設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

1、 研究生課程考核試卷科 目： 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 教 師： 謝志江 姓 名： 崔洪斌 學(xué) 號： 20110702178 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)及理論 類 別： （ 學(xué)術(shù)） 上課時間： 2012 年 5 月至20 12 年 6 月 考 生 成 績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語： 閱卷教師 (簽名) 重慶大學(xué)研究生院制設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷20110702178-崔洪斌設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷一、 論述齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機(jī)理及齒輪故障診斷方法答：由齒輪傳動理論可知，漸開線齒廓齒輪在節(jié)點(diǎn)附近為單齒嚙合，而在節(jié)線的兩邊為雙齒嚙合，嚙合區(qū)的大小則由重疊系數(shù)決定。因此，每對輪齒在嚙合過程中承受的載荷

2、是變化的，從而引起齒輪的振動，另外，一對輪齒在嚙合過程中兩齒面的相對滑動速度和摩擦力均在節(jié)點(diǎn)處改變方向，引起齒輪的振動.這兩者形成了嚙合頻率fz及其諧波Nfz，其計(jì)算式為:式中Z齒輪的齒數(shù)；n軸的轉(zhuǎn)速，式中 N自然數(shù)，1，2，3，。N=1稱為基波，即嚙合頻率；N = 2，3，時，稱為二次，三次諧波。l 齒輪嚙合頻率產(chǎn)生的機(jī)理：1) 負(fù)載和嚙合剛度的周期性變化形成嚙合沖擊負(fù)載和嚙合剛度的變化可用兩點(diǎn)來說明：一是隨著嚙合點(diǎn)位置的變化，參加嚙合的單一齒輪的剛度發(fā)生了變化，二是參加嚙合的齒數(shù)在變化。如漸開線直齒輪，在節(jié)點(diǎn)附近是單齒嚙合，在節(jié)線兩側(cè)某部位開始至齒頂、齒根區(qū)段為雙齒嚙合。顯然，在雙齒嚙合時

3、，整個齒輪的載荷由兩個齒分擔(dān)，故此時齒輪的嚙合剛度就較大；同理單齒嚙合時，載荷由一個齒承擔(dān)，此時齒輪的嚙合剛度較小。也就是說，即使齒輪所傳遞的是恒定扭矩，但當(dāng)每對齒在脫離嚙合或進(jìn)入嚙合時，輪齒上的載荷和剛度都要發(fā)生突然增大或減小，從而形成周期性嚙合沖擊。對于重疊系數(shù)低的直齒，嚙合沖擊尤為顯著，其作用力和剛度變化基本上呈矩形波。對于斜齒，由于其嚙合點(diǎn)是沿齒寬方向移動的，嚙合過程的變化較為平緩，剛度變化接近正弦波。因此，輪齒的嚙合沖擊和嚙合剛度的變化取決于齒輪的類型和重疊系數(shù)。從一個輪齒開始進(jìn)入嚙合到下一個輪齒進(jìn)入嚙合，齒輪的負(fù)載和嚙合剛度就變化一次，所以齒輪的負(fù)載和嚙合剛度周期性變化的頻率與齒輪

4、旋轉(zhuǎn)頻率成整數(shù)倍關(guān)系。 圖1 輪齒嚙合過程及載荷變化2) 節(jié)線沖擊的周期性變化齒輪在嚙合過程中，輪齒表面既有相對滾動，又有相對滑動。主動輪帶動從動輪旋轉(zhuǎn)時，主動輪上的嚙合點(diǎn)從齒根移向齒頂，嚙合半徑逐漸增大，速度漸次增高；而從動輪上的嚙合點(diǎn)是由齒頂移向齒根，嚙合半徑逐漸減小，速度漸次降低。兩輪齒齒面在嚙合點(diǎn)的速度差異就形成了主動輪和從動輪的相對滑動。在主動輪上，齒根和節(jié)點(diǎn)之間的嚙合點(diǎn)速度低于從動輪上的嚙合點(diǎn)速度，因此滑動方向向下；在節(jié)點(diǎn)處，因?yàn)閮奢喩系膰Ш宵c(diǎn)速度相等，相對滑動速度為零。因此，摩擦力在節(jié)點(diǎn)處改變了方向，形成節(jié)線沖擊。由以上分析可知，從一個輪齒開始進(jìn)入嚙合到下一個輪齒進(jìn)入嚙合，發(fā)生兩

5、次節(jié)點(diǎn)沖擊，所以節(jié)線沖擊發(fā)生的頻率與齒輪旋轉(zhuǎn)頻率成整數(shù)倍關(guān)系。 因此，嚙合沖擊，節(jié)線沖擊以及嚙合剛度的變化都是周期性的，而這個周期性變化的頻率，就是轉(zhuǎn)速頻率f與齒數(shù)z的乘積（每秒針的變化圈數(shù)由轉(zhuǎn)速頻率定，每圈的變化次數(shù)由齒數(shù)定，乘積就是每秒針的變化次數(shù)），也就是嚙合頻率。l 齒輪故障診斷方法在各種齒輪故障的檢測方法中，以振動檢測為基礎(chǔ)的齒輪故障檢測方法具有測量簡便、實(shí)時性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)今齒輪故障檢測方法中較為有效的一種。振動和噪聲信號是齒輪故障特征信息的載體。目前能夠通過各種信號傳感器，放大器及其他測量儀器，很方便地測量出齒輪箱的振動和噪聲信號，通過各種分析和處理，提取其故障特征信息，從而診斷

6、出齒輪的故障。齒輪正常運(yùn)行時，一般其振動信號是平穩(wěn)信號，信號頻率成分有各軸的轉(zhuǎn)動頻率和齒輪的嚙合頻率等。當(dāng)齒輪發(fā)生故障，其振動信號頻率成分或幅值發(fā)生變化，一般具有下列三種特征：1) 信號是穩(wěn)態(tài)的，但對應(yīng)特征頻率的幅值發(fā)生明顯變化，振動能量有較大的變化。這類故障是以齒輪均勻磨損為代表。2) 信號是周期平穩(wěn)信號，出現(xiàn)了有規(guī)律的沖擊或調(diào)制現(xiàn)象。這類故障一般是齒輪或滾動軸承已經(jīng)發(fā)生輕度或較嚴(yán)重的故障。3) 信號中出現(xiàn)無規(guī)律的沖擊或調(diào)制現(xiàn)象。這類故障一般是齒輪或滾動軸承已經(jīng)發(fā)生較嚴(yán)重的故障，例如，滾動軸承出現(xiàn)大面積的連續(xù)疲勞剝落現(xiàn)象。但并不是出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象就一定有故障。例如，在大齒輪制造中，由于制造工藝、

7、精度和安裝等方面的問題，即使是新齒輪或正常運(yùn)行的齒輪也會出現(xiàn)輕微的調(diào)制現(xiàn)象；像軋鋼機(jī)這類本身負(fù)荷是沖擊性的工作機(jī)械，其齒輪箱的振動信號中也必然有調(diào)制現(xiàn)象或無規(guī)律的沖擊現(xiàn)象。通過各種信號傳感器對齒輪不同信號的監(jiān)測、能很方便地測量出齒輪的振動和噪聲信號，將獲得的振動信號進(jìn)行各種類型分析和處理，捕捉其故障特征信息，利用這些故障特征信息，能很方便的辨別查找齒輪的故障。以振動和噪聲分析法進(jìn)行的簡易齒輪診斷方法有：a) 振平診斷法利用齒輪的振動強(qiáng)度來判別鑿輪是否處于正常工作狀態(tài)的診斷方法。根據(jù)判定指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)不同，又可以分為兩種方法，即絕對值判定法、相對值判定法。i. 絕對值判定法利用在齒輪箱同一測點(diǎn)部位測

8、得的振幅值直接作為評價運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。ii. 相對值判定法在實(shí)際中，對于尚未制定出絕對植判定標(biāo)準(zhǔn)的齒輪，可以充分使用現(xiàn)場測量的統(tǒng)計(jì)資料制定適當(dāng)?shù)南鄬ε卸?biāo)準(zhǔn)。b) 判定參數(shù)法利用齒輪振動的速度信號和加速度信號來計(jì)算出某一特征量，根據(jù)其大小來判定 齒輪所處工作狀態(tài)的方法。以振動與噪聲為故障信息載體來進(jìn)行齒輪的精密檢測，目前常用的信號分析處理方法有以下幾種：a) 時域分析法，包括時域波形、調(diào)幅解調(diào)、相位解調(diào)等；b) 頻域分析法，包括功率譜、細(xì)化譜；c) 倒頻譜分析法；d) 包絡(luò)分析法；e) 時頻域分析方法，包括小波分析法、短時FFT、維格納分布等；f) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；g) 時序分析，包括最大時序和最大

9、熵譜；h) 瞬態(tài)信號分析方法，包括瀑布圖等。在此僅針對齒輪振動的特點(diǎn)，介紹其中最常用的幾種分析方法:1. 時域分析法包括時域波形、調(diào)幅解調(diào)、調(diào)相解調(diào)等。在狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的過程中，我們常常會直接利用振動時域信號進(jìn)行分析并給出結(jié)果，這是最簡單且最直接的方法，特別是當(dāng)信號中明顯含有簡諧成分、周期成分或瞬時脈沖成分時更為有效。當(dāng)然這種方法要求分析人員具有比較豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。振動時域波形是一條時間歷程的波動曲線。根據(jù)測量所用傳感器類型的不同，曲線的幅值可代表位移、速度或加速度。進(jìn)行波形分析時，主要采用如下特征量，也稱示性指標(biāo)：（1）振動幅值，振動幅值包括峰值、有效值（均方根值）和平均幅值，其中峰值又

10、分為零峰值和峰-峰值。（2）振動周期與頻率，不同的故障源通常會產(chǎn)生不同頻率的機(jī)械振動，因此頻率分析在故障診斷中占有十分重要的地位。（3）相位，在實(shí)際應(yīng)用中，相位主要用于比較不同振動運(yùn)動之間的關(guān)系，或確定一個部件相對于另一個部件的振動狀況。通常不同振源產(chǎn)生的振動具有不同相位。（4）其它指標(biāo)為了有效描述復(fù)雜的振動，在實(shí)際應(yīng)用中也經(jīng)常使用一些示性指標(biāo)如：偏度、峭度，有時還需要利用一些無量綱示性指標(biāo)來完成診斷或進(jìn)行趨勢分析，如：峰態(tài)因數(shù)、波形因數(shù)、脈沖因數(shù)、峰值因數(shù)、裕度因數(shù)等無量綱示性指標(biāo)。它們的診斷能力由大到小依次為：峰態(tài)因數(shù)-裕度因數(shù)-脈沖因數(shù)-峰值因數(shù)-波形因數(shù)。2. 頻率細(xì)化分析技術(shù)由于齒輪

11、的振動頻譜圖包含著豐富的信息，不同的齒輪故障具有不同的振動特征，其相應(yīng)的譜線會發(fā)生特定的變化。由于齒輪故障在頻譜圖上反映出的邊頻帶比較多，因此進(jìn)行頻譜分析時必須有足夠的頻率分辨率。當(dāng)邊頻帶的間隔（故障頻率）小于分辨率時，就分析不出齒輪的故障，此時可采用頻率細(xì)化分析技術(shù)提高分辨率。以某齒輪變速箱的頻譜圖見圖2(a)為例，從圖中可幾以看出，在所分析的0 2kHz頻率范圍內(nèi)，有14階的嚙合頻率的譜線，還可較清晰地看出有間隔為25Hz的邊頻帶，而在兩邊頻帶間似乎還有其他的譜線，但限于頻率分辨率已不能清晰分辨。利用頻譜細(xì)化分析技術(shù)，對其中9001100Hz的頻段進(jìn)行細(xì)化分析，其細(xì)化頻譜如圖2（b）所示。

12、由細(xì)化譜中可清晰地看出邊頻帶的真實(shí)結(jié)構(gòu)，兩邊頻帶的間隔為8. 3Hz，它是由于轉(zhuǎn)動頻率為8.3Hz的小齒輪軸不平衡引起的振動分量對嚙合頻率調(diào)制的結(jié)果。本例表明，用振動頻譜的邊頻帶進(jìn)行齒輪不平衡一類的故障診斷時，必須要有足夠的頻率分辨率，否則會造成誤診或漏診，影響診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖2  齒輪振動信號的頻譜分析3. 倒頻譜分析法齒輪振動的頻譜通常主要表現(xiàn)為嚙合頻率及諧波的邊帶，這種邊帶的產(chǎn)生是齒輪軸的轉(zhuǎn)頻調(diào)制齒輪軸的嚙合頻率而產(chǎn)生。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，它們保持不變。齒輪出現(xiàn)故障時，邊帶的數(shù)目和幅值發(fā)生變化。如上所述，輪齒發(fā)生裂紋時，故障齒輪每轉(zhuǎn)都會產(chǎn)生一次局部調(diào)制，由于齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多

13、種調(diào)制現(xiàn)象可能同時存在，每種調(diào)制現(xiàn)象都會產(chǎn)生不同系列的等間隔周期頻譜。因?yàn)樗鼈兣c調(diào)制波源相關(guān)，這些邊帶包含豐富故障診斷信息。根據(jù)利用FFT進(jìn)行時-頻域轉(zhuǎn)換的概念，可以將頻譜分析結(jié)果再次利用FFT技術(shù)轉(zhuǎn)換到一個新的分析域中。這樣就形成了所謂的倒頻譜分析。倒頻譜具有檢測和分離頻譜中周期性成分的能力，會使原來譜圖上成族的邊頻譜線簡化為倒頻譜上的單根譜線，從而使頻譜中的復(fù)雜周期成分變得清晰易辨，以利于故障診斷。這種方法的缺點(diǎn)是倒譜的幅值大小對裂紋長度的發(fā)展不敏感，不易進(jìn)行故障定位。對于同時有多對齒輪嚙合的齒輪箱振動頻譜圖，由于每對齒輪嚙合都將產(chǎn)生邊頻帶，幾個邊頻帶交叉分布在一起，僅進(jìn)行頻率細(xì)化分析有時

14、還無法看清頻譜結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)一步做倒頻譜分析。倒頻譜能較好地檢測出功率譜上的周期成分，通常在功率譜上無法對邊頻的總體水平作出定量估計(jì)，而倒頻譜對邊頻成分具有“概括”能力，能較明顯地顯示出功率譜上的周期成分，將原來譜上成族的邊頻帶譜線簡化為單根譜線，便于觀察，而齒輪發(fā)生故障時的振動頻譜具有的邊頻帶一般都具有等間隔（故障頻率）的結(jié)構(gòu)，利用倒頻譜這個優(yōu)點(diǎn)，可以檢測出功率譜中難以辨識的周期性信號。圖3(a)是某齒輪箱振動信號的頻譜，頻率為0 20kHz ,譜線數(shù)4000其中包含嚙合頻率（4 . 3kHz）及其三階諧頻成分。由于頻率分辨率太低(50Hz )，頻譜上沒有分解出邊頻帶，圖（b）是對圖（a）中

15、的3.513. 5kHz頻段內(nèi)細(xì)化至2000譜線的頻譜。譜中包含前三階嚙合頻率的諧頻，但不包含齒輪旋轉(zhuǎn)頻率的低階譜波。由于分辨率較高(5Hz)，可以看到很多邊頻成分，但仍很難分辨出它們的周期。將圖（b）中7.59.5kHz頻率展開作橫向放大，得到圖（c），可以看到以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻帶。圖（d）是由圖（b）而得到倒頻譜。倒頻譜上清楚地表明了對應(yīng)于兩個齒輪旋轉(zhuǎn)頻率（85Hz和50Hz）的兩個倒頻分量A1（118ms）和B1（20. 0ms），而在功率譜上卻難以分辨出來。圖3 用倒頻譜分析齒輪箱振動信號中的邊頻帶1-嚙合頻率；2，3-高次諧波；A1A5一周期為11$ms諧波；B1 B3-周期為2

16、0ms諧波倒頻譜的另一個主要優(yōu)點(diǎn)是受信號傳遞路徑影響較小，這一優(yōu)點(diǎn)對于故障識別極為有用。圖4是兩個傳感器在齒輪箱上不同測點(diǎn)的分析結(jié)果?？梢钥吹?，由于傳遞路徑不同，二者的功率譜也不相同。但在倒頻譜上，由于信號源的振動效應(yīng)和傳遞途徑的效應(yīng)分離開來，代表齒輪振動特征的倒頻率分量幾乎完全相同，只是低倒頻率段存在由于傳遞函數(shù)差異而產(chǎn)生的影響。由此可見，在進(jìn)行倒頻譜分析時，可以不必考慮信號測取時的衰減和標(biāo)定系數(shù)所帶來的影響。圖4  故障信息在功率譜和倒頻譜中明顯性比較如前所述，在齒輪箱的振動中，調(diào)頻和調(diào)幅的同時存在及兩種調(diào)制在相位上的變化使邊頻具有不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性給在功率譜上識別邊頻造成不

17、利影響。而在倒頻譜上，代表齒輪調(diào)制程度的幅值不受相位變化的影響，這也是倒頻譜分析的優(yōu)點(diǎn)之一。4. 瀑布圖分析法除了倒頻譜分析方法外，前述瀑布圖分析方法也可以在齒輪箱故障診斷中應(yīng)用。改變齒輪箱輸人軸的轉(zhuǎn)速并作出相應(yīng)的振動功率譜，就可以得到瀑布圖。在瀑布圖上，可以清楚地觀察到，有些譜峰的位置隨輸人軸轉(zhuǎn)速的變化而偏移，它們一般屬于齒輪強(qiáng)迫振動的頻率；而有些譜峰的位置始終不變，不隨輸入軸轉(zhuǎn)速的變化而改變，這種譜峰就屬于由共振所引起的，這種共振可能是齒輪傳動系統(tǒng)共振，也可能是箱體共振，繪制瀑布圖一般需要有20以上的轉(zhuǎn)速變化。5. 包絡(luò)分析法包絡(luò)分析就是提取負(fù)載在高頻信號上的低頻信號，從時域上看，為取時域

18、波形的包絡(luò)軌跡。像具有齒輪、軸承等零部件的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷常常用到包絡(luò)分析。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承零部件有點(diǎn)蝕、剝落等損傷類故障時，伴隨設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)這些故障會產(chǎn)生周期性脈沖沖擊力，激起設(shè)備的各階固有振動。選擇沖擊激起的高頻固有振動為研究對象，通過濾波將其從信號中分離出來，然后通過包絡(luò)檢波，提取出載附在其上的與周期脈沖沖擊力對應(yīng)的包絡(luò)信號，從其強(qiáng)度和頻次就可以判斷零件損傷的程度和部位。這種技術(shù)稱為包絡(luò)解調(diào)，也稱為早期故障探測法，它是判斷設(shè)備零件損傷類故障的一種有效的手段。6. 小波分析法小波變換作為一種新的數(shù)學(xué)理論和方法，己在不少領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 在振動信號分析中，小波變換屬于一種多分辨率的時頻分析

19、方法，具有很多優(yōu)點(diǎn)，為非平穩(wěn)信號的分析提供了一個有價值的工具。實(shí)際應(yīng)用中常使用簡單方便的二進(jìn)離散小波變換。從多分辨率分析的角度上看，小波分解相當(dāng)于一個帶通濾波器和一個低通濾波器，每次分解總是把原信號分解成兩個子信號，分別稱為逼近信號和細(xì)節(jié)信號，每個部分還要經(jīng)過一次隔點(diǎn)重采樣。如此分解N次即可得到第N層（尺度N上）的小波分解結(jié)果。 小波變換常以下面3種方法用于齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)和故障診斷分析：1) 小波包能量譜進(jìn)行監(jiān)測；2) 邊帶識別；3) 奇異點(diǎn)的模極大值及過零點(diǎn)檢測。隨著小波分析技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)容量和運(yùn)算能力的飛速發(fā)展，最近人們開始對連續(xù)小波變換應(yīng)用于故障診斷分析。連續(xù)小波變換能為基小波的選擇

20、提供很大方便，當(dāng)己知需檢成分的特征時，就可以選取成構(gòu)造與之對應(yīng)的基小波，作連續(xù)小波變換來揭示這些成分的分布和大小。小波變換雖然是一種很好的信號分析工具，但它仍然存在下面兩個問題：一是小波變換分析的結(jié)果不如傅立葉變換那樣直觀明了，需要分析人員具有一定的小波分析理論基礎(chǔ)進(jìn)行判斷，不宜于使用計(jì)算機(jī)對結(jié)果進(jìn)行自動分析和處理。二是小波變換的核函數(shù)不是唯一確定的，需要根據(jù)工程應(yīng)用中的實(shí)際進(jìn)行選用。7. 時域同步平均法從齒輪振動中取出嚙合頻率成分，將它同齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率同步相加、平均，這種方法叫時域同步平均法。這種方法對診斷齒輪局部異常并確定其位置非常有效。因?yàn)楫惓Ш蠒r，沖擊振動的振幅要比其他齒的大，所以

21、曲線上幅值最大的峰值位置即是異常齒的位置。其分析原理如圖2-20所示。圖5  同期時域平均法同期時域平均需要保證按特定整周期截取信號。對齒輪信號的特定周期，總是取齒輪的旋轉(zhuǎn)周期。通常的做法是，在測取齒輪箱振動加速度的同時，記錄一個轉(zhuǎn)速同步脈沖信號。在作信號的時域平均時，以此脈沖信號來觸發(fā)A /D轉(zhuǎn)換器，從而保證按齒輪軸的旋轉(zhuǎn)周期截取信號，且每段樣本的起點(diǎn)對應(yīng)于轉(zhuǎn)軸的某一特定轉(zhuǎn)角。隨著平均次數(shù)的增加，齒輪旋轉(zhuǎn)頻率及其各階倍頻成分保留，而其他噪聲部分相互抵消趨于消失，由此可以得到僅與被檢齒輪振動有關(guān)的信號。經(jīng)過時域平均后，比較明顯的故障可以從時域波形上反映出來，如圖6(a)所示。圖(a)

22、是正常齒輪的時域平均信號，信號由均勻的嚙合頻率分量組成，沒有明顯的高次諧波；圖6(b)是齒輪安裝對中不良的情形，信號的嚙合頻率分量受到幅值調(diào)制，但調(diào)制頻率較低，只包含轉(zhuǎn)頻及其低階諧頻；圖6(c)是齒輪的齒面嚴(yán)重磨損的情況，嚙合頻率分量嚴(yán)重偏離正弦信號的形狀，故其頻譜上必然出現(xiàn)較大的高次諧波分量，由于是均勻磨損，振動的幅值在一轉(zhuǎn)內(nèi)沒有大的起伏；圖6(d）為齒輪有局部剝落或斷齒時的典型信號，振動的幅值在某一位置有突跳現(xiàn)象。一般來講，觀察時域平均后的齒輪振動波形對于識別故障類型是很有幫助，即使一時難以得出明確的結(jié)論，對后續(xù)分析和判斷也可以提供極具參考價值的信息。圖6 齒輪在各種狀態(tài)下的時域平均信號二

23、、 滾動軸承故障的特征頻率推導(dǎo)計(jì)算答：假設(shè)滾動體為純滾動（即滾動體與滾道之間無相對滑動），承受徑向、軸向載荷時各部分無變形；每個滾動體直徑相同，且均勻地頒在內(nèi)外滾道之間。圖7.滾動軸承示意圖圖中符號說明：軸承節(jié)圓直徑；滾動體直徑；內(nèi)圈滾道半徑；外圈滾道半徑；接觸角；滾動體個數(shù)；內(nèi)圈滾道回轉(zhuǎn)頻率；外圈滾道回轉(zhuǎn)頻率保持架回轉(zhuǎn)頻率（即為滾動體公轉(zhuǎn)頻率）。則滾動軸承工作時各點(diǎn)的轉(zhuǎn)動速度如下:內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率： （n為軸的轉(zhuǎn)速）內(nèi)滾道上一點(diǎn)的速度為: 外滾道上一點(diǎn)的速度為: 保持架上一點(diǎn)的速度為：由此可得保持架的旋轉(zhuǎn)頻率（即滾動體的公轉(zhuǎn)頻率）為：單個滾動體在外滾道上的通過頻率，即保持架相對外圈的回轉(zhuǎn)頻率為:

24、單個滾動體在內(nèi)滾道上的通過頻率，即保持架相對內(nèi)圈的回轉(zhuǎn)頻率為:從固定在保持架上的動坐標(biāo)系來看，滾動體與內(nèi)圈作無滑動滾動，它的回轉(zhuǎn)頻率之比與成反比。由此可得滾動體相對于保持架的回轉(zhuǎn)頻率(即滾動體的自轉(zhuǎn)頻率，滾動體通過內(nèi)滾道或外滾道的頻率) ：根據(jù)滾動軸承的實(shí)際工作情況，定義滾動軸承內(nèi)，外圈的相對轉(zhuǎn)動頻率為：一般情況下，滾動軸承的外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，即：，=。同時考慮滾動軸承有Z個滾動體，則滾動軸承的特征頻率如下：Z個滾動體通過外圈上某一固定點(diǎn)頻率為：（1）Z個滾動體通過內(nèi)圈上某一固定點(diǎn)頻率為：（2）滾動體上的某一固定點(diǎn)在保持架上的通過頻率（即滾動體的自轉(zhuǎn)頻率）為：（3）保持架的旋轉(zhuǎn)頻率（即滾動體

25、的公轉(zhuǎn)頻率）為：（4）上述式（1）、（2）、（3）、（4）分別稱為外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架的通過頻率。當(dāng)上述的“某一固定點(diǎn)”是局部損傷點(diǎn)(例如點(diǎn)蝕點(diǎn)、剝落點(diǎn)、燒傷點(diǎn)等)，它們分別成為局部損傷點(diǎn)撞擊滾動軸承元件的頻率，所以式（1）、（2）、（3）、（4）又分別稱為外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架的故障特征頻率。三、 煤氣鼓風(fēng)機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)(一) 測點(diǎn)分布煤氣鼓風(fēng)機(jī)組由電動機(jī)、液力耦合器、增速器及鼓風(fēng)機(jī)組成，相互之間由齒輪聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。除了液力耦合器為滾動軸承外，其它設(shè)備為滑動軸承。煤氣鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的測點(diǎn)布置如圖 8 所示。圖 8中 RPM 為轉(zhuǎn)速傳感器，檢測煤氣鼓風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，便于控制煤

26、氣鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。S15 為推力軸承軸向位移傳感器，檢測煤氣鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向竄動信號。S16 為推力軸承軸向位移傳感器，檢測電機(jī)軸向竄動信號。S11S14 為安裝在煤氣鼓風(fēng)機(jī)軸承座上直接測量煤氣鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的振動信號，S1S10 為安裝在軸承座上的速度傳感器，對檢測的速度信號進(jìn)行積分變換，可轉(zhuǎn)換為振動位移信號。其中：S1S10振動速度傳感器；S11S14位移傳感器；S15S16位移傳感器； RPM轉(zhuǎn)速傳感器；圖8.測點(diǎn)布置簡圖(二) 硬件組成整個系統(tǒng)的運(yùn)行建立在系統(tǒng)硬件的正確連接和正常工作的基礎(chǔ)上。本系統(tǒng)的硬件包括信號采集子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)及輔助部件等部分。信號采集子系統(tǒng)的硬件主要包括電渦流振動位移

27、傳感器及前置器、速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡、交換機(jī)、各類型電纜等。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖9。圖9. 系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖1. 傳感器 傳感器是將測試中的振動、溫度、壓力、噪聲等具有不同物理特性的信號轉(zhuǎn)換為電信號的儀器。其輸出的電信號分為兩類：一類是電壓、電荷及電流；另一是電阻、電容和電感等電參數(shù)。主要功能在于把位移，速度等物理量轉(zhuǎn)化為電信號。1) 電渦流位移傳感器本系統(tǒng)采用重慶大學(xué)研制的非接觸式電渦流徑向位移振幅傳感器和非接觸式電渦流軸向位移振幅傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器選用非接觸式電渦流軸向位移振幅傳感器，該系列傳感器具有頻響寬、線性測量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)。2) 速度

28、傳感器本系統(tǒng)采用重慶大學(xué)研制的振動速度傳感器。該傳感器有較低的輸出阻抗，較好的信噪比，對輸出插頭和電纜無特殊要求。2. 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡，它集信號調(diào)理儀和 A/D 的功能于一體，是新型外置式 A/D 產(chǎn)品。它使用國際標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范 TCP/IP 協(xié)議，采集卡還使用了自動通道掃描技術(shù)和 FIFO 緩沖存儲器，因而具有自動數(shù)據(jù)塊采集能力和極高的數(shù)據(jù)傳輸效率，可圓滿地實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)處理、連續(xù)快速采集存盤等高級數(shù)采功能。由于采用的以太網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集成為可能，通過網(wǎng)線可實(shí)現(xiàn) 100 米以外的數(shù)據(jù)采集。3. 其它硬件組成選擇系統(tǒng)所需要的其它設(shè)備如下：1) 服務(wù)器聯(lián)想工控機(jī)具體配置為：CPU：P4 2.8G，內(nèi)存：1G，網(wǎng)卡：100M 自適應(yīng)，光驅(qū)：52X, 硬盤：80GB(MAXTOR)，顯示器：LAN 19"液晶顯示屏。2) 交換機(jī)采用 D-Link 5 通道交換機(jī)。硬件中的傳感器主要對各個測點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時采集功能，并轉(zhuǎn)化成電信號；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡主要是接受多路