齿轮箱状态监测与故障诊断技术

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-- 1. 设备监测目的意义

保障设备安全，防止突发故障。

保障设备精度，提高产品质量和经济效益。

推进设计理念和维修制度的革新。

避免设备事故、人员伤亡、环境污染。维护社会稳定。

2. 故障分类

按故障对机械工作能力的影响分类：完全性故障 局部性故障

按故障发生速度及演变过程分类：突发性故障 渐进性故障

按其发生的原因分类：磨损性故障 错用性故障 先天性故障

按造成的后果分类：危害性故障 安全性故障

3. 故障规律

浴盆曲线：磨合期，正常使用期，耗损期

4. 故障发生的原因

宏观上分析1.设计错误2 原材料缺陷3 制造过程的缺陷4 运转缺陷

微观上分析：疲劳，磨损，断裂，腐蚀

5. 零件磨损的一般规律

磨合阶段，正常磨损阶段，急剧磨损阶段

6. 零件变形失效

塑性变形失效，弹性变形失效，蠕变变形失效，翘曲变形失效

7. 断裂失效

塑性断裂，脆性断裂

8. 状态监测与故障诊断的技术方法

1. 振动、噪声诊断技术2. 油液分析技术3. 温度检测技术4. 无损检测技术

9. 振动的危害

降低机器及仪表的精度,引起机械设备及土木结构的破坏

10. 机械振动的分类

按振动系统本身的特点分类: 离散系统 连续系统

按振动系统所受的激励类型分类: 自由振动 强迫振动 自激振动 参数振动

按系统的响应（振动规律）分类: 确定性振动 随机振动

按描述系统运动的微分方程分类:线性振动 非线性振动

11. 机械振动要研究的内容和步骤

1. 建立物理力学模型 2.建立数学模型 3.方程的求解 4.结果的阐述

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-- 12. 随机振动

非确定而又具有统计规律，它们的规律不能用时间的确定性函数来描述，但又具有一定的统计规律性。平稳随机过程与各态历经过程

13. 自相关函数

nkkkTxtxtxnttR11111)()(1),(lim

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1 风电齿轮箱的故障分析和维护

风力发电机组由叶片、增速齿轮箱、控制系统、发电机、塔架等组成。其中增速齿轮箱作为其传动系统起到动力传输的作用，使叶片的转速通过增速齿轮箱增速，使其转速达到发电机的额定转速，以供发电机能正常发电。因此增速齿轮箱设计及制造相当关键。同时风力发电机组增速齿轮箱由于其使用条件的限制，要求体积小，重量轻，性能优良，运行可靠，故障率低。

随着风电行业的发展，更多更大功率的机组投入商业化运营，因而其维修费用更高。虽然世界上著明的齿轮箱制造企业，如德国的Renk公司，Fland公司，Eickhoof公司以及一些中小企业在这方面都作了研究，并且有的企业也付出了很大的代价，但目前世界风电行业所用增速齿轮箱仍然事故较多。因此，采用先进技术，分析其失败的原因，总结和吸收以往开发其它项目齿轮箱成功的经验，研制高技术性能，高可靠性和良好的可维修性的增速齿轮箱是风力发电机组的关键技术保障。

一、 风电齿轮箱故障分析

（一）、齿轮传动的故障原因分析

齿轮传动是机械设备中设备中最为常用的传动方式之一。风电齿轮箱运行状态的正常与否直接关系到整台机组的工作状况。据有关资料统计，齿轮箱发生故障有40％的原因是由于设计、制造、装配及原材料等因素引起的，即是由制造单位设计制造引起的；另有43％的原因是由于用户维护不及时和操作不当引起的；还有17％的原因是由于相邻条件（如电机、联轴节等）的故障或缺陷引起的。当然，风电齿轮箱故障原因是否有这比例关系，还要经过统计得出。由此可见，为了确保风电齿轮箱安全、正常地运行，提高齿轮传动的可靠性，一方面需要改进设计、提高加工制造精度以及改善装配质量，另一方面则必须提高运行管理和维护水平，对齿轮传动装置进行状态监测和故障诊断。

(二).齿轮箱中主要故障及其原因分析

据统计,齿轮箱中其次是轴承，占20％；再者是轴，占10％。最后是箱体和紧固件。由此可见，在齿轮箱中齿轮本身的故障所占比重大。说明在齿轮传动系统中齿轮本身的制造、装配质量及其运行维护水平是关键问题。齿轮在机械加工273694922.doc

5第1

期

2022

年1

月机械设计与制造

Machinery Design &

Manufacture

LTSA和深度置信网络的行星齿轮箱故障诊断

王建国，刘冀韬

（内蒙古科技大学机械工程学院,内蒙古包头014000）

摘要:针对行星齿轮箱振动信号维度高，传统故障诊断方法识别精度低的问题,提出一种基于局部切空间排列算法(Lo­

cal Tangent Space Alignment, LTSA

) 和深度置信网络(Deep Belief Network, DBN

)的行星齿轮箱故障诊断方法。首先，利

用PCA算法预估高维数据的内在维度，确定目标数据的内在维数;其次，根据目标数据的内在维数结合LTSA算法对高维

数据集进行约简，并划分测试集和训练集;最后，利用训练集训练DBN模型参数,获得行星齿轮箱故障辨识模型，并将测

试集输入辨识模型实现行星齿轮箱故障辨识。实验结果表明，所提方法实现高维数据降维的同时，也提升了智能诊断模

型的分类精度。

关键词:行星齿轮箱;深度置信网络;局部切空间排列;状态辨识;故障诊断

中图分类号:TH16;TH132.425 文献标识码:A 文章编号:1001-3997(2022)01-0005-04

Planetary Gearbox Fault Diagnosis for LTSA and Deep Belief Network

WANG Jian-guo, LIU Ji-tao

(School of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Science & Technology,

Inner Mongolia Baotou 014000, China)

Abstract:

Aiming at the problem that the planetary gearbox vibration signal has high dimension and the traditionalfault diag­

２０１３年第４１卷第４期　石　油机械　ＣＨＩＮＡ　ＰＥＴＲ０ＬＥＵＭ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　一６３一　．．油气田开发工程　变载荷齿轮箱状态监测技术研究　冯桓楮　张来斌　梁　伟　卢文青　（中国石油大学（北京）机械与储运学院）　术　摘要：目前关于齿轮箱故障诊断的研究成果大都集中在固定载荷工况的齿轮箱故障诊断，与　实际生产中的齿轮使用情况大相径庭。为此，借鉴齿轮变工况研究思路，针对齿轮箱在变工况下　的信号特征，提出变载荷工况下的齿轮箱断齿故障诊断和状态监测技术思路。利用奇异值分解降　噪对齿轮箱振动信号进行预处理，选择啮合齿轮的倍频及其边频为特定频段，以无量纲的脉冲指　标和裕度指标作为评价指标，得到齿轮健康状态参数，实现了对齿轮箱的状态监测。最后利用模　拟齿轮故障试验台取得了２种转速变负载条件下的故障和正常的振动信号，对齿轮故障诊断和状　态监测方法进行了验证。　关键词：齿轮箱；故障诊断；状态监测；变载荷；健康指数；脉冲指标；裕度指标　中图分类号：ＴＥ９３３　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４５７８．２０１３．０４．０１５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｌｏａｄ　Ｇｅａｒ　Ｂｏｘ　Ｆｅｎｇ　Ｈｕａｎｚｈｉ　Ｚｈａｎｇ　Ｌａｉｂｉｎ　Ｌｉａｎｇ　Ｗｅｉ　Ｌｕ　Ｗｅｎｑｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｆｉｎｇ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ　ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ　ｇｅａｒ　ｂｏｘ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｆｏｃｕｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｅａｒ　ｂｏｘ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｗｉｔｈ　ｆｉｘｅｄ　ｌｏａｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｑｕｉｔｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ　ｔｅｃｈ－　ｎｏｌｏｇｉｃａｌ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｏｏｔｈ—ｂｒｏｋｅｎ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｂｏｘ　ｉｎ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｌｏａｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　ｇｅａｒ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｂｏｘ　ｉｎ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｉｎｇｕｌａｒ　ｖａｌｕｅ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅ—ｎｏｉｓｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ａ。　ｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ａ　ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｂｏｘ．Ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｓｈｉｎｇ　ｇｅａｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｉｄｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｗｅｒｅ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｂａｎｄｓ．Ｔｈｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ　ｉｍｐｕｌｓｅ　ｆａｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｃｌｅａｒａｎｃｅ　ｆａｃ－　ｔｏｒ　ｗｅｒｅ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘｅｓ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｈｅａｌｔｈ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎ—　ｄｉｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｂｏｘ　ｗａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｇｅａｒ　ｆａｕｌｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｂｅｎｃｈ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ．ｒｅｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ｎｏｒｍａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌｓ　ａｔ　ｔｗｏ　ｖａｒｙｉｎｇ　ｌｏａｄ　ｒｏｔａｔｉｏｎ　ｓｐｅｅｄｓ．Ｔｈｅ　ｇｅａｒ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｅｒｅ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｅａｒ　ｂｏｘ；ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｖａｒｉａｂｌｅ　ｌｏａｄ；ｈｅａｌｔｈ　ｉｎｄｅｘ；ｉｍｐｕｌｓｅ　ｆａｃｔｏｒ；　ｃｌ户ａｒａｎ　ｆａ　ｔｏｒ　Ｏ　士　丘　相比其他机械传动系统，齿轮传动系统结构紧　凑、减速比大、传动效率高，因而广泛应用于旋转　设备中，是多种机械设备的关键传动部件。齿轮传　动系统常在高速、重载等恶劣环境下长时间运转，　一旦出现故障，易造成连锁设备故障和重大经济损　基金项目：国家科技重大专项“３　５００　ｋＷ级天然气发动机驱压缩机组在注采交变工况下的可靠性评价技术研究”（２０１１ＺＸ０５０５５）　国家科技支撑计划“基于风险的特种设备事故预防关键技术研究”（２０１１ＢＡＫ０６ＢＯ１）；国家自然科学基金项目子任务“油气储运‘设备链　瞬态过程的耦变规律及其诊断法”（５１００５２４７）。