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部門都獲得了最廣泛的應用。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，對于斜齒輪，是不斷地處在兩齒與三齒交替咬合狀態。當齒側有間隙時，此時的振動體系是時變的非線性系統；輪齒間隙過大時還會出現瞬時脫齒狀態。因此，齒輪所產生的振動除了和輪齒嚙合剛度時變性有關外，還和齒輪的制造誤差（如質量偏心、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。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）。因此很有必要對產生分數倍亞諧和超諧振動的原因作深入的研究工作。
設備的在線監測和故障診斷技術是以現代科學中的系統論、可靠性理論、失效理論、人工智能、力學和信號處理為理論基礎，以包括傳感器在內的儀器設備和計算機技術為手段，結合各對象的特殊規律性而迅速發展起來的一門技術科學。在現代化生產中，機械設備的在線監測和故障診斷技術越來越受到重視，在連續生產系統中，如果某臺關鍵設備出現故障而又未能及時發現和排除，其結果是不僅會導致其本身損壞、不能繼續運行，往往還會導致整個生產系統設備停止運行甚至報廢、機毀人亡而造成巨大經濟損失。因此，對于連續生產系統，設備的在線監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中，現有大量老設備、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，這些設備如全部更新經濟負擔很重，此時如有完善的在線監測和故障診斷系統，定將能延長設備的使用期。
人們在對旋轉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，因而對準確地診斷旋轉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，一對嚙合輪齒齒側之間會有間隙，帶有齒側間隙的齒輪傳動系統成為非線性時變振動系統，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)，主要利用數值仿真從時域分析研究了齒輪系統的振動特性。F Kucnkay(1984）也進行了高速齒輪系統間隙問題的研究，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激勵而引起的動力穩定性問題。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從動軸扭矩方向改變時，由于嚙合中輪齒側面的交替工作，齒側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的A Kaharman等利用數值仿真和諧波平衡法對具有齒側間隙的齒輪系統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，同時考慮了滾動軸承徑向間隙和齒側間隙的影響，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，研究結果表明嚙合剛度的時變性與齒輪側隙非線性間具有很強的耦合性，而齒輪側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存在齒輪側隙時，齒輪-傳動軸-支撐軸承系統會產生亞諧和超諧共振。同年，F 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的振動特性，齒輪系統振動響應中有嚙合頻率的分數成份。與國外相比，國內對帶有齒側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間隙的振動問題的研究。韓捷（1997年）等在齒輪系統振動力學模型上考慮了齒側間隙的存在。王建軍（1995年）從力學模型上考慮了齒側間隙的存在，并考慮了齒輪偏心帶來的輪齒間的動力耦合。王建軍（1995年）在較系統總結研究國外學者研究齒輪間隙非線性振動問題研究成果的基礎上，指出齒側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，對在非共振狀態下帶有齒側間隙的齒輪系統是否有亞諧或超諧振動及齒輪側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。
在線監測和故障診斷系統的研究，美國最早在1961年開始執行阿波羅計劃后出現了一系列設備故障，促使1967年在美國NASA倡導下，由美國海軍研究室（ONR）主持美國機械故障預防小組（MFPG）積極從事故障診斷技術的研究和開發。在旋轉機械在線監測和故障診斷方面，美國西屋公司從1976年開始研制開發產品，到1990年已發展成網絡化的汽輪發電機組智能化故障診斷專家系統，其三套人工智能診斷軟件（汽輪機TurbinAID，發電機GenAID，水化學ChenAID）共有診斷規則近一萬條，已對西屋公司所產機組的安全運行了發揮了巨大作用，并取得了很大的經濟效益。美國Bentley Navada公司也開發研究了以汽輪發電機轉子為在線監測診斷對象的DDM系統和ADRE系統。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的開發研究，在線監測和故障診斷研究和產品開發搞的比較好的有沃福森工業維修公司（WIMU）和Michael Neale and Associte公司。歐洲國家一些公司的在線監測和故障診斷技術在世界上也很有聲望，如瑞典的SPM軸承監測技術和丹麥B&K公司的振動和聲監測診斷技術。日本自70年代起在鋼鐵、化工、鐵路等部門開始發展自己的在線監測和故障診斷技術，并取得了較大的進展，如三菱重工的白木萬博研制的系統在汽輪發電機組在線監測和故障診斷方面已發揮了作用。我國從1979年起，一些大專院校（如西安交通大學、上海交通大學、北京航天航空大學和清華大學等）和科研單位（如遼化高金吉博士領導的設備在線監測與故障診斷研究所）逐漸開始進行機械設備在線監測與故障診斷技術的理論研究工作和小范圍工程實際應用研究。隨著設備診斷技術重要性認識的不斷加深和計算機、傳感器技術、診斷理論的發展，國內許多的大學、科研單位和工礦企業也都研究或研制了結合具體實際對象的在線監測與故障診斷系統。從已取得了一些成果看，這些齒輪減速機在線監測和故障診斷系統可診斷一些平常故障（如聯軸節不對中，偏心等），但也存在著如下的問題：（一）由于齒輪系統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間隙尚不能診斷；（二）由于診斷方法的限制，故障診斷系統的診斷準確率還不很高；（三）系統設計方案不盡合理，在線監測和故障診斷系統的費用偏高。
智能故障診斷方法的研究，現大都集中在神經網絡的研究上，這主要是由于神經網絡具有不需要建立反映系統物理規律的診斷數學模型、巨量并行計算能力和極強的非線性映射能力等優點而獲得廣泛應用。在訓練網絡時，多數研究者采用簡單可行的BP算法或改進的BP算法來訓練。人們用訓練好的神經網絡對實際問題進行智能診斷，并取得了一些成果。神經網絡要作為減速機故障智能診斷方法，需進一步完善現有的網絡訓練樣本，并研究更快的網絡訓練算法。
故障趨勢預報是故障診斷的一個非常重要的方面。故障趨勢預報最傳統的方法；已回歸分析方法，但這種方法有很大的局限性，僅適用于預報參數與時間有很明確的關系。當預報參數與時間的關系是隨機的時候，只能采用基于時序參數模型的故障趨勢預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報的是G U Yule(1927年），隨后D Walker等學者逐步發展了ARMA、MA模型用于預測。在八十年代，我國學者鄧聚龍針對非平穩信號提出了用灰色模型（即GM）進行趨勢預測，楊叔子等學者提出了用ARMA和GM模型用于故障預測，并取得了一些成果。故障預測還需進一步開展的工作是如何把以上預測模型和現代數學分析方法如神經網絡結合起來，而進一步提高故障趨勢預測精度。
齒輪減速機監測傳感器類型的選用研究是齒輪減速機在線監測和故障診斷系統設計研究的一個重要方面。傳統的監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，當兩者之間的距離很長時，如采用普通信號電纜，則系統抗干涉能力差；而采用低噪聲屏蔽電纜，則系統成本太高。國外在八十年代開發研制了集壓電加速度計和內置放大電路一體的ICP加速度計，并已逐步在齒輪減速機等重大工業設備上推廣使用。我國在齒輪減速機上大都采用壓電加速度計作為監測用。現也有少數廠家開始研制ICP加速度計，并成功地應用到了設備的離線監測上，但要應用到設備的在線監測上還需進一步改進制造工藝和試驗研究。
齒輪減速機監測用傳感器一般安裝在靠近軸承座的垂直方向上，當監測傳感器不能放在該位置時，還需研究更合適的信號監測手段。
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改造項目‘武鋼冷軋薄板廠五機架關鍵設備在線監測和故障診斷系統研究’課題，作者參加了的部分研究工作。
本文的主要工作如下：
(l）對有齒輪齒側間隙的齒輪進行了振動機理的研究，進而系統地研究總結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）用變時基技術對減速機箱蓋進行了振動模態試驗研究；
(4）對大型齒輪減速機監測、故障智能診斷系統作為主要參加者進行了設計，重點在硬件的配置方面設計；
(5）對基于BP算法和改進的BP算法的神經網絡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）模型及基于神經網絡的組合模型的振動故障趨勢進行了分析研究。
1.4 論文創新點
(l）通過對有齒輪齒側間隙的非線性時變齒輪傳動系統的振動機理的研究表明：齒輪齒側間隙變化時，齒輪振動故障頻率成分除了有嚙合頻率的整數倍成份外，還增加了嚙合頻率的分數倍成份，該結論對提高齒輪的故障診斷準確率有幫助。
(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力環來測試齒輪減速機振動動態應變信號，通過該信號的分析，可以直接診斷出齒輪減速機內傳動件的各種故障。
(3）從設備特點、設備監測和故障診斷原理及監測系統硬件和軟件三方面對某大型企業關鍵設備的在線監測和故障診斷系統參加了設計，該設計結合設備實際情況，融合了國內外在線監測和故障診斷系統的優點，付之實施后可為設備的在線監測和故障診斷系統及維修提供指導和幫助。
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