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1、-西安工业大学 继续教育学院毕业论文 球磨机常见故障及处理方法 院、系（站）学科专业：学 生：学 号：指导老师：2010 年 9 月 30 日 -目 录 摘要 1 1 绪论 2 一、背景分析 3（1）、故障诊断技术的发展过程以及经济意义 4 （2）、对球磨机进行故障诊断的必要性 5 二、设备机械故障概述 6（1）、设备故障分类 7（2）、设备故障原因分析 8（3）、设备故障机理分析 9 （4）、设备故障的规律 10 三、运行监测与故障诊断技术的应用与发展现状 11（1）、国外运行监测与故障诊断技术的应用与发展现状 12 （2）、国内运行监测与故障诊断技术的应用与发展现状 13 四、球磨机运行监
2、测与故障诊断技术的发展及应用 14（1）、国内外研制成功的部分计算机预测维修系统 15（2）、大型球磨机开发的故障诊断系统 16 球磨机轴承故障诊断 17 一、引言 18 二、球磨机轴承故障特征 19 三、球磨机轴承监测、诊断方法 20-（1）、振动诊断法 21（2）、光纤监测技术 22（3）、接触电阻法 23 四、小结 24 3 球磨机齿轮传动系统状态检测与故障诊断 25 一、齿轮异常的基本形式及振动特点 26（1）、齿轮异常的基本形式 27（2）、齿轮振动及其特点 28 二、齿轮传动系统故障诊断方法 29（1）、振动分析法 30（2）、频谱分析法 31（3）、小波诊断方法 32（4）、基于
3、载荷识别和信息融合的齿轮传动系统诊断方法 33 三、球磨机齿轮传动系统故障诊断实验 34（1）、球磨机振动标准的确定 35 四、小结 36 5 结论 37 参考文献 38 -摘 要 现代化生产日益向着大规模化、系统化、自动化方向发展，机械故障诊断越来越受到重视。如果主要设备出现故障而又未能及时发现和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，而且影响正常生产，甚至可能造成机毁人亡的严重后果。在连续生产系统中，如果主要设备因故障而不能继续运行，往往会涉及全厂生产系统设备的运行，而造成巨大的经济损失。本文在介绍故障诊断学的意义及其研究发展情况后，进一步阐述了设备机械故障以及故障诊断的分类和特点，球磨机主要
4、故障的机理、特征及其诊断方法，并对各种监测诊断方法进行探讨分析。基于具体工业实际，本文重点针对球磨机常见轴承故障、齿轮传动系统故障、磨机“胀肚”自诊断与过程控制的监测诊断方法做了深入的探讨、研究；提出运行状态监测、故障诊断与生产过程控制相结合的系统设计思想。此外，根据球磨机主要的监测内容和特点，对球磨机实时工况与状态识别、在线分析与故障诊断进行系统设计，并完成监测诊断及生产过程控制系统的构成，确定监测诊断系统的工艺设计框架。关键词：球磨机；运行状态监测；故障诊断；过程控制 绪论 一、背景分析（1）、故障诊断技术的发展过程以及经济意义-在现代化生产中，机械设备的故障诊断技术越来越受到重视，如果主
5、要设备出现故障而又未能及时发现和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，而且影响正常生产，甚至可能造成机毁人亡的严重后果。在连续生产系统中，如果主要设备因故障而不能继续运行，往往会涉及全厂生产系统设备的运行，而造成巨大的经济损失”。二十世纪五十年代，各种类型和性能的传感器和测振仪相继研制成功，并开始应用于科学研究和工程实际。到六、七十年代，数字电路、电子计算机技术的发展、“信号数字分析处理技术”的形成，推动了振动检测技术在机械设备上的应用。七十年代至八十年代，机械设备的状态监测与故障诊断技术在许多发达国家开始研究。随着电子计算机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号识别技术与故障诊断技术等现代科学
6、技术的发展，机械设备的监测、诊断研究跨入了系统化阶段，并把实验室的研究成果逐步推广到核能设备、军工设备、航空航天设备、动力设备、以及其它各种大型的成套设备中，进入了蓬勃发展的阶段.运行监测与故障诊断技术的发展及其给企业带来的经济效益密切相关。大型机械，如汽轮机、发电机、压缩机、发动机等，是石化、能源、冶金等许多行业中的关键设备，该类设备安全、稳定、长周期运行，一旦发生事故，其经济损失十分巨大。此外，由于生产的连续性，造成设备始终满负荷运行，设备损伤严重。而人工检测难度大，对于某些疑难设备故障是属于哪一类问题，往往难以分清，只能进行全面检修，从而导致工作效率低，设备运转率低和维修费用开支过大等不
7、应有的现象发生。（2）、对球磨机进行故障诊断的必要性 旋转机械是工业上应用最广泛的机械。许多大型旋转机械，如：离心泵、电动机、发电机、压缩机、汽轮机、轧钢机、球磨机等，还是石化、电力、冶金、煤炭、核能等行业中的关键设备。近年来，随着机械工业中的机械设备朝着轻型化、大型化、重载化和高度-自动化等方向发展。出现了大量的强度、结构、振动、噪声、可靠性，以及材料与工艺等问题，设备损坏事件时有发生。大型旋转设备状态监测与故障诊断技术研究是国家重点攻关项目，目的是提高大型旋转设备的技术状况，减少突发性事故，避免重大经济损失”。球磨机是选矿工艺中一个应用非常广泛且十分重要的粉磨设备。日益向大型化、自动化及复
8、杂化方向发展。这样的关键设备一旦发生故障后，往往给生产带来巨大的影响，常常因为对故障的出现估计不足，致使企业蒙受较大的经济损失。每年，企业为了保持球磨机系统处于正常运转状态的维修费用，在企业的经营费用中占有很大的比例。因此，必须对球磨设备与关键设备的运行状态和劣化的原因及运行信息的变化进行诊断。诊断的实质是把运行中的机器的征兆去和标准谱中的各种征兆进行比较来判断机器运行状态是否正常的过程，以便在事故发生前及能查明原因及时排除，或根据某些征兆，预测预报机器的运行状态，及时找到性能变化与结构变化的对应关系，及时地做出科学的判断和决策。筒形磨矿机 1905 年出现后，在工业生产中迅速得到应用。到目前
9、为止，筒式磨矿机仍是最主要的工业粉磨设备，在磨机大型化发展的同时，中小型磨机在我国矿山生产中占有很大比重。在磨选生产工艺流程中，磨矿作业主要是对矿物进行单体解离，以便于选别，由此可见，磨矿作业在选矿生产中占有非常重要的地位，所以，作为选矿厂磨矿作业的主体设备球磨机，其技术状况、设备完好率和运行效率直接影响选别作业的各项技术、经济指标。随着近几年来生产任务的连年增加，球磨机作业率持续保持在以上。但是，球磨机作业率的增高，随之而来球磨机故障、隐患率增加。球磨机经常出现的生产和设备故障有：球磨机“胀肚”，轴承“烧轴”，大轴裂纹，减速机温升高、噪音大，齿轮轴断、折齿，大小齿轮磨损不均、局部缺陷、点蚀、
10、胶合及联轴器不对中引起的噪音大、振动大等缺陷。二、设备机械故障概述-设备故障，一般指设备（系统）或零部件在使用中丧失或降低其规定功能的事件或现象。在现代化生产中，由于企业的设备结构复杂，自动化程度很高，各部分、各系统的联系非常紧密，因而设备出现故障，哪怕是局部的失灵，都会造成整个设备的停顿，整个流水线、整个自动化车间的停产，直接影响着企业产品的数量和质量。正因为这样，世界各国，尤其是各工业发达国家都十分重视设备故障及其管理的研究。我国一些大中型企业，也在年代初就开始探索故障发生的规律，对故障进行记录，对故障机理进行分析，以采取有效的措施来控制故障的发生。（1）、设备故障分类 设备故障是多种多样
11、的，归纳起来可分为：渐发性故障和突发性故障两大类。渐发性故障：通过事先的测试或监控可以预测到的故障。是由于设备初始参数逐渐劣化而产生的。这类故障与零部件的磨损、腐蚀、疲劳及蠕变等过程有密切的关系。突发性故障：是各种不利因素以及偶然的外界影响共同作用而产生的。这种故障有：因润滑油中断而使零件产生热变形裂纹；因机器使用不当或出现超负荷现象而引起零件折断：因各项参数都达到极端值而引起变形和断裂，突发性故障往往是突然发生的，一般事先无明显征兆。设备故障还可以按其性质、影响、原因、特点等进行分类。（2）、设备故障原因分析 设备故障的原因主要来自两方面：一是固有可靠性方面，二是使用可靠性方面。固有可靠性方
12、面的原因有：设备结构上的潜在缺陷：构成设备零部件有缺陷；制造质量低，材质不佳；运输、安装不善，给设备带来潜在缺陷。使用可靠性方面的原因有：环境、条件不符合技术规范要求；人员素质欠佳，责任心不强；规章制度不健全。-（3）、设备故障机理分析 故障机理是指诱发零部件、设备系统发生故障的物理与化学过程、电学与机械学过程，也可以说是形成故障源的原因。在研究故障机理时，需要考察的基本因素至少有对象、原因、结果。因此，故障机理可写成：对象的状态内因外因、诱因作为结果的故障模式，故障的发生受空间、时间、设备（故障件）的内部和外部多方面因素的影响，有的是某一种因素起主导作用，有的是几种因素综合作用的结果。为了搞
13、清故障原因，必须搞清各种直接和间接影响故障产生的因素及其所起的作用。（4）、设备故障的规律 设备故障的发生发展过程都有其客观规律，研究故障规律对制定维修对策，以至建立更加科学的维修体制都是十分有利的。设备在使用过程中，其性能或状态随着使用时间的推移而逐步下降。很多故障在发生前会有一些预兆，这就是所谓潜在故障，其可识别的物理参数表明一种功能性故障即将发生，功能性故障表明设备丧失了规定的性能标准。设备的故障率随时间的变化大致分为三个阶段：早期故障期、偶发故障期和耗损故障期。三、运行监测与故障诊断技术的应用与发展现状（1）、国外运行监测与故障诊断技术的应用与发展现状 一些工业发达国家相继开发设备诊断
14、技术始于年代。美国最初研究的是应用于军用机械和飞机等领域的诊断技术，并于 1962 年成立了一个机械故障研究组，专门调查研究设备的诊断、检测、设计和维修问题。1967 年，在美国宇航局（NASA）和海军研究所（ONR）的倡导和组织下成立了美国机械故障预防小组，开始有计划地对诊断技术分专题进行研究。70 年代开始普及到钢铁、化学、铁路等所有领域，成为一门独立的技术。在电工设备方面，美国的西屋公司是电力工业研究诊断技术的先驱。二十多年来，该公司开发了发电机、发-动机系统的阀门、齿轮、密封件等诊断技术，并将人工智能和专家系统引入电厂在线诊断系统，以提高电厂效率。在此期间很多学术机构（如美国机械工程学
15、会（ASME）、政府部门（如国家标准局（NBS）、国家锅炉及高压容器监测中心（NBBI）以及一些高等院校和企业公司都参与或进行了一些专业性的诊断仪器和监测系统制造厂商，对推进诊断技术的应用起了较大作用。目前美国诊断技术在航空航天、军事、核能等尖端部门仍处于领先地位。目前，日本、美国及欧洲一些国家正致力于以高温设备寿命诊断为目的的劣化、损伤检测技术，并在此基础上进行关于剩余寿命评价技术的研究。同时，很多国家还把设备诊断技术作为一门新学科，在大、中院校开设专业。（2）、国内运行监测与故障诊断技术的应用与发展现状 我国的诊断技术起步较晚，1979 年机械工业部在长春举办了设备科长学习班，在学习日本的
16、全员设备维修时才初步接触到设备诊断技术的概念，引起大专院校、科研单位和工矿企业的注意。1983 年南京召开的首届设备诊断技术专题座谈会和原国家经委同年颁布的国营工业交通设备管理试行条例，标志着我国设备诊断技术的真正开始。我国工交企业的设备诊断技术自 1983 年起步以来，通过积极学习国外现代设备管理技术，研究和试验日本的预知维修项目，引进和吸收美国的状态监测及故障诊断技术，取得了较大成就。尤其是近几年来进步很快，不但在较短的时间里缩小了与世界先进水平的差距，在某些方面还有所突破，达到当代世界先进水平。经过全国数万科技人员二十年的奋斗，设备诊断技术在国内工程界已取得了许多具有经济效益和社会效益的
17、成果，并已开始形成了有自身特色的新的学科体系。我国设备诊断技术的研究近年来虽有很大发展，但与国外相比还有相当距离。就是在国内与环境保护方面的分析测量和医学领域的诊断技术相比，设备诊断技术不但起步晚，在理论与技术上也还比较落后。-四、球磨机运行监测与故障诊断技术的发展及应用（1）、国内外研制成功的部分计算机预测维修系统 恩泰克系统是美国恩泰克科学公司开发的机械设备预测维修系统，公司的预测维修技术在世界上处于领先地位。恩泰克的系统于年月进入我国市场，它对市场上出售的数据采集器和频谱分析仪，都可以兼容，用户可方便地选择和增加硬件，而无需增加软件的投资。系统投入运行后，随时可方便地了解所有被监测设备的
18、总体情况。同时也可了解特定设备的具体状况。但价格对于一般中小型厂不易接受。美国新近推出的 微型振动分析仪，新颖小巧、功能齐全，是一台比较理想的简易振动测量仪。又具有一些故障诊断功能的精密诊断仪。旋转机械故障诊断系统系统是集数据采集、在线监测和故障诊断功能为一体的大型旋转机械如离心式压缩机组、汽轮发动机组、大型机泵、大型球磨机等回转设备运行保障系统，可有效提高机组故障诊断的效率和准确性。南京航空航天大学开发的型诊断系统主要用于齿轮箱的故障诊断，该系统在以下几个方面有突破和创新：首次将三阶谱用于齿轮箱的故障诊断；首次提出频域相关的概念，并将其应用于齿轮胶合的识别：将包络谱分析法扩展为细化复包络谱，
19、并应用于齿轮诊断；首次提出宽带解调技术，它比年代以来在国内外流行的共振解调技术更有效地提取齿轮故障特征信息；首次应用解调信号的最大熵估计，对齿轮裂纹进行了有效的诊断。它除了具有一般的信号分析处理功能外，尚有倒频谱、三维谱、幅值解调、频率解调、轴心轨迹等用于机械故障诊断的多种功能。（2）、大型球磨机开发的故障诊断系统 球磨机常出故障或最需监测部位有：-（1）、球磨筒两端滑动轴承。（2）、减速箱的齿轮和滚动轴承。（3）、艺信号（包括给矿量、溢流浓度、排矿浓度、声音强度等）。（4）、启动、运行电流、电压信号。目前国内开发应用的球磨机定期监侧诊断系统与运行状态监测系统主要有如下几类：（1）可编程序控制
20、器在大型球磨机的应用。北京工业自动化研究所研制的 可编程序控制器可以替代继电器控制，同时增加诊断功能与报警功能，减少故障查找时间。河北冀北水泥有限公司水泥磨控系统采用了系列控制器，该系统功能稳定可靠，调试和故障诊断方便、快捷，故障诊断功能使操作员能及时发现产生的故障并确定其位置，缩短了排除故障的时间。此方案为全面改造大型球磨机的电控系统，投资稍大。（）大型球磨机用单片机控制的故障诊断系统（此系统已被华峰瓷业有限公司采用）.大型球磨机常出故障或最需监测部位是减速箱齿轮和滚动轴承及球磨筒轴承。本系统以单片机为核心，采用模块设计方法。开发设计成一种可靠性高、价廉与使用方便的齿轮、轴承故障诊断系统之一
21、。（）在球磨机过程控制系统中，丹东东方测控开发的球磨机自动控制系统，全面的实现了球磨机的自动控制，有效的避免了球瘗机“胀肚”、“吐球”等生产事故的发生。球磨机轴承故障诊断 一、引言 在选矿工业中，球磨机的小正齿轮轴承的工作性能直接影响球磨机安全稳定运行，因此对-小正齿轮轴承的状态监控与故障诊断尤为重要。滚动轴承是机械设备最常见和最易损坏的部件之一。在使用过程中的异常形式主要有以下几种：（）疲劳剥落：在滚动轴承中，滚道和滚动体表面既承受载荷，又相对滚动。由于交变载荷的作用，首先在表面一定深度处形成裂纹，继而扩展使表层形成剥落坑。（）磨损：轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或安装轴承的轴颈，由于机械原
22、因及杂质异物的侵入引起表面磨损。导致轴承游隙增大，表面粗糙，降低机器运行精度，增大振动和噪声。（）塑性变形：轴承因受到过大的冲击载荷、静载荷、经过载荷积累或短时超载引起的轴承塑性变形。（）腐蚀：润滑油、水或空气水分引起表面锈蚀、以及轴承套圈在轴孔中或轴颈上微小相对运动造成的微振腐蚀。（）断裂：载荷过大或疲劳引起轴承零件破裂。热处理、装配引起的残余应力，运行时的热应力过大也会引起轴承零件的裂纹或破裂。（）胶合：主要是由于润滑不良、高速、中载、高温、起动加速度过大等造成摩擦发热，使滚道和滚动体表面局部融合在一起。轴承故障是球磨机常见的故障模式之一，由于轴承故障所引起的附加振动相对于球磨机的固有振动
23、较弱，因而很难把故障信息从信号中分离开来。到目前为止，对球磨机轴承故障的故障诊断尚缺少十分有效的方法。本节提出在频域和倒频域进行特征提取，旨在解决轴承特征提取困难的问题。在分析滚动轴承故障诊断方法的基础上，重点探讨利用集成网络解决轴承多故障诊断与识别和鲁棒性问题。二、球磨机轴承故障特征-在工作过程中，滚动轴承的振动通常分为两类：其一为与轴承的弹性有关的振动，其二为与轴承滚动表面的状况（波纹、伤痕等）有关的振动。前者与轴承的异常状态无关，而后者反映了轴承的损伤情况。轴承的振动信号极其复杂，一般有四种：（1）轴承构造引起的振动（低频）；（2）轴承的不同轴引起的振动（低频）；（3）轴承精加工面的波纹
24、引起的振动（低频）：（4）轴承受损伤后引起的振动（高频）。对于机械系统而言，如有故障则一定会引起系统的附加振动。振动信号是动态信号，它包含的信息丰富，很适合进行故障诊断。但是如果附加振动信号由于固有信号或外界干扰对故障信号的干扰很大而淹没，那么如何从振动信号中提取有用信号就显得十分关键。根据摩擦学理论，当轴承流动面的内环、外环滚道及滚柱上出现一处损伤，滚道的表面平滑受到破坏，每当滚子滚过损伤点，都会产生一次振动。假设轴承零件为刚体，不考虑接触变形的影响，滚子沿滚道为纯滚，则有如下损伤振动频率：当内滚道有一处损伤时，其振动脉冲特征频率为：当外滚道有一处损伤时，其振动脉冲频率为：当滚柱上有一处损伤
25、时，其振动脉冲特征频率为：-为了克服轴承故障信号较弱且容易被球磨机固有振动淹没的困难，选用以下抗干扰能力较强的特征作为故障诊断特征参数。（）振动的平均能量特征 设在小正齿轮轴承座上测得的振动加速信号为：它是故障信号以轴承座传输后的信号。根据统计学理论，振动的均方根反映振动的时域信息：特征参数有它代表振动信号的有效值，反映振动的平均能量。（）振动信号的峰值特征 它是反映振动信号中周期性脉动的特征量。（）倒谱包络特征 设（）为故障激励信号，（）为传输通道的脉冲响应。它们相应的变换有如下关系：-式中，称为倒频率；为倒频谱。由上式可以看出故障激励信号特性和传递通道 的特性被分离开来了，而一般情况下故障
26、激励信号与传递通道信号占据不同的倒频区 段，这样可以突出故障振动信号的特性。变换用于信号分析中求时域信号的包络，以达到对功率谱进行平滑从而突出故障信息。定义信号：为最佳包络。倒谱包络模型实质是对从传感器获得的信号进行倒频谱分析，然后对其倒频谱信号进行包络提取，从而双重性地突出了故障信息，为信噪比小的故障特征的提取提供了依据。三、球磨机轴承监测、诊断方法（1）、振动诊断法 滚动轴承在工作过程中会产生各种各样的异常和损伤，多数故障都会使轴承的振动加剧，所以，振动信号就成为诊断轴承故障的主要信息。采用振动诊断法主要有以下优点：（）可以检测出各种类型轴承的异常现象；（）在故障初期就可以发现异常，并可在
27、旋转中测定；（）由于振动信号发自轴承本身，所以不需特别的信号源；-（）信号检测和处理比较简单；在滚动轴承的振动诊断中，较常用的方法有以下几种：（）有效值和峰值判断法 有效值是振动幅值的均方根值，由于有效值是对时间的平均，所以对具有表面皱裂无规则振动波形的异常，其测定值的变化小，可给出恰当的评价。但是不适用对表面剥落或伤痕等具有瞬变冲击振动的异常。峰值是在某个时间内振幅的最大值，它对瞬时现象可得出正确的指示值，特别对初期阶段轴承表面剥落容易测量，由于它对由于外界干扰等原因引起的瞬时振动比较敏感，它比有效值测定值的变化可能很大。（）峰值指标法 峰值指标是指峰值与有效值的比，该方法最大的特点是：由于
28、峰值指标的值不受轴承尺寸、转速及负荷的影响，所以正常异常的判断可非常单纯的进行；此外，峰值指标不受振动信号的绝对水平所左右，所以传感器或放大器的灵敏度即使变动，也不会出现测定误差。但是这种方法无法诊断表面皱裂或磨损之类的异常。（）振幅概率密度分析法 这种方法主要是把轴承的异常程度进行量化，运用概率密度分布的陡度的大小来判断轴承异常情况。因其与轴承尺寸、转速及负荷等条件无关，因此使用比较单纯，对轴承的好坏判定非常简单。这种方法主要适用于轴承表面有伤痕的情况，但对轴承表面皱裂、磨损等异常缺乏检测能力。（）时序模型参数分析法 时序模型参数分析法，是一种把轴承振动信号采样值看作一个时间序列，并建立数学
29、模型，然后利用模型的参数对轴承故障进行诊断的一种方法。这种方法只有在掌握滚动轴承在正常和异常是模型阶次及残差方差指标的变化规律的情况下，对轴承的状态才能做-出正确的诊断。（）冲击脉冲法 如果滚动轴承的某些元件有损伤，轴承工作时，这些零件在接触过程中就会产生冲击脉冲。通过加速度传感器测得此冲击引起的高频衰减振动波形，从而对滚动轴承的故障做出判断。此方法可诊断滚动轴承表面伤痕、皱裂缺陷，对滚动轴承磨损判定不明显。（）包络法 包络分析法是利用包络检波和对包络谱的分析，根据包络谱蜂来识别故障。事实表明，当滚动轴承元件产生缺陷而在运行中引起脉动时，不但会引起轴承外圈及传感器本身产生高频固有振动，且此高频
30、振动的幅值还会受到上述脉动激发力的调制。在包络法中，将经调制的高频分量拾取，经放大、滤波后送入调制器，即可得到原来的低频脉动信号，再经谱分析即可获得功率谱。（）高通绝对值频率分析法。将加速度计测得的振动加速度信号经电荷放大器后，再经过的高通滤波器，提取其高频成分，然后将滤波后的波形作绝对值处理，再对经绝对值处理后的波形进行频率分析，去判断轴承故障原因。（2）、光纤监测技术 上述的振动监测方法，通常是在轴承座上安装传感器，即用传感器测量轴承盖的振动信号，这样所检测的信号中完全接收了外界干扰，轴承的故障信号可能会因为较弱而被淹没。而光纤监测技术，则直接从轴承套圈的表面提取信号。它是用光导纤维束制成
31、的位移传感器，其包含有发送光纤束和接收光纤束，光线由发送光纤束经过传感器端面与轴承套圈表面的间隙反射回来，再由接收光纤束接收，经过光电元件转换为电压输出，得出有-效值、峰值有效值比和轴承速率比等轴承运行性能的诊断指标，判定轴承异常。（3）、接触电阻法 接触电阻法所依据的基本原理和振动测量完全不同，它是与振动监测法相互补充的一种监测技术。轴承在运转过程中，滚道面与滚动体之间便会形成油膜，这样在内外圈之间就有很大的电阻。正常轴承，其油膜厚度至少是表面租糙度的四倍，由于润滑剂是有机碳氢化合物，轴承内外圈之间的平均电阻很高，一般在之间变化，而当轴承零件出 现剥落、腐蚀、损伤等缺陷时，缺陷处油膜厚度减小
32、，轴承内外圈之间的电阻值降低，以此监测轴承异常捌。四、小结 本节主要根据球磨机轴承的故障特征，对轴承监测、诊断的各种方法进行分析探讨。由于轴承故障所引起的附加振动相对于球磨机的固有振动较弱，因而很难把故障信息从信号中分离开来。到目前为止，对球磨机轴承故障的故障诊断尚缺少十分有效的方法。本节提出在频域和倒频域进行特征提取，旨在解决轴承特征提取困难的问题，并根据一诊断实例，利用集成网络解决轴承多故障诊断与识别和鲁棒性问题。根据此实例结果表明，该方法具有很高的成功率和鲁棒性。3 球磨机齿轮传动系统状态检测与故障诊断 一、齿轮异常的基本形式及振动特点（1）、齿轮异常的基本形式 齿轮由于制造、操作、维护
33、以及齿轮材质、热处理、运行状态等因素不同，产生异常的形式也不同，常见的齿轮异常有以下几种形式：-（）齿面磨损；（）齿面胶合和擦伤；（）齿面接触疲劳；（）弯曲疲劳与断齿。齿轮异常还可分为局部的和分布的。前者集中于某个或几个齿上，后者分布在齿轮各轮齿上。（2）、齿轮振动及其特点 一、齿轮的振动频率 齿轮的振动类型：齿轮在运行过程中产生的振动是比较复杂的，由于齿轮所受的激励不同，从而使齿轮产生的振动类型也不同。下面分别介绍各种类型振动产生的原因及其特征；（）齿轮啮合过程中由于周节误差、齿形误差获均匀磨损等都会使齿于齿之间发生撞击，撞击的频率就是它的啮合频率。齿轮再次周期撞击力的激励下产生了以啮合频率
34、为振动频率的强迫振动，频率范围一般在几百到几千赫内。（）由于齿轮啮合过程中齿轮发生弹性变形，使刚刚进入啮合的齿轮发生撞击，因而产生沿着啮合线方向作用的脉动力，于是也会产生以啮合频率为频率的振动。对于齿廓为渐开线的齿轮，在节点附近为单齿啮合，而在节点两侧为双齿啮合，故其刚度是非常简谐的周期函数，所以产生的强迫振动与上述第一种情况不同，不仅有以啮合频率为频率的基频振动，而且还有啮合频率的高次谐波振动。（）齿与齿之间的摩擦在一定的条件下会诱发自激振动，主要与齿面加工质量及润滑条件有关，自激振动的频率接近齿轮的固有频率。（）齿与齿之间的撞击是一种瞬态激励，它使齿轮产生衰减自由振动，振动频率-就是齿轮的
35、固有频率，通常固有频率在内。（）齿轮、轴、轴承等元件由于不同心、不对称、材料不均匀等会产生偏心、不平衡，其离心惯性力使齿轮轴系统产生强迫振动，振动的频率等于轴的转动频率（一般在叽王以内）及其谐频。（）由于齿面的局部损伤而产生的激励，其相应的强迫振动频率等于损伤的齿数乘以轴的转动频率。齿轮箱各不同部件故障的振动特征，如下表所示。综上所述，齿轮的振动频率基本上可归纳为三类：即轴的转动频率及其谐频，齿轮的啮合频率及其谐频，齿轮自身的各阶固有频率。而齿轮的实际振动往往是上述各类振动的-某种组合。二、齿轮振动频谱的特点 （）齿轮振动的边频带谱 齿轮在运行中无论齿轮发生异常与否，齿的啮合都会发生冲击啮合振
36、动，其振动波形表现出振幅受到调制的特点，即调幅又调频。齿轮振动的频谱图是非常复杂的，除了有明显表示啮合频率的谱线和啮合频率的高阶谐频的谱线、外，还有许多按一定规律分布的小谱线，这就是在齿轮振动的频谱图中常见的边频带谱。它是由于几种动载同时作用在齿轮上，使其同时产生几种振动，它们相互叠加产生调制的结果。通常载频为啮合频率及其高阶谐频或其他高频成分，而轴的转动频率及其高阶谐频则为调制频率。齿轮发生故障时，啮合频率的振动成分或轴的转动频率及谐频的振动成分随之发生显著的变化。因此，相对故障齿轮，从齿轮振动的边频带谱中分析出载频或调制信号的频率对故障分析十分必要。（）振动信号的调制 齿轮振动信号既有幅值
37、调制又有频率调制，这两种调制在频谱图中均表现为在啮合频-率及其谐频的两侧各有一簇边频带，各边频带的间隔既是调制信号的频率。（）齿轮振动频谱图的组成成分 齿轮振动频谱图的谱线一般有下列几种：一是齿轮的转动频率及其低阶谐频。它主要是由于转轴对中不良、轴变形、零部件松动等原因引起，使齿轮在运转过程中产生附加脉冲。二是齿轮的啮合频率及其谐频、边频带。这些振动成分是由齿形误差、齿面磨损等原因引起的。三是齿轮副的各阶固有频率。它是由于齿轮啮合时齿间撞击（往往是由故障所致）而引起的齿轮自由衰减。四是齿轮加工机床分度齿轮的啮合频率及其谐频。其谱线往往在啮合频率的附近。二、齿轮传动系统故障诊断方法（1）、振动分
38、析法 在齿轮系统故障诊断的众多方法中，如振动诊断、噪声分析、油液分析、声发射和温度及能耗检测等，振动诊断是目前使用最广泛且行之有效的方法。因此，对齿轮系统的故障进行振动诊断是一个重要的课题。传统振动诊断的基本方法是用安装在箱体上的加速度传感器测量振动响应信号，提取特征参量，再考虑传感器与各零部件的接近程度和特征参量与某种部件的相关特性进行故障诊断。为了充分利用信息，目前一般采用多参数诊断法（如模糊诊断法和灰色系统关联诊断法等），这种方法广泛使用时域、幅域、频域的各种分析方法，提取尽可能多的有效特征参量，然后结合模式识别进行工作状态的判断。（2）、频谱分析法 从齿轮啮合动力学出发，在齿轮故障检测
39、中，基于边频带理论的有各种频域和倒频域的定性分析方法，如频谱细化分析，倒频谱分析方法等。-由于故障齿轮的振动频谱具有的边频带是具有等间隔（故障频率）的结构，所以倒频谱可以将原来谱上成族的边频带谱线简化为单根谱线，能精确地辨识频谱中的周期特性 倒频谱分析方法对于齿轮故障诊断是一种有效的方法。当频率分辨率不够时，将频率细化分析与倒频谱分析结合起来，则可得到满意的结果。（3）、小波诊断方法 小波变换是具有“变焦”功能的时一频分析方法。它在时域和频域同时具有良好的局部化性质，还有放大、缩小、平移等功能，可以把分析的重点聚焦到任意的细节，从而可显著地改善信号提取能力和状态识别灵敏度及准确性同时，小波变换
40、实质上是一种滤波运算，具有良好的滤噪效果，特别适合于强背景噪声下信号的分析。目前，小波分析的理论正日趋完善，其应用也不断扩大和深入。在齿轮传动系统故障诊断中，一般多为定性研究，定量研究较为困难，而且研究还不够深入。（4）、基于载荷识别和信息融合的齿轮传动系统诊断方法 齿轮传动系统在运转过程中，各个轴系的作用力在轴承座处对箱体产生动态激励，使齿轮系统的箱体发生振动。当齿轮系统零部件齿轮、轴承和轴发生故障时，箱体受到的动态激励会发生变化，造成箱体的振动响应也发生变化。根据这种关系，利用子系统方法对齿轮系统进行整体力学建模。通过测试齿轮系统箱体的振动响应，应用多载荷识别技术、多传感器优化配置和多传感
41、器信息融合技术精确求得箱体在各个轴承座处受到的动态激励，然后直接分析这些激励信号，建立基于激励分析的特征参量体系，进行特征级和决策级的信息融合与故障诊断。评价标准：国际标准化组织（）年制定了大型旋转机械的机械振动现场测量与评价标准。该标准适用于功率大于的大型旋转机械，并规定了在轴承外壳上测量振动烈度。-三、球磨机齿轮传动系统故障诊断实验（1）、球磨机振动标准的确定 1、球磨机的结构特点 溢流型球磨机，由同步电动机，开式齿轮传动装置，动、静压轴承支承，筒体和联合给料器五大部分组成，同步电机功率 TZ215/32/400KW、转速187.5r/min，小齿轮转速 Z1=23，大齿圈齿数 Z2=19
42、8，转速 21.9r/min。振动测点见图所示。球磨机齿轮传动简图 球磨机主传动电机功率为，齿轮座的测点均选在轴承座的外壳上，因此，标准适用于球磨机的主传动系统。振动速度有效值的检查界限值为，修理界限值为。这可以作为评价齿轮传动冲击振动的参考。通过对球磨机的振动测试，发现振动能量一般集中在 10Hz 和 100Hz 两个频段，属于低频振动，用振动位移和速度两个参数综合评价较为科学。在小齿轮两端轴承分别测得振动位移、速度、加速度三个参数值见下表。-从表中可以看出小齿轮自由端轴承 H（水平）向振动位移、速度值均较大，小齿轮的振动已接近不允许状态。首先，根据加速度低频段振动值大于高频段的情况，可以确
43、定小齿轮振动故障主要在低频范围，而且加速度值较小说明轴承及轮齿的状况良好（冲击小）。因此，在频谱分析时可将分析频率范围定在以下。1、频谱分析。小齿轮的旋转频率 大齿圈与小齿轮的啮合频率 对照以上表可以得到如下信息：点水平方向振动位移谱-点垂直方向振动位移谱 水平方向振动以啮合频率（）为主导，且出现丰富的边频族。垂直方向振动以（）为主导，且幅值较大。上述现象说明：边频的出现是故障诊断的主要信息。图左右分别出现了、和四条边频，且其间隔为，说明齿轮的啮合振动信号受到了调制，从振动波形可以看出属于幅值调制（如图）：测点振动波形 图中幅值较大，而恰是小齿轮的三倍频，说明小齿轮振动出现了奇次谐波现象，由于
44、其一倍频、二倍频能量很小，因此在谱图中分辩不出来。2、故障诊断。幅值调制的原因：啮合齿轮幅值调制是由于节线冲击、啮合冲击等造成的，当两-齿轮中心距随转速周期变化时，两者的强弱会随之变化，产生幅值调制。设齿轮的啮合振动为：齿轮轴旋转频率为疔，两齿轮中心距变化时，中心距可表示为：齿轮啮合振动的强弱与中心距有关，中心距变化时的振动信号为：下图与前面实际的波形及频谱相一致，证明球磨机齿轮啮合振动受到调制的原因，是由于两齿轮中心距发生了周期性交化。频率产生的原因：当出现机械松动时，容易产生 f1、3f1、5f1 等奇次谐波分量，且以 3f1 最为突出。因此，小齿轮轴承座支承松动是产生频率的主要原因。综合
45、以上两点分析，齿轮中心距变化原因主要有：一是齿轮偏心，二是齿轮支承刚度差，轴心在中心距方向摆动。调幅信号波形及频谱 当小齿轮偏心时，式 4.3 中，frf1，为偏心距。实际频谱中没有出现的现象（=时，k frf13Hz），说明不存在小齿轮偏心问题，故小齿轮支承刚度差就是中心距变化的主要原因。-当小齿轮支承松动，式 4.3 中，k=3，fr=f1，则为小齿轮轴心在中心距方向上的最大摆幅。（其它谐波能量很小，此处不做分析）则式中，k fr3fr=9Hz，与实际频谱相符。根据设备结构特点以及诊断结果，认为轴承座与底座结合不紧密或底座垫铁松动、二次灌浆不良，是造成小齿轮支承松动的原因。（2）、小结 通
46、过对球磨机齿轮异常的基本形式及振动特点的分析，探讨齿轮传动系统的故障诊断方法。在基于球磨机传动系统振动信号测试的基础上，利用频域的振动信号作为特征参数，应用相应的计算机分析软件，研究了其故障的振动特征，进而预测设备运行状态的异常、故障的严重程度、故障的部位及原因，对球磨机进行精密诊断，为球磨机传动系统的管理和维修提供了可靠的依据。四、结论 本文工作是对球磨机运行状态监测与故障诊断系统进行研究，基于实际工业应用，针对球磨机常见故障内容探讨研究监测诊断方法。提出运行状态监测、故障诊断与生产过程控制相结合的系统设计思想，并完成此系统的总体方案设计，确定了系统的设计框架。根据球磨机轴承故障特点，分析探
47、讨监测诊断方法，提出利用频域和倒频域的振动信号作为特征参数，运用集成网络实现了球磨机轴承的多故障诊断与识别。采用磨矿工艺信息处理系统，选取磨机音量、功率信号、返砂水量、排矿水量作为控制变量；选取磨机装载量、磨矿浓度，分级机溢流浓度作为被控制变量，并引入滞后函数调节整个过程，检测球磨机的工作状态，不仅可以准确测量球磨机负荷、分析球磨机状况的变化，同时也使系统进行自诊断、自动校正，实现球磨机“胀肚”故障过程保护。-根据齿轮异常特征，分析探讨监测诊断方法，提出测量振动响应信号，提取特征参量，基于边频带理论，进行各种频域、倒频域定性分析、幅值解调分析和频率解调分析，对球磨机齿轮传动系统进行精密诊断。根据球磨机监测内容，提出球磨机检测诊断系统的构成，对球磨机过程控制系统、实时工况与状态识别系统、在线分析与故障诊断系统进行设计，利用所提出的系统结构框架及技术措旋对球磨机运行监测、故障诊断和生产过程控制进 行系统工艺设计。-