第7章 總結和展望
7.1 總結
作者參加了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(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)研究’課題的部分研究工作，并有機會多次到現(xiàn)場對設備的故障振動情況進行測試分析和調研。本文從完善已有的齒輪減速機在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)設計方案、降低系統(tǒng)費用等一些問題出發(fā)，結合監(jiān)測對象設備特點、設備監(jiān)測和故障診斷原理及監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件等方面對大型齒輪減速機及其配套設備的在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)進行了研究：在吸取了國內外在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的優(yōu)點、結合設備實際工作情況的基礎上對已有的系統(tǒng)設計作了一些改進：該設計已通過八通道現(xiàn)場試驗，設計全部付之實施后可為齒輪減速機等設備的在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)及維修提供指導和幫助：
本文對帶有齒側間隙齒輪故障振動進行了研究。齒輪在傳動過程中，由于齒輪加工誤差和使用磨損及安裝等原因，齒輪齒側之間存在間隙。帶有齒側間隙的齒輪傳動系統(tǒng)成為非線性時變振動系統(tǒng)。本文通過建立齒輪振動微分方程，用變步長Runge-Kutta法求出了存在間隙齒輪振動的時程響應的數(shù)值解，并用FFT方法求出時程響應的幅值譜。研究結果表明：
(1)在齒輪工作轉速和載荷不變時,齒輪故障振動頻率對齒側間隙的變化較敏感。當齒側間隙增加到齒厚的一定倍數(shù)時,齒輪故障振動頻率不僅有嚙合頻率整數(shù)倍的成份，而且增加了分數(shù)倍諧波成份，即齒輪振動能量不僅分布在嚙合頻率的整數(shù)倍處，而且也分布在各個分數(shù)嚙合頻率處。當齒側間隙繼續(xù)增加時，這個分數(shù)值將減少。但當齒側間隙變?yōu)榱銜r，不管其工況怎么變化，齒輪故障振動頻率仍為嚙合頻率的整數(shù)倍。
(2）工作轉速對齒輪振動故障頻率也有影響，當轉速達到一定數(shù)值時，分數(shù)嚙合頻率出現(xiàn)，但分數(shù)嚙合頻率處的振動幅值很小，振動能量還是集中在嚙合頻率的整數(shù)倍處。當工作轉速升高時，齒輪故障振動分數(shù)頻率的分數(shù)值增加，所對應的幅值也增加。
(3）工作載荷幅值的變化對齒輪振動故障頻率也有影響。輕載時，齒輪故障振動頻率無分數(shù)成份；中載和重載時，齒輪故障振動既有嚙合頻率的亞諧，又有超諧成份，且載荷越大，各亞諧、超諧頻率處的振動幅值越大。以上幾點結論對齒輪的故障診斷和齒輪傳動系統(tǒng)動態(tài)設計有重要的意義。
齒輪減速機的故障與征兆之間的關系一般是十分復雜的，不能用一個確定的關系式來表示。本文通過研究大型旋轉機械（包括齒輪減速機）設備故障智能診斷方法，認為神經網絡模型由于不需要建立反映系統(tǒng)物理規(guī)律的數(shù)學模型和其極強的非線性能力、巨量并行性和故障診斷的可學習（訓練）性，使得它能較好地用于齒輪減速機的故障診斷和振動預報等。本文還研究了用改進的BP算法來提高網絡的訓練速度，結果表明該方法可提高網絡訓練速度70％。
振動趨勢預報是設備在線監(jiān)測和故障診斷要研究的另一方面問題。本文針對傳統(tǒng)的回歸分析預報精度低的特點，研究了用較簡單的AR（M）模型對平穩(wěn)時間序列進行建模和振動趨勢分析，并研究了用較實用的GM(1,l）模型及AR（M）組合模型和預報精度較高的神經網絡組合預報模型對非平穩(wěn)時間序列進行建模和振動趨勢分析，并結合實際例子，將以上預測模型用于預測，取得較好的預測效果。
本文針對齒輪減速機箱體結構的限制、加速度傳感器不能放在箱體的軸承座處、拾得的振動信號不能正確反映箱體內的傳動元件的振動信號的問題，提出了利用套在滾動軸承外圈上的套圈應力環(huán)來拾取箱體內的傳動元件的振動信號。研究結果標明：在齒輪傳動裝置的軸承外圈套圈上拾取的應變信號能直接全部反映齒輪傳動裝置內的軸系部件（或稱傳動零件）的故障振動信號，利用故障診斷特征參數(shù)-傳動零件的故障振動頻率成份和頻率處的功率對此信號進行分析，可對齒輪傳動裝置內的軸系部件進行正確的故障診斷。該方法有一定的新穎性和實用性。
本文還針對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測試和計算，造成有的頻率成份來歷不明，因而對準確地診斷旋轉機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)分析手段一雙時基技術對箱蓋進行了振動模態(tài)試驗研究。通過箱體的振動模態(tài)試驗研究，得到了箱體的固有振動頻率和振型。箱體的固有振動頻率的數(shù)據可以幫助準確地診斷旋轉機械故障，箱體的振型可幫助確定加速度傳感器安裝位置，也可評價和改進箱體的動態(tài)設計。
7.2 展望
1 本文在研究帶有齒側間隙齒輪傳動系統(tǒng)的振動問題時，為了研究問題的方便，忽略了傳動軸和支撐軸承的彈性以及滾動軸承的間隙，實際上傳動軸和支撐軸承都有一定的彈性，滾動軸承也存在間隙，其剛度也是時變和非線性的。因此對既考慮齒輪齒側間隙及嚙合沖擊，又考慮傳動軸和支撐軸承的彈性、滾動軸承的間隙和滾動軸承剛度的時變性和非線性的齒輪傳動系統(tǒng)進行力學模型、分析方法和振動特性的研究，將更好地揭示齒輪系統(tǒng)的振動特性和為正確的故障診斷提供理論基礎。
2 為了提高智能故障診斷的準確率，必須通過多種試驗工況的研究和現(xiàn)場故障維修經驗積累、統(tǒng)計來進一步完善故障訓練樣本。另外，除了振動診斷外，必要時應采用多種診斷手段，如鐵譜技術、聲發(fā)射技術和無損探傷技術等來聯(lián)合診斷，從而提高故障診斷正確率。
3 網絡化是今后在線監(jiān)測和故障診斷的發(fā)展方向，利用各種通訊手段將故障診斷系統(tǒng)與現(xiàn)場的數(shù)據采集系統(tǒng)結合起來，可實現(xiàn)遠距離的故障診斷和多專家會診，從而可減少設備診斷系統(tǒng)的投資，并可提高故障診斷準確率。
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