第7章 總結(jié)和展望
7.1 總結(jié)
作者參加了武漢鋼鐵集團(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(cè)和故障診斷系統(tǒng)研究’課題的部分研究工作，并有機(jī)會(huì)多次到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備的故障振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試分析和調(diào)研。本文從完善已有的齒輪減速機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、降低系統(tǒng)費(fèi)用等一些問題出發(fā)，結(jié)合監(jiān)測(cè)對(duì)象設(shè)備特點(diǎn)、設(shè)備監(jiān)測(cè)和故障診斷原理及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件和軟件等方面對(duì)大型齒輪減速機(jī)及其配套設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行了研究：在吸取了國(guó)內(nèi)外在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)、結(jié)合設(shè)備實(shí)際工作情況的基礎(chǔ)上對(duì)已有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)作了一些改進(jìn)：該設(shè)計(jì)已通過八通道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)全部付之實(shí)施后可為齒輪減速機(jī)等設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)及維修提供指導(dǎo)和幫助：
本文對(duì)帶有齒側(cè)間隙齒輪故障振動(dòng)進(jìn)行了研究。齒輪在傳動(dòng)過程中，由于齒輪加工誤差和使用磨損及安裝等原因，齒輪齒側(cè)之間存在間隙。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)。本文通過建立齒輪振動(dòng)微分方程，用變步長(zhǎng)Runge-Kutta法求出了存在間隙齒輪振動(dòng)的時(shí)程響應(yīng)的數(shù)值解，并用FFT方法求出時(shí)程響應(yīng)的幅值譜。研究結(jié)果表明：
(1)在齒輪工作轉(zhuǎn)速和載荷不變時(shí),齒輪故障振動(dòng)頻率對(duì)齒側(cè)間隙的變化較敏感。當(dāng)齒側(cè)間隙增加到齒厚的一定倍數(shù)時(shí),齒輪故障振動(dòng)頻率不僅有嚙合頻率整數(shù)倍的成份，而且增加了分?jǐn)?shù)倍諧波成份，即齒輪振動(dòng)能量不僅分布在嚙合頻率的整數(shù)倍處，而且也分布在各個(gè)分?jǐn)?shù)嚙合頻率處。當(dāng)齒側(cè)間隙繼續(xù)增加時(shí)，這個(gè)分?jǐn)?shù)值將減少。但當(dāng)齒側(cè)間隙變?yōu)榱銜r(shí)，不管其工況怎么變化，齒輪故障振動(dòng)頻率仍為嚙合頻率的整數(shù)倍。
(2）工作轉(zhuǎn)速對(duì)齒輪振動(dòng)故障頻率也有影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，分?jǐn)?shù)嚙合頻率出現(xiàn)，但分?jǐn)?shù)嚙合頻率處的振動(dòng)幅值很小，振動(dòng)能量還是集中在嚙合頻率的整數(shù)倍處。當(dāng)工作轉(zhuǎn)速升高時(shí)，齒輪故障振動(dòng)分?jǐn)?shù)頻率的分?jǐn)?shù)值增加，所對(duì)應(yīng)的幅值也增加。
(3）工作載荷幅值的變化對(duì)齒輪振動(dòng)故障頻率也有影響。輕載時(shí)，齒輪故障振動(dòng)頻率無分?jǐn)?shù)成份；中載和重載時(shí)，齒輪故障振動(dòng)既有嚙合頻率的亞諧，又有超諧成份，且載荷越大，各亞諧、超諧頻率處的振動(dòng)幅值越大。以上幾點(diǎn)結(jié)論對(duì)齒輪的故障診斷和齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)有重要的意義。
齒輪減速機(jī)的故障與征兆之間的關(guān)系一般是十分復(fù)雜的，不能用一個(gè)確定的關(guān)系式來表示。本文通過研究大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械（包括齒輪減速機(jī)）設(shè)備故障智能診斷方法，認(rèn)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型由于不需要建立反映系統(tǒng)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型和其極強(qiáng)的非線性能力、巨量并行性和故障診斷的可學(xué)習(xí)（訓(xùn)練）性，使得它能較好地用于齒輪減速機(jī)的故障診斷和振動(dòng)預(yù)報(bào)等。本文還研究了用改進(jìn)的BP算法來提高網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度，結(jié)果表明該方法可提高網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度70％。
振動(dòng)趨勢(shì)預(yù)報(bào)是設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和故障診斷要研究的另一方面問題。本文針對(duì)傳統(tǒng)的回歸分析預(yù)報(bào)精度低的特點(diǎn)，研究了用較簡(jiǎn)單的AR（M）模型對(duì)平穩(wěn)時(shí)間序列進(jìn)行建模和振動(dòng)趨勢(shì)分析，并研究了用較實(shí)用的GM(1,l）模型及AR（M）組合模型和預(yù)報(bào)精度較高的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)報(bào)模型對(duì)非平穩(wěn)時(shí)間序列進(jìn)行建模和振動(dòng)趨勢(shì)分析，并結(jié)合實(shí)際例子，將以上預(yù)測(cè)模型用于預(yù)測(cè)，取得較好的預(yù)測(cè)效果。
本文針對(duì)齒輪減速機(jī)箱體結(jié)構(gòu)的限制、加速度傳感器不能放在箱體的軸承座處、拾得的振動(dòng)信號(hào)不能正確反映箱體內(nèi)的傳動(dòng)元件的振動(dòng)信號(hào)的問題，提出了利用套在滾動(dòng)軸承外圈上的套圈應(yīng)力環(huán)來拾取箱體內(nèi)的傳動(dòng)元件的振動(dòng)信號(hào)。研究結(jié)果標(biāo)明：在齒輪傳動(dòng)裝置的軸承外圈套圈上拾取的應(yīng)變信號(hào)能直接全部反映齒輪傳動(dòng)裝置內(nèi)的軸系部件（或稱傳動(dòng)零件）的故障振動(dòng)信號(hào)，利用故障診斷特征參數(shù)-傳動(dòng)零件的故障振動(dòng)頻率成份和頻率處的功率對(duì)此信號(hào)進(jìn)行分析，可對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置內(nèi)的軸系部件進(jìn)行正確的故障診斷。該方法有一定的新穎性和實(shí)用性。
本文還針對(duì)人們?cè)趯?duì)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)架的固有頻率的測(cè)試和計(jì)算，造成有的頻率成份來歷不明，因而對(duì)準(zhǔn)確地診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障造成了一定困難的現(xiàn)象，采用了比較精確的模態(tài)分析手段一雙時(shí)基技術(shù)對(duì)箱蓋進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)研究。通過箱體的振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)研究，得到了箱體的固有振動(dòng)頻率和振型。箱體的固有振動(dòng)頻率的數(shù)據(jù)可以幫助準(zhǔn)確地診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障，箱體的振型可幫助確定加速度傳感器安裝位置，也可評(píng)價(jià)和改進(jìn)箱體的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。
7.2 展望
1 本文在研究帶有齒側(cè)間隙齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)問題時(shí)，為了研究問題的方便，忽略了傳動(dòng)軸和支撐軸承的彈性以及滾動(dòng)軸承的間隙，實(shí)際上傳動(dòng)軸和支撐軸承都有一定的彈性，滾動(dòng)軸承也存在間隙，其剛度也是時(shí)變和非線性的。因此對(duì)既考慮齒輪齒側(cè)間隙及嚙合沖擊，又考慮傳動(dòng)軸和支撐軸承的彈性、滾動(dòng)軸承的間隙和滾動(dòng)軸承剛度的時(shí)變性和非線性的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)模型、分析方法和振動(dòng)特性的研究，將更好地揭示齒輪系統(tǒng)的振動(dòng)特性和為正確的故障診斷提供理論基礎(chǔ)。
2 為了提高智能故障診斷的準(zhǔn)確率，必須通過多種試驗(yàn)工況的研究和現(xiàn)場(chǎng)故障維修經(jīng)驗(yàn)積累、統(tǒng)計(jì)來進(jìn)一步完善故障訓(xùn)練樣本。另外，除了振動(dòng)診斷外，必要時(shí)應(yīng)采用多種診斷手段，如鐵譜技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)和無損探傷技術(shù)等來聯(lián)合診斷，從而提高故障診斷正確率。
3 網(wǎng)絡(luò)化是今后在線監(jiān)測(cè)和故障診斷的發(fā)展方向，利用各種通訊手段將故障診斷系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合起來，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的故障診斷和多專家會(huì)診，從而可減少設(shè)備診斷系統(tǒng)的投資，并可提高故障診斷準(zhǔn)確率。
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