[机械仪表]基于振动信号分析的提升机齿轮箱故障诊断研究

1、#大学工程硕士学位论文 论文编号：论文编号： 论文题目：论文题目：基于振动信号分析的提升机齿轮基于振动信号分析的提升机齿轮 箱故障诊断研究箱故障诊断研究 #大学工程硕士学位论文 摘摘 要要 本论文介绍了矿井提升机及其齿轮箱的结构原理，指出了确保齿轮箱可靠运 行是确保提升机安全运行和矿井安全生产的重中之重。针对以上问题，论文阐述 了矿井提升机齿轮箱的振动与故障机理，结合传统的时域振动分析法、频域 （fft）分析法、细化分析和齿轮箱边频带分析法等振动信号处理方法。同时， 论文以matlab7.0为软件平台，实现了利用同态解调原理对复杂的提升机齿轮箱 振动信号进行分析处理，并从中提取出了提升机齿轮箱

2、的故障特征信息；在此基 础上，论文利用了小波分析理论良好的时频分析能力，对提升机齿轮箱振动信号 进行分析处理，突出了齿轮箱故障特征的在时域和频域里的对应性，弥补了时域 分析、幅值谱分析和同态解调谱分析等分析方法的不足。最终，论文成功地对矿 井提升机齿轮箱进行了状态监测与故障诊断，并达到了快而准的工程应用效果, 为矿山企业对矿井提升机进行合理地维护和确保提升机安全运行提供了理论依据， 实现了理论成果应用于工程实际并转化为生产力的目的。 关键词：关键词：提升机；齿轮箱；故障诊断；振动信号分析 #大学工程硕士学位论文 abstract this paper,at first,has discusse

3、d structure principle of mine elevator and its gearcase,and has pointed out that to ensure reliable operation of gearcase is important to ensure safe operation of mine elevator and production safety of mine. for the above problem, this paper has reviewed vibration and fault mechanics of mine elevato

4、r gearcase. combined with traditional vibrational signal processing method in time and frequency domain which are time domain vibration analysis,fft, zooming analysis and and sideband analysis of gear case and soon on. at the same time, based on matlab70, homomorphic filtering are used in fault diag

5、nosis of elevator gearcase. faults of elevator gearcase are extracted. on this condition, the strong analysis function of wavelet in frequency-time is applied to analyse variation signal of gearcase.the fault characteristics of gearcase is show in between time domain and frequency domain at the same

6、 time, which their parallelism is emphasized. and the disadvantage of fft and homomorphic filtering fault diagnosis is made up. ultimately, this paper successfully has monitored the condition of mine elevator gearcase and diagnosed its fault, and achieved a fast and the prospective effect of the app

7、lication, which provides a theoretical basis that mining enterprises maintain mine elevator reasonably and ensure safe operation of mine elevator, and these theoretic achievements were applied to engineering practice,and translated into productivity. keywords: mine elevator; gearcase; fault diagnosi

8、s; vibrational vignal analysis 目录 i 目录目录 摘 要 .i abstract .iii 目录 .v 1 引 言.1 1.1 提升机故障诊断国内外研究的现状 .1 1.1.1 提升机故障诊断理论与诊断方法的研究.1 1.1.2 故障诊断技术在提升机上的应用.2 1.1.3 提升机故障诊断存在的问题.2 1.2 齿轮箱振动故障诊断的研究现状及发展趋势 .3 1.2.1 齿轮箱振动故障诊断的研究现状.3 1.2.2 齿轮箱振动故障诊断的发展趋势.4 1.3 本课题研究的目的和意义 .5 1.4 本课题的主要研究内容及创新点 .5 2 矿井提升机齿轮箱振动故障诊断研

9、究 .7 2.1 矿井提升机原理结构及减速机原理结构分析 .7 2.1.1 矿井提升机原理与结构分析 .7 2.1.2 矿井提升机齿轮箱结构分析 .10 2.2 矿井提升机齿轮箱振动故障机理分析 .11 2.2.1 矿井提升机齿轮箱振动信号的调制原理探讨.12 2.2.2 矿井提升机齿轮箱典型故障机理研究.14 2.3 矿井提升机齿轮箱典型故障的振动频率特性分析 .22 2.3.1 正常状态 .23 2.3.2 齿面磨损故障 .23 2.3.3 齿形误差故障 .24 2.3.4 断齿故障 .24 2.3.5 点蚀故障 .24 2.3.6 轴类故障 .24 2.3.7 箱体共振故障 .25 #大

10、学工程硕士学位论文 ii 2.4 本章小结 .25 3 齿轮箱振动信号分析方法研究 .27 3.1 时域分析方法的分析研究 .27 3.1.1 统计分析方法.27 3.1.2 时域波形分析法.30 3.2 频域分析法的分析研究 .31 3.2.1 频域分析（fft）法.31 3.2.2 倒频谱分析.35 3.2.3 细化分析法.36 3.2.4 齿轮箱的边频带分析法 .36 3.3 齿轮箱振动信号同态解调原理的探讨.37 3.3.1 齿轮箱调幅信号同态解调分析 .37 3.3.2 同态解调系统中数字滤波器分析.38 3.3.3 基于 matlab 平台的同态解调原理的实现.39 3.4 本章小

11、结 .41 4 基于小波理论的齿轮箱振动信号处理研究 .43 4.1 小波理论分析.43 4.1.1 连续小波变换 .43 4.1.2 离散小波变换 .44 4.1.3 小波级数 .44 4.2 小波包理论分析.45 4.2.1 小波包分解原理.45 4.2.2 离散小波包算法.46 4.3 基于 matlab 平台的小波理论分析的实现 .47 4.4 本章小结 .49 5 平煤五矿提升机齿轮箱振动故障诊断研究.51 5.1 提升机齿轮箱传动示意图及主要技术参数.51 5.1.1 提升机传动方式分析.51 5.1.2 提升机传动机构主要参数分析：.51 目录 iii 5.2 提升机齿轮箱振动测

12、试与诊断方案的制定 .53 5.2.1 正确选择测试方式和测定参数 .53 5.2.2 振动测试测点的合理布置.53 5.2.3 测试仪器的配置.54 5.2.4 齿轮箱诊断方案确定.55 5.3 提升机齿轮箱故障诊断与分析研究.55 5.3.1 齿轮箱简易诊断.55 5.3.2 齿轮箱精密诊断.56 5.4 矿井提升机齿轮箱精密诊断结果.71 5.5 本章小结.71 6 结论.73 6.1 论文完成的主要工作.73 6.2 论文的主要结论 .73 6.3 今后工作展望 .74 参考文献 .75 工程硕士学位论文 0 1 引 言 1.1 提升机故障诊断国内外研究的现状 随着工业的进步以及人类对

13、人身价值的重视，矿井主要设备的安全运行已经 成为考核煤矿企业落实煤矿安全规程的一项重要指标。我国对矿井主要设备的安 全问题极为重视， 煤矿安全规程和煤矿机电设备完好标准对其安全都作 了明确的规定。为了达到这些要求和确保设备的安全运行，国内外科技工作者进 行了大量的研究工作，其中工况监测、故障诊断是一个重要方面。工况监测和故 障诊断技术在企业的成功应用和因此而带来的巨大经济效益促使人们不断研究和 开发新的理论和技术，对煤矿的安全生产起到积极的作用1-3。 矿井提升机是井下采矿提升运输重要设备，是联系井下与地面的重要生产设 备，是煤矿生产的咽喉。在煤矿生产过程中，提升机运行状态及其监测水平如何 将

14、直接关系到矿工人身安全、原煤生产任务完成、煤矿生产效率和经济效益。对 此国内外部分高校和研究所开发了很多矿井提升机状态监测与故障诊断系统，减 少了重大事故发生的可能性。 1.1.1 提升机故障诊断理论与诊断方法的研究 在提升机故障诊断理论与诊断方法方面，国内外学者主要做了以下研究工作： 通过对提升机电控系统的速度环、电流环、励磁环中的给定环和反馈环中的电量 监测及曲线分析、液压系统的油压、电液比例阀的控制电流、储能器氮气压力参 数、主轴振动信号及电控系统的故障机理的分析，来判断提升机的工作状态，并 预测其历史变化趋势；对提升机盘式制动器故障机理进行了详细研究和受力分析， 提出了用状态参数诊断制

15、动器故障的方法；利用小波对模拟量进行去噪，并探讨 了小波对特征参数中制动正压力智能判别问题；利用小波包在矿井提升机主减速 箱故障诊断中提取微弱故障特征，并对产生振动故障的原因进行了频谱分析及动 态受力分析；通过对提升机减速箱噪声的测试与分析，得到减速箱正常情况下噪 声标准频图和齿轮出现磨损故障的特征，提出用噪声进行齿轮磨损等故障诊断的 判断标准；以振动强度和振动频谱分析为依据，对提升机减速箱多次损坏的原因 进行了分析诊断；在分析提升罐道典型故障的基础上，通过对振动信号采用频域 和小波的信号奇异性分析，建立了典型故障和信号特征的关系；提出了用加速度 第 1 章 引言 1 的速率变化作为判别罐笼是

16、否安全运行的基本标准；运用小波提取提升机钢丝绳 断丝故障特征信号，判断钢丝绳断丝的位置；利用模糊数学的原理和方法，对不 同的故障，提取相应的开关量、模拟量信号和脉冲量信号，采用不同的处理方法， 并开发了 tkd 矿井提升机故障诊断专家系统；对直流提升机的电控部分故障诊 断专家系统的知识表示及推理方法进行了研究4。 可见，人们对提升机故障特征参数的提取方法进行了大量的研究，取得了许 多成果，为进一步研究提升机的智能故障诊断系统奠定了基础。 1.1.2 故障诊断技术在提升机上的应用 旋转机械常见故障也不同程度地存在并引起其工作过程中振动。提升机属于 大型旋转机械，其工作状况从启动、加速、匀速、减速

17、到停车，各工作阶段的运 动速度变化，振动是非平稳信号，给故障诊断带来困难。为此，中国矿业大学提 出用小波分析方法提取微弱信息，分析非平稳信号，进行正交小波变换，将信号 分解到不同的频带内。从而实现信嗓分离，提取处于不同频带的设备特征信息， 为故障诊断提供依据。 矿井提升机制动系统运行状态的好坏关系提升机安全运行，为了确保制动系 统处于安全可靠运行状态，除了在设计计算时合理选择运行状态参数外，关键在 于对实际运行状态的动态监测。为此，辽宁工程技术大学提出矿井提升机智能监 测系统，太原理工大学提出提升机制动系统 lmp（load pressure monitor）故障 诊断方法，利用专用测力传感器

18、、油压传感器拾取弹簧力和油压力来进行在线监 199 与故障诊断。而对于提升机故障目前己经开发相应装置如中国矿业大学的 kj46 型矿井提升机状态监护系统、ascc 型全数字提升机控制系统等，可以对提 升机运行参数监侧和诊断，取得较好效果。对于矿井双筒提升机松绳现象，也有 相应装置如松绳监测装置及平煤集团公司和重庆大学共同研制的多绳提升钢丝张 力遥测装置5。 1.1.3 提升机故障诊断存在的问题 由上述分析可知，在提升机故障诊断方面，国内外学者针对电控、盘式制动 器、减速箱、钢丝绳等部件，利用振动法、噪声法等开展了一些有效的诊断找出 了故障原因。但目前国内外的研究都集中在大型旋转机械方面，而对提

19、升机这类 工程硕士学位论文 2 集机、电、液于一体的大型机械设备研究较少，现有的故障诊断系统也不够成熟。 其主要表现为6-9： （1）目前国内外对提升机的研究主要在集中工况监视上，功能较少，大部 分只限于 8 项后备保护对监测参数的数据处理比较粗糙，对设备运行工况和故障 诊断功能很弱，智能化程度较低。 （2）已开发的智能诊断专家系统只是基于知识的，知识表示单一，存在明 显的局限性，如：自适应能力差，学习能力差，实时性差，对推理结果有很大的 影响。 （3）对提升机故障机理、特征参数的提取缺乏系统性研究，不能有效地利 用专家的知识和经验，智能性差。对于矿井提升机故障预测和远程故障诊断研究 很少。

20、（4）提升机控制系统的设计是建立在各传感器与执行器正确的基础上，但 当传感器或执行器一旦出现故障，将会对提升系统的安全运行产生严重影响。 1.2 齿轮箱振动故障诊断的研究现状及发展趋势 1.2.1 齿轮箱振动故障诊断的研究现状 自上世纪六十年代中期以来，齿轮箱的振动和噪声问题已成为评价一个齿轮 装置好坏的重要因素，引起了世界范围内的广泛关注。英国学者h.optiz在1968 年就齿轮振动与噪声的机理，发表了一些著名的研究曲线，阐述了齿轮箱的振动 和噪声是传动功率和齿轮传动误差及齿轮精度的函数。美国的buckingham和德国 的niemann也对齿轮箱的振动和噪声提出了自己的见解和看法。从上世

21、纪70年代 初开始，出现了只用齿轮箱的一些简单振动参数对其进行故障诊断的“简易故障 诊断”，但对齿轮箱故障的灵敏度反应不高，故障准确率很低。接着又出现了齿 轮箱故障诊断振动信号的频域分析法，其中b.randall和james i.taylor等人做 了很多有益的研究，积累了一些故障诊断成功的实例，对齿轮磨损和齿断裂等故 障诊断较为成功。 目前的齿轮箱故障诊断研究主要集中在齿轮箱状态监测仪器和分析系统的开 发、信号处理和分析、故障机理研究和典型故障特征的提取、诊断方法研究和人 工智能的应用等几个方面。 人们在监测分析系统的开发方面已进行了大量的研究，并研制了许多相应的 第 1 章 引言 3 仪器

22、、设备。如日本和丹麦生产的磁带记录仪、美国亚特兰大公司的m777便携式 数据采集仪、hp,b （2）同态解调实现函数定义： function y=ttj(x,fs,lt,rt,st,df) %y=ttj(x,fs,lt,rt,st)同态滤波函数 %x要分析的时域离散信号 %fs采样频率 %lt,tt分别为带通滤波的频带下限，上限频率 第 3 章 齿轮箱振动信号分析方法研究 33 %st低通滤波的截止频率 %df谱图中要显示的最高频率 y1=bandpass(x,fs,lt,rt); y0=y1.2; y1=log(y0); wn=st/(fs/2); b,a=butter(6,wn,low);

23、%巴特沃思低通滤波器 y2=filter(b,a,y1); y=exp(y2); y3=sqrt(y); (3)带通滤波器实现函数定义： function y=bandpass(x,fs,lt,rt) %y=bandpass(x,fs,lt,rt)带通滤波器； %y滤波后的信号； %x原始信号； %fs原始信号采样频率； %lt,rt频带左右截至频率； wn=rt/(fs/2); b,a=butter(8,wn,low); y=filter(b,a,x); wn=lt/(fs/2); b,a=butter(8,wn,high); y=filter(b,a,y); （4）幅值谱实现函数定义 fu

24、nction y=ampuser(y3,fs,fz) %fs时间序列 x 的采样频率； %y3要表示信号的时间序列； %fz要显示的最高频率； h=fft(y3); n=length(y3); x1=fftshift(h); 工程硕士学位论文 34 n=fz/(fs/n); f=fs*(0:1:n-1)/n; y=plot(f,abs(x1(1,n/2:1:n/2+n-1); xlabel(频率/hz);title(幅值谱); 3.4 本章小结 本章针对矿井提升机齿轮箱的振动特性和典型故障产生机理，阐述了振动诊 断领域的常用信号处理方法，即振动时域分析方法和频域（fft）分析方法。分 析研究了

25、同态解调技术，并 matlab7.0 为软件平台，编写 m 文件，实现了该项技 术应用到矿井提升机齿轮箱振动检测和故障诊断中，为成功地从复杂的振动信号 中提取和分离故障特征信息提供了可靠手段。 第 3 章 齿轮箱振动信号分析方法研究 35 工程硕士学位论文 36 4 基于小波理论的齿轮箱振动信号处理研究 随着工业化生产中对机械设备安全、可靠性要求的不断提高，对故障诊断的 确诊率提出了更高的要求，而传统的信号处理技术已满足不了对微弱故障特征提 取、早期故障诊断及非平稳信号特征提取的要求。小波分析被誉为数学的显微镜， 它具备良好的时频局部化性质，为机械故障诊断中的非平稳信号分析、弱信号提 取、信噪

26、分离等提供了一条有效的途径56-65。 在提升机的提升或下放过程中，减速箱所承受的载荷也不断变化，导致其产 生的振动信号为非平稳信号。为此，发挥小波分析在时域和频域都具有表征信号 局部特征的能力，可以有效地对非平稳信号进行动态分析；同时，发挥小波包分 析对上一层的低频部分和高频部分同时进行细分的能力，取得更加精细的信号信 息，从不同频带内提取设备的故障信息，为故障诊断提供依据。因此，本章以 matlab7.0 为软件平台，引入和实现了小波变换和小波包分析，为提高提升机 齿轮箱故障诊断的确诊率提供可靠的理论保证。 4.1 小波理论分析 4.1.1 连续小波变换 小波变换的基本思想与傅立叶变换是一

27、致的，它也是用一族函数来表示信号 的函数，这一族函数称之为小波函数系，但是，小波函数系与傅立叶变换所用的 正余弦函数系不同，它是由一基本小波函数的平移和伸缩构成的。 设函数，如果满足)()( 2 rlt d 2 1 )( （41） 则称为一个基本小波或小波母函数，式中为的傅立叶变换，式)(t )()(t （41）称为可容性条件。令 )()( 2 1 , a bt at ba rba,0a （42） 第 4 章 基于小波理论的齿轮箱振动信号处理研究 37 称为连续小波，a 称为尺度参数，b 称为平移参数。 对于函数的小波变换为)(tf （43）dt a bt tfabaw r f )()(),(

28、 2 1 （43）也可写 （44） baf fbaw , ,),( 式中，的复共轭，由可容性条件得为函数)(t)(t （45） 0)( dtt 的逆变换为),(bawf （46） 2 , )(),( 1 )( a dadb tbaw c tf ba rr f 其中 （47） dc 2 )( 连续小波所确定的窗口形状和大小是变换的，a 越小，时宽越小，频宽越大， 窗口的中心逐步向高频方向移动。同时窗口的宽度减小，但窗口的高度增加面积 大小不变，它具有敏感的“变焦”特性。函数的连续小波变换也可解释为对函数 进行带通滤波，具有用多分辨率来刻划信号局部特征的能力，适用于检测正常信 号中带有的瞬态突变。

29、 4.1.2 离散小波变换 在工程实际中，采集到的信号都是离散的，因此，实际应用中主要是使用其 离散形式。有如下定义： （48）)()( 00 2/ 0, kbtaat jj kj zkj,0, 0 00 ba 称为连续函数的离散形式。对于，相应的离散小波变换为)(t)()( 2 rltf （49）dtttfkjc kjf )()(),( , zkj, 工程硕士学位论文 38 4.1.3 小波级数 取，且，构成空间的一组规1, 2 00 ba)2(2)( 2/ , ktt jj kj zkj,)( 2 rl 范正交基。即 zmlkjdttt kmljmlkj ,)()( , （410） 的对偶

30、定义为： kj, kjkj ff , 1 , )*( （411） 其中， kj kj kj ffff , , , ,* 此时，每一个能够写为)( 2 rlf （412）)( )()( , , , , , tdtctf kj zkj kjkj zkj kj 这两个无限级数称为“小波级数”并且是收敛的。)( 2 rl 其中， kjkj kjkj fd fc , , , , （413） 对于每一个，使用作为基小波，考虑它的积分小波变换在)( 2 rlf , 的值，即) 2 , 2 1 (),( jj k bazkj, ) 2 , 2 1 ( , ) 2 , 2 1 (, , , jj kjkj jj

31、 kjkj k fwfd k fwfc （414） 利用（3-17）式，能由重构。)(tf kjkj cd , , 第 4 章 基于小波理论的齿轮箱振动信号处理研究 39 4.2 小波包理论分析 与正交小波分解不同，小波包分解将对各层低频信号与高频信号进行同时分 解，从而提高了各层高频信号的频率分辨率，改善小波对时间频率局部化的性 能。 4.2.1 小波包分解原理 使用记号，)()( 0 tt)()( 1 tt 则与的两尺度关系式可写为： k k k k ktqt ktpt )2()( )2()( 01 00 （415） 由 k lkl k lkl ktqt ktpt )2()( )2()(

32、12 2 （416） 定义的函数，或称为关于正交尺度函数的小波包。 n ln2.,1 , 0, 12ll)(t 将尺度子空间 vj和小波子空间 wj用一个新的子空间统一起来表示，令 jj jj wu vu 1 0 zj （417） 则西尔伯特空间的正交分解可用的分解统一起来： jjj wvv 1 n j u 100 1jjj uuu zj （418） 把这种表示方法推广到即可得到： zn ， 122 1 n j n j n j uuuzj zn （419） 工程硕士学位论文 40 小波子空间 wj的各种分解表示如下： （420） 12 0 12 0 2 0 12122 7 2 6 2 5 2

33、4 2 3 1 2 1 1 1 jjj kkk uuuw uuuw uuuuw uuw j kjkjkjj jjjjj jjj 由式（415） 、式（416）将多分辨分析中的正交小波分解算法推广到小 波包中，可得到信号的小波包分解，其分解和重构的递推公式。 4.2.2 离散小波包算法 小波包分解算法： k nj klk nj l k nj klk nj l dbd dad , 1 2 12, , 1 2 2, （421） 式中 ak, bk小波分解共轭滤波器系数。 小波包重构算法： （422 k nj kkl nj kkl nj l dqdpd 12, 2 2, 2 , 1 ） 式中 pk,

34、qk小波重构共轭滤波器系数。 由此可知，小波包分解是将每一层所有的子带均一分为二，并传至下一层。 小波包分解过程如图 41 所示，可以看出每一层的子带都覆盖信号所占有的频 率，只是各层的分辨率不同。小波分解过程如图 42 所示，小波分解只是将分 解之后得到的低频信号进行再分解，而忽略了细节信号的影响，因而未能提高细 节信号的频率分辨率。与小波分解相比，小波包分解对信号的高频成分实施了与 低频成分相同的进一步分解，这样同时提高了低频信号和高频信号的频率分辨率。 第 4 章 基于小波理论的齿轮箱振动信号处理研究 41 从工程应用的角度来看，小波包分解信号相当于同时使用一个低通滤波器和 2j-1个带

35、通滤波器，实质上使信号通过这组滤波器，逐层将信号分解到不同的频段 内，且各频段是不重叠的，从能量角度来看，小波分解过程实际上是根据信号的 频率范围将其能量无冗余、无泄漏地划分到各个子频段内，用数学公式可表示为： （423）)()()( 122 1 n j n j n j ueueue 4.3 基于 matlab 平台的小波理论分析的实现 matlab 小波分析工具箱是由该领域内的学术水平较高的专家编写的，无需用 户自己编写所用的专业基础程序，可直接对工具箱进行运用。同时，工具箱内的 函数源程序也是开放性的，多为 m 文件，用户可以查看这些文件的代码井进行修 改，matlab 支持用户对其函数进

36、行二次开发，编写适合用户自身情况的 m 文 件。本文作者根据提升机齿轮箱的运行特性，采用 db20 小波基函数编写了小波 理论分析程序，对提升机齿轮箱振动信号进行了深入分析。 （1）原始信号的导入函数： xload(x); （2）小波变换实现函数定义： function y=xbbh(x,n,name) %x要进行小波变换的离散序列 %n要分析的信号的长度，1024 的倍数； %name小波变换所选择的窗函数 图图 4 42 2 三层小波分解示意图三层小波分解示意图 fig.4-1 diagrammatic sketch of wavelet decomposition on level no

37、.3 图图 4 41 1 三层小波包分解示意图三层小波包分解示意图 fig.4-2 diagrammatic sketch of wavelet packet decomposition 工程硕士学位论文 42 s=x(1,1:1:n); c,l=wavedec(s,3,name); cd1,cd2,cd3=detcoef(c,l,1 2 3); subpolt(4,1,1);plot(s);ylabel(原始信号)； subpolt(4,1,2);plot(cd1);ylabel(一层小波重构系数波形图)； subpolt(4,1,3);plot(cd2);ylabel(二层小波重构系数波形

38、图)； subpolt(4,1,4);plot(cd3);ylabel(三层小波重构系数波形图)； （3）小波包变换实现函数定义： function ss1=xiaobobao(x,n) %x要分析的信号； %n要分析的信号的长度，1024 的倍数； %ss1为第三层分解的信号特征向量； s=x(1,1:1:n); %利用小波包分析进行信号特征提取的原程序； %利用 db20 小波包对信号进行三层分解； t=wpdec(s,3,db20,shannon); subplot(9,1,1);plot(s); title(s 原始信号及其小波包重构图);ylabel(幅值); %s130 表示信号

39、s 的3,0的重构系数，其他依次类推； s130=wprcoef(t,3,0); s131=wprcoef(t,3,1); s132=wprcoef(t,3,2); s133=wprcoef(t,3,3); s134=wprcoef(t,3,4); s135=wprcoef(t,3,5); s136=wprcoef(t,3,6); s137=wprcoef(t,3,7); %画出重构系数的波形图； subplot(9,1,2);plot(s130);ylabel(s130); subplot(9,1,2);plot(s130);ylabel(s130); subplot(9,1,3);plot

40、(s131);ylabel(s131); 第 4 章 基于小波理论的齿轮箱振动信号处理研究 43 subplot(9,1,4);plot(s132);ylabel(s132); subplot(9,1,5);plot(s133);ylabel(s133); subplot(9,1,6);plot(s134);ylabel(s134); subplot(9,1,7);plot(s135);ylabel(s135); subplot(9,1,8);plot(s136);ylabel(s136); subplot(9,1,9);plot(s137);ylabel(s137); 4.4 本章小结 本章

41、针对提升机在提升或下放的过程中，齿轮箱产生的振动信号为非平稳信 号这一特点，引入了小波变换及小波包分析理论，同时以 matlab7.0 为软件平台 实现了小波变换和小波包变换对提升机齿轮箱振动信号的分析，为发挥其在时域 和频域都具有表征信号局部特征的能力，和对提升机齿轮箱进行状态检测和故障 诊断提供了可靠手段。 工程硕士学位论文 44 5 平煤五矿提升机齿轮箱振动故障诊断研究 5.1 提升机齿轮箱传动示意图及主要技术参数 5.1.1 提升机传动方式分析 2jk3.01.5 型矿井提升机承担着平煤五矿升降人员和运输物料等生产任务， 是该矿的“咽喉性”设备。提升机的正常运行是矿井生产顺利的保证。传

42、动机构 是提升机的关键机构。提升机的传动包括三大部件，即电动机、展开式减速箱和 联轴器，如图 5-1 所示。 图图 5 51 1 矿井提升机齿轮传动示意图及测点布置示意图矿井提升机齿轮传动示意图及测点布置示意图 fig.4-1 the diagrammatic sketch of mine elevator gearbox and measuring point 5.1.2 提升机传动机构主要参数分析： 根据现场记录和工程技术人员提供数据可得提升机主要参数如表表 51 和表 52 所示。 第 5 章 平煤五矿提升机齿轮箱振动故障诊断研究 45 表表 5 51 1 提升机传动系统基本参数提升机传

43、动系统基本参数 tab5-1 the base parameters of gear cases 电动机基本参数电动机基本参数 电机型号yr5001-6电机中心高500 功率630kw电流频率50hz 电压6000v转子电压936v 电流47.3a转子电流417a 接法y安装型式imb3（卧式带底脚结构） 转速1000rpm绝缘等级f 级 齿轮箱基本参数 减速箱型号zsy630主动轴最大转速1000r/min 速比1：28允许传递扭矩7.57t/(kn.m) 中心高 mm710质量7060kg 轴齿数 输入轴z1=23，mn=8 中间轴z2=53，mn=8；z3=19，mn=10 输出轴z4=

44、67，mn=10；z5=19，mn=14 各轴齿轮 基本参数 输出轴z667，mn=14 表表 5 52 2 齿轮减速箱各轴转速及齿轮啮合频率齿轮减速箱各轴转速及齿轮啮合频率 tab4-1 the rotational speed of shafts and the meshing frequency of gear cases 轴转 速 (r/min)转 频 (hz)啮合频率(hz) 输入轴n1990fr116.5fg1379.5 中间轴n2429.6fr27.16fg1379.5；fg2136 中间轴n3121.8fr32.03fg2136；fg338.6 输出轴n434.54fr40.5

45、8fg338.6 备注 fg1379.5hz 为齿轮 z1与 z2的啮合频率 fg2136hz 为齿轮齿轮 z3与 z4的啮合频率 fg338.6hz 为齿轮 z5与 z6的啮合频率 工程硕士学位论文 46 5.2 提升机齿轮箱振动测试与诊断方案的制定 5.2.1 正确选择测试方式和测定参数 对齿轮箱实施振动诊断是拾取系统运行过程中的各种相关参数，用现代信息 处理技术对这些参数进行处理，及时评估其运行状态，为设备维修提供可靠的技 术依据。测试方案的确定对于构造设备状态监测与诊断来说是很重要的一个环节， 测试方案的确定主要包括系统测试参数的选择和测试点的确定。 目前，振动信号的拾取方式有两种，即

46、离线测定和在线实时测定。离线测定 又称点检，首先针对某一设备制定测试时间表，按照时间表去工程现场进行数据 采集，然后带回实验室进行数据分析，给出诊断测试结论，最终给出诊断结论。 在线实时测定，即信号采集和数据处理、分析是在现场同步进行的。针对一般矿 井提升机齿轮箱而言，都采用点检制度，而在线监测和诊断由于投资大难以得到 广泛应用。 在振动诊断领域内，广泛采用的振动参数主要有位移（） 、速度（ ）及加 xv 速度（） ，以及由这三种参数构成的统计量如峰峰（，等） ，均方根 a pp x pp a 值（，等） 、平均值（， ，） 。参数的选取主要与测定信号的频带有 rms v rms x xva

47、关。 根据 iso10816-3:1998、gb/t6075.3-2001 可知，对于矿井提升机齿轮箱的振 动测试，由于信号的频带范围较宽，一般采用振动加速度（）信号。 a 5.2.2 振动测试测点的合理布置 在振动信号采集过程中，测点布置的好坏直接关系着信号的真实性和振动监 测与诊断的准确性。针对提升机齿轮箱振动信号的采集，本文作者根据现场经验 和理论分析后认为布置测点时应注意以下事项： （1）所布置的测点要牢固不得松动，并且要用特殊明显的标记符号标出。 因为测点位置不同，测出来的信号也不同。 （2）测点应布置在反映齿轮传动振动特征最敏感的部位。轴承是反映振动 诊断信息最集中和最敏感的部位，

48、因此把齿轮传动和电机的轴承座列为主要测点。 （3）测点应选在与轴承座联接刚度较高的地方或箱体上的适当位置，而且 第 5 章 平煤五矿提升机齿轮箱振动故障诊断研究 47 安装面要光滑。 （4）振动信号通过不同零件联接的界面一次，其振动能量就损失约 80%左 右，所以在选择测点时应注意尽是减少中间界面。 （5）尽量保持每次测量时齿轮传动的工况条件、测量参数、使用的测量仪 器和测量方法（如传感器的固定方法）相同。 这样才能保证每次所测量数据的真实性及相互可比性。另外还可以根据具体 情况增加辅助测点，一般可布置在机壳、基础部位等。具体测点布置在齿轮传动 和电机的轴承座处，如图 41 所示。 5.2.3

49、 测试仪器的配置 俗话说“工欲善其事，必先利其器” 。因此，测试设备的先进与否决定着振 动测试与诊断工作的难易。矿井提升机齿轮箱振动测试诊断系统可以是微机系统 作精密诊断，也可以是专用便携仪器作简易诊断。目前，由于微机系统具有很多 优点，越来越被广泛采用，各种便携友好的测试系统在不断研制和投入应用。一 个基本的齿轮箱测试系统可用框图表示如图 52 所示： 图图 5 52 2 矿井提升机齿轮箱的测试诊断系统矿井提升机齿轮箱的测试诊断系统 fig.5-2 the testing diagnosis system of mine elevator gearbox 上述系统各部分功能分别为： （1）传

50、感器：测振传感器，也叫拾振器，是用以将机械振动的信号转变为 电信号。此处主要用到的是 yd36 压电式加速度传感器，频响范围为 10khz。 （2）信号调理与放大器：信号调理模块主要完成信号的抗混滤波作用。放 大器有电荷放大和电压放大两种模块，由于所用的是压电晶体传感器，所以用电 荷放大器模块，主要作用是放大信号的能量或功率，另外，还可以把传感器的高 输出阻抗变换为放大器的低输出阻抗，以便和信号采集设备相连接。 （3）信号采集仪：可实现多通道输入，多通道输出，可实现多通道的集成、 隔离和模数转换的功能，并把采集到的数据以文本格式储存于存储器。 （4）信号分析诊断系统：主要完成信号的导入、示波、

51、分析和诊断等功能。 本论文以 matlab7.0 为软件平台，把以文本格式存储的振动数据导入 matlab 信 齿轮箱振齿轮箱振 动信号动信号 传感器传感器信号采集仪信号采集仪 信号调理信号调理 与放大器与放大器 信号分析信号分析 诊断系统诊断系统 工程硕士学位论文 48 号分析系统，进而完成信号的示波、分析和诊断等功能。 5.2.4 齿轮箱诊断方案确定 5.2.4.1 选择合适的测定周期 测定周期是指每次作巡监的间隔时间，它与提升机齿轮箱的故障发展趋势有 关。正常状态下，一般可每月测定一次，但是一旦发现故障时，应缩短测定周期， 可每周测定一次，如果故障发展较快时，必须每天测定一次，以便科学掌

52、握提升 机齿轮箱运行状态的发展趋势。 5.2.4.2 简易诊断 简易诊断即采用便携式测振仪如 bz8701a 对齿轮箱的各主要测点进行检 测，检测物理参量为振动位移峰峰值和振动速度均方根值，即振动烈度 vrms。同时，简易诊断所有数据都按时间保存在档案中。以便和后来的作比较， 还可以画出其趋势图。 5.2.4.3 精密诊断 主要指利用 fft 分析、细化分析、倒谱分析、同态解调谱分析、小波分析等 方法来进行振动信号的分析和处理，从而判断故障的类型、部位和程度。精度诊 断结果也得按时间保存在档案库中，以便和以后做类比。 5.3 提升机齿轮箱故障诊断与分析研究 根据 5.2 节制定的提升机齿轮箱振

53、动测试与诊断方案，本文作者分别于 2008 年 4 月和 2008 年 06 月对矿提升机齿轮箱进行振动信号采集工作。并分别以 简易故障诊断和精密故障诊断两种诊断方法，对运行中的提升机齿轮箱进行了故 障诊断与分析研究。 5.3.1 齿轮箱简易诊断 对于矿井提升机齿轮箱，我们分析两次对其进行了简易诊断，诊断参数主要 为振动烈度 vrms（振动速度有效值，单位 mm/s） 。表 53 为 2008 年 4 月和 2008 年 06 月两次对提升机齿轮箱的简易诊断数据所测得主要测点为垂直方向（v） 、 水平方向（h）和轴向（a）三个方向上的振动烈度值。 第 5 章 平煤五矿提升机齿轮箱振动故障诊断研

54、究 49 表表 5 53 3 齿轮箱各测点简易测振的振动烈度值（齿轮箱各测点简易测振的振动烈度值（mm/smm/s） tab.4-3 the vibration intensities of gearbox at testing spots（mm/s） 测点1234 项目vhavhavhavha 08.41.43.22.43.64.23.57.84.67.58.83.57.2 08.61.54.52.94.17.43.312.710.611.58.69.618.9 测点5678 项目vhavhavhavha 08.46.13.211.43.47.87.08.34.67.75.29.514.8

55、08.64.85.120.58.57.89.210.38.612.512.39.416.7 测点9101112 项目vhavhavhavha 08.45.04.78.97.314.77.83.45.97.42.81.94.9 08.611.812.912.716.720.39.24.35.72.03.22.15.2 备注v垂直方向；h水平方向；a轴向 根据 iso10816-3:1998、gb/t6075.3-2001 和表 43 可知： 该矿进提升机齿轮箱的测点 3、测点 4、测点 5、测点 6、测点 7、测点 8、测 点 9、测点 10 的振动烈度值远远超过 d 区的上限 7.1mm/s，

56、达到停机值。特别是 这些测点（除测点 10）的轴向（a）的振动烈度值更大，测点 10 的水平方向的振 动烈度值表现最为强烈。 简易诊断结论简易诊断结论：从上述简易诊断的振动烈度值可以初步判断该矿进提升机齿 轮箱存在着一定的故障，需要进一步加以精密诊断，以诊断出齿轮箱故障的确切 信息。 5.3.2 齿轮箱精密诊断 简易诊断的特征决定了它只能初步判断齿轮箱有无故障存在，而不能确定故 障的类型、部位。因此，简易诊断为下一步精密诊断划定了诊断范围，给进一步 确诊打下基础。以下针对简易诊断过程中振动烈度严重超标的测点进行精密诊断， 工程硕士学位论文 50 即利用 fft 分析、细化分析、倒谱分析、同态解

57、调谱分析、小波分析等方法来进 行振动信号的分析和处理，从而判断故障的类型、部位和程度。 5.3.2.1 测点 10 精密诊断分析 （1）测点 10 振动时域信号和 fft 变换幅值谱分析 （a a）测点）测点 1010 振动加速度时域信号（振动加速度时域信号（0808 年年 4 4 月）月） （b b）测点）测点 1010 振动加速度时域信号（振动加速度时域信号（0808 年年 6 6 月）月） 图图 5 53 3 测点测点 1010 振动加速度信号时域信号振动加速度信号时域信号 fig.5-3 the time domain waveform diagram of vibrational s

58、ignal at no.10 testing spot 第 5 章 平煤五矿提升机齿轮箱振动故障诊断研究 51 （a a）测点）测点 1010 振动加速度信号长数据点幅值谱（振动加速度信号长数据点幅值谱（0808 年年 4 4 月）月） （b b）测点）测点 1010 振动加速度信号长数据点幅值谱（振动加速度信号长数据点幅值谱（0808 年年 6 6 月）月） 图图 5 54 4 测点测点 1010 振动加速度信号长数据点幅值谱振动加速度信号长数据点幅值谱 fig.5-4 the power spectrum of the vibrational signal at no.10 testing

59、 spot （2）测点 10 振动信号小波分析 利用小波基 db20 对 08 年 4 月采集的测点 2 信号进行 3 层小波分解，其分解 结构如图 510 所示： 工程硕士学位论文 52 图图 5 55 5 测点测点 1010 振动信号的振动信号的 2 2 层小波分解结构图（层小波分解结构图（20082008 年年 4 4 月）月） fig.5-5 the wavelet transform structure at level two of vibrational signal at no.2 testing spot (apr.2008) 分解结果发现 s20 频段、s21 频段的幅值谱

60、成分突出，分析如下： （a a）s20s20 频段小波系数及其幅值谱频段小波系数及其幅值谱 第 5 章 平煤五矿提升机齿轮箱振动故障诊断研究 53 （b b）s21s21 频段小波系数及其幅值谱频段小波系数及其幅值谱 图图 5 56 6测点测点 1010 振动信号的小波分析结果及其幅值谱（振动信号的小波分析结果及其幅值谱（20082008 年年 4 4 月）月） fig.5-6 the wavelet transform of the gearcase vibrational signal at no.10 testing spot (apr.2008) 由测点 10 小波分析可知，其主要频率