1、 研究生課程考核試卷（適用于課程論文、提交報告）科 目：設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 教 師： 謝志江 姓 名： 黃啟然 學 號： 20110702211 專 業(yè)： 車輛工程 類 別： （ 學術） 上課時間： 考 生 成 績： 閱卷評語： 閱卷教師 (簽名重慶大學研究生院制一：試敘述齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機理及齒輪故障診斷的方法。 答：假設齒輪轉(zhuǎn)動副主動輪轉(zhuǎn)速為n 1，齒數(shù)為z 1，從動輪相應為n 2，z 2。 產(chǎn)生機理：(1 載荷交變：齒輪在傳動過程中，每個齒輪周期的進入和退出嚙合，對直齒圓柱齒輪來說，其嚙合區(qū)分為單齒嚙合區(qū)和雙齒嚙合區(qū)，在單齒嚙合區(qū)。全部載荷由一對齒副承擔，而在雙齒嚙合區(qū)，載荷由兩對

2、齒副承擔。很顯然，在單雙齒嚙合區(qū)的交變位置，每對齒輪副所承擔的載荷將發(fā)生突變，從而激發(fā)齒輪振動。(2 輪齒的剛度變化：傳動過程中，每個輪齒的嚙合點均從齒根向齒頂或從齒頂向齒根逐漸移動，由于嚙合點沿齒高方向不段變化，各嚙合點處齒輪副的嚙合剛度也隨之變化，從而使齒輪產(chǎn)生振動。(3 由于齒輪的受載變形，其基節(jié)變化，在齒輪進入嚙合合退出嚙合時，將產(chǎn)生嚙入沖擊和嚙出沖擊。(4 在齒輪副嚙合時，當嚙合點與節(jié)點重合時，齒輪間是純滾動，而在兩邊是滑動，且摩擦力的方向相反，每嚙合一次力的方向變化一個周期，產(chǎn)生振動。這種振動是以每齒嚙合為基本頻率進行的，該頻率為嚙合頻率f m =z 1n 160=z 2n 260

3、。 齒輪故障診斷方法：由于齒輪發(fā)生故障的時候都會產(chǎn)生一些振動，因此對齒輪故障的診斷方法主要是基于對齒輪的振動情況進行分析，得出齒輪是否存在故障的結論。(1 齒輪的振動特征：在齒輪運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下, 隨著內(nèi)部故障的發(fā)生和發(fā)展, 必然會產(chǎn)生振動上的異常。經(jīng)實踐證明, 振動分析在齒輪故障檢測的方法中是一種最有效的方法。若齒輪副主輪轉(zhuǎn)速為n 1, 齒數(shù)為z 1, 頻率為f 1; 從輪轉(zhuǎn)速為n 2, 齒數(shù)為z 2, 頻率為f 2, 則齒輪嚙合頻率f c 為:n 1n z 1=N 2z 2。當齒輪處于正常或異常狀6060態(tài)時, 嚙合頻率的振動部分及其倍頻總是存在的, 但這兩種狀態(tài)下的振動水平是有差異的。如果僅

4、僅依靠對齒輪振動信號的嚙合頻率和它的倍頻成分的差異來判別齒輪的故障是遠遠不夠的, 因為故障對振動信號的影響往往是多方面的, 這其中就包括幅值調(diào)制、頻率調(diào)制和其他的頻率成分。 f c =Nf 1z 1=Nf 2z 2=N(2 齒輪故障診斷的常用方法：（1） 細化譜分析法：細化譜分析法是通過采用頻率細化技術來增加頻譜圖中某些頻段上的頻率分辨率，即所謂的“局部頻率擴展”法。在齒輪故障信號中，調(diào)制后得到的邊頻含有豐富的故障信息，但是在一般的頻譜圖上往往又找不出清晰、具體的邊頻，究其原因是頻譜圖的頻率分辨率太低。頻譜圖上的頻率分辨率則是由譜線和最高分析頻率決定的，具體關系為下式：f =f c /n =f

5、 s /N式中，f 頻率間隔，即頻率分辨率；f c 分析頻率范圍，即最高分析頻率；f s 采樣頻率，一般取f s =2.56f c ；n譜線條數(shù)；N采樣點數(shù)。（2）倒頻譜分析法：頻譜圖的幅值有兩種表示方法:一種是以振幅形式表示，稱為幅值譜；另一種以能量形式表示，稱為功率譜。功率譜是用來研究各頻率成分的能量在頻域上的分布。頻譜圖縱坐標的刻度也有兩種表示方法:一種是線性坐標，另一種是對數(shù)坐標。線性坐標的優(yōu)點是直觀，缺點是不能同時顯示數(shù)值相差很大的成分；而對數(shù)坐標恰恰相反，可以同時顯示出數(shù)值相差很大的頻率成分，但這些成分之間是不成線性比例關系的。幅值譜的縱坐標為線性坐標，功率譜的縱坐標一般為對數(shù)坐標

6、。對數(shù)坐標以分貝dB表示，其定義為A d =20lg(A /A r 式中，A d 基準幅值，常取A d =1V。(3 齒輪傳動故障的診斷方法：（1） 基于小波分析的齒輪傳動故障診斷方法。齒輪箱故障診斷的四個步驟依次為信號檢測、特征提取(信號處理 、狀態(tài)識別和診斷決策。目前最常用的齒輪故障診斷方法有時域分析和頻域分析兩種, 而這些方法在診斷齒輪的局部缺陷時往往都存在著一些不足。而小波分析是一種全新概念的、變分辨率的時域-頻域局部分析方法, 它在一定程度上彌補了傅立葉變換和STFT 變換的不足, 可對指定的頻帶和時段內(nèi)的信號進行準確的分析。這樣我們就可以實時采集示功圖并對它進行分析, 這就是小波分

7、析具有的特殊優(yōu)點,這對診斷齒輪箱的故障提供了便利。（2） 基于相關分析與小波變換齒輪傳動故障診斷的方法。相關函數(shù)具有降噪特性, 同時它還不改變信號的調(diào)制特性。信T x (tx(t+dt ，號x (t 的自相關函數(shù)可表示為R x ( T lim 0t _T _式中：x (t 是x (t 的共軛函數(shù)。隨機噪聲信號的自相關函Rx(=Kb數(shù)Rx ( 可表示為：sin(2B 。式中:K為系數(shù);B 2B 為信號頻帶寬度。當滯后量增大到一定程度時, Rx (0, 即表示當時間滯后很大時, 隨機噪聲的自相關函數(shù)將衰減掉。設調(diào)幅信號為：X （t ）=Aejxt e jwt ，從而Rx(t=A2e jxt e j

8、wt 。可見, 調(diào)幅信號的自相關函數(shù)仍為調(diào)幅信號, 調(diào)制頻率和載波頻率則均不改變。齒輪故障的特征信息與調(diào)制頻率的成分密切相關, 自相關函數(shù)保留了有關齒輪故障的特征信息, 因而在齒輪故障的診斷中得到了應用。（3） 基于小波包和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的齒輪傳動故障診斷方法。小波包分解是一種有效的對齒輪箱振動信號特征進行提取的方法, 它能很好地提取振動信號在各個頻帶上的特征信息, 而信號在各頻帶上的特征向量也能很好地表征齒輪的運行狀態(tài)。在故障識別中應用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡, 通過學習網(wǎng)絡，準確地建立狀態(tài)分類器, 能較好地解決故障診斷中狀態(tài)的模式識別問題。所以可以說小波包分解與神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的齒輪箱齒輪故障識別方法

9、是可靠的, 可以準確識別齒輪箱齒輪的故障。最后一種就是基于粒子群優(yōu)化的小波神經(jīng)網(wǎng)絡齒輪傳動故障診斷方法。小波神經(jīng)網(wǎng)絡是小波理論與神經(jīng)網(wǎng)絡理論相結合的產(chǎn)物。該網(wǎng)絡既具有非線性映射能力、神經(jīng)網(wǎng)絡的泛化能力和學習能力, 又具有小波變換的多尺度時頻分析手段和良好的逼近特性。二：敘述滾動軸承的特征頻率推導計算過程。為分析滾動軸承各部運動參數(shù)，需要先做如下假設：(1 滾道與滾動體之間無相對運動。(2 承受徑向、軸向載荷時各部分無變形。(3 內(nèi)圈滾道旋轉(zhuǎn)頻率為fi。(4 內(nèi)圈滾道旋轉(zhuǎn)頻率為fo。(5 保持架旋轉(zhuǎn)頻率為fc。則滾動軸承工作時各點的轉(zhuǎn)動速度如下：內(nèi)滾道：V i =2××r 1

10、×f i =×f i ×(Dd cos 。外滾道：V o =2××r 1×f o =×f o ×(D+d cos 。保持架：V c =2× V i +V o =×f c ×D 。所以可以計算出保持架的旋轉(zhuǎn)頻率f c =2D × V i +V o1d d = 1cos f i + 1+cos f o 單個滾動體在外軌道上的通過頻率即保持架相對外圈的旋轉(zhuǎn)頻率為：1d f oc =f o f c =f o f i (1cos 單個滾動體在內(nèi)軌道上的通過頻率即保持架相對內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)頻率

11、為：1d f ic =f i f c = f o f i (1+cos 從固定在保持架上的坐標系來看，滾動體與內(nèi)圈作無滑動滾動，它的旋轉(zhuǎn)頻率之比與2r 成反比。由此可得滾動體相對于保持架的旋轉(zhuǎn)頻率（滾動體的自i 11d傳頻率）f bc ：f bc f ic =2r i d 1=d (1D cos D d D d f bc =2×× f i f o 1(D cos 2 d 根據(jù)滾動軸承的實際工作情況，定義滾動軸承內(nèi)、外圈的相對轉(zhuǎn)動頻率為f r =f i f o一般情況下，滾動軸承外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，即f o =0，f r =f i 。 同時考慮滾動軸承有Z 個滾動體，則滾動軸

12、承的特征頻率：滾動體在外圈上的通過頻率Z f oc 為：Z ×f oc 1d =×Z ×(1cos ×f r 滾動體在內(nèi)圈上的通過頻率Z f ic 為：Z ×f ic =1d ×Z ×(1+cos ×f r滾動體在保持架上的通過頻率fbc 為： fbc = 1 D d × × fr 1 ( cos 2 2 d D 三： 針對某個機組對象建立其狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)， 描述測點分 布、硬件結構組成及各部分功能。 煤氣鼓風機組在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)： 煤氣鼓風機是對初冷后的焦爐煤氣進行增壓， 經(jīng)凈化

13、系統(tǒng)凈化后輸送到煤氣 儲存罐， 供用戶使用。 機組的故障種類多， 且許多故障非常隱蔽， 如轉(zhuǎn)子不平衡、 不對中、 推力軸承損壞、 油膜渦動、 動靜件摩擦、 聯(lián)接松動等。 當有故障報警后， 不及時診斷故障種類、原因、部位和嚴重程度，將嚴重影響煤氣鼓風機組運行的 經(jīng)濟性和安全性， 嚴重影響正常生產(chǎn)。因此要為這套機組安裝狀態(tài)監(jiān)測與故障診 斷系統(tǒng)，并要求其具有如下的功能： 1）實時監(jiān)測機組振動大小，與標準對比，判別機組狀態(tài)，進行聲光報警。 實時監(jiān)測機組的轉(zhuǎn)速。實時對振動信號進行簡要分析及顯示。 2） 具有實時智能診斷功能， 可進行多種信號算法分析， 自動提取信號征兆， 并根據(jù)故障的條件推理出供參考的故

14、障結論。對故障類型及嚴重程度進行判別。 同時故障診斷專家系統(tǒng)具有學習功能。 3）采集的數(shù)據(jù)由計算機進行存儲，建立數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫信息主要是 供人工狀態(tài)分析，事故原因分析等。 4）對歷史數(shù)據(jù)進行離線精密分析。 1、煤氣鼓風機系統(tǒng)的測點布置 煤氣鼓風機系統(tǒng)的測點布置如圖 4 所示。 圖 4 中 RPM 為轉(zhuǎn)速傳感器，檢測煤氣鼓風機實際轉(zhuǎn)速，便于控制煤氣鼓風 9 機轉(zhuǎn)速。 S15 為推力軸承軸向位移傳感器， 檢測煤氣鼓風機轉(zhuǎn)子軸向竄動信號。 S16 為推力軸承軸向位移傳感器，檢測電機軸向竄動信號。S11S14 為安裝在 煤氣鼓風機軸承座上直接測量煤氣鼓風機轉(zhuǎn)軸的振動信號， S1S10 為安裝在軸

15、 承座上的速度傳感器， 對檢測的速度信號進行積分變換， 可轉(zhuǎn)換為振動位移信號。 其中：S1S10 振動速度傳感器；S11S14位移傳感器；S15S16位移傳感器； RPM轉(zhuǎn)速傳感器. 圖 4 測點布置簡圖 2、系統(tǒng)硬件選型 整個系統(tǒng)的運行建立在系統(tǒng)硬件的正確連接和正常工作的基礎上。 本系統(tǒng)的 硬件包括信號采集子系統(tǒng)、 計算機子系統(tǒng)及輔助部件等部分。信號采集子系統(tǒng)的 硬件主要包括電渦流振動位移傳感器及前置器、速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)采集卡、交換機、各類型電纜等。 1）傳感器 傳感器是將測試中的振動、溫度、壓力、噪聲等具有不同物理特性的信號轉(zhuǎn) 換為電信號的儀器。其輸出的電信號分為兩類：一

16、類是電壓、電荷及電流；另一 類是電阻、電容和電感等電參數(shù)。 2） 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集卡 本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集卡，它集信號調(diào)理儀和 A/D 的功能于一體，是新 型外置式 A/D 產(chǎn)品。它使用國際標準網(wǎng)絡接口規(guī)范 TCP/IP 協(xié)議，采集卡還使 用了自動通道掃描技術和 FIFO 緩沖存儲器， 因而具有自動數(shù)據(jù)塊采集能力和極 高的數(shù)據(jù)傳輸效率， 可圓滿地實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理、連續(xù)快速采集存盤等高級數(shù)采 功能。由于采用的以太網(wǎng)絡技術，使遠距離數(shù)據(jù)采集成為可能，通過網(wǎng)線可實現(xiàn) 100 米以外的數(shù)據(jù)采集。 3）其它硬件組成的選擇 其它重要的硬件包括服務器和交換機等。 3、系統(tǒng)的功能模塊組成 煤氣鼓風機狀態(tài)監(jiān)測與智

17、能診斷系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、 風機狀態(tài)實時監(jiān)測、 信號精密分析、故障診斷、系統(tǒng)管理等功能。系統(tǒng)各部分的功能模塊圖如圖 2.3 所示: 煤氣鼓風機狀態(tài)監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集 狀態(tài)監(jiān)測 信號精度分析 故障診斷 系統(tǒng)管理 振 動 監(jiān) 測 轉(zhuǎn) 速 監(jiān) 測 頻 譜 分 析 調(diào) 解 分 析 相 關 分 析 網(wǎng) 絡 學 習 故 障 智 能 診 斷 用 戶 管 理 數(shù) 據(jù) 庫 管 理 圖 2.3 系統(tǒng)功能模塊圖 1）數(shù)據(jù)采集模塊 完成煤氣鼓風機各路監(jiān)測點的數(shù)據(jù)實時采集、轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集是由計算機控 制完成的。 主要包括傳感器、 信號調(diào)理、 A/D 轉(zhuǎn)換三部分。 傳感器信號經(jīng)過放大、 濾波等調(diào)理后， 變成標

18、準的模擬電壓信號或模擬電流信號，電流信號可以轉(zhuǎn)換為 電壓信號。 標準模擬信號接入數(shù)據(jù)采集卡輸入端。數(shù)據(jù)采集部分在工業(yè)計算機控 制下對模擬信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結果和測量信號成線性關系，經(jīng)過簡單標 定后即可進行實時顯示和存儲。 2）狀態(tài)監(jiān)測模塊 該模塊包括風機運行總貌圖畫面顯示、測點實時數(shù)據(jù)波形顯示、測點實時頻 譜顯示、測點歷史趨勢顯示、測點棒圖顯示、機組轉(zhuǎn)速監(jiān)測、軸心軌跡顯示、風 機各種故障可能性大小顯示以及風機運行報警等子功能。 它實現(xiàn)風機運行狀態(tài)的 實時監(jiān)測和超限報警， 其功能實現(xiàn)形式主要可以分為模擬數(shù)字表監(jiān)測和圖形監(jiān)測， 模擬數(shù)字表監(jiān)測根據(jù)所取得的數(shù)據(jù)(如振動值的大小等進行實時數(shù)字顯示， 非常 直觀而人性化地提醒監(jiān)測人員風機出現(xiàn)的異常現(xiàn)象。 圖形監(jiān)測則主要用于對快變 信號(如振動和位移信號進行實時波形顯示，根據(jù)這些監(jiān)測圖，用戶可直接了解 風機的實時運行狀態(tài)。 3）信號精密分析模塊 該模塊為用戶提供風機振動信號分析功能，包括振動信號時域特性、頻域特 性分析。應用該模塊提供的各種分析方法，用戶可以準確、快速地獲取風機的振 動特征參數(shù)和故障信息。 數(shù)據(jù)分析模塊集成多種數(shù)字信號分析和處理方法，具體 包括時