第一章 概 論
1.1 本課題研究目的和意義
齒輪傳動(dòng)是機(jī)械設(shè)備中最常用而且最重要的傳動(dòng)方式，它在航空、航天、冶金、交通、機(jī)械和儀表制造等各個(gè)工業(yè)部門都獲得了最廣泛的應(yīng)用。隨著齒輪減速機(jī)的廣泛使用和向高速和重載及振動(dòng)小、噪聲低的方向發(fā)展，齒輪的振動(dòng)問題也逐漸成為一個(gè)突出的問題需要深入研究。
齒輪在傳動(dòng)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(shí)，此時(shí)的振動(dòng)體系是時(shí)變的非線性系統(tǒng)；輪齒間隙過大時(shí)還會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)脫齒狀態(tài)。因此，齒輪所產(chǎn)生的振動(dòng)除了和輪齒嚙合剛度時(shí)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(gè)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(diǎn)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(rèn)為，齒輪在振動(dòng)時(shí)其振動(dòng)故障頻率為齒輪嚙合頻率的n倍（n=l,2,3，…），但實(shí)際情況并不完全如此，如在圖1-1中，齒輪振動(dòng)故障頻率為齒輪嚙合頻率的1/3、2/3和3/3倍，振動(dòng)速度的幅值也較齒輪正常時(shí)大一些；在另外一些場合，齒輪振動(dòng)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?jǐn)?shù)倍亞諧和超諧振動(dòng)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(hào)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(jì)算機(jī)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(jī)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(tái)關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)故障而又未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除，其結(jié)果是不僅會(huì)導(dǎo)致其本身損壞、不能繼續(xù)運(yùn)行，往往還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備停止運(yùn)行甚至報(bào)廢、機(jī)毀人亡而造成巨大經(jīng)濟(jì)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(jī)組服役已接近其壽命期，有的甚至超期服役，進(jìn)入“損耗故障期”，故障率增多，這些設(shè)備如全部更新經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)很重，此時(shí)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(jī)械進(jìn)行故障診斷時(shí)，往往只注意傳動(dòng)零件的振動(dòng)故障頻率分析計(jì)算，而忽略箱體和機(jī)架的固有頻率的計(jì)算，這樣一來會(huì)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(jī)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(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析是十分必要的。
1.2 文獻(xiàn)綜述
齒輪在傳動(dòng)時(shí)由于各種因素的影響，一對嚙合輪齒齒側(cè)之間會(huì)有間隙，帶有齒側(cè)間隙的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)成為非線性時(shí)變振動(dòng)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(shí)域分析研究了齒輪系統(tǒng)的振動(dòng)特性。F Kucnkay(1984）也進(jìn)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(shí)變性，并研究了由于嚙合剛度時(shí)變的參數(shù)激勵(lì)而引起的動(dòng)力穩(wěn)定性問題。J Theissen等（1985)討論了具有間隙的齒輪傳動(dòng)在交變載荷作用下的動(dòng)載荷問題，文中從試驗(yàn)和理論分析兩方面研究了當(dāng)從動(dòng)軸扭矩方向改變時(shí)，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(dòng)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(dòng)問題進(jìn)行了研究。1990年，A Kaharman等分析了一對直齒輪的間隙非線性動(dòng)態(tài)特性，并考慮了由機(jī)床加工齒輪時(shí)機(jī)床傳遞誤差引起的齒輪誤差激勵(lì)的影響，并比較了齒輪誤差激勵(lì)和外載荷變化激勵(lì)對齒輪系統(tǒng)振動(dòng)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(shí)考慮了滾動(dòng)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(shí)不變的，文中從時(shí)域上討論了齒輪誤差激勵(lì)和外載荷變化激勵(lì)、軸承剛度與齒輪嚙合剛度之比等因素對非線性振動(dòng)特性的影響。同年，又分析了同時(shí)考慮齒輪間隙非線性和嚙合剛度時(shí)變性的齒輪-傳動(dòng)軸-支撐軸承系統(tǒng)，研究結(jié)果表明嚙合剛度的時(shí)變性與齒輪側(cè)隙非線性間具有很強(qiáng)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(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了當(dāng)存在齒輪側(cè)隙時(shí)，齒輪-傳動(dòng)軸-支撐軸承系統(tǒng)會(huì)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(diǎn)蝕和磨損來分析齒輪系統(tǒng)的振動(dòng)特性，齒輪系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)中有嚙合頻率的分?jǐn)?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(dòng)機(jī)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(dòng)問題的研究。韓捷（1997年）等在齒輪系統(tǒng)振動(dòng)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(dòng)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(dòng)問題研究成果的基礎(chǔ)上，指出齒側(cè)間隙問題的振動(dòng)機(jī)理和頻譜特性還需作進(jìn)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(dòng)及齒輪側(cè)隙和載荷的變化對齒輪振動(dòng)頻率的影響等問題，需作進(jìn)一步的理論分析或數(shù)值計(jì)算，并把研究成果用于實(shí)際齒輪傳動(dòng)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(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)TurbinAID，發(fā)電機(jī)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(jī)組的安全運(yùn)行了發(fā)揮了巨大作用，并取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。美國Bentley Navada公司也開發(fā)研究了以汽輪發(fā)電機(jī)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(jī)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(dòng)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(jìn)展，如三菱重工的白木萬博研制的系統(tǒng)在汽輪發(fā)電機(jī)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(jìn)行機(jī)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(shí)際應(yīng)用研究。隨著設(shè)備診斷技術(shù)重要性認(rèn)識(shí)的不斷加深和計(jì)算機(jī)、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(shí)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(jī)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(dòng)機(jī)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(jì)方案不盡合理，在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的費(fèi)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(jì)算能力和極強(qiáng)的非線性映射能力等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛應(yīng)用。在訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)時(shí)，多數(shù)研究者采用簡單可行的BP算法或改進(jìn)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(shí)際問題進(jìn)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(jī)故障智能診斷方法，需進(jìn)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(bào)是故障診斷的一個(gè)非常重要的方面。故障趨勢預(yù)報(bào)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(bào)參數(shù)與時(shí)間有很明確的關(guān)系。當(dāng)預(yù)報(bào)參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系是隨機(jī)的時(shí)候，只能采用基于時(shí)序參數(shù)模型的故障趨勢預(yù)報(bào)方法或它與其它方法的組合。世界上最早提出用AR時(shí)序模型作為趨勢預(yù)報(bào)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(hào)提出了用灰色模型（即GM）進(jìn)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(jìn)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(jìn)一步提高故障趨勢預(yù)測精度。
齒輪減速機(jī)監(jiān)測傳感器類型的選用研究是齒輪減速機(jī)在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的一個(gè)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(jì)，這種傳感器與電荷放大器之間需用信號(hào)電纜連接，當(dāng)兩者之間的距離很長時(shí)，如采用普通信號(hào)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(jì)和內(nèi)置放大電路一體的ICP加速度計(jì)，并已逐步在齒輪減速機(jī)等重大工業(yè)設(shè)備上推廣使用。我國在齒輪減速機(jī)上大都采用壓電加速度計(jì)作為監(jiān)測用。現(xiàn)也有少數(shù)廠家開始研制ICP加速度計(jì)，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(jìn)一步改進(jìn)制造工藝和試驗(yàn)研究。
齒輪減速機(jī)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(shí)，還需研究更合適的信號(hào)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(tuán)公司重大技術(shù)改造項(xiàng)目‘武鋼冷軋薄板廠五機(jī)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(jìn)行了振動(dòng)機(jī)理的研究，進(jìn)而系統(tǒng)地研究總結(jié)了齒輪減速機(jī)振動(dòng)故障頻率；
(2）對齒輪減速機(jī)振動(dòng)信號(hào)拾取方法進(jìn)行了研究；
(3）用變時(shí)基技術(shù)對減速機(jī)箱蓋進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)研究；
(4）對大型齒輪減速機(jī)監(jiān)測、故障智能診斷系統(tǒng)作為主要參加者進(jìn)行了設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在硬件的配置方面設(shè)計(jì)；
(5）對基于BP算法和改進(jìn)的BP算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)故障智能診斷方法進(jìn)行了研究；
(6）對基于時(shí)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(dòng)故障趨勢進(jìn)行了分析研究。
1.4 論文創(chuàng)新點(diǎn)
(l）通過對有齒輪齒側(cè)間隙的非線性時(shí)變齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)機(jī)理的研究表明：齒輪齒側(cè)間隙變化時(shí)，齒輪振動(dòng)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?jǐn)?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(jī)振動(dòng)信號(hào)拾取方法的研究，提出了用安裝在滾動(dòng)軸承外圈上的應(yīng)力環(huán)來測試齒輪減速機(jī)振動(dòng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)，通過該信號(hào)的分析，可以直接診斷出齒輪減速機(jī)內(nèi)傳動(dòng)件的各種故障。
(3）從設(shè)備特點(diǎn)、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(jì)，該設(shè)計(jì)結(jié)合設(shè)備實(shí)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(diǎn)，付之實(shí)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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