优点，因此，试验一成功，球团工艺就 在美国获得较迅速发展。随后，引起了各国钢铁部门的很大兴趣。 球团矿生产迅速发展的主要原因除了因为天然富矿贮量越来越少，而钢铁 需要量越来越多，必须尽最大努力提高矿石中铁粉回收率，将大量贫铁矿细磨 精选，充分利用细精铁矿的原因外，还因为球团工艺本身具有较多优点，简单 归纳如下： ( 1 ) 可以充分利用采用烧结方法不可能或很困难造块的细精矿粉； ( 2 ) 球团矿设备的利用率比烧结设备的利用率要高。据报导，1 9 5 8 年至 1 9 5 9 年，美国烧结设备的利用率不到6 0 ，而球团设备的利用率却超过了9 5 ； ( 3 ) 球团矿比烧结矿的物理性能良好，如粒度均匀、强度和还原性较好， 堆比重大等等，因此高炉冶炼性能也较好，高炉使用球团矿对提高产量和降侣 焦比的效果很显著【2 1 。 造球机是生产球团矿的关键设备，钢、铁的产量及质量与球团矿的产量、 质量有着直接的关系，因此造球机运行的稳定性对于顺利开展钢铁生产有着重 要作用。但是造球机的工作状况复杂，循环负荷很大，造球混合料在造球机滚 筒内运动轨迹无规律，以及外载荷的变化，都是造成造球机故障的原因。正是 这种复杂的情况，导致分析造球机故障的困难性。因此在研究造球机故障的过 程中不仅要依靠先进的测量技术，积累丰富的故障诊断经验也很重要。 1 2 本课题来源、国内外研究的现状分析 造球机是球团矿的主要生产设备，是保障武汉钢铁集团炼铁生产的重要设 备。造球机的工作状况将直接影响到球团质量，由于圆筒造球机自身质量重， 同时在运行时原料处理量大，所以尽管造球机的造球滚筒滚动速度低，但是圆 筒造球机在工作时所产生的振动是很大的。特别当圆筒造球机的某个部件发生 故障时，这种振动就会加大，不仅不利于球团矿生产线的正常运行，而且对于 安全生产也是极大的隐患。为了保证造球工序顺利进行，同时把隐患防范于未 然，所以提出了“圆筒造球机振动异常情况的分析与研究一的课题。 我国球团矿生产技术的研究和球团厂的建设，起步并不算晚，早在五、六十 年代就已开始。但是后来经过几次不成功的尝试以后，球团矿生产这一技术被 2 武汉理工大学硕士学位论文 忽视了，这也使得我国球团生产技术的发展长期处于缓慢和裹足不前的状态。目 前我国球团矿一年的总生产能力约1 7 0 0 万吨。但是国内采用圆筒造球机的球团 厂很少，由于使用不广泛，因此对于圆筒造球机的故障诊断研究还处于起步阶 段。 全世界的球团矿总生产能力为3 0 8 1 亿吨，其中北美球团矿产量最高，俄 罗斯是球团矿的第二生产大国。在俄罗斯和美国等地，圆筒造球机得到大范围 的使用，研究成果也很多。 1 3 本论文研究的主要内容和意义 1 3 1 论文研究的主要内容 ( 1 ) 圆筒造球机的工作原理以及各种故障情况。 ( 2 ) 结合三维设计软件p r o e 以及机械系统动力学分析软件a d a m s ，建立 圆筒造球机的虚拟样机。 ( 3 ) 在虚拟样机环境中，进行运动学以及动力学仿真，查看圆筒造球机在 虚拟样机中的运动情况以及受力情况是否与其实际工况相符合，把利用虚拟样 机计算得到的数据曲线与现场测得的数据曲线对比，找出判断圆筒造球机各种 振动故障情况的方法。 1 3 2 论文研究的意义 我国加入w t o 以后；面临着激烈的市场竞争，要想降低钢铁生产的成本， 就必须进一步提高炼铁技术，在改善高炉炼铁的各项技术经济指标上下功夫。 因为高炉炼铁系统在钢铁生产的总成本( 特别是能耗) 中几乎占了7 0 ，而高炉炼 铁的技术进步和指标的改善主要是得益于原料品质的改善。因而必须采用合理 的炉料结构和进一步实现精料。这必将促进我国球团矿生产的快速发展，目前 这一势头已初见端倪【3 】。 机械设备的故障诊断技术是现代工业保证生产系统的稳定性和可靠性，提 高产品质量和生产效益的重要手段和关键技术。设备在运行过程中如果发生故 障，轻则造成一定程度的经济损失，重则导致灾难性的人员伤亡和恶劣的社会 影响。而国内外许多研究资料表明，通过开展故障诊断工作许多国家取得了显 著的经济效益和社会效益：在英国，2 0 0 0 多个大型企业开展了故障诊断工作之 后，每年节省维修费用3 亿英镑，而用于故障诊断的费用仅为0 5 亿英镑；在我 国，冶金行业每年用于设备维修的费用达2 5 0 亿元，若推广故障诊断技术，则 武汉理工大学硕士学位论文 每年可以减少事故5 0 7 0 ，节约维修费用1 0 - 3 0 。据专家统计分析，开展故障 诊断技术工作的投入产出比约为1 ：1 7 。 在武钢球团厂，圆筒造球机每年都要进行一次设备维修，这期间要把圆筒 造球机完全拆开，对各个部件进行检查和修理，由于不知道圆筒造球机振动故 障的具体原因，所以该维修方法，具有较大的盲目性。而且由于圆筒造球机质 量和体积都很大，进行设备的拆装是很耗费时间、人力和财力的工作。不仅如 此，由于炼钢过程需要大量球团，所以把造球工序停止来进行设备检修，会耽 误正常的生产计划。 如果对圆筒造球机振动异常进行故障诊断，就可以找到引起设备振动过大 的具体原因，这样就能对症下药，事半功倍的解决问题，具有较高的经济效益。 故此，对圆筒造球机的振动异常情况进行故障诊断具有重要的意义。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章圆筒造球机的工作原理 造球是球团生产中一道重要工序，生球质量的好坏直接影响球团矿产质量。 造球机用来将细磨精矿制成球团满足高炉冶炼要求的设备，它将有色和黑色金 属矿粉制成球团，直接进炉冶炼。即：将准备好的原料，按一定比例经过配料、 混匀，制成一定尺寸( 9 - 1 6 r a m ) 的生球，然后干燥、焙烧使其发生一系列的物理 化学变化而硬化固结，其产品即为球团矿。 国外现有造球装置主要有三种：圆盘造球机、圆锥造球机和圆筒造球机。 美国各厂的圆筒造球机大多数是与相应规格( 宽1 5 4 米，长4 2 7 米至宽2 4 4 米、 长4 8 8 米) 的振动筛配套使用。仅有少数厂( 如思派尔厂) 在试用辊筛，该厂认为 辊筛维修量小，并可将水分较高的生球分出来，合格生球粒度为9 0 - 1 5 0 毫米左 右。圆筒的尺寸已经从六十年代的直径2 7 4 米、长9 1 4 米增大到今天的直径3 6 6 米、长1 0 1 米了。过去圆筒造球机多装有往复式燕翅杆，为了减少维修，现在 已改用固定的和旋转的燕翅杆了1 4 。 圆筒造球机主要部件有筒体、齿轮副、减速器、电动机、托辊装置、滚圈 等。其结构如图2 1 所示。 图2 1 圆筒造球机结构图 圆筒造球机的主要传动结构：电动机一减速箱一齿轮n - 筒体一滚圈以及托轮。 工作时，电动机通过减速箱将动力传递给小齿轮使其转动，大齿轮则带动和其 固定在一起的筒体一起转动，滚筒的重力通过滚圈由4 个托轮来支撑。 5 武汉理工大学硕士学位论文 球团厂圆筒造球机三维结构如图2 2 ，图2 3 为造球机实物图 体重量为1 0 3 2 5 t 。简体的尺寸为一5 1 3 m ，简体倾斜角度为7 。 为2 - 5r m i n ，处理量为7 0 8t h ，造球机支撑形式为钢轮支撑。 圆筒造球机主要性能指标如表2 - 1 所示。 规格为：整 简体的转速 型号规格 中5 1 3 m 图号 圆筒直径哪 中5 0 0 0 圆筒长度砌 1 3 0 0 0 简体转速r m i n 2 5 简体倾角。7 处理量t h7 0 8 物料堆比重t m 2 2 - 2 3 进科含水量 8 传动形式钢轮支承( x 式) 电动机型号 y z p f 3 1 5 l - 4 电机功率k w 2 2 5 转速r m i n1 2 0 0 重量t1 0 3 2 5 配链篦机m 2 表2 - 1 圆筒造球机性能指标 图2 - 2 圆筒造球机三维结构 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 圆筒造球机实物图 圆筒造球机的驱动系统安装在圆筒一侧由传动小齿轮与筒体上的大齿圈 啮合，驱动筒体转动。造球帆工作时，皮带机将一次混合后的物料输入筒体入料 端后，开启悬吊在钢丝绳上的两根洒水管( 钢丝绳穿过筒体，分别固定在头、尾支 架上，每根洒水管有3 4 个喷嘴) 随者简体的旋转，筒体内的物料沿圆周翻滚的同 时沿轴向向前移动洒水管按规定的比例，给物料加水，使其达到适宜的水分。经 过反复翻滚前移物料在运行中完成了混匀、遣球和输送。造球机在一次混合的 基础上，进一步混匀，加水并成球，为二次混合机提供适合的原料。为延长简体的 使用寿命，筒体内设有对板，衬板的材料为花纹尼龙板p 1 。 造球工序采用国际先进的链篦机回转窑环冷机生产工艺。造球系 统共设置了6 个造球系列，每个系列由称量皮带机、喂料皮带机、圆筒造球机、 武汉理工大学硕士学位论文 排料皮带机、辊式筛分机及若干条返料皮带机组成，构成一个闭路循环系统。 生球通过辊式筛分机分级，9 - 1 6 r a m 为合格产品送至下道工序，小于9 r a m 小球通 过返料皮带机送回本系列造球机重新造球( 简称小循环) ，大于1 6 m m 大球经粉碎 机打碎后，6 个系列的返料汇集至一条返料皮带机上，送至混合料缓冲槽再重新 造球( 简称大循环) 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章圆筒造球机的各种故障情况 由于圆筒造球机滚筒的转动是由开式齿轮副来传递，其载荷大，工作环境 恶劣，工作时间长( 2 4 小时不间断工作) ，极易出现各种故障引起异常振动。 要想对机械故障做出准确诊断必须预先掌握各种故障的特征，以下首先对 几种典型故障特征进行分析。 3 1 齿轮故障引起的振动异常情况 在各种齿轮故障诊断方法中，以振动检测为基础的齿轮故障诊断方法具有 测量简便、实时性强等优点。通过测量齿轮运行过程中所产生的振动信号，作 为故障诊断的重要信息来源，是一种理想的齿轮传动状态的在线运行监测手段。 振动检测和故障诊断的关键是怎样从复杂的振动信号中提取和分离与齿轮故障 特征有关的微弱信息。目前研究和应用的振动检测与故障诊断的方法可以分为 以下几类：时域法、频域法、倒频谱分析、包络分析以及小波分析方法等旧。 傅立叶时域分析，即直接对振动时域信号的时间历程进行分析，特别是当 信号中含有谐波信号、周期信号或短脉冲信号时更为有效。直接观察时域波形 可以看出周期、谐波和脉冲等，利用波形分析可直接识别共振现象和拍频现象。 在状态监测和故障诊断的过程中，我们常常会直接利用振动时域信号进行分析 并给出结果，这是最简单且最直接的方法，特别是当信号中明显含有简谐成分、 周期成分或瞬时脉冲成分时更为有效。振动时域波形是一条时间历程的波动曲 线，根据测量所用传感器类型的不同，曲线的幅值可代表位移、速度或加速度川。 傅立叶频域分析分析法的原理是，机器振动信号大都是多种激励信号合成 的复杂信号，可以分解为一系列谐波分量( 频率成分) ，对于线性系统，各谐波 分量代表着相应频率激励力，对应着系统的某些特征频率。对振动信号进行傅 立叶变换可以分析和计算出振动能量在频率轴上的分布，通过对振动能量集中 的频率分析可以判断故障起因。频谱分析是在频域中对原信号分布情况的描述， 通常能够提供比时域波形更加直观的特征信息。因此频谱( 包括功率谱和幅值 谱等) 被广泛用作故障诊断的依据【引。 1 ) 齿轮无故障 齿轮无故障时，由于没有其他冲击，其运转平稳，因此其频谱特征是，正 常齿轮的信号反映在功率谱上，有啮合频率及其谐波分量，即有r i f e ( n = 1 ，2 ，) ， 9 武汉理工大学硕士学位论文 且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小；同时，在低频处有齿轮轴旋转 频率及其高次谐波m e ( m = 1 ，2 ，) ，如图3 - 1 所示。其中纵坐标g ( f ) 与 横坐标f 分别为齿轮转动的功率和频率。 0 ( ” 图3 - 1 齿轮无故障时的功率频谱 2 ) 齿形误差 当存在齿形误差时，其频谱特征是，以齿轮的啮合频率z 及其倍频为中心 频率，在其周围密集地分布着以齿轮旋转频率为调制频率的边带，如图3 2 所示。 图3 2 有齿形误差齿轮的功率频谱 3 ) 轮齿磨损 当轮齿磨损不大且比较均匀时，没有冲击振动信号或冲击很小，所以频谱 图上不会出现明显的调制现象。当磨损发展到一定程度后，啮合频率疋及其各 阶谐波幅值明显增大，而且阶数越高，谐波增大的幅度越大。同时，振动能量 有较大幅度的增加，如图3 3 所示。 0 矗 f c2 f c3 f c4 f c ， 图3 - 3 齿轮磨损时的功率频谱 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 4 ) 出现断齿 若出现断齿现象，频域上则在啮合频率z 及其高次谐波附近出现间隔为断 齿轴转频的边频带，数量多、幅值较大、分布较宽，如图3 - 4 所示m 。 of i rf c2 如3 f c 4 f c ， 图3 - 4 齿轮断齿时的功率频谱 5 ) 齿轮不同轴 齿轮不同轴故障是指由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和轴不同轴。不同轴 故障会使齿轮产生局部接触，导致部分轮齿承受较大的负荷。 ( 1 ) 时域特征 当齿轮出现不同轴或不对中时，其振动的时域信号具有明显的调幅现象。如 图3 5 所示为其低频振动信号呈现明显的调幅现象。 图3 - 5 不同轴齿轮波形 ( 2 ) 频域特征 具有不同轴故障的齿轮，由于其振幅调制作用，会在频谱上产生以各阶啮合 频率n 丘( r l - - 1 ，2 ，) 为中心，以故障齿轮的旋转频率为间隔的一阶边频族， 即i 唾士( n = l ，2 ，) 。同时，故障齿轮的旋转特征频率m ( m = 1 ，2 ，) 在频谱上有一定反映。图3 - 6 为典型的具有不同轴故障齿轮的特征频谱。 武汉理工大学硕士学位论文 工 凡 珥 弘瓴 图3 - 6 不同轴齿轮的频谱 6 ) 齿轮系统发生共振 判断齿轮系统是否发生共振时，我们先来计算齿轮系统的固有频率，然后 观察测得的频谱图是否在固有频率附近振动比较明显，进而判断齿轮系统是否 发生了共振。 齿轮系统的固有频率计算过程如下，造球机开式齿轮动力学模型如图3 7 所示。 图3 7 齿轮传动不慈图 设齿轮1 和齿轮2 的等效质量分别是码和m ：，那么 j ，j ， m 1 2 苛m 2 2 毒 其中和厶是齿轮1 和齿轮2 的转动惯量，啦和r 6 2 是齿轮l 和齿轮2 的基圆半 径。 假设相互啮合的齿轮l 和齿轮2 的刚度分别为毛和乞，则模型可以简化为 双质量弹簧系统，如图3 8 所示。 硝 毛如 图3 8 双质量弹簧系统 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 将，l l 和m ：隔开的弹簧，其刚度为啮合刚度屯，表达式为： 屯= 麓 协t ) 上面已经求出了将m 。和肌：隔开的弹簧的啮合刚度屯，为了方便求出齿轮系 统的固有频率，我们将上面的双质量弹簧系统中的两个质量，合并为一个等效 质量m 。，表达式为： 。= 二 确+ m 2 这样，齿轮系统的动力学模型可以进一步简化，如图3 - 9 所示。 瓠一一一苦 图3 - 9 单质量弹簧系统 根据简化最后得到的动力学模型，我们可以求出圆柱齿轮传动系统振动的 固有频率，表达式如下。 五= 去压o 仔3 此即齿轮系统的固有频率【9 】。 3 2 简体变形引起的振动异常情况 圆筒造球机属于重载机械，长期的运行会造成滚筒的变形，也会引起振动。 此时造球机的托轮和筒体之间相当于一个凸轮结构，如图3 7 所示： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 if 、7 瞥 。l、i (r t 要匿 图3 7 凸轮结构 在p r o e 中把凸轮结构建模，然后分析小轮径向的加速度时域图，得到的结 果如图3 8 所示： 潮臀 麓 n 辅* 锋 饕 ，坤静 - i 馆 c 弹。扣啊 麓 。聂。i ：坤；_ - 一 d p ；4 一；“：讨l j l i 封 图3 - 8。凸轮结构加速度时域图 3 3 轴承故障引起的振动异常情况 在实际工作中常常运用类比法进行齿轮故障简易诊断，如图3 - 9 所示，g 1 ， g 2 分别表示单级增速齿轮箱的两个齿轮，、表示其4 个轴承。在 4 个轴承座上分别用加速度传感器测量其振动均方根值，并画出柱状图。 如图3 - 1 0 ( a ) 所示，4 个轴承的振动值差异很小，且均在允许范围内，表示齿 轮、各轴承均正常；如图3 - 1 0 ( b ) 所示，若4 个轴承中某一个振动值明显高于其 他三个，则表明该轴承可能出现了故障。如图3 - 1 0 ( c ) 所示，若4 个轴承的振动 值差异很小，且均已超标，则表明齿轮出现了异常。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 9 简易识别的齿轮示意图 g 1 、g 2 - 齿轮；、争轴承 谚雷国固 国营 翁面 _ ， ， ， j ， 一 ， ， ， ， j ， ， ， ， 国国西国 图3 - 1 0 用类比法判断齿轮故障 对于单个轴承，可以先计算其各种频率，然后在测得的振动信号图上看是 否有这些频率对应的振动极值，来判断是否发生故障。 圆筒造球机齿轮使用的轴承型号为：6 3 2 8 。 轴承内圈通过频率： z = f ( 1 + 万dc 。s 口) ：= 2 3x ( 1 + 享等1 ) 1 0=i3 5 9 h z 轴承外圈通过频率： ，o = 三- , o 一万dc o s t ：g ) 弘i 2 x 2 3 0 - 等1 ) 1 0 = 9 4 i h z 滚动体通过频率： 兀= i i 了d 舢一( 争2 c o $ , 20 1 = 等2 3 x 【l - ( 盖) 2 xl 】6 1 2 h z 其中：o 一轴承节径( 咖) d 滚子直径( 姗) 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 z 一滚子个数 口一一压力角 滚动轴承在其运转过程中，滚动体与内圈或外圈之间可能产生冲击而诱发 轴承各元件的固有振动。轴承元件的固有频率仅取决于其材料、结构、尺寸和 质量及安装方式，而与轴承的转速无关。 滚动体固有频率： 厶= 4 8 订形= 4 删81 “2 1 0 3 忽 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章圆筒造球机振动情况测试 本项目采用丹麦的b k ( b r u e l & k j e r ) 机对圆筒造球机相应位嚣进行测量，采 集加速度信号，b & k 铡振仪在测量振动方面有很高的精度，能够进行多通道、实 时、f p t 、c p b 、总级值等分析。b k 的分析仪质量高、精度高、可靠性高，适合 用于冲击与振动测量。通过现场调查，分析造球机传动路线，构造圆筒造球机 运动传递简化模型图，同时分析造球机结构来确定传感器的安装位置，分剐测 出电机、减速箱、齿轮、轴承座、托轮、横梁等处的振动信号，通过分析以判 断造球机的运行状况振动测试模型如图4 1 所示。 息一口哩 图4 一l 振动澳4 试模型 在现场，我们通过时域和频域同时测量圆筒造球机的振动情况，在b k 测振 仪中事先建好模板，把传感器布置好以后，每个位置重复测量3 次，分别保存3 个8 k 文件。放在以这个测量位置所命名的文件夹中。各个位置测量完毕以后， 结束现场测量的工作。余下的分析在实验室进行，用b k 中的软件把保存的文件 打开以后，挑选清晰的振动波形图进行分析。 图4 _ 2 为现场测试的圆筒造球机的振动情况包括时域囤以及频域固，通过 分析这些图形，运用第三章介绍的分析方法，借助图形中的一些特征值，就可 以判断出来圆筒造球机到底是发生了哪种故障，然后就可以采用合适的方法来 纠正。 武汉理工大学硕士学位论文 n * m 1 吐m m d 口ls e i a t 目li * l 口i b i t ! 目自日i i _ 口4 日j p f t ，h n _ 暑0 一e $ l j 岛恤i i i i ! l 口c h h 嘲、删勉一 c ”_ h h 二嘶* h l u e s 二 川j n i ：队 v ”l 、f v 1 。i 忡i 】：f 。l o 响t 铷t 0 “ 1 bq u 正e l _ j 止 嘲m 二 嘲。案掣嘏一 啪 - t 岍l 哪 i 。l ln、【n n j 。 j | | l |：f7 i| j l f wy 一叫lv 一刊w b i 镕1 0 0 岫m 删： 0口 m ： ! l _ j 点 刚 _ ! u 正 删 。，崭脚一 h 目“目嘶* l “r 镰y a h 二 l 蝴 岫1 w 嘲f f i l 女4 m 州圳 l i i 。 j l ! 1 m 武汉理工大学硕士学位论文 拟样机，从理论上分析圆筒造球机的振动情况。理论联系实际，这样才可以对 圆筒造球机在工作时候的振动情况作出全面的分析。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 第五章虚拟样机介绍 5 1 引言 虚拟样机技术( v m u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是当今机械设计制造领域被广 泛使用的一项新兴技术，它包含了多体系统动力学、各种计算方法以及软件工 程等不同的学科。它通过计算机可以建立机械系统的三维模型和力学模型，通 过分析评估机械系统的性能等手段，这样就可以为物理样机的设计和制造提供 很多可靠的参数。这项技术应用在机械产品设计开发中，它能够将分散的零部 件设计和分析技术结合在一起以后，利用计算机软件建造出机械产品的模型， 对该产品在投入生产使用后的工况进行仿真分析，进而预测产品的性能，对产 品设计改进，因此它是提高产品性能参数的一种全新的技术【1 1 舭l 。 虚拟样机技术的出发点是分析解决产品的整体性能及相关问题，是能够弥 补传统设计与制造过程缺点的一门高新技术。在整个产品设计过程当中，都可 以用虚拟样机技术，它在概念设计和方案论证中运用时，设计人员可以把自己 的经验与想象都加入到产品的虚拟样机里，充分发挥自己的想象力和创造力。 这样产品设计人员就能够在各种虚拟环境中，比较真实地仿真模拟所设计产品 整体的运动以及受力情况，这样就可以快速分析各种各样的设计方案，对物理 样机而言难以进行或者根本无法进行的试验可以利用虚拟样机技术完成，最后 得出系统级的设计优化方案。在虚拟样机技术中，设计人员可以充分使用系统 提供的各零部件的物理以及几何信息，然后在计算机软件上定义零部件间的各 种连接关系，最后对机械系统来虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机模型， 然后就可以使用仿真软件，在各种虚拟环境情况下模拟系统的运动情况，并对 该系统在多种工况下的运动情况和受力情况进行仿真分析，对各组成部件之间 的相互运动情况进行观察和实验，设计者可以在计算机软件上方便地修改设计 中存在的缺陷，对不同的设计方案进行仿真，改进整个系统，获得理想设计方 案之后，然后去做物理样机。用虚拟样机来代替物理样机进行设计验证，一方 面可以使产品开发周期缩短，另一方面产品设计质量和效率也提高了很多。虚 拟样机技术的综合应用技术用预测方法代替了传统的经验设计方法，相比较之 下具有很多优点【1 3 1 。 ( 1 ) 为产品设计者提供全新的产品研发模式 虚拟样机技术通过计算机构建数字化产品，这样的产品模型修改方便，利 武汉理工大学硕士学位论文 用可视化技术和虚拟现实技术，可以对多种设计方案进行直观、便利、快速地 分析和比较，然后可以找出影响性能的敏感参数，对各种真实工况下虚拟样机 的性能进行模拟仿真，对不满足要求的地方随时可进行设计修改，修改的过程 就是对数字产品模型再制造、再模拟这样的一个分析过程，此过程可以循环进 行，直至得到满足设计要求的数字化产品模型为止。 ( 2 ) 研发成本更低、研发周期更短、产品质量更高 虚拟样机还可以完成很多物理样机所无法完成的，或者是由于现有成本和 时间条件下所不允许的虚拟试验，在无需制造物理样机的情况下，就可获得产 品级的设计方案。这样产品的开发周期就缩短了，而且设计效率、设计质量和 一次开发成功率都大大提高。不同与基于串行工程的传统物理样机技术，基于 并行工程的虚拟样机技术使得产品的设计分别由不同学科的设计人员进行分工 成为可能，每人设计一个产品的某个部分，在产品的初步方案确定以后，同时 对产品性能进行分析，包括机构系统的运动学和动力学仿真、数控仿真、有限 元分析等工作，然后对各自的仿真分析结果进行处理后再提出产品改进措施。 5 2 国内外虚拟样机的发展情况 人们对于多刚体系统动力学理论的研究是机械系统虚拟样机技术的来源。 在计算机出现之前，计算能力的限制，使得经典刚体动力学的主要研究范围仅 仅包含简单的系统。伴随科学技术的发展，越来越多的更为复杂的机械系统的 运动学和动力学问题需要人们解决，如汽车、飞机、机器人、航天飞船、水下 机械等设备的研制与开发。我们知道，任何复杂机械系统均由多个零件共同组 成，而各零部件间又分别以各种各样不同的方式相互连接，一般机械系统在工 作时，刚体部件之间存在大位移运动以及空间上的非线性关系，因此工程技术 人员在建立机械系统的运动学以及动力学方程时，将要面对大批的繁琐的代数 以及微分运算，以及往往理论上的解析解无法求出的大规模复杂微分代数 方程组( d i f f e r e n t i a la l g e b r a i ce q u a t i o n 简称d a e ) ，上面所说的这些问题一度让经 典刚体力学的理论和方法遭遇了很强烈的冲击。然而时间流逝，出现了现代电 子计算机技术并且迅猛发展，加上数值分析理论和算法的渐渐完善，技术人员 又重新对使用计算机技术对复杂机械系统的运动学和动力学问题进行分析燃起 了希望。 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 6 1 年，产生了最早的机械系统虚拟样机仿真分析软件系统，当时美国通 用汽车公司出于对车辆系统进行动力学分析的目的，开发出用来计算分析质量一 弹簧一阻尼系统的动力学分析软件d y a n a ( d y n a m i ca n a l y z e r ) 。从那时开始，世 界范围内对于机械系统虚拟样机仿真分析软件系统的开发工作就没有中断过。 世界各个国家的学者们，为了发展和完善多刚体系统动力学的理论和方法 都作了很多工作，其中比较著名的有：c h a c e 、h a u g 、r o b e r s o n 和w i t e n b u r g 、 s c h i e h e l e n 等人，其他学者还有a m i r o u e h e 、s h a b a n a 等。近年来，一门专门借 助计算机研究由多刚体链接形成的复杂机械系统的运动学和动力学问题的新兴 学科一多刚体系统动力学得以建立起来，该学科的主要任务就是：( 1 ) 将机械系 统的运动学和动力学模型建立以后，开发出相应的软件，而用户使用时只需要 将基本数据输入，计算机就可以自动将所需的方程写出来