设备状态监测与故障诊断(重庆大学研究生课程报告)原创

研究生课程考核试卷科目：设备状态监测与故障诊断教师：谢志江陈平姓名：梁健斌学号：20120702045t专业：机械设计及理论类别：学术型上课时间：2013年5月至2013年6月考生成绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师(签名)重庆大学研究生院制重庆大学研究生《设备状态监测与故障诊断》课程考核要求注：1、本试卷格式用于考核方式为“提交报告”、“课程论文”、“考查”等各类别研究生课程的考核。2、要有明确的课程考核要求：如课程论文（报告）题目（范围）、篇幅（字数）、必须的参考资料、提交时间等。并提前将课程考核试卷发给学生。3、提交课程论文撰写格式参考《重庆大学博士、硕士学位论文撰写格式标准》。《设备状态监测与故障诊断》报告《设备状态监测与故障诊断》考试题目..............................................2一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法...................31.1齿轮啮合频率产生的机理........................................................31.2齿轮故障诊断方法....................................................................8二、滚动轴承故障的特征频率推导计算............................................18三、煤气鼓风机在线监测与故障诊断系统.........................................203.1概述..........................................................................................203.2鼓风机组成及参数...................................................................203.3煤气鼓风机系统的测点布置..................................................213.4系统硬件构成图及其硬件要求...............................................222《设备状态监测与故障诊断》考试题目一、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：汽轮机状态在线监测与故障诊断系统）（如：齿轮箱状态在线监测与故障诊断系统）（如：煤气鼓风机/旋转机械在线监测与故障诊断系统）齿轮啮合频率产生机理3一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法1.1齿轮啮合频率产生的机理对于直齿圆柱齿轮，在齿轮啮合过程中，由于单、双齿啮合区的交替变换、轮齿啮合刚度的周期性变化、以及啮入啮出冲击，即使齿轮系统制造得绝对准确，也会产生振动，这种振动是以每齿啮合为基本频率进行的，该频率称为啮合频率，其计算公式如下：11226060mznznf式中，1z、2z——主、从动齿轮的齿数；1n、2n——主、从动齿轮的转速，r/min。对于斜齿圆柱齿轮，产生啮合振动的原因与直齿圆柱齿轮基本相同，但由于同时啮合的齿数较多，传动较平稳，所产生的啮合振动的幅值相对较低。齿轮啮合频率产生的原因主要有啮合刚度的变化、啮合冲击、节线冲击。如右图所示，若以一对齿轮作为研究对象，忽略齿面上摩擦力的影响，则其振动方程为12()()()()rMXCXKtXKtEKtEt式中X——沿作用线上齿轮的相对位移C——齿轮啮合阻尼()Kt——齿轮啮合刚度rM——齿轮副等效质量1E——齿轮受载后的平均静弹性变形2()Et——齿轮的误差和异常造成的两个齿轮间的相对误差激励源由两部分组成：1()KtE称为常规啮合激励，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()()KtEt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”。A.啮合处的刚度变化频率等于啮合频率啮合刚度是指啮合齿副在其啮合点处抵抗挠曲变形和接触变形的能力。在齿轮传动过程中，每个轮齿周期地进入和退出啮合。对于直齿圆柱齿轮，其啮合区齿轮啮合频率产生机理4分为单齿啮合和双齿啮合区，在单齿啮合区内，全部载荷由一对齿副承担；当一旦进入双齿啮合区，则载荷分别由两队齿副按其啮合刚度的大小分别承担。很显然，在单、双齿啮合区的交变位置，每对齿副所承受的载荷将发生突变，这将激发齿轮的振动；同时，在传动过程中，每个轮齿的啮合点均从齿根向齿顶（主动齿轮）或从齿顶向齿根（从动齿轮）逐渐移动，由于啮合点沿齿高方向不断变化，各啮合点处齿副的啮合刚度也随之改变，相当于变刚度弹簧。由振动方程的数学模型更容易看出，齿轮啮合刚度()Kt的变化可由两点来说明：一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一轮齿的刚度发生了变化；二是随参加啮合的齿数在变化。每当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，直齿圆柱齿轮的啮合刚度变化曲线如图1(a)所示，可见直齿圆柱齿轮啮合刚度变化较为陡峭，其变化近似一矩形波；此外如图1(b)所示，斜齿轮或人字齿轮刚度变化较为平缓，近似一正弦波。（a）（b）图1具体分析如图2，以渐开线圆柱直齿齿轮为例。位于下方的齿轮是主动轮1O，齿数为1z，角速度为1；上方的齿轮是从动轮2O，齿数为2z，角速度为2。假设齿轮的重合度ε=1～2，传递的转矩不变。由于齿轮的重合度不为整数的原因，则在齿轮的啮合过程中，有时候一对齿啮合，有时两对齿啮合，在单齿啮合区B-C中齿轮的啮合综合刚度较小，齿轮弹性变形较大；在双齿啮合区A-B和C-D中，由两对齿承受载荷，齿轮啮合综合刚度较大，齿轮弹性变形较小。此外，在啮合开始时的A点主动齿轮在齿根处啮合，弹性变形较小，从动齿轮在齿顶处啮合，弹性变形较大。在啮合结束点D点，情况刚好相反。这样在每啮合一次齿轮啮合处的刚度变化一次。齿轮啮合处的刚度变化如图3所示。其中（d）为齿轮啮合处的刚度变化图。齿轮啮合频率产生机理5图2图3B.啮合时在节线附近摩擦力的运动方向发生变化当主动轮齿旋转时，轮齿的表面既有滚动，又有相对滑动。如图4所示，主动轮带动从动轮旋转时，主动轮上的啮合点由齿根移向齿顶，啮合半径逐渐增大，速度渐次增高；而从动轮上的啮合点是由齿顶移向齿根，啮合半径逐渐减小，速度渐次降低。两轮齿齿面在啮合点的速度差异就形成了主动轮和从动轮的相对滑动。在主动轮上，齿根和节点之间的啮合点速度低于从动轮上的啮合点速度，因此滑动方向向下；而在节点处，因为两轮上的啮合点速度相等，相对滑动速度0。因此，摩擦力在节点处改变了方向，形成了节线冲击。图4具体运动分析如下：如图5，设主动轮与从动轮在啮合线B2P区域任意点S点啮合时它们在S点的绝对速度分别是Vs1和Vs2。由齿轮啮合原理可知，Vs1和Vs2沿N1N2方向的齿轮啮合频率产生机理6速度分量应相等，根据图4有：1122coscosKKKKVaVa（1）以α'表示齿轮机构的啮合角，当S尚未到达P点时，有αS1α'αS290°，则Vs1和Vs2沿S点齿廓的切线方向的速度分量有：1122coscosKKKKVaVa（2）图5齿轮在B2P啮合示意图图图6齿轮在B1P处啮合示意图在啮合线B1P段上任意点K啮合时，主动轮和从动轮的在啮合点K处的绝对速度VK1和VK2沿N1N2方向的速度分量应相等，根据图6，有：1122coscosKKKKVaVa（3）以α'表示齿轮机构的啮合角，当K不在P点时，有αK2α'αK190°，则VK1和VK2沿K点齿廓的切线方向的速度分量有如下关系：1122coscosKKKKVaVa（4）对照公式(1)和公式(3)可知，在P点，有αS1=αS2=αK1=αK2=α'，则，在P点处，Vs1=Vs2=VK1=VK2，即在P点处主动轮和从动轮之间没有相对滑动。由公式(2)可知，在啮合线B2P区域，主动轮和从动轮的相对运动是从动齿轮齿廓沿主动轮齿廓向主动轮的齿根处滑动，摩擦力方向与相对运动的方向相反，是指向齿根的齿廓切线方向；由公式(4)可知，在啮合线B1P区域主动轮和从动轮的相对运动齿轮啮合频率产生机理7方向是从动轮齿廓沿主动轮齿廓向主动轮的齿顶处滑动，摩擦力方向与相对运动的方向相反，是指向齿顶的齿廓切线方向。在啮合点P处主动轮和从动轮之间做纯滚动，没有相对滑动，在此处没有摩擦力。由此可以看出在一次啮合中，齿轮上的摩擦力方向以啮合点P为分界线发生一次变化，如图4所示。在单位时间内的变化次数及变化频率为角速度和齿轮齿数的乘积。C.啮合的齿上所承受的载荷的变化频率等于啮合频率如图7所示，齿轮在啮合过程中，由于轮齿误差和承载产生弹性变形的影响，使得轮齿进入啮合点和退出啮合点与理论值发生偏差，当每对齿轮在进入啮合或脱离啮合时，轮齿上的载荷和变形突然增大或减小，在齿轮啮合的振动方程中2()Et正是反应了这种不可忽视的啮合冲击。啮合冲击是一种周期性的冲击力。以图7中的渐开线圆柱直齿齿轮为例，位于下方的齿轮是主动轮O1，齿数为z1，角速度为ω1；上方的齿轮是从动轮O2，齿数为z2，角速度为ω2。假设齿轮的重合度ε=1～2，传递的转矩不变。则在齿轮的啮合过程中，有时候一对齿啮合，有时两对齿啮合。在单齿啮合时齿轮传递的载荷T由一对齿轮承担，此时啮合的一对齿所承担的载荷即为齿轮传递的载荷T；在双齿啮合时，齿轮传递的载荷由两队相互啮合的齿来承担，较之单啮合区每个齿上所承受的载荷，双齿啮合中每个齿所承担的载荷是单啮合的一半。在啮合过程中的单双齿交替会使齿上的载荷发生突变，变化如图8所示。在双齿啮合E-F，G-H段，载荷较小，在单齿啮合段F-G，载荷较大。齿上的载荷每啮合一次就发生一次变化，其变化频率为：主动轮上：z1ω1，从动轮上：z2ω2，且z1ω1=z2ω2。图7图8啮合时齿轮载荷分布图齿轮故障诊断方法81.2齿轮故障诊断方法1.2.1概述齿轮传动在机械设备中应用很广，齿轮损伤是导致设备故障的重要原因，据统计在齿轮箱中齿轮损坏的百分比最大，约占60%。并且齿轮损伤造成的后果也十分严重，所以开展齿轮状态监测与故障诊断具有重大的实际意义。1）齿轮常见故障传动齿轮常见的故障按产生的原因划分为以下几种。（1）齿面磨料磨损。润滑油不清洁、磨损产物以及外部的硬颗粒侵入接触齿面都会在齿面滑动方向产生彼此独立的划痕，使齿廓改变，侧隙增大，甚至使齿厚过度减薄，导致断齿。（2）齿面黏着磨损。重载、高速传动齿轮的齿面工作区温度很高，如润滑不好，齿面间油膜破坏，一个齿面上的金属会熔焊在另一个齿面上，在齿面滑动方向可看到高低不平的沟槽，使齿轮不能正常工作。（3）齿面疲劳磨损。疲劳磨损是由于材料疲劳引起，当齿面的接触应力超过材料允许的疲劳极限时，在表面层将产生疲劳裂纹，裂纹逐渐扩展，就要使齿面金属小块断裂脱落，形成点蚀。严重时点蚀扩大连成一片，形成整块金属剥落，使齿轮不能正常工作，甚至使轮齿折断。（4）轮齿断裂。轮齿如同悬臂梁，根部应力最大，且有应力集中，在变载荷作用下应力值超过疲劳极限时，根部要产生疲劳裂纹，裂纹逐渐扩大就要产生疲劳断裂。轮齿工作时由于严重过载或速度急剧变化受到冲击载荷作用，齿根危险截面的应力值超过极限就要产生过载断裂。传动齿轮的常见故障按分布特征划分为以下两种。一种是分布故障，齿轮损伤分布在所有轮齿的齿面上，如磨料磨损等；另一种是局部故障，齿轮损伤只在一个或几个轮齿上，如剥落、断齿等。2）齿轮监测诊断方法监测诊断齿轮工作状态的方法大体分两大类：一类是采集运行中的动态信息（一般是振动或噪声），根据它们的变化进行诊断；另一类是对润滑油进行分析，根据油中磨损产物的状况进行诊断。在这里只介绍根据振动信号监测诊断齿轮状态的方法。齿轮故