设备状态监测与故障诊断

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课程综合成阅卷评语：阅卷教师(名重庆大学研究生院制

目录一论齿啮频产的理齿故诊方

1.1齿轮频率及啮合振动的机理1.1.1齿轮啮合频率.1.1.2齿轮振动的机理........................!定义书签1.2齿轮故障诊断方法.1.2.1齿轮的故障类型.1.2.2齿轮故障信号的频域特征1.2.3齿轮故障诊断的常用方法二滚轴故的征率导算

........................132.1滚动轴承故障的特征频率推导计算..............!定义书。2.1.1不受轴向力时滚动轴承故障的特征频率2.1.2受轴向力时滚动轴承故障的特征频率三注泵组态线态测故诊系

.............163.1概述.3.2系统的监测参数及测点布置3.2.1测点的选择和布置.3.3系统硬件结构组成及各部分功能3.3.1系统硬件组成.3.3.2系统总体结构及各部分功能.3.4总结.

22一、论述轮啮合频率生的机理及齿故障诊断方1.1齿频及合动机1.1.1齿轮啮合率在齿轮传动系统中由齿轮传动理论可知开线齿廓齿轮在节点附近为单齿啮合，而在节线的两边为双齿啮合，啮合区的大小则由重叠系数ε决定。因此，每对轮齿在啮合过程中承受的载荷是变化的从而引起齿轮的振动另外一对轮齿在啮合过程中两齿面的相对滑动速度和摩擦力均在节点处改变方向引起齿轮的振动1.1是齿轮副的运动学分析示意图O是主动轮的轴心O1

2是从动轮的轴心。设主动轮作匀角速度运动，A、B分别为两个啮合点，则1A>OB即A的线速V大于B点的线速V又因OA<B则11AB2V从理论上O2

3

VO2

，所ww。又因A、B又是从动轮的啮合2点当齿轮副啮合传动时着啮合点沿啮合线移动从动轮的角速度存在波动。当有两对齿啮合传动时因为从动轮只能有一个角速度所以在啮合的轮齿将会上产生弹性变形这个弹性变形力将随啮合点的位置轮齿的刚度以及啮合轮齿数的变化而变化，所以它是一个随时间变化的力F。c图1.1齿轮的动分析1

同理，即使主动O传递的是一个恒转矩，在从动轮上仍然产生随时间变化1的啮合力和转矩而且单个的轮齿可以看成变截面悬臂梁啮合齿对的综合刚度也随啮合点的变化而变化这就造成轮齿振动的动力学分析更加复杂但轮齿的振动确由以上原因引起。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：f

C0

60

啮合频率的高次谐波：fiC其中：N—齿轮轴的转速（r/min）1.1.2齿轮振动机理

Z—齿轮的齿数齿轮传动系统是一个弹性的机械系统所以若以一对齿轮作为研究对象如图1.2，则齿轮传动的动态激励方程如下：

C

K(t)xKt)(

)

—在齿面接触力作用下沿作用线产生的齿轮相对位移M—齿轮副的等效质量

m12m1C

—齿轮啮合阻尼t)—齿轮啮合刚度，随时间t变化

—齿轮受载后的平均弹性变形1

—齿轮传动误差和故障激励所引起两齿轮间的相对位移2图1.2一齿的学型2

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)是由系统的内部激励和外部激励产生2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”。其中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而外部激励则与齿轮本身问题无关是外界对齿轮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负载力矩波动摩擦离合器发生的摩擦激励等。所以由齿轮传动系统模型知道齿轮啮合频率产生的原因主要有啮合刚度的变化、啮合冲击、节线冲击。1啮合刚度的化啮合刚度的变化原因有①随着啮合点位置的变化参加啮合的单一齿轮的刚度发生了变化②因为重叠系数ε不为整数所以啮合传动时参加啮合的齿数在变化。因而，在双齿啮合时，整个齿轮的载荷由两个齿分担，故此时齿轮的啮合刚度就较大同理单齿啮合时载荷由一个齿承担时齿轮的啮合刚度较小。在单双齿啮合区的交变位置每对齿副所承受的载荷将发生突变齿轮在进入啮合和退出啮合时产生齿入冲击和齿出冲击因而产生沿啮合线方向作用的脉动这样必将激发齿轮的振动所以齿轮的啮合刚度周期性变化的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。以图1.3直齿轮啮合传动为例可得图所示直齿轮的啮合刚度变化曲线：图1.3直齿合动意

图1.4直齿合的和度化3

其中图1.4中a曲线代表啮合齿上的作用力的变化b曲线代表啮合齿的刚度的变化；c曲线代表齿轮发生的的变化。2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而在进入啮合和退出啮合时均轮齿上的载荷和变形突然增大或减小引发生冲击，这种冲击称为“啮合冲击”。啮合冲击是一种周期性的冲击力。以图1.3中的渐开线圆柱直齿齿轮为例，位于上方的齿轮是主动O，齿1数为，角速度为w；上方的齿轮是从动O，齿数，角速度w。假122设齿轮的重合度ε=1～2，传递的转矩不变。则在齿轮的啮合过程中，将单双齿交替啮合传动在单齿啮合时齿轮传递的载荷由一对齿轮承担此时啮合的一对齿所承担的载荷即为齿轮传递的载荷T；在双齿啮合时，齿轮传递的载荷由两队相互啮合的齿来承担较之单啮合区每个齿上所承受的载荷双齿啮合中每个齿所承担的载荷是单啮合的一半啮合过程中的单双齿交替会使齿上的载荷发生突变，变化如图1.5所示。在双齿啮合E-F段，载荷较小，在单齿啮合段F-G，载荷较大。齿上的载荷每啮合一次就发生一次变化，其变化频率为：主动轮上，从动轮上Z=Z。12图1.5直啮时轮荷布3节线冲击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，速度渐次增高；而从动轮上的啮合点是由齿顶移向齿根，啮合半径4

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。图1.6直齿合节冲1.2齿故诊方1.2.1轮的故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，被称为齿轮故障齿轮的失效主要发生在轮齿部分常见失效形式有轮齿折断齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形五种。1轮齿折断轮齿折断有多种形式，在正常情况下，有以下两种：①过载折断。因短时过载或冲击载荷而产生的折断过载折断的断口一般都在齿根部位断口比较平直，并且具有很粗糙的特征。②疲劳折断。齿轮在工作过程中，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断轮齿齿面较小的直齿轮常发生全齿折断齿面较大的直齿轮因制造装配误差易产生载荷偏置一端导致局部折断斜齿轮和人字齿齿轮由于接触线倾斜，一般是局部齿折断。5

图1.7轮折故2轮齿磨损齿面磨损有磨粒磨损和磨合磨损两种。滚动轴承及齿轮故障诊断在齿轮传动中随着工作环境的不同齿面间存在多种形式的磨损情况当齿面间落入铁屑、砂粒、非金属物等磨粒性物质或粗糙齿面的摩擦时，都会发生磨粒磨损。齿面磨损后，引起齿廓变形，产生振动、冲击和噪声，磨损严重时，由于齿厚过薄而可能发生轮齿折断。磨粒磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。新的齿轮副，由于加工后表面具有一定的粗糙度受载时实际上只有部分峰顶接触接触处压强很高，因而在开始运转期间，磨损速度和磨损量都较大，磨损到一定程度后，摩擦面渐渐光洁，压强减小、磨损速度缓和，这种磨损称为磨合。3齿面点蚀齿面点蚀是由于齿面接触应力是按脉动循环变化的应力经多次反复后轮齿表层下一定深度产生裂纹裂纹逐渐发展扩大导致轮齿表面出现疲劳裂纹疲劳裂纹扩展的结果是使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑种现象就称为齿面疲劳点蚀生点蚀后齿廓形状遭破坏动的平稳性受影响并产生振动与噪声，以至于齿轮不能正常工作而使传动失效实践表明疲劳点蚀首先出现在齿面节线附近的齿根部分这是因为节线附近齿面相对滑动速度小油膜不宜形成摩擦力较大且节线处同时参与啮合的轮齿对数少接触应力大点蚀是润滑良好的闭式齿轮传动的主要失效形式开式传动中磨粒磨损比点蚀发展得快，因此不会出现点蚀。图1.8齿点6

4齿面胶合胶合是比较严重的黏着磨损般发生在齿面相对滑动速度大的齿顶或齿根部位。互相啮合的轮齿齿面，在一定的温度或压力作用下，发生粘着，随着齿面的相对运动粘焊金属被撕脱后齿面上沿滑动方向形成沟痕这种现象称为胶合。胶合发生在高速重载齿轮传动中，使啮合点处瞬时温度过高，润滑失效，致使相啮合两齿面金属尖峰直接接触并相互粘连在一起造成热胶合发生在重载低速齿轮传动中，不易形成油膜，或由于局部偏载使油膜破坏，会造成冷胶合。齿面一旦出现胶合不但齿面温度升高而且齿轮的振动和噪声也增大导致失效。5齿面塑性变齿面塑性变形属于轮齿永久变形是由于在过大的应力作用下轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的当轮齿材料较软载荷很大时，轮齿在啮合过程中，齿面油膜被破坏，摩擦力增大，而塑性流动方向和齿面所受摩擦力的方向一致，齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形。齿面塑性变形常发生在齿面材料较软、低速重载的传动中。常出现在低速重载、频繁启动和过载传动中动轮齿上所受摩擦力是背离节线分别朝向齿顶及齿根作用的故产生塑性变形后齿面沿节线处变成凹槽从动轮齿上所受的摩擦力方向则相反，塑性变形后，齿面沿节线处形成凸脊。图1.9齿塑变1.2.2齿轮故障号的频域特齿轮故障时一些宽频信号其频率成分是十分复杂的在频域上齿轮的故障特征大致可分为以下几类：1均匀性磨损齿轮径向间隙过大等原因将增加啮合频率和它的谐波成分7

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轮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。图.10齿磨导振上趋2不均匀的分布故障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间隔频率是齿轮转速频率该间隔频率是与有缺陷的齿轮相对应的。3）齿面剥落、裂纹及齿的断裂等局部性故障，将产生周期冲击脉冲，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，如图1.11所示。而点蚀等分布性故障形成的边频带，在啮合频率及其谐波两侧分布的边频带阶数少而集中，如图所示。图.11频域信1.2.3齿轮故障断的常用方

图.12频信在各种齿轮故障的检测方法中振动检测为基础的齿轮故障检测方法是现今齿轮故障检测方法中较为有效的一种动和噪声信号是齿轮故障特征信息的载体目前能够通过各种信号传感器放大器及其他测量仪器很方便地测量出齿轮箱的振动和噪声信号但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。8

目前常用的信号分析处理方法有①时域分析法时域波形调幅解调相位解调等②频域分析法：功率谱、细化谱、倒频谱分析③时频分析法：短时，维格纳分布，小波分析等。1时域同步平分析法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后进行分段叠加处理，以消除随机信号和其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。图时同平法图1.14齿在种态的域均号9

图1.14是齿轮在几种状态下的时域平均信号：）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2细化谱分析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（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频谱图上的频率分辨率则是由谱线和最高分析频率决定的具体关系为下式：/nf/c式中-频率间隔，f-最高分析频率，-采样频率-谱线条数N-cs采样点数。3功率谱边频分析啮频振动分析主要用来诊断齿轮的分布故障，对齿轮早期局部损伤不敏感，应用面窄大部分齿轮故障是局部故障它使常规振动受到调制呈现明显的边频带根据边频带的形状和谱线的间隔可以得到许多故障信息所以功率谱边频带分析是普遍采用的诊断方法。图1.15某轮振信的谱析10

图13（a）为齿轮上一个轮齿有剥落、压痕或断裂等局部损伤时，齿轮的振动波形及其图频谱波形图是一个齿轮的常规振动受一个冲击脉冲调制产生的调幅波由于冲击脉冲的频谱在较宽范围内具有相等且较小的幅值所以频谱图上边频带的特点是范围较宽幅值较小变化比较平缓边频的间隔等于齿轮的转频。图13（b）是齿轮有分布比较均匀的损伤时，齿轮的振动波形及其频谱。波形图是一个图齿轮的常规振动到一个变化比较平缓的宽脉冲调制产生的调幅波由于宽脉冲的频率范围窄高频成分很少所以在频谱图上边频带范围比较窄，幅值较大，衰减较快。损伤分布越均匀，边频带就越高、越窄。边频的间隔仍然等于齿轮的转频4倒谱分析法倒频谱分析又称二次频谱分析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)先进行变换，使时域的卷积等于频域相乘：(f)x(f)h(f)2)取对数，变积为和:log(y(f))log(x(f))3)进行频谱反变换：f1(log(y(f))11

图1.15某轮振信的谱析图1.15中（a）图是某齿轮箱振动信号的功率谱，频率范围是0-20kHz频率间隔是50Hz，在谱图上能观察到啮合频率及其二次、三次倍频，但不能分辨出边频带。（b）图是2000细分谱，频率范围3.5-13.5kHz，频率间隔为5Hz图上能观察到很多边频谱线难加以区分一步对范围进行频率细化，间隔不变，得图（c），边谱线虽更明显，但区分仍然困难。若进行倒频谱分析则得图（d），所示倒频谱图，它清楚地表明了对应于两轴转频85Hz与50H的两个倒频分量A1和B1谱图上以两个转频为周期的两个系列边频带。12

二、滚动轴故障的特征率推导计算2.1滚轴故的征率导算滚动轴承是机械设备中使用量最多的零部件之一也是最易损坏的零件滚动轴承的工作状态非常复杂且早期故障的震动信号非常微弱常常淹没在轴与齿轮的震动信号中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。2.1.1受轴向时滚动承故的特征率下面以角接触球轴承为例并假定①轴承零件为刚体不考虑接触变形②滚动体沿套圈滚道为纯滚动滚动体表面和内外圈滚道接触点的速度相同③忽略径向游隙的影响④不考虑润滑油膜的作用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图2.1所示为角接触球轴承各元件之间运动关系示意图为简单起见假设轴承外圈固定，内圈的旋转频率f轴承节径为，滚动体直径为d，接触角r，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，所以滚动体上的速度为零，而A点的速度为v2(DcosACr由此可以得到：13

fc

cocicoicocicoiffrcos2D

)其中，f为滚动体的公转频率，即保持架的转动频率。s设滚动体的自传频率为f，则f可以这样求得：给整个轴承加一个转动角bb速度”，则此时保持架固定不动，外圈以转动，滚动体只有自转角速c度f，根据纯滚动关系：b此时B的速度：DcosB

f

c由此可得：

fg

Dd)2dD

2

2

)

r进而可得：1）z个滚动体与外圈上某一固定点接触的频率为：df(1f2D

r2）z个滚动体与内圈上某一固定点接触的频率为：df(ff)cos2D

)

r3）滚动体上某一固定点与外圈或内圈接触的频率为：ffb

D)2)f2dD

rf

o

、和f分别称为外圈、内圈和滚动体的通过频率。当上述的“某i一点”是局部损伤点时，

o

、f和f分别成为局部损伤点撞击滚动轴承元i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。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：df2D

)f

r当内圈有缺陷时，内圈的故障特征频率为：f(12D

)f

r当滚动体有缺陷时，滚动体的故障特征频率为：fb

Dd(1)cos2D

r14

2.1.2轴向力滚动轴故障特征频由于滚动体具有相当大的间隙承受轴向力时内外环轴向相互错开，滚珠与滚道的接触点有移动由A、B点移动到、E，如图2-2所示。图2.2此时由于轴承的节径不变但内滚道的工作直径变大外滚道的工作直径变小就是说滚珠的工作直径dcos

须将不受轴向力时轴承缺陷特征频率计算公式中的半d替换dcos程。

可得到相应的轴承故障特征频率方15

三、注水泵组状态在线态监测与故诊断系统3.1概油田投入开发后为了补充原油采出后所造成的地下亏空保持油层压力必须对油田进行注水油田注水系统通过注水机组把水注入油层以补充和保持油层压力注水机组分为离心式注水机组和柱塞式注水机组两种形式除了故障和维护停机外水机组处于高荷连续运行状态机组振动状态进行监测分析，及时发现和预测到机泵系统可能存在的故障及其原因并进行维修以避免机组恶性事故的发生这对于提高设备运行可靠度延长设备使用寿命保障油田注水系统的长周期、安全、稳定生产具有重要意义。3.2系的测数测布3.2.1点的选和布置1）测试部位的确定根据对注水泵故障的研究与分类确定了系统的整体监测部位如下①柱塞泵本体，包括液力端泵头部位，动力端曲轴轴承部位，十字头部位振动监测；②柱塞泵轴承部位的温度监测③电机轴承部位的振动监测电机轴承部位的温度监测；2）测点的选择测点的选取是基于用尽少量的测点进行监测置要尽可能靠近待测部位，使测取信号的传递路径短而直接尽量避免信号的减弱畸变或传递受阻还要确保所测得信号能最大限度地反映检测部位的工况时所选位置要适宜安放传感器，保证其安放平稳，工作性能可靠，最后考虑所选位置能够安全操作。本研究中振动测点均在机壳表面测取实现不解体诊断根据所选机组的监测部位及测试性能的要求，并遵循上述原则，本方案中测点选取如下：①泵头位置测点选在各阀壳体部位的水平方向；②十字头上选在各十字头运动轴线的垂直方向；③动力端曲轴部分选在左、右的垂直方向；④电机部分选在前、后端盖的垂直方向；⑤柱塞式注水泵机组简图及测点布置如图3.1示；16

图3.1塞水机简及点置图3.1中H为水平方向、V为垂直方向、A为轴线方向。3.3系硬结组及部功3.3.1统硬件成注水泵机组在线监测与故障诊断系统监测对象为注水泵机组的轴承振动座振动、轴承温度、注水泵吸入压力和排出压力、流量、电动机电压和电流。据此系统所需硬件为承和底座振动测试选用压电式加速度传感器和与之配套的信号调理器轴承温度测试采用热电偶传感器和与之配套的信号调理器注水泵吸入压力和排出压力测试采用压力传感器量测试采用流量传感器和与之配套的变送器电机电压测试采用电压互感器电机电流测试采用电流互感器现场数据采集使用基于以太网总线数据传输协议的数据采集卡集经过信号调理处理后的信号。通过以太网总线，把数据传输到工控机。工控机通过互联网络，把数据发送到服务器。服务器对现场传输过来的机组振动、温度、压力、流量、电压和电流数据，进行实时状态监测与故障诊断。3.3.2统总体构及各分功注水泵机组在线监测与故障诊断系统的总体结构如图所示传感器采集的信号经信号调理器滤波放大后由数据采集卡采集经现场总线传输数据到工控机工控机与互联网连接经互联网把数据传输到远程服务器通过数据接口程序数据导入到在线远程监控中心软件系统后由在线监测软件模块、故障诊断专家系统软件模块和数据管理软件模块对数据进行实时处理。17

图3.3水泵机在监与障断统体构图3.4水泵机在监与障断件统构注水泵机组在线监测与故障诊断系统主要包括在线监测故障诊断数据管理、报警记录等功能模块。其中在线监测主要是对现场传送过来的振动、温度、压力和流量信号进行全天候监测实时显示并存储故障诊断模块主要是对在线18

监控模块采集到的数据进行处理，发现机组振动或温度或机组效率值超标时报警，并进行故障诊断，判断故障发生部位和原因，给出诊断结果。数据管理模块主要对传输过来的数据进行周期性的存储警记录模块主要对发生故障报警的数据进行记录保存故障诊断结果设备管理模块主要是完成泵站及注水泵的管理。在线监测模块可以对注水站内注水泵设备运行信息进行采集监测对象为注水泵机组的轴承振动、底座