設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷作業(yè)

1、 研究生課程考核試卷（適用于課程論文、提交報(bào)告）科 目：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷 教 師： 謝志江 姓 名： 黃啟然 學(xué) 號(hào)： 20110702211 專 業(yè)： 車輛工程 類 別： （ 學(xué)術(shù)） 上課時(shí)間： 考 生 成 績(jī)： 閱卷評(píng)語(yǔ)： 閱卷教師 (簽名重慶大學(xué)研究生院制一：試敘述齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機(jī)理及齒輪故障診斷的方法。 答：假設(shè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)副主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為n 1，齒數(shù)為z 1，從動(dòng)輪相應(yīng)為n 2，z 2。 產(chǎn)生機(jī)理：(1 載荷交變：齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中，每個(gè)齒輪周期的進(jìn)入和退出嚙合，對(duì)直齒圓柱齒輪來(lái)說(shuō)，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(duì)齒副承擔(dān)，而在雙齒嚙合區(qū)，載荷由兩對(duì)

2、齒副承擔(dān)。很顯然，在單雙齒嚙合區(qū)的交變位置，每對(duì)齒輪副所承擔(dān)的載荷將發(fā)生突變，從而激發(fā)齒輪振動(dòng)。(2 輪齒的剛度變化：傳動(dòng)過(guò)程中，每個(gè)輪齒的嚙合點(diǎn)均從齒根向齒頂或從齒頂向齒根逐漸移動(dòng)，由于嚙合點(diǎn)沿齒高方向不段變化，各嚙合點(diǎn)處齒輪副的嚙合剛度也隨之變化，從而使齒輪產(chǎn)生振動(dòng)。(3 由于齒輪的受載變形，其基節(jié)變化，在齒輪進(jìn)入嚙合合退出嚙合時(shí)，將產(chǎn)生嚙入沖擊和嚙出沖擊。(4 在齒輪副嚙合時(shí)，當(dāng)嚙合點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)重合時(shí)，齒輪間是純滾動(dòng)，而在兩邊是滑動(dòng)，且摩擦力的方向相反，每嚙合一次力的方向變化一個(gè)周期，產(chǎn)生振動(dòng)。這種振動(dòng)是以每齒嚙合為基本頻率進(jìn)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(shí)候都會(huì)產(chǎn)生一些振動(dòng)，因此對(duì)齒輪故障的診斷方法主要是基于對(duì)齒輪的振動(dòng)情況進(jìn)行分析，得出齒輪是否存在故障的結(jié)論。(1 齒輪的振動(dòng)特征：在齒輪運(yùn)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(huì)產(chǎn)生振動(dòng)上的異常。經(jīng)實(shí)踐證明, 振動(dòng)分析在齒輪故障檢測(cè)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(dāng)齒輪處于正?；虍惓?060態(tài)時(shí), 嚙合頻率的振動(dòng)部分及其倍頻總是存在的, 但這兩種狀態(tài)下的振動(dòng)水平是有差異的。如果僅

4、僅依靠對(duì)齒輪振動(dòng)信號(hào)的嚙合頻率和它的倍頻成分的差異來(lái)判別齒輪的故障是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的, 因?yàn)楣收蠈?duì)振動(dòng)信號(hào)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(xì)化譜分析法：細(xì)化譜分析法是通過(guò)采用頻率細(xì)化技術(shù)來(lái)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(kuò)展”法。在齒輪故障信號(hào)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(guān)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(diǎn)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(lái)研究各頻率成分的能量在頻域上的分布。頻譜圖縱坐標(biāo)的刻度也有兩種表示方法:一種是線性坐標(biāo)，另一種是對(duì)數(shù)坐標(biāo)。線性坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是直觀，缺點(diǎn)是不能同時(shí)顯示數(shù)值相差很大的成分；而對(duì)數(shù)坐標(biāo)恰恰相反，可以同時(shí)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(guān)系的。幅值譜的縱坐標(biāo)為線性坐標(biāo)，功率譜的縱坐標(biāo)一般為對(duì)數(shù)坐標(biāo)

6、。對(duì)數(shù)坐標(biāo)以分貝dB表示，其定義為A d =20lg(A /A r 式中，A d 基準(zhǔn)幅值，常取A d =1V。(3 齒輪傳動(dòng)故障的診斷方法：（1） 基于小波分析的齒輪傳動(dòng)故障診斷方法。齒輪箱故障診斷的四個(gè)步驟依次為信號(hào)檢測(cè)、特征提取(信號(hào)處理 、狀態(tài)識(shí)別和診斷決策。目前最常用的齒輪故障診斷方法有時(shí)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(shí)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(shí)域-頻域局部分析方法, 它在一定程度上彌補(bǔ)了傅立葉變換和STFT 變換的不足, 可對(duì)指定的頻帶和時(shí)段內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。這樣我們就可以實(shí)時(shí)采集示功圖并對(duì)它進(jìn)行分析, 這就是小波分

7、析具有的特殊優(yōu)點(diǎn),這對(duì)診斷齒輪箱的故障提供了便利。（2） 基于相關(guān)分析與小波變換齒輪傳動(dòng)故障診斷的方法。相關(guān)函數(shù)具有降噪特性, 同時(shí)它還不改變信號(hào)的調(diào)制特性。信T x (tx(t+dt ，號(hào)x (t 的自相關(guān)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(jī)噪聲信號(hào)的自相關(guān)函Rx(=Kb數(shù)Rx ( 可表示為：sin(2B 。式中:K為系數(shù);B 2B 為信號(hào)頻帶寬度。當(dāng)滯后量增大到一定程度時(shí), Rx (0, 即表示當(dāng)時(shí)間滯后很大時(shí), 隨機(jī)噪聲的自相關(guān)函數(shù)將衰減掉。設(shè)調(diào)幅信號(hào)為：X （t ）=Aejxt e jwt ，從而Rx(t=A2e jxt e j

8、wt ?？梢?jiàn), 調(diào)幅信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)仍為調(diào)幅信號(hào), 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(guān), 自相關(guān)函數(shù)保留了有關(guān)齒輪故障的特征信息, 因而在齒輪故障的診斷中得到了應(yīng)用。（3） 基于小波包和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的齒輪傳動(dòng)故障診斷方法。小波包分解是一種有效的對(duì)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)特征進(jìn)行提取的方法, 它能很好地提取振動(dòng)信號(hào)在各個(gè)頻帶上的特征信息, 而信號(hào)在各頻帶上的特征向量也能很好地表征齒輪的運(yùn)行狀態(tài)。在故障識(shí)別中應(yīng)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 通過(guò)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)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(shí)別問(wèn)題。所以可以說(shuō)小波包分解與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的齒輪箱齒輪故障識(shí)別方法

9、是可靠的, 可以準(zhǔn)確識(shí)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(luò)齒輪傳動(dòng)故障診斷方法。小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是小波理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論相結(jié)合的產(chǎn)物。該網(wǎng)絡(luò)既具有非線性映射能力、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力和學(xué)習(xí)能力, 又具有小波變換的多尺度時(shí)頻分析手段和良好的逼近特性。二：敘述滾動(dòng)軸承的特征頻率推導(dǎo)計(jì)算過(guò)程。為分析滾動(dòng)軸承各部運(yùn)動(dòng)參數(shù)，需要先做如下假設(shè)：(1 滾道與滾動(dòng)體之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。(2 承受徑向、軸向載荷時(shí)各部分無(wú)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(dòng)軸承工作時(shí)各點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)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(gè)滾動(dòng)體在外軌道上的通過(guò)頻率即保持架相對(duì)外圈的旋轉(zhuǎn)頻率為：1d f oc =f o f c =f o f i (1cos 單個(gè)滾動(dòng)體在內(nèi)軌道上的通過(guò)頻率即保持架相對(duì)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(biāo)系來(lái)看，滾動(dòng)體與內(nèi)圈作無(wú)滑動(dòng)滾動(dòng)，它的旋轉(zhuǎn)頻率之比與2r 成反比。由此可得滾動(dòng)體相對(duì)于保持架的旋轉(zhuǎn)頻率（滾動(dòng)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(dòng)軸承的實(shí)際工作情況，定義滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為f r =f i f o一般情況下，滾動(dòng)軸承外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，即f o =0，f r =f i 。 同時(shí)考慮滾動(dòng)軸承有Z 個(gè)滾動(dòng)體，則滾動(dòng)軸

12、承的特征頻率：滾動(dòng)體在外圈上的通過(guò)頻率Z f oc 為：Z ×f oc 1d =×Z ×(1cos ×f r 滾動(dòng)體在內(nèi)圈上的通過(guò)頻率Z f ic 為：Z ×f ic =1d ×Z ×(1+cos ×f r滾動(dòng)體在保持架上的通過(guò)頻率fbc 為： fbc = 1 D d × × fr 1 ( cos 2 2 d D 三： 針對(duì)某個(gè)機(jī)組對(duì)象建立其狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)， 描述測(cè)點(diǎn)分 布、硬件結(jié)構(gòu)組成及各部分功能。 煤氣鼓風(fēng)機(jī)組在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)： 煤氣鼓風(fēng)機(jī)是對(duì)初冷后的焦?fàn)t煤氣進(jìn)行增壓， 經(jīng)凈化

13、系統(tǒng)凈化后輸送到煤氣 儲(chǔ)存罐， 供用戶使用。 機(jī)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(duì)中、 推力軸承損壞、 油膜渦動(dòng)、 動(dòng)靜件摩擦、 聯(lián)接松動(dòng)等。 當(dāng)有故障報(bào)警后， 不及時(shí)診斷故障種類、原因、部位和嚴(yán)重程度，將嚴(yán)重影響煤氣鼓風(fēng)機(jī)組運(yùn)行的 經(jīng)濟(jì)性和安全性， 嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。因此要為這套機(jī)組安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診 斷系統(tǒng)，并要求其具有如下的功能： 1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組振動(dòng)大小，與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，判別機(jī)組狀態(tài)，進(jìn)行聲光報(bào)警。 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組的轉(zhuǎn)速。實(shí)時(shí)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析及顯示。 2） 具有實(shí)時(shí)智能診斷功能， 可進(jìn)行多種信號(hào)算法分析， 自動(dòng)提取信號(hào)征兆， 并根據(jù)故障的條件推理出供參考的故

14、障結(jié)論。對(duì)故障類型及嚴(yán)重程度進(jìn)行判別。 同時(shí)故障診斷專家系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)功能。 3）采集的數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息主要是 供人工狀態(tài)分析，事故原因分析等。 4）對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行離線精密分析。 1、煤氣鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置 煤氣鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置如圖 4 所示。 圖 4 中 RPM 為轉(zhuǎn)速傳感器，檢測(cè)煤氣鼓風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，便于控制煤氣鼓風(fēng) 9 機(jī)轉(zhuǎn)速。 S15 為推力軸承軸向位移傳感器， 檢測(cè)煤氣鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向竄動(dòng)信號(hào)。 S16 為推力軸承軸向位移傳感器，檢測(cè)電機(jī)軸向竄動(dòng)信號(hào)。S11S14 為安裝在 煤氣鼓風(fēng)機(jī)軸承座上直接測(cè)量煤氣鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)信號(hào)， S1S10 為安裝在軸

15、 承座上的速度傳感器， 對(duì)檢測(cè)的速度信號(hào)進(jìn)行積分變換， 可轉(zhuǎn)換為振動(dòng)位移信號(hào)。 其中：S1S10 振動(dòng)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(cè)點(diǎn)布置簡(jiǎn)圖 2、系統(tǒng)硬件選型 整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行建立在系統(tǒng)硬件的正確連接和正常工作的基礎(chǔ)上。 本系統(tǒng)的 硬件包括信號(hào)采集子系統(tǒng)、 計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)及輔助部件等部分。信號(hào)采集子系統(tǒng)的 硬件主要包括電渦流振動(dòng)位移傳感器及前置器、速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)采集卡、交換機(jī)、各類型電纜等。 1）傳感器 傳感器是將測(cè)試中的振動(dòng)、溫度、壓力、噪聲等具有不同物理特性的信號(hào)轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)的儀器。其輸出的電信號(hào)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(luò)數(shù)據(jù)采集卡 本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡，它集信號(hào)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范 TCP/IP 協(xié)議，采集卡還使 用了自動(dòng)通道掃描技術(shù)和 FIFO 緩沖存儲(chǔ)器， 因而具有自動(dòng)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、連續(xù)快速采集存盤(pán)等高級(jí)數(shù)采 功能。由于采用的以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集成為可能，通過(guò)網(wǎng)線可實(shí)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(wù)器和交換機(jī)等。 3、系統(tǒng)的功能模塊組成 煤氣鼓風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智

17、能診斷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、 風(fēng)機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、 信號(hào)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(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能診斷系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集 狀態(tài)監(jiān)測(cè) 信號(hào)精度分析 故障診斷 系統(tǒng)管理 振 動(dòng) 監(jiān) 測(cè) 轉(zhuǎn) 速 監(jiān) 測(cè) 頻 譜 分 析 調(diào) 解 分 析 相 關(guān) 分 析 網(wǎng) 絡(luò) 學(xué) 習(xí) 故 障 智 能 診 斷 用 戶 管 理 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 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(fēng)機(jī)各路監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集是由計(jì)算機(jī)控 制完成的。 主要包括傳感器、 信號(hào)調(diào)理、 A/D 轉(zhuǎn)換三部分。 傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、 濾波等調(diào)理后， 變成標(biāo)

18、準(zhǔn)的模擬電壓信號(hào)或模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)可以轉(zhuǎn)換為 電壓信號(hào)。 標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)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(jì)算機(jī)控 制下對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果和測(cè)量信號(hào)成線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單標(biāo) 定后即可進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。 2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊 該模塊包括風(fēng)機(jī)運(yùn)行總貌圖畫(huà)面顯示、測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形顯示、測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)頻 譜顯示、測(cè)點(diǎn)歷史趨勢(shì)顯示、測(cè)點(diǎn)棒圖顯示、機(jī)組轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、軸心軌跡顯示、風(fēng) 機(jī)各種故障可能性大小顯示以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行報(bào)警等子功能。 它實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和超限報(bào)警， 其功能實(shí)現(xiàn)形式主要可以分為模擬數(shù)字表監(jiān)測(cè)和圖形監(jiān)測(cè)， 模擬數(shù)字表監(jiān)測(cè)根據(jù)所取得的數(shù)據(jù)(如振動(dòng)值的大小等進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字顯示， 非常 直觀而人性化地提醒監(jiān)測(cè)人員風(fēng)機(jī)出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象。 圖形監(jiān)測(cè)則主要用于對(duì)快變 信號(hào)(如振動(dòng)和位移信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)波形顯示，根據(jù)這些監(jiān)測(cè)圖，用戶可直接了解 風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。 3）信號(hào)精密分析模塊 該模塊為用戶提供風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析功能，包括振動(dòng)信號(hào)時(shí)域特性、頻域特 性分析。應(yīng)用該模塊提供的各種分析方法，用戶可以準(zhǔn)確、快速地獲取風(fēng)機(jī)的振 動(dòng)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(hào)分析和處理方法，具體 包括時(shí)