滚动轴承和齿轮故障诊断和检测.doc

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河南理工大学毕业设计（论文）说明书

摘要

滚动轴承和齿轮是煤矿机电设备机械系统中最基本的元件，其出现故障的概率很高，一旦滚动轴承和齿轮出现故障就会造成巨大的经济损失，因此必须对其进行监测和诊断。

目前的故障诊断方法大都以振动理论为基础，振动信号处理技术是设备故障诊断中最有效、最常用的方法。

本文介绍了故障诊断的目的、意义、国内外研究现状、目前常用的故障诊断方法、Matlab小波工具箱、引起滚动轴承及齿轮故障的主要原因等。

对小波分析法的理论部分进行了深入研究，并利用Matlab小波工具箱对滚动轴承及齿轮的故障信号进行小波分解。

通过对分解所得细节信号的分析，可以准确判断出发生故障的部位及时间。

结果表明，小波分析法可以在早期发现故障及其产生原因，减少维修时间，提高维修质量，节约维修费用，是一种行之有效的故障诊断方法。

关键词：

故障诊断；小波分析；Matlab仿真

Failurediagnosisofelectromechanicaldeviceincoalmine

Abstract:

Theconditionbearingandgearrunisrelatetotheperformancewhichmechanicalsystemrun，theprobabilityitappearsthebreakdownisveryhigh．Oncethebearingandthegearappearthebreakdown，cancausethemechanicalsystemtobeunableworknormally．Itwillcreatethehugeeconomicloss．Thepresentmethodoffaultdiagnosismostlybasesonthevibrationtheoryandthesignalprocessingtechnologybasingonvibrationisthemosteffectiveandthemostcommonlyusedmethod.Themainsignificanceoffaultdiagnosisofequipmentisstateoftheimplementationofplannedmaintenance，makeearlywarningofthedevelopmentofequipmentfailure.Identificateandevaluateofthereasons，locationanddegreeofriskidentificationofthefault.Forecastthedevelopmenttrendofthefault.Forecastthedevelopmenttrendofthefaultandquicklyfindfaultsource.Putforwardcountermeasuresandsuggestions.Andrapidtothespecificcircumstancestomakeresponsetroubleshooting，toavoidorreduceaccident，andensurethesmoothprogressofproduction。

Thispapertalksaboutthepurposeoffaultdiagnosis，thesignificance，Researchathomeandabroad，Thecurrentcommonlyusedmethodoffaultdiagnosis，Matlabwavelettoolbox，themainreasonsofthefaultofrollingbearingandgear，andsoon.Theresearchofthetheoreticalpartofwaveletanalysisiscarriedoutin-depth。

.AndusingMatlabwavelettoolboxmakeasimulationoffaultdiagnoseofrollingbearingandgear。

Theresultsshowthat，waveletanalysiscanfindthereasonsforthefaultatanearlystage，reducemaintenancetime，improvethequalityofmaintenanceandsavemaintenancecost，itisaneffectivemethodoffaultdiagnosis.

Keywords:

FaultDiagnosis；WaveletAnalysis；Matlabsimulation

目录

1绪论 1

1.1选题的目的和意义 1

1.2国内外研究现状简述 2

1.3设备故障诊断技术的发展趋势 3

1.4论文的主要研究内容及章节安排 4

2目前常用故障诊断方法介绍 6

2.1电气故障诊断在线监测技术 6

2.2红外诊断技术：

7

2.3铁谱分析技术 9

2.4小波分析法 12

2.5故障诊断技术尚存在的问题和不足 14

2.6本章总结 15

3小波分析法原理概述 16

3.1小波 16

3.2一维连续小波变换 19

3.3离散小波变换 20

3.4多分辨率分析与小波构造 21

3.5小波包分析 23

3.6.1MATLAB小波分析工具箱简介 25

3.6.2小波分析工具箱图形用户接口函数 26

3.6.3通用小波变换函数 26

3.6.4小波函数 26

3.7本章总结 27

4滚动轴承和齿轮的故障机理研究 29

4.1滚动轴承振动的产生和滚动轴承故障机理 29

4.2滚动轴承的振动类型 29

4.3齿轮的故障机理分析 32

5滚动轴承及齿轮的故障信号分析 37

5.1滚动轴承的故障信号分析 37

5.2齿轮箱体表面故障信号的小波分解 40

6结论与展望 43

致谢 44

参考文献 45

1绪论

1.1选题的目的和意义

随着科学技术与生产的高度发展，各学科相互渗透、相互交叉、相互促进，形成了设备诊断技术这一生命力旺盛的新兴学科。

它是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部是正常或异常，早期发现故障及其原因．并能预报故障发展趋势的技术。

通俗地说，它是一种给设备“看病”的技术。

[1]这里所说的“设备”是指机械设备和某些电气设备。

设备诊断技术的目的应是“保证可靠地高效地发挥设备应有的功能”。

这里包含了三点：

一是保证设备无故障，工作可靠，二是保证物尽其用，设备能发挥其最大的效益；三是保证设备在特有故障或已有故障时，能及时诊断出来，正确地加以维修，以减少维修时间，提高维修质量、节约维修费用，应使重要的设备能按设备状态进行维修（即视情维修或预知维修），改革目前按时维修的体制。

[2]电气设备的安全运行直接关系到供电、用电安全。

一旦发生事故、则所需的修复时间较长、影响严重。

[3]

故障诊断的主要意义在于对设备执行计划性状态维修，能对设备故障的发展做出早期预报，对出现故障的原因、部位、危险程度等进行识别和评价，预报故障发展趋势，迅速查找故障源，提出对策建议，并针对具体情况迅速排除故障，避免或减少事故的发生，以保证生产的顺利进行。

[4]机电设备诊断技术日益获得重视与发展的原因是随着科学技术与生产的发展，机电设备工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来越高，同时设备更加复杂，各部分的关联愈加密切，从而往往某处微小故障就会爆发链锁反应，导致整个设备乃至与设备有关的环境遭受灾难性的毁坏。

[5]这不仅会造成巨大的经济损失，而且会危及人身安全，后果极为严重。

例如，1986年前苏联契尔诺贝利核电站泄漏事故；1986年欧洲莱因河瑞士化学工业污染事故，都是设备故障造成的震惊世界的恶性事故。

[7]国内1982年江苏某化肥厂合成氨压缩机组发生强烈振动，三次停机，损失达千万元以上。

1985年山西某电厂一台20万干瓦汽轮发电机组毁坏，直接损失达千万元。

据统计，重要设备因事故停机造成的损失极为严重；一个乙烯球罐停产一天，损失产值500万元，利润200万元；一台大型化纤设备停产一小时，损失产值80万元。

[6]英国有人在1984年发表论文认为，对大型汽轮发电机组进行振动监视，获利与投资之比为17：

1，在英国西南地区，每台发电机组如减少2．5％的事故与检修损失，每年获利可达5．5亿英镑。

这表明采用设备诊断技术，保证设备可靠而有效地运行是极为重要的。

[10]

1.2国内外研究现状简述

当前我国的一些民用工业，尤其是冶金、石化和电力等流程工业，在开发和应用设备诊断技术方面走在了前面，因为这些工业的关键设备一旦发生事故就会造成很大损失。

原冶金工业部首先在东北大学和北京科技大学培养了从事故阵诊断的研究生，已有一批硕士生和博士生毕业，其次以北京冶金设备研究所为基地建立设备诊断研究室，并开展了测试、培训和咨询工作。

[8]1983年确定宝山钢铁集团公司和太原钢铁公司为开展诊断技术的试点单位，建立丁振动、红外和铁谱三个实验室。

在振动监测方面对烧结和高炉的风机、制氧站的空压机进行了测试和分析，研制了ZJCY85型风机轴承在纹监测系统：

在红外和热保方面对电气设备进行简易诊断．对炉壳炉衬腐蚀的诊断都取得了好的效果；在铁谱技术方面对175t脱锭吊车的油泵油液进行铁谱分析，为液压泵、随动阀等部件的磨损找出了预防措施。

[9]东北大学与唐山钢铁集团公司合作研制了650mm轧机轧制力矩在线监测系统、4650mm轧机工作状态监测系统，又与本钢合作研制了1150mm万能板坯轧机工作状态监测系统，开发出轧钢机工作状态监测系统列入国家“八五”重点科研成果推广计划；东北大学研制的风机工作状态监测系统列入1995年国家重点科技成果推广计划。

水电行业以大机组为重点开展了机械设备故障诊断的研究，应用红外热像技术进行设备诊断对安全运行起到了良好作用，制成了比国外漏水继电器性能优越的双水内冷发电机漏水报警系统。

研制出用于变压器故障诊断的气相色谱仪，利用声发射技术测定锅炉炉管和汽包焊缝。

此外，机械行业在现场简易诊断和精密诊断方面，航空工业在研制诊断仪器方面，核工业在进行反应堆故障诊断和寿命预测方面，铁道部门在进行内燃机车油液的光谱、铁谱分析和电力机车诊断方面，以及交通部门在实施汽车不解体检测等方面都是卓有成效的。

国内一些重点大学像西安交通大学、东北大学等相继建立丁故障诊断工程中心．目前不少高等院校都在培养故障诊断方面的硕士和博士研究生，这些学校有西安交通大学、上海交通大学、东北大学、北京科技大学、南京航空学院、哈尔滨工业大学等等。

[11]

美国从1967年在美宇航局和海军研究所的倡导下，由企业和大学参加成立了机械故障诊断技术的研究组织，开展机械设备的故障机理，检测、诊断和预测等方面的研究。

另外俄亥俄州立大学开展了根据振动的解析对轴承、齿轮、发动机及一般回转机械的诊断技术研究。

相继锅炉、压力容器等静止机械的检测诊断中心，根据美国机械工程学会（ASME）的规定开展静止机械的故障诊断技术研究，制定了一系列规程标准。

同时一些监测仪器设备公司也研制并生产各类型检测诊断仪器，如Atlanta公司开发的M