煤矿机械齿轮和轴承故障诊断的研究（可编辑）

煤矿机械齿轮和轴承故障诊断的研究（可编辑） 煤矿机械齿轮和轴承故障诊断的研究 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明: 所呈交的学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。 尽我所知, 除了文中加以标注和致谢的地方外, 论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果, 也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。 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 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 日期:学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关知识产权的规定, 即: 研究生在校攻读学位期间论文 工作的 知识产权单位属于西安科技大学。 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。 本人允许论文被查阅和借阅。 学校可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索, 可以采用影印、 缩 印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论 文。 同时本人保证, 毕 业后结合学位论文研究课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 再撰写的文章一律注明作者单位为西 安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名:指导教师签名: 年月 日 论文题目 : 煤矿 机 械齿轮和 轴承故 障 诊断研究 专 业:机械 电 子工程 硕 士 生:张华 杰 签名指导教师 : 马宏 伟 签名摘 要 本文简述了 煤矿机械齿轮和轴承 故障诊断的目的、 意义 及其诊断技术的研究现状及 发展趋势, 分析了齿轮及轴承常见的故障 形式以及发生的原因, 讨论了齿轮的几种典型 故障信号特征以及故障诊断常用的信号处理 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。 针对 煤矿机械传动系统 低速、 重载 以及环境恶劣等特点 , 重点研究了 齿轮和滚动轴 承的振动机理和故障机理, 以 低速重载下的齿轮和轴承为研究对象, 结合时域振动分析 、 频谱分析、 功率谱 分析、 小波分析 等信号处理方法, 将信号解调技术 、 边频带分析法应 用于齿轮和轴承 的故障诊断中,提取出了故障特征。 研 究 了 神 经 网 络 智 能 学 习 算 法 , 讨 论 了 神 经 网 络 的 基 本 原 理 以 及 神 经 网 络 建 模 方 法,利用 传统的 信号分 析方法提取齿轮 箱故障 的敏感参数,作 为网络 的输入,经过 BP 神经网络的学习训练, 实现了齿轮箱的多故障分类, 取得了良好的分类效 果, 为齿轮故 障智能诊断提 供了理论依据 。 研究表明将该方法应用于矿山机械故障诊 断领域具有重要 的现实意 义。 关 键 词:煤矿机械; 齿轮;轴承; 故障诊断 研究类型 :应用研究 Subject : Study on Fault Diagnosis of Gear and Bearing of Coal Mine Machinery Specialty : Mechatronic Engineering Name : Zhang HuajieSignatureInstructor: Ma Hongwei SignatureABSTRACT Aiming at the gear and bearing of coal mime machinery, this paper briefly described the purpose and significance of their fault diagnosis, as well as the research status and development trends of diagnostic technology, analyzed the common fault types and causesBesides, as to gears, the signal features of typical fault and the common signal processing methods used in fault diagnosis have been discussed in detailGiven the problems such as low speed, overloading and poor environment, which are existed in the transmission system of coal mine machinery, this paper mainly studied the vibration mechanism and failure mechanisms of gear and rolling bearings, regarding the gear and bearing under low speed and overloading environment as research objects. Then the signal processing methods, such as vibration analysis in time domain, spectrum analysis, power spectrum analysis and wavelet analysis and so on, have been combined. In addition, the signal demodulation technology and the method of sideband analysis were applied into fault diagnosis of gear and bearing to extract the fault featuresNeural Network, which is used in complex systems, has been studied in this paper, discussing the basic principles and the process of modeling. Additionally, the fault sensitive parameters of gear box, as the input of network, were extracted by using traditional signal processing methods. After learning and training of BP network, the fault classification of gear box was realized, and also the results of classification has been well obtained, which Provided a theoretical basis for the intelligent diagnosis of gear fault. Finally, this study showed that applying the method into fault diagnosis of mining machines will have great valuesKeywords: Coal Mine Machinery; Gear ; Bearing; Fault Diagnosis Thesis: Application Research 目录 目录 1 绪论1 1.1 选题背景及意义.1 1.2 齿轮与轴承故障诊断技术发展现状..2 1.3 论文主要内容..3 2 煤矿机械齿轮和轴承故障诊断基础及信号特征分析..5 2.1 齿轮故障诊断基础..5 2.1.1 齿轮常见故障及原因.5 2.1.2 齿轮振动数学模型..6 2.1.3 齿轮的啮合刚度8 2.1.4 齿轮的故障检测频率.8 2.1.5 齿轮振动调制效应..9 2.2 滚动轴承诊断基础.10 2.2.1 滚动轴承常见故障及原因10 2.2.2 滚动轴承振动剖析 11 2.2.3 轴承故障实例..12 2.3 齿轮与轴承典型故障信号特征分 析13 2.3.1 齿轮无故障状态.14 2.3.2 齿形误差.14 2.3.3 齿轮均匀磨损..15 2.3.4 断齿15 2.3.5 滚动轴承疲劳剥落和点蚀16 2.4 本章小结..16 3 煤矿机械齿轮和轴承故障信号测试与分析方法..17 3.1 振动信号测试的目的和任务17 3.2 振动信号测试17 3.2.1 齿轮和轴承振动测试的位置..17 3.2.2 振动测试的工作过程与步骤..18 3.2.3 基于 STM32 的便携式信号采集系统18 3.3 振动信号分析基础23 3.3.1 齿轮箱振动信号的时域分析.24 3.3.2 齿轮箱振动信号频域分析..25 I 目录 3.3.3 小波分析.29 3.4 本章小结31 4 齿轮和轴承故障信号提取与分析.32 4.1 齿轮和轴承故障模拟试验介绍.32 4.1.1 典型故障试验装置简介及主要参数..32 4.1.2 典型故障试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 33 4.2 齿轮与轴承典型故障特征频率.35 4.3 敏感参数选择与提取..35 4.4 齿轮箱振动信号时频域特征分析38 4.4.1 直齿正常状态(工况 1).38 4.4.2 直齿工况 2 故障诊断..39 4.4.3 直齿工况 4 故障诊断..40 4.4.4 直齿工况 6 故障诊断..41 4.4.5 斜齿工况 5 故障诊断..43 4.4.6 滚动轴承故障诊断44 4.5 采煤机截割机构摇臂减速箱故障诊断研究47 4.5.1 摇臂减速箱传动示意图及主要技术参数48 4.5.2 数据分析及故障诊断..50 4.6 本章小结..51 5 神经网络在齿轮箱故障模式识别中的应用52 5.1 神经网络与故障模式识别.52 5.1.1 常用模式识别方法52 5.1.2 神经网络在故障模式识别中的应用..53 5.2 齿轮箱故障模式识别神经网络模型结构确定..54 5.2.1 神经网络模型确定54 5.2.2 输入层与输出层确定..55 5.2.3 隐含层数和隐含层内节点数确定55 5.2.4 初始权值确定与数据归一化处理56 5.2.5 基于 BP 神经网络齿轮箱故障诊断57 5.3 本章小结..60 6 结论与展望.61 6.1 结论.61 6.2 展望.61 致 谢.62 II 目录 参考文 献63 附 录.66 III 1 绪论 1 绪论 1.1 选题 背景 及 意义 机械传动系统在交通运输 、 电力、 石化、 矿山 和武器装备等领域应用 广泛, 成为 机 械设备 中不可或缺的组成部分 。 随着工业化水平的不断提高, 机械传动 系统正朝着自动 化、 精密化、 智能化 与环保方向发展, 随着 性能 的提升、 功能的不断完善 、 结构的复杂 化、 工作环境越来越恶劣, 其安全性和可 靠性也随之出现, 一旦机组设备发生故障 , 将 [1] 会造成 巨大的损失,其运行状态 直接影响到机械设备是否正常工作 。 在 机械设备的传动 系统中最关键并且最重要的 两个零部件就是齿轮和 轴承。 这两个 零 部 件 相 对 于 整 台 机械 设备来 讲 是价格 相 对 便 宜 的 零 部件, 但其 故 障 发 生 率 却相对 较 高。 有关资料显示 , 机 械设备 70% 的故障是由振动 引起,而振动故障中的近 70% 却是由 齿轮和 轴承引起。 导致这种情况的原因是二者 的工作条件较为恶劣, 并且 在机械设备中 发挥着 承受和传递载荷的作用,因而它们的运行和工作 状态直接影响整台 设备的性能。 这两种部件故障所造成的整台 设备损坏、 引发灾难性故障、 造成重大经济损失的事例不 [2] 胜枚举 。例如:20 世纪 40 年代, 美国人西 科斯基发明 出世界首架军用直升机到 1948 年的中东战争以及 2003 年的伊拉克战争,美军 军用直升机因齿轮传动系 统 发生故障造 成的坠机 事件时有发生, 为此, 美军 军方和 NASA (国家宇航局) 投 入大 批量的人力以 [3] 及物力研究各种故障诊断方法 ;我国一艘科 学测量船在航行中发生 了主减速器 中的传 动齿轮局部折断, 被迫减速航行, 导致 整个行动受到很大影响。 多年前, 美国一家拥有 很高声望的齿轮 制造公司所生产的提升机, 在建筑物清洁作业时 发生齿轮 传动箱轮齿断 [4][5] 裂, 致使 工人高空坠落 。1992 年太原钢铁公司制氧车间设备上的一对高速齿轮突然 发生故障造成该公司所有炼钢、 轧钢分厂运行瘫痪, 导致整个公司停产检修三天, 使公 [6] 司蒙受了巨大的经济损失 。 煤矿机械 由于受工作环境、 工作条件的约束, 其 齿轮和轴承更容易发生故障, 引起 的事故和停机检修更加频繁。 对煤矿机械的轴承和齿轮 进行故障诊断, 可以有效地避免 意外事故, 消除续发损坏, 节约大量维护费用; 由于减少维修次数, 从而 增加设备正常 运转时间, 提高设备利用率, 缩减维修备件的库存 量及存库时间。 据欧美及日本等工业 发达国家 有关权威部门 的统计, 利用 故障诊断 技术 进行检测设备, 企 业可以减少 50% 的 重大安全事故, 设备停机时间减少 40~60% , 设备维修费用降低 10~25% , 整体投资收益 [7] 率达 1:17 。因此,开 展 煤矿机械齿轮与轴承的 故障诊断预测技术研究,对保证机械传 [8][9] 动系统设 备的完好性具有重要的学术和工程应用价值 。 振动信号中蕴含了丰富的设备信息, 故齿轮运行状态 的好坏可以通过 振动特征体现 1 西安科 技大 学硕 士学 位论 文 出来。 利用 振动测试可以获取 设备状态的信号采集, 通过对振动信号的检测和分析,可 以实时地获取设备早期损伤状态的有效信息。 与铁谱分析、 红外分 析和噪声分析 等机械 设备运行状态检测与 故障诊断 方法相比,基于振动检测的故障诊断方法 具有操作简便、 实时性强等优势 , 因此 被广泛地应用于军用直升机 、 舰艇、 矿山机械 及大型企业重要机 械传动设备 的故障检测 。 齿轮箱的振动信息是目前公认的最佳征兆提取量, 它对运行状 态的反应迅速、 真实、 全面, 能很好的反映出绝大部分齿轮箱故障的性质、 范围, 并且 [10] 有很多先进有效的分析方法可供选用 。 因此 , 齿轮箱的振动应该是我们最值得研究的 对象, 本文 针对 煤矿机械 齿轮箱传动系统 的振动信息 , 通过提取齿轮与轴承的故障信息, 实现两者的故障诊断 。 1.2 齿 轮 与轴 承故障 诊断技术 发展现 状 20 世纪以前,人们 已经开始对齿轮和轴承的振动 与噪声进行研究。但直到 20 世纪 60 年代中期, 振动和噪声 问题才被确定为 评价一个传动装置 性能的重要 指标, 引起了世 界范围内的广泛关注。 英国学者 H.Optiz 在 1986 年通过对 齿轮箱振动与噪声 的机理研究, [11] 发表了 著名的研究曲线,阐述了 振动和噪声是传动功率、 误差及齿轮精度的函数 上 世纪 70 年代初期 , 针对齿轮和轴承开始 出现了一些较为简单的故障 诊断 方法, 不过仅 局限于直接分析 和测量一些基本的简单的振动参数, 如振动幅值、 均方值等, 利 用参数的变化 来判定设备的运行状态。 从上世纪 70 年代的末期到 80 年代 的中后期, 频 域法发展 速度有了较快 的发展, 其中 James I.Taylor 和 B.Randall 等学者做了很多有效工 [12][13] 作,积累了一些故障诊断成功的实例,为诊断技术进一步的发展铺下较好的基石 。 目前, 齿轮 与轴承故障诊断 的研究重点主要集中 在状态监测仪器和信号 分析系统的 开发、 信号 的数据处理 及分析、 典型故障特征提取和 故障机理与诊断方法 的研究以及人 工智能应用等几个方面。 近年来, 随着计算机技术的发展 , 各种在线监测、 离线检测 与 故障诊断技术 日益成熟 ,如欧、美、日等国的研究人员 相继开发出先进的产品。目前, 我国在这些方面也紧随其步 。 用于故障诊断的信号处理和分析方法也取得相当大的发展, 传统的分析方法, 如时 域波形分析、 功率谱分析、 细化谱分析、 相关分析、 倒频谱分析、 解 调分析等 很多方法, 精 度 和 速 度 都 得 到 了 很 大 的 提 高 和 发 展 。 一些 比 较 新 的 信 号 处 理 方 法 , 如 小波分析、 WignerVille 分布技术 、Hilbert-Huang 变换解调等 分析方法开始得到发展应用,并取得 不 错的效果。 我国虽起步较晚, 但也取得了一些成绩, 最突出的是我国学者邓聚龙提出的 [14] 灰色诊断法,具有一定的世界影响 。 目前 , 应用于故障诊断 的方法有振动检测、 噪声 获取分析、 油液监控分析以及 声发 射等。 在齿轮箱运行过程中, 齿轮和 轴承会由于 各种原因产生振动, 一旦 发生故障, 其 振动和 噪声信号中的能量就会发生 分布变化, 因此 可以通过振动和噪声信号的特征提取 2 1 绪论 实现是齿轮箱 与轴承的 故障诊断, 缩减由故障引起 停机而导致的经济损失。 目前 , 国内 对齿轮箱 的故障诊断大多仍 以手工分析为主, 仪器和 信号分析系统应用的很少。 无论是 国内还是国外, 通用的 并且能实现故障的 综合诊断,且实用方便的自动诊断 或智能诊断 [5] 系统很少,研制一套通用的齿轮箱 与轴承故障智能诊断系统可以 填补该领域的空白 。 齿轮 的点蚀、 断齿等部分故障 以及滚动轴承的疲劳剥落等 故障, 由于脉冲冲击力的 出现, 在振动信号中将会出现 调制现象。 因此, 如何实现 对振动信号进行解调是齿轮箱 故障诊断的一项重要工作。 目前 可以实现振动信号解调 的常用方法有广义滤波 、 希尔波 特变换 和共振解调三种。 广义滤波不是真实包络的真实幅值, 所得到信号包络幅值与信 号真实包络频率成分幅值都差一个常数关系, 而且再取绝对值、 检波过程或平方过程都 [15] 会使载波频率有可能出现高次谐波而发生混频效应 。 工程技术界多 采用希尔伯特变换 和共振解调法解决调制现象,但 这两种方法也有各自的局限性,也需要有所突破。 因为 齿轮箱的内部 结构较为复杂, 齿轮和轴承的 工作条件具有多样 性, 在故障诊断 的过程 中涉及到较多的问题 , 目前的故障诊断系统都 多少存在着一些问题, 综合起来主 [5] 要有以下 四个方面 : 1 对齿轮箱的振动和故障发生的机理研究的不够透彻, 多是定性 结论。 但要建立较 为完整 且准确的数学及 力学模型,进行定量定性 分析存在着很大困难; 2 目前大多将齿轮箱 传 动系统 作为线性的系统进行 分析研究, 但实际 和实践研究表 明,它 的振动涉及到很多非线性 的因素; 3 现行的故障诊断方法 多 以箱体的振动信号进行 分析, 没有充分考虑和 利用其他信 号,所以 诊断的成功率 相对较低; 4 故障诊断的专家知识 库很缺乏, 并且专家 知识库推广性较差, 很多 的诊断实例难 以表达成通用的知识规则。 从以上 综述可知, 研究 可靠的诊断方法, 并且将 多种诊断方法进行 融合诊断, 分析 齿轮和轴承 故障发生的 机理, 建立较为完整的 数学力学模型, 研究 箱体的 非线性振动问 题, 构造 推广性较好的专家知识库, 进行 模式识别和 相关神经网络方面的 研究探索, 是 当前及将来一段时间 内 齿轮和轴承故障诊断技术 的发展和研究方向。 1.3 论文主要 内容 本文以 煤矿机械齿轮 和轴承为研究对象, 根据煤矿机械传动系统低速重载的传动特 点选取了故障数据库, 依照齿轮和轴承的 故障诊断理论 及振动信号特征 提取方法, 利用 技术相对成熟的信号处理方法 对其进行时频域分析, 获取特征频率及边频带特点 。 论文 主要工作 如下: 1 介绍了应用于齿轮与 轴承故障诊断 的相关 理论及齿轮与轴承的常见故障形式 、 发 生原因 。 概述了齿轮及齿轮箱故障诊断技术的研究现状和发展趋势, 阐明了本课题 的背 3 西安科 技大 学硕 士学 位论 文 景及意义。 建立齿轮箱振动的 数学模型,分析振动的来源 ; 2 综合了近年来用于振 动信号分析的方法, 并查阅相关资料给出了 低速重载齿轮及 齿轮箱 典型故障特征的频谱 图及频谱特征,为振动诊断 提供了理论依据 ; 3 利用信号处理方法对 低速重载齿轮和轴承 发生故障后的振动信号 进行了研究, 完 成齿轮 发生齿轮破损、 断齿 以及轴承出现点蚀等故障 后振动信号的时频域分析与特征参 数提取, 并重点研究了 各种谱图中特征频率的变化 和边频带的特点; 4 通过对人工神经网络 原理与分类的研究,完成故障诊断BP 神经网络 的建立及参 数设定。 利用建立的BP 神经网络完成了对齿轮箱多故障模式识别。 4 2 煤矿 机械 齿轮 和轴 承故 障 诊断 基础 及信 号特 征分 析 2 煤 矿机械 齿轮和 轴承 故 障诊断基 础 及信 号特征分 析 齿轮箱是 煤矿 机械 设备 的 重要 变 速 传 动 部 件 。 而齿轮和 轴承 作为 齿 轮 箱 的关键零 件, 两者 失效时产生的故障通常会相互影响, 因此对 齿轮和轴承的主要失效形式 进行分 析, 实现对 其故障诊断具有重要意义。 表 2.1 列举了齿轮箱中各类零部件损坏的百分比 , [16] 其中, 齿轮本身失效占 60% , 轴承占 19% 。 可见在齿轮箱中发生故障的部 位多集中在 齿轮和轴承上,故本章主要针对齿轮和滚动轴承的振动原理 及故障信号特征进行阐述。 表 2.1 齿轮箱的失效零部 件及失效比重 失效零 件 失效比 重/% 失效零 件 失效比 重/% 齿轮 60 箱体 7 轴承 19 紧固件 3 轴 10 密封件 1 2.1 齿轮故障诊 断基 础 2.1.1 齿轮常 见故障 及原因 煤矿机械的齿轮多为中、 大模数, 工作状态多为低速重载, 负载很大。 另外, 随着 煤矿机械设备在性能方面的不断进步, 包括采煤机、 掘进机等设备的功率都在不断的增 大, 随之改变的是机械设备的输出扭矩也进一步增大, 导致齿轮的传动负载比以前更大, 齿轮的故障发生率更高。 通常, 齿轮在投入使 用后, 由于齿轮制造不良和操作维护不善, 会产生各种形式的失效, 致使齿轮失去正常的使用功能而失效。 失效形式又由于结构形 式、 材料与热处理、 操作运行环境与条件等因素不同而不同。 煤矿机械常见的齿轮故障 有以下几类形式: [5] 1 齿面磨损 煤矿机械工作的对象是不同地质条件下的煤岩体, 所以齿轮的工作强度很大, 载荷 较高, 所以容易造成磨损故障 。 磨损属于齿轮的缓慢损耗, 在齿轮寿命期内, 存在一定 程度的磨损并不影响正常的使用性能, 一般来说, 磨损量不能超过维修 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 齿面磨损 又可分为 一下三种: ? 齿轮磨粒磨损 齿轮 的啮合过程中, 若润滑不 良 或工作面上有外来的微小颗粒, 则齿面将发生剧烈 的磨粒 磨损。 ? 腐蚀磨损 5 西安科 技大 学硕 士学 位论 文 腐蚀磨损 主要以化学腐蚀 为主, 且伴有不同程度的 机械磨损失效形式 。 润滑剂中含 有酸或 碱等容易对金属产生腐蚀的化学物质时,就会 在齿面发生反应,导致齿面损伤。 由于煤矿机械的工作条件,这种磨损的发生率较高。 ? 齿轮轮齿端面冲击磨损 此 磨损是由于变速箱在换档时, 轮齿端面受到冲击 发生齿轮端面磨损。 如果齿面硬 度过低, 则容易磨损或打毛; 若硬化层过浅, 则 容易被压碎; 硬度过高或金相组织中碳 化物级别 很差,则轮齿尖角处易出现崩裂。 [16] 2 齿面胶合和擦伤 对于重载 或高速传动 的矿用齿轮来说, 工作区 的温度很高, 若润滑 的条件不良, 齿 面与齿面之 间的油膜很容易 会消失, 齿轮端面的金属 便会熔焊在另一个与之相啮合的 齿 面上, 形成划痕状 的胶合。 新的齿轮未经 任何磨合 投入使用后, 某一局部 常产生这种故 障,使齿轮 形成擦伤。 3 齿面接触疲劳 齿轮 在啮合的过程中, 既存在 相对滚动, 同时 又会有相对的滑动, 且 滑动摩擦力在 节点两侧的方向相反, 进而 产生脉动载荷。 脉动 载荷作用使轮齿表面产生 循环变化的剪 应力, 当剪应力 的大小超过材料的疲劳极限 , 便会在 表面将产生疲劳裂纹, 裂纹 进一步 扩展, 会导致齿面剥落小片金属,形成小坑 ,即 点蚀。 4 弯曲疲劳与断裂 煤矿机械的齿轮 在运行过程中承受载荷的轮齿, 如同 一根悬臂梁, 其 根部 容易受到 脉冲循 环影响, 并且在根部弯曲应力作用最大, 当 周期性的应力超过轮齿 材料的疲劳极 限,就 会在根部产生疲劳 裂纹,并逐渐扩展。当剩余 的部分无法继续承担外 部载荷时, 就会发生断齿。 [17][18][19] 根据 国外有关机构 的抽样统计,轮齿损伤各种情况发生 比例如表 2.2 所示 。 表 2.2 显示齿轮发生率最高的 故障类型是裂纹或 断齿, 高达 41% ; 其次便是点蚀 , 高达 31% ; 二者 合计占到全部故障的 70% 以上, 因此裂纹 、 断齿和点蚀等故障是诊断 的主要 对象。 表 2.2 轮齿损伤发生比例 齿轮故 障类 型 裂纹、 断齿 点蚀 划痕 磨损 其他 所占百 分比 (% ) 41 31 10 10 8 2.1.2 齿轮振 动数学 模型 齿轮的振动和噪声 (特别是振动) 是目前公认的最佳征兆提取量, 它对齿轮箱的状 态变化反应迅速、 真 实 全面, 能很好地反映出绝大部分齿轮、 滚动轴承故障的性质, 并 6 2 煤矿 机械 齿轮 和轴 承故 障 诊断 基础 及信 号特 征分 析 且有很多先进有效的分析方法可供选用。 齿轮振动的 噪声机理, 实质就是 由于齿轮振动 所形成 的空气振动,因此 要着重考虑齿轮及其齿轮箱的振动。 齿轮及齿轮箱的振动系统 并非线性系统, 而 是一个相对复杂的非线性系统。 要建立 完整振动模型是非常困难的,在研究 其故障时, 通常要将齿轮传动副进行 必要的简化。 [20][4] 齿轮传动副 的物理模型可简化为 图 2.1 所示。依 据振动理论,方程如下 : Mx ?Cx ?ktx ?Ft 2.1 x 式中 ??沿齿轮啮合线上 的两齿轮之间的相对位移 xxx ; 2 1 C ??齿轮的啮合阻尼; kt ??齿轮的啮合刚度; M ? ?当量质量, Mm m /mm ; 1 2 1 2 Ft ??动载荷 。 Ft 为动载荷, 包含故障所 产生的外界激励, 它的大小受齿轮刚度以及 传动误差的 变化影响, 并且与摩擦力 的方向变化有一定关系 。 n n 2 1 x 2 T T 2 1 Kt m m 2 1 C x 1图 2.1 齿轮 啮合 物理 模型 在 润滑良好的条件下 , 且齿面的粗糙度较低的 状况下, 可以忽略齿面摩擦力 , 因为 即使摩擦力发生 变化,但 对齿轮的啮合振动影响较小, 进而可表示为:Mx?Cxktx ?ktE ?ktE t (2.2) 1 2 式中 E ??齿轮受载后的 静弹性变形的平均值 ; 1 E t ??齿轮误差和故障造成的两个轮齿间 的相对位移,又称故障函数; 2 ktE ??齿轮正常工作时的常规振动; 1 ktE t ??非常规 啮合振动 。 2 由式(2.2)可见,齿轮在无 故障的理想状况下 也存在着振动,且振动源自两部分: 一部分为 ktE , 与齿轮 故障和误差无关, 被称为常规 的啮合振动; 另一部分为 ktE t , 1 2 取决于 kt ( 轮 齿 的 啮合 刚度 ) 和 E t ( 故障函数 ) 。 kt 为 周 期 性变 量 , 因此 可以 说 2 7 西安科 技大 学硕 士学 位论 文 齿轮主要 的振动是由 E t 的周期性变化引起。 2 2.1.3 齿 轮的啮 合刚 度 对于 齿轮振动源的产生, 它是很重要 并且十分复杂的 性能参量, 也是研究齿轮 的动 态性能基础。 它受很多因素 (齿轮变形、载荷的 分布状况、位置以及载荷等) 的影响, 要建立 起齿轮传动啮合刚度 的模型是个相对复杂的 过程, 目前应用较为广泛 的是美国学 者 R.Kusuba 总结出的 VVMS 模型(非固定变化的啮合刚度模型),但是这个 模型仅仅 考虑了 啮合位置、 误差、 载荷等因素对模型的影响。 后来, 有关的学者在此 模型的基础 上总结 提出了 DMS 模型 (动态 的啮合刚度模型) , 此模型 综合考虑了振动 位移以及转速 的成分影响。 虽然 目前 有很多不同的 研究模型, 但由于 齿轮的啮合刚度自身复杂性 的影 响, 目前尚 不能准确地 进行准确定量的评估, 一般只利 用定性的啮合刚度模型 对齿轮振 动进行 研究, 围绕它对齿轮 的某些故障进行分析。 啮合刚度除受 以上因 素影响外, 还与 齿轮的 重叠系数相关。图 2.2 所示为直齿轮和斜齿轮刚度曲线。由图可见, 斜齿 啮合要 [4] 比直齿啮合刚度的变化 缓慢,这也是斜齿轮传动平稳的原因 。 t t a 直齿 轮 b 斜 齿轮 图 2.2 齿轮 啮合 刚度 曲线 变化图 2.1.4 齿轮的 故障检 测频率 1 齿轮啮合频率 从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合, 齿轮的啮合刚 度就变化 一次, 由 式(2.3)可以算出齿轮的啮合周期和啮合频率。 N fn Z (2.3) z 60 式中 f ??啮合频率; z n ??自然数 1,2,3,…, M , M 为最大谐波次数; 8 Kt Kt2 煤矿 机械 齿轮 和轴 承故 障 诊断 基础 及信 号特 征分 析 N ??齿轮轴的转速 (r / min ) ; Z ??齿轮的齿数 。 2 齿轮轴每转一周重复 产生的附加脉冲会引起齿轮及轴的转 频及低次谐频, 当诊断 啮合齿轮中单个齿轮的故障时,该齿轮的转频及 谐频在频谱图中就成为检测的重点。 3 隐含成分。 一对新齿 轮 啮合传动时, 在其振动频谱 图上会出现某一频率的基频及 其低次谐频成分, 称其为隐含成分。 隐含成分具 有以下两个特点: ?它不受载荷 的变化 影响; ?当齿轮工作一段时间 后, 齿轮出现均匀磨损 , 啮合频率的各次谐波的振动分量 [21] 会逐渐加大,而隐含成分及其各次谐波 的成分却 会逐渐下降 。 2.1.5 齿轮振 动 调制 效应 对于采集的加速度信号进行 相关频域分析, 可以明显的发现在齿轮的啮合频率周围 存在一些 带宽相等的频率成分,而这些成分 被称为边频带,它反映了 信号的调制效应。 所谓的 调制效应就是高频 载波和低频调制信号的共同作用引 起的现象, 其中, 齿轮的啮 合频率及其高次谐波就是我们常说的载波,而由 齿轮故障(齿轮偏心、点蚀、剥落等) 引起那些在每周出现一次或两次的振动信号就是调制信号。 这两种信号同时发生就会产 生调制效应。 从数学意义上讲, 一对齿轮啮合传动, 参与 啮合的齿数由一对变成两对, 又由两对 变成一对, 形成单双齿啮合交替变化, 对齿轮施加一个周期性的冲击, 从而形成齿轮啮 合振动。正常情况下,齿轮频率及谐频成分为 : M X tA cos2 ?mf? 2.4 cm z m m ?0 式中 ??啮合频率; f z??相位; m A ?? 幅值; m M ?? 齿轮啮合频率谐波的最大数。 当 齿轮啮合传动时 , 转速、 载荷和刚度或故障的 发生都将使齿轮的振动信 息将会发 生改变 , 影响其相位 ( 频率) 和 幅值变化, 产 生调制现象。 此时, 振 动信号中 的啮合频 [4] 率及谐波成分可表示为 M 2.5 xtA 1a t cos2 ?mf tb tm m z m m m ?0 式中 a t ??幅值调制函数; m b t ??相位调制函数。 m 1 幅值调制: 当齿轮 的 齿距发生 周期变化以及 载荷有所波动、 齿轮生 局部及均匀故 障时都会产生幅值调制效应。 ?局部故障: 在频谱中 的表现是在啮合频率两侧 出现大量的 9 西安科 技大 学硕 士学 位论 文 边频带,且 幅值较低; ?均布故障: 在频 谱中表现 是在啮合频率两侧产生 一簇幅值较高、 分布较窄、起伏较大 的边频带。 2 相位调制:又称为频 率调制效应 ,是由齿距 的周期性变化和载荷波动引 起。 2.2 滚动轴承 诊断基 础 2.2.1 滚动轴 承 常见 故障及原 因 滚动轴承 在运行的过程中由于装配不当、 异物或水分侵入、 润滑不良等 原因引起损 伤,致使滚动轴承过早的失效损坏。 即使在润滑、 安装、维护、使用都正常的状况下, 轴承在工作一定的时间以后 , 也会出现 磨损或疲劳剥落 等失效形式, 导致轴承 不能正常 工作。 总之, 轴承失效的原因往往是多因素的, 所有设计制造过程的影响因 素都会与轴 承的失效有关。在一般情况下, 可从使用因素和 轴承内在因素这两方面 来考虑和分析。 我们所说的 使用因素主要是指 维护修理、 使用保养、 安装调整 等是否 达到技术要求。 其中, 安装条件是使用因素中的首先要考虑的因素之一。 因为轴承经常 发生因 安装不合 适导致各个部件的受力状态发生变化, 进而在这种工作状态下提前失效。 根据轴承安装、 维护、 保养、 使用 的技 术要求, 经常 对运行中的轴承所承受的 振动、 噪声、 载荷、 工作 温度、 转速以及润滑条件进行监控和检查,发现异常 并立即找出原因故障 ,进行调整, 使其尽快 恢复正常。 另 外, 对润滑脂的质量、 周围介质进行 检测分析也 是很重要的。 内 [16] 在因素主要是指结构设计、 制造工艺和材料质量等决定轴承质量的三大因素 。 滚动轴 承的主要故障形式如下: 1 疲劳剥落 滚动 轴承的滚动体和 内外滚道既要承受载荷又 要有相对滚动, 正是由于 这种交变载 荷的作用, 在表面下 最大剪应力处首先会 形成裂纹, 进而扩大到接触表面,并使表层产 生剥落坑, 最 终发展到大片 的剥落, 这种现象即 疲劳剥落。 这种现象会造成 滚动轴承运 [16][17] 转时的 振动和噪声、 冲击载荷 加剧。 疲劳剥落常常 是滚动轴承发生失效的 首要原因 。 2 磨损失效 磨损 失效是常见的一种失效形式。 当有外界硬粒等磨料进入轴承滚道、 滚动体、 座 孔或安装轴承的轴颈的工作表面,负载工作情况下,这些工作表面会发生磨损。 此外, 还有一种微振磨损。 在轴承不旋转的情 况下, 由于振动的作用, 滚动体和滚 道接触间有微小的、反复的相对滑动而产生磨损,在滚道表面形成振纹状的磨痕。 3 锈蚀 锈蚀 现象是滚动轴承最 为严重的问题之一。 当酸、 碱性物质或水分等物质 侵入会引 起轴承锈蚀。 当轴承由运转变为停止工作时 , 轴承 表面温度会发生变化, 由较高温度下 降至露点,空气中 的水分 便会凝结成水滴附着在轴承表面,这种现象 也会引起锈蚀。 10 2 煤矿 机械 齿轮 和轴 承故 障 诊断 基础 及信 号特 征分 析 4 点腐蚀 点腐蚀是金属表面缺陷、 疏松以及夹渣等产生微电池作用的结果当金属表面存在缺 陷、 疏松以及夹渣等时, 这些部位的电化学性能和其他部位不同。 这些部位成为溶解趋 势较强的 阳极, 其他部位成为阴极, 金属本身是良好的导电体, 金属表面吸附的水液则 是离子导体, 这样就好似有许多短路的原电池进行着放电的化学反应, 阳极溶解和阴极 [22] 放电的速度快,金属腐蚀的速度也就快 。 综上所列举的各种失效形式, 轴承失效的主要影响因素可以归结为 : ?材料的冶炼 质量; ?热处理状态 ; ?表面加工精度; ?表面残余应力 ; ?润滑油; ?接触表面塑性 [23] 变形 。 2.2.2 滚动轴 承振动 剖析 滚动轴承 典型结构如图 2.3 所示, 它是由内、 外圈、 滚动体 以及保持 架 四部分组成。 2r 2 D 2r 1 a图 2.3 滚动 轴承 典型 结构 滚动轴 承主要几何参数有: D :滚动轴承的节径 ; r :内圈滚道的半径 ; 1 r :外圈滚道的半径 ; 2 a :接触角; [16] Z :滚动体的个数 。 轴承中所产生的振动是随机的, 含有滚动体的传输振动, 其主要频率成分 为特征频 [24][25] 率。其 振动信号各频段频谱的 主要特点为 :1 低频 1KHz 以下 。 此频段包含轴承故障 的特征频率以及加工、 装配 所产生的误 差所引起的 频率。 对低频段 谱线进行分析, 可诊断 出相应的故障形式。 但是, 这一频段 的频率大多容 易受到传动系统 中其它零部件及其结构影响, 且在故障的初期反映局部损 伤位置的特征频率成分信息的能量很小,常被噪声淹没。 11 西安科 技大 学硕 士学 位论 文2中频1KHz ~20KHz 。 主要 包括 轴 承 的 元件 表 面故障 所引 起 的轴承 元 件 固有频 率。 分析 这个频段的频率 可较好地诊断轴承的局部 故障。 采用适当的解调技术, 然后再 通过适当 滤波,可以获 得信噪比很高的故障振动信号,进而 诊断轴承的 故障形式。 3 高频 在 20KHz 及其 以上 。 若 传感器 (如加 速度式) 的谐振频率 足够高, 那么轴 承损伤 所引发的冲击频率 在 20KHz 及其更高频 段也会有能量的分布,所 测得的信号中 便含有 高频段成分。若 对此频段的信号进行处理 分析即可诊断出轴承的 相应故障形式。 特征频率计算如下: 外环故障: Z n d? f1cos a 2.6o 2 60 D? 内环故障: Z n d? f1cos a 2.7i 2 60 D? 滚动体故障 : 2? Ddn f1cos a 2.8 b d D 60 式中 n ??轴承所在轴的转速,单位为 r min 。 2.2.3 轴承故 障实例 本文实例 样本数据源自西储大学 (Case Western Reserve University ) 轴 承数据中心 [26] 的其中一组样本 。故 障尺寸为直径 0.53mm ,深度为 0.28mm 的微 小圆坑, 处于轴承 外圈上。 试验平台由滚动轴承、 电机、 扭转传感器、 加速 度传感器、 功 率计和采集卡组 [26] 成, 简图如 2.4a 所示 , 实物图见 2.4b 。 采样频率分为 12KHz 和 48KHz , 本例数据 选自 12K ,采样点数为 121846 个。 加速 度 传感器 传动轴 承 扭 转传 感器 电机 功率计a 结构简 图b 实物 图 图 2.4 轴承 故障 试验 平台 12 2 煤矿 机械 齿轮 和轴 承故 障 诊断 基础 及信 号特 征分 析 驱动电机转速 1796 r/min ,加速度传感器安装在电动机的输出端,紧靠故障轴承基座。 图 2.5 为故障轴承 (外圈) 的加速度时域波形, 图 2.6 为其频谱图。 从图 2.5 中可以看出, 由于轴承外圈存在故障, 导致加速度的时域波形存在明显的周期性冲击振动。 从其频谱 图中可以发现 频率成分复杂, 故障频率不明显 。 正是由于各种信息混叠在一起, 引起识 别信号故障 困难, 因此, 为增加故障信号的识别精度, 需要更先进的 信号处理 方法。 而 本文第三章将详细介绍相关方法,并进一步利用 这些方法,完成对轴承的故障诊断。 2 1 0 -1 -2 0 1000 2000 3000 4000 采样点数 N图 2.5 故障 轴承 时域 波形 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 频率( Hz )图 2.6 故障 轴承 频谱 图 2.3 齿轮 与轴承典型 故障信号 特征分 析 低速重载是 煤矿机械 传动系统的真实写照, 齿轮和轴承在生产的连续运 输和循环作 [27-30] 业中扮演重要角色。 由于所处的环境和工作 条件限制, 它具有本身的一些 特点 :1 设备工作条件限制, 导致设备工况恶劣, 超载严重, 冲击较大, 轮齿常处 于边界润滑状 态,致使齿面摩擦较大 ;2 煤矿机械的齿轮大 多为中、大模数 模数 6~20 ,多为低速 2 6m/s 以下 重载传动, 单位齿宽的载荷值很高 达 20kN/cm ;3 旋转 轴转频很低, 低速 轴的啮合频率也很低 ;4 由于转频较低, 导致每次故障冲击的间隔时间较长, 在低速旋 转轴附近很难检测到 齿轮和轴承的 故障信号。由于低速重载齿轮 和轴承具有以上特点, 致使它会出现较大的故障几率, 一旦出现 损坏, 将影响 到生产中的连续运输和循环作业, 13 2 幅值( m/s 2 幅值( m/s )西安科 技大 学硕 士学 位论 文 造成严重的后果。 齿轮和轴承在工作时产生振动, 一旦发生故障, 其振动信号的能量分布就会发生变 化, 所以振动信号是齿轮箱故障特征的载体。 本节利用振动理论和前人的试验研究, 分 析齿轮箱中轴系不对中, 齿轮的齿形误差、 均匀磨损、 断齿 以及滚动轴承疲劳剥落和点 蚀等典型故障的信号特征。现说明如下: 2.3.1 齿轮无 故障状 态 正常齿轮由于刚度的影响, 其波形为周期性的衰减波形。 其低频信号具有近似正弦 波 形 的 啮 合 波 形 。 正 常 齿 轮 的 信 号 反 应 在 功 率 谱 上 , 有 啮 合 频 率 及 其 谐 波 成 分 , 即 有 nf n1 ,2 ,3… ,且 以 啮 合 频 率 为 主 , 其 高 次 谐 波 依 次 减 少 ; 同 时 在 低 频 处 有 齿 轮 所 z [5] [10] 在轴的转频及高次谐波 mf m1,2,3… 。其频谱图如 2.7 所示 。 r f f 2 f 3 f f r z z z图 2.7 正常 齿轮 振动 信号 频谱图 2.3.2 齿形误 差 齿轮的失效形式中,凡是造成齿轮齿形改变的故障,统称为齿形误差。 当产生齿形误差时, 振动信号的主要特征为:1 以齿轮的啮合频率及其 高次谐波为 载波频率, 以 齿轮所在轴 的转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制。 调制边频带 较窄, 并多以一阶转频调制为主, 且边频带的幅值 较小。 当齿形误差 较为严重时, 可激励起齿 轮的固有频率, 会出现以齿轮各阶固有频率为载波频率, 齿轮所在轴转频及其倍频为调 [5] 制频率的齿轮共振频率调制 ;2 振动能量有 所增加 。 点蚀、 划痕频 谱图如图 2.8 所示。 14 Gf2 煤矿 机械 齿轮 和轴 承故 障 诊断 基础 及信 号特 征分 析 f r f r f f 2 f r z z f图 2.8 齿形 误差 频谱 特征 图 2.3.3 齿轮均 匀磨损 当 齿轮箱中有齿轮发生均匀磨损 故障时, 检测 其箱体振动信号, 并用时频谱分析等 方法进行分析表明: 当 齿轮发生均匀磨损时, 振动信号 无冲击信号产生, 故不会有调制 现象明显的 出现。 当磨损 程度较大时, 从其频谱图中