设备状态监测与故障诊断作业

设备状态监测与故障诊断作业

一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法

二、滚动轴承故障的特征频率推导计算

三、针对某个机组对象建立其状态监测与故障诊断系统，描述测点布置、系统硬件结构组成(框图)及各部分功能

（如：XXX(如汽轮机)状态在线监测与故障诊断系统）

（如：旋转机械状态监测与智能故障诊断）

（如：面向Internet的远程工况监视与故障诊断）

内容包括：

监测对象介绍，

测点布置

监测诊断系统构成/总体结构、

功能模块/如在线分析与智能诊断模块）

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 (1)

1.1 齿轮啮合频率的产生机理 (1)

1.1.1 概述 (1)

1.1.2 齿轮的振动机理 (2)

1.2 齿轮故障诊断的方法 (5)

1.2.1齿轮的故障类型 (5)

1.2.2 齿轮故障的特征信息 (6)

1.2.3 齿轮故障诊断的常用方法 (10)

1.3 实例分析 (15)

1.4 小结 (16)

二、滚动轴承故障的特征频率推导计算 (17)

2.1 滚动轴承故障特征频率的经验公式 (17)

2.2 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 (19)

3.1 高炉炉顶布料齿轮箱的构成及工作原理 (19)

3.2 系统的监测参数及测点布置 (20)

3.3 系统总体结构及功能模块划分 (21)

3.3.1 信号采集及预处理模块 (22)

3.3.2 实时状态监测与识别模块 (23)

3.3.3 在线分析诊断模块 (26)

3.4 总结 (27)

四、感悟和致谢 (27)

1 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中1O 是主动轮的轴心，2O 是被动轮的轴心。假定主动轮以1w 作匀角速度运动，A 、B 分别为两个啮合点，则有1O A> 1O B ，即A 点的线速度A V 大于B 点的线速度B V 。

而2O A<2O B ，从理论上有 、 ，则23w w <。然而A 、B 又是被动轮的啮合点，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F (t)c 。

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：060

C N f Z = 啮合频率的高次谐波：0Ci C f i f =⨯，234n i =、、

其中：N ——齿轮轴的转速（r/min ） Z ——齿轮的齿数

22B V O B ω=32A V O A

ω=

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：

x —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，1212m m M m m =

+ C —齿轮啮合阻尼

()K t —齿轮啮合刚度，随时间t 变化

1δ —齿轮受载后的平均弹性变形 图1.2 一对齿轮的力学模型 2δ —齿轮传动误差和故障激励所引起两齿轮间的相对位移

激励源由两部分组成：1()K t δ 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。2()K t δ 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”。

))(()(21δδ+=++t K x t K x C x

M

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、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 1212

K K K K K =+ 式中，1K 和 2K 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 ）齿轮发生的振动

图1.3 直齿啮合过程中的力和刚度变化