齿轮故障诊断方法综述摘要齿轮就是机械设备中常用得部件,而齿轮传动也就是机械传动中最常见得方式之一。
在许多情况下,齿轮故障又就是导致设备失效得主要原因。
因此对齿轮进行故障诊断具有非常重要得意义。
介绍了故障得特点与几种诊断方法,并比较了基于粒子群优化得小波神经网络,基于相关分析与小波变换,基于小波包与BP神经网络与基于小波分析等故障诊断方法得优缺点,并提出了齿轮故障诊断得难点与发展方向。
关键字齿轮故障诊断诊断方法分析比较发展目录第一章齿轮故障诊断发展及故障特点 (1)1、1 齿轮故障诊断得发展 (1)1、 2齿轮故障形式与震动特征 (1)第二章齿轮传动故障诊断得方法 (2)2、 1高阶谱分析 (2)2、1、1参数化双谱估计得原理 (3)2、1、2试验装置与信号获取 (3)2、1、3 故障诊断 (4)2、1、4 应用双谱分析识别齿轮故障 (4)2、2基于边频分析得齿轮故障诊断 (6)2、2、1分析原理 (6)2、2、2铣床振动测试 (6)2、2、3 边频带分析 (7)2、2、4 故障诊断 (8)2、 3时域分析 (10)2、3、1 时域指标 (10)2、3、2非线性时间分析 (10)第一章齿轮故障诊断发展及故障特点1、1 齿轮故障诊断得发展齿轮故障诊断始于七十年代初,早期得齿轮故障诊断仅限于在旋转式机械上测量一些简单得振动参数,用一些简单得方法进行诊断。
这些简单得参数与诊断方法对齿轮故障诊断反应灵敏度较低,根本无法准确判断发生故障得部位。
七十年代末到八十年代中期,旋转式机械中齿轮故障诊断得频域法发展很快,其中R、B、Randall与James1、Taylor等人做好了许多有益得工作,积累了不少故障诊断得成功实例,出现了一些较好得频域分析方法,对齿轮磨损与齿根断裂等故障诊断较为成功。
进入九十年代以后,神经网络、模糊推理与网络技术得发展与融合使得齿轮系统故障诊断进入了蓬勃发展得时期。
我国学者在齿轮故障诊断研究方面也做了大量工作。
1986年,屈梁生、何正嘉在《机械故障诊断学》中分析了齿轮故障得时频域特点。
1988年,颜玉玲、赵淳生对滚动轴承得振动监测及故障诊断进行了分析。
1997年,郑州工业大学韩捷等在“齿轮故障得振动频谱机理研究”中对齿轮得故障机理做了探讨。
西安交通大学张西宁等在“齿轮状态监测与识别方法得研究”中提出了一种新方法即基于一致度分析。
1、 2齿轮故障形式与震动特征通常齿轮在运转时,由于制造不良或操作维护不善会产生各种形式得故障。
故障形式又随齿轮材料、热处理、运转状态等因素得不同而不同,常见得齿轮故障形式有齿面磨损、齿面胶合与擦伤、齿面接触疲劳与弯曲疲劳与断齿。
在齿轮运转状态下,伴随着内部故障得发生与发展,必然会产生振动上得异常。
实践证明,振动分析就是齿轮故障检测中最有效得方法。
若齿轮副主轮转速为n1,齿数为z1,频率为f1;从轮转速为n2,齿数为z2,频率为f2,则齿轮啮合频率fC为:fC=Nf1z1=Nf2z2=Nn160z1=Nn260z2(1) 式中:N=1, 2, 3,…。
齿轮处于正常或异常状态下,啮合频率振动成分及其倍频总就是存在得,但两种状态下得振动水平有差异。
如果仅仅依靠对齿轮振动信号得啮合频率及其倍频成分得差异来识别齿轮得故障就是不够得,因故障对振动信号得影响就是多方面得,其中包括幅值调制、频率调制与其她频率成分。
第二章齿轮传动故障诊断得方法齿轮故障得诊断方法从难易程度来说可以分为简易诊断方法与精密诊断方法。
简易诊断方法包括:有经验得人员可以通过直接听噪声,或感受振动强度来初步判断齿轮系统就是否处在正常状态。
通过直接观察信号波形得幅值、变化趋势来判断齿轮得工作状态。
简易诊断方法简单、快速,但效果一般。
精密诊断方法利用精密仪器来获取系统运行得信号,并对信号进行一系列处理来获得所需要得信息。
精密诊断方法得准确性高,但对人员素质要求高,需要得仪器也比较精密。
齿轮系统在运行过程中,与运行状态有关得一系列物理量都就是随时间得变化,以各种各样得信号表达出来。
因此,信号处理方法就是齿轮故障诊断中最关键得一个环节。
它对前面环节所得到得信号进行分析,又给后面最终得决策环节提供信息。
有关齿轮得信号处理方法目前已经取得了很大得发展,它借鉴了振动力学、摩擦学、系统论、控制论、计算机技术、人工智能技术与非线性理论等多个领域得研究成果,广泛采用传感器技术、计算机与信息处理等现代科学技术作为其技术支持。
2、 1高阶谱分析高阶谱就是在高阶累积量得基础上发展起来得,就是近年来国际上在一个信号处理方面比较新得方向。
它就是用来分析非高斯、非线性、非最小相位得有力工具,相对于相关函数与功率谱来说,它不仅能提供时间、幅值、频率上得信息,还能提供相位上得信息。
目前国内外已经将其引入齿轮检测中。
双谱技术用于齿轮故障诊断,利用该方法能有效地识别出信号中得二次相位耦合情况,可以准确地检测出齿轮中存在得分布缺陷。
将双谱与双相干谱进行比较,通过对齿轮在正常、磨损、断齿状态下得分析表明双谱比双相干谱得能量分布更集中,更利于故障特征提取。
齿轮啮合过程中得振动信号往往呈现出非线性、非高斯性,加上强噪声得干扰,给故障特征得提取带来了较大得困难。
为实现齿轮单一故障得分类与诊断,采用时序参数化得双谱分析方法,对齿轮故障模拟试验台上采集得正常状态与3种故障状态得振动信号进行了分析,根据双谱谱峰得分布及数目得差异性,实现了齿轮正常、裂纹、磨损、剥落4种状态得识别与分类。
结果表明,双谱分析可以抑制背景噪声,并有效提取信号中得非高斯成分,就是一种有效得故障诊断方法。
2、1、1参数化双谱估计得原理双谱得计算方法有2种:①直接由定义计算双谱(实质上,双谱定义为平稳时序得3阶自相关函数得二维傅立叶变换);②间接由参数模型估计双谱,其计算简便,本研究利用AR(p)模型来估计双谱。
2、1、2试验装置与信号获取试验装置为齿轮故障模拟实验台,它由控制台、直流电动机、加载电机、直流调速加载系统、齿轮减速器组成,如图1所示。
传感器得安装位置就是正确获取信号得关键,对于齿轮箱而言,齿轮故障得振动信号在传递中经过环节较多(齿轮—轴—轴承—轴承座—测点),很多高频信号在传递中可能丧失了,所以,进行测试时应选择轴承座附近刚性较好得部位,两个压电式传感器分别布置在中间轴与输出轴得轴承座外壁上,方向均为竖直向上。
齿轮箱就是由三轴式二级变速器组成,输入轴与输出轴上齿轮均为正常齿轮(z1=26,z4=85,m =2),中间轴上齿轮为二联齿轮(z2=64,m =2)与三联齿轮(z3=40,m =2),上面布置有模拟故障,故障得变换由齿轮箱前后两个换档手柄调节实验中采样频率设定为10 kHz,数据长度为12 902,分3种转速(400、700与1 000 r/min),在3种承载(无载,轻载,重载)工况下进行采样。
2、1、3 故障诊断实验中,在1 000 r/min重载工况下采集正常信号与3种故障信号得时域图及FFT频谱图如图3、图4所示从时域波形图中可见,齿轮得4种运行状态得差别较小。
从FFT频谱图可见,当存在故障时,能量得分布发生了一定得变化,出现了新得能量集中区域,但就是4种状态在低频处得能量集中有一定得相似性,因此直接用肉眼区分存在一定得困难,需进一步处理才能进行准确得分类与诊断。
2、1、4 应用双谱分析识别齿轮故障当齿轮出现裂纹、局部剥落等故障时,将产生周期性得冲击信号,信号得分布则发生一定得变化,呈现出一定得非高斯性,故将双谱分析应用到齿轮故障得分类与诊断中。
Matlab信号处理工具箱提供得函数arorder与arrcest指令可用于AR模型定阶与模型得参数估计,调用相关指令对已经估计出得参数再进行双谱分析, 4种状态得双谱估计结果如图5所示由图5可以瞧出,不论就是正常齿轮还就是故障齿轮,双谱图上都存在着谱峰,其高斯偏离性很明显。
在正常情况下,主峰值仅在低频处有一处,而故障情况下,裂纹与剥落故障均出现了6个谱峰,但谱峰得形状及能量有一定得差异,而磨损故障得谱峰个数较多也较集中,且故障状态下得谱峰在低频及高频处均有分布,这就是由于不同齿轮故障得调制作用不同,由此产生“调制频率各分量之间发生耦合程度不同”得必然结果。
根据4种状态谱峰得数目及分布不同,可以完成较好得分类与诊断。
2、2基于边频分析得齿轮故障诊断2、2、1分析原理边频带得产生主要与振动信号被调制有关,如齿轮箱中齿轮轴上若存在偏心故障或者啮合齿轮得某些齿上出现较为严重故障时,就会产生调制,即在特征频得两旁有一些边频带[3-4]97-101。
为了准确得诊断,就必须进行细化分析。
细化分析[5-6]得基本思想就是利用频移定理,对被分析信号进行复调制,再进行重新采样做傅立叶变换,即可得到较高得频率分辨率,其主要步骤为:假定要在频带(f1~f2)范围内进行频率细化,此频带中心频率为f0=(f1+f2)/2,对被分析信号x(k)进行复调制,得到频移信号y(k)=x(k)e-i2πKL/N,L=f0Δf 式中,Δf就是未细化分析前得频率间隔。
根据频移定理,Y(n)=X(n+L),相当于把X(n)中得第L条线移到Y(n)得零谱线位置了。
此时降低采样频率为2NΔf/D,对频移信号重新采样或对已采样数据频移处理后进行选抽,就能提高频率分辨率D倍分析Y(n)零谱线附近得频谱,也即X(n)中第L条谱线附近得频谱。
2、2、2铣床振动测试本次试验中,首先对铣床得振动信号进行了采集与分析,并且进行了故障分析。
(1) 测试系统试验仪器信号得采集就是由压电式加速度传感器进行,经DLF系列多通道电荷电压滤波积分放大器转换为电压信号,用INV310大容量数据自动采集系统与DASP软件进行信号处理,分析其频谱。
(2) 试验方案与测试过程(1)确定测点与转速。
首先,在机床空载状态下,通过触摸找出振动较大得部位。
其次,在各部位用测试仪器确定在铣床空载状态下,振动较大得位置。
选定主轴转速在n=75、150、300、475、600、750、950、1180、1500r/min时,传动路线为其中1~10号点(图1)振动较大,并且大部分得振动与加工精度有直接关系,因此作为这次研究得主要测试点(对称点也进行相应测试,但没在图中标出)。
(2)计算测试转速下得轴得转动频率、齿轮啮合频率(表1、表2)。
(3)测试过程。
①连接仪器,对仪器仪表进行零位调整,设置参数;②启动机床,观察接收得信号,当信号稳定后进行采集;③改变转速与测点,记录每种工作状况下各点得数据。
2、2、3 边频带分析边频带成分包含有丰富得齿轮故障信息,要提取边频带信息,在频谱分析时必须有足够高得频率分辨率[4]97-101。
当边频带谱线得间隔小于频率分辨率时,或谱线间隔不均匀,都会给边频带分析带来误差,为此必须进行细化分析、通过测试,将各测点记录得振动信号回放后,使用DASP软件进行频谱分析,得到各个工况下各点得频谱图百余副,如图2所示为75r/min时第5号点得频谱图与幅值相对比较大点得数据图。