设备故障诊断大题讲解

1、研究生课程考核试卷科 目： 设备状态监测与故障诊断 教 师： 谢志江 陈平姓 名： 学 号：专 业： 机械电子工程 类 别： 学硕上课时间： 2014 年5月 2014年 6月考 生 成 绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师 （ 签名 ）重庆大学研究生院制目录一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法 11.1 齿轮啮合频率的产生机理 11.1.1 概述 11.1.2 齿轮的振动机理 21.2 齿轮故障诊断的方法 51.2.1 齿轮的故障类型 51.2.2 齿轮故障的特征信息 61.2.3 齿轮故障诊断的常用方法 101.3 实例分析 151.4 小结 16二、滚动轴承故障

2、的特征频率推导计算 172.1 滚动轴承故障特征频率的经验公式 172.2 滚动轴承故障的特征频率推导计算 17三、高炉布料器齿轮箱在线状态监测与故障诊断系统 193.1 高炉炉顶布料齿轮箱的构成及工作原理 193.2 系统的监测参数及测点布置 203.3 系统总体结构及功能模块划分 213.3.1 信号采集及预处理模块 223.3.2 实时状态监测与识别模块 233.3.3 在线分析诊断模块 263.4 总结 27四、感悟和致谢 27论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法齿轮是现代工、 农业生产设备中极其重要的传动零件， 由于其在工作过程中 长期承受各种交变载荷、冲击和摩擦力的作用或其

3、本身在制造过程中留下了缺 陷，齿轮相对于其他部件较容易出现故障甚至损坏。 生产设备中的齿轮发生故障， 轻者会使生产设备所加工出来的产品不符合标准要求，重者会导致生产设备停 车，从而给生产企业造成经济损失，同时也担误了工时。因此，为了尽可能将这 些不确定的机械故障所引起的经济损失降到最低， 需要我们在故障初期就能作出 诊断，为企业尽早安排检修提供科学依据。 对齿轮振动信号进行时频分析就是一 种比较实用的方法。1.1 齿轮啮合频率的产生机理1.1.1 概述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 1.1 是齿轮副的运动学分析示意图。图 1.1

4、中O1 是主 动轮的轴心， O2是被动轮的轴心。假定主动轮以 w1 作匀角速度运动， A、B 分 别为两个啮合点，则有 O1 A O1 B，即 A点的线速度 VA 大于 B点的线速度 VB 。 而O2AO2 B，从理论上有2 VB、 3 VA ，则w2 w3。然而 A、B又是被O2BO2A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， 被动轮 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 轮齿上产生弹性变形， 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，是一个随时间变化的力 Fc(t) 。齿轮传动系统的啮合振动是

5、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： fC0 N Z60啮合频率的高次谐波： fCi i fC0 ，i 2、3、4 n其中： N齿轮轴的转速( r/min ) Z齿轮的齿数第1页图 1.1 齿轮副的运动学分析1.1.2 齿轮的振动机理齿轮传动的动态激励：Mx Cx K(t)x K(t)( 12)M 齿轮副的等效质量，m1m2M 1 2 m1 m2图 1.2 一对齿轮的力学模型x 在齿面接触力作用下沿作用线产生的齿轮相对位移C 齿轮啮合阻尼K(t) 齿轮啮合刚度，随时间 t 变化1 齿轮受载后的平均弹性变形2 齿轮传动误差和故障激励所

6、引起两齿轮间的相对位移激励源由两部分组成： K(t) 1 称为常规啮合激励，也即无故障的正常齿轮 在啮合过程中也会产生的向量振动。 K(t) 2 是由系统的内部激励和外部激励产 生的，齿轮故障振动主要由这部分激励引起，所以也称为齿轮的“故障函数”。第2页内部激励是指轮齿在啮合过程中由于缺陷或故障产生的激励。 如齿轮由于制 造不精确、 装配质量低产生的轮齿周节误差、 齿形误差、齿轮偏心、质量不平衡、 轴线不对中等故障， 还有运行中产生的齿面疲劳、 擦伤、 磨损和断裂等故障带给 齿轮的激励。外部激励则与齿轮本身问题无关， 是齿轮外部输入的激励， 但也影响到齿轮 的振动情况。例如滚动轴承故障的传递、

7、 负载力矩波动、 摩擦离合器发生的摩擦 激励等。具体的动态激励有以下四种：（1）刚度激励（ 2）传动误差（3）啮合冲击（ 4）节线冲击1.1.2.1 刚度激励K K1K2K1 K 2式中， K1 和 K2 分别为主动轮和被动轮的单齿刚度。单齿刚度随啮合位置 的变化而变化。综合刚度的大小还与齿轮的重合度有关。 重合度用来表示直齿齿轮啮合时接 触轮齿的平均对数。 大多数齿轮啮合的重合度不是整数， 在啮合过程中参与啮合 的轮齿对数随时间而作周期性变化， 因而轮齿啮合的综合刚度也随时间而作周期 性变化。从图 1.3 可以看出直齿啮合过程中的力和刚度变化。a）啮合齿上的作用力b）啮合齿的刚度c）齿轮发生

8、的振动图 1.3 直齿啮合过程中的力和刚度变化第3页1.1.2.2 传动误差传动误差构成了齿轮振动和噪声的主要激发源。 传动误差大， 则齿轮运转过程中由于进入和脱离啮合时的碰撞加剧， 间的幅值变化和相位变化。产生较高的振动峰值， 并且形成短暂时具体有包括：图 1.4 齿轮的偏心和周节误差图 1.5 齿轮的齿形误差（2）装配误差齿的宽度方向上接触面积少， 造成轮齿负荷不均。 齿轮轴不平行产生载荷冲 击，容易造成齿的断裂。图 1.6 一端接触图1.7 两齿轮轴不平行（3）轮齿损伤误差齿轮在运行中由于各种故障形成的齿面损伤， 在齿轮传动中就会产生齿轮的 传动误差激励。传动误差激励正是我们诊断齿轮故障

9、的信息来源。第4页4）外部激励误差外部激励的因素较多， 负载波动引起齿轮传递转矩波动、 滚动轴承故障的传 递、摩擦离合器力矩变化产生的影响等， 这些故障信号虽然是从轮齿的外部输入， 但是影响到轮齿上的啮合力和弹性变形，其最终结果就是产生轮齿的传动误差。1.1.2.3 啮合冲击齿轮在啮合过程中， 由于轮齿误差和受载弹性变形的影响， 轮齿进入啮合点 和退出啮合点与理论值发生偏差，因而在进入啮合和退出啮合时均会发生冲击， 称为“啮合冲击”。啮合冲击是一种周期性的冲击力。1.1.2.4 节线冲击图 1.8 齿面滑动方向主动轮带动从动轮旋转时，主动轮 上的啮合点由齿根移向齿顶，啮合半径 逐渐增大，速度渐

10、次增高；而从动轮上 的啮合点是由齿顶移向齿根，啮合半径 逐渐减小，速度渐次降低。两轮齿齿面 在啮合点的速度差异就形成了主动轮和 从动轮的相对滑动。在主动轮上，齿根和节点之间的啮合 点速度低于从动轮上的啮合点速度，因此 滑动方向向下；而在节点处，因为两轮上 的啮合点速度相等，相对滑动速度为 0因此，摩擦力在节点处改变了方向，形成了节线冲击。1.2 齿轮故障诊断的方法1.2.1 齿轮的故障类型齿轮由于某种原因不能正常工作的现象， 或者说齿轮在其使用过程中， 由于 某些原因而丧失工作能力或功能参数漂移到界限值以外的现象，被称为齿轮故 障。从总体上讲，齿轮故障可划分为两大类 :第5页一类是由制造和装配

11、等原因造成的， 如齿轮误差、 齿轮与内孔不同心、 各部 分轴线不对中、 不平衡等； 另一类则是齿轮由于长期运行而形成的， 如齿轮表面 发生点蚀、疲劳剥落、磨损、塑性流动、胶合以及齿根裂纹，断齿及其他损伤等 故障。齿轮故障若按照振动特征和故障诊断技术应用的角度来分类， 大体分为以下 两类:(l) 分布式故障 齿面磨损、齿面点蚀及疲劳剥落。(2) 局部故障 齿根裂纹、断齿、局部齿面剥落和塑性变形。 分布式故障分布在一个齿轮的各个轮齿上， 而局部故障则集中于某一个或几 个齿上。1.2.2 齿轮故障的特征信息1.2.2.1 啮合频率齿轮工作过程中的故障信号频率基本上表现为两部分： 一部分为齿轮啮合频

12、率及其谐波构成的载波信号， 另一部分为低频成分的幅值和相位变化所构成的调 制信号。调制信号包括了幅值调制和频率调制。从频域和时域上看，齿轮振动信号的主要特征成分有：1 )啮合频率及其谐波成分。2 )幅值调制和频率调制所形成的边频带。齿轮在啮合过程中， 啮合齿上的载荷和刚度是随时间而变化的， 这种变化就 会产生啮合 频率的振动。传动误差、啮合冲击、节线冲击等问题也会使齿轮在啮合过程中发生啮合频图 1.9 正常齿轮的啮合频率波形率的振动。 转轴中心固定的齿轮，其啮合频率为： fm f1z1 f2z2f1、 f2 主动轮和从动轮的转速频率z1、 z2 主动轮和从动轮的齿数第6页当齿面发生磨损， 或者

13、负荷增大， 齿轮径向间隙过大以及齿轮游隙不适当等 原因所引起的故障时， 由于轮齿的啮合状况变坏， 啮合频率的谐波成分幅值就会 明显增大。齿轮表面发生均匀性磨损，将引 起啮合频率及其各次谐波幅值的变 化。啮合频率的高次谐波增长得比基 波还快。磨损厉害时，二次谐波幅值 可能超过啮合基波。从啮合基频及其谐波幅值的相对 增长量上可以反映出齿轮表面的磨损 程度。1.2.2.2 调制与边频带图 1.10 齿面磨损前后的啮合频率及其谐波幅值变化(实线为磨损前，虚线为磨损后)(1) 幅值调制设代表啮合频率的载波信号为： g(t) Asin(2 fmt 0)代表齿轮旋转频率的调制信号为： e(t) 1 B co

14、s(2 frt) 则调幅后的振动信号为： x(t) A1 B cos(2 frt)sin(2 fmt 0) 式中，A载波信号的振幅； B调制指数； fm 载波频率(啮合频率)； fr 调制波频率(齿轮旋转频率，每旋转一周，故障点产生一次冲击) ； 0 初相角。 将上式展开可得：AB ABx(t) Asin(2fmt0) sin2( fmfr)t0sin2( fmfr)t022信号图样如图 1.11 所示。第7页a）载波信号 （ b）调制信号（c）幅值调制后的信号图 1.11局部性缺陷：发生断齿或大的剥落等，当啮合点进入到缺陷处，齿轮就产生 一个冲击脉冲。由于脉冲信号可以分解为许多正弦分量之和，

15、因此在频谱上 形成以啮合频率为中心的一系列边频。其特点是边频数量较多，幅值较低， 分布比较均匀平坦。图 1.12均布缺陷：是指比较均匀分布的缺陷，它相当于时域包络线较宽的脉冲。因 此，它在频域中表现为在啮合频率两边产生了一簇幅值较高、起伏较大、分 布较窄的边频带。第8页图 1.13(2) 频率调制若载波信号为：Asin(2 fmt 0)制信号为：sin(2 frt)频率调制可表示为：x(t) Asin2 fmt sin(2 frt) 0式中， f 频率调制指数，即调制产生的最大相位移； f 最大频率偏差 fr值，也就是齿轮的最大角速度波动量； fr 调制频率，即分度不均匀齿轮的转频。图 1.1

16、4 齿距周期性变化产生调频信号和频谱图第9页图 1.15 调频、调幅综合影响下的边频带（3）典型故障与特征信号的关系 断齿或裂纹：以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮所在轴转频及 其倍频为调制频率，调制边频带宽而高。齿轮均匀磨损：齿轮的啮合频率及其谐波的幅值明显增大。 齿面剥落等集中性故障：边带的阶数多而分散。齿面点蚀等分布性故障：边带阶数少而集中。 齿形误差：以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频 为调制频率的啮合频率调制；轴不对中：调制频率的 2 倍频幅值最大；轴承故障： 齿轮啮合频率的振幅迅速升高，边频的分布和幅值并无变化。1.2.3 齿轮故障诊断的常用方法 尽管

17、在齿轮振动或噪声信号及其频谱图中包含着丰富的信息， 但是由于齿轮 动态特性及故障症状的复杂性，不同的齿轮故障具有不同的振动特征及频率结 构。因此为了获得有效的故障特征信息， 通常需要通过信号处理与分析技术， 提 取故障特征信息，以便最终给出正确的故障诊断结论。目前常用的信号分析处理方法有以下几种： 时域分析方法，包括时域波形、调幅解调、相位解调等 频域分析，包括功率谱、细化谱、倒频谱分析 时频域分析方法，包括短时 FFT，维格纳分布，小波分析等。1.2.3.1 时域同步平均分析法第 10 页信号同步平均的原理是按齿轮每转一周按脉冲的周期间隔截取信号， 然后进 行分段叠加处理，以消除随机信号和其

18、它非周期信号的干扰影响。 这种方法可 以有效降低其他部件和振动源对于信号的影响，提高信噪比。在测取齿轮振动信号的同时也测取齿轮的转速脉冲信号， 脉冲的间隔时间作 为齿轮每转的时标。用该脉冲信号去触发 A/D 转换器工作，从而保证齿轮按旋 转周期截取信号， 并且每段信号的起始点对应于齿轮的某一角位置。 然后再把每 段信号进行平均处理和光滑化滤波，最后得到的有效信号中仅保留了周期成分， 其它噪声将被逐渐除去。图 1.16 时域同步平均法齿轮在几种状态下的时域平均信号a）正常齿轮（ b）齿轮安装对中不良c）齿面严重磨损 （ d）齿面局部剥落或断齿图 1.17第 11 页1.2.3.2 细化谱分析法

19、齿轮的振动频谱图包含着丰富的信息，不同的齿轮故障具有不同的振动特 征，其相应的谱线也会发生特定的变化。由于齿轮故障在频谱图上反映出的边频带比较多， 因此进行频谱分析时必须 有足够的频率分辨率。当边频带的间隔（故障频率）小于分辨率时，就分析不出 齿轮的故障，此时可采用频率细化分析技术提高分辨率基于复解析带通滤波器的细化选带频谱分析： 具体步骤1 ）确定中心频率及细化倍数。2 ）构造一个复解析带通滤波器3 ）选抽滤波。4 ）复调制移频。5 ）作点 FFT 和谱分析，取正频率部分图 1.18第 12 页图 1.19 齿轮振动信号的频谱分析从图 1.19左图中可几以看出，在所分析的 0-2kHz 频率

20、范围内，有 1-4阶的 啮合频率的谱线，还可较清晰地看出有间隔为 25Hz 的边频带，而在两边频带间 似乎还有其他的谱线，但限于频率分辨率已不能清晰分辨。利用频谱细化分析技术，对其中 900-1100Hz 的频段进行细化分析，由细化 谱中可清晰地看出边频带的真实结构，两边频带的间隔为 8.3Hz，它是由于转动 频率为 8.3Hz 的小齿轮轴不平衡引起的振动分量对啮合频率调制的结果。用振动频谱的边频带进行齿轮不平衡一类的故障诊断时， 必须要有足够的频 率分辨率，否则会造成误诊或漏诊，影响诊断结果的准确性。1.2.3.3 倒谱分析法倒频谱分析又称二次频谱分析， 对于同时有数对齿轮啮合的齿轮箱振动频

21、谱 图，由于每对齿轮啮合都将产生边带频， 几个边频带谱交叉分布在一起， 仅进行 频率细化分析是不行的，还需要进一步做倒频谱分析。倒频谱能较好地检测出功率谱上的周期成分， 将原来谱上成簇的边频带谱线 简化为单根谱线，便于观察。而齿轮发生故障时的振动频谱具有的边频带一般都具有等间隔（故障频率） 的结构，利用倒频谱这个优点，可以检测出功率谱中难以辨识的周期性信号。倒频谱可以将输入信号与传递函数区分开来， 便于识别； 还能区分出因调制 引起的功率谱中的周期量，找出调制源。倒频谱的定义是功率谱对数的功率谱， 对多段平均的自功率谱取对数， 得到 对数谱，具体步骤如下：1）先进行 FFT 变换，使时域的卷积

22、等于频域相乘：y(f) x(f)h(f)第 13 页2) 取对数，变积为和 :log(y(f) log(x(f) log(h(f)3) 进行频谱反变换：C(q) f 1(log(y(f)倒频谱分析优点：检测周期性的能力图 1.20(a) 振动信号频谱：包含啮合频率 (4.3kHz) 的三次谐波，由于频率分辨率太低 (50Hz )，没 有边频带(b) 2000 线功率谱( 3.5-13.5kHz )：包含三次谐波，但不包含两根轴回转频率的低次谐 波(c) 7.5-9.5kHz 的细化频谱：看到轴转速形成的边频带(d) 倒谱：清楚地表明了对应两根轴回转频率( 80Hz 和 50Hz)地分量 A1

23、，B1 而在高分辩率谱图 (c)中却难以分辩。第 14 页1.3 实例分析某集装箱起重机小车运行机构减速箱出现异响， 要求对该减速箱进行监测， 判断分析齿轮有无故障。图 1.21 是该减速箱示意图。测得得电机转速为 650r/min，各齿轮齿数分别 Z1=13，Z2=58，Z3=15，Z4=82图 1.21 减速箱示意图对减速箱 1，3，4测点进行振动测量。 其中点 3处齿轮振动信号图和功率谱 图如图 1.22 所示。图 1.22 点 3 处齿轮振动信号图和功率谱图650 13齿轮 3 的啮合频率： fm n3 z3 (58 15) 36.423Hzm 60 602fm 72.8448Hz3f

24、m 109.2672Hz在这三个峰值两侧存在间距等同的小峰，说明齿轮 3 存在缺陷对上面的功率谱图进行倒谱分析，得到倒谱图如下：第 15 页图 1.23 倒谱图在 0.423 处的上边频：10.4232.364Hz齿轮 3 的转频：fr650 1358602.428Hz根据频谱图在啮合频率 fm 及二阶、三阶频率 2fm 、3fm 处强烈谱峰值且 有峰值强烈的边频谱值，我们断定齿轮 3 有严重点蚀存在。经开箱检查，发现 在齿轮 3 上有多个面积较大的凹坑，说明诊断完全正确。1.4 小结振动诊断法是齿轮故障诊断的最常用的方法， 它是通过提取振动信号的与各 种故障相对应的特征信息并进行分析对比来确

25、定齿轮的故障类型、 故障发生的位 置和故障程度。目前基于振动的齿轮故障诊断方法已经发展到了相对成熟的水平， 广泛应用 于各种齿轮故障设备和在线故障检测系统。但是随着新技术新方法的不断出现， 齿轮故障诊断的方法也在不断发展。其中智能化诊断系统成为一个重要的方向， 并将得到进一步发展。 智能专家系统中多种齿轮故障分析方法相互结合使用， 如 小波分析与神经网络、 模糊识别与小波分析相结合等新分析方法应用， 这样提高 诊断的效率和准确率。第 16 页二、 滚动轴承故障的特征频率推导计算2.1 滚动轴承故障特征频率的经验公式内圈故障频率：fi 0.6 z fr外圈故障频率：fo 0.4 z fr保持架故

26、障频率： fc 0.381 0.4 fr滚动体故障频率： fb0.23zfr(z 10)外圈与保持架关系： fo z fc外圈与内圈关系： fo z fr( fr 为转频 ； z 为滚动体个数 )2.2 滚动轴承故障的特征频率推导计算当轴承元件的工作表面出现局部缺陷时， 会以一定的通过频率 ( 取决于转频、 轴承型号 ) 产生一系列的宽带冲击，称为轴承的“通过频率”或“故障频率”， 实际中滚动轴承故障振动监测就是检测这个频率。下面以角接触球轴承为例， 通过分析轴承各元件之间的相对运动关系来推出 轴承故障特征频率的计算公式。图 2.1第 17 页图 2.1 所示为滚动轴承各元件之间运动关系示意图

27、。 为简单起见， 设轴承外 圈固定，内圈(即轴)的旋转频率为 fr ，轴承节径为 D ，滚动体直径为 d ，接触角 为 ，滚动体个数为 z ，并假定滚动体与内外圈之间纯滚动接触。由于外圈固定，所以滚动体上 B点的速度为零，而 A 点的速度为:vA 2vCfr (D dcos ) 2 fc D由此可以得到：frdfc r (1 cos )c 2 D其中， fs 为滚动体的公转频率，即保持架的转动频率。 设滚动体的自传频率为 fb ，则 fb 可以这样求得：给整个轴承加一个转动角 速度“ fc ”(相当于站在保持架上看轴承运动)，则此时保持架固定不动， 外圈以 f c转动，滚动体只有自转角速度 f

28、b ，根据纯滚动关系，此时 B 点的速度注意此时滚动体上 A 点绕其中心 C 转动)vBdfb(D dcos ) fc由此可得：g D (1 ( d )2cos2 )frg 2d D r进而可得：1)个滚动体与外圈上某一固定点接触的频率为：2)zdfo zfc(1 cos )fro c 2 D r个滚动体与内圈上某一固定点接触的频率为：3)fc) 2z(1 Dd cos )fr滚动体上某一固定点与外圈或内圈接触的频率为：fi z(fsD d 2 2g 2Dd (1 (Dd )2cos2 ) frfo 、 fi 和 fb 分别称为外圈、内圈和滚动体的通过频率。当上述的“某一点”是局部损伤点 (

29、例如点蚀点、剥落点、烧伤点等 ) 时， fo 、 fi 和 fb 分 别成为局部损伤点撞击滚动轴承元件的频率， 所以又分别称为外圈、 内圈和滚动 体的故障特征频率。第 18 页综上所述，滚动轴承故障特征频率如下：当外圈有缺陷时，外圈的故障特征频率为：fo z(1 d cos ) fr2D当内圈有缺陷时，内圈的故障特征频率为：fi z(1 d cos ) fr2D当滚动体有缺陷时，滚动体的故障特征频率为：2dd 2 2(1 ( )2 cos2 ) frD三、 高炉布料器齿轮箱在线状态监测与故障诊断系统3.1 高炉炉顶布料齿轮箱的构成及工作原理为了实现环形布料、 螺旋布料、 点式布料和扇形布料等多

30、种形式布料， 高炉 布料系统采用了较复杂的驱动装置， 其布料溜槽驱动原理图如图 3.1 所示，图 中 120 均为齿轮。其中 5，6，17，18 为涡轮涡杆； 20 为扇形齿轮； H 为周 转轮系系杆。系统主要由旋转电机、倾动电机、行星减速箱、齿轮箱组成，旋转 电机和倾动电机既可以单独运转又可以同时运转，以满足不同的布料方式的需 要。图 3.1 高炉布料溜槽驱动系统原理图第 19 页为了保护机械设备， 在传动齿轮箱的中间设置了一个水冷装置， 齿轮箱间 采用氮气冷却，压力高于炉内压力 0.010.015 MPa。该系统工作环境恶劣，粉尘多，温度高，尤其是下部齿轮箱故障频繁。3.2 系统的监测参数

31、及测点布置 为了较全面地反映炉顶布料齿轮箱系统的工作情况， 本系统监测参数选定如 下:( 1) 齿轮箱振动监测测点数设计为 7 个，具体监测位置如图 3.2 所示，其 中 A5， A 6，A7 按120等角度布置， A6 和 A7 通过测振杆直接与内部非旋转 部件接触，以提高测试数据的可靠性和诊断精确性。但由于机组内部结构限制， A6 安装方式与 A5 相同，仍为垂直安装，但方位相差 90，A7 未安装。所有振 动信号均采用加速度传感器拾取。 考虑到现，场环境恶劣， 振动传感器通过螺钉 固定。图 3.2 齿轮箱振动监测测点布置图第 20 页（2）齿轮箱内部温度、 冷却水流量、 齿轮箱冷却用氮气

32、压力、 流量等工艺量 反映布料系统的冷却水和冷却氮气的工况， 也反映布料齿轮箱的工作状况， 其信 号为标准的 420 mA 电流信号。为了不影响原有高炉控制系统的正常工作， 通 过信号隔离装置获取信号。（3）旋转电机、 倾动电机的电流及溜槽的转角。 高炉运行实践表明旋转电机 电流的波动情况与高炉齿轮箱故障有十分密切的关系， 因此，将其作为一辅助监 测信号。倾动电机电流则用来反映溜槽是否倾动， 它与溜槽转角共同反映了溜槽 的工作情况。 旋转电机、倾动电机电流通过电流互感器变换为标准的电压或电流 信号后由 A / D 转换器获得。而溜槽倾转角直接从高炉 PLC 控制系统的倾角 BCD 码输出接口读

33、取。3.3 系统总体结构及功能模块划分 为了准确、及时获取设备的当前信息特征值变化规律及其故障的发生、 发展 过程。同时考虑到系统的通用性，本系统采用模块化结构，共分三大模块，如图 3.3 所示。图 3.3 系统总体结构 第一模块为信号采集及预处理模块， 由多路振动信号并行采集卡、 工艺信号 （ 温度、压力、流量等信号 ） 采集卡、转速采集卡以及相应的信号切换、调理电 路所组成。利用振动、温度、压力等检测传感器在线获取齿轮箱运行状态信息， 且对于振动信号实现同时刻采集。第二模块为实时状态监测与识别模块， 由 PC 总线工业控制计算机实现。 实 时监视各种快变信号 （ 如振动） 、缓变信号（ 如

34、压力、温度） ，运用通频振幅、 特征量等多种方法判别齿轮箱运行是否正常， 实现异常工况自动报警， 并有在不 可预见事故发生时保存故障发生前一定时间以及最近的一定时间数据的功能。 该 模块还具备故障初步诊断功能，以满足运行工程师的需要。第 21 页第三模块为在线分析诊断模块， 该模块提供丰富的信号分析和处理方法， 如 相关分析、频谱分析、小波分析、 Wing er 谱分析、趋势分析等，实现对设备工 况的精确分析与诊断。其中信号采集模块与实时监视模块共同由一工控机实现， 它与分析诊断模块 间通过局域网互连，通讯快捷、可靠。同时考虑到设备管理的需要，本系统还可 以与企业内部网络互连。3.3.1 信号

35、采集及预处理模块信号采集的硬件结构原理图如图 3.4 所示。其中振动、非振动信号采集模块 用于实现振动加速度及温度、压力、流量、电流等模拟信号的预处理与采集 , 开 关量信号采集模块用于实现倾角角位移信号的获取。图 3.4 信号采集的硬件结构原理图第 22 页（1）振动信号振动信号的预处理包括交、直流分离、积分、程控增益、低通滤波等环节。一体化振动加速度传感器多采用二线制结构， 信号线与电源线共用。 传感器输出 信号实际为一固定直流信号 （ 通常为 10V 左右 ）上叠加一微弱的交变振动信号， 对于该信号，其直流分量通常可用于传感器工作状态的自检， 而交流信号则反 映了设备振动的大小，由于信号

36、交、直流分量数值上通常相差两个数量级以上， 故必须分别对其进行处理以便于 A/ D 卡采集。通常对设备状态的判别采用振动速度均方根 （ RMS） 值或振动位移值。因此， 当采用加速度传感器获取振动信号时， 须对传感器信号进行积分处理以获取振动 速度或位移。 程控增益电路用于对传感器输出的微弱交流电信号进行放大， 本系 统各通道增益可分别配置为 1，4，8，16 倍。系统采用二阶巴特沃斯低通滤波 器实现噪声滤除及抗混滤波。此外，系统还通过 DC-DC 变换和恒流二极管从工控机 + 12 V 电源获取 24 V 的加速度传感器恒流供电电源。（2）压力、流量、温度信号 压力、流量、温度等信号属缓变信

37、号。考虑到本系统监测量不超过 16 个， 为了减小系统的复杂性， 本系统直接将其接入振动信号调理卡， 利用振动信号调 理卡中的直流分离电路获得相应的信号进行采样处理。（3）旋转电机、倾动电机电流及溜槽倾转角经互感器输出的旋转电机、 倾动电机电流属交变信号， 本系统将其与振动信 号一起进行采样。而倾角信号为 PLC 输出的 24 V 脉冲信号，为此通过光电隔 离接入专门的开关量信号采集卡进行采集。3.3.2 实时状态监测与识别模块 实时状态监测与识别模块是以工控机为中心的多路信号并行采集模块 , 该 模块直接面向操作人员进行现场监测 , 监测的实时性和显示的直观性是模块的 两个重要指标。 该模块

38、主要实现 4 项功能 : 信号获取、信号处理及工况判别、 数 据管理和屏幕显示 。根据总体设计方案 , 该模块的具体设计如下。（1）实时监测图形界面的设计第 23 页实时状态监测与识别模块直接面向操作人员 , 本模块的监视图形显示方式 可由用户通过软件提供的显示模板自定义。图 3.5 给出了两个监视图形的示例。a）总貌图（b）图形监视图 3.5 实时状态监测与识别模块的监测界面其中，总貌图通过棒图显示振动有效值的大小 , 通过仪表图显示压力、 流量、 温度、电流、角位值。为方便用户 , 总貌图中还给出了设备测点布置图 , 并在下 方的状态条中显示报警日志。图形监视方式主要根据用户的设定显示振动

39、波形、 频谱、特征频率趋势、有效值 / 峭度系数趋势以及压力、温度、流量等信号的变 化趋势。2）数据采集方式的设计第 24 页由于布料系统内有多对齿轮，各对齿轮啮合频率相差较大， 为提高系统频 率分辨率， 宜分组对振动信号进行采集。 同时为了获得可比较的振动信号， 对各 组振动信号实现同时刻采集， 采样频率取为最高啮合频率的 2n （ 如 16，32，64， 128 等，视最高分析频率而定 ） 倍。鉴于本 “电机-齿轮箱-溜槽系统 ”的最高啮合 频率为 710. 5 Hz，在齿轮 1 与 2 啮合处，而倾动部分的最低旋转频率不足 0. 1 Hz，因此，数据采集分组方式为 :第一组: 上部齿轮箱部分，其最高啮合频率为 710. 5Hz；第二组: 溜槽部分，其信号频率分布在 79. 3 Hz至小于 0. 1 Hz 之间； 考虑到电流信号频率为 50 Hz，将其归入第二组进行采样。而压力、流量、 温度等缓变信号单独作为第三组进行采集。（3）数据存储方式的设计数据存储是保存设备运行档案的重要环节 , 为了完整记录设备的运行历史 , 本系统采用三种数据存储方式 :1 ）布料齿轮箱正常运行时 , 系统根据所设定的时间间隔 , 如一小时自动将 所有原始数据 （ 振动信号、温度和压力等工艺信号 ） 保存一次 , 作为运行档案 , 并备报表打印所需。