高速线材轧机在线监测系统自动化毕业论文

1、本科毕业设计题目：高速线材轧机在线监测系统学 院信息科学与工程学院专 业自动化学 号 200704134167学生姓名朱镜辉指导教师周凤星答辩日期 2011年6月8日武汉科技大学本科毕业论文ii针对高速线材轧在线监测系统的要求，主要是对同步齿轮箱进行在线监测和故障诊 断，在图形化虚拟仪器开发环境 LabVIEW的平台上设计了同步齿轮箱在线监测与故障诊 断系统。该系统已成功应用于鄂钢高速线材轧机生产线上，已经多次检测出同步齿轮箱 的早期故障，可以避免了设备重大事故的发生，为企业的经济效益的提高做出了重要贡 献。本论文主要研究了在线状态监测与故障诊断系统的开发流程图及其软件和硬件功 能模块的设计。

2、设计开发流程主要包括选取监测点、安装和调试传感器、信号硬件预处 理和LabVIEW信号分析平台的构建等。硬件模块主要包括开发了具有自主知识产权的信 号调理箱，转接端子，NI6220数据采集卡；软件设计在现代信号处理平台 LabVIEW上完 成，实现信号的采集和存储、信号的分析处理、各种算法的实现、故障诊断、故障报警、 时域和频域波形显示。信号处理的方法包括时域分析、频域分析、小波分析、倒频谱分 析及多种性能指标的计算。监测系统能够对同步齿轮箱进行 24小时的状态实时监测，进行在线故障诊断与故 障报警，而且将故障报警数据送到指定的数据库中，便于随时进行数据查询和分析。关键词：高速线材轧机； 同步

3、齿轮箱；状态监测；故障诊断AbstractFor high speed wire rod rolling line monitoring system requirements, mainly for synchronous gearbox line mon itori ng and fault diag no sis, the graphical developme nt en vir onment Labview virtual in strume nt was desig ned on the platform syn chro ni zed gear box line mon itor

4、i ng and fault diag no sis system. The system has bee n successfully applied to the jaw of steel rod mill production line, has been repeatedly detected in the early synchronous gearbox failure, the device can avoid the occurrenee of major accidents, the economic efficie ncy of en terprises has made

5、importa nt con tributi ons.The paper primarily researches the developme nt of system of con diti on mon itori ng and fault diag no sis and the impleme nti ng method of hardware and software modules. The developme nt of system in cludes test point select ion, sen sors in stallati on, sig nal pre-proc

6、ess by hardware and sig nal an alysis platform con structed by LabVIEW. Hardware module in cludes sig nal process box with in depe ndent in tellectual property right, conv ersi on in terface and NI 6220 data acquisition board. Software module uses LabVIEW, which is used to collect and process signal

7、s, achieve kinds of algorithms, store and display the fault information. The methods of process sig nal in clude a time-doma in, freque ncy-doma in, wavelet, cepstrum and calculation kinds of function feature.System can simulta neously mon itor gearbox in 24 hours, complete the on-li ne diag no sis

8、and alarm, on-li ne diag no sis, and record the alarm data to the databasefor inq uiri ng and an alyz ing.Keywords： Syn chro no usgearbox; Con diti on mon itori ng;Fault diag no sis TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1 绪论1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 故障诊断学1 HYPERLINK

9、 l bookmark10 o Current Document 1.2机械设备故障诊断目的、意义、内容和国内外研究现状 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 故障诊断的目的2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1.2.2故障诊断的意义2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.2.3故障诊断的内容2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.2.4故障诊断技术的国内外研究现状 3 HYPERLINK

10、l bookmark20 o Current Document 1.3高线轧机齿轮箱故障监测与诊断的意义 4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 1.4虚拟仪器软件LabVIEW的简介4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2高线轧机常见故障机理及其特征表现分析 6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 高线中齿轮故障形式及频谱特征 6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.1.1齿轮的主要故障形式 6

11、HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 齿轮的故障频谱特征 6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.2滚动轴承的典型故障和振动机理 7 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 滚动轴承的典型故障形式7 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 2.1.2滚动轴承的振动机理8 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 2.3轴承频谱特征8 HYPERLINK l bookma

12、rk40 o Current Document 3高线轧机故障诊断常用分析方法10 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 时域分析方法 10 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 时域统计分析 10 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 时域相关分析 12 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 频域分析方法14 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 功率谱分析 14

13、HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3.2.2倒频谱分析14 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 3.2.3包络分析15 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 时频域分析15 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 4高线轧机在线监测和诊断的总体方案 17 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 4.1高线轧机的监测和诊断系统基本思路 17 HYPERLINK l b

14、ookmark64 o Current Document 系统设计要求19 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 系统硬件组成框图 19 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 传感器的选定20 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 转接端子 CB-68LP22 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 数据采集卡 22 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 系统整体介绍2

15、3 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 系统中各个功能模块设计确定 24武汉科技大学本科毕业论文4 #武汉科技大学本科毕业论文4 IV HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 时域分析模块 25 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 频域分析模块 26 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 5基于LabVIEW的在线监测系统设计与实现 27 HYPERLINK l bookmark88 o Current Doc

16、ument 基于LabVIEW的程序流程27 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 界面设计29 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 基于LabVIEW 的实时数据采集模块 30 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document DAQmx数据采集卡 30 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 5.3.2时域信号处理分析与判断方法31 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 5.

17、3.3频域信号处理分析与判断方法33 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 5.3.4时频域分析一一小波分析355.3.5数据存储 35 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 齿轮箱故障初步诊断 36 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 希H定时域故障诊断标准 36 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 5.5.2制定频域故障诊断判定标准37结束语39 HYPERLINK l bookmark112 o

18、 Current Document 参考文献40 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 致谢41武汉科技大学本科毕业论文武汉科技大学本科毕业论文1 绪论1.1 故障诊断学在当今信息化工业化迅速发展的社会里，生产设备越来越朝着大型化、自动化、高速化和智能化的方向发展。现代化工业生产，如果由于机械设备发生故障而停止生产或 者经营的话，损失将是巨大的。另外，企业生产中由于关键设备故障而引起的灾难性故 障也时有发生。在此基础上诞生了设备故障诊断学，它的全称是Machi ne Con diti onDiagnosis Technique。故障诊断学的理论基

19、础很丰富，有信息论、控制论和系统论等， 在这些夯实的理论基础之上以计算机技术和自动化测试仪器技术为手段，然后再针对不同的诊断对象（机器、设备、装置和系统等）的具体规律而慢慢发展起来的新兴学科。故障 诊断学的基本原理是根据电气、机械等各类设备运行过程中产生的信号特征（比如电机 的振动噪声），来判断设备运行是属于正常还是发生了故障。故障诊断学的研究和发展 经历了三个阶段。第一阶段是最简单的是最原始的诊断方法研究，被称为物理、化学的 诊断过程研究，比如对机械部件失效、电机电气等设备的磨耗、腐蚀等物理或化学原因 引起的故障的研究。第二阶段是在第一阶段的基础上发展起来的，比物理化学的诊断方 法更加准确、

20、更有可行性，被称为故障诊断信息学的研究。这个阶段的研究主要是对故 障信号进行采集、处理和分析。第三阶段是此研究发展的最高阶段，为诊断逻辑与数学 原理方面的研究。在这个阶段的研究里，学者们通过模型法、逻辑方法、人工智能方法 及推论方法，根据已检测到的设备故障特征来确定下一步的检测部位，最终判断故障发 生的部位和产生故障的原因。1.2机械设备故障诊断目的、意义、内容和国内外研究现状设备故障诊断技术的实质是了解和掌握设备的运行状态，预测设备的安全可靠性， 确定其整体和局部是否处在正常运行状态，而且及时发现设备故障，并对其发生原因、 部位、危险程度等因素进行处理识别和评价，并针对具体情况做出有效实施维

21、护决策的 技术。武汉科技大学本科毕业论文 #武汉科技大学本科毕业论文 1.2.1故障诊断的目的故障诊断技术的目的是保证能设计和制造出符合用户要求的设备，而且保证其有效地、可靠地、稳定地发挥设备的功能。这包含了四点 ：1以性能评价为基础对设备进行设计、制造提供有用的信息和数据。2保证设备在运行中尽量少故障，确保工作可靠。3保证物尽其用，让设备发挥其最大效益。4.能及时地、正确地对各种异常或故障做出诊断，正确地、有针对性地加以维修， 减少维修时间，节省维修费用。1.2.2故障诊断的意义故障诊断技术之所以日益获得国际重视与发展，原因是随着科学技术与生产力的高度发展，各种设备的工作强度不断增大，生产效

22、率、自动化程度越来越高。同时设备更 加复杂，各部分的关联愈加密切，往往某处微小的故障就能导致整个设备的损坏和停止 工作，有些则造成了灾难性的后果。例如，1973年美国三里岛核电站堆芯损坏事故；1985 年美国航天飞机“挑战者号”的坠毁；1984年印度博帕尔市农药厂异氰酸甲脂毒气外泻 事故;1988年2月，我国秦岭发电厂的一台200WM气轮机发电机组在进行超速实验时， 发生了轴系断裂的严重事故，造成的经济损失约3000万元左右。这些事故不仅造成了巨大的经济损失，而且某些事故还造成了人员伤亡。由此可见诊断技术的意义及其重要 性1。故障诊断技术得以重视与发展的另一重要原因是带来了巨大的经济效益，主要

23、表 现在：配置故障诊断系统能有效地减少事故停机率，企业从而获得更高的收益/投资比。相对于以往的定时维修体制，配置故障诊断系统可以做到根据监测诊断结果来确 定是否需要进行维修，节省了无效的维修费用。1.2.3故障诊断的内容故障诊断就是通过传感器测取设备的有关信息来识别设备的状态。其主要内容包 括五个方面：设备的异常或故障都是通过设备运行过程中其状态信号的变化表现出来的，以合理正确的方法测取设备的状态信号对故障诊断至关重要。包括以下几个过程:(1)测取信 号；(2)中间变换;(3)数据采集。直接根据特征信号来判断设备是否存在故障，通常是比较困难的。一般要对特征 信号进行处理，提取其中有用的信息，才

24、能判断该设备是否存在故障。武汉科技大学本科毕业论文武汉科技大学本科毕业论文3根据征兆进行设备的状态诊断可以采用多种识别方法，对征兆加以处理，构成判 别准则，进行状态的识别与分类。4根据征兆与状态正确地进行设备的状态分析 ，当状态存在故障时，则应采用有关 方法进一步分析故障性质、位置、原因、类型与趋势等。5 根据状态分析正确地做出决策干预设备及其工作进程，从而保证设备可靠、高效 地发挥其应有的功能，达到设备诊断的目的。以上各个环节的关系及流程如图1.1所示:监测对象信号测取决 策 干 预特征信号决策决策形成图1.1故障诊断过程框图1.2.4故障诊断技术的国内外研究现状机械故障监测与诊断作为一门综

25、合性边缘学科在 20世纪60年代产生并发展起来。 就其技术手段而言，已逐步形成以振动诊断、抽样分析、温度监测和无损检测探伤为主, 其他技术为辅的局面，其中又以振动诊断涉及的领域最广，理论基础最为雄厚，研究得 最为充分而且最具生机与活力；就诊断方法而言，除了单一参数、单一故障的诊断外， 目前多参量、多故障的综合诊断已经兴起，人工智能的研究成果为机械故障诊断注入了 新的活力；就应用领域而言，机械故障诊断技术已在旋转机械、往复机械、各种流程工 业、机械加工过程和各种基础零部件的故障诊断方面获得了应用。机械故障诊断技术在世界各国的发展是不平衡的，美国在这一领域处于领先地位， 英、法、德、日等国也都具有

26、各自的优势。与这些发达国家相比，虽然我国在理论上跟 的比较紧，但在诊断设备的可靠性等方面仍有一定差距。就目前的市场份额来看，还有 相当大的国内市场为外国产品所占领，这不得不引起我们的重视。武汉科技大学本科毕业论文 #武汉科技大学本科毕业论文 1.3高线轧机齿轮箱故障监测与诊断的意义齿轮及齿轮箱是机械设备中非常重要的连接和传递动力的零部件，在航空、电力系 统，农业机械、运输机械、冶金机械等现代工业设备中得到了广泛应用。在今天科学技 术飞速发展的时代，机械设备向着大型化、高效率、高强度、自动化和高性能的方向发 展，作为传递运动和动力的齿轮装置几乎在任何大型设备中都具有重要的作用。监测与故障诊断技术

27、是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部正常或异常，早期发现故障及原因，并能预报故障发展趋势的技术。随着现代科学技 术的进步和发展，设备越来越大型化，功能越来越多，结构越来越复杂，自动化程度越 来越高。随之而来的问题是，一旦关键设备发生故障，不仅设备受损、生产线停工，造 成巨大的经济损失，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。1.4虚拟仪器软件LabVIEW的简介计算机技术的飞速发展推动了当今监测控制技术的发展。传统的测控仪器很多都是以硬件或固化的软件为主，这些已经远远不能满足现代科技发展的需求了。随着技术的 快速进步，人们提出了虚拟仪器的概念。所谓虚拟仪器（

28、Virtual Instrument，简称VI）是基于计算机的软件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、信号发生器、频谱 分析仪等，可集成于自动控制及工业控制系统，可自由构建成自己专有的仪器系统。它 是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于过程通讯、数据分析及图形用户界面等软件之 间的有效结合。虚拟仪器的主要特点：1）尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件；2）可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器；3）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数

29、字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛 的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。虚拟仪器的思想，可以先从仪器的基本功能入手进行分析。所有的测量仪器的功能 可由“数据采集”、“数据分析”和“数据显示”三大部分组成。在这三大功能中，数据 分析和数据显示完全可由基于计算机的软件完成，只需另外提供一定的数据采集硬件， 就可构成由计算机组成的测量仪器。虚拟仪器面板取代了传统仪器的硬件，体现了“软 件就是仪器”的概念，测量仪器的功能可以由用户根据需要自行设计软件来定义或扩展。 因为虚拟仪器可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互连，只需改变软件程序就 可以不断赋予它或者扩展增强它的测量功能。这种

30、自定义的系统同传统的仪器相比，具武汉科技大学本科毕业论文武汉科技大学本科毕业论文有更高的灵活性、更强的功能，更能满足用户不断变化的需求。它的出现彻底改变了传统的仪器观，开辟了测试技术的新纪元。虚拟仪器技术相对于传统仪器仪器，它有四大优势：性能高、扩展性强、开发时间 少、完美的集成功能。表1.1是虚拟仪器与传统仪器特点的对比表1. 1虚拟仪器与传统仪器特点的对比虚拟仪器传统仪器开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展圭寸闭、仪器间相互配合较差关键是软件，系统性能升级方便，通过网络 下载升级程序即可关键是硬件，升级成本较高，且升级必须上 门服务价格低廉，仪器间的资源可重复利用价格昂贵，仪器间一般无法

31、互相利用用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能可以与网络及周边设备方便连接功能单一，只有连接有限的独立设备开发与维护费用降至最低开发与维护费用高技术更新周期短(1-2 )年技术更新时间长(5-10)年本论文对高速线材轧机在线监测系统的研究设计，主要以高线轧机中的同步齿轮箱 为研究对象，以状态监测和故障诊断技术为理论基础，所做的研究工作如下：以NI公司的LabVIEW及数据采集等硬件组成的虚拟仪器技术为基础，对高速 线材轧机的同步齿轮箱设计一套振动信号监测与故障诊断系统；加深研究了同步齿轮箱中的振动测量与故障诊断的方法；论述了 NI公司的LabVIEW数据采集编程模块及等硬件在数据采集方面的应

32、 用，分析了硬件配置、软件编程和故障诊断的理论分析依据以及分析结果，并且对数据 存入数据库的实现进行了说明；介绍下位机信号采集电路的硬件实现。根据各种故障的特征设计出专家系统用来故障信息的提取和判断。对诊断系统 进行自动监测和故障诊断提供了依据。武汉科技大学本科毕业论文 #武汉科技大学本科毕业论文 2高线轧机常见故障机理及其特征表现分析2.1高线中齿轮故障形式及频谱特征2.1.1齿轮的主要故障形式齿面磨损齿轮在啮合过程中，齿轮接触表面中出现材料摩擦损伤的现象，主要包括磨粒均匀 磨损和腐蚀均匀磨损。齿面接触疲劳齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。这两种力的作用使齿轮表面层 深处产生脉动

33、循环变化的切应力。轮齿表面在这种切应力反复作用下，引起局部金属剥 落而造成损坏。齿面胶合和擦伤齿轮两啮合面的金属，发生胶合磨损是在一起压力下齿轮的啮合齿面直接接触，“焊 合”后又有相对运动，金属从齿面上撕落，或从一个齿面向另一个齿面转移而引起的损 伤现象。胶面磨损的宏观特征是齿面沿滑动速度方向呈现深、宽不等的产生粗糙沟纹， 在齿顶和齿根处较为严重，此时噪声明显增大。弯曲疲劳与断齿轮齿承受载荷，其根部受到脉动循环的弯曲应力的作用。当这种周期性的应力过高 时，会在根部产生裂纹，并逐渐扩展。当剩余部分无法承担外载荷时，就会发生断齿16 02.1.2齿轮的故障频谱特征轮齿的刚度随着参与啮合的齿数不同而

34、不同，齿轮啮合正常所产生的振动波形是矩 形波。一个矩形波可以分解为许多简谐波之和，而且在这些谐波的频率分量中，必有与 齿数有关的啮合频率fm,高次谐波2fm,3fm等。若齿轮有误差，也必然也与fm有关。齿轮振动信号中包含着多种频率成分，其中主要有3种：齿轮啮合频率齿轮啮合频率伴随着齿轮啮合运动而产生，在数据上它等于齿轮的齿数乘以回转频率，即：fm=zfr=z n/60(2.1)武汉科技大学本科毕业论文武汉科技大学本科毕业论文式中，fm啮合频率（Hz） ； fr回转频率：z齿轮齿数：n齿轮转速（r/min）。一对运行中的齿轮，啮合频率总是存在的，且一对互相啮合的齿轮，其啮合频率对 其中任何一个齿

35、轮都是相等的。（2）齿轮固有频率凡是有缺陷的齿轮，在运行中将产生高电平脉冲，这通常会激起齿轮的固有频率fc。 固有频率的出现是齿轮失效的一个关键性指标。齿轮固有频率一般为1至10KHZ，比滚动轴承的固有频率要低一些。 这种包含固有 频率的高频振动经过曲折的途径传到齿轮箱时一般已经衰减了， 多数情况只能测到齿轮 的啮合频率17。2.2滚动轴承的典型故障和振动机理滚动轴承是机械上的易损部件，许多机械故障是因轴承损坏引起的。严重的轴承故 障会导致机器剧烈的振动和噪声，降低设备效率，甚至引起设备损坏。滚动轴承在运转过程中会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分和 异物侵入、腐蚀和过载等都可能

36、会导致轴承过早损坏。2.2.1滚动轴承的典型故障形式磨损失效磨损是滚动轴承中最常见的一种失效形式，在滚动轴承运转过程中，滚动体和套圈 之间存在滑动，这些滑动会引起零件接触面的磨损。因而降低了机器的运转精度，振动 的噪声也随之增大。疲劳失效在滚动轴承中，滚动体或套圈滚动表面由于接触负荷的反复作用，从表面下形成细 小裂纹，随着以后的持续负荷运转，继而扩展到接触表面使表层发生剥落坑，致使材料 像岩块一样裂开，直至金属表面层产生片状或点坑状剥落。轴承的这种失效形式叫疲劳 失效。轴承运转时，一旦发现疲劳剥落，其振动和噪声都将急剧恶化。腐蚀失效锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由于表面的锈蚀

37、导致精度丧 失而不能继续工作。水分或酸、碱性物质直接侵入会引起轴承锈蚀。当轴承停止工作后， 轴承温度下降，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈蚀。此外，当轴承内 部有电流通过时，电流有可能通过滚道和滚动体上的接触点处，很薄的油膜引起电火花 而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不平。压痕失效武汉科技大学本科毕业论文 #武汉科技大学本科毕业论文 压痕主要是由于滚动轴承受负荷后，在滚动体和滚道接触处产生塑性变形。负荷过 量时会在滚道表面形成塑性变形凹坑。断裂失效造成轴承零件破断和裂纹的重要原因是由于运行时荷载过大、转速过高或装配不善 而产生过大的热应力；也有的是由于磨削或热处理不当而导致的。

38、另外装配方法、工艺 不当，也可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。胶合失效滑动接触的两表面，一个表面上的金属粘附到另一个表面上的现象称为胶合。对于 滚动轴承，当滚动体在保持架内卡住，或者润滑不足、速度过高造成摩擦热过大，使保 持架的材料粘附到滚子上面而形成胶合。7.保持架损坏由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加它与滚动体之间的摩擦，甚 至使某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦等。这一损伤会 进一步使振动噪声与发热加剧，导致轴承损坏。2.1.2滚动轴承的振动机理当滚动轴承在运转时，一般是外圈与轴承座或机壳相连接，固定或相对固定，内圈 与机械的传动轴相连接，随轴一

39、起转动。当轴以一定速度并在一定荷载下运转时，轴承 滚动表面损伤的形式和轴承轴的旋转速度，决定了激振力的频率；轴承和外壳，决定了 振动系统的传递特性。因此，振动系统的最终频率，由以上二者共同决定引起滚动轴承 振动的因素很多，有本身轴承转动引起的振动，有由于人为因素引起的振动，也有由于 轴承产生故障以后引起的故障。2.3轴承频谱特征当内圈、外圈、滚子出现点蚀等故障时，会产生一定频率的冲击，引起轴承振动， 机器运行会出现周期性脉冲。这种周期性脉冲作用时间短，形状陡峭19。根据轴承产生缺陷零件的不同，滚动轴承的缺陷特征频率为：内圈旋转频率f r TOC o 1-5 h z f r = N(2.2)60

40、内圈通过频率，即内圈上的某一损伤点与滚动体接触过程中产生的频率：f i = 1 f r (1 幺 cos ： ) z(2.3)2D武汉科技大学本科毕业论文武汉科技大学本科毕业论文外圈通过频率，即外圈上的某一损伤点与滚动体接触过程中产生的频率： TOC o 1-5 h z A”f。二 f r (1 - cos ： )z(2.4)2D 滚动体通过频率，即滚动体上的某一损伤点与内圈或外圈接触过程中产生的频率：Dd2f bf r (1 -(COS、2 )2 d cos aD(2.5)(5)保持架通过频率：1dfcfr(1cos :)c 2D(2.6)式中，d滚动体直径(mm)，D轴承节径(mm)，a接

41、触角，z滚动体数量，N工作转速(r/mi n)。当轴承出现故障后，在其振动频谱中会出现其特征频率的峰值。但实际中，峰值的 频率并不总是精确地等于理论计算值。这是因为滚动体并非纯滚动等因素造成的20。所 以在频谱图上寻找各特征频率时，需在计算的频率值的上下找其近似值来做诊断判断。振动是物体运动的一种形式，它是指物体经过平衡位置而往复变化的过程。振动是 能够反映机器敏感的参数，机器状态如果产生任何变化，都能从振动的变化体现。齿轮 箱的故障诊断就是通过采集仪器获取有关设备的振动状态信息来判断设备状态的一种 方法。齿轮箱在工作时会产生振动，若发生故障，其振动噪声信号的能量分布就会发生变 化。一台运转中

42、的齿轮箱设备，从它每一个测点上所测得的信号往往是两个或两个以上 振动信号组成的复合信号，因此在分析和诊断中，必须进行振动信号处理。振动信号处理，就是对振动波形进行加工处理，抽取与设备状态有关的特征，以便 对设备状态实施有效的判别。振动信号处理的方法包括时域和频域分析。时域分析是指 对所采集到的振动信号在时间域内的各种分析或变换； 频域分析则是确定振动信号的频 率结构，即弄清信号中包含有哪些频率及各频率成分的幅值 。本系统中将采取多种分析方法来研究齿轮箱振动信号，比单一分析方法所获得的信号更加丰富，为准确判断设备状态提供了必要而充分的科学依据武汉科技大学本科毕业论文 #武汉科技大学本科毕业论文

43、3高线轧机故障诊断常用分析方法振动分析是机械故障诊断中应用最广泛的方法，一方面振动问题是机械运行中的最 主要的问题，另一方面振动信号包含了丰富的机械运行状态信息，可以对机械中的大部 分故障类型进行准确的诊断。目前在工程应用中采用的振动分析方法主要分为时域分析 法、频域分析法和时频分析法。3.1时域分析方法所谓时域是指一个或多个信号取其值大小、相互关系等，可以定义为很多不同的时 间函数或参数，这些时间函数或参数的集合称为时域，时域分析是指计算这些函数并进 行分析的过程。时域诊断方法是发展最早的一种振动检测方法。时域诊断可以理解为振 动信号的时域图象分析方法，由于时域波形反映信号的幅值随着时间变化

44、而变化的关 系，而且时域波形直观、易于观察，可以通过对时域波形特征参数的监测实现滚动轴承 早期故障的诊断。在时域诊断中，普遍采用振动信号的基本数字特征及其概率分布特征来进行分析和 诊断。应用比较广泛的有：峰值和均方根植，方差等有量纲特征参量和概率密度函数、 概率分布函数、自相关函数、互相关函数以及峰值因子、波形因子、脉冲因子、峭度系 数等无量纲特征参。3.1.1时域统计分析 峰值Xp和峰峰值Xp-p峰值是指振动波形上与零线的最大偏离值，峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因 而它适用于像表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断，对于转速低的情况(如 300r/min)，也常采用峰值进行诊断；峰峰值

45、是指振动波形相邻的最大值与最小值之差， 称为振动的“同频振幅”。峰值的检测往往用于设备或部件的强度考核，峰峰值检测则 多用于设备或零件的动态范围考核和疲劳考核。其离散公式为：X P = max X i(3.1)X P-P = X P min( X 1, X 2X3,.Xn)(3.2)(2)平均幅值X p和均方根幅值X rms平均幅值即平均绝对值，工程上也称为平均值。平均值用于诊断的效果与峰值基本武汉科技大学本科毕业论文武汉科技大学本科毕业论文一样，其优点是检测值比峰值稳定，一般用于转速较高的情况；均方根幅值 Xrms也称作有效值，是时域诊断中最简单、最常用的一种识别参数，多用于稳态振动的情况。

46、ISO标准规定，振动速度的有效值称为“振动烈度”，作为衡量振动强度的一个量。均方根 是对时间平均的，它适合于像磨损之类的振幅随时间缓慢变化的故障诊断。其离散公式 为：一 1 NX p = 丁 为 X i(33)N i(3.4)无量纲参数指标分析无量纲诊断的主要优点之一，就是它能直接使用实时检测到的振动信号，而不需要 通过各种信号处理与交换，因而不致出现信号畸变和泄漏等缺陷。更重要的就是它不受 工作状况变化的影响，而且对早期的故障有很好的诊断能力10。对振动信号进行幅值域 处理最常用的无量纲指标有波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标和峭度指标等。波形指标(Shape Factor) TOC o

47、 1-5 h z Sf二=均方根值/均值(3.5)X p峰值指标(Crest Factor)Cf 平 二峰值/均方根值(3.6)X rms脉冲指标(Impulse Factor)If二 伞=峰值/均值(3.7)Xp 裕度指标(Clearanee Factor)=护=峰值/方根幅值(3.8)1/n (Xi - Xp)2-i T(3.9) 峭度指标(Kurtosis Value)K r各个无量纲参数的特点(稳定性和敏感度)见表 2.1：武汉科技大学本科毕业论文 #武汉科技大学本科毕业论文 表2.1无量纲参数的稳定性和敏感度序号幅值参数敏感度稳定性1波形指标Sf差好2峰值指标Cf一般一般3脉冲指标I

48、f较好一般4裕度指标CLf好一般5峭度指标Kr好好6均方根值较差较好无量纲诊断参数不随过程的幅值而变化， 对于机器运行(或载荷)的变化是时不变的， 它只对概率密度函数的形状变化敏感。下面简要介绍各种时域参数指标在故障诊断中的 判据11:(1)有效值：即均方根值，由于有效值是对时间的平均，所以对具有表面裂纹无规 则振动波形的异常较敏感，可对其测量值做出恰当的评价。 峰值：某个时间内振幅的最大值。它对瞬时现象可得出正确的指示值，特别是 初期阶段轴承表面剥落，非常容易由峰值的变化检测出来。而且它对滚动体、保持架的 冲击及突发性外界干扰或灰尘等原因引起的瞬时振动比较敏感，测量值的变化范围可能很大。峭度

49、指标：峭度指标是不够敏感的低阶矩与较敏感的高阶矩之间的一个折中特 征量，如轴承圈出现裂纹、滚动体或轴承边缘剥裂等在时域波形中都可能引起相当大的 脉冲度，用峭度指标作为故障诊断特征量是有效的。正常的峭度指标数值为3。通常情况下，当峭度指标大于4.5时，可以判断轴承部件出现了故障。当时间信号中包含的信息不是来自一个零件或部件，而是属于多个元件时，如在多级齿轮的振动信号中往往包含有来自高速齿轮、低速齿轮以及轴承等部件的信息，在这种情况下，可利用波形指标、脉冲指标及裕度指标等进行故障诊断或分析。对敏感报 警参数主要以峭度指标、波形指标为主。时域波形振动分析得到的原始数据一般都是以时域波形形式来表示，振

50、动波形直观易于理 解。利用时域波形可以对故障先作初步判断。如当旋转机械存在较大的不平衡时，振动 信号中有明显的周期成分；若转子存在严重不对中，那么振动幅值在一个周期之内有大 小波动；若滚动轴承有严重的疲劳剥落，振动波形中有明显的脉冲信号。3.1.2时域相关分析时域相关分析在系统的振源识别和故障诊断中有着广泛的应用，相关分析是用来描武汉科技大学本科毕业论文武汉科技大学本科毕业论文述某一信号在两个不同的时刻或两个信号在同一时刻之间的相似关系,它能测试信号的周期性，还能从随机信号中提取被淹没的周期信号，以实现信号的提取和识别佝0(1)自相关分析自相关函数表示随机振动波形与该波形的时间坐标移动了.后的

51、波形之间的相似程度。如果给定一个各态历经随机过程的任一振动信号记录样本是x(t) , x(t .)是x(t)时移.后的样本，则自相关函数定义为:1 TRxC)珂汁讦/川)dt(3.10)自相关分析在工程中一个重要的应用是从随机振动信号中检测出混淆于其中的周期成分。只要信号中有周期成分，其自相关函数在.很大时都不变化，并且有明显的周期性，不含周期信号的随机信号，当稍大时自相关函数趋于零。图 3.1为一混有白噪 声的正弦信号的自相关分析结果。图3.1混有白噪声的正弦信号的自相关分析(2)互相关分析互相关函数描述两个信号之间的依赖关系或相关程度。设x(t)和y(t)是两个各态历经过程的样本，其互相关

52、函数定义为：1 TRxy ( lim - 0 x(t)y(t )dt(3.11)互相关函数具有的同频相关、不同频不相关的性质，为在噪声背景下提取有用信息 提供了可靠的途径。通常机械系统中的测试信号总含有干扰信号，可用无噪声信号与测 试信号作相关分析。噪声信号和参考信号是频率无关的，所以互相关函数为零，这样可 利用相关函数获取有用信号的强度和相关信息。武汉科技大学本科毕业论文 #武汉科技大学本科毕业论文 3.2频域分析方法作为时间函数的振动信号，通常在时间域里描述该信号随时间变化的性质。但是在 振动信号分析方法中往往还需要采用频率域的概念对信号进行描述，把复杂的振动信号分解为多个不同频率的简谐振

53、动信号。以频率为变量来描述信号的方法就称为信号的频 率域描述，把信号从时域描述变换成频率域描述称为时频域变换。传统的频域分析方法主要包括功率谱、细化谱、包络谱、倒频谱等12。功率谱分析是将信号从时域变换到频域进行分析的方法，各种功率谱估计技术在故障征兆的提取中 的到了广泛应用。但是，该方法存在着方差性能差、分辨率低等局限性；细化谱利用局 部细化放大的方法，使所感兴趣的重点频段的到较高的分辨能力，禾U用该技术可大大提 高诊断信号的频率分辨能力，且计算速度快，在故障诊断、地震分析、边频噪声分离等 方面具有非常广泛的应用。3.2.1功率谱分析在故障诊断中使用最多的频域分析方法之一是用功率密度来描述信

54、号的频率结构。功率谱密度表示振动信号x(t)中各谐波分量的频率与其能量的关系，在机械故障诊断中 常用它来分析振动信号的频率成分和结构关系，以及频率成分的能量大小。已知某个函数x(t)的自相关函数为Rx(t),那么Rx(t)的傅里叶变换即为函数x(t)的功 率谱函数，记以Sx(f),则(3.12)Sx(f)二.玉()2_f d.3.2.2倒频谱分析倒频谱分析又称二次频谱分析，其实质是对功率谱取对数，然后再进行频谱分析， 得到频谱中的周期成分。对齿轮箱中齿轮和滚动轴承出现的调制边频带，利用倒频谱可 以分析出反映故障特征的调制频率，从而诊断故障13。倒频谱的定义为：对多段平均的自功率谱Gxp(f)取

55、对数，得到对数谱GxdB(f),对GxdB(f)再进行FFT分析有0Gxe(t)GxdB(f)eStdf =Rd(t) jI e(t)(3.13)武汉科技大学本科毕业论文对其取模得到倒频谱分析的幅值谱(3.14)(3.15)Gxeamp(t)(t) l：(t)对其取模的平方得到倒频谱分析的功率谱Gxep(t) = R2(t)l2(t)倒频谱技术可以用来识别频谱中各谐波的基频，由于倒谱采用对数加权，因而具有 动态范围广、解藕能力强和对调制信号相位不敏感等特点，克服了中低频段、差频以及 由于谐波存在而使谱图难以识别的困难，可以很容易识别信号的周期。323包络分析包络分析是处理由机械冲击引起高频响应

56、的有效方法。包络分析的目的是分析相对高频信号的能量随时间的振荡 0包络分析技术最成功的应用主要在滚动轴承的诊断中， 如今这一技术也应用到有摩擦力与动态载荷的旋转机械部件的诊断中，如泵的转子、透 平机等。包络分析技术是一种基于滤波检波的振动信号处理方法，对设备的高频共振信号进 行检波处理之后，从高频载波信号中提取附载在高频载波信号上的低频信号。包络分析 的基本原理可以用图2.2来表示。信号输入咼通或带通滤波包络解调低通滤波信号输出图3.4包络分析的原理振动信号经过高通或带通滤波之后，滤掉低频信号，留下来的高频部分经过包络解 调之后，从高频载波中提取低频调制信号，最后经过低通滤波之后滤掉高频载波，

57、剩下 低频振动信号。经过包络分析之后的振动信号排除了低频的干扰信号，从而突出了设备 故障特征信号，提高了信噪比，为设备故障诊断提供了较理想的依据。3.3时频域分析傅立叶变换能够在整体上揭示确定信号的频域特征和平稳信号的能量的频域特征， 但傅立叶变换是一种信号的整体变换，要么完全在时域进行，要么完全在频域进行分析 处理，无法给出信号频谱如何随时间的变化规律。而对于非平稳信号而言，由于其频谱 随时间有较大的变化，要求分析方法能够准确的反映出信号的这种局部时变频谱特性， 只了解信号在时域或者频域的全局特性是远远不够的，或者说是不适合的。为了弥补傅 立叶分析这一不足，需要寻求一种能对信号实行时频局部化

58、的新方法来处理信号，便引 出了直接在时频平面上表征信号的方法，即时频分析方法。武汉科技大学本科毕业论文 #武汉科技大学本科毕业论文 时频分析的基本思想是：设计时间和频率的联合函数，用它同时描述信号在不同时 间和频率的能量密度或强度。时间和频率的这种联合函数简称为时频分布。利用时频分 布来分析信号，能在每一时间指示出信号在瞬时频率附近的能量聚集情况，并且能够进 行时频滤波和时变信号综合。本系统采用的时频域分析方法是小波分析。小波分析，也称多分辨率分析，是建立在泛函分析、傅立叶变换、样条分析和调和 分析的基础上的新的信号分析处理工具，具有很强的应用性。若记基本小波函数为- (t)，伸缩和平移分别为

59、a和b,贝U由母函数* (t)生成的依赖 于参数a、b的连续小波定义为：1(at _b)W J ab(t) =a2(3.16)当a1时， (t)被压窄且振幅被拉高， ab(t)含有表现高频分量的特征。b是时移因子，a是尺度因 子。平方可积分函数f(t) L2(R)的连续小波变换定义为WTf(a,b)1t - b.f(t)-(a)dt, a = 0(3.17)或用内积形式记作(3.18)1 t b式中屮ab(t)=-屮(U)是由母小波屮(t)生成的小波。在上式中，当a增大或缩小a a时,a,b(t)t - b)在时间上扩展或收缩，当aa 1时，若a越大，则(at)的时域支撑范围(即时域宽度)较之

60、(t)变得越小；反之，当a2fc，这就是奈奎斯特采样定理。4.5.2时域分析模块在机械运行过程中，若出现点蚀、剥落等局部损伤的故障时，就会引起冲击，由于 冲击的作用会导致时域参数测量值的变化，通过对这一变化用时域方法处理可以判断出 是否存在故障。图4.7为所设计的时域模块数据流程图。打开需要分析的文件显示时域波形图是有故障否存储单通道数据武汉科技大学本科毕业论文 #武汉科技大学本科毕业论文 图4.7时域模块数据流程图对信号的时域进行统计分析可以得到的特征参数有：均值和均方根值等有量纲参 量；峰值、波形因子、峭度系数无量纲参量等。利用有量纲参数指标判断轴承故障有一 个很大的缺点，需要依赖历史数据