摘 要

研究回转轴系故障检测与诊断技术，对于保证机械设备平稳安全工作具有重要意义。在强噪声下运转，常导致振动信号的微弱故障特征被噪声掩盖，加上故障的复杂性，给回转轴系的故障诊断带来了很大的挑战。本文以回转轴系为研究对象，采用理论研究与实验研究相结合的方法，从系统的硬件选取到系统搭建，对系统进行了实验测试与验证，基本实现其功能。本文主要研究内容如下：

1. 阐述回转轴系故障检测与诊断技术课题的研究背景及目的意义，结合国内外现状分析其发展现状、趋势和诊断技术。
2. 根据研究的三类故障，阐述了所需传感器、常用诊断技术、常见失效形式及原因和故障形式的振动信号特征。
3. 搭建回转轴系实验系统，根据故障机理及特征，以LabVIEW编写其数据处理模块。
4. 开展故障诊断实验，处理数据并进行分析，后与实验室转子实验台内置诊断系统进行对比，验证本文的实验方案及搭建系统的准确有效性。

关键词：回转轴系；故障检测；诊断技术；振动信号

Abstract

It is of great significance to study the fault detection and diagnosis technology of the rotary shaft system and to ensure the safe and smooth operation of mechanical equipment. Working under big background noise, often causes the weak fault features of the vibration signal to be submerged by noise, combined with the complexity of the fault, it often brings great challenges to the fault diagnosis of the rotary shaft system. This article takes the rotary shaft as the research object, adopts the methods of theoretical research and experimental research, and selects the hardware from the system to the system construction. The system is tested and verified experimentally, and its function is basically realized. The main contents of this article are as follows:

1. Introduce the research background and significance of rotary shaft fault detection and diagnosis technology, and analyze the development status, trends and diagnostic technology based on the current situation at home and abroad.
2. According to the three types of failures studied, the characteristics of the required sensors, common diagnostic techniques, common failure modes and causes, and failure modes are described.
3. Set up a rotary shaft test system. According to the fault mechanism and characteristics, write its data processing module with LabVIEW.
4. Perform fault diagnosis test, process data and analyze it, and then compare it with the system of the rotor test bench to testify the effectiveness and accuracy of the experimental schemes and construction system.

Key Words: Rotary shaft system； Fault detection； Diagnostic techniques; Vibration signal

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外的研究现状分析 2

1.3 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案 2

第2章 回转轴系故障形式及分析 4

2.1 回转轴系基本组成及故障类型 4

2.1.1 回转轴系的基本组成 4

2.1.2 回转轴系的故障类型 5

2.2 齿轮故障 5

2.2.1 齿轮的常见失效形式及原因 5

2.2.2 齿轮的振动机理分析 6

2.2.3 减速器齿轮典型故障及其振动信号特征 7

2.3 滑动轴承故障 9

2.3.1滑动轴承的常见失效形式及原因 9

2.3.2 滑动轴承典型故障及其振动信号特征 9

2.4 联轴器不对中故障 11

2.4.1 联轴器不对中原因及分类 11

2.4.2 联轴器不对中振动信号特征 12

2.5 常用的诊断技术 13

2.5.1 轴心轨迹法 14

2.5.2 时域特征参数分析法 14

2.5.3 频域分析法 15

第3章 回转轴系故障检测系统设计 18

3.1 故障测试系统硬件搭建 18

3.1.1 数据采集系统 19

3.1.2 数据采集对象 25

3.2 故障测试系统软件设计 26

3.2.1 LabVIEW简介 26

3.2.2 NI-DAQmx简介 26

3.2.3 测试软件设计模块 26

第4章 回转轴系故障检测实验及分析 34

4.1 基本对照组 34

4.2 轴系不对中实验 36

4.2.1滑动轴承不对中实验 37

4.2.2联轴器不对中实验 39

4.3 紧固件松动实验 41

4.4油膜涡动、油膜振荡实验 45

第5章 总结与展望 50

参考文献 51

致 谢 52

第1章 绪论

工业中机械及其装备的更新与先进科学技术的“进化”，当前机械装备的结构日趋复杂化，功能的实现逐步完善，机械的自动化程度不断提升，对设备故障诊断的要求越来越迫切与科学化，旋转机械的正常平稳运行为国家带来了巨大的物质财富和社会效益^[1]。目前机械所处的工作环境不尽相同，难免受到诸多因素的干扰，机械设备在使用一段时间后，常会发生各种“失灵”现象，称之为故障。因此，设备的原有功能受到了不同程度的干扰，故障严重时，因疏忽大意可能还会引起伤亡等难以预料的灾难。此外，当机械设备发生故障或是影响到生产活动时，在维护机械、补偿生产活动、产品损失等方面，都将带来庞大的经济流失。1986年中国秦岭电厂5号机组事故造成的直接经济损失上亿元，日本、德国等国先后发生了多起因扭振而引起的轴系损伤事故，导致了重大的资本损失 ^[2]。综上，保障机械装备等的正常、安全工作状态，避免“失灵”现象的产生抑或是消除该现象是非常必要的，亟待解决。

1.1 目的及意义

研究回转轴系的故障检测与诊断技术的目的是：对回转轴系设备在工作时产生（或是即将产生）的各种“失灵”现象进行预测和确诊，通过一定的技术诊断方法分析出当前的故障模式，并对此类故障进行排查，检测出故障的来源、故障的具体发生原因、故障的产生位置以及提出解决回转轴系故障的适用方案，减少并预防故障的再次出现。如此，回转轴系的故障检测不仅能提高机械装置的使用寿命、工作稳定性，还能充分发挥该设备的使用价值、发扬宣传有效的诊断技术、改善故障检测手段，使检测诊断的速度与效果更优。

开展回转轴系的故障检测与诊断技术的意义是^[3]：使用科学的方法，对异常现象做出正确且合理的解释，同时将理论用于实践之中，验证相关的理论知识与已有的研究成果，带动并完善相关学科的研究、应用的发展。这一故障检测和诊断技术的研究在一定程度上，不但能预测检查回转轴系中存在的安全隐患，而且在允许的情况下，可以长时间保证回转轴系设备安全稳定的工作，由此可避免许多安全事故、人员伤亡、重大灾难，充分发挥轴系设备自身的使用价值，而且还节省了维护设备、由设备导致重大财产损失等经济方面的费用。不论是理论方面，或是实践方面，还是经济方面，回转轴系的故障检测与诊断技术这一课题的研究都是十分有益的。