当前位置:首页 >> 其它课程 >>

哈哈哈哈哈哈


华北电力大学硕士学位论文

目 录 第一章 绪 论................................................................................................................................1 1.1 研究意 义............................................................................................ ........................ 1 1.2 研究现 状.......................................................................................................................3 1.2.1 国外高阶统计分析发展概 况............................................................................ 3 1.2.2 国内高阶统计分析发展概 况............................................................................ 3 1.3 本文研究内 容.............................................................................................................. 4 第二章 汽轮机振动信号的高阶统计特性分 析..................................................................36 2.1 汽轮机常见故障机理分 析......................................................................................... 36 2.1.1 转子不平 衡.........................................................................................................37 2.1.2 动静部件碰磨........................................................................................... 37 2.1.3 转子不对中...................................................................................................... 38 2.1.2 油膜振荡.......................................................................................................... 38 2.1.5 蒸汽振荡……,............................................................................................. 39 2.2 汽轮机异常振动实例描述........................................................................................ 39 2.3 汽轮机振动信号的经典分析.................................................................................... 21 2.3.1 时间序列分析.................................................................................................. 21 2.3.2 振动信号时域特征值分析.............................................................................. 22 2.3.3 振动信号频域分析二,....................................................................................... 23 2.2 汽轮机振动信号的高阶统计特性分析.................................................................... 22 2.2.1 双谱分析.................................................................................................... 22 2.2.2 双谱特征值提取....................................................................................... 25 2.2.3 双相干谱分析.................................................................................................. 27 2.2.2 1(1/2)维谱分析.。......................................................................................27 第三章 齿轮故障信号的高阶统计特性分析...................................................... 50 3.1 齿轮故障机理分析.............................................................................................. 30 3.1.1 制造误差.................................................................................................... 30

华北电力大学硕士学位论文

3.1.2 装配不良............................................................................................................. 30 3.1.3 齿轮的损伤...................................................................................................... 30 3.1.2 齿轮故障的频谱特征...................................................................................... 31 3.2 齿轮点蚀故障实例分析............................................................................................ 32 3.2.1 实验描 述.......................................................................................................... 32 3.2.2 经典分 析.......................................................................................................... 32 3.2.2.1 时域分 析............................................................................................... 32 3.2.2.2 频域分析........................................................................................ 33 3.2.3 高阶统计特性分 析.................................................................................... 33 3.2.3.1 双谱分 析...........................................................................................36 3.2.3.2 双谱特征值提取............................................................................... 37 3.2.3.3 双相干谱分 析........................................................................................ 39 3.2.3.2 1(1/2)维谱分 析................................................................................. 60

第一章

绪论

1.1 研究意义 工业的现代化具有鲜明特点,那就是生产设备的大型化、复杂化、高速化和 自动化。现代化的社会大生产要求不断提高生产率、降低成本、节约能源、提高 产品质量,这就对机械设备的功能和性能提出越来越高的要求,于是机械设备的 结构也越来越复杂,部件之间的耦合关系越来越紧密,一个环节出现问题就可能 导致整个生产流程的中断。同时,由于机械设备发生故障而导致的经济损失和维 修费用也大幅增加。例如,1985 年山西大同电厂 2 号机组联轴器断裂事故,1988 年秦岭电厂 5 号机组主轴断裂,这两次事故的直接经济损失均达亿元,并严重影 响了华北和西北地区的供电。这样大的经济损失和造成的社会影响是难以估量 的,所以必须要求设备具有较高的安全性和可靠性。机械设备的设计、生产、安 装、 运行、 维护, 每一个环节都要进行科学的管理, 才能保障运行的安全和经济。 为了及早发现故障趋势或者排除故障,快速、准确、有效地提取故障的基本特征 就成为必不可少的前提条件,具有十分重要的意义。旋转机械,如汽轮机、发电 机、离心压缩机等等以及机械系统中配套的齿轮、齿轮箱、轴承系统,还有石油 化工、电力、机械制造等行业的关键设备,在国民经济中具有举足轻重的作用, 其运行状况直接关系到企业的生命。在采用了在线监测、故障诊断技术之后,企

华北电力大学硕士学位论文

业均取得了显著的经济效益和社会效益。美国一些知名大企 业,如杜邦、通用汽车、3M, M&M, Mars、德州仪器等的维修费用都平均减少 50%;宾州电厂开展预知维修后,每年平均节约维修费用 200 万美元;乌鲁木齐石 化总厂在采用监测诊断技术以后,每年增产节支达一千万元以上 。 故障诊断学包括状态监测、 分析诊断和治理预防这三方面内 容 ,它们由以下主要步骤流程 组成,如图 1-1 所示: 一个机械系统在运行过程中 必然有能量、介质、力、热及摩 擦等各种物理和化学参数的传递 和变化,必然会由此产生各种各 样的信息,这些信息的变化直接 和间接地反映出系统的运行状 态,也就是说正常运行和异常运 行的信息变化规律是不一样的 ,故障诊断就是根据机器运行 时产生的不同信息特征来识别机 器是否处在正常运行状态的。若是等机械设备出现故障后再进行事后维修,必将 造成严重的损失;若是按计划定期维修,也需要更换大量可继续使用的零件,且 不必要的拆装维修可能引入新的故障,这也将造成不小的损失浪费;若是基于设 备状态维修, 则可以依靠长久以来的丰富经验和先进的传感技术、 信号分析技术, 提早发现机械故障征兆以及异常运行苗头,采取必要的措施或进行报警,这大大 有利于提高机械系统安全性、可靠性、经济性。 在机械故障诊断中,检测信号往往含有各种噪声,信噪比较低。特别是当机 器发生早期故障时,其微弱的故障信号往往完全淹没在强大的背景噪声中,给信 号特征的提取带来很大困难。实际测量得到的振动信号大量是非高斯分布的信 号,特别是在发生故障的情况下更是如此;即使输入是高斯信号,但是机械系统 一般都具有不同程度的非线性,所以其输出也为非高斯信号,因此,非高斯信号 是更为普遍的信号。 传统的机械振动信号分析与故障诊断中, 经典信号分析方法通常将机械设备 对象视为线性系统、最小相位系统,其产生的振动测量信号具有平稳随机信号的 特征,假设随机信号或噪声服从高斯分布。在这种假设前提下,对机械设备的振 动信号提取故障特征信息时,通常采用二阶统计量,即时域采用自相关函数,频 域采用功率谱密度函数。这种经典信号分析方法虽不精确,但是一般还是可以发 现问题并得到正确信息的。不过,在解决工程实际的振动信号分析中,经典相关 分析和谱分析方法存在三个主要问题: (1)机械设备实际运动规律存在非线性,不满足最小相位系统的假定。由于 非线性,使得信号中存在二次相位藕合现象,经典的二阶统计量分析方法就无能 为力。 (2)工程实际信号中存在大量的非高斯随机信号。 (3)经典功率谱分析丢失了原始信号中的相位信息,而这些相位信息可能包 含有用的故障信息。 所以传统低阶分析方法对上述非高斯、非线性情况显然力不从心,如何才能

华北电力大学硕士学位论文

找到一个可以分析非高斯、非线性信号,同时又可以提高信噪比,保留信号相位 信息的有效分析工具呢?高阶谱王是所求。作为高阶统计分析的主要工具,高阶 谱是处理非高斯信号及识别非线性系统故障的有力工具, 有着传统一维傅立叶功 率谱估计无可比拟的优越性。由于零均值的高斯噪声的高阶累积量恒等于零,所 以基于高阶累积量的高阶谱也恒为零,故高阶谱对高斯噪声有很强的抑制能力, 同时高阶谱还保留了信号的相位关系,从而可以获取更多准确有效的故障信息。 比较功率谱和高阶谱可知,功率谱中所包含的信息主要存在于自相关序列,对于 已知均值的高斯过程的统计描述来讲,该估计是完整的。而对于偏离高斯和存在 非线性的情况,就需要借助于高阶统计量获取信息了 。具体说来,基于高阶

累积量的高阶谱具有以下 优势 : (1)能够有效地检测信号幅度信息,还可以提供信号的相位等信息,因此可 以用于非最小相位系统和信号的辨识; (2)可以抑制高斯噪声,从而提高信号参数估计性能; (3)可以提取随机过程偏离高斯分布的程度,因此可用于信号的分类; (2)能够检测和刻画信号的非线性特性或者辨识系统的非线性程度。 正是基于这么多优点,高阶统计分析被广泛应用于信号处理、图像重构、谐 波恢复、阵列处理、盲反卷积等技术,并在机械故障诊断、地球物理、生物医学、 电子通信等领域得到了广泛应用 。 第二章 汽轮机振动信号的高阶统计特性分析 2.1 汽轮机常见故障机理分析 振动加剧是汽轮机机组故障的一种主要表现形式, 为了寻找出机组振动过大 的原因, 首先应该对振动故障的类型区分清楚, 对不同类型的故障机理明确内涵。 在现场测得振动信号的基础上, 根据故障机理从中提取出故障特征进行周密的分 析与诊断。表 2-1 是对现场常见振动故障的频率特征分类,表中,f 是转子旋

转频率,它的数值表示这种振动故障发生时频率成分的可能性。

华北电力大学硕士学位论文

通过对大量故障案例进行分析统计表明,火电汽轮机机组中最常见的故障主要 有转子不平衡、动静部件碰磨、转子不对中、油膜振荡等,了解这些主要故障类 型的机理,对于分析汽轮机轴瓦异常振动信号、提取故障特征值以及故障诊断, 都有十分重要的意义。 2.1.1 转子不平衡 转子不平衡故障是所有旋转机械最典型的故障。所谓转子不平衡,是指由于 受材料材质、加工、装配、运行等多种因素影响,转子上各个截面处的质量中心 与几何中心不重合,存在一定的偏心。这种偏心使得转子旋转时形成周期性的离 心力的干扰,在轴承上产生动载荷,使机器发生振动。在转子轴线方向上点处的 偏心质量、偏心距离的大小和偏心的方向不尽相同,即各个截面的质量中心连线 为一个空间曲线,和各个截面的几何中心连线不重合,当转子旋转时,各个截面 的离心力构成空间连续力系,作用于转子上,形成连续的空间三维挠度曲线,而 且该曲线以工频进行旋转,产生振动激励 。 转子不平衡根据形成的原因不同可以分为质量不平衡、热不平衡、转子热弯 曲、部件脱落以及部件结垢等。各种不平衡引起的振动既有共性特点,即振动信 号波形呈周期变化,信号中以转频成分为主,包含一定的谐波成分。轴心轨迹为 椭圆形。振动幅值和相位随转速变化而变化。但不同的不平衡振动类型也各有独 特的特征: (1)转子热弯曲:转子热弯曲一般发生在机组运行初期,由于蒸汽参数快速

华北电力大学硕士学位论文

变化,造成转子受热不均,产生瞬时弯曲,引起质量分布变化。随着运行时间延 长,转子温度分布逐渐区域均匀,热变形会逐渐恢复,转子中心达到初始平衡状 态。因此引起的振动在机组运行初期会随负荷变化,但是比负荷变化滞后。 (2)转子初始弯曲:如果转子存在初始弯曲,即在静态下,转子各个截面的 几何中心与转子两端支承轴承的中心线不重合, 则在转子运行时会产生与质量不 平衡特征相同的振动,但是初始弯曲使得转子在低速旋转时也有较大振动,因此 可以通过盘车时测量转子晃动进行判断。 (3)部件脱落:如果机组在运行过程中转子上部件发生突然脱落,则在脱落 瞬时产生一个很大的不平衡离心力,对转子系统产生瞬时冲击激励,使得振动幅 值和相位产生突然变化,经过一段时间后,振幅和相位趋于稳定。冲击激励的大 小取决于脱落部件质量的大小。 (2)部件结垢:如果蒸汽质量不合格,机组在长期运行以后,可能在动静叶 片表面上形成结垢,使得转子质量分布发生变化,另外由于结构导致通流条件变 差,级间压力逐渐增加,机组效率下降,轴向推力增加。结果是机组振动幅值和 相位发生变化,但是这种变化非常缓慢,往往需要经过数月甚至数年才能观察到 明显变化。 2.1.2 动静部件碰磨 机组动静部件碰磨是指在机组运行过程中, 运动部件与静止部件发生碰撞和 摩擦作用。 汽轮机是在高温高压条件下工作的高速旋转机械, 而且为了提高效率, 机组动静部件之间的间隙很小。因此在运行过程中,由于转子不平衡、转子热变 形、转子和汽缸之间膨胀不均等因素都可能造成机组动静部件之间发生碰磨故 障,造成零部件损坏,影响机组正常工作。机组动静部件碰磨可能发生在轴向、 径向或同时发生;碰磨可能持续超过转动一周,也可能在一周中只是在部分角度 处发生。一般,高压缸转子在整个轴系中径向间隙最小,启动转子与汽缸的同心 度变化较大,所以最容易发生碰磨。碰磨状态下,转子运动模型特点可以简单归 纳如下: (1)碰磨转子动态特性:碰磨导致转子系统临界转速的增加,而且在碰磨条 件下,转子振动中二倍频成分与转频成分的幅值比在转速略大于 0.5 倍临界转速 时达到最大值。 (2)碰撞造成的转子运动变化:碰磨是碰撞和摩擦的共同作用,其中碰撞产 生瞬时冲击激励,激起机组的固有振动,振动信号中包含旋转产生的强迫振动和 冲击产生的自由振动。由于碰磨点限制了转子的运动,使得振动信号发生中削波 现象。 (3)摩擦造成的转子运动变化:碰磨过程中发生的动静部件之间的摩擦效应 会使动静部件产生局部过热变形,造成转子的热弯曲,产生附加不平衡振动;切 向摩擦力使转子从正向进动变成反向进动;同时切向摩擦力对转子产生一个扭转 冲击,造成转子的扭转振动。此外摩擦可能造成部件损坏,影响机组正常运行。 2.1.3 转子不对中 汽轮机转子系统为多轴多支承系统,各个转子之间通过刚性联轴器连成一 体。 转子不对中故障是指各个转子的轴心之间存在偏差。 有三种可能的偏差类型: (1)轴线平行位移,称为平行不对中; (2)轴线交叉成一角度,称为角度不对中; (3)轴线位移且交叉,称为综合不对中。 造成转子不对中的原因包括装配、转子变形、机组结构变形、轴承座和基础

华北电力大学硕士学位论文

下沉等。转子存在不对中时,会在转子上作用一个预载荷,引起转子的横向和轴 向振动。振动信号中往往包含突出的二倍频成分。当不对中程度较轻时,二倍频 成分低于转频成分,转子轴心轨迹仍然以椭圆形为主,但当不对中程度较重时, 二倍频成分逐渐增加,轴心轨迹可能变成香蕉形,甚至变换成 8 字形。 2.1.2 油膜振荡 油膜振荡是高速滑动轴承的一种特有故障,它是油膜力产生的自激振动,转 子发生油膜振荡时输入的能量很大,足以引起转子轴承系统零部件的损坏。涡动 就是转子轴颈在轴承内作高速旋转的同时,还环绕某一平衡中心作公转运动。按 激励方式不同,涡动可以是正向的(与轴旋转方向相同),也可以是反向的(与轴旋 转方向相反);涡动角速度与转速可以是同步的,也可以是异步的。如果转子轴颈 主要是由油膜力的激励作用引起涡动, 则轴颈的涡动角速度近似为转速的二分之 一,称为“半速涡动” 。油膜激励引起的半速涡动是正向涡动运动,实际上,涡 动频率通常低于转速频率的一半,这在表 2-1 中也有体现,根据国外资料介绍, 半速涡动的实际涡动频率约为 0.23 到 0.28 倍转频 f. 半速涡动使转子由稳定变为不稳定,转子动力学上称为失稳转速。但是由于 油膜具有非线性特性(即轴颈涡动幅度增加时,油膜的刚度和阻尼较线性关系增 加得更快),抑制了转子的涡动幅度,使轴心轨迹为一稳定的封闭图形,转子仍 能平稳地工作。随着转速的升高,半速涡动成分的幅值逐渐增大。直至转速轴承 系统将发生激烈的油膜共振,这种共振涡动就称为油膜振荡,振荡频率为转子系 统的一阶自振频率。如果继续升高转速,振动并不减弱,而且振动频率基本上不 再随转速升高。 2.1.5 蒸汽振荡 当汽轮机内的蒸汽间隙(转子与静子之间的径向间隙)在圆周方向上分布不 均匀时,流过间隙的蒸汽流量分布不均匀,间隙小的部位产生较大的推力,而间 隙较大的部位则产生较小推力,因此产生与转子轴心位移方向相反的横向力,作 用于转子上, 可能导致转子的涡动, 诱发被称之为 “蒸汽激振” 的自激振荡现象。 这种间隙不均匀作用力与级间压力成正比,而与叶片长度成反比,因此在高压缸 内容易发生。 主要发生在叶片围带汽封、 隔板汽封和轴封部位。 特别是轴封部位, 由于宽度大、蒸汽参数高,因此产生的作用力也比较大。转子发生蒸汽激振时表 现出一些典型特征,可以用于判别这类故障。包括: (1)转子做正向涡动,涡动频率为转频 f 的 0.6-0.9 倍。 (2)转子轴心轨迹呈椭圆形。 (3)当蒸汽振荡比较强烈时,可能诱发转子的结构共振,振动信号中包含 对应转子一阶固有频率的较宽频带振动成分。 (2)蒸汽振荡与机组负荷有关,在一定的负荷下容易发生。 (5)当转子存在不平衡、不对中时,容易伴随发生蒸汽振荡现象。 2.2 汽轮机异常振动实例描述 某火电厂汽轮机组在运行中出现振动幅度不稳定的强烈波动现象, 该现象以 瓦振更为突出,影响到机组正常运行。为了确定异常振动现象的原因,保证机组 安全运行,在对机组进行正常监测的同时,进行几组辅助振动测量和分析。所研 究的汽轮机为 850MW 大型汽轮发电机组,蒸汽温度 535'C,压力 18.2Mpa,工 作转速为 3000 转/分。汽轮机为单轴四缸四排汽结构,由一个高压缸,一个中压 缸,两个低压缸组成。汽轮机与发电机、励磁机组成汽轮发电机组。机组外观如 图 2-1 所示。

华北电力大学硕士学位论文

机组转子由多个 转子通过刚性联轴器 连接而成,由八个滑 动轴承支承,从汽轮 机端向励磁机端分别 称为 1 号瓦至 8 号瓦。 机组配备申克公司 TSI 监测系统,用于 连续监测机组转子振 动(相对轴振)、轴承 座振动(绝对瓦振)、 轴位移、 胀差、 偏心、 转速等机械运行参 数。 机组振动和胀差 测量传感器布置如图 2-2 所示。在八个轴 承座(L1-L8 )上各安 装两个磁电式振动速 度传感器,用于测量 各个轴瓦处两个方向 上的绝对瓦振,输出 为轴承座绝对振动速度信号,单位为 mm/s。在六个轴承支承截面处(W1-W5, W8 成对安装两个电涡流振动位移传感器,用于测量转子相对于轴瓦的振动,传感器 输出为转子相对于轴瓦的瞬时位移,单位为}Cm,两个传感器之间成 90E 夹角布 置,以获得转子中心的瞬时位移;此外在机组 1, 3, 2, 5 号四个轴瓦处沿轴方向分 别安装一个电涡流位移传感器(RD1-RD2 ),用于测量胀差信号。所有传感器输出 信号经过前置处理以后送入放置在现场控制室内的监视器中, 可以实现对机组的 重要机械运行参数监测和保护。

华北电力大学硕士学位论文

机组在运行过程中,为了获得机组不稳定振动(异常振动)的实际信号,在 机组带负荷运行条件下进行了一次长时间连续测量一记录, 采用磁带记录仪对机 组振动信号进行长时间连续测量记录,然后通过回放分析确定故障原因。测量时 间从 19:10 华北电力大学硕士学位论文至 19:30,测量持续 20 分钟,测量过程中, 机组负荷为 820MW,测量时机组振动从稳定状态变化到不稳定状态。这种振动 状态的变化是突然发生,现场系统记录下振幅在很短时间内增加近一倍。由于机 组高压缸和中压缸附近轴瓦不稳定振动现象明显, 所以选取前磁带记录仪前 6 个 通道现场测量信号列于表 2-2 中以备分析:

2.3 汽轮机振动信号的经典分析 2.3.1 时间序列分析

华北电力大学硕士学位论文

由经验理论可知, 汽轮机振 动信号的周期性较强, 谐波成分 能量较大, 信噪比较高, 可以近 似看成是强谐波成分叠加弱随 机成分。本例中,KWHOIZI 一 KWH01Z6 分别是汽轮机高压 缸端、 高压一中压缸端轴振与瓦 振信号,共测量 20 分钟 (1200s ), 采样频率 8000Hz,每个 信号都采样 9.6 x 1 n6 个.点, 时间序列如图 2-3 所示。 图中从上至下分别是高压 缸端的轴振、轴振、瓦振时序, 高压一中压缸端的轴振、轴振、 瓦振时序。 通过比较可知, 轴振 信号振幅在汽轮机异常振动前 后没有发生明显变化, 而瓦振信 号异常振动的振幅要大于稳定 运行时;高压一中压缸端轴振幅 度总体上要比高压缸端大些, 尤 其是它的瓦振信号 KWHOIZ6 图 2-3 汽轮机轴瓦振动信号时 间序列(简称“Z6")最为明显, 正是因为它的时间序列包含了 显著的故障信息, 所以下文将主 要针对 Z6 信号进行分析。

2.3.2 振动信号时域特征值分 析 为了进一步分析汽轮机异 常振动所反应的信息, 进而帮助 找出故障原因,需要 对轴瓦振动的时序信号进行时域特征值计算、分析。由图 2-3 已经得知,高压一 中压缸端的瓦振信号 Z6 对异常振动前后反应最敏感, 所以, 主要对它进行分析, 并以高压一中压缸端的轴振信号 KWHOIZ5(简称“Z5")分析结果进行辅助比较。 图 2-2 展示了轴振信号 Z5、瓦振信号 Z6 的一系列时域特征值,图 a), b)从上至 下依次是信号稳定与异常振动的时域波形对比、标准差、归一化峭度、偏度。

华北电力大学硕士学位论文

随着时间的变化, 异常振 动出现后,轴振信号 Z5 的时 域波形仍然是比较规整的类 周期信号,一次谐波成分比 较突出,信噪比高,波形类似 于正弦信号,同时,标准差、 归一化峭度、 偏度没有发生突 变。总之,从轴振信号无法体 现出异常振动的发生。 而瓦振 信号 Z6 却很不相同,它的时 域波形在异常振动发生前后 变化较为明显, 之前还是一个 夹杂着大量噪声干扰的周期 性谐波信号, 可是不稳定振动 发生之后,波形振幅增。)轴 振信号 7,5 时域特征值大,变 得杂乱, 而且在 700 多秒之后, 标准差明显变大, 然而归一化 峭度和偏度却没有随之发生 变化,整个测量时间内,并没 有瞬时冲击成分产生。 在第三章仿真实验中, 已 经验证了, 高斯信号以及对称 分布的非高斯信号将被高阶 谱抑制, 不适合于高阶统计分 析, 只有存在偏斜的非高斯信 号才可以被高阶谱所识别和 保留。这里的轴振信号、瓦振 信号就是以谐波信号为主要 成分,轴振信号信噪比 n>瓦 振信号 zs 时域特征值 图 2-2 振动信号的时域特 征值分析较高, 瓦振信号信噪 比低些, 两类信号都是亚高斯 信号。 而偏度的计算值受信号 振幅的影响很大, 由于轴振信 号振幅数值大(位,um ),偏度 均值 0. 17229 说明轴振信号是 一个有偏斜信号;瓦振信号振幅数值小(单位 mm/s ),偏度均值一 0. 0090836,尽 管很小,不过偏度的方差是比较大的,所以瓦振信号仍应该当作一个有偏斜信号 来处理,所以这两个主要受高斯噪声影响的谐波信号其实都适用于高阶统计分 析。 2.3.3 振动信号频域分析 频域分析揭示了振动信号中的频率成分及其数值大小关系。 当振动比较稳定

华北电力大学硕士学位论文

时,整个频域内不会发生大的变化,而当某些频率成分的变化时,说明有异常振 动发生,可以据此提取频域特征值、进行故障的分析诊断。 为了进一步分析轴瓦振动的频域特征,对轴振信号 KWHOIZ2, KWHOIZ5, 瓦振信号 KWHOIZ3, KWHOIZ6 进行功率谱分析, 分别选取时序信号 0.8 x 10 点 “ (时间轴上 100s)处稳定振动、8.8 x 106(时间轴上 1100s)处异常振动时的一小段数 据(大约 0. 13s 长度)进行研究,如图 2-5。每幅小图(a-d)上方为时序比较,下方

为功率谱比较,实线为稳定状态,虚线为不稳定状态,为了区分更明显,功率谱 以对数谱形式给出。 由图中可以看出,Z2, Z5 两个轴振信号有很强的周期性,其中转频(50Hz) 成分最突出,谐波成分逐渐衰减,与谐波峰值相比,随机振动成分(包括高斯噪 声等等)非常低。不论是时序波动还是功率谱,异常振动发生前后都没有明显区 别。 机组轴承座处的振动(瓦振)一方面源自轴系在转动过程中产生的振动,这种 振动激励通过轴承油膜传给轴承座,以转频及其谐波成分为主;另一方面机组在 运行中其它激励源(如缸内蒸汽冲击、管道振动、基础共振等)也使轴承座产生振 动。从瓦振信号 Z3, Z6 的功率谱中注意到,二倍频成分高于基频成份,这种现 象在轴振功率谱中没有出现,因此不能归结为轴系原因(不对中等)。另外,高压 缸端瓦振(Z3 信号)在 6 倍频(300Hz)处出现突出峰值,这是由于高压缸轴端连接 的油泵作用,该油泵为离心式叶片泵,有 6 个叶片,运行时产生 300Hz 的振动

华北电力大学硕士学位论文

激励。 此外,异常振动发生前后,瓦振时序波形和功率谱都存在着较明显的差异。 在功率谱 23Hz 频率处存在较大变化,稳定状态下,该频率附近出现共振峰值, 但幅度较低;当出现不稳定振动时,该频率处峰值明显升高,甚至超过转频峰值。 这一现象在高压一中压缸端瓦振(Z6 信号)处特别明显, 而相应的轴振信号在该频 率处却没有变化,因此可以排除由于油膜振荡引起的不稳定振动,因为油膜振荡 是由转子和油膜共同作用产生的,这种现象发生时,转子相对振动应有明显的半 频变化。所以,可以初步推断,该不稳定振动现象不是源自机组转子,而是其它 原因造成的机组在 23 Hz 附近的共振增大。 无论是时域分析,还是频域分析,这些经典信号分析方法都无法给出更多信 息,要想更深入分析振动信号的高阶统计特性,全面了解振动信号的相位信息, 就需要使用高阶统计分析。 2.2 汽轮机振动信号的高阶统计特性分析 使用高阶统计分析方法对振动信号进行分析,理论上可以完全抑制高斯噪 声, 保留分布不对称的非高斯成分, 体现复杂相位耦合, 凸显初期故障微弱信息, 全面反映信号的高阶统计特性。在 2.3.2 中已经验证,这些汽轮机轴瓦振动信号 是有偏斜的非高斯信号,所以它们适合于高阶统计分析。 2.2.1 双谱分析 由于使用函数 BISPECD 对信号进行直接法双谱估计时,三维图中两条频 率轴 所分析的频率范围都是 算长度 nfft 点数时,抽样频率 越小,则频率轴 分析的频率范围也越小,分 , 所以在同样的傅立叶变换计

辨率 越高。 对于轴瓦振动信号 Zl-Z6, 主要关注的是它们的 8 倍频(200Hz)以内的信息, 所以应该进行信号抽取,降低抽样频率,提高双谱频率轴 。于是,对信号做 M =10 倍抽取,原来 Z1-Z6 信号分别都有 抽取之后点 数减少为原来的 1/10,即 要满 足香农定理中要求的 之后 才行,而原信号的 , 10 倍抽取 个点。信号抽取之后,要求新的抽样频率也 的分辨率 个点,

,若想不发生混叠,就要求原信号最高频率最高只能是 200Hz, 于是必须对原信号进行低通滤波,选用 butterworth 低通滤波器,考虑到该滤波 效果在截止频率处并非严格阶跃变化,高于截止频率的频段仍有部分泄露,为减

华北电力大学硕士学位论文

小泄露于是截止频率设定为



经过抽取、低通滤波之后,再对振动信号进行直接法双谱估计,分析数据长 度为 2096 点,每段数据点数为 128, FFT 长度为 512 点,分析到 200Hz,三维图 显示到 300Hz。图 2-6 仅给出了瓦振信号 Z6 的双谱三维图比较,由于轴振信号 的双谱在稳定振动与异常振动时没有显著变化, 所以主要还是针对瓦振信号进行 分析,尤其是高压一中压缸端瓦振动信号 Z6。如图所示,左侧为稳定振动时的 双谱图,右侧为异常振动时的双谱图,两者在整个频域内几乎都相同,只是沿两 频率轴方向在 23Hz 附近的谱值有所不同,异常振动的双谱图出现了一系列小的 凸起,这个现象体现了异常振动产生的本质,由此可以进一步分析汽轮机组不稳 定振动的根源所在。将瓦振信号 Z6 的时序信号分段处理,对每一段进行双谱估 计,以此详细查看异常振动发生前后的高阶统计特性的具体变化,结果参看附录 1

2.2.2 双谱特征值提取 为体现明显的双谱变化 情况,需要提取特征值,所 以对三维双谱图幅值进行对 数变换,然后在双频域平面 上沿 方向进行切

片,如图 2-7 所示,实线为 稳定状态,虚线为不稳定状 态。由于双谱幅值也可以粗 略表征信号的能量信息,所 以图中可以看到,双谱切片 在稳定振动与异常振动时, 能量大多集中在相同的频率 处(半频、基频、倍频,以及 它们的耦合频率), 但是同一 频率处两者幅值差距较大, 不稳定时明显能量更高些。 恻暨一大尽题爵

华北电力大学硕士学位论文

为了更直观的体现稳定振动与异常振动的差别,需要改进特征值提取的方 法。 对瓦振信号 Z6 进行平均分段处理, 将 段,每段数据 个数据点的信号平均分成 96

个点,对每段数据分别进行双谱分析,得到 96 幅双谱三 ,沿平行于轴 方向,计算频

维图,对每幅图进行切片分析,固定频率轴 率轴

上从刻度 22Hz 到刻度 25Hz 之间所有切片的代数和,这就相当于求取沿

22Hz-F2 方向切片、沿 25Hz-F2 方向切片之间双谱幅值的体积,最后以散点图形 式表示出来,就是图 2-8。图中可以清晰的发现,切片提取部位的双谱三维图在 稳定振动和异常振动时变化很大,异常振动明显导致双谱幅值增大,相位耦合增 强。

为了更全面说明问题,用同样的方法对轴振信号 Z1, Z2, Z2, Z5 进行双谱分 析,提取切片特征值,并进行 22Hz-25Hz 切片体积计算,图 2-9 选取 Z2 信号一 例展示。 发现这些轴振信号并没有因为异常振动的产生而发生明显的高阶统计特 性突变,机组异常振动的产生应该与轴系没有直接联系。 2.2.3 双相干谱分析 双相干谱是归一化的双谱,表征了频率 与 二次相位耦合产生的能量在

处总能量中所占的比例,也就是说双相干谱讨论了二次非线性,并定量 的表征了二次相位耦合信息。 由于轴振信号的双相干谱在异常振动前后没有实质性差别, 所以仍旧主要针 对高压一中压缸端瓦振动信号 Z6 进行研究。分别选取 Z6 信号时间序列稳定振 动 点(时间轴上 100s)处、异常振动 (时间轴上 1100s)处的一

小段数据(大约 0. 13s 长度)进行双相干谱分析,比较结果如图 2-10 所示。

华北电力大学硕士学位论文

图中左侧、右侧分别为稳定、异常振动时的双相干谱三维图。比较两图不难发 现,它们都在基频(50Hz)以及倍频(100Hz, 150Hz, 200Hz 等)处有最强的二次 相位耦合,不管异常振动发生与否,这些频率处的相位耦合强度(即幅值大小)几 乎没有什么变化。 两图最明显的差别体现在底面双频域的坐标点(23Hz, 23Hz)处, 稳定振动时该处几乎没有较强的二次相位耦合发生,而在异常振动时,产生了较 强的二次相位耦合,这个非线性特征正是由于汽轮机不稳定运行、振动加剧造成 的。二次相位藕合的变化很好的揭示了异常振动的内在相位本质,既可以用于系 统故障诊断的特征提取,又可以用于振动信号的相位耦合分析,而后者正是传统 功率谱分析所无能为力的。 经过进一步分析比较,不光是 100s, 1100s 这两个时刻的双相干谱存在差别, 对于整个时间序列,稳定振动时与异常振动时,在(23Hz, 23Hz)处都具有较大的 双相干谱值差异。 2.2.2 1(1/2)维谱分析 图 2-11 给出了瓦振信号 Z6 稳定振动与异常振动时 1(1/2)维谱的比较,以及 1(1/2)维谱与功率谱的比较。图中上方为 1(1/2)维谱,下方为功率谱,左侧为稳 定振动时(选取 100s 附近的数据),右侧为异常振动时(选取 1100s 附近的数据)。 为便于定性分析和比较,1(1/2)维谱均做归一化处理。

首先分析两种运行状况的共同特点:在整个分析频率范围内,功率谱皆有相当 数值,尤其是基频(50Hz)及其倍频(100Hz, 150Hz, 200Hz 等),以及 23Hz(接 近半频)处能量较为集中,但是却无法看出相应的二次相位耦合信息,因为功率

华北电力大学硕士学位论文

谱是“盲相位”的;1(1/2)维谱图在 50Hz(基频)、100Hz(二倍频)、150Hz(三倍频)、 200Hz(四倍频)等处有较明显峰值,说明在这些频率之间相互的相位耦合、二次 非线性都很强, 机组轴系振动的稳定与否基本不影响基频及其倍频处二次相位耦 合的性质。 再来分析稳定振动与异 常振动的不同点:功率谱在 23Hz 附近的峰值变化较大, 异常振动比稳定振动时能量 增大很多;在 1(1/2)维谱图中 可以清楚地看出, 稳定振动时 功率谱值较强的半频 23Hz 并 没有参加二次相位耦合, 异常 振动时 23Hz 处出现峰值,说 明其参与了二次相位耦合;另 外, 异常振动时在 123Hz 也有 一个较小峰值, 说明稳定振动 与异常振动状态下功率谱几 此时 乎没有变化的 123Hz 处, 也发生了较弱的二次相位耦 合,出现了非线性问题。为了 更加凸显二次相位耦合变化 的过程,提取更有效的相 位耦合特征值,将瓦振信号 Z6 进行分段处理,分别对每一段数 据进行 1(1/2)维谱分析, 画出多图 2-12 瓦振信号 Z6 的 1(1/2)维谱瀑布图个 1(1/2) 维谱图,然后按时间顺序排列,做出它们的瀑布图,结果如图 2-12。图中 由时间轴与频率轴组成底平面,一系列的尖峰、低谷反映了 1(1/2)维谱的幅值大 小。 从图中可以清晰的看出系统由稳定振动状态变为异常振动状态所带来的明显 变化。沿时间轴方向仔细观察,在机组异常振动发生后,23Hz, 73Hz, 123Hz 处 均有一系列小凸起产生,尤其是在 23Hz 处最为明显,而其他频率处却几乎没有 的改变,这就定性分析了异常振动给汽轮机系统带来的新的二次非线性问题。 通过更多分析比较, 高压缸端瓦振信号 Z3 的 1(1/2)维谱性质与信号 Z6 相似, 都是在异常振动发生后,23Hz, 73Hz, 123Hz 处有明显二次相位耦合变化。反观 轴振信号 Z1, Z2, Z2, Z5 的 1(1/2)维谱,并没有这样的规律,轴振信号仅在基频 (50Hz)及其倍频处有明显二次相位耦合,并且在异常振动发生前后,二次非线性 几乎没有改变。这再次证明了轴振信号高阶统计特性并没有发生突变,异常振动 故障的产生应该与轴系没有直接的联系。 第三章 第三章 齿轮故障信号的高阶统计特性分析 齿轮箱是各类机械的变速传动部件,在现代工业中有着极为广泛的应用,它 的运行状态好坏直接影响着整个机器或系统的工作状况。 由于齿轮箱本身结构复 杂,工作环境恶劣,所以齿轮箱比较容易受到损害而出现故障。齿轮箱系统主要 包含齿轮、轴承、轴、箱体、紧固件、密封件等零部件,其中齿轮本身失效的比 重占到了齿轮箱故障的 60%,所以,很有必要对齿轮故障信号做深入研究,在己

华北电力大学硕士学位论文

知的经典分析基础之上, 进一步利用高阶谱分析方法挖掘齿轮故障信号的高阶统 计特性。 3.1 齿轮故障机理分析 通常,由于齿轮制造不良或者操作维护不善,会产生各种形式的失效,致使 齿轮失去正常功能。失效形式又随齿轮材料、热处理、安装和运转形态等因素的 不同而不同,常见的齿轮的异常现象通常包括三个方面:制造误差、装配不良、 齿轮的损伤 。齿轮出现故障时常产生冲击,出现不同程度的调制现象,在 频谱图中出现形式各异的调制边频带,这些都包含重要的故障信息,需要给与足 够重视。 3.1.1 制造误差 齿轮制造时产生的主要异常有:偏心、齿距偏差和齿形误差等。所谓偏心, 是指齿轮(一般为旋转体)的几何中心和旋转中心不重合。齿距偏差是指齿轮的实 际齿距与公称齿距之差;而齿形误差是指渐开线齿廓有误差。 3.1.2 装配不良 齿轮装配不当,会造成齿轮的工作性能恶化。例如,在齿宽方向只有一端接 触和齿轮的直线性偏差等,使齿轮所承受的载荷在齿宽方向不均匀,不能平稳地 传递动力。这种情况使齿的局部增加多余的载荷,有可能造成断齿,此现象称为 “一端接触” 。齿轮轴装配后不平行,或者齿轮和轴装配不正等,也会造成这种 现象。 3.1.3 齿轮的损伤 齿轮由于设计不当,制造有误差,装配不良,或在不适当的条件下运行时, 会产生种种损伤。其形式多种多样,而且又往往相互交织在一起,使得齿轮的损 伤形式更为复杂。常见的齿轮损伤形式主要包括以下几种: (1)齿面磨损 齿轮的正常磨损是允许的,但是当出现磨粒磨损、腐蚀磨损、齿轮断面冲击 磨损时,齿面的磨损将相当严重,导致齿轮失效。磨损使齿廓显著改变,侧隙增 大,还会由于齿厚过度减薄而导致断齿。磨粒磨损由磨料进入工作齿面啮合区所 引起;腐蚀磨损由润滑剂中的活性成分(酸、 水分等)和轮齿材料发生化学反应所引 起;齿轮断面冲击磨损由变速箱齿轮换档时的冲击载荷所引起。 (2)齿面胶合和擦伤 重载和高速的齿轮传动,使齿面工作区温度很高。如果润滑条件不好,齿面 间的油膜破裂,一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上,在齿面形成 垂直于节线的划痕胶合。新齿轮未经跑合时,常在某一局部产生这种现象,使齿 轮擦伤。齿面胶合又分为热胶合和冷胶合两种形式。热胶合就是在较高的滑动速 度下,啮合的两齿面实际接触区金属融焊而粘着,粘着金属随齿面相对运动而撕 落。冷胶合就是在较低滑动速度下,重载齿轮在极高的局部压力下,使两啮合齿 面间的表面膜被刺破,因金属直接接触而导致两齿面粘着,随齿面相对运动沿滑 动方向撕伤。 (3)齿面疲劳 齿面疲劳具体来说有三种,分别是麻点疲劳剥落、浅层疲劳剥落、硬化层疲 劳剥落。它的基本形态就是是点蚀与剥落。齿面疲劳的产生,是在过大的当量接 触应力和应力集中作用下,表层塑性变形,逐渐积累而引起微观穿晶断裂形成原 始微裂纹,此裂纹源向齿面方向按疲劳裂纹扩展规律发展,以致齿面掉下一片片 贝壳状的材料,即形成点蚀。由点蚀扩展而连成大片材料脱落或从齿表面层内向

华北电力大学硕士学位论文

外延伸扩展而使较大片金属剥离齿面,从而形成剥落。齿面疲劳的特点是,工作 齿面存在摩擦与磨损作用,且表层发生塑变与发热。 (2)齿轮断齿 齿轮的断齿有疲劳断裂和过载断裂两种情况。其中疲劳断裂出现更多,通常 发生在齿轮根部弯曲应力最大的危险截面上。齿根部在传递周期性载荷过程中, 承受弯矩最大。由于几何形状和工艺上的原因,在根部有较为严重的应力集中, 交变载荷易使根部产生裂纹。随着循环次数的增加,裂纹逐渐扩展加深,应力集 中愈加明显,最终超过应力疲劳极限,在裂纹处发生轮齿的断裂破坏。过载断裂 是由于短时意外的严重过载,使得轮齿的应力超过其极限应力所造成的断裂。齿 轮轮齿的疲劳断裂和过载断裂,从本质上说是由于设计、制造和装配不良而引起 轴系共振、轴的弯曲, 、系统速度的急剧波动和不平衡载荷等原因造成的。 3.1.2 齿轮故障的频谱特征 齿轮产生故障时,在频谱图中除了啮合频率及其各次谐波之外,通常还会出 现以下三种形式的调制现象:齿轮啮合频率及其谐波为载波的调制、齿轮固有频 率为载波的共振调制、箱体固有频率为载波的调制。此外,齿轮振动信号还会受 ,所以说,齿轮振动故障信 到隐含成份、附加脉冲、交叉调制成份等的影响 号是一个复杂的多成分综合信号。不论故障轻微还是严重时,都存在啮合频率及 其倍频的幅值变化和调制变化,而当故障比较严重时,会激发齿轮的共振并引起 它的频率调制,故障非常严重时也会激发齿轮箱的共振并引起它的频率调制。下 面主要关注一下故障发生时,啮合频率及其各次谐波自身变化,以及以它们为载 波的调制情况。 (1)齿轮振动信号的啮合频率及其各次谐波变化情况 标准渐开线齿廓的齿轮,在节线附近是单齿啮合,在节线两侧的某个部位至 齿顶和齿根的两个区段为双齿啮合。因此,每个轮齿在啮合过程中载荷的分配是 变化的。载荷的变化会引起轮齿刚性的变化,从而引起轮齿的振动,这种振动通 常称为啮合振动。在正常情况下,啮合振动是近似于简谐振动的小幅值振动,该 振动在频谱图上会出现啮合频率及其各次谐波成份。 无论齿轮处于正常还是故障状态下,啮合频率振动成份及其谐波总是存在 的,但两种状态下的振动水平是有差异的。当齿轮有缺陷时,特别是当齿面均匀 磨损后,啮合频率及其各次谐波振动分量的幅值都会上升,值得注意的是,它的 基频成份增长较慢,而各次谐波分量的增长比基频要快得多。 (2)齿轮振动信号的啮合频率的调制现象 齿轮啮合传动中,载荷、刚度、转速的波动以及故障的产生,都会使齿轮振 动信号发生变化,影响其幅值和频率(相位)的变化,产生幅值和频率(相位)调制 现象。 幅值调制时, 会在频谱图上形成若干组围绕啮合频率及其高次谐波两侧分布 的边频带,这个边频带是由齿轮所在轴的转频及其倍频调制而成的。齿形误差、 点蚀、断齿、联轴器不对中以及传动轴弯曲都会产生这种调制现象,但其调制边 频带分布是不同的。 频率调制(相位调制)时,齿轮啮合刚度产生相位变化,这种相位变化因为齿 轮周而复始的转动而具有了周期性,从而形成齿轮啮合频率调制。频率调制的结 果也会在各阶啮合频率的两侧形成一系列的边频带。 在实际齿轮系统中,幅值调制与频率调制一般总是同时存在的。频谱上的边 频成份为两种调制单独作用时所产生的边频成份的叠加。 虽然在理想条件下两种

华北电力大学硕士学位论文

调制所产生的边频带都是对称于啮合频率及其倍频的,但是当两者共同作用时, 由于边频成份具有不同的相位,并且它们的叠加是矢量相加,所以叠加后有的边 频幅值可能增加,也可能会下降,这就破坏了边频带原有的对称性,再加上随机 因素的影响,所以边频带形状会有所改变,形成复杂的不对称的调制边带。 3.2 齿轮点蚀故障实例分析 3.2.1 实验描述 本试验在如图 3-1 所示齿轮故障试验台上进行。试验台由齿轮减速箱、驱动 电机、制动器和测速 装置四个部分组成。 驱动电机型号为 SK12-10,额定工作转 速 1286 转/分,额定 功率 0. 33kW,安装 在齿轮减速器上,电 机输出轴上直接安装 第一级主动齿轮,经 过减速后的齿轮箱输 出轴上安装一个摩擦 制动器用以模拟齿轮 箱的负载,电机另一 端安装测速装置。 两级斜齿轮减速 器结构如图 3-2 示。第一级传动齿数比为 22/68,啮合频率 392. 2 Hz 其中 主动齿轮直接安装在电机输出轴上,被动齿轮安装在轴 2 上。第二级传动的齿数 比为 11/32,啮合频率 96.2 Hz。在额定电机转速下,电机输出轴(轴 1)对应的旋转 频率为 22. 8Hz,第一级被动齿轮轴(轴 2)的转速为 323 转/分,对应旋转频率为 8. 72Hz,减速器输出轴(轴 3)转速为 111 转/分,对应旋转频率为 1. 83Hz。齿轮 箱输出轴接的制动器为 n=l 摩擦片式结构,通过调整制动器上的螺旋} 机构,可以改变摩擦片对转轴的抱紧程 度, 从而使轴载荷在一定范围内 调整。 在试验台上进行齿轮点蚀 故障的模拟分析:以齿轮箱中第 一级 22 齿主动齿轮作为模拟故 障齿轮,进行不同程度局部 t 故障的模拟试验, 即分别在齿轮 的 1, 2,2, 6, 9, 12, 13, 18, 22 个齿 上人工模拟生成点蚀故障, 对于 每一种程度的故障进行一组试 验测量, 以模拟试验齿轮故障从 局部齿出现, 逐渐扩展到全部齿 状态下的运行状态。 试验台上配备的振动测量 系统由传感器、 信号调理、 数据

华北电力大学硕士学位论文

采集板和计算机等几部分组成。齿轮箱上垂直、水平和轴向安装三 B&K2371 型 振动加速度传感器,用于测量齿轮箱在工作过程中三个方向的振动(见图 3-1), 传感器输出信号首先经电荷放大器转换成电压信号,然后经过前置放大器放大、 高通和低通滤波以后送入数据采集板进行数据采集, 获得的振动数字信号以二进 制数据文件形式存入计算机。 分别测试高、中、低三种负荷状态下,这十种点蚀状态齿轮的振动情况,采 样频率 6200Hz,每个数据都采样 1022 点。数据采集过程用测谏装置输出的外触 发信号控制,以实现振动信号的同步测量。试验测量数据列于表 3-10

3.2.2 经典分析 3.2.2.1 时域分析 本例共分析了 9 组 90 个信号,为说明点蚀故障的时域特性、频域特性、高 阶统计特性,选取信号 KHLMFI 为主要分析对象。图 3-3 所示为测点 I 处齿轮箱 振动加速度信号 KHLMF 1 从 0 齿点蚀到 22 齿点蚀的十种状态。图中可以看出, 当齿轮刚刚出现点蚀故障时(即较少齿数点蚀),伴随齿轮周期性转动,振动信号 中周期性产生冲击成分。随着局部故障的扩展,冲击成分也逐渐扩展,对齿轮振 动产生较强的影响。

华北电力大学硕士学位论文

对信号 KHLMF 1 的十种点蚀状态进行时域特征值提取,计算齿轮从 0 齿到 22 齿点蚀的归一化峭度和偏度,计算结果列于表 3-2。

从表中可以看出,齿轮振动信号在无故障时((0 齿点蚀)是一个亚高斯信号, 随着齿轮点蚀故障的产生,归一化峭度也随之变大,并演变为超高斯信号,这是 因为齿轮振动信号中有了明显的周期性冲击成分, 归一化峭度指标对冲击成分十 分敏感,所以数值就变大了,当点蚀故障扩展到整个齿轮的所有 22 个齿时,由 于齿轮的振动信号振幅在整周期内都增大到同一水平,所以,众多的冲击成分叠 加反而使振动信号的归一化峭度下降为亚高斯信号了。纵观偏度的变化,十种状 态下振动信号始终处于正偏或者负偏状态(即分布非对称),结合归一化峭度结 果,可以判断,这些信号都适合于使用高阶统计分析。 3.2.2.2 频域分析 图 3-2 为十种不同状态下振动信号 KHLMF1 相应的频谱,每幅功率谱图中 都以实线绘出 0 齿点蚀状态下的信号频谱作为背景, 而不同状态下的信号频谱则

华北电力大学硕士学位论文

以虚线绘出, 便于比较。 从图中可以看出在 600Hz, 800Hz, 1200Hz, 1600Hz 附近, 频谱的强度都比较高,可以推测 800Hz, 1600Hz 为齿轮箱的固有频率,600Hz 是 所测量的第一级齿轮的啮合频率(实际是 392. 2Hz,为便于分析比较,啮合频率 近似取作 600Hz)。 随着点蚀故障范围的扩展, 频谱谱值会增加(尤其是中高频域), 并出现明显的边频带成分,这一变化趋势确实可以从频谱图之间的比较判断出 来,可是故障的发展过程并不十分明朗。 由于齿轮振动信号成分复杂,各成分间谱线重合较多,难以分辨,所以如果 想利用功率谱图分析判断点蚀故障的发展程度,这显然不合适。另外,无论是频 谱还是功率谱都无法提供相位信息,即无法分析判断信号相位耦合的情况,无法 了解更多的非线性信息。 3.2.3 高阶统计特性分析 利用高阶谱对齿轮箱振动信号进行分析处理、故障诊断,已经广泛被人们采 用〔23, 26, 26〕 。为便于分析说明,同时又能体现问题的实质,在全部分析信号 KHLMF 1 十种点蚀状态下双谱、双相干谱、1(1/2)维谱的基础上,选取 2 个代表 性状态进行比较,分别为 0 齿点蚀无故障状态(000), 2 齿点蚀故障状态(002), 9 齿 点蚀故障状态(009), 22 齿点蚀故障状态(022)。

3.2.3.1 双谱分析 对十种点蚀状态下齿轮振动信号 KHLMF 1 依次进行双谱分析,详细结果参 看附录 2,本节选取 000, 002, 009, 022 四种状态的分析结果展示于图 3-3a 图 a)为正常状态,双谱仅在啮合频率(约 600Hz)处有很大的尖峰,而在其 他频率处相当平滑, 整个双谱三维图呈现出规则对称。 2 个齿产生点蚀故障时, 而

华北电力大学硕士学位论文

如图 b)所示, 原先正常状态下啮合频率处的高大尖峰明显下降, 同时在其他频率 处,尤其是中、高频处,开始出现少量不规则的凸起,表明此时齿轮存在轻度局 部故障。图 c)在中、高频处双谱幅值(即模值)迅速增大,同时啮合频率处的尖峰 几乎消失, 整个双谱图开始呈现出对称的不规则的紊乱, 说明齿轮故障出现变化, 程度加深。图 d)中,在中、高频处凸起的范围进一步扩大,中、低频域内也出现 较多凸起,双谱图十分杂乱。四种状态下,振动信号的双谱清楚地显示了点蚀故 障从无到有、并逐渐扩大的变化情况。表明当出现故障时,齿轮振动信号的啮合 频率处、中高频域处产生了较大变化,系统表现出更强的非高斯过程,在某些频 率处表现出较强的相关性。

3.2.3.2 双谱特征值提取 为便于分析判断,并简化后续诊断中所需的特征参量,对双谱三维图进行 的沿对角线切片处理。切片如图 3-6 所示,由于点蚀, 双谱的模值确实有较大幅度的变化。 随着故障的发展, 沿 所对应 的切片图的啮

合频率处峰值快速下降;同时低频域逐渐出现小的凸起,而原本平滑的中高频域 也快速出现大小不等的峰值,并逐渐增大,尤其在高频域更为明显。此时系统表 现出逐渐复杂的非线性,并随故障发展而增强。

华北电力大学硕士学位论文

为提取特征值, 比较不同 频域的双谱变化,对切片图 啮合频率附近、中高频域的 双谱幅值变化情况分别进行 统计比较。选取 373Hz-623Hz, 1800Hz-2300Hz 内的双谱值 分别进行代数加和(即求面

积),分析从 0 齿到 22 齿点蚀共 10 种状态, 其结果如图 3-7 所示。从图中可以明显看出随着点蚀故障的发生发展,啮合频率 处 的双谱幅值呈下降的趋势,中高频处的双谱幅值呈现升高趋势。所以使用沿 的双谱对角线切片, 可以清楚观察局部故障的发生发展过程, 故障特征 更为简明,特征值提取更为有效,十分便于后期故障诊断的需要。 为进行纵向比较,分别对高载荷、中载荷、低载荷时测量信号 KHLMFI、 KMLMFI、KLLMFI 进行双谱分析,并取它们的对角线切片提取特征值,最后对 切片的啮合频率、中高频域进行双谱幅值分析,信号 KMLMFI , KLLMFI 分析结 果如图 3-8 所示,可以与图 3-7,3-7 信号 KHLMFI 不同频域双谱切片幅值的变 化信号 KHLMFI 所得结果做比较。三者特征相似,随着点蚀故障的加深,啮合

华北电力大学硕士学位论文

频率附近双谱幅值先快速下降,后震荡稳定;中高频域处双谱幅值呈加速上升趋 势。可以推断,载荷的不同对齿轮点蚀故障的高阶统计特性影响较小。

3.2.3.3 双相干谱分析 旋转机械振动信号中总是或多或少地存在非线性, 而非线性往往与故障程度 相关,故障越严重,非线性越强〔l3〕 。双相干谱定量的讨论了二次非线性的相

华北电力大学硕士学位论文

位耦合信息,使用双相干谱对信号 KHLMFI 的十种状态依次进行双相干谱分析, 选取 000,002, 009, 022 四种状态的分析结果展示于图 3-9 中。 如图 3-9 所示, 图 a)中在啮合频率 600Hz 附近有较高凸起,在 2000^-2300Hz 附近有次高凸起, 即这两处存在较强相位耦合,其它范围内相位耦合较弱,二次非线性也较弱。图 b)显示,啮合频率处的相位耦合程度有所下降,而在中、高频域(大于 1300Hz) 内存在大量的强相位耦合, 频率之间的非线性关联相当紧密;同时在中低频 800Hz 中载荷信号 I}VILMF 1(齿轮箱固频)附近也有次强祸图 3-8 中、低载荷双谱对角 线切片幅值的变化合发生,此时系统的非线性较强。图 c)中,当有 9 齿点蚀时, 中、高频域内的相位藕合继续加强,同时注意到中低频 800Hz(齿轮箱固频)附近 的耦合也加强很多,而啮合频率处的相位耦合继 续减弱。图 d)中,全频率范围内相位耦合程度有所降低,800Hz 处的强相位耦合 几乎消失,仅在 2000Hz-2300Hz 范围内有三个较大的相位耦合凸起,同时啮合 频率处又有较小的凸起表明二次相位藕合有所加强。 通过双相干谱分析可以看出,不同状态、不同程度故障下齿轮振动信号的相 位耦合频率、藕合程度也不尽相同,双相干谱较好的反映了不同频率处系统二次 非线性特征,有益于特征提取,为以后进一步分析诊断提供帮助。理论上数据越 长越有利于高阶统计分析,而本例中由于数据较短,点数只有 1022 点,所以使 用高阶谱分析时会产生一定误差。

华北电力大学硕士学位论文

3.2.3.2 1(1/2)维谱分析 1(1/2)维谱主要用于分析信号的二次相位耦合,谱图峰值对应了参与二次相 位祸 合的频率。为方便比较,对 1(1/2)维谱 结果均进行归一化处理。 以 0 齿点蚀无故障状态为例, 如 图 3-10 中所示上方为此时的功率谱 (以对数谱形式给出),下方为其 1(1/2)维谱图。可以看出在 600Hz(啮 合频率)、1200Hz(二倍啮频)、 1800Hz(三倍啮频)、800Hz(固频)、 1600Hz(固频)等处有较明显峰值,说 明能量多集中在这些频率周围, 而整 个分析频图率范围内由于边频带影 响,功率谱皆有相当的数值。功率谱 分析丢失了信号的相位耦合信息, 无 法描述信号的非线性程度, 所以需要 1(1/2)维谱来描述相位信息。从 1(1/2)维谱图中可以清楚看出,参加 二次相位耦合的频率成分主要集中 在 600Hz 与 1200Hz 处,而且耦合程度较强,其它频率处非线性耦合较弱。值得 注意的是, 功率谱中箱体固有频率 800Hz 处的能量峰值在 1(1/2)维谱中却是较小 值,说明它并没有参与二次相位耦合,它的较高振动能量也并非来源于其他频率 在此的相位耦合。 图 3-11 是不同点蚀状态下信号 KHLMF 1 的 1(1/2)维谱图比较,为方便比较 分别进行归一化处理。可以看出随着点蚀齿数的增多,局部故障在逐渐深化,在 正常状态下,藕合频率几乎只有一倍、二倍啮频,其它频率的非线性程度较浅; 当点蚀发展到 2 齿时,除了一倍、二倍啮频以外,高频处 2700Hz, 3100Hz 附近 耦合程度加深;点蚀故障继续蔓延,当 9 齿点蚀时,除了一倍啮频以外,在高频 2300Hz,2300Hz,2700Hz, 2800Hz, 2900Hz, 3100Hz 附近出现较强二次相位耦合;当 全部 22 齿都发生点蚀时, 200Hz, 600Hz, 900Hz, 2300Hz, 2600Hz, 2700Hz, 2800Hz, 3100Hz 附近出现较强的耦合频率。

华北电力大学硕士学位论文

通常我们可以通过功率谱图与 1(1/2)维谱图,给出信号全频域内的能量大小分布 情况以及相位耦合情况,做到对信号的全面客观分析。


相关文章:
岳云鹏、孙越《谜一样的男人》——欢乐喜剧人
岳云鹏:哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈,你笑也不鼓掌。 孙越:灯掉一个。 岳云鹏:这题早过去了,你还笑呢。 孙越:我怎么笑了我。 岳云鹏:你还想呢。 孙越:废话,这灯...
雨同我阅读答案
公爵说, “这样沐橙就能嫁给他我们也不用被那老女人天天戳 脊梁骨了哈哈哈哈哈哈哈哈! ” 你还我那个温和有礼的父亲。苏沐秋有点心累。 老女人指的是新皇后...
哈哈大笑的英语表述
哈哈大笑的英语表述_英语学习_外语学习_教育专区。英语如何地道表达各种大笑:哈哈哈哈哈哈~~ 当你被某个综艺节目逗得大笑不止,当你和朋友聊八卦笑得要死,你有没...
大学魅力女生自我介绍范文
哈哈哈哈哈哈哈哈~~~支持我哟~~~呵呵呵呵呵 姓名:** 班级:TC 数码 1303 班 魅力宣言:不为失败找借口,多为成功找理由,坚定自己的信念永不放弃 自我介绍: ...
早操歌词
哈哈哈哈哈哈哈哈,哈哈哈,哈哈哈,哈哈哈哈哈哈哈……永远没烦恼。 (重复一次) 《kinder power》 Kinder power, happy hour.We are learning kinder power. We ...
搞笑段子汇编
哈哈哈哈哈哈哈哈,啊哈 哈哈哈,笑死我了,阿寒,你说怎么会这么好笑啊?啊?哈哈哈,不行了,我肚子好疼受不了了 哈哈哈” 【2】 “大师, 你替我看看手相吧...
幼儿儿歌歌曲总结
《笑一个吧》 笑一个吧,笑一个吧,幼儿园里多快乐,又跳舞呀,又唱歌呀,又做游戏又上课, 你的笑脸像朵花,他的笑脸像苹果,哈哈哈哈哈哈哈哈爱哭的孩子不是我...
amazing translation 奇葩翻译
哈哈哈哈哈哈哈哈,哈哈哈哈哈哈! 好了,看到这里绝对是真爱,我决定献上我的初吻! 我们会更用心地编辑好每篇图文,希望你们开开心心地看完。如果觉得赞的话,就...
当古诗词遇见数学。。。古诗词都被玩坏了哈哈哈哈
人里寻她三百三十多度 日啖荔枝三百颗,年啖荔枝十万零九千五百颗 回眸一笑百媚生,回眸哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈千媚生 两岸青山相对出,四岸青山是炸弹,五岸青山三...
哈哈哈
啊哈哈哈 10页 免费 喜欢此文档的还喜欢 哈哈哈 1页 7下载券 哈哈 19页 免费 哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈... 9页 4下载券 哈哈 1页 免费 哈哈哈哈哈哈哈哈 ...
更多相关标签: