李俊开题报告修改版

学位论文题目 课 题 来 源 一、选题依据： 随着现代化大生产的发展和科学技术的进步,现代设备日趋大型化、复杂化、自动化和一体化。设备一旦发生故障,给生产质量以至人们的生命财产安全造成的影响往往大得难以估算。为使设备保持正常运行状态所花的维修费用在企业经营费用中也占了很大的比重。因此,保证设备的安全运行,消除事故,降低成本,是十分迫切的问题,设备故障诊断正是为了解决这一迫切问题而出现的。 设备故障诊断是识别机器或机组运行状态的科学,它研究的是机器或机组运行状态的变化在诊断信息中的反映,其研究内容包括对设备运行现状的识别诊断、对其运行过程的监测以及对其运行发展趋势的预测三个方面。 调心轴承目前正越来越多的应用于机械设备中。因为由于加工条件或使用条件等的限制，轴承孔中心与轴的中心同轴度较差，形成小的夹角。调心轴承可以“自动”调整、适应这个小的夹角、能够使轴承和轴正常运转。轴承的使用与我们的日常生活和工作息息相关，研究其在运转过程中出现的缺陷对于更好的了解和使用调心轴承具有现实意义。 滚动轴承是机械设备中的最常用的部件之一,它具有效率高、摩擦阻力小、装配较方便、润滑易实现等优点,因此在旋转机械上应用较为普遍,并且起着关键的作用,它的运行状态是否正常往往直接影响整台机器的性能(包括精度、可靠性及寿命等)。据统计,在旋转机械中由于滚动轴承损伤而引起的故障约占70%,例如电机故障中80%表现为电机轴承故障;另一方面,与别的机械零部件相比,滚动轴承有一个很大的特点,就是其寿命离散性很大,即用同样的材料,同样的加工工,同样的生产设备,同样的工人加工出一批轴承,其寿命相差很大。由于轴承的这一特点,在实际使用中就出现这样一种情况,其中一些可以大大超过设计寿命,若按计划进行更换,将造成巨大浪费,而另一部分还没有达到设计寿命就出现故障,导致整台设备的非计划停机,也将造成经济损失或严重事故,因此对滚动轴承的运行状态进行监测,及时发现故障隐患,具有十分重要的意义。在轴承诊断技术发展的过程中人们不断探索不同的手段以更好的完成故障诊断实验的目的,实验台正是为满足这一需求出现的。试验台可以提供人们方便的平台,而不再经常到工况的现场,降低了研究的经费,提高了实验的手段;而对于高校而言,平台的使用能够使学生对轴承故障有更好的认识,降低教学成本。滚动轴承故障诊断平台是随着故障诊断技术的发展而发展的,诊断技术的发展要

调心轴承声发射检测平台设计研究 科学研究 求平台技术不断发展,而平台的搭建不仅仅依托信号技术而使和模拟仿真技术相关联的。而现代信号处理技术与智能诊断技术的融合得到了广泛的应用,随着智能技术的不断发展,轴承状态检测及其故障的智能诊断,监视故障诊断技术的最终目标。 调心轴承是旋转机器中的易损零件,许多旋转机械的故障都与调心轴承的状态有关。因此,调心轴承诊断技术的研究近年来在国内外备受关注,并有了很快的发展。调心轴承试验台的出现使得滚动轴承的诊断研究不再受应用环境的制约,然而,现有的故障试验台功能性及扩展性都受到了限制,不能满足研究的需求。 声发射(Acoustic Emission简称AE)是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。金属材料在外部载荷下产生塑性变形(晶格滑移变形或孪生变形等)时会发生声反射；材料中裂纹的形成和扩展过程、不同相界面间发生断裂以及复合材料内部缺陷的形成也都成为声发射源。由声发射源发出弹性波经介质传播到被检测物体表面。经声发射传感器将检测到的声发射信号换成电信号再经过放大、相关处理、分析和研究，可推断出材料内部缺陷性质和状态变化。根据AE信号特征及其强度，不仅可以推知声发射源的目前状态，还可知道故障形成的历程，并预测其发展趋势。 自 20 世纪 50 年代德国学者Kaiser 首先研究声发射现象以来，声发射技术已经有了很大的发展，其技术不仅在仪器、应用领域方面有所发展，而且由此产生的方法在生产现场不断尝试并不断拓展，如石油化工、航天航空、金属加工、材料试验、民用工程、交通运输、电力工业等。声发射技术有其特殊的特点。（1）声发射是一种动态的检测方法，探测到的能量来源自被测物体本身。（2）声发射对线性缺陷比较敏感，能够探测到外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号。（3）在一次试验过程中，声发射检测能够整体探测和评价整个结构中活性缺陷的存在。（4）可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实 时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。（5）由于对被检件的接近要求不高，而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境。（6）对于在用设备的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产。（7）对于设备的加载试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作载荷。（8）由于对构件的几何形状不敏感，而适用于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。 本课题就是根据调心轴承检测技术发展的需求，结合声发射检测的特点，建立调心轴承声发射检测平台，获得调心轴承的声发射信号，并运用参数分析法分析调心轴承声发射信号进行分析。 将声发射信号的处理及应用有效结合到目前调心轴承故障诊断技术中，发展更优良的轴承检测技术具有巨大的现实意义。 二、文献综述： 滚动轴承的故障诊断在国外大概始于20世纪60年代。在其后几十年的发展时间里,各种方法与技巧不断产生、发展和完善,应用的领域不断扩大,诊断的有效性不断提高。总的来说,滚动轴承故障诊断的发展经历了以下几个阶段 第一阶段:利用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。20世纪60年代中期,由于快速傅利叶变换(FFT)技术的出现和发展,振动信号的频谱分析得到了很大的发展。人们根据对滚动轴承元件有损伤时产生的振动信号特征频率的计算和采用频谱分析仪实际分析得到的结果进行比较来判断滚动轴承是否有故障。 第二阶段:利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。在20世纪60年代末期,首先由瑞典 SPM仪器公司开发出冲击脉冲计,根据冲击脉冲的最大幅值来诊断轴承故障。这种方法能比较有效的监测到轴承的早期损伤类故障。 第三阶段:利用共振解调技术诊断轴承故障。1974年,美国波音公司的D.R.H洲ng 故障状况评价决策故障诊信号提信号测取取断发明了一项叫做“共振解调分析系统”的专利。共振解调技术与冲击脉冲技术相比,对轴承早期损伤类故障更有效。共振解调技术不但能诊断出轴承是否有故障,而且可以判断出故障发生在那个轴承元件上以及故障发生的大致严重程度。 第四阶段:开发以微机为中心的滚动轴承监视与故障诊断系统。20世纪%年代以 来,随着微机技术迅猛发展,开发以微机为中心的滚动轴承故障诊断系统引起了国内外研究者的重视。微机信号分析和故障诊断系统不但具有灵活性高,适应性强,易于维护和升级的特点,而且易于推广和应用。随着信号检测技术、计算机技术、数字信号处理技术、人工智能技术的迅速发展,轴承故障诊断已成为融合学科。 支承机器旋转的轴的滚动轴承, 是最重要的机械零件之一。滚动轴承由内环、外环、保持架及多个滚子组成。在铁道车辆上, 滚动轴承用来支承车轴和主电动机、走行机构及其它部件。铁道车辆上的滚动轴承, 其座圈表面常常发生压坑或电蚀坑等破损。压坑是由外部碎石颗粒硬挤入轴承所造成的, 电蚀坑则是由电流流经轴承而形成的。在车辆定期大修时发现轴承破损才更换。如果不对车辆进行大修即能检测出滚动轴承座圈的表面破损, 那将是非常有益和节省劳动力的。完好的和破损的滚动轴承在旋转时均会振动。对座圈表面有破损的滚动轴承的振动测定已经进行 了大量的研究。研究表明, 这种测定方法对诊断破损是有用的。假设完好的和破损的滚动轴承在运行中有声发射的话, 那么测定滚动轴承的声发射( AE) 对诊断破损也同样有用。然而, 对座圈表面破损的滚动轴承的 AE 测定尚未进行充分的研究。而对轴承缺陷的诊断技术而言，目前，国内学者将声发射技术应用于滚动轴承故障诊断技术的研究已经取得了一定的成效，但声发射信号的处理和分析方法主要是采用传统的参数分析方法，还没有形成一套完整的滚动轴承声发射故障诊断理论系统。更没有建立一种调心轴承的声发射检测平台。总的来说，国内学者对声发射技术产生的原理研究比较少，对于调心轴承的检测技术中声发射技术的应用更是很少。建立调心轴承的声发射检测平台，可对调心轴承的声发射检测信号就行分析研究。 三、研究内容： 1.课题研究内容 滚动轴承故障诊断平台是随着故障诊断技术的发展而发展的,诊断技术的发展要求平台技术不断发展,而平台的搭建不仅仅依托于机械系统。而现代信号处理技术与智能诊断技术的融合得到了广泛的应用,随着智能技术的不断发展,轴承状态检测及其故障的智能诊断,监视故障诊断技术的最终目标。声发射信号表示一个或多个声发射事件经过传感器接收并经过系统处理后以某种形式出现的电信号。根据声发射信号的特点，可以将声发射信号分成突发型和和连续型两种。突发型信号，指的是时域上可以分离的波形。实际上所有声发射过程，均经过突发过程。当声发射频度高达时域上不可分离的程度时，就以连续型信号显示出来。实际检测过程中，也会出现由突发信号和连续信号相互组成的混合型信号。对于不同类型的声发射信号，需要采用不同的信号处理方法。早期的通用系统，多以突发型信号检测为主，而在专用的声发射检测系统当中具有连续型声发射信号检测功能。本次实验所采用的声发射检测系统可以同时采集这两种类型的信号。因为材料界面形成的传感衰减、折射影响等，以及摩擦信号、机械噪声、电磁噪声、环境噪声等共同叠加在检测信号中，这就需要从检测得到的信号中将真正有用的表征不同类型缺陷的声发射信号提取出来。 本次研究的主要研究内容是调心轴承声发射检测试验平台的建立和相应声发射信号采集和分析。总体分为三部分: 1、实验平台机械系统的搭建; 2、声发射信号检测系统的建立; 3、声发射信号处理分析。 三部分相辅相成,协调配合来完成信号采集与分析任务。机械平台主要是用来模拟调心轴承运行状态，运用调频电动机使待测轴承在不同频率下转到以模拟工作时的情况。 声发射(AE)技术的核心问题是由接收的信号反推到声发射源的问题，即所谓的“反向源”或“逆源”问题。声发射信号处理的最终目的是得到对声发射源的描述，其主要内容是源的位置、源的性质和源的严重性程度。通过直接分析识别声发射信号来确定声发射源的性质，是目前声发射检测中最难解决的问题，也是研究热点。 影响声发射信号定位源精度的因素，引起突发型声发射信号定位源误差的原因有两大类，即信号处理过程产生的误差和自然现象产生的误差。处理过程误差可以通过凋整探头的数量和间距，采用合适的时钟频率以及用三个以上的通道判断定位源的位置等来进行控制，但诸如波的衰减、波型转换、反射、折射和色散等自然现象引起的误差是不可控制的。总之，由单一源产生的声发射信号逐次计算得到的定位源不是一个单一的点，而是围绕真实源部位的一个定位集团，这一定位集团的大小和集中度依赖于定位源在探头阵列中的位置以及以上提到的所有影响因素。下面分别对一些主要影响因素加以介绍：不唯一解，图形畸变，弱声发射源，探头位置，波速，时差测量。 声发射信号处理分析是实现声发射源定性识别、定位判断和定量评价。AE信号处理面临的最大难题，首先是AE源的多样性、信号本身的突发性和不确定性。不同的AE源机制，可以产生完全不同的AE信号。其次，AE信号传输途径的影响。AE传感器所获得的信号至少是声源、传输介质、耦合介质和换能器响应等因素的综合结果。声发射信号在材料或结构中经多次反射、衰减以及波形转换后，其波形将发生很大畸变。声源发出的声波可以经多种路径到达传感器，因此，所探测到的声信号波形是不同路径到达传感器声波的叠加，使信号趋于复杂。此外，由于传感器本身的“振铃”效应，从而导致输出信号更加复杂。 2.拟采取的实验方案 本次实验先将建立调心轴承的实验平台，在利用该平台对调心轴承的声发射信号进行检测和分析，再将人工预制缺陷的调心轴承安装在调心轴承声发射检测平台上对其声发射信号进行分析并对缺陷轴承和正常轴承的声发射信号进行对比。 拟将可调范围在200-3000r/min调频电动机安装在实验平台上，通过联轴器将其输出轴与实验轴相连，有轴承座将其固定到实验平台上，在用联轴器连接电动机的输出轴和实验轴时要保证良好的对中性，以免由于对中好造成震动影响实验平台的用作。在轴的另一端用另一个轴承座固定实验轴承，实验轴承的一端用轴肩固定，另一端用轴端螺母固定。在实验轴承的轴承座下用千斤顶给实验轴承添加一个径向载荷以模拟轴承的实际使用情况。在实验轴承的上方安装声发射检测装置用于检测调心轴承的声发射信号。 将检测到的调心轴承声发射进行分析并与调心轴承的参数进行比较，建立调心轴承声发射信号与调心轴承参数之间的关系，实验时应多设计几组转速，载荷不同的情况，将不同情况测得数据进行比较分析，模拟出各种工况情况对调心轴声发射信号的影响，并与调心轴承的参数进行对照分析。 在分析了正常的调心轴承的声发射信号之后可预制不同缺陷的调心轴承，将其安装到调心轴承声发射检测平台上进行检测分析，并在多种转速，多种载荷情况下进行试验，将获得的数据进行分析之后与正常轴承的声发射信号进行对比。 调心轴承加工的缺陷类型和缺陷尺寸 缺陷的类型 点缺陷 点缺陷 直线缺陷 直线缺陷 最终将上述实验的结果进行对比分析汇总成表，对照观察各种情况所得结果，并对实验过程中出现的问题进行汇总，该进调心轴承的实验平台使其满足多种实验条件和实验情况的要求，并提高其实验精度。 缺陷的尺寸(WxL)mm2 0．65×0．65 0．85×0．85 1．00×2．00 2．OO×2．OO 四、主要参考文献 [1] 闻邦椿.机械设计手册[M].第5版、北京：机械工业出版社，2010. [2] 梁志民,强建国等.机械设计基础[M].第二版、兰州：兰州大学出版社,2004. [3]Grabec I，Sachse W. Application of an intelligent signal processing system to AE analysis [J]. Journal of Acoustical Society of America，1989，85（3）：1226 -1235. [4] 强建国,马晓,郑海霞,傅顶云.机械设计机械设计基础课程设计[M].西安：西安交通大学出版社，2007. [5]Sachse W，Grabec I. InteIIigent processing of acoustic emission signaIs [J]. JournaI of MateriaIs EvaIuation，1992，50（7）：826 - 854. [6] 梁鹏鹏.滚动轴承故障诊断试验样机的开发[D].北京：北方工业大学，2005. [7] 刘江.波箔动压空气径向轴承实验台设计[J].润滑与密封,2012,37 (3)：117-119. [8] 张晓鸽.基于振动信号分析的滚动轴承故障诊断仪的设计与实现[D].重庆：重庆大学，2013. [9]Miller Ronnie K, Mclntire Paul.Nondestructive Testing Handbook(Vol.5)Acoustic Emission Testing. Second edition 1987. [10]B.K.AIPERT.A Class of Bases in L2 for the Sparse Representation of Integral Operators SIANIJ[J].Math.Anal.1993,24(1):246-262. [11]沈功田，耿荣生，刘时风.声发射源定位技术[J].无损检测，2002,24（3）：114-117. [12] 刘洪志. 滚动轴承疲劳破坏机理和疲劳寿命模型综述. 装备制造技术. 课程学习情况 已修课程学分 待修课程学分 导 师 意 见 签名： 年 月 日 开 题 答 辩 成 绩 及 学 院 意 见 备 注