齿轮和滚动轴承的状态监测与故障诊断_图文

1、西北工业大学硕士学位论文齿轮和滚动轴承的状态监测与故障诊断姓名:陈进申请学位级别:硕士专业:航空宇航推进理论与工程指导教师:廖明夫20060301 孑弘击譬陵士学位论文第三章齿轮和滚动轴承的振动测试采样频率限制了信号处理分析频率的最高频率。为实现同步整周期数据采集,对NI所提供的功能函数进行了二次开发。调理后的转速信号作为外触发电平信号进入A/D卡,触发晶振20MHZ的计数器,由此得到采集时间间隔(或采样率,启动A/D进行采样。 图3.4信号调理器的前面板Fig.3。4The front of the signal condffioner 图3.5信号调理器的后面板信号调理器对信号起放大、滤波

2、、供电等作用,从而使信号与A/D板相匹配。实验中采用的CAMD一6200型信号调理器的前、后面板如图3.4、图3.5所示。该信号调理器可同时接入4通道振动信号和1通道转速信号。调理器的前面板(见图3.4连接转速信号和振动信号,Rpm为转速信号接口:CHICH4为振动加速度信号输入口:POWER键为电源开关。Rpm接口为P.84接口,它是专为德国SCHENCK公司生产的P一84型光电式传感器而设计的,用它来测取转速,使用时需在转轴上粘贴专用的反光纸。后面板(如图3.5所示为电源插座(交流220V,输出总线。A/D板安装在 !兰兰!兰雯塑学位论文第四章齿轮和滚动轴承故障诊断实验设计及故障诊断流程第

3、四章齿轮和滚动轴承故障诊断实验设计及故障诊断流程4.1齿轮故障诊断的实验设计 图4.1齿轮故障诊断实验装置示意图【3叫齿轮故障诊断实验装置示意图如图4.1所示,其真实实验装置见图4.2。它由JZQ一250型齿轮减速器、交流驱动电机、变频器和TJ2.100型制动器等部件组成。图4。1中的齿轮箱内有3根转轴,转轴I上装载着齿轮1,转轴II上装载着齿轮2和3,转轴III上装载着齿轮4,其中齿轮1和齿轮啮合,齿轮3和齿轮4啮台。可见该齿轮减速器结构比较简单,可以把齿轮l和齿轮2的啮合传动以及齿轮3和齿轮4的啮合传动视作两组单级传动系统,这为第五章中利用信号周期分段处理法诊断单级传动齿轮故障提供了模拟实

4、验条件。齿轮1至齿轮4的齿数依次为35、64、18和81。减速器、交流电机和制动器均固定在实验台上。变频器控制和调整电机转速,转速大小根据实验要求设置。齿轮箱的扭矩负载由制动器提供,负载的大小可通过制动器上的力簧调整。这种加载负载的方式与实际工况相似,且结构简单。联轴器上贴有反光纸,与光电传万弘量击乎硕士学位论文第四章齿轮和滚动轴承故障诊断实验设计厦故障诊断流程感器配合使用。光电传感器为振动采集提供键相信号,同时测量轴I和电机的转速。图4.1中虚框内为齿轮振动测试系统,加速度传感器测得的振动信号经电荷放大器,送至CAMD一6100型信号调理器预处理,最后送至计算机,用自行开发的齿轮、轴承故障监

5、测及诊断软件“HSGD3000”进行分析处理。本文主要研究了齿轮崩齿故障以及单级传动齿轮副故障,实验中选取齿轮1和齿轮2作为故障诊断对象,加速度传感器放置在齿轮1附近,信号采集与齿轮1转速同步。需要说明的是,JZQ一250型齿轮减速器转轴I、II两端轴承皆为406型滚动轴承,转轴III两端采用412型滚动轴承。 图4.2齿轮故障诊断实验装置图本文采用加速度传感器测量齿轮箱体的振动信号,传感器可置于各轴承座附近,也可安装在箱体的侧壁。传感器的安装位置在实验中非常重要,能否正确的安装传感器对振动信号的测量效果有重要影响。这是因为,齿轮被齿轮箱严密的封闭着,对齿轮的故障监测和诊断不能直接进行,即齿轮

6、的振动信号并不能直接测取。所测得的齿轮振动信号是经过齿轮轴、轴承之后才到达箱体表面的测点位置,复杂的传递途径难免会造成频率成分和幅值大小产生变化,使测量结果的分析复杂一些。测取的振动信号中不单有齿轮振动信号,还有轴承的振动信号以及箱体振动信号等,使得获取的振动信号成分比较复杂。正确安装传感器,使得获取的振动信号能正确的反映齿轮的工况,是一个需要注意的问题。在此提出一个“就近原则”。所谓“就近原则”,就是在监测或者型兰兰塑圭兰垫婆奎茎璺兰查笙塑茎望塑至鏊堕堡堕壅望望塑墨墼堕堡墅鎏堡诊断某一齿轮时将传感器安装在该齿轮附近的箱体表面上,一般放在该齿轮转轴轴承座正上方。传感器在齿轮箱上的安装位置示意图

7、如图4.3所示。图4.3传感器在齿轮箱上安装位置示意图DOl 图4.4齿轮l上崩齿故障孑弘歹量壬掌硕士学位论文第四章齿轮和滚动轴承故障诊断实验设计厦故障诊断流程 图4,5齿轮2上崩齿故障4.2滚动轴承故障诊断的实验设计滚动轴承故障诊断实验装置示意图如图4.6所示,其真实实验装置见图4.7。转予两端支承均选用307型滚动轴承,其几何参数如表4.1所示。模拟故障轴承置于转子右支承端,如图4.7所示,轴承座上有加速度传感器一端。轴承座可以拆卸,以便更换不同故障类型的轴承。联轴器上贴有反光纸作为相位起始标志,光电传感器提供转速和键相信号。置于有故障轴承附近的加速度传感器测得的振动信号经电荷放大器,送至

8、CAMD-6100型信号调理器处理,最后由装于计算机的自行研制的齿轮、轴承故障监测及诊断软件系统“HSGD3000”分析与处理。 图4.6滚动轴承故障诊断实验装置示意图【301!坐三!兰!曼主兰壁堡壅兰璺童塑竺塑鎏垫期承故障诊断实验设计及故障诊断流程 圈4.7滚动轴承故障诊断买验装营图表4.1307型滚动轴承的几何参数本文模拟了滚动轴承的外环划痕故障(见图4.8。划痕故障是利用机械冲击而成,均是在轴承元件未淬火时制造的。划痕故障与转轴所在方向平行,故障宽度约为0.25mm,深度约为1ram,轴向长度约为4mm。 圈4.8滚动轴承外环单处划痕故障4.3齿轮、滚动轴承故障监测及诊断系统HSGD30

9、00 翌竺兰!兰学硕士学位论文第四章齿轮和滚动轴承故障诊断实验设计及故障诊断流程在应用故障诊断软件“HSGD3000”对齿轮、滚动轴承进行故障监测和诊断时,首先要搭建好实验设备,在实验器上安装好传感器;传感器测得的信号首先接入信号调理器进行预处理,再通常A/D卡,将模拟量转化为数字量;然后用自行开发的监测、诊断软件系统HSGD3000进行分析处理;HSGD3000齿轮、滚动轴承故障诊断系统具有频谱、时域平均、包络解调、自相关分析、倒频谱等传统分析方法,更有信号周期分段处理、时延相关解调两种自行研究、开发的故障诊断方法。整个故障诊断工作流程如图4.9所示。软件系统HSGD3000诊断齿轮和滚动轴

10、承故障的有效性,首先必须通过仿真信号的校验。由于仿真信号成分简单,各分量的幅值和频率可自行调节,便于控制和选择合适的信号。同时仿真信号对应的谱图非常清晰,一目了然,使得软件系统的准确性、有效性和可行性立即清楚的呈现出来。由于齿轮和滚动轴承信号带有调制特征.现生成一调幅仿真信号,该信号记为:工0;4.0×sin(2a×62.5f×sin(2x4500/+2.5x sin(2x45000+5×RandG(O,1仿真信号中,载波频率为4500Hz,调制波频率为62.5Hz,RandG(0,1为高斯白噪声。以低频调制波信号的周期为采样周期,连续采样8周期,每周期

11、采集1024点。下面将利用HSGD3000诊断系统对该仿真信号进行分析。 图4.10仿真信号的时域波形及频谱the simulated signalHSGD3000诊断系统的主监测界面如图4.10所示。界面上半部为时域波形,下半部为频谱图。图中所示信号为数字仿真调幅信号。频谱图上可清晰看到信号兰竺三!兰兰硕士学位论文第四章齿轮和滚动轴承故障诊断实验设计疑故障诊断流程的载频和载频两侧的调频。 圈4.11仿真信号的时域平均波形及频谱 图4.12数字仿真信号的白相关分折signal噪声信号的自相关函数随时延的增大很快趋于零,所以自相关函数可以从随机信号中检测周期信号,具有显著的降噪效果。同时对信号做

12、自相关分析并不改变该信号的调制特征。图4.12为数字仿真调制信号自相关分析的时延波形和相应频谱图。从图中可清晰看到自相关分析的良好降噪效果,而且信号经过自相关分析后不改变信号的调制特征。!兰三查塑垒绁笙主 图4.13仿真信号的包络解调Fig.4-.13The envelope of the simulated signal对信号进行Hilbert变换,进而得到包络波形和包络谱的分析方法即为包络分析。图4.13为数字仿真调制信号的包络解调分析,包络谱中的峰值对应的正是62.5Hz的低频,但由于噪声影响,包络谱中存在大量噪声频率成分,给故障诊断带来干扰。 图4.14仿真信号的周期分段处理42万弘歹量士或磺士学位论文第四章齿轮和滚动轴承故障诊断实验设计及故障谚断流程效地诊断齿