设备状态监测与故障诊断谢言.docx
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设备状态监测与故障诊断谢言
硕士学位课程考试试卷
考试科目:
设备状态监测与故障诊断
考生姓名:
谢言考生学号:
332
学院:
机械工程学院专业:
机械工程领域
考生成绩:
任课老师(签名)
齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方式
齿轮箱作为主要机械传动设备,被普遍应用于现代冶金、化工、动力等工业领域。
在重型机械中,由于设备的重要性,往往对齿轮传动系统要求在多工况、高负载条件下具有良好的寿命和稳定性。
在齿轮实际工作中还需要检测其工作状态,确保在工作中不会发生停车事故,或适时地提出检修时间,以便安排工作进度,提高生产效率。
对设备及齿轮故障诊断,国内外学者做了很多的研究工作。
谢志江等最近几年来利用传感器收集机械信号,编写软件处置信号,解决了国内诸多大型机械设备的故障监测难题,并通过对监测装置进行网络化改造,达到了对多目标、多状态、远程化的监控目的,实现了无人职守的现代化管理目标[1-4]。
本文列举了几种齿轮故障的诊断方式,重点介绍了应用齿轮啮合的时域响应和频域响应进行故障诊断的方式。
1齿轮啮合频率产生的原理
齿轮啮合原理及啮合频率计算
当轮齿进人啮合或离开啮合时,齿轮负载、啮合刚度和在界限周围相对滑动方向均会突然增大或减小,形成啮合冲击。
在齿轮啮合进程中,由于单、双齿啮合区的交替变换、轮齿啮合刚度的周期性转变、和啮入啮出冲击,即便齿轮系统制造的绝对精准,也会产生振动因此,每一个轮齿在啮合进程中,载荷分派的转变引发齿面承载能力的转变。
当第一个齿离开啮合,第二个齿开始进入啮合,对于同一个齿,其经受的负载是中间的一半,即在啮合面的前、后面其经受的负载是中间所经受的负载的一半。
齿轮每啮合一次,负载就转变一次,则负载转变的次数等于啮合次数。
这种振动是以每齿啮合为大体频率进行的,该频率称为啮合频率fm,其计算公式为:
其中:
z1、z2表示主、从动齿轮的齿数;n1、n2表示主、从动齿轮的转速,r/min。
本文以标准的渐开线直齿圆柱外啮合齿轮副为例进行说明,设定主、从动齿轮齿数别离为z1=17、z2=53。
主动轮转速n1为600r/min。
采用如上所述参数的齿轮进行啮合分析时,当小齿轮旋转一周,就会有17对(等于小齿轮齿数)轮齿发生啮合,由于给定的主动轮转速为600r/min,所以单位时间内(1s)主动轮转过10转,发生啮合的轮齿对数为17×10=170Hz。
可以验证大齿轮的啮合频率也等于170Hz。
在齿轮啮合进程中,载荷的转变会引发轮齿刚性的转变,从而引发轮齿的振动,该振动在频谱图上会出现啮合频率及其各次谐波成份。
按照前文分析,齿轮啮合频率概念为单位时间内齿轮的转速乘以齿轮的齿数,如下公式
(1)所示:
(1)
式中:
fz——齿轮啮合频率;
Z——齿轮齿数;
fr——对应齿轮的转频。
啮合频率检测机理
在封锁的箱体内,若是不知道齿轮的转速,齿轮副的齿数,如何才能检测到啮合频率呢?
齿轮在啮入、啮出的进程中总伴随着载荷的突变,载荷突变会在轮齿上产生冲击,从而产生冲击振动,通过传感器收集振动信号,并进行时域-频域变换即可以找到齿轮的啮合频率。
2齿轮故障诊断方式
齿轮本身的故障有以下几种:
(1)制造误差,包括偏心、周节误差和齿形误差;
(2)装配不良,包括不同轴、不对中、齿轮副的轴线不平行;(3)齿轮的损伤,包括断裂、磨料磨损、胶合撕伤、疲劳剥落等。
对齿轮进行故障诊断,目前主如果通过信号收集进行分析处置。
对于采用信号处置为主的故障诊断方式,对信号处置的方式也各类各样,现目前主要研究方向有小波法,FFT法等。
齿轮振动信号中包括多种频率成份,主要为以下3种:
(1)啮合频率为
(2)固有频率
齿轮固有频率一般为1~10kHz,而且该齿轮箱的两对齿轮质量大,这种包括固有频率的高频振动振幅较小,当通过曲折途径传到齿轮箱时一般已经衰减了,多数情况只能测得齿轮的啮合频率。
(3)边频带
齿轮的边频带是判断齿轮故障超级有价值的信息。
齿轮的制造缺点和安装误差都可能成为振动的鼓励源,故障齿轮的振动信号表现为回转频率对啮合频率及其倍频的调制,对于其频谱而言,其谱线是以啮合频率fm为中心,以故障齿轮的转频fr为间距呈对称散布的,一对边频可表示为fm±fr;若是有若干对边频,则可表示为mfm±nfr。
边频带反映了故障源信息,边频带的距离反映了故障源的频率,幅值的转变反映了故障的程度。
图1中所示为信号收集的原理图,将传感器置于齿轮箱的外壳上,齿轮箱的振动特性就通过传感器的收集将物理信号转换为电信号,然后通过信号收集器传输到电脑中,然后通过专业的信号处置软件进行处置。
图1信号收集原理
下面将列举出常见齿轮故障的特征信号。
为了说明故障的存在,先引出正常齿轮啮合下的时域及频域特征。
(1)正常齿轮的时域及频域特征
没有缺点的正常齿轮,其振动主如果由于齿轮自身的刚度等引发的。
其时域特征波形为周期性的衰减波形,低频信号具有近似正弦波的啮合波形,如下图2(a)所示。
正常齿轮的频域特征反映在功率上,有啮合频率及其谐波分量,且以啮合频率为主,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,频谱图如2(b)所示。
(a)时域响应(b)频域响应
图2正常齿轮的啮合响应
(2)齿形误差引发的故障及频率特点
这种情形下振动信号出现以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率,齿轮所在转轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制;一般的齿形误差产生的调制边频带窄,以一阶边频调制为主,且边频带的幅值较小;若齿形误差较为严重,则会激起齿轮的固有频率,出现以齿轮故有频率及其谐波为载波频率,齿轮所在轴的转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制,振动能量(有效值和峭度)有必然程度的增大。
其特征频谱如图3所示。
图3不同轴时齿轮的啮合响应
(3)均匀磨损齿轮的频域特征
齿轮的啮合频率及其谐波的幅值明显增大;若是为不均匀磨损,会产生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,但幅值小。
特征频谱如图4所示。
图4均匀磨损时齿轮的啮合响应
(4)齿轮局部异样
齿轮的局部异样包括齿根部有较大裂纹、局部齿面磨损、轮齿折断、局部齿形误差等,图5中表示了几种常见的异样情况。
图5齿轮的局部异样
1—齿根部有裂纹;2—局部齿面磨损;3—局部齿形误差;4—断齿
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;以齿轮各阶固有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;振动能量有很大的增加。
特征图谱如图6所示.
图6断齿特征频谱
转动轴承故障的特征频率推导计算
旋转机械是各类类型机械设备中数量最多应用最普遍的一类机械,若是旋转机械发生故障,其造成的损失及影响将是十分严重的。
旋转机械是设备状态监测与故障诊断工作的重点,而旋转机械的故障有相当大比例与转动轴承有关。
转动轴承是机械的易损件之一,据不完全统计,旋转机械的故障约有30%是因转动轴承引发的,由此可见转动轴承故障诊断工作的重要性。
对轴承故障进行监测,国内专家也进行了很多的研究。
按照工况条件和工作环境的不同,转动轴承的损坏情况及其原因十分复杂,一个出现故障的轴承可能致使多种损坏现象同时存在,而其中每一种现象都可能是由多种不同的原因引发的;同一个原因也可能引发多种不同的损坏现象。
转动轴承最多见的故障是疲劳点蚀及维持架失去平衡。
转动轴承由外圈、转动体、维持架、内圈等组成,其大体示用意如图1所示。
(a)(b)
图1转动轴承示用意
转动轴承相关参数列于下表1。
表1转动轴承参数说明
代号
名称
含义
D
轴承节径
轴承滚动体中心所在的圆的直径
d
滚动体直径
滚动体的平均直径
r1
内圈滚道半径
内圈滚道的平均半径
r2
外圈滚道半径
外圈滚道的平均半径
α
接触角
滚动体受力方向与内外滚道垂直线的夹角
Z
滚动体个数
滚珠的数目
为了分析转动轴承的特征频率,先做以下几点假设:
(1)滚道与转动体之间无相对滑动;
(2)经受径向、轴向载荷时各部份无变形;
(3)内圈滚道回转频率为fi;
(4)外圈滚道回转频率为fo;
(5)维持架回转频率(即转动体公转频率为fc)。
参见图1(b),则外圈固定、内圈转动下,转动轴承工作时各点的转动速度如下:
内圈旋转频率
fr=N/60
内圈滚道上一个剥落点的故障频率:
外圈滚道上一个剥落点的故障频率:
转动体上一个剥落点的故障频率:
维持架不平衡的故障频率:
齿轮箱状态监测与故障诊断
针对工程上齿轮箱实时监测和故障诊断的需要,对JZQ250型齿轮箱展开研究。
齿轮箱作为机械设备中一种必不可少的连接和传递动力的通用零部件,它一般由齿轮、轴承、轴和箱体等零部件组成。
对齿轮箱进行状态监测与故障诊断具有超级重要的意义。
通过时域参数分析提取监测特征值作为齿轮箱的状态监测值,本文对该齿轮箱进行状态监测和故障诊断系统设计,如图1所示。
图1齿轮箱状态监测系统
(1)传感器选择及测点布置
在机械测试中,传感器一般由转换机构和敏感元件两部份组成,前者将一种机械量转变成另一种机械量,后者则将机械量转换为电量。
传感器输出的电信号分为两类,一类是电压、电荷及电流,另一类是电阻、电容和电感等电参数,它们通常比较微弱和不适合直接分析处置。
作为一个重要的测试单元,传感器首先必需在它的工作频率范围内知足不失真测试的条件,即幅频特性是常数,相频特性呈线性,最好等于零。
另外,在选择和利用传感器时还应该注意以下几点:
1)适当的灵敏度灵敏度高意味着传感器能检测微小的信号。
2)足够的精准度传感器的精准度表示其输出电量与被测量的真值的一致程度。
3)高度的靠得住性靠得住性是传感器和一切测量仪器的生命,靠得住性高的传感器能长期完成它的功能并维持其性能参数。
4)对被测对象的影响小传感器的工作方式有接触和非接触两种。
实验采用JZQ250型齿轮箱,它的传动部份由两对斜齿轮、输入轴、中间轴和输出轴和6个转动轴承组成。
本实验传感器采用压电式加速度传感器测量齿轮箱的振动,收集卡的采样频率设置为20000Hz。
在组建测试系统布置测点时,选择每一个轴承的最大承载区,然后将各个轴承座最大承载区的外壁磨平,粘贴一个具有足够刚度的刚块,将传感器采用钢制螺栓固定在上面。
具体的布置如图2所示。
依照需求加速度传感器可以放在任何一个测点位置。
图2齿轮箱测点布置示用意
(2)信号调理
信号调理将数据收集设备转换成一套完整的数据收集系统,这是通过直接连接到传感器和信号类型(从热电偶到高电压信号)来实现的。
信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成收集设备能够识别的标准信号。
是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等…)来改变输入的讯号类型并输出之。
一般的收集卡上都带有可编程的增益,但具体要不要作信号调理,要视待采信号的特点而定,若信号很小,则要通过放大将信号调理到收集卡能够识别的范围,若信号干扰较大,就要考虑收集之前作滤波了。
(3)采样维持、A/D转换
采样维持电路由模拟开关、存储元件缓和冲放大器组成。
在采样时刻,加到模拟开关上的数字信号为低电平,此时模拟开关被接通,使存储元件(一般是电容器)两头的电压UB随被采样信号UA转变。
当采样距离终止时,D变成高电平,模拟开关断开,UB则维持在断开刹时的值不变。
缓冲放大器的作用是放大采样信号,它在电路中的连接方式有两种大体类型:
一种是将信号先放大再存储,另一是先存储再放大。
对理想的采样维持电路,要求开关没有偏移并能随控制信号快速动作,断开的阻抗要无穷大,同时还要求存储元件的电压能无延迟地跟踪模拟信号的电压,并可在任意长的时间内维持数值不变。
A/D转换就是就是把模拟信号转换成数字信号。
模拟量可以是电压、电流等电信号,也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。
A/D转换后,输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。
A/D转换器的工作原理主要有以下三种方式:
①逐次逼近法;②双积分法;③电压频率转换法。
AD转换器选择时参考的主要技术指标包括:
1)分辩率指数字量转变一个最小量时模拟信号的转变量,概念为满刻度与2^n的比值。
2)转换速度是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。
3)量化误差由于AD的有限分辩率而引发的误差,即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无穷分辩率AD(理想AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大误差。
4)偏移误差输入信号为零时输出信号不为零的值,可外接电位器调至最小。
5)满刻度误差满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。
6)线性度实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移,不包括以上三种误差。
(4)数据处置
在机械工程领域的生产实践和科学实验中,需要研究大量的现象及其参量的转变。
这些信号包括着反映被测系统的状态或特性的某些有效信息,它是人们熟悉客观事物规律、研究事物之间彼此联系及预测未来发展的依据。
数字计算机处置信号中,计算机的威力都表此刻它的灵活性上。
要求直接计算输入傅里叶变换之对数的傅里叶反变换,而利用模拟的频谱分析仪实现不了所要求的傅里叶变换精度和分辨率。
计算傅里叶变换的高效算法,这种算法后来称作快速傅里叶变换(或简写成FFT)。
快速傅里叶变换算法的另一个重要意义是它本身是离散时域的方式,它可以直接计算时域离散信号或序列的傅里叶变换,而且有一整套在离散时域上精准成立的特性和数学关系。
咱们可以发现,“频谱”是信号的描述方式之一,它是频率的函数,可以与表示信号的函数或序列一一对应。
因此工程上常常利用傅里叶变换,将时域信号变换成频域信号,以便于分析。
基于信号处置的齿轮箱状态监测与故障诊断研究最重要的一环就是肯定监测特征值与故障特征值。
监测特征值与故障特征值最大的区别在于监测特征值只需要反映齿轮箱工作是不是出现异样,而故障特征值则需要具有反映不同故障的特性。
普遍用于状态监测与故障诊断的特征值主要包括:
峭度指标、波形指标、脉冲指标、斜度指标、峰值指标、裕度指标,和功率谱重心指标。
参考文献:
[1]谢志江,唐一科,韩治华.叶片机械叶片故障的叶间状态参数诊断法[J].中国机械工程,2003,14(13):
1081-1083.
[2]谢志江,朱伟,岳海峰.无线局域网在移动设备故障诊断监控系统的应用[J].长春工业大学学报(自然科学版).2007,28
(1):
57-61
[3]谢志江,朱明星,胡应鹏,等.基于DSP及GPRS的移动设备故障诊断监控系统[J].机械与电子.2005(11):
31-33.
[4]谢志江,郭煜敬.散布式远程故障诊断平台研究[J].现代制造工程.2006(7):
103-104,121
[5]蒋弦弋,孙启阔,殷丽娟,等.设备状态监测与故障诊断技术的应用[J].机床与液压.2011,39(22):
129-131.
[6]CANDESEJ,CHARLTONPR,Hanneshelgason.Detectinghighlyoscillatorysignalsbychirpletpathpursuit[J].AppliedandComputationalHarmonicAnalysis,2008,24
(1):
14-40.
[7]陈汉新,王庆均,陈绪兵,等.基于解调振动信号特征提取齿轮箱的故障诊断[J].武汉工程大学报.2010,30(9):
67-77.
[9]张玉.基于振动信号分析的齿轮箱故障诊断[J].仪器仪表与分析监测,2011
(1):
20-24.
[10]蒋弦弋,孙启阔,殷丽娟,等.设备状态监测与故障诊断技术的应用[J].机床与液压.2011,39(22):
129-131.
[11]秦树人.机械工程测试原理与技术[M].重庆:
重庆大学出版社.2002.
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