齿轮箱故障识别系统的研究与应用

３．３ 信 号 频 域 分 析 滚 动 轴 承 元 件 出 现 局 部 损 伤 时 ，机 器 在 运 行 中 就 会
产 生 相 应 的 振 动 频 率 ，即 故 障 特 征 频 率 。 结 合 故 障 频 率
和频谱图可 以 很 方 便 的 识 别 故 障 发 生 的 位 置 和 类 型。
其中故障频率计算方法如下，ｆｒ 为轴的旋转频率。 滚动体在内圈上的通过频率：
２０１２ 年 １ 月 １５ 日 第 ３５ 卷 第 ２ 期
现代电子技术
Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｊａｎ．２０１２ Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．２
齿轮箱故障识别系统的研究与应用
严 保 康 ，周 凤 星
（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉 ４３００８１）
摘 要：基于 ＬａｂＶＩＥＷ 软件的同步齿轮箱故障监测平台由采集振动信号的信号采集系统、对采集信号 滤 波 的 信 号 调 理 系统，以及控制信号采集和程序运行的上位机系统组成。其中，程序采用最 为 实 用 和 方 便 的 状 态 机 结 构 ，首 先 对 信 号 进 行 无 量纲时域分析，再与正常值比较，初步 判 断 出 可 能 存 在 的 故 障。 针 对 齿 轮 故 障 和 轴 故 障 中 的 信 号 特 点 进 行 频 域 分 析；利 用 ＬａｂＶＩＥＷ 强大的信号处理功能分别对信号作功率谱分析、倒 谱 分 析、Ｈｉｌｂｅｒｔ包 络 分 析。分 析 结 果 证 明，该 监 测 平 台 能 准 确 识 别 故 障 类 型 。 投 入 使 用 证 明 ，该 系 统 对 齿 轮 箱 的 正 常 运 行 、故 障 识 别 和 寿 命 延 长 有 明 显 的 效 果 。
感 性 ，但 稳 定 性 不 好 。 如 图 ４ 所 示 是 无 量 纲 幅 域 参 数 算
法程序。
图３ ＬａｂＶＩＥＷ 与数据库连接程序
３ 振 动 信 号 分 析 及 故 障 识 别
３．１ 齿 轮 箱 故 障 时 振 动 信 号 的 特 征 （１）信号是 稳 态 的。 信 号 仅 仅 是 幅 值 的 变 化 和 振
动 能 量 的 变 化 ，主 要 针 对 齿 轮 均 匀 磨 损 的 情 况 。 （２）信号是 周 期 平 稳 的。 出 现 有 规 律 的 冲 击 或 调
制现象，主要针对齿 轮 的 点 蚀、疲 劳 剥 落、齿 形 误 差、安 装 误 差 、轴 弯 曲 、不 平 衡 、不 对 中 、滚 动 轴 承 剥 落 等 情 况 。
平 均 值 、最 大 值 、方 根 幅 值 、峭 度 ［３］。
这些参数中，脉冲 指 标、裕 度 指 标 和 峭 度 指 标 对 于
冲击脉冲类故障比较 敏 感，特 别 是 当 故 障 早 期 发 生 时，
他们有明显增加；但上 升 到 一 定 程 度 后，随 故 障 的 逐 渐
发展，反而会下降，这 表 明 它 们 对 早 期 故 障 有 较 好 的 敏
关 键 词 ：同 步 齿 轮 箱 ；ＬａｂＶＩＥＷ；状 态 检 测 ；故 障 识 别 ；频 谱 分 析 中 图 分 类 号 ：ＴＮ９１１－３４；ＴＰ２７７；ＴＨ１３２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００４－３７３Ｘ（２０１２）０２－００７７－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｇｅａｒｂｏｘ
图 ４ 无 量 纲 幅 域 参 数 算 法 程 序
为 方 便 及 时 发 现 故 障 所 在 部 位 ，给 每 个 测 点 设 置 了 正常运行时 的 解 调 峰 值 和 均 方 根 值，当 出 现 高 于 它 们 ２倍值 时，则 自 动 报 警，再 根 据 频 域 分 析 能 进 一 步 确 定 故障的类型。
波形指标：
Ｓｆ ＝ ＸＲＭＳ／｜Ｘ｜ 峰值指标：
（１）
脉冲指标：
Ｃｆ ＝ Ｘｍａｘ／Ｘｒｍｓ
（２）
Ｉｆ ＝ Ｘｍａｘ／｜Ｘ｜ 裕度指标：
（３）
峭度指标：
ＣＬｆ ＝ Ｘｍａｘ／Ｘｒ
（４）
Ｋｖ ＝β／Ｘ４ｒｍｓ
（５）
式 中 ：ＸＲＭＳ，｜Ｘ｜，Ｘｍａｘ，Ｘｒ，β 分 别 为 振 动 有 效 值 、绝 对
虚拟仪器是 美 国 国 家 仪 器 公 司 （ＮＩ）在 １９８６ 年 提 出 的 ，其 特 点 是 经 济 、灵 活 ，并 且 方 便 维 护 和 扩 展 。 本 文 构建的基于 ＬａｂＶＩＥＷ 的 齿 轮 箱 故 障 识 别 系 统 通 过 对 齿 轮 箱 振 动 信 号 的 采 集 和 存 储 ，并 且 从 时 域 和 频 域 出 发 对信号进行分析，可以 全 面 检 测 和 识 别 故 障 信 号，实 现 对齿轮箱的智能故障诊断。
该系统通过监测齿轮箱的振动信号来判断运行状 态 ，信 号 经 过 信 号 调 理 箱 进 行 滤 波 、放 大 后 ，再 通 过 数 据 采 集 卡 将 模 拟 信 号 转 换 成 数 字 信 号 上 传 给 上 位 机 ，由 上 位 机 的 故 障 诊 断 系 统 对 其 做 各 种 综 合 分 析 ，如 时 域 无 量 纲 参 数 分 析 、率 谱 分 析 、倒 谱 分 析 等 ，最 终 识 别 故 障 或 故 障隐患。
２．１ 数 据 采 集 系统采用的加速度传感器量程为（－５０～ ＋５０）ｇ，
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现代电子技术
２０１２ 年 第 ３５ 卷
频率范围为１．２～４ ０００ Ｈｚ。 传 感 器 有 磁 性 底 座，能 牢 固 吸 附 在 被 测 体 上 ，能 有 效 减 少 系 统 误 差 。 数 据 采 集 选 用 ＰＣＩ－６２２０ 数 据 采 集 卡，其 性 能 参 数 为：１６ 路 模 拟 输 入、１６位分辨率、２５０ ＫＳ／ｓ的采样速率、２４ 路数字Ｉ／Ｏ 和２ 个 ３２ 位 ８０ ＭＨｚ计 数 器／定 时 器。 通 过 这 个 数 据 采集卡，每次可以测量 ４ 种 类 型 的 振 动 信 号，其 程 序 如 图 ２所 示 。
（ ） ｆｂｉ ＝ １２ｚ １＋Ｄｄｃｏｓα ｆｒ
滚动体在外圈上的通过频率：
（６）
（ ） ｆｂｃ ＝ １２ｚ １－Ｄｄｃｏｓα ｆｒ
（７）
滚动体的旋转频率：
［ （ ） ］ ｆｂ
＝
１ ２
Ｄ ｄ
１ ｃｏｓα
１－
ｄ Ｄ
２
ｃｏｓ２α ｆｒ
（８）
由 于 轴 承 发 生 故 障 ｔ包 络 分 析 包络分析对初期故障和信噪比低的故障信号具有
很强的识别能力。因为设备的损伤性故障信号往往会
图 ２ 数 据 采 集 程 序
２．２ 数 据 存 储 在 故 障 监 测 系 统 中 ，需 要 对 实 时 采 集 的 数 据 进 行 显
示和查询操作，这就 不 可 避 免 地 需 要 对 数 据 进 行 存 储， 系统采用的 是 与 ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ ２０００ 数 据 库 建 立 连 接 并 访问。图 ３ 所 示 为 ＬａｂＶＩＥＷ 与 数 据 库 连 接 的 程 序 实现。
第２期
严 保 康 等 ：齿 轮 箱 故 障 识 别 系 统 的 研 究 与 应 用
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幅 值 变 大 ，于 是 可 以 通 过 判 断 故 障 频 率 附 近 是 否 存 在 幅 值变化进而判断故障发生的位置。如图５所示为轴承 故障识别程序框图。
图 ５ 轴 承 故 障 识 别 程 序 框 图
以 上 信 号 处 理 可 以 大 致 的 判 断 出 故 障 的 部 位 ，但 是 对 有 些 类 似 故 障 的 识 别 能 力 不 是 很 强 ，需 要 进 一 步 进 行 各种频谱分析来确定故障的类型。该系统采用 的 是 Ｈｉｌｂｅｒｔ包络分析、功 率 谱 分 析 和 倒 频 谱 分 析 ３ 种 分 析 方法。
同步齿轮箱 监 测 系 统 分 为 ３ 个 模 块：信 号 调 理 模 块 、信 号 采 集 模 块 和 故 障 诊 断 系 统 模 块 。 系 统 结 构 图 如 图１所示。
图 １ 系 统 结 构 图
２ 数 据 采 集 与 存 储
收 稿 日 期 ：２０１１－０８－２６ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （６０８７４１０９）
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｙｎｃｈｒｏｍｅｓｈ ｇｅａｒｂｏｘ；ＬａｂＶＩＥＷ；ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｆａｕｌｔ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ
０ 引 言
１ 监 测 系 统 基 本 组 成 原 理
高速线材轧机同步齿轮箱是线材生产线的常用传 动 部 件 ，齿 轮 箱 的 运 行 是 否 正 常 对 整 条 生 产 线 有 较 大 的 影 响 。 这 就 需 要 对 齿 轮 箱 的 运 行 状 态 实 时 监 测 ，进 行 故 障诊断，提高齿轮箱 运 行 的 可 靠 性 和 运 行 的 维 护 水 平。 由于大多数设备和构件自身的运动或受到外界的干扰， 都 会 产 生 机 械 振 动 。 因 此 ，根 据 机 械 的 振 动 情 况 可 以 判 断设备和构件的运行状态 。 ［１］
（３）信号是 非 周 期 性 的。 信 号 中 出 现 无 规 律 的 冲 击或调制现象。主要针对齿轮或轴承出现严重故障的 情 况 。 ［２］ ３．２ 信 号 无 量 纲 幅 域 分 析
无量纲幅域参数 主 要 有 波 形 指 标、峰 值 指 标、脉 冲 指 标 、裕 度 指 标 和 峭 度 指 标 。 这 些 参 数 对 信 号 的 幅 值 和 频率变化的影响不敏 感，即 和 设 备 工 作 条 件 关 系 不 大， 但对故障变化却相当敏感。相应的计算方法如下所示：
ＹＡＮ Ｂａｏ－ｋａｎｇ，ＺＨＯＵ Ｆｅｎｇ－ｘｉｎｇ
（Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｍｏｄｕｌｅｓ：ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓ－ ｔｅｍ ｆｏｒ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｇｒａｍ ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ ｇｒｏｕｐ ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｆｏｒ ｓｉｇｎａｌｓ，ｔｈｅ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｊｕｄｇｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｆａｕｌｔｓ ｉｓ ｇｏｔ ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｎｏｒｍａｌ ｖａｌｕｅ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｇｅａｒ ｆａｕｌｔ ａｎｄ ａｘｉｓ ｆａｕｌｔ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｃｅｐｓ－ ｔｒｕｍ ａｎｄ Ｈｉｌｂｅｒｔ ｅｎｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｅｓ ｆｏｒ ｓｉｇｎａｌｓ ａｒｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ＬａｂＶＩＥＷ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｔｙｐｅ ｏｆ ａ ｆａｕｌｔ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｉｎ ｇｅａｒｂｏｘ＇ｓ ｎｏｒｍａｌ ｏｐ－ ｅｒａｔｉｏｎ，ｆａｕｌｔ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｆｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ．