采煤机摇臂齿轮箱故障诊断技术研究修改版

采煤机摇臂齿轮箱故障诊断技术研究重庆理工大学硕士学位论文PAGE10PAGE9目录TOC\o"1-3"\h\u431引言 2267321.1课题研究的背景 244791.2国内外研究现状 4166271.2.1齿轮箱故障诊断研究的国内外现状 45131.2.2摇臂齿轮箱故障诊断现状 887801.3本课题研究的主要内容及安排 8250792摇臂齿轮箱结构分析及典型故障统计分析 983172.1电牵引双滚筒采煤机简介 937852.2EICKHOFFSL1000摇臂齿轮箱结构分析 1179302.3摇臂齿轮箱工况分析 1348892.4摇臂齿轮箱故障统计分析 13263272.4.1摇臂齿轮箱故障统计分析 13165722.4.2摇臂齿轮箱故障原因分析 14172462.5本章小节 1670333摇臂齿轮箱振动机理及故障特征分析 18833.1齿轮振动机理分析 1888843.1.1齿轮系统振动动态激励分析 19162473.1.2齿轮故障失效形式分析 20146983.1.3齿轮振动信号的调制分析 2218023.2滚动轴承故障机理分析 26100353.2.1滚动轴承振动机理分析 26146723.2.2滚动轴承故障故障特征频率分析 27169273.2.3滚动轴承失效形式分析 29259703.3齿轮箱故障振动信号分析及摇臂齿轮箱典型故障特征分析 3042633.3.1齿轮箱故障振动信号分析 3092633.3.2摇臂齿轮箱主要故障形式及振动信号故障特征 31276643.4本章小节 3218424信号分析方法研究 33120124.1振动信号时域分析 3361594.1.1时域波形分析 3363034.1.2时域特征值统计分析 3431244.1.3时域平均分析 3556514.1.4相关分析 37156964.2振动信号频域分析 37248284.2.1信号频谱分析基础 37127964.2.2功率谱分析 39128984.2.3频谱细化分析（ZOOM-FFT） 4083664.2.4倒频谱分析 40272064.2.5Hilbert解调分析 42264254.2.6共振解调分析 45239634.3信号的时频分析 468804.3.1Hilbert-Huang变换分析 47176514.4本章小节 50157705采煤机摇臂齿轮箱振动测试与分析 51229145.1采煤机摇臂齿轮箱故障振动现场测试与分析 51317135.1.1测试对象 51234095.1.2测点的选择 54117475.1.3测试仪器 56214015.1.4测试结果与分析 58312365.2本章小节 59133256总结与展望 60251526.1总结 60220626.2展望 601156致谢 622581参考文献 631引言1.1课题研究的背景我国是一个多煤少油贫气的国家，已探明的煤炭储量占世界煤炭储量的33.8％，可采量位居第二，产量位居世界第一位。煤炭在我国一次性能源结构中处于绝对主要位置，50年代曾高达90％。随着大庆油田、胜利油田及天然气等的开发和利用，一次性能源结构才有了一定程度的改变，但近二十年来煤仍然占到70％以上，在今后相当长的一段时间内，煤炭作为我国主要能源形式还将长期占着重要地位。在2009年度《中国可持续能源发展战略》研究报告中，20多位院士一致认为，到2010年煤炭在一次性能源生产和消费中将占60％左右；到2050年，煤炭所占比例不会低于50％。可以预见，煤炭工业在国民经济中的基础地位，将是长期的和稳固的，具有不可替代性[1][2]。而作为我国特大煤炭生产基地，神东矿区（指神东公司所属矿井）2010年生产原煤达2亿吨，占全国煤炭产量6%强，其高效的生产、管理模式，有力地促进了我国煤炭行业生产方式的转变，正积极地引导着中国煤炭工业向现代化、信息化、数字化方面发展，为我国煤炭工业的安全健康发展，起了积极的示范促进作用。神东矿区自2005年在全国率先成为亿吨矿区以来，更是以每年2000万吨的增长速度快速发展，在2010年又在全国率先成为2亿吨特大生产基地。目前，神东矿区常年综采工作面保持在30个左右，年安装回撤工作面达各达50多个，其高产高效的生产管理模式有力地支撑起神东矿区的快速发展并引起世界煤炭工业广泛关注。作为综采工作面关键设备之一，神东矿区全部引进先进世界上采煤国家大功率、高强度采煤机，典型如德国EICKHOFFSL型采煤机、美国LS系列采煤机，总装机功率最大已达2590KW，如EICKHOFFSL1000-6698采煤机目前在神东矿区补连塔矿使用，其单截割电机功率达1000KW，滚筒直径达3.5米，采高范围可达7米，是目前世界上在用的最大电牵引交流变频双滚筒采煤机。自神东矿区1994年正式引进世界范围内先进采矿设备以来，截止2010年，采煤机目前已引进达45台。随着采煤机过煤量（采煤机寿命期内产量）的大幅度提高，人停机不停、高强度的生产模式，设备的老化现象严重，故障率特别是关键部件故障率大幅度升高，已在一定程度上制约着综采工作面制约产量的提高，影响到矿井均衡生产计划，进而甚至影响到矿区高产高效模式。如2007年神东矿区补连塔煤矿31401综采工作面一台EICKHOFFSL6459电牵引采煤机因右摇臂齿轮箱行星头故障，由于故障原因不明，现场判断处理不当，最后不得不整体更右换截割部摇臂齿轮箱，直接设备部件经济达450万元，影响生产达38个小时，影响产量达6万吨，间接损失3000多万元，造成严重生产事故，影响较大[3]。采煤机截割部摇臂齿轮箱作为采煤机关键部件，直接承担综采工作面截割动力传动的重任，据对神东矿区近年来进口采煤机摇臂齿轮箱故障率的统计，平均摇臂齿轮箱又占采煤机故障率的34.2%，且有呈现逐年上升的趋势。表1-1摇臂齿轮箱占采煤机故障率统计表[3]年份2004200520062007200820092010摇臂故障率27.5%33.3%29.4%34.6%38.5%36.2%39.8%由于其与一般工业用齿轮箱安装方式不一样，现代典型先进的采煤机截割摇臂齿轮箱，其连接方式为截割电机+摇臂齿轮箱+螺旋截割滚筒，截割部作为一个整体与采煤机机身通过摇臂连接板（俗称摇臂耳座）销轴连接，截割部随着综采工作面采煤机截割煤生产工艺而上下前后调整，摇臂齿轮箱一方面随煤壁采高的不同而上下调整，另外一方面随着采煤机截割煤壁方向而前进或后退，这种复杂的安装接方式决定了采煤机摇臂齿轮箱随着采煤机截割部上下前后移动，运行工况十分复杂。随着设备的老化和高强度生产模式（平均一天检修3小时，生产约20小时）作为采煤机最薄弱部件，摇臂齿轮箱承担着采煤机故障最主要故障源，极大地制约着综采工作面的产量的提高。一直以来，由于煤矿行业生产环境恶劣，煤炭工业经济发展不景气，煤矿工人素质普遍低，专业人才的缺乏，技术力量的落后，严重制约了采矿设备故障诊断维修水平的发展，煤矿企业设备管理水平大大落后于一般工业企业，如电力行业、钢铁行业。许多国产采矿设备开机率极低，可靠性非常差，有的甚至在设备安装调试阶段就出现这样故障或那样问题而现场不能解决，最后只能拉回设备生产厂家解决，即便是下井设备也经常出现故障而不能正常有效运转，极大了影响到煤矿安全生产水平的提高和煤炭产量的提升。作为采煤机摇臂齿轮箱，因其安装、运行方式的特殊，目前在我国国有重点煤矿一般采用油液铁谱分析技术对摇臂齿轮箱状态进行监测，铁谱分析是通过铁谱技术对齿轮箱润滑油液磨损颗粒的大小、形态、面积、特征等参数进行定性或定量的分析摇齿轮箱齿轮箱工作状态的现状及发展趋势。然而铁谱分析技术最大的缺点就是受制于人为因素、量大繁杂费时，不能及时准确快速地在现场判断摇臂齿轮箱工作状态，在生产实践中不能及时准确满足现场实际需要。随着近二十年来设备状态监测与故障诊断技术的快速发展，特别是针对齿轮箱故障诊断技术理论与实践的成熟，机械振动监测、信号处理、状态识别用于齿轮箱故障诊断取得巨大的成功，本课题根据对齿轮箱振动故障机理分析、信号测试采集技术、故障特征提取分析，试将机械振动故障诊断方法应用于煤矿现场采煤机摇臂齿轮箱故障诊断中，提高了摇臂齿轮箱工作可靠性，预知设备状态，确保了安全生产；降低了煤矿工人劳动生产强度、节约生产成本、提高了采煤机开机率；积极推广先进的设备故障诊断技术于矿山设备管理中，促进矿山设备管理水平的提高，促进了矿井高产高效生产模式的发展。1.2国内外研究现状1.2.1齿轮箱故障诊断研究的国内外现状设备状态监测与故障诊断(EquipmentConditionMonitoringandFaultsDiagnosis)是随着现代科学技术的进步及设备管理水平的提高而快速发展起来的一门综合性高新技术,它以机械、力学、电子、数学、物理、计算机及人工智能技术等多个学科作为基础，作为一门新型实用技术,它广泛地应用到世界范围内工矿企业设备管理实践中，并取得了可观的社会效益和经济效益[4]。设备故障诊断发展历程大致经历了如下三个阶段：第一个阶段是设备故障诊断技术的初级阶段，20世纪六十年代以前,设备故障诊断主要以现场工人直观判断或专家传统经验为主,诊断结论往往是对现场设备故障现象作简单的定性分析,主要特点是结合传统生产实践经验对设备状态作出简单的判断,极大地受制于个人经验水平;第二阶段是设备故障诊断快速发展阶段,20世纪六十年代以后,随着现代科学技术水平的大幅度快速跃进,以传感器技术、测试技术及信号处理技术为基础现代设备故障诊断技术得到极大发展，设备故障诊断理论快速发展，故障诊断系统、仪器的大量研制，诊断方法百花齐放，尤其以机械振动信号测试、信号分析处理、故障特征提取为基础的振动故障诊断技术在机械设备故障诊断中得到广泛应用；第三阶段是设备故障诊断智能诊断技术阶段，20世纪80年代中期以后，机电设备日益向大功率、多功能化、复杂化、智能化方向发展，而随着人类科技文明的进一步发展，设备故障智能诊断技术也得到了飞速发展，基于知识的人工智能故障诊断系统层出不穷，如故障诊断专家系统、模糊故障诊断系统、灰色理论、人工神经网络、远程网络故障诊断等等新概念诊断模式在生产实践中得到进一步的推广应用[5]。齿轮箱状态监测与故障诊断的研究最早始于20世纪60年代，根据诊断方法一般可以分为两大类：一类是根据摩擦磨损理论，通过铁谱技术分析齿轮箱润滑油中的磨屑颗粒性质大小特征来诊断齿轮箱的运行状况及发展趋势，目前在某些行业也广泛应用，如神东矿区采煤机、刮板运输机等矿山设备采取铁谱分析技术来对各类关键齿轮箱状态作监测，并取得一定的效果；另一类则通过对齿轮运行中的动态信号分析处理来诊断齿轮箱的运行状况，由于振动信号便于采集记录、信号处理技术的飞速发展以及不易受到干扰等优点，在世界各国工业设备管理中更大范围内被广泛采用[6]。目前齿轮箱故障诊断研究主要集中在齿轮箱故障机理研究、振动信号处理和典型故障特征的提取、诊断方法和人工智能技术的应用及齿轮箱状态监测系统和仪器研制四个方面。（1）齿轮箱故障机理的研究故障机理研究是设备状态检测与故障诊断的理论基础，是获得正确诊断结果的前提条件。它是以现代数学、线性和非线性动力学理论、动力学、材料力学、摩擦学、振动与噪声、物理、计算机技术等众多学科为基础，根据所研究对象的故障特点，结合数字模拟仿真和实验研究，建立设备故障对应的数学物理模型，模拟故障的动力学特性，最后通过实验验证,了解故障的形成与发展过程，从而掌握故障的产生原因及故障与特征之间的复杂关系[7]。早在一百多年前，人们就已经开始对齿轮箱的振动和噪声机理进行了研究。但直到上个世纪六十年代中期，齿轮的振动和噪声才成为评价一个齿轮箱传动系统好坏的重要因素，并引起了世界范围内各国学者的广泛关注。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报告，其中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。另外，如美国的Buckingham和德国的Niemann也对齿轮箱的振动和噪声机理作出了自己的研究。我国很多学者教授对齿轮箱故障机理也很了很多研究，如丁康等对齿轮箱典型故障振动特征与诊断策略进行了研究、李润芳等研究齿轮系统动力学，研究齿轮振动、冲击及噪声机理，研究表明啮合刚度、啮合误差、及啮合冲击内部激励是齿轮振动是根本因素，并研究了齿轮系统振动分析模型。在齿轮箱轴承故障诊断方面也开展了大量的理论及实践研究。近年来，国内大批科研院所博士硕士在相关科研课题资金资助下大量开展齿轮箱故障诊断研究工作，并取得了可喜的研究成果[8][9][10][11]。（2）振动信号处理信号处理与典型故障特征提取技术是通过对传感器采集的信号进行有效的分析与处理，提取出能敏感反映设备运行状态的典型故障特征信息。齿轮箱振动信号的处理是齿轮箱故障诊断的关键，国内外学者在这方面研究取得了重要的成果[]。近几十年来，信号处理技术经历了由时域－频域－时频域发展过程。传统的时域分析包括时域波形分析、时域参数统计分析，包括最大值、峰峰值、均值、均方值、和方差等，及无量纲的特征值指标，其中有方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标等。基于传统的傅里叶变换的经典的频谱信号分析方法，如频谱分析、倒频谱分析、细化分析、Hilbert包络解调分析等在指导齿轮箱等机电设备故障诊断实践应用中取得了巨大的成果，目前我国研制的大多数设备故障诊断仪器最普遍配置基础频谱分析功能，基本能满足实际生产需要。但是傅里叶变换对是建立在信号平稳性假设理论基础之上的一种时域和频域的全局性变换，它对分析平稳（或准平稳）程的振动信号是十分有效，但对非平稳性信号则表现不尽人意，不能很好地提取非稳性信号的特征。由于机械设备在运行过程中由于阻尼、刚度、弹性等非线性及动态响应的非线性，反映在其振动信号上也具有非平稳性。当齿轮箱发生冲击、碰摩、裂纹故障障时，其振动信号往往表现非平稳性，因此信号非平稳性是设备故障的最根本表征。对于这些非平稳性振动信号必须用非平稳信号处理方法，即时频分析，如短时傅里叶变换（ShortTimeFourierTransform，STFT）、Wigner-Ville分布、小波变换（WaveletTransform，WT）、Hilbert-Huang变换、信号肓源分析、双线性时间—频率变换等时频分方法[12]。（3）齿轮箱故障诊断方法的研究针对齿轮箱故障诊断，目前主要有振动信号处理诊断和油液铁谱分析技术诊断两大类，本课题将针对采煤机摇臂齿轮箱故障振动诊断进行研究。齿轮箱中齿轮、轴、轴承在工作时由于齿轮传动特性其内部激励原因会产生正常振动，若齿轮箱发生故障，其振动信号的幅值及频率成分均会明显变化，根据幅值及频率变化特点及典型齿轮箱典型故障振动特征就可以对齿轮箱故障进行诊断。振动诊断方法可分为简易、精密和自动智能诊断三种方法，简易诊断主要指对齿轮箱振动信号值（一般速度值，俗称振动列度）进行简单的定期检测，并参考相关振动标准，从趋势上观察齿轮箱运行状态的发展趋势。由于齿轮箱振动频率复杂性，齿轮箱出现故障征兆时往往需要定位诊断故障，所以工程实际中大多数情况下进行精密诊断。目前齿轮箱故障诊断正由常规的振动信号时域分析、频域分析到时频分析再到基于知识的人工智能诊断方向发展，最近十几年来，随着信号处理技术的发展和人工智能技术的发展及相关理论结合的齿轮箱故障诊断方法纷纷出现，并引起国内外专家学者广泛研究，如基于专家系统的故障诊断方法、基于人工神经网络（特别是三层BP网络）的故障诊断方法、基于模糊理论的故障诊断方法及基于支持向量机（SVM）故障诊断方法等，在齿轮箱故障诊断实践工程案例中也取得较好的效果[13][14][15]。（4）齿轮箱状态监测系统和故障诊断仪器研制目前国内外针对设备振动故障诊断系统和仪器研究进行了大量的开发，国内外均有相当成功的成熟产品用于工程实践中，如瑞典的SPM公司便捷式LEONOVA综合设备状态检测系统，美国罗克韦尔公司DP1500数据采集器，国内最早的北京振通检测技术研究所的振通904数据采集器，郑州大学振动工程研究所的eM3000设备远程监控与运行管理系统等，及近十年流行的基于PC机的虚拟仪器振动监测系统，如北京伊麦特公司EMT690系统等正广泛应用教学及工程实践，取得了较好的效益[16][17]。由于齿轮箱的结构复杂，实际工况多变，诊断中涉及的问题较多，现有的齿轮箱故障诊断机理、故障诊断理论、信号处理技术及诊断系统都不同程度的存在或多或少问题，主要体现在以下几个方面:(1)对齿轮箱故障和振动产生机理研究不够透彻，大多是定性的结论，建立完整的数学力学模型，进行定量分析存在着相当大的困难；(2)现行的诊断方法大多是以箱体振动信号进行研究，从现代信号处理技术上深入研究，而没有结合其它诊断方法，往往导致出现诊断误诊断；(3)当前理论研究上一般将齿轮箱作为一个线性系统进行研究，但在齿轮箱故障试验台及工程实践中表明，齿轮箱的振动涉及很多非线性因素；（4）齿轮箱故障诊断的专家知识库很缺乏，知识库可靠性和推广性差，很多诊断实例无法表达成通用的知识规则。由以上分析可知，深入研究齿轮箱故障机理，融合多种诊断手段，优化数学力学模型，构造专家知识库，进行人工智能、神经网络等方面的探索以及新型信号处理方法的研究应用，基于虚拟仪器的设备状态检测与故障诊断系统将是当前齿轮箱故障诊断的发展方向[18]。1.2.2摇臂齿轮箱故障诊断现状由于煤矿井下生产作业环境恶劣，采煤机摇臂齿轮箱安装方式特殊，采煤机生产工艺等特点，采煤机振动复杂，影响因素多，目前国内外针对摇臂齿轮箱故障诊断振动诊断未见相关文献报道。据外方服务工程师反馈，国外先进采煤国家如德国等主要基于摇臂齿轮箱设计优化，加强零部件质量，摇臂齿轮箱加载试验台试验或计算机模拟仿真试验等技术来提高采煤机摇臂齿轮箱工作可靠性；加强采煤机摇臂齿轮箱现场运行维护，一旦出现故障按相关维护操作程序快速排除，若是不能迅速解决，则直接更换摇臂齿轮箱，不致于影响生产计划。目前国外先进采煤国家对摇臂齿轮箱现场运行状态监测一般是通过在摇臂齿轮箱内安装一个磁塞棒，通过定期开窗查看磁塞棒铁磁性磨损颗粒的多少来判断摇臂齿轮箱工作状态，现场仅仅通过采煤机司机经验，及摇臂齿轮箱异常噪声来处理摇臂齿轮箱相关简易故障，若发生严重故障，采煤机截割部不能工作，一般处理措施是直接更换截割部或摇臂齿轮箱（如美国煤矿安全生产法规规定采煤工作面两端至少是各三条大断面巷道，甚至是四条巷道，非常方便井下大型部件的运输及相关部件的解撤），以免影响生产。目前国外先进采煤国家基本停止摇臂齿轮箱润滑油铁谱分析。而国内方面，以神东为代表的采煤机摇臂齿轮箱状态监测主要采用以润滑油液铁谱分析技术，通过定期（一般15天，发现有异常现象则取油周期相应缩短）采集摇臂齿轮箱润滑油，通过铁谱分析对润滑油中铁磁性颗粒大小、形状、特征等参数进行定性或定量分析，目前一般以定性分析为主，以正常、轻微、异常、严重划分四个不同的状态等级，基本上一个较为模糊的判断，往往不能给现场设备运行以明确的诊断结果，造成一些突发性故障，严重影响生产的正常进行。铁谱分析的最大制约因素是人的主观判断，靠分析人员的经验来判断及采样、制谱过程不规范，往往造成严重误判，其发展程度正类似于设备状态监测的第一个阶段，目前对于构造一个针对特定设备如摇臂齿轮箱铁谱分析数据库，自动谱片分析智能系统对于提高铁谱分析精度和准确度有着十分重要的意义，但其工作繁杂，不适合地一般工矿企业来操作[19]。1.3本课题研究的主要内容及安排本课题针对工程实际问题，积极引入齿轮箱故障振动诊断方法于采煤机摇臂齿轮箱这一特殊领域，补充目前在煤矿广泛在用的铁谱分析方法之不足，更好地促进煤矿设备管理水平的提高，预防摇臂齿轮箱突发故障，提高摇臂齿轮箱工作可靠性，促进矿井均衡生产。各章主要内容安排如下：1首先阐明摇臂齿轮箱故障诊断研究的背景及意义，介绍齿轮箱故障诊断研究的现状及摇臂齿轮箱故障现场诊断的现状；2详细分析摇臂齿轮箱结构、摇臂齿轮箱失效形式、统计分析典型故障特征；3研究齿轮箱振动机理、失效形式分析及典型故障特征研究；4研究摇臂齿轮箱振动信号分析处理方法及摇臂齿轮箱故障诊断方法研究5针对摇臂齿轮箱故障进行现场离线测试，故障诊断案例分析6结论及展望2摇臂齿轮箱结构分析及典型故障统计分析2.1电牵引双滚筒采煤机简介图2-1典型现代交流变频电牵引双滚筒采煤机机型结构图如图2-1所示，采煤机主要由截割部、牵引部、电气控制箱、附属装置等组成。截割部包括截割电机、摇臂齿轮箱箱和螺旋滚筒以及滚筒调高装置。牵引部包括牵引部齿轮箱（俗称牵引块）和行走机构。电气箱包括动力电器、牵引调速控制系统电器、各种保护和故障诊断、状态显示、位置显示和报警装置等。附属装置包括采煤机导向装置、油箱、破碎机构以及冷却、喷雾系统等。采煤机割煤是通过装有截齿的滚筒的旋转和采煤机沿刮板输送机牵引运行而进行的。截割电机通过摇臂齿轮箱，将动力传递到滚筒，使之旋转实现落煤和装煤。牵引电机通过牵引齿轮箱减速使齿轨轮转动，通过与刮板运输机上链轨的啮合相对运动，实现采煤机牵引行走，滚筒连续切割割煤。通过螺旋滚筒叶片上截齿切割下的煤块，并将煤块抛至刮板输送机溜槽内，实现综采工作面连续生产作业。电牵引采煤机较传统的液压牵引采煤机具有牵引特性好、四象限运行、机械传动效率高、牵引力大、牵引速度高、可靠性高、易于实现微机自动控制、机械结构较简单、生产率高等优势，目前在世界范围内广泛应用并迅速取代液压、机械牵引采煤机。现代采煤机截割部为整体结构，截割电机、摇臂齿轮箱、螺旋滚筒构成截割部整体，与以往采煤机结构不同的是采用多电机横向布置,采煤机机身不设置固定减速部分，截割部截割电机减速直接通过摇臂齿轮箱直接将动力传递到螺旋滚筒[20][21]。目前神东矿区补连塔煤矿7米大采高综采工作面引进德国EICKHOFF公司生产的SL10006698交流变频电牵引双滚筒采煤机，该采煤机总装机功率达2590KW，截割滚筒直径达3.5米，截割电机功率达1000Kw，为目前世界上技术最先进采煤机之一。2.2EICKHOFFSL1000摇臂齿轮箱结构分析图2-2采煤机截割部结构示意三维图截割部通过连接板（俗称摇臂耳座）用销轴与采煤机机身联接，通过液压调高油缸来调整截割部滚筒的位置，以适应综采工作面煤层高度变化及生产工艺的需要。图2-8SL1000摇臂齿轮箱传动系统简图1滚筒；2直齿轮；3剪切轴；4截割电机；5剪切轴离合器表2-2EICKHOFFSL1000摇臂齿轮箱传动参数齿轮齿数模数

[mm]转速i=53.4

[r/min]z1307.51492z2417.51092z3427.51066z4288.51066z5398.5765z6388.5786z7398.5765z8398.5765z9226.5765z10456.5313z111136.50z12269.0125z13319.081z14909.00滚筒转速(nA)=27.9JOY采煤机与EICKHOFF采煤机两者无论是总体机械布局结构还是部件结构均相差不大。EICKHOFF摇臂齿轮箱相对JOY摇臂齿轮箱不同之处在于将直齿轮减速部分润滑油与行星头部分润滑油分开，各成系统，不互相影响；高速区直接采用两级减速（Z1、Z2、Z3）再经中间惰轮传递到低速区行星头[24]。从以上文字、图表分析可以看出，摇臂齿轮箱是一个非常复杂的机械传动系统。一般在井下现场出现故障特别是低速区故障和浮动密封损坏等突发性故障现场将无法维修，只有采取更换摇臂的方式来快速解决问题，以免影响到生产。2.3摇臂齿轮箱工况分析采煤机截割部摇臂齿轮箱作为采煤机关键动力传动装置,因其特殊的安装、运行方式、综采工作面生产环境等决定了其工况恶劣,主要表现在以下几个方面:1）、摇臂齿轮箱不像一般式业用齿轮箱固定安装，而是随采煤机截割部整体向上或向下倾斜、随着采煤机来回移动；2）、摇臂齿轮箱负载不均，随时可能受到来自大型煤块、煤矸石或误操作等因素致使摇臂齿轮箱瞬间受到巨大冲击；3）、采煤机振动源多，多电机振动（如截割电机、牵引电机等）、摇臂齿轮箱振动、牵引齿轮箱振动、采煤机自身行走与刮板运输机齿轨啮合振动、工作面不平等因素交叉振动均影响到摇臂齿轮箱振动。4）、综采工作面生产时煤粉尘及灭尘喷雾水等恶劣生产环境。2.4摇臂齿轮箱故障统计分析2.4.1摇臂齿轮箱故障统计分析针对神东矿区近年来进口电牵引采煤机摇臂齿轮箱典型故障统计分析可以发现摇臂齿轮箱主要故障源为高速区一级减速直齿轮及轴承、低速区两级行星轮系及浮动油封三大块[3]。表2-32005-2010采煤机摇臂齿轮箱典型故障统计分析故障模式高速区直齿轮及轴承低速区两级行星轮系浮动密封（冷却密封）频次211514(2）据统计数据可知，其中高速区故障主要指一级直齿轮系，主要包括高速齿轮如A、B齿轮及轴承，占摇臂齿轮箱总体故障比率42%（其中，JOY摇臂齿轮箱高速区相对故障率高，占80%左右）；低速区故障主要指两级行星轮系，特别是二级行星轮断齿、内齿圈断齿及大圆锥轴承故障占总体故障比例30%（其中，Eickhoff摇臂齿轮箱低速区相对故障率高，占70%左右）；浮动密封故障作为摇臂齿轮箱特有故障特征，其故障比重也非常大，如果出现故障，将引起摇臂齿轮箱漏油及煤尘等进入齿轮箱引发行星轮系及轴承二次事故，一直以来浮动密封问题是国内外采煤机摇臂齿轮箱一个大难题，故障率一直居高不下[25][26][27]。2.4.2摇臂齿轮箱故障原因分析高速区故障主要表现在高速齿轮齿面胶合和擦伤，在高速或重载齿轮传动中，由于摇臂齿轮箱润滑条件的恶化（如因浮动密封故障导致漏油）而致使啮合齿面间的油膜破裂，齿轮齿面在一定的压力作用下直接接触，“焊合”后又有相对运动，金属从齿面上撕落，或从一个齿面向另一个齿面转移而引起损伤。由于齿面间接触点局部温度升高，油膜及其它表面膜破裂，表层金属熔合而后又撕裂形成热胶合损伤，形成严重的振动和噪声。高速区故障往往表现为齿轮故障引起强烈振动及异常噪声及过热再引发轴承故障，最后往往要全部更换齿轮及轴承。低速区故障主要指两级行星轮系故障，特别是二级行星轮断齿、内齿圈断齿故障及摇臂齿轮箱大轴承故障。摇臂齿轮箱两级行星轮系是典型的低速重载区域，当摇臂齿轮箱受到冲击或过载，造成行星轮突然受冲击瞬间断齿或长期过载造成内齿圈疲劳点蚀、裂纹最终断齿故障，或大轴承故障磨损、剥落等故障最终引发行星轮系齿轮轴承故障。浮动密封主要用来防止漏油以及水、粉尘进入截割摇臂齿轮箱，其故障主要是浮动密封损坏，主要由于疲劳摩擦损伤，及润滑油变质，或磨损颗粒长期擦伤引起浮动密封故障，引起齿轮箱漏油故障，进而引发摇臂齿轮箱齿轮、轴承等相关故障。（1）高速区A、B齿轮及轴承故障高速区故障主要表现为A、B齿轮故障及轴承故障，主要表现为A、B齿轮齿面胶合损伤，磨损、过热变形及轴承点蚀失效。1）、齿轮箱密封失效漏油或油堵丢失漏油，致使摇臂齿轮箱高速区润滑不良、干摩擦、高温高速致使高速区齿轮胶合擦伤及轴承点蚀损坏：2）、齿轮质量问题、维修工艺差、安装工艺差造成摇臂齿轮箱高速区齿轮及轴承意外故障；3）、综采工作面条件差，如遇构造带强行割矸石，负荷过大造成摇臂齿轮箱高速区齿轮疲劳损伤；4）、摇臂齿轮箱出现异常现象，如异常噪音、漏油，没有及时处理，造成事故进一步扩大,甚至损伤到C、D、E等齿轮。（2）低速区两级行星轮系统低速区两级行星轮系统故障，主要表现为二级输出行星轮及内齿圈碎裂、大圆锥轴承故障、行星输出架损坏及一级行星系统等故障。1)、疲劳损坏（往往油液铁谱分析有异常磨损现象而没有及时处理）；2）、大圆锥轴承点蚀故障；3）、齿轮箱漏油引起干摩擦及颗粒污染导致行星轮及内齿轮圈齿轮故障；4）、截割电机剪切扭矩轴没有起到过载保护作用，受强载荷冲击而损坏二级。（3）密封故障密封故障主要指摇臂齿轮箱二级输出行星架浮动密封故障。1）、浮动密封质量问题；2）、安装不良；3）、疲劳损坏4）、密封结构设计不合理；本课题将主要针对高速区及低速区齿轮轴承作振动故障诊断研究，暂对浮动密封故障不作具体研究，针对浮动密封故障，目前可以采取的措施主要是改进浮动密封结构形式、优化密封结构、提高密封件质量、正确安装等[]。二级行星轮齿断齿图2-9二级行星轮断齿故障二级行星轮齿断齿二级行星系统内齿圈断齿二级行星系统内齿圈断齿图2-10二级行星系统内齿圈断齿2.5本章小节本章首先对现代采煤机结构、工作原理作简单介绍，然后对摇臂齿轮箱结构进行分析,再针对摇臂齿轮箱常见典型故障进行统计分析，得出摇臂齿轮箱主要发生在高速区、低速区及浮动密封三大类故障模式，简要分析摇臂齿轮箱工况，及故障原因。3摇臂齿轮箱振动机理及故障特征分析3.1齿轮振动机理分析齿轮箱传动系统主要包括齿轮副、轴、轴承和箱体四大件，也可以包括与齿轮传动有关的联轴器、原动机和负载等。齿轮箱传动系统是一个非常复杂的非线性机械振动系统,理论上要建立起其完整的非线性振动模型是非常困难的，在研究齿轮及齿轮箱故障时，往往忽略其次要因素，抓住问题的本质，通常将齿轮传动副进行简化。现以单对齿轮传动副作为一个振动系统来分析研究，其振动物理模型简化为如图3-1所示。图3-1单对齿轮啮合物理模型根据振动理论，该齿轮副可以看作一个振动系统,其动力学方程可以简化为M+C+k(t)=F(t)(3-1)式中：为沿啮合线上齿轮相对位移(=);M为当量质量，M=(m1m2)／(m1+m2)：C为齿轮副啮合阻尼；K(t)为啮合刚度；F(t)为外界激励。F(t)为外界冲击激励，其包含齿轮正常啮合产生的振动及齿轮及齿轮箱故障缺陷产生的激励冲击，它的变化受齿轮啮合刚度和传动误差变化的影响，同时还与齿面摩擦力方向的变化有关，在润滑状态良好时，且齿面粗糙度较低的情况下，齿面摩擦力的变化对啮合振动的影响较小，通常可以忽略不作考虑，从而表达式可以进一步表示为

M+C+k(t)=k(t)E1+k(t)E2(t)(3-2)其中，E1：齿轮受载后的平均静弹性变形；E2(t)：齿轮误差和故障造成的两个轮齿间的相对位移，又称故障函数；k(t)E1：表示为齿轮正常状态工作时的常规振动：k(t)E2(t)：表示为齿轮缺陷时引起的异常振动，取决于齿轮啮合刚度和故障函数[28][29]。3.1.1齿轮系统振动动态激励分析齿轮系统的振动激励分为外部和内部激励两大类，外部激励指系统外部对齿轮传动系统的激励，一般反映原动机的驱动力矩和负载的阻力及阻力矩，外部激励与一般机械系统是一样的，而内部激励是齿轮副啮合过程中产生的，是齿轮传动系统所特有的，内部激励是齿轮传动振动机理分析主要研究的对象。内部激励包括刚度激励、误差激励及啮合冲击激励三大类。1、刚度激励由式3-2可见，齿轮箱中齿轮副啮合的振动的本质是由齿轮啮合刚度及齿轮故障共同引起的。由齿轮副啮合原理可知，齿轮啮合的重合数大多不是整数，啮合过程中同时参与啮合的齿对数随时间而周期变化，啮合刚度K(t)为周期性的变量，时变啮合刚度K(t)的变化可用两点来说明，一是随着啮合点位置的变化（主动轮啮合点位置从齿顶到齿根，从动轮相反），参加啮合的轮齿的在齿面上位置发生了很大的变化，齿轮承载刚度发生了变化，二是参加啮合的齿数在变化（啮合从单齿啮合到双齿啮合再到单齿啮合），单齿啮合时刚度较小，双齿啮合时啮合综合刚度较大。从齿轮啮合传动原理可知，齿轮的啮合刚度变化规律取决于齿轮啮合的重合系数和齿轮的类型。综上所述,齿轮轮齿的刚度激励实际上是由于啮合过程中单、双齿对啮合交替出现导致轮齿综合啮合刚度和轮齿载荷周期性变化所引起的对齿轮系统的动态激励[]。图3-2齿轮齿面承载刚度图3-3齿轮啮合刚度曲线2、误差激励由式3-2可见，引起齿轮传动系统的振动另一部分是由齿轮误差和故障造成的。由于齿轮加工、安装及运行过程中所引起的齿轮齿廓表面相对于理想齿廓位置的偏移是齿轮传动系统的误差激励，它是啮合齿轮间的一种周期性位移激励。一般又可以分为齿距偏差和齿形偏差两种形式。3、啮合冲击激励由于齿轮的误差，齿轮副啮合过程中，轮齿在进入和退出的啮合点会偏离理论啮合点，产生线外啮合，使啮合齿面间啮入、啮出产生冲击力，引起齿轮振动[30]。3.1.2齿轮故障失效形式分析据相关资料统计[31]。齿轮的失效占齿轮箱零部件失效的比例大概占到60%左右，因此分析齿轮失效形式对于齿轮故障诊断有着非常重要的意义。齿轮在运转时，由于齿轮制造时可能存在误差、装配工艺不当或操作维护不到位，齿轮会产生各种形式的失效，齿轮失效形式又随着齿轮材料、热处理、运转状态等因素的不同而改变。常见的齿轮失效形式有齿轮齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、断齿[32][33][34]。1、齿面磨损齿轮在啮合过程中，在轮齿啮合接触表面出现材料摩擦损伤的现象称为齿面磨损，严重的齿面磨损，会导致轮齿改变，增大啮合误差，振动噪声增大，齿轮传动效率降低，甚至导致齿厚变薄齿轮断齿。根据磨损性质的不同可以分为磨料磨损和腐蚀磨损两大类。（1）磨料磨损在齿轮啮合过程中，若润滑油供应不足、油质变异或者外来的金属或非金属小颗粒出现在齿轮啮合表面，将直接导致齿面发生强烈的磨粒磨损，磨粒磨损的进一步发展会使齿轮齿形改变，侧隙加大，引起振动噪声增大，齿厚减薄，甚至出现“刀片”状齿尖，最终可能引起齿轮断齿严重故障。（2）腐蚀磨损腐蚀磨损以化学腐蚀作用为主要特征，并伴有机械磨损的一种损伤形式，润滑油中的活性成分(酸、水分等)和齿轮材料发生化学反应，造成齿轮腐蚀，伴随着齿轮的啮合形成化学机械综合腐蚀，从而导致腐蚀磨损。严重的腐蚀磨损也会导致齿轮齿厚变薄。2、齿面胶合和擦伤胶合和擦伤一般发生在重载或高速的齿轮传动系统中，主要由于齿轮润滑条件的不合适而导致啮合齿面间的油膜破裂，此时，在重载或高速情况下，齿轮啮合齿面直接接触，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，形成一种十分严重的损伤现象。新齿轮未经跑合时，常在某一局部产生也这种现象，使齿轮擦伤。齿面胶合又分为热胶合和冷胶合两种形式。（1）热胶合损伤常常在高速齿轮中，由于齿面间接触点局部温度升高，润滑油膜破裂，啮合齿面金属熔合而后又撕裂损伤。（2）冷胶合损伤一般在重载低速传动情况下产生的，由于局部压力过高，表面油膜破裂，造成啮合齿面直接接触，在高压力下产生塑性变形，接触点由于分子互相的扩散和局部再结晶而粘合，当滑动时，粘合结点被撕开而形成冷胶合损伤。3、齿面接触疲劳齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，在这两种力的作用下使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的切应力，轮齿在这种切应力反复作用下，引起局部金属剥落而造成点蚀损伤，其损伤形式根据轻重程度不同可以分为麻点疲劳剥落、浅层疲劳剥落和硬化层疲劳剥落。（1）麻点疲劳剥落齿轮在接触应力作用下，啮合齿轮表面呈点蚀、片状的疲劳损伤，称为麻点疲劳剥落，形成深度小于0.1mm,直径小于1mm的初始细小麻点，在接触应力较大循环次数较多的情况下，初始麻点再引发次生裂纹，发展成剥落面积较大、较深的剥落坑，进而形成破坏性麻点。（2）浅层疲劳剥落比麻点剥落大而深的接触疲劳剥落损伤称为浅层疲劳剥落，发生在硬化层深度范围以内，往往发生在齿轮表面粗糙度低，相对摩擦力小的场合。（3）硬化层疲劳剥落经表面强化处理的齿轮在工作过程中出现在块状剥落，深度达到硬化层过渡区，称为硬化层疲劳剥落，一般发生大功率重载低速齿轮箱中，是一种严重的齿轮故障。4、断齿齿轮在啮合传动过程中，其根部受到脉动循环应力作用，当这种周期性的应力过高，或其它原因使齿轮强度降低，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，或是在齿轮啮合过程中受到严重冲击过载时，也会引起齿根裂纹，当其它部分无法承担外载荷时，齿轮将发生严重故障断齿。3.1.3齿轮振动信号的调制分析一对正常啮合的齿轮，参与啮合的齿数由一对变为两对，又由两对变为一对，形成单、双齿啮合交替，因对齿轮施加一个周期性冲击力，从而形成齿轮啮合振动。其啮合频率及谐频成分为：（3-3）——谐波幅值；——啮合频率；——谐波相位；M——啮合频率的最大谐波数；，其中，N为齿轮轴转速（r/min）;Z为齿轮的齿数；为齿轮轴旋转频率；（3-4）当齿轮出现故障或齿轮箱轴承、轴等出现故障时，反映在齿轮啮合时常产生冲击，振动信号出现不同程度的调制现象（低频信号特征量控制高频信号相应特征量），在齿轮的振动频谱图中，常见到在啮合频率或其谐波频率两侧存在一些等间距的复杂频率成分，这些频率成分称为边频带，它反映了振动信号的调制特征。边频的增多在某种程度上揭示了齿轮箱故障的发生，边频的距离反映故障的来源，其幅值反映了故障的严重程度。因此，对齿轮振动信号中出现的调制现象进行分析，有效地区分不同的调制型故障的振动特征，识别边频带特征，在很大程度上就决定了齿轮故障诊断的成败。在齿轮啮合传动过程中，载荷、刚度及转速的波动和齿轮由于加工误差、传动误差、啮合冲击等都会使齿轮振动信号发生变化，影响到其幅值和频率（相位）的变化，产生幅值调制和频率调制现象。1、幅值调制分析[35][36]设调幅信号数学模型如下：（3-5）其中，A为调幅信号幅值，为调制频率(一般为轴转频率)，B为调制系数，载波频率（一般为齿轮啮合频率）。将式（2）展开如下：（3-6）式（3-6）中，如果只考虑正频率部分的傅里叶变换，得（3-7）从式（3-7）中看出调幅信号含有的频率成分为、、，对应的幅值分别为、、，它们是以为中心，以为间隔的对称边频，如图3-4所示。图3-4幅值调制边频带[]2、频率调制分析设调频数学模型如下：（3-8）其中A为调频信号幅值，为载波频率，调制频率，调制系数。将式（3-8）由欧拉公式展开如下：根据Bessel恒等式，得（3-9）其中（——变量的第一类Bessel函数。式（3-9）只考虑正频率部分的傅里叶变换为：（3-10）根据Bessel函数性质，，从式（3-10）中看出，调频信号包含一组以为中心，以间隔对称颁布的调制边频带。图3-5频率调制边频带3、调幅调频综合调制分析设调幅调频数学模型如下：（3-11）式中，A为信号幅值，为调制频率（调幅和调频为同一调制源），B为调幅系数，为载波频率，为调频系数。根据（3-9）式推导结果，将式（3-11）展开得，（3-12）式（3-12）只考虑正频率部分的傅里叶变换为，（3-13）从式（3-13）中可以观察到，调幅和调频同时存在时，信号包括分别以、、为中心，间隔都为的三组频率成分进行失量叠加的一组频率成分，下面计算两边频率对应的幅值的关系：（3-14）（3-15）式中K为正整数。比较式（3-14）和式（3-15），由于＜０或者＜０，因此，无论Ｋ取何值，式（3-14）与式（3-15）幅值都不会相等，即（K＞0）(3-16)由式（3-16）知，调幅与调频率同时存在时，振动信号的调制边频带不再对称。图3-6调幅调频边频带不对称图3.2滚动轴承故障机理分析3.2.1滚动轴承振动机理分析滚动轴承振动主要是由自身结构特点和轴承故障产生的,其振动机理如图3-7所示。图3-7滚动轴承振动机理1、滚动轴承结构特性引起的振动滚动轴承作为回转支承构件,在回转轴载荷作用下，最下面的滚动体受力最大，最上面的滚动体受力最小，其余滚动体的受力大小根据其位置的不同而呈类似扇形分布。在滚动轴承在旋转过程中，最下面的滚动体从载荷中心线下面向非载荷中心线位置滚动，其接触力由大变小，引起轴颈中心的位移。轴颈中心不仅有上下方向的微动，随滚动体位置的变化，还有水平方向的微动。因此，只要轴在旋转，每个滚动体通过载荷中心线时，就会发生一次力的变化，对轴颈和轴承座产生周期性冲击激励作用，这个激励频率称为通过频率(3-17)其中,为保持架旋转频率；z—轴承内滚动体的个数。2、滚动轴承故障引起的振动滚动轴承处于运转状态时，由于润滑不良、载荷过大或者冲击等原因都可能会在滚动轴承的内外圈滚动体上起剥落、裂纹、压痕等缺陷或局部的损伤。滚动体在通过故障部位时会产生一个微弱的但能够激起轴承内组件固有频率振动的高频冲击脉冲信号。因此，由轴承故障引起的振动信号，其频率成分中不但包含了轴承故障特征的频率，而且还包含轴承部件的自振频率。滚动轴承部件的损伤形态与轴承所在轴的旋转速度决定了滚动轴承故障振动的频谱结构。3.2.2滚动轴承故障故障特征频率分析齿轮箱中滚动轴承一般由轴承内圈、轴承外圈、滚动体与保持架四大部件构成。一般情况下，轴承外圈保持不动，轴承内圈随回转轴旋转。如图3-8所示为滚动轴承的典型结构。图3-8滚动轴承典型结构图图中，D—轴承滚动体中心所在圆的直径；d—滚动体的直径；Z—滚珠数目；r1—轴承内环滚道半径；r2—轴承外环滚道半径；a—接触点中心线与滚珠中心线的夹角。滚动轴承在运行中发生的故障，一般可分为两类：一类可称为磨损类故障，由于零件的磨损造成间隙逐渐变大，振动增大，这是一种渐变性的故障，振动时域波形没有规律性，随机性较强，通频带振动幅值往往增大，能明显反映出滚动轴承故障发展趋势；另一类是轴承元件表面损伤性故障，包括滚珠、内圈、外圈滚道等表面点蚀、金属剥落或擦伤等。当轴承元件滚过表面损伤点时，即会产生突变的周期性冲击脉冲力，这是损伤类故障的基本特征。磨损类故障一般有一个较长的发展过程，可以通过定期对轴承振动总量进行监测，并作趋势分析进行预防，而损伤类故障是一种突发性又比较危险且早期症状较难识别的一类故障，该类故障正是进行轴承故障诊断时需要加以研究的重点[37]。轴承故障诊断的关键是获取滚动轴承故障特征频率。滚动轴承在运行过程中，轴承元件的工作表面损伤点反复撞击与之相接触的其它元件表面而产生低频振动成分，频率一般在1kHz以下，该频率称为轴承故障特征频率，参考相关文献计算方法如下[38]：在实际工作中，有时可能无法得到滚动轴承的几何尺寸，可以根据经验，对于安装方式为内圈旋转、外圈固定的轴承可按轴承的滚珠数来估算其内外圈的故障频率。即0.6Z×为内圈故障频率，0.4Z×为外圈故障频率。此外，滚动轴承在其运转过程中，由于滚动体与内圈或外圈故障产生周期性冲击可能激发起起轴承各元件的固有频率。轴承元件的固有频率仅取决于其材料、结构、尺寸和质量及安装方式。滚动体固有频率为：(3-18)轴承内、外圈在其环平面内的固有频率的计算公式：(3-19)式中，r—滚动体半径；ρ—滚动体密度；I—套圈截面绕中性轴的惯M—单位长度质量；E—弹性模量；n—固有频率的阶数；—回转轴线到中性轴的半径。当轴承元件表面产生局部损伤时，轴承系统在运转时就会产生周期性的脉冲激励，而脉冲力是一宽频带信号，在其高频区必然会包含加速度计或某些机械结构的谐振频率，激起较大的激励响应。这些响应频率作为载波频率与滚动轴承的故障频率会产生调制。因此通过高频解调方法(如共振解调)可以将轴承故障频率信号从高频信号中解调出来，从而能有效提高滚动轴承故障信号的信噪比。对于滚动轴承振动的频谱结构，可分为三个部分：图3-9滚动轴承振动信号频率颁布图(1)低频段频谱(1kHz以下)，包括轴承的故障特征频率及加工误差引起的振动特征频率。通过分析低频段的谱线，可以监测和诊断相应的轴承故障。但是由于这一频段易受齿轮箱齿轮振动的影响，并且在轴承故障初期反映局部损伤故障位置的特征频率成分信息的能量小，常常淹没在齿轮振动或噪声信号中，因此低频段频谱不易于诊断轴承的早期局部损伤故障。但通过低频段的分析，可以将轴承装配不对中、保持架变形等故障诊断出来。(2)中频段频谱(1kHz～20kHz以下)，主要包括轴承元件表面损伤引起的轴承元件的固有振动频率。分析此频段内的振动信号可以较好地诊断出轴承的局部损伤故障。通常采用共振解调技术，获得信噪比较高的振动信号，进而分析轴承故障。(3)高频段频谱(20kHz以上)。如果测量用的加速度传感器谐振频率较高(40kHz以上)，那么由于轴承损伤引起的冲击在20kHz以上的频率也有能量分布，所测得的信号中含有20kHz以上的高频成分。对此高频信号进行分析就可以诊断出轴承的早期相应故障[39]。3.2.3滚动轴承失效形式分析滚动轴承故障有多种失效形式，一般可能归纳为磨损失效、疲劳失效、断裂失效、压痕失效和胶合失效（1）滚动轴承的磨损失效磨损失效是滚动轴承最常见的一种失效形式之一。一般是由于滚动轴承润滑条件不好或润滑剂有尘埃或变质引起轴承回转部件之间直接接触导致机械摩擦或微小颗粒磨损，导致轴承滚动体或内外圈滚道上出现不均匀的划痕。持续的轴承磨损会增大轴承游隙，增加其接触表面粗糙度，乃至降低轴承运转精度，导致机器的运动精度降低，使得振动与噪声增大。（2）滚动轴承的疲劳失效疲劳失效是滚动轴承的另一种主要失效形式之一。常常表现为滚动体或滚道表面点蚀或剥落。其初期是在轴承元件滚动体或内外滚道表面上形成不规则的点蚀，再慢慢发展到逐渐延伸成片。在滚动轴承在工作时，由于滚动体与内、外圈接触面积很小，因此接触压力很大。在高速旋转时，由于巨大交变接触应力多次反复冲击作用，轴承元件金属表面就会发生疲劳点蚀，产生剥落，形成小凹坑。造成滚动轴承疲劳失效的主要原因是载荷引起的交变应力。（3）滚动轴承的断裂失效轴承零件的裂纹与破断主要是由于磨削作用或热处理不到位引起的，也有的是由于运行时承载载荷过大，转速过高，润滑不良或装配不善，使轴承某个部位发生应力集中，产生点蚀引发裂纹，进而导致轴承元件断裂。（4）滚动轴承的压痕失效压痕是主要是由于轴承过载、撞击或异物进入滚道内使得滚动体或滚道表面上产生局部塑性变形而出现的凹坑。当轴承装配不当时，也可能造成轴承压痕损伤，并引起轴承回转周期性冲击力，导致轴承失效。（5）滚动轴承的胶合失效胶合指滚道和滚动体表面因过热而局部融合在一起而引发的轴承失效，常常在高速、高温、重载及润滑不良等情况下产生[40][41]。3.3齿轮箱故障振动信号分析及摇臂齿轮箱典型故障特征分析3.3.1齿轮箱故障振动信号分析由前面章节分析可知，齿轮箱振动主要是由于齿轮啮合引起的常振动及由故障函数引起的非正常振动和轴承故障引起的振动组成。当齿轮、轴承或轴出现故障时，齿轮箱振动信号呈现出不同程度的调制现象，表现在频谱图上出现形式各异的调制边频带，根据齿轮箱故障形式及故障程度的不同将有不同形式振动信号调制特征[42]。一般来说，齿轮箱故障振动频谱由以下几种频率成分组成：1、各轴旋转频率及其高次谐波频率；2、齿轮啮合频率及其高次谐波频率；3、以齿轮啮合频率及其高次谐振波为载波频率，齿轮轴旋转频率为调制频率的齿轮啮合调制现象而产生的边频带；4、以齿轮固有频率为载波频率，以齿轮所在轴的旋转频率及其高次谐波频率为调制频率的固有频率共振调制现象而产生的边频带；5、以齿轮箱箱体固有频率为载波频率，以齿轮所在轴的旋转频率及其高次谐波频率为调制频率的箱体共振调制现象而产生的边频带；6、以轴承外圈固有频率为载波频率，以滚动轴承通过频率为调制频率的调制现象而产生的边频带；7、其它成分（主要包括附加脉冲与隐含谱线及交叉调制成分）。3.3.2摇臂齿轮箱主要故障形式及振动信号故障特征[43][44]根据第2章节分析，摇臂齿轮箱故障主要发生在高速区及低速区行星轮系齿轮及轴承。主要故障为一级直齿轮及轴承故障，行星轮系行星轮、内齿圈、大轴承等。1、齿轮齿形误差齿形误差是指齿轮齿形偏离理想的齿廓线，其中包括制造误差、安装误差及运行过程中由于各种故障原因产生的误差。包括齿面塑性变形、表面不均匀磨损等，频谱结构以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，齿轮所在轴旋转频率及其倍频为调制频率的啮合频率调制。当齿形误差严重时，由于激振能量较大，以齿轮各阶固有频率为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制；振动能量和包络能量有一定程度的增大。2、齿轮均匀磨损齿轮均匀磨损时由于无冲击振动信号产生，所以不会出现明显的调制现象。当磨损达到一定程度时，齿轮啮合频率及其谐波的幅值明显增大，阶数越高，幅值增大的幅度越大，振动能量有较大幅度的增加。3、断齿断齿是一种严重的齿轮故障，主要形式分为疲劳断齿轮和过载冲击断齿，其中大多数为疲劳断齿，断齿时其振动信号冲击能量大，时域表现为幅值很大的冲击振动，频谱主要以齿轮啮合频率及其高次谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制，调制边频带宽而高，甚至出现齿轮固有频率调制现象。4、滚动轴承疲劳剥落和点蚀齿轮箱中滚动轴承最典型的故障为内圈、外圈和滚动体疲劳剥落和点蚀，在其频谱的中高频区外圈固有频率附近出现明显的调制边带，产生以外圈固有频率为载波频率，以轴承通过频率为调制频率的固有频率调制现象。只是由于滚动轴承产生的振动在齿轮箱中与齿轮振动相比能量较小，解调谱中调制频率幅值一般较小。5、箱体共振当摇臂齿轮有严重故障如断齿或齿轮箱承受巨大的外界冲击过载时，会引发摇臂齿轮箱箱体共振现象，齿轮啮合频率及其谐波幅值将增大，且引起箱体共振信号调制现象。3.4本章小节本章首先分析对齿轮振动机理、失效形式及信号调制进行分析研究，再对滚动轴承振动机理及常见失效形式进行分析研究，然后对摇臂齿轮箱故障典型失效形式及振动信号主要组成成分进行分析研究。4信号分析方法研究4.1振动信号时域分析4.1.1时域波形分析时域波形分析是齿轮箱故障振动诊断中最直观的分析方法,通过观察时域波形对齿轮箱有无故障作初步的判断,而对于齿轮某些典型故障，有经验的设备现场维护人员可以直接通过观察振动时域波形的特征来获取齿轮箱故障信息，从而做出初步的判断[45]。表4-1常见齿轮故障的振动时域波形及频谱特征的对照表`观察信号时域波形，可以对所测齿轮箱振动信号有个大概的了解：1、观察时域波形有无明显的周期性；2、定期观察振动信号幅值有无变化，是否明显异常；现场设备运行维护人员可以对齿轮箱状态作出有无故障及故障严重程度如何的初步判断。4.1.2时域特征值统计分析时域特征值根据有无量纲分为两大类，一类是常用的有量纲统计特征值，包括最大值、最小值、峰值、均值、均方值和方差等；另一类称为无量纲的特征值，包括方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、波形指标、峰值指标、脉冲指标和裕度指标等。在齿轮箱的状态检测和故障诊断中，要特别注意这两类指标的综合运用，有量纲特征值一般随着齿轮箱的不同而改变，不同种类和大小的齿轮箱测量得到的有量纲特征值是不可对比的，有时甚至同种类和大小的齿轮箱在不同工况下测量得到的有量纲特征值也不能直接进行对比分析。而不同种类和大小的齿轮箱测量得到的无量纲的特征分析值在一定的情况下是可以迸行对比分析的。对于有限长度的离散时间序列，其有量纲的统计特征值为：最大值（4-1）最小值（4-2）峰峰值（4-3）均值（4-4）均方值（4-5）方差（4-6）方根幅值（4-7）平均幅值（4-8）均方幅值（4-9）峰值（4-10）2、无量纲特征值峭度（4-11）波形指标（4-12）峰值指标（4-13）脉冲指标（4-14）裕度指标（4-15）利用有量纲的统计特征值进行时域分析，得到的结果不但与齿轮箱的技术状态有关，而且与齿轮箱的运行参数有很大的关系，所以在故障诊断进行比较时，必须保证齿轮箱运行参数基本一致和测试点一致;而无量纲特征值只与齿轮箱技术状态有关，齿轮箱对负荷和转速变化不敏感，是一种较好的诊断指标。在齿轮箱发生故障时，一般振动能量会有较大的增加，一般都会有冲击振动信号的产生。在有量纲的统计特征值中，方差直接反映了振动能量的大小，因此常用来作为重要的评价指标；振动速度的均方根值一般称为振动烈度，也是一个常用的重要的评价参量。在无量纲的统计特征值中，峭度、峰值指标和脉冲指标反映了冲击能量的大小，是齿轮箱故障诊断较好的评价参量[46]。4.1.3时域平均分析信号时域平均分析是从混有噪声干扰的复杂信号中提取特定周期分量的有效方法。同周期时域平均需要保证按特定整周期截取信号，并保证信号起始点的相位相同，在齿轮箱信号中，总是取齿轮所在轴的旋转周期的整数倍，通常的做法是，在测取齿轮箱振动信号的同时，记录一个转速同步脉冲信号，在做信号的时域平均时，以同步脉冲的整数倍来触发信号平均相加，随着平均次数的增加所在轴的齿轮回转频率、啮合频率等有效成分被保留，而其它振动信号及噪声部分得以减弱，由此可以得到较振动信号中周期性分量，观察时域波形就可以大致判断齿轮箱故障特征频率。图4-1时域平均分析原理其具体操作过程：在时域平均分析中需要拾取两个信号:一个是齿轮箱振动信号；另一个是转轴回转一周的时标信号。时标信号经过扩展或压缩运算，使原来的周期T转换为T’，相当于被检齿轮转过一整转的周期。这时振动信号就可以此周期T’截段迭加，然后进行平均。这种平均的过程实质上是在所摄取的原始信号中消除其它噪声的干扰，提取有效信号的过程。最后，再经过光滑化滤波，即可得到被检齿轮的有效信号。图4-2齿轮在各种状态下的时域平均信号图4-2是齿轮振动信号经时域平均技术分析后得到的波形图，振动信号时域波上较明显故障可以直观反映出来，如图4-3所示，图（a）是正常齿轮的时域平均信号，信号平稳，表明齿轮啮合正常，暂时没有故障趋势；图（b）是齿轮安装不对中时的时域平均波形图，从中可以看出齿轮振动信号受到幅值调制，从时域包络分析可以看到，调制频率较低，一般为故障轴所在旋转频率；图（c）是齿轮的齿面受到严重磨损情况下的时域平均分析波形图，时域波形平稳性被打乱，表现在时域统计特征幅值明显增大；图（d）为齿轮有局部剥落、裂纹或断齿时典型的时域平均波形，振动幅值在某一位置突然升高，现场将明显听到异常振动噪声，表明齿轮故障已达严重程度，情况不容乐观，需紧急处理[45][47]。4.1.4相关分析[48]信号的相关分析，指的是信号之间的线性联系或相互依赖关系，信号的相关分析可以分为自相关分析和互相关分析，这里只分析在设备故障诊断中常用的自相关分析。在设备故障诊断中，可以用信号的自相关分析来判断信号的中周期性成分，从而达到故障诊断的目的。在数学上可以用信号之间的内积来表示自相关函数，信号的自相关分析函数定义为：（4-16）在用振动信号诊断齿轮箱运行状态时，正常齿轮箱振动信号由大量、无序、大小近似相等的随机成分叠加而成，因此正常齿轮箱振动信号具有较宽而均匀的频谱结构，当齿轮箱出现故障趋势异常时，振动信号中将出现有规则、周期性的信号，其幅度要比正常振动信号的幅度要大得多。用自相关函数就可在复杂振动信号中发现隐藏的周期性分量，确定齿轮箱故障，特别对于早期齿轮箱故障特征，周期性信号不明显，直接观察难以发现，自相关分析就显得比较重要4.2振动信号频域分析频域分析是齿轮箱故障振动诊断最常用的分析方法。通过傅里叶变换（特别是快速傅里叶变换的应用）可以把信号从时域变换到频域,在频域上分析振动信号的组成结构,分析信号的主要频率成分的幅值和相位,可以揭示齿轮箱故障原因及程度,是为振动信号的频域分析故障诊断法。4.2.1信号频谱分析基础[49]1、傅里叶级数与离散频谱根据傅里叶级数理论,任何周期性信号均可以展开为若干个简谐振信号的叠加,设为周期信号,则有(4-17)式中,是静态分量,为基频,是第n次倍频(n=1,2,3….);=,是第n次谐波的幅值,是第n次谐波的相位。（4-18）式中，T为基本周期；是基频。如图4-3可见，周期信号可分为一个或多个谐振波的叠加，如果以频率为横座标，幅值和相位为纵座标可以得到信号的幅频谱和相频谱。图4-3周期信号的傅里级数分解2、傅里叶变换与连续频谱当周期信号是周期T趋于无穷大时，则该信号可以看成非周期信号，信号频谱的谱线间隔趋于无穷小，所以非周期信号的频谱是连续的。根据相关数学知识[50]可以推导非周期信号的傅里叶变换公式对为：（4-19）（4-20）3、离散傅里叶变换（DFT）由于傅里叶变换及其逆变换不能直接用于计算机计算，对于离散的数字信号进行傅里叶变换，需要借助离散傅里叶变换（DiscreteFourierTransform,DFT）。离散傅里叶变换公式为：（n=0，１，２，…N-1）（４-21）（k=0，１，２，…N-1）（４-22）式中，4、快速傅里叶变换（FFT）式（4-21）、（4-22），提供适合于计算机计算的离散傅里叶变换的公式，但是其计算算法复杂，计算量非常大，对长序列的DFT，因计算工作量大，计算时间长限制了其实际应用，1965年美国学者Cooley和Tukey提出了基于离散傅里叶变换的快速算法FFT。FFT的基本思想是把长度为2的正整数次幂的数据序列{}分隔成若干较短的序列作DFT计算，用以代替原始序列的DFT计算，然后再把它们合并起来，得到整个序列{}的DFT。4.2.2功率谱分析功率谱分析反应信号在频域上随频率f的分布，它将对信号中主要频率成分幅值进行放大，突出振动信号的主要频率成分。信号自功率谱密度函数（自谱）可以定义为信号自相关函数的傅立叶变换，记为Sx(f):（4-23）图4-4是某齿轮的模拟故障信号的时域波形及其功率谱。在时域波形中，由于噪声的作用，不能发现明显的故障特征，当对其作功率谱分析，在功率谱上可以看出相应的故障频率及其幅值大小及信号边频成分，根据每根谱线所对应的频率和幅值就可以判断齿轮的运行状态及故障类型[34]图4-4信号时域波形及其功率谱4.2.3频谱细化分析（ZOOM-FFT）[51]细化谱分析是在频谱分析中用来提高频谱中某些部分频率分辨率的方法，具有“显微放大”的作用。在故障诊断中,故障的特征频率往往只集中在某一频段范围内,根据故障敏感频段内各频率成分的变化情况,便可知道故障产生的原因和程度。为了提高诊断的准确性和可靠性,须在该频段内有较高的频率分辨率。ZOOM-FFT技术实质上是一种选带分析技术,它利用移频原理,将时域样本进行改造,使相应频谱原点移到感兴趣的频段的中心频率处,再重新采样作FFT分析,即可得到更高的分辨率。其原理如图4-5所示。图4-5复调制细化分析原理图4.2.4倒频谱分析[51]倒频谱分析也是信号分析中常用的一种频率分析手段，它可以发现隐藏在信号中的周期分量，突出微弱信号成分，且其不受传递路径的影响。其往往作为功率谱分析的辅助谱，对于更好确定功率谱中调制边频率有较好的分辨作用。设时域信号的傅里叶变换为,功率谱函数为,倒频谱的定义就是对功率谱的对数值进行傅里叶逆变换,倒频谱函数(PowerCepstrum)的数学表达式为(4-24)式中,q为自变量,也称为倒频率,它具有与自相关函数中的自变量相同的时间量纲,q值大者称为高倒频率,表示谱图上低频振动,q值小者称为低倒频率,表示谱图上高频振动。某一级齿轮传动箱，技术参数如下：主动轴转速n=1500r/m，=30,=38。振动信号的功率谱和倒频谱如图4-6、4-7所示。图4-6振动信号的功率谱图4-7振动信号的倒频谱从图4-6中可以看出在755赫兹附近有异常异常振动信号，齿轮的啮合频率=1500/60×30=750Hz对振动信号的功率谱作倒频谱分析，倒频谱如图4-7所示，图中可见在T=40ms有一峰值出现，其对应频率为Hz，而主动轴转频为=1500/60=25Hz根据齿轮箱振动机理、信号调制原理分析可以推断齿轮箱输入轴Z1出现故障，拆开齿轮箱查看，发现齿轮Z1有点蚀现象。4.2.5Hilbert解调分析当齿轮箱出现故障时,振动信号中往往包含故障信息且一般以调制形式出现,如以齿轮所在轴旋转频率为调制频率,齿轮啮合频率为载波频率的调制现象,一般调制包括幅值调制和频率调制,信号的解调方法较多,如Hilbert变换解调、检波滤波解调、平方解调、共振解调等。本节对常用的Hilbert解调法作介绍[52]设一窄带调制信号，其中，为低频调制信号，令是信号是瞬时频率，设的Hilert变换为，则它的解析信号为（4-25）则解析信号的模为