设备状态监测与故障诊断

研究生课程作业科目：教师：姓名：学号：专业：类别：上课时间：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.........11.1齿轮频率及啮合振动的机理....................................11.1.1齿轮啮合频率..........................................11.1.2齿轮振动的机理........................错误!未定义书签。1.2齿轮故障诊断方法............................................51.2.1齿轮的故障类型........................................51.2.2齿轮故障信号的频域特征................................71.2.3齿轮故障诊断的常用方法................................8二、滚动轴承故障的特征频率推导计算........................132.1滚动轴承故障的特征频率推导计算..............错误!未定义书签。2.1.1不受轴向力时滚动轴承故障的特征频率...................132.1.2受轴向力时滚动轴承故障的特征频率.....................15三、注水泵机组状态在线状态监测与故障诊断系统.............163.1概述.......................................................163.2系统的监测参数及测点布置...................................163.2.1测点的选择和布置.....................................163.3系统硬件结构组成及各部分功能...............................173.3.1系统硬件组成.........................................173.3.2系统总体结构及各部分功能.............................173.4总结.......................................................211一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法1.1齿轮频率及啮合振动的机理1.1.1齿轮啮合频率在齿轮传动系统中由齿轮传动理论可知，渐开线齿廓齿轮在节点附近为单齿啮合，而在节线的两边为双齿啮合，啮合区的大小则由重叠系数ε决定。因此，每对轮齿在啮合过程中承受的载荷是变化的，从而引起齿轮的振动，另外，一对轮齿在啮合过程中两齿面的相对滑动速度和摩擦力均在节点处改变方向，也引起齿轮的振动。图1.1是齿轮副的运动学分析示意图，其中1O是主动轮的轴心，2O是从动轮的轴心。设主动轮以1w作匀角速度运动，A、B分别为两个啮合点，则有1OA1OB，即A点的线速度AV大于B点的线速度BV，又因为2OA2OB，则从理论上有、，所以23ww。又因A、B又是从动轮的啮合点，当齿轮副啮合传动时，随着啮合点沿啮合线移动，从动轮的角速度存在波动。当有两对齿啮合传动时，因为从动轮只能有一个角速度，所以在啮合的轮齿将会上产生弹性变形，这个弹性变形力将随啮合点的位置、轮齿的刚度以及啮合轮齿数的变化而变化，所以它是一个随时间变化的力F(t)c。图1.1齿轮副的运动学分析22BVOB32AVOA2同理，即使主动轮1O传递的是一个恒转矩，在从动轮上仍然产生随时间变化的啮合力和转矩。而且单个的轮齿可以看成变截面悬臂梁，啮合齿对的综合刚度也随啮合点的变化而变化，这就造成轮齿振动的动力学分析更加复杂，但轮齿的振动确由以上原因引起。因此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：060CNfZ啮合频率的高次谐波：0CiCfif，234ni、、其中：N—齿轮轴的转速（r/min）Z—齿轮的齿数1.1.2齿轮振动的机理齿轮传动系统是一个弹性的机械系统，所以若以一对齿轮作为研究对象，如图1.2，则齿轮传动的动态激励方程如下：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，1212mmMmmC—齿轮啮合阻尼()Kt—齿轮啮合刚度，随时间t变化1—齿轮受载后的平均弹性变形2—齿轮传动误差和故障激励所引起两齿轮间的相对位移图1.2一对齿轮的力学模型))(()(21tKxtKxCxM3激励源由两部分组成：1()Kt,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()Kt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”。其中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。而外部激励则与齿轮本身问题无关，是外界对齿轮输入的激励，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。所以由齿轮传动系统模型知道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。1）啮合刚度的变化啮合刚度的变化原因有：①随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一齿轮的刚度发生了变化，②因为重叠系数ε不为整数，所以啮合传动时参加啮合的齿数在变化。因而，在双齿啮合时，整个齿轮的载荷由两个齿分担，故此时齿轮的啮合刚度就较大；同理单齿啮合时，载荷由一个齿承担，此时齿轮的啮合刚度较小。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，齿轮在进入啮合和退出啮合时，产生齿入冲击和齿出冲击，因而产生沿啮合线方向作用的脉动，这样必将激发齿轮的振动，所以齿轮的啮合刚度周期性变化的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。以图1.3直齿轮啮合传动为例可得图1.4所示直齿轮的啮合刚度变化曲线：图1.3直齿啮合传动示意图图1.4直齿啮合时的力和刚度变化4其中图1.4中a曲线代表啮合齿上的作用力的变化；b曲线代表啮合齿的刚度的变化；c曲线代表齿轮发生的的变化。2）啮合冲击齿轮在啮合过程中，由于轮齿误差和受载弹性变形的影响，轮齿进入啮合点和退出啮合点与理论值发生偏差，因而在进入啮合和退出啮合时均轮齿上的载荷和变形突然增大或减小引发生冲击，这种冲击称为“啮合冲击”。啮合冲击是一种周期性的冲击力。以图1.3中的渐开线圆柱直齿齿轮为例，位于上方的齿轮是主动轮1O，齿数为1Z，角速度为1w；上方的齿轮是从动轮2O，齿数为2Z，角速度为2w。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，将单双齿交替啮合传动。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1.5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：11Z，从动轮上：22Z，且11Z=22Z。图1.5直齿啮合时齿轮载荷分布图3）节线冲击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5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，相对滑动速度为0。因此，摩擦力在节点处改变了方向，形成了节线冲击。图1.6直齿啮合时节线冲击1.2齿轮故障诊断方法1.2.1齿轮的故障类型齿轮由于某种原因不能正常工作的现象，或者说齿轮在其使用过程中，由于某些原因而丧失工作能力或功能参数漂移到界限值以外的现象，被称为齿轮故障。齿轮的失效主要发生在轮齿部分，其常见失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和齿面塑性变形五种。1）轮齿折断轮齿折断有多种形式，在正常情况下，有以下两种：①过载折断。因短时过载或冲击载荷而产生的折断。过载折断的断口一般都在齿根部位。断口比较平直，并且具有很粗糙的特征。②疲劳折断。齿轮在工作过程中，齿根处产生的弯曲应力最大，再加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用，当轮齿重复受载后，齿根处就会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，致使轮齿疲劳折断轮齿。齿面较小的直齿轮常发生全齿折断，齿面较大的直齿轮，因制造装配误差易产生载荷偏置一端，导致局部折断；斜齿轮和人字齿齿轮，由于接触线倾斜，一般是局部齿折断。6图1.7轮齿折断故障2）轮齿磨损齿面磨损有磨粒磨损和磨合磨损两种。滚动轴承及齿轮故障诊断在齿轮传动中，随着工作环境的不同，齿面间存在多种形式的磨损情况。当齿面间落入铁屑、砂粒、非金属物等磨粒性物质或粗糙齿面的摩擦时，都会发生磨粒磨损。齿面磨损后，引起齿廓变形，产生振动、冲击和噪声，磨损严重时，由于齿厚过薄而可能发生轮齿折断。磨粒磨损是开式齿轮传动的主要失效形式。新的齿轮副，由于加工后表面具有一定的粗糙度，受载时实际上只有部分峰顶接触。接触处压强很高，因而在开始运转期间，磨损速度和磨损量都较大，磨损到一定程度后，摩擦面渐渐光洁，压强减小、磨损速度缓和，这种磨损称为磨合。3）齿面点蚀齿面点蚀是由于齿面接触应力是按脉动循环变化的，应力经多次反复后，轮齿表层下一定深度产生裂纹，裂纹逐渐发展扩大导致轮齿表面出现疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展的结果是使齿面金属脱落而形成麻点状凹坑，这种现象就称为齿面疲劳点蚀。发生点蚀后，齿廓形状遭破坏，传动的平稳性受影响并产生振动与噪声，以至于齿轮不能正常工作而使传动失效。实践表明，疲劳点蚀首先出现在齿面节线附近的齿根部分，这是因为节线附近齿面相对滑动速度小，油膜不宜形成，摩擦力较大，且节线处同时参与啮合的轮齿对数少，接触应力大。点蚀是润滑良好的闭式齿轮传动的主要失效形式，在开式传动中，由于磨粒磨损比点蚀发展得快，因此不会出现点蚀。图1.8齿面点蚀74）齿面胶合胶合是比较严重的黏着磨损，一般发生在齿面相对滑动速度大的齿顶或齿根部位。互相啮合的轮齿齿面，在一定的温度或压力作用下，发生粘着，随着齿面的相对运动，粘焊金属被撕脱后，齿面上沿滑动方向形成沟痕，这种现象称为胶合。胶合发生在高速重载齿轮传动中，使啮合点处瞬时温度过高，润滑失效，致使相啮合两齿面金属尖峰直接接触并相互粘连在一起，造成热胶合；发生在重载低速齿轮传动中，不易形成油膜，或由于局部偏载使油膜破坏，会造成冷胶合。齿面一旦出现胶合，不但齿面温度升高，而且齿轮的振动和噪声也增大，导致失效。5）齿面塑性变形齿面塑性变形属于轮齿永久变形，是由于在过大的应力作用下，轮齿材料处于屈服状态而产生的齿面或齿体塑性流动所形成的。当轮齿材料较软，载荷很大时，轮齿在啮合过程中，齿面油膜被破坏，摩擦力增大，而塑性流动方向和齿面所受摩擦力的方向一致，齿面表层的材料就会沿着摩擦力的方向产生塑性变形。齿面塑性变形常发生在齿面材料较软、低速重载的传动中。常出现在低速重载、频繁启动和过载传动中。主动轮齿上所受摩擦力是背离节线分别朝向齿顶及齿根作用的，故产生塑性变形后，齿面沿节线处变成凹槽。从动轮齿上所受的摩擦力方向则相反，塑性变形后，齿面沿节线处形成凸脊。图1.9齿面塑形变形1.2.2齿轮故障信号的频域特征齿轮故障时一些宽频信号，其频率成分是十分复杂的