高速線材軋機在線監(jiān)測系統(tǒng)自動化畢業(yè)論文

1、本科畢業(yè)設(shè)計題目：高速線材軋機在線監(jiān)測系統(tǒng)學(xué) 院信息科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè)自動化學(xué) 號 200704134167學(xué)生姓名朱鏡輝指導(dǎo)教師周鳳星答辯日期 2011年6月8日武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文ii針對高速線材軋在線監(jiān)測系統(tǒng)的要求，主要是對同步齒輪箱進行在線監(jiān)測和故障診 斷，在圖形化虛擬儀器開發(fā)環(huán)境 LabVIEW的平臺上設(shè)計了同步齒輪箱在線監(jiān)測與故障診 斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于鄂鋼高速線材軋機生產(chǎn)線上，已經(jīng)多次檢測出同步齒輪箱 的早期故障，可以避免了設(shè)備重大事故的發(fā)生，為企業(yè)的經(jīng)濟效益的提高做出了重要貢 獻。本論文主要研究了在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)流程圖及其軟件和硬件功 能模塊的設(shè)計。

2、設(shè)計開發(fā)流程主要包括選取監(jiān)測點、安裝和調(diào)試傳感器、信號硬件預(yù)處 理和LabVIEW信號分析平臺的構(gòu)建等。硬件模塊主要包括開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的信 號調(diào)理箱，轉(zhuǎn)接端子，NI6220數(shù)據(jù)采集卡；軟件設(shè)計在現(xiàn)代信號處理平臺 LabVIEW上完 成，實現(xiàn)信號的采集和存儲、信號的分析處理、各種算法的實現(xiàn)、故障診斷、故障報警、 時域和頻域波形顯示。信號處理的方法包括時域分析、頻域分析、小波分析、倒頻譜分 析及多種性能指標(biāo)的計算。監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)ν烬X輪箱進行 24小時的狀態(tài)實時監(jiān)測，進行在線故障診斷與故 障報警，而且將故障報警數(shù)據(jù)送到指定的數(shù)據(jù)庫中，便于隨時進行數(shù)據(jù)查詢和分析。關(guān)鍵詞：高速線材軋機； 同步

3、齒輪箱；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷AbstractFor high speed wire rod rolling line monitoring system requirements, mainly for synchronous gearbox line mon itori ng and fault diag no sis, the graphical developme nt en vir onment Labview virtual in strume nt was desig ned on the platform syn chro ni zed gear box line mon itor

4、i ng and fault diag no sis system. The system has bee n successfully applied to the jaw of steel rod mill production line, has been repeatedly detected in the early synchronous gearbox failure, the device can avoid the occurrenee of major accidents, the economic efficie ncy of en terprises has made

5、importa nt con tributi ons.The paper primarily researches the developme nt of system of con diti on mon itori ng and fault diag no sis and the impleme nti ng method of hardware and software modules. The developme nt of system in cludes test point select ion, sen sors in stallati on, sig nal pre-proc

6、ess by hardware and sig nal an alysis platform con structed by LabVIEW. Hardware module in cludes sig nal process box with in depe ndent in tellectual property right, conv ersi on in terface and NI 6220 data acquisition board. Software module uses LabVIEW, which is used to collect and process signal

7、s, achieve kinds of algorithms, store and display the fault information. The methods of process sig nal in clude a time-doma in, freque ncy-doma in, wavelet, cepstrum and calculation kinds of function feature.System can simulta neously mon itor gearbox in 24 hours, complete the on-li ne diag no sis

8、and alarm, on-li ne diag no sis, and record the alarm data to the databasefor inq uiri ng and an alyz ing.Keywords： Syn chro no usgearbox; Con diti on mon itori ng;Fault diag no sis TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1 緒論1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 故障診斷學(xué)1 HYPERLINK

9、 l bookmark10 o Current Document 1.2機械設(shè)備故障診斷目的、意義、內(nèi)容和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 故障診斷的目的2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1.2.2故障診斷的意義2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.2.3故障診斷的內(nèi)容2 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 1.2.4故障診斷技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 HYPERLINK

10、l bookmark20 o Current Document 1.3高線軋機齒輪箱故障監(jiān)測與診斷的意義 4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 1.4虛擬儀器軟件LabVIEW的簡介4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 2高線軋機常見故障機理及其特征表現(xiàn)分析 6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 高線中齒輪故障形式及頻譜特征 6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2.1.1齒輪的主要故障形式 6

11、HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 齒輪的故障頻譜特征 6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.2滾動軸承的典型故障和振動機理 7 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 滾動軸承的典型故障形式7 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 2.1.2滾動軸承的振動機理8 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 2.3軸承頻譜特征8 HYPERLINK l bookma

12、rk40 o Current Document 3高線軋機故障診斷常用分析方法10 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 時域分析方法 10 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 時域統(tǒng)計分析 10 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 時域相關(guān)分析 12 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 頻域分析方法14 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 功率譜分析 14

13、HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 3.2.2倒頻譜分析14 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 3.2.3包絡(luò)分析15 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 時頻域分析15 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 4高線軋機在線監(jiān)測和診斷的總體方案 17 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 4.1高線軋機的監(jiān)測和診斷系統(tǒng)基本思路 17 HYPERLINK l b

14、ookmark64 o Current Document 系統(tǒng)設(shè)計要求19 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 系統(tǒng)硬件組成框圖 19 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 傳感器的選定20 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 轉(zhuǎn)接端子 CB-68LP22 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 數(shù)據(jù)采集卡 22 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 系統(tǒng)整體介紹2

15、3 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 系統(tǒng)中各個功能模塊設(shè)計確定 24武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文4 #武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文4 IV HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 時域分析模塊 25 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 頻域分析模塊 26 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 5基于LabVIEW的在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 27 HYPERLINK l bookmark88 o Current Doc

16、ument 基于LabVIEW的程序流程27 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 界面設(shè)計29 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 基于LabVIEW 的實時數(shù)據(jù)采集模塊 30 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document DAQmx數(shù)據(jù)采集卡 30 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 5.3.2時域信號處理分析與判斷方法31 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 5.

17、3.3頻域信號處理分析與判斷方法33 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 5.3.4時頻域分析一一小波分析355.3.5數(shù)據(jù)存儲 35 HYPERLINK l bookmark104 o Current Document 齒輪箱故障初步診斷 36 HYPERLINK l bookmark106 o Current Document 希H定時域故障診斷標(biāo)準(zhǔn) 36 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 5.5.2制定頻域故障診斷判定標(biāo)準(zhǔn)37結(jié)束語39 HYPERLINK l bookmark112 o

18、 Current Document 參考文獻40 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 致謝41武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文1 緒論1.1 故障診斷學(xué)在當(dāng)今信息化工業(yè)化迅速發(fā)展的社會里，生產(chǎn)設(shè)備越來越朝著大型化、自動化、高速化和智能化的方向發(fā)展?，F(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)，如果由于機械設(shè)備發(fā)生故障而停止生產(chǎn)或 者經(jīng)營的話，損失將是巨大的。另外，企業(yè)生產(chǎn)中由于關(guān)鍵設(shè)備故障而引起的災(zāi)難性故 障也時有發(fā)生。在此基礎(chǔ)上誕生了設(shè)備故障診斷學(xué)，它的全稱是Machi ne Con diti onDiagnosis Technique。故障診斷學(xué)的理論基

19、礎(chǔ)很豐富，有信息論、控制論和系統(tǒng)論等， 在這些夯實的理論基礎(chǔ)之上以計算機技術(shù)和自動化測試儀器技術(shù)為手段，然后再針對不同的診斷對象（機器、設(shè)備、裝置和系統(tǒng)等）的具體規(guī)律而慢慢發(fā)展起來的新興學(xué)科。故障 診斷學(xué)的基本原理是根據(jù)電氣、機械等各類設(shè)備運行過程中產(chǎn)生的信號特征（比如電機 的振動噪聲），來判斷設(shè)備運行是屬于正常還是發(fā)生了故障。故障診斷學(xué)的研究和發(fā)展 經(jīng)歷了三個階段。第一階段是最簡單的是最原始的診斷方法研究，被稱為物理、化學(xué)的 診斷過程研究，比如對機械部件失效、電機電氣等設(shè)備的磨耗、腐蝕等物理或化學(xué)原因 引起的故障的研究。第二階段是在第一階段的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，比物理化學(xué)的診斷方 法更加準(zhǔn)確、

20、更有可行性，被稱為故障診斷信息學(xué)的研究。這個階段的研究主要是對故 障信號進行采集、處理和分析。第三階段是此研究發(fā)展的最高階段，為診斷邏輯與數(shù)學(xué) 原理方面的研究。在這個階段的研究里，學(xué)者們通過模型法、邏輯方法、人工智能方法 及推論方法，根據(jù)已檢測到的設(shè)備故障特征來確定下一步的檢測部位，最終判斷故障發(fā) 生的部位和產(chǎn)生故障的原因。1.2機械設(shè)備故障診斷目的、意義、內(nèi)容和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀設(shè)備故障診斷技術(shù)的實質(zhì)是了解和掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，預(yù)測設(shè)備的安全可靠性， 確定其整體和局部是否處在正常運行狀態(tài)，而且及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，并對其發(fā)生原因、 部位、危險程度等因素進行處理識別和評價，并針對具體情況做出有效實施維

21、護決策的 技術(shù)。武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 #武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 1.2.1故障診斷的目的故障診斷技術(shù)的目的是保證能設(shè)計和制造出符合用戶要求的設(shè)備，而且保證其有效地、可靠地、穩(wěn)定地發(fā)揮設(shè)備的功能。這包含了四點 ：1以性能評價為基礎(chǔ)對設(shè)備進行設(shè)計、制造提供有用的信息和數(shù)據(jù)。2保證設(shè)備在運行中盡量少故障，確保工作可靠。3保證物盡其用，讓設(shè)備發(fā)揮其最大效益。4.能及時地、正確地對各種異?；蚬收献龀鲈\斷，正確地、有針對性地加以維修， 減少維修時間，節(jié)省維修費用。1.2.2故障診斷的意義故障診斷技術(shù)之所以日益獲得國際重視與發(fā)展，原因是隨著科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)力的高度發(fā)展，各種設(shè)備的工作強度不斷增大，生產(chǎn)效

22、率、自動化程度越來越高。同時設(shè)備更 加復(fù)雜，各部分的關(guān)聯(lián)愈加密切，往往某處微小的故障就能導(dǎo)致整個設(shè)備的損壞和停止 工作，有些則造成了災(zāi)難性的后果。例如，1973年美國三里島核電站堆芯損壞事故；1985 年美國航天飛機“挑戰(zhàn)者號”的墜毀；1984年印度博帕爾市農(nóng)藥廠異氰酸甲脂毒氣外瀉 事故;1988年2月，我國秦嶺發(fā)電廠的一臺200WM氣輪機發(fā)電機組在進行超速實驗時， 發(fā)生了軸系斷裂的嚴(yán)重事故，造成的經(jīng)濟損失約3000萬元左右。這些事故不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，而且某些事故還造成了人員傷亡。由此可見診斷技術(shù)的意義及其重要 性1。故障診斷技術(shù)得以重視與發(fā)展的另一重要原因是帶來了巨大的經(jīng)濟效益，主要

23、表 現(xiàn)在：配置故障診斷系統(tǒng)能有效地減少事故停機率，企業(yè)從而獲得更高的收益/投資比。相對于以往的定時維修體制，配置故障診斷系統(tǒng)可以做到根據(jù)監(jiān)測診斷結(jié)果來確 定是否需要進行維修，節(jié)省了無效的維修費用。1.2.3故障診斷的內(nèi)容故障診斷就是通過傳感器測取設(shè)備的有關(guān)信息來識別設(shè)備的狀態(tài)。其主要內(nèi)容包 括五個方面：設(shè)備的異?；蚬收隙际峭ㄟ^設(shè)備運行過程中其狀態(tài)信號的變化表現(xiàn)出來的，以合理正確的方法測取設(shè)備的狀態(tài)信號對故障診斷至關(guān)重要。包括以下幾個過程:(1)測取信 號；(2)中間變換;(3)數(shù)據(jù)采集。直接根據(jù)特征信號來判斷設(shè)備是否存在故障，通常是比較困難的。一般要對特征 信號進行處理，提取其中有用的信息，才

24、能判斷該設(shè)備是否存在故障。武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文3根據(jù)征兆進行設(shè)備的狀態(tài)診斷可以采用多種識別方法，對征兆加以處理，構(gòu)成判 別準(zhǔn)則，進行狀態(tài)的識別與分類。4根據(jù)征兆與狀態(tài)正確地進行設(shè)備的狀態(tài)分析 ，當(dāng)狀態(tài)存在故障時，則應(yīng)采用有關(guān) 方法進一步分析故障性質(zhì)、位置、原因、類型與趨勢等。5 根據(jù)狀態(tài)分析正確地做出決策干預(yù)設(shè)備及其工作進程，從而保證設(shè)備可靠、高效 地發(fā)揮其應(yīng)有的功能，達到設(shè)備診斷的目的。以上各個環(huán)節(jié)的關(guān)系及流程如圖1.1所示:監(jiān)測對象信號測取決 策 干 預(yù)特征信號決策決策形成圖1.1故障診斷過程框圖1.2.4故障診斷技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機械故障監(jiān)測與診斷作為一門綜

25、合性邊緣學(xué)科在 20世紀(jì)60年代產(chǎn)生并發(fā)展起來。 就其技術(shù)手段而言，已逐步形成以振動診斷、抽樣分析、溫度監(jiān)測和無損檢測探傷為主, 其他技術(shù)為輔的局面，其中又以振動診斷涉及的領(lǐng)域最廣，理論基礎(chǔ)最為雄厚，研究得 最為充分而且最具生機與活力；就診斷方法而言，除了單一參數(shù)、單一故障的診斷外， 目前多參量、多故障的綜合診斷已經(jīng)興起，人工智能的研究成果為機械故障診斷注入了 新的活力；就應(yīng)用領(lǐng)域而言，機械故障診斷技術(shù)已在旋轉(zhuǎn)機械、往復(fù)機械、各種流程工 業(yè)、機械加工過程和各種基礎(chǔ)零部件的故障診斷方面獲得了應(yīng)用。機械故障診斷技術(shù)在世界各國的發(fā)展是不平衡的，美國在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位， 英、法、德、日等國也都具有

26、各自的優(yōu)勢。與這些發(fā)達國家相比，雖然我國在理論上跟 的比較緊，但在診斷設(shè)備的可靠性等方面仍有一定差距。就目前的市場份額來看，還有 相當(dāng)大的國內(nèi)市場為外國產(chǎn)品所占領(lǐng)，這不得不引起我們的重視。武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 #武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 1.3高線軋機齒輪箱故障監(jiān)測與診斷的意義齒輪及齒輪箱是機械設(shè)備中非常重要的連接和傳遞動力的零部件，在航空、電力系 統(tǒng)，農(nóng)業(yè)機械、運輸機械、冶金機械等現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。在今天科學(xué)技 術(shù)飛速發(fā)展的時代，機械設(shè)備向著大型化、高效率、高強度、自動化和高性能的方向發(fā) 展，作為傳遞運動和動力的齒輪裝置幾乎在任何大型設(shè)備中都具有重要的作用。監(jiān)測與故障診斷技術(shù)

27、是一種了解和掌握設(shè)備在使用過程中的狀態(tài)，確定其整體或局部正?；虍惓?，早期發(fā)現(xiàn)故障及原因，并能預(yù)報故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技 術(shù)的進步和發(fā)展，設(shè)備越來越大型化，功能越來越多，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，自動化程度越 來越高。隨之而來的問題是，一旦關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障，不僅設(shè)備受損、生產(chǎn)線停工，造 成巨大的經(jīng)濟損失，而且可能危及人身安全、造成環(huán)境污染，帶來嚴(yán)重的社會問題。1.4虛擬儀器軟件LabVIEW的簡介計算機技術(shù)的飛速發(fā)展推動了當(dāng)今監(jiān)測控制技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的測控儀器很多都是以硬件或固化的軟件為主，這些已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需求了。隨著技術(shù)的 快速進步，人們提出了虛擬儀器的概念。所謂虛擬儀器（

28、Virtual Instrument，簡稱VI）是基于計算機的軟件測試平臺，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、信號發(fā)生器、頻譜 分析儀等，可集成于自動控制及工業(yè)控制系統(tǒng)，可自由構(gòu)建成自己專有的儀器系統(tǒng)。它 是計算機硬件資源、儀器測控硬件和用于過程通訊、數(shù)據(jù)分析及圖形用戶界面等軟件之 間的有效結(jié)合。虛擬儀器的主要特點：1）盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件；2）可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器；3）用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)

29、字信號處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛 的計算機語言是美國NI公司的LabVIEW。虛擬儀器的思想，可以先從儀器的基本功能入手進行分析。所有的測量儀器的功能 可由“數(shù)據(jù)采集”、“數(shù)據(jù)分析”和“數(shù)據(jù)顯示”三大部分組成。在這三大功能中，數(shù)據(jù) 分析和數(shù)據(jù)顯示完全可由基于計算機的軟件完成，只需另外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件， 就可構(gòu)成由計算機組成的測量儀器。虛擬儀器面板取代了傳統(tǒng)儀器的硬件，體現(xiàn)了“軟 件就是儀器”的概念，測量儀器的功能可以由用戶根據(jù)需要自行設(shè)計軟件來定義或擴展。 因為虛擬儀器可與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互連，只需改變軟件程序就 可以不斷賦予它或者擴展增強它的測量功能。這種

30、自定義的系統(tǒng)同傳統(tǒng)的儀器相比，具武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文有更高的靈活性、更強的功能，更能滿足用戶不斷變化的需求。它的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀，開辟了測試技術(shù)的新紀(jì)元。虛擬儀器技術(shù)相對于傳統(tǒng)儀器儀器，它有四大優(yōu)勢：性能高、擴展性強、開發(fā)時間 少、完美的集成功能。表1.1是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器特點的對比表1. 1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器特點的對比虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開放、靈活，可與計算機技術(shù)保持同步發(fā)展圭寸閉、儀器間相互配合較差關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級方便，通過網(wǎng)絡(luò) 下載升級程序即可關(guān)鍵是硬件，升級成本較高，且升級必須上 門服務(wù)價格低廉，儀器間的資源可重復(fù)利用價格昂貴，儀器間一般無法

31、互相利用用戶可定義儀器功能只有廠家能定義儀器功能可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接功能單一，只有連接有限的獨立設(shè)備開發(fā)與維護費用降至最低開發(fā)與維護費用高技術(shù)更新周期短(1-2 )年技術(shù)更新時間長(5-10)年本論文對高速線材軋機在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究設(shè)計，主要以高線軋機中的同步齒輪箱 為研究對象，以狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)為理論基礎(chǔ)，所做的研究工作如下：以NI公司的LabVIEW及數(shù)據(jù)采集等硬件組成的虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)，對高速 線材軋機的同步齒輪箱設(shè)計一套振動信號監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)；加深研究了同步齒輪箱中的振動測量與故障診斷的方法；論述了 NI公司的LabVIEW數(shù)據(jù)采集編程模塊及等硬件在數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)

32、 用，分析了硬件配置、軟件編程和故障診斷的理論分析依據(jù)以及分析結(jié)果，并且對數(shù)據(jù) 存入數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)進行了說明；介紹下位機信號采集電路的硬件實現(xiàn)。根據(jù)各種故障的特征設(shè)計出專家系統(tǒng)用來故障信息的提取和判斷。對診斷系統(tǒng) 進行自動監(jiān)測和故障診斷提供了依據(jù)。武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 #武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 2高線軋機常見故障機理及其特征表現(xiàn)分析2.1高線中齒輪故障形式及頻譜特征2.1.1齒輪的主要故障形式齒面磨損齒輪在嚙合過程中，齒輪接觸表面中出現(xiàn)材料摩擦損傷的現(xiàn)象，主要包括磨粒均勻 磨損和腐蝕均勻磨損。齒面接觸疲勞齒輪在嚙合過程中，既有相對滾動，又有相對滑動。這兩種力的作用使齒輪表面層 深處產(chǎn)生脈動

33、循環(huán)變化的切應(yīng)力。輪齒表面在這種切應(yīng)力反復(fù)作用下，引起局部金屬剝 落而造成損壞。齒面膠合和擦傷齒輪兩嚙合面的金屬，發(fā)生膠合磨損是在一起壓力下齒輪的嚙合齒面直接接觸，“焊 合”后又有相對運動，金屬從齒面上撕落，或從一個齒面向另一個齒面轉(zhuǎn)移而引起的損 傷現(xiàn)象。膠面磨損的宏觀特征是齒面沿滑動速度方向呈現(xiàn)深、寬不等的產(chǎn)生粗糙溝紋， 在齒頂和齒根處較為嚴(yán)重，此時噪聲明顯增大。彎曲疲勞與斷齒輪齒承受載荷，其根部受到脈動循環(huán)的彎曲應(yīng)力的作用。當(dāng)這種周期性的應(yīng)力過高 時，會在根部產(chǎn)生裂紋，并逐漸擴展。當(dāng)剩余部分無法承擔(dān)外載荷時，就會發(fā)生斷齒16 02.1.2齒輪的故障頻譜特征輪齒的剛度隨著參與嚙合的齒數(shù)不同而

34、不同，齒輪嚙合正常所產(chǎn)生的振動波形是矩 形波。一個矩形波可以分解為許多簡諧波之和，而且在這些諧波的頻率分量中，必有與 齒數(shù)有關(guān)的嚙合頻率fm,高次諧波2fm,3fm等。若齒輪有誤差，也必然也與fm有關(guān)。齒輪振動信號中包含著多種頻率成分，其中主要有3種：齒輪嚙合頻率齒輪嚙合頻率伴隨著齒輪嚙合運動而產(chǎn)生，在數(shù)據(jù)上它等于齒輪的齒數(shù)乘以回轉(zhuǎn)頻率，即：fm=zfr=z n/60(2.1)武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文式中，fm嚙合頻率（Hz） ； fr回轉(zhuǎn)頻率：z齒輪齒數(shù)：n齒輪轉(zhuǎn)速（r/min）。一對運行中的齒輪，嚙合頻率總是存在的，且一對互相嚙合的齒輪，其嚙合頻率對 其中任何一個齒

35、輪都是相等的。（2）齒輪固有頻率凡是有缺陷的齒輪，在運行中將產(chǎn)生高電平脈沖，這通常會激起齒輪的固有頻率fc。 固有頻率的出現(xiàn)是齒輪失效的一個關(guān)鍵性指標(biāo)。齒輪固有頻率一般為1至10KHZ，比滾動軸承的固有頻率要低一些。 這種包含固有 頻率的高頻振動經(jīng)過曲折的途徑傳到齒輪箱時一般已經(jīng)衰減了， 多數(shù)情況只能測到齒輪 的嚙合頻率17。2.2滾動軸承的典型故障和振動機理滾動軸承是機械上的易損部件，許多機械故障是因軸承損壞引起的。嚴(yán)重的軸承故 障會導(dǎo)致機器劇烈的振動和噪聲，降低設(shè)備效率，甚至引起設(shè)備損壞。滾動軸承在運轉(zhuǎn)過程中會由于各種原因引起損壞，如裝配不當(dāng)、潤滑不良、水分和 異物侵入、腐蝕和過載等都可能

36、會導(dǎo)致軸承過早損壞。2.2.1滾動軸承的典型故障形式磨損失效磨損是滾動軸承中最常見的一種失效形式，在滾動軸承運轉(zhuǎn)過程中，滾動體和套圈 之間存在滑動，這些滑動會引起零件接觸面的磨損。因而降低了機器的運轉(zhuǎn)精度，振動 的噪聲也隨之增大。疲勞失效在滾動軸承中，滾動體或套圈滾動表面由于接觸負荷的反復(fù)作用，從表面下形成細 小裂紋，隨著以后的持續(xù)負荷運轉(zhuǎn)，繼而擴展到接觸表面使表層發(fā)生剝落坑，致使材料 像巖塊一樣裂開，直至金屬表面層產(chǎn)生片狀或點坑狀剝落。軸承的這種失效形式叫疲勞 失效。軸承運轉(zhuǎn)時，一旦發(fā)現(xiàn)疲勞剝落，其振動和噪聲都將急劇惡化。腐蝕失效銹蝕是滾動軸承最嚴(yán)重的問題之一，高精度軸承可能會由于表面的銹蝕

37、導(dǎo)致精度喪 失而不能繼續(xù)工作。水分或酸、堿性物質(zhì)直接侵入會引起軸承銹蝕。當(dāng)軸承停止工作后， 軸承溫度下降，空氣中水分凝結(jié)成水滴附在軸承表面上也會引起銹蝕。此外，當(dāng)軸承內(nèi) 部有電流通過時，電流有可能通過滾道和滾動體上的接觸點處，很薄的油膜引起電火花 而產(chǎn)生電蝕，在表面上形成搓板狀的凹凸不平。壓痕失效武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 #武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 壓痕主要是由于滾動軸承受負荷后，在滾動體和滾道接觸處產(chǎn)生塑性變形。負荷過 量時會在滾道表面形成塑性變形凹坑。斷裂失效造成軸承零件破斷和裂紋的重要原因是由于運行時荷載過大、轉(zhuǎn)速過高或裝配不善 而產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力；也有的是由于磨削或熱處理不當(dāng)而導(dǎo)致的。

38、另外裝配方法、工藝 不當(dāng)，也可能造成軸承套圈擋邊和滾子倒角處掉塊。膠合失效滑動接觸的兩表面，一個表面上的金屬粘附到另一個表面上的現(xiàn)象稱為膠合。對于 滾動軸承，當(dāng)滾動體在保持架內(nèi)卡住，或者潤滑不足、速度過高造成摩擦熱過大，使保 持架的材料粘附到滾子上面而形成膠合。7.保持架損壞由于裝配或使用不當(dāng)可能會引起保持架發(fā)生變形，增加它與滾動體之間的摩擦，甚 至使某些滾動體卡死不能滾動，也有可能造成保持架與內(nèi)外圈發(fā)生摩擦等。這一損傷會 進一步使振動噪聲與發(fā)熱加劇，導(dǎo)致軸承損壞。2.1.2滾動軸承的振動機理當(dāng)滾動軸承在運轉(zhuǎn)時，一般是外圈與軸承座或機殼相連接，固定或相對固定，內(nèi)圈 與機械的傳動軸相連接，隨軸一

39、起轉(zhuǎn)動。當(dāng)軸以一定速度并在一定荷載下運轉(zhuǎn)時，軸承 滾動表面損傷的形式和軸承軸的旋轉(zhuǎn)速度，決定了激振力的頻率；軸承和外殼，決定了 振動系統(tǒng)的傳遞特性。因此，振動系統(tǒng)的最終頻率，由以上二者共同決定引起滾動軸承 振動的因素很多，有本身軸承轉(zhuǎn)動引起的振動，有由于人為因素引起的振動，也有由于 軸承產(chǎn)生故障以后引起的故障。2.3軸承頻譜特征當(dāng)內(nèi)圈、外圈、滾子出現(xiàn)點蝕等故障時，會產(chǎn)生一定頻率的沖擊，引起軸承振動， 機器運行會出現(xiàn)周期性脈沖。這種周期性脈沖作用時間短，形狀陡峭19。根據(jù)軸承產(chǎn)生缺陷零件的不同，滾動軸承的缺陷特征頻率為：內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率f r TOC o 1-5 h z f r = N(2.2)60

40、內(nèi)圈通過頻率，即內(nèi)圈上的某一損傷點與滾動體接觸過程中產(chǎn)生的頻率：f i = 1 f r (1 幺 cos ： ) z(2.3)2D武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文外圈通過頻率，即外圈上的某一損傷點與滾動體接觸過程中產(chǎn)生的頻率： TOC o 1-5 h z A”f。二 f r (1 - cos ： )z(2.4)2D 滾動體通過頻率，即滾動體上的某一損傷點與內(nèi)圈或外圈接觸過程中產(chǎn)生的頻率：Dd2f bf r (1 -(COS、2 )2 d cos aD(2.5)(5)保持架通過頻率：1dfcfr(1cos :)c 2D(2.6)式中，d滾動體直徑(mm)，D軸承節(jié)徑(mm)，a接

41、觸角，z滾動體數(shù)量，N工作轉(zhuǎn)速(r/mi n)。當(dāng)軸承出現(xiàn)故障后，在其振動頻譜中會出現(xiàn)其特征頻率的峰值。但實際中，峰值的 頻率并不總是精確地等于理論計算值。這是因為滾動體并非純滾動等因素造成的20。所 以在頻譜圖上尋找各特征頻率時，需在計算的頻率值的上下找其近似值來做診斷判斷。振動是物體運動的一種形式，它是指物體經(jīng)過平衡位置而往復(fù)變化的過程。振動是 能夠反映機器敏感的參數(shù)，機器狀態(tài)如果產(chǎn)生任何變化，都能從振動的變化體現(xiàn)。齒輪 箱的故障診斷就是通過采集儀器獲取有關(guān)設(shè)備的振動狀態(tài)信息來判斷設(shè)備狀態(tài)的一種 方法。齒輪箱在工作時會產(chǎn)生振動，若發(fā)生故障，其振動噪聲信號的能量分布就會發(fā)生變 化。一臺運轉(zhuǎn)中

42、的齒輪箱設(shè)備，從它每一個測點上所測得的信號往往是兩個或兩個以上 振動信號組成的復(fù)合信號，因此在分析和診斷中，必須進行振動信號處理。振動信號處理，就是對振動波形進行加工處理，抽取與設(shè)備狀態(tài)有關(guān)的特征，以便 對設(shè)備狀態(tài)實施有效的判別。振動信號處理的方法包括時域和頻域分析。時域分析是指 對所采集到的振動信號在時間域內(nèi)的各種分析或變換； 頻域分析則是確定振動信號的頻 率結(jié)構(gòu)，即弄清信號中包含有哪些頻率及各頻率成分的幅值 。本系統(tǒng)中將采取多種分析方法來研究齒輪箱振動信號，比單一分析方法所獲得的信號更加豐富，為準(zhǔn)確判斷設(shè)備狀態(tài)提供了必要而充分的科學(xué)依據(jù)武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 #武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文

43、3高線軋機故障診斷常用分析方法振動分析是機械故障診斷中應(yīng)用最廣泛的方法，一方面振動問題是機械運行中的最 主要的問題，另一方面振動信號包含了豐富的機械運行狀態(tài)信息，可以對機械中的大部 分故障類型進行準(zhǔn)確的診斷。目前在工程應(yīng)用中采用的振動分析方法主要分為時域分析 法、頻域分析法和時頻分析法。3.1時域分析方法所謂時域是指一個或多個信號取其值大小、相互關(guān)系等，可以定義為很多不同的時 間函數(shù)或參數(shù)，這些時間函數(shù)或參數(shù)的集合稱為時域，時域分析是指計算這些函數(shù)并進 行分析的過程。時域診斷方法是發(fā)展最早的一種振動檢測方法。時域診斷可以理解為振 動信號的時域圖象分析方法，由于時域波形反映信號的幅值隨著時間變化

44、而變化的關(guān) 系，而且時域波形直觀、易于觀察，可以通過對時域波形特征參數(shù)的監(jiān)測實現(xiàn)滾動軸承 早期故障的診斷。在時域診斷中，普遍采用振動信號的基本數(shù)字特征及其概率分布特征來進行分析和 診斷。應(yīng)用比較廣泛的有：峰值和均方根植，方差等有量綱特征參量和概率密度函數(shù)、 概率分布函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)以及峰值因子、波形因子、脈沖因子、峭度系 數(shù)等無量綱特征參。3.1.1時域統(tǒng)計分析 峰值Xp和峰峰值Xp-p峰值是指振動波形上與零線的最大偏離值，峰值反映的是某時刻振幅的最大值，因 而它適用于像表面點蝕損傷之類的具有瞬時沖擊的故障診斷，對于轉(zhuǎn)速低的情況(如 300r/min)，也常采用峰值進行診斷；峰峰值

45、是指振動波形相鄰的最大值與最小值之差， 稱為振動的“同頻振幅”。峰值的檢測往往用于設(shè)備或部件的強度考核，峰峰值檢測則 多用于設(shè)備或零件的動態(tài)范圍考核和疲勞考核。其離散公式為：X P = max X i(3.1)X P-P = X P min( X 1, X 2X3,.Xn)(3.2)(2)平均幅值X p和均方根幅值X rms平均幅值即平均絕對值，工程上也稱為平均值。平均值用于診斷的效果與峰值基本武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文一樣，其優(yōu)點是檢測值比峰值穩(wěn)定，一般用于轉(zhuǎn)速較高的情況；均方根幅值 Xrms也稱作有效值，是時域診斷中最簡單、最常用的一種識別參數(shù)，多用于穩(wěn)態(tài)振動的情況。

46、ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，振動速度的有效值稱為“振動烈度”，作為衡量振動強度的一個量。均方根 是對時間平均的，它適合于像磨損之類的振幅隨時間緩慢變化的故障診斷。其離散公式 為：一 1 NX p = 丁 為 X i(33)N i(3.4)無量綱參數(shù)指標(biāo)分析無量綱診斷的主要優(yōu)點之一，就是它能直接使用實時檢測到的振動信號，而不需要 通過各種信號處理與交換，因而不致出現(xiàn)信號畸變和泄漏等缺陷。更重要的就是它不受 工作狀況變化的影響，而且對早期的故障有很好的診斷能力10。對振動信號進行幅值域 處理最常用的無量綱指標(biāo)有波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)和峭度指標(biāo)等。波形指標(biāo)(Shape Factor) TOC o

47、 1-5 h z Sf二=均方根值/均值(3.5)X p峰值指標(biāo)(Crest Factor)Cf 平 二峰值/均方根值(3.6)X rms脈沖指標(biāo)(Impulse Factor)If二 傘=峰值/均值(3.7)Xp 裕度指標(biāo)(Clearanee Factor)=護=峰值/方根幅值(3.8)1/n (Xi - Xp)2-i T(3.9) 峭度指標(biāo)(Kurtosis Value)K r各個無量綱參數(shù)的特點(穩(wěn)定性和敏感度)見表 2.1：武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 #武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 表2.1無量綱參數(shù)的穩(wěn)定性和敏感度序號幅值參數(shù)敏感度穩(wěn)定性1波形指標(biāo)Sf差好2峰值指標(biāo)Cf一般一般3脈沖指標(biāo)I

48、f較好一般4裕度指標(biāo)CLf好一般5峭度指標(biāo)Kr好好6均方根值較差較好無量綱診斷參數(shù)不隨過程的幅值而變化， 對于機器運行(或載荷)的變化是時不變的， 它只對概率密度函數(shù)的形狀變化敏感。下面簡要介紹各種時域參數(shù)指標(biāo)在故障診斷中的 判據(jù)11:(1)有效值：即均方根值，由于有效值是對時間的平均，所以對具有表面裂紋無規(guī) 則振動波形的異常較敏感，可對其測量值做出恰當(dāng)?shù)脑u價。 峰值：某個時間內(nèi)振幅的最大值。它對瞬時現(xiàn)象可得出正確的指示值，特別是 初期階段軸承表面剝落，非常容易由峰值的變化檢測出來。而且它對滾動體、保持架的 沖擊及突發(fā)性外界干擾或灰塵等原因引起的瞬時振動比較敏感，測量值的變化范圍可能很大。峭度

49、指標(biāo)：峭度指標(biāo)是不夠敏感的低階矩與較敏感的高階矩之間的一個折中特 征量，如軸承圈出現(xiàn)裂紋、滾動體或軸承邊緣剝裂等在時域波形中都可能引起相當(dāng)大的 脈沖度，用峭度指標(biāo)作為故障診斷特征量是有效的。正常的峭度指標(biāo)數(shù)值為3。通常情況下，當(dāng)峭度指標(biāo)大于4.5時，可以判斷軸承部件出現(xiàn)了故障。當(dāng)時間信號中包含的信息不是來自一個零件或部件，而是屬于多個元件時，如在多級齒輪的振動信號中往往包含有來自高速齒輪、低速齒輪以及軸承等部件的信息，在這種情況下，可利用波形指標(biāo)、脈沖指標(biāo)及裕度指標(biāo)等進行故障診斷或分析。對敏感報 警參數(shù)主要以峭度指標(biāo)、波形指標(biāo)為主。時域波形振動分析得到的原始數(shù)據(jù)一般都是以時域波形形式來表示，振

50、動波形直觀易于理 解。利用時域波形可以對故障先作初步判斷。如當(dāng)旋轉(zhuǎn)機械存在較大的不平衡時，振動 信號中有明顯的周期成分；若轉(zhuǎn)子存在嚴(yán)重不對中，那么振動幅值在一個周期之內(nèi)有大 小波動；若滾動軸承有嚴(yán)重的疲勞剝落，振動波形中有明顯的脈沖信號。3.1.2時域相關(guān)分析時域相關(guān)分析在系統(tǒng)的振源識別和故障診斷中有著廣泛的應(yīng)用，相關(guān)分析是用來描武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文述某一信號在兩個不同的時刻或兩個信號在同一時刻之間的相似關(guān)系,它能測試信號的周期性，還能從隨機信號中提取被淹沒的周期信號，以實現(xiàn)信號的提取和識別佝0(1)自相關(guān)分析自相關(guān)函數(shù)表示隨機振動波形與該波形的時間坐標(biāo)移動了.后的

51、波形之間的相似程度。如果給定一個各態(tài)歷經(jīng)隨機過程的任一振動信號記錄樣本是x(t) , x(t .)是x(t)時移.后的樣本，則自相關(guān)函數(shù)定義為:1 TRxC)珂汁訐/川)dt(3.10)自相關(guān)分析在工程中一個重要的應(yīng)用是從隨機振動信號中檢測出混淆于其中的周期成分。只要信號中有周期成分，其自相關(guān)函數(shù)在.很大時都不變化，并且有明顯的周期性，不含周期信號的隨機信號，當(dāng)稍大時自相關(guān)函數(shù)趨于零。圖 3.1為一混有白噪 聲的正弦信號的自相關(guān)分析結(jié)果。圖3.1混有白噪聲的正弦信號的自相關(guān)分析(2)互相關(guān)分析互相關(guān)函數(shù)描述兩個信號之間的依賴關(guān)系或相關(guān)程度。設(shè)x(t)和y(t)是兩個各態(tài)歷經(jīng)過程的樣本，其互相關(guān)

52、函數(shù)定義為：1 TRxy ( lim - 0 x(t)y(t )dt(3.11)互相關(guān)函數(shù)具有的同頻相關(guān)、不同頻不相關(guān)的性質(zhì)，為在噪聲背景下提取有用信息 提供了可靠的途徑。通常機械系統(tǒng)中的測試信號總含有干擾信號，可用無噪聲信號與測 試信號作相關(guān)分析。噪聲信號和參考信號是頻率無關(guān)的，所以互相關(guān)函數(shù)為零，這樣可 利用相關(guān)函數(shù)獲取有用信號的強度和相關(guān)信息。武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 #武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 3.2頻域分析方法作為時間函數(shù)的振動信號，通常在時間域里描述該信號隨時間變化的性質(zhì)。但是在 振動信號分析方法中往往還需要采用頻率域的概念對信號進行描述，把復(fù)雜的振動信號分解為多個不同頻率的簡諧振

53、動信號。以頻率為變量來描述信號的方法就稱為信號的頻 率域描述，把信號從時域描述變換成頻率域描述稱為時頻域變換。傳統(tǒng)的頻域分析方法主要包括功率譜、細化譜、包絡(luò)譜、倒頻譜等12。功率譜分析是將信號從時域變換到頻域進行分析的方法，各種功率譜估計技術(shù)在故障征兆的提取中 的到了廣泛應(yīng)用。但是，該方法存在著方差性能差、分辨率低等局限性；細化譜利用局 部細化放大的方法，使所感興趣的重點頻段的到較高的分辨能力，禾U用該技術(shù)可大大提 高診斷信號的頻率分辨能力，且計算速度快，在故障診斷、地震分析、邊頻噪聲分離等 方面具有非常廣泛的應(yīng)用。3.2.1功率譜分析在故障診斷中使用最多的頻域分析方法之一是用功率密度來描述信

54、號的頻率結(jié)構(gòu)。功率譜密度表示振動信號x(t)中各諧波分量的頻率與其能量的關(guān)系，在機械故障診斷中 常用它來分析振動信號的頻率成分和結(jié)構(gòu)關(guān)系，以及頻率成分的能量大小。已知某個函數(shù)x(t)的自相關(guān)函數(shù)為Rx(t),那么Rx(t)的傅里葉變換即為函數(shù)x(t)的功 率譜函數(shù)，記以Sx(f),則(3.12)Sx(f)二.玉()2_f d.3.2.2倒頻譜分析倒頻譜分析又稱二次頻譜分析，其實質(zhì)是對功率譜取對數(shù)，然后再進行頻譜分析， 得到頻譜中的周期成分。對齒輪箱中齒輪和滾動軸承出現(xiàn)的調(diào)制邊頻帶，利用倒頻譜可 以分析出反映故障特征的調(diào)制頻率，從而診斷故障13。倒頻譜的定義為：對多段平均的自功率譜Gxp(f)取

55、對數(shù)，得到對數(shù)譜GxdB(f),對GxdB(f)再進行FFT分析有0Gxe(t)GxdB(f)eStdf =Rd(t) jI e(t)(3.13)武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文對其取模得到倒頻譜分析的幅值譜(3.14)(3.15)Gxeamp(t)(t) l：(t)對其取模的平方得到倒頻譜分析的功率譜Gxep(t) = R2(t)l2(t)倒頻譜技術(shù)可以用來識別頻譜中各諧波的基頻，由于倒譜采用對數(shù)加權(quán)，因而具有 動態(tài)范圍廣、解藕能力強和對調(diào)制信號相位不敏感等特點，克服了中低頻段、差頻以及 由于諧波存在而使譜圖難以識別的困難，可以很容易識別信號的周期。323包絡(luò)分析包絡(luò)分析是處理由機械沖擊引起高頻響應(yīng)

56、的有效方法。包絡(luò)分析的目的是分析相對高頻信號的能量隨時間的振蕩 0包絡(luò)分析技術(shù)最成功的應(yīng)用主要在滾動軸承的診斷中， 如今這一技術(shù)也應(yīng)用到有摩擦力與動態(tài)載荷的旋轉(zhuǎn)機械部件的診斷中，如泵的轉(zhuǎn)子、透 平機等。包絡(luò)分析技術(shù)是一種基于濾波檢波的振動信號處理方法，對設(shè)備的高頻共振信號進 行檢波處理之后，從高頻載波信號中提取附載在高頻載波信號上的低頻信號。包絡(luò)分析 的基本原理可以用圖2.2來表示。信號輸入咼通或帶通濾波包絡(luò)解調(diào)低通濾波信號輸出圖3.4包絡(luò)分析的原理振動信號經(jīng)過高通或帶通濾波之后，濾掉低頻信號，留下來的高頻部分經(jīng)過包絡(luò)解 調(diào)之后，從高頻載波中提取低頻調(diào)制信號，最后經(jīng)過低通濾波之后濾掉高頻載波，

57、剩下 低頻振動信號。經(jīng)過包絡(luò)分析之后的振動信號排除了低頻的干擾信號，從而突出了設(shè)備 故障特征信號，提高了信噪比，為設(shè)備故障診斷提供了較理想的依據(jù)。3.3時頻域分析傅立葉變換能夠在整體上揭示確定信號的頻域特征和平穩(wěn)信號的能量的頻域特征， 但傅立葉變換是一種信號的整體變換，要么完全在時域進行，要么完全在頻域進行分析 處理，無法給出信號頻譜如何隨時間的變化規(guī)律。而對于非平穩(wěn)信號而言，由于其頻譜 隨時間有較大的變化，要求分析方法能夠準(zhǔn)確的反映出信號的這種局部時變頻譜特性， 只了解信號在時域或者頻域的全局特性是遠遠不夠的，或者說是不適合的。為了彌補傅 立葉分析這一不足，需要尋求一種能對信號實行時頻局部化

58、的新方法來處理信號，便引 出了直接在時頻平面上表征信號的方法，即時頻分析方法。武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 #武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 時頻分析的基本思想是：設(shè)計時間和頻率的聯(lián)合函數(shù)，用它同時描述信號在不同時 間和頻率的能量密度或強度。時間和頻率的這種聯(lián)合函數(shù)簡稱為時頻分布。利用時頻分 布來分析信號，能在每一時間指示出信號在瞬時頻率附近的能量聚集情況，并且能夠進 行時頻濾波和時變信號綜合。本系統(tǒng)采用的時頻域分析方法是小波分析。小波分析，也稱多分辨率分析，是建立在泛函分析、傅立葉變換、樣條分析和調(diào)和 分析的基礎(chǔ)上的新的信號分析處理工具，具有很強的應(yīng)用性。若記基本小波函數(shù)為- (t)，伸縮和平移分別為

59、a和b,貝U由母函數(shù)* (t)生成的依賴 于參數(shù)a、b的連續(xù)小波定義為：1(at _b)W J ab(t) =a2(3.16)當(dāng)a1時， (t)被壓窄且振幅被拉高， ab(t)含有表現(xiàn)高頻分量的特征。b是時移因子，a是尺度因 子。平方可積分函數(shù)f(t) L2(R)的連續(xù)小波變換定義為WTf(a,b)1t - b.f(t)-(a)dt, a = 0(3.17)或用內(nèi)積形式記作(3.18)1 t b式中屮ab(t)=-屮(U)是由母小波屮(t)生成的小波。在上式中，當(dāng)a增大或縮小a a時,a,b(t)t - b)在時間上擴展或收縮，當(dāng)aa 1時，若a越大，則(at)的時域支撐范圍(即時域?qū)挾?較之

60、(t)變得越??；反之，當(dāng)a2fc，這就是奈奎斯特采樣定理。4.5.2時域分析模塊在機械運行過程中，若出現(xiàn)點蝕、剝落等局部損傷的故障時，就會引起沖擊，由于 沖擊的作用會導(dǎo)致時域參數(shù)測量值的變化，通過對這一變化用時域方法處理可以判斷出 是否存在故障。圖4.7為所設(shè)計的時域模塊數(shù)據(jù)流程圖。打開需要分析的文件顯示時域波形圖是有故障否存儲單通道數(shù)據(jù)武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 #武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 圖4.7時域模塊數(shù)據(jù)流程圖對信號的時域進行統(tǒng)計分析可以得到的特征參數(shù)有：均值和均方根值等有量綱參 量；峰值、波形因子、峭度系數(shù)無量綱參量等。利用有量綱參數(shù)指標(biāo)判斷軸承故障有一 個很大的缺點，需要依賴歷史數(shù)據(jù)