第一章 概 論
1.1 本課題研究目的和意義
齒輪傳動是機械設(shè)備中最常用而且最重要的傳動方式，它在航空、航天、冶金、交通、機械和儀表制造等各個工業(yè)部門都獲得了最廣泛的應(yīng)用。隨著齒輪減速機的廣泛使用和向高速和重載及振動小、噪聲低的方向發(fā)展，齒輪的振動問題也逐漸成為一個突出的問題需要深入研究。
齒輪在傳動過程中，輪齒是不斷地處在一齒與兩齒交替咬合狀態(tài)，對于斜齒輪，是不斷地處在兩齒與三齒交替咬合狀態(tài)。當(dāng)齒側(cè)有間隙時，此時的振動體系是時變的非線性系統(tǒng)；輪齒間隙過大時還會出現(xiàn)瞬時脫齒狀態(tài)。因此，齒輪所產(chǎn)生的振動除了和輪齒嚙合剛度時變性有關(guān)外，還和齒輪的制造誤差（如質(zhì)量偏心、齒距偏差和齒形誤差）、裝配不良（如兩個齒輪軸心線不平行）、齒輪正常損傷（如齒輪正常磨損等）和齒輪非正常損傷（如齒面疲勞點蝕、齒面剝落、齒面燒傷、塑性變形和膠合撕傷等）有關(guān)。人們一般都認為，齒輪在振動時其振動故障頻率為齒輪嚙合頻率的n倍（n=l,2,3，…），但實際情況并不完全如此，如在圖1-1中，齒輪振動故障頻率為齒輪嚙合頻率的1/3、2/3和3/3倍，振動速度的幅值也較齒輪正常時大一些；在另外一些場合，齒輪振動故障頻率為n/m倍（n,m皆為正整數(shù)）。因此很有必要對產(chǎn)生分數(shù)倍亞諧和超諧振動的原因作深入的研究工作。
設(shè)備的在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)是以現(xiàn)代科學(xué)中的系統(tǒng)論、可靠性理論、失效理論、人工智能、力學(xué)和信號處理為理論基礎(chǔ)，以包括傳感器在內(nèi)的儀器設(shè)備和計算機技術(shù)為手段，結(jié)合各對象的特殊規(guī)律性而迅速發(fā)展起來的一門技術(shù)科學(xué)。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，機械設(shè)備的在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)越來越受到重視，在連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)中，如果某臺關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)故障而又未能及時發(fā)現(xiàn)和排除，其結(jié)果是不僅會導(dǎo)致其本身損壞、不能繼續(xù)運行，往往還會導(dǎo)致整個生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備停止運行甚至報廢、機毀人亡而造成巨大經(jīng)濟損失。因此，對于連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)，設(shè)備的在線監(jiān)測和故障診斷具有極為重要的意義。在我國各大型工礦企業(yè)中，現(xiàn)有大量老設(shè)備、老機組服役已接近其壽命期，有的甚至超期服役，進入“損耗故障期”，故障率增多，這些設(shè)備如全部更新經(jīng)濟負擔(dān)很重，此時如有完善的在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，定將能延長設(shè)備的使用期。
人們在對旋轉(zhuǎn)機械進行故障診斷時，往往只注意傳動零件的振動故障頻率分析計算，而忽略箱體和機架的固有頻率的計算，這樣一來會造成有的頻率成份來歷不明，不知如何分析，因而對準(zhǔn)確地診斷旋轉(zhuǎn)機械故障造成了一定困難。因此，采用比較精確的手段對箱體和機架進行模態(tài)分析是十分必要的。
1.2 文獻綜述
齒輪在傳動時由于各種因素的影響，一對嚙合輪齒齒側(cè)之間會有間隙，帶有齒側(cè)間隙的齒輪傳動系統(tǒng)成為非線性時變振動系統(tǒng)，對它的研究國外起始于1967年K Nakamura的研究。七、八十年代的主要研究者有S Dubowsky(1971)、R C Azar(1977)、C C Wang(1978)、T Nayashi（1979)、D C H.Yang(1985)和S V Neriya(1988)，主要利用數(shù)值仿真從時域分析研究了齒輪系統(tǒng)的振動特性。F Kucnkay(1984）也進行了高速齒輪系統(tǒng)間隙問題的研究，他考慮了嚙合剛度的時變性，并研究了由于嚙合剛度時變的參數(shù)激勵而引起的動力穩(wěn)定性問題。J Theissen等（1985)討論了具有間隙的齒輪傳動在交變載荷作用下的動載荷問題，文中從試驗和理論分析兩方面研究了當(dāng)從動軸扭矩方向改變時，由于嚙合中輪齒側(cè)面的交替工作，齒側(cè)間隙對輪齒傳動載荷的影響。從九十年代初開始，美國俄亥俄州立大學(xué)的A Kaharman等利用數(shù)值仿真和諧波平衡法對具有齒側(cè)間隙的齒輪系統(tǒng)振動問題進行了研究。1990年，A Kaharman等分析了一對直齒輪的間隙非線性動態(tài)特性，并考慮了由機床加工齒輪時機床傳遞誤差引起的齒輪誤差激勵的影響，并比較了齒輪誤差激勵和外載荷變化激勵對齒輪系統(tǒng)振動影響的差別。1991年，A Kaharman等又研究了由齒輪、軸和軸承組成的多自由度系統(tǒng)，同時考慮了滾動軸承徑向間隙和齒側(cè)間隙的影響，但文中假定齒輪嚙合剛度是時不變的，文中從時域上討論了齒輪誤差激勵和外載荷變化激勵、軸承剛度與齒輪嚙合剛度之比等因素對非線性振動特性的影響。同年，又分析了同時考慮齒輪間隙非線性和嚙合剛度時變性的齒輪-傳動軸-支撐軸承系統(tǒng)，研究結(jié)果表明嚙合剛度的時變性與齒輪側(cè)隙非線性間具有很強的耦合性，而齒輪側(cè)隙與軸承徑向間隙間的耦合性較弱。1997年，A Kaharman等從實驗上驗證了當(dāng)存在齒輪側(cè)隙時，齒輪-傳動軸-支撐軸承系統(tǒng)會產(chǎn)生亞諧和超諧共振。同年，F(xiàn) K Choy等在一篇論文中提到，用齒輪嚙合剛度相位和幅值的變化模擬齒輪輪齒表面的點蝕和磨損來分析齒輪系統(tǒng)的振動特性，齒輪系統(tǒng)振動響應(yīng)中有嚙合頻率的分數(shù)成份。與國外相比，國內(nèi)對帶有齒側(cè)間隙的齒輪故障振動機理的研究起步較晚，目前大都還僅限于無齒側(cè)間隙的振動問題的研究。韓捷（1997年）等在齒輪系統(tǒng)振動力學(xué)模型上考慮了齒側(cè)間隙的存在。王建軍（1995年）從力學(xué)模型上考慮了齒側(cè)間隙的存在，并考慮了齒輪偏心帶來的輪齒間的動力耦合。王建軍（1995年）在較系統(tǒng)總結(jié)研究國外學(xué)者研究齒輪間隙非線性振動問題研究成果的基礎(chǔ)上，指出齒側(cè)間隙問題的振動機理和頻譜特性還需作進一步的研究。
綜上所說，對在非共振狀態(tài)下帶有齒側(cè)間隙的齒輪系統(tǒng)是否有亞諧或超諧振動及齒輪側(cè)隙和載荷的變化對齒輪振動頻率的影響等問題，需作進一步的理論分析或數(shù)值計算，并把研究成果用于實際齒輪傳動裝置的故障診斷中。
在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的研究，美國最早在1961年開始執(zhí)行阿波羅計劃后出現(xiàn)了一系列設(shè)備故障，促使1967年在美國NASA倡導(dǎo)下，由美國海軍研究室（ONR）主持美國機械故障預(yù)防小組（MFPG）積極從事故障診斷技術(shù)的研究和開發(fā)。在旋轉(zhuǎn)機械在線監(jiān)測和故障診斷方面，美國西屋公司從1976年開始研制開發(fā)產(chǎn)品，到1990年已發(fā)展成網(wǎng)絡(luò)化的汽輪發(fā)電機組智能化故障診斷專家系統(tǒng)，其三套人工智能診斷軟件（汽輪機TurbinAID，發(fā)電機GenAID，水化學(xué)ChenAID）共有診斷規(guī)則近一萬條，已對西屋公司所產(chǎn)機組的安全運行了發(fā)揮了巨大作用，并取得了很大的經(jīng)濟效益。美國Bentley Navada公司也開發(fā)研究了以汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子為在線監(jiān)測診斷對象的DDM系統(tǒng)和ADRE系統(tǒng)。英國在60年代末70年代初，以R A Collacott為首的英國機械保健保健中心開始診斷技術(shù)的開發(fā)研究，在線監(jiān)測和故障診斷研究和產(chǎn)品開發(fā)搞的比較好的有沃福森工業(yè)維修公司（WIMU）和Michael Neale and Associte公司。歐洲國家一些公司的在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)在世界上也很有聲望，如瑞典的SPM軸承監(jiān)測技術(shù)和丹麥B&K公司的振動和聲監(jiān)測診斷技術(shù)。日本自70年代起在鋼鐵、化工、鐵路等部門開始發(fā)展自己的在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，并取得了較大的進展，如三菱重工的白木萬博研制的系統(tǒng)在汽輪發(fā)電機組在線監(jiān)測和故障診斷方面已發(fā)揮了作用。我國從1979年起，一些大專院校（如西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航天航空大學(xué)和清華大學(xué)等）和科研單位（如遼化高金吉博士領(lǐng)導(dǎo)的設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷研究所）逐漸開始進行機械設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的理論研究工作和小范圍工程實際應(yīng)用研究。隨著設(shè)備診斷技術(shù)重要性認識的不斷加深和計算機、傳感器技術(shù)、診斷理論的發(fā)展，國內(nèi)許多的大學(xué)、科研單位和工礦企業(yè)也都研究或研制了結(jié)合具體實際對象的在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。從已取得了一些成果看，這些齒輪減速機在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)可診斷一些平常故障（如聯(lián)軸節(jié)不對中，偏心等），但也存在著如下的問題：（一）由于齒輪系統(tǒng)某些故障振動機理還不是十分清楚，故對一些特殊故障如由于齒輪加工和使用磨損等原因引起的齒側(cè)間隙尚不能診斷；（二）由于診斷方法的限制，故障診斷系統(tǒng)的診斷準(zhǔn)確率還不很高；（三）系統(tǒng)設(shè)計方案不盡合理，在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的費用偏高。
智能故障診斷方法的研究，現(xiàn)大都集中在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究上，這主要是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有不需要建立反映系統(tǒng)物理規(guī)律的診斷數(shù)學(xué)模型、巨量并行計算能力和極強的非線性映射能力等優(yōu)點而獲得廣泛應(yīng)用。在訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)時，多數(shù)研究者采用簡單可行的BP算法或改進的BP算法來訓(xùn)練。人們用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對實際問題進行智能診斷，并取得了一些成果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要作為減速機故障智能診斷方法，需進一步完善現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，并研究更快的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法。
故障趨勢預(yù)報是故障診斷的一個非常重要的方面。故障趨勢預(yù)報最傳統(tǒng)的方法；已回歸分析方法，但這種方法有很大的局限性，僅適用于預(yù)報參數(shù)與時間有很明確的關(guān)系。當(dāng)預(yù)報參數(shù)與時間的關(guān)系是隨機的時候，只能采用基于時序參數(shù)模型的故障趨勢預(yù)報方法或它與其它方法的組合。世界上最早提出用AR時序模型作為趨勢預(yù)報的是G U Yule(1927年），隨后D Walker等學(xué)者逐步發(fā)展了ARMA、MA模型用于預(yù)測。在八十年代，我國學(xué)者鄧聚龍針對非平穩(wěn)信號提出了用灰色模型（即GM）進行趨勢預(yù)測，楊叔子等學(xué)者提出了用ARMA和GM模型用于故障預(yù)測，并取得了一些成果。故障預(yù)測還需進一步開展的工作是如何把以上預(yù)測模型和現(xiàn)代數(shù)學(xué)分析方法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，而進一步提高故障趨勢預(yù)測精度。
齒輪減速機監(jiān)測傳感器類型的選用研究是齒輪減速機在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計研究的一個重要方面。傳統(tǒng)的監(jiān)測用傳感器一般選用壓電加速度計，這種傳感器與電荷放大器之間需用信號電纜連接，當(dāng)兩者之間的距離很長時，如采用普通信號電纜，則系統(tǒng)抗干涉能力差；而采用低噪聲屏蔽電纜，則系統(tǒng)成本太高。國外在八十年代開發(fā)研制了集壓電加速度計和內(nèi)置放大電路一體的ICP加速度計，并已逐步在齒輪減速機等重大工業(yè)設(shè)備上推廣使用。我國在齒輪減速機上大都采用壓電加速度計作為監(jiān)測用。現(xiàn)也有少數(shù)廠家開始研制ICP加速度計，并成功地應(yīng)用到了設(shè)備的離線監(jiān)測上，但要應(yīng)用到設(shè)備的在線監(jiān)測上還需進一步改進制造工藝和試驗研究。
齒輪減速機監(jiān)測用傳感器一般安裝在靠近軸承座的垂直方向上，當(dāng)監(jiān)測傳感器不能放在該位置時，還需研究更合適的信號監(jiān)測手段。
1.3 本文所作主要工作
本文的研究工作的工程背景是基于武漢鋼鐵集團公司重大技術(shù)改造項目‘武鋼冷軋薄板廠五機架關(guān)鍵設(shè)備在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)研究’課題，作者參加了的部分研究工作。
本文的主要工作如下：
(l）對有齒輪齒側(cè)間隙的齒輪進行了振動機理的研究，進而系統(tǒng)地研究總結(jié)了齒輪減速機振動故障頻率；
(2）對齒輪減速機振動信號拾取方法進行了研究；
(3）用變時基技術(shù)對減速機箱蓋進行了振動模態(tài)試驗研究；
(4）對大型齒輪減速機監(jiān)測、故障智能診斷系統(tǒng)作為主要參加者進行了設(shè)計，重點在硬件的配置方面設(shè)計；
(5）對基于BP算法和改進的BP算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的振動故障智能診斷方法進行了研究；
(6）對基于時序分析的AR（M）和GM(l,1）模型及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合模型的振動故障趨勢進行了分析研究。
1.4 論文創(chuàng)新點
(l）通過對有齒輪齒側(cè)間隙的非線性時變齒輪傳動系統(tǒng)的振動機理的研究表明：齒輪齒側(cè)間隙變化時，齒輪振動故障頻率成分除了有嚙合頻率的整數(shù)倍成份外，還增加了嚙合頻率的分數(shù)倍成份，該結(jié)論對提高齒輪的故障診斷準(zhǔn)確率有幫助。
(2）通過對齒輪減速機振動信號拾取方法的研究，提出了用安裝在滾動軸承外圈上的應(yīng)力環(huán)來測試齒輪減速機振動動態(tài)應(yīng)變信號，通過該信號的分析，可以直接診斷出齒輪減速機內(nèi)傳動件的各種故障。
(3）從設(shè)備特點、設(shè)備監(jiān)測和故障診斷原理及監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件三方面對某大型企業(yè)關(guān)鍵設(shè)備的在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)參加了設(shè)計，該設(shè)計結(jié)合設(shè)備實際情況，融合了國內(nèi)外在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的優(yōu)點，付之實施后可為設(shè)備的在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)及維修提供指導(dǎo)和幫助。
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