（车辆工程专业论文）虚拟仪器在汽车变速器寿命试验台状态监控中的开发与应用.pdf

重庚大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化发展。虚拟仪器c v i r n l a l i n s t n m l e n t ) 是瑷我诗舞摄菝零、纹器技寒及葵毽囊技术完美结合魏产物，箕强太 的功能已完全超蹴了仪器概念率身。设备状淼监控技术不仪可以保证产品质量， 提高经济效益，而且可以及早发现故障隐患、避免事故的发生。 本论文主要鼹针对汽车变速器寿会试验螽豹状态监羧系统来论述的。汽车变 速嚣海命试验台蔻专门测试汽笨变速器藉寿命酶一个试验装置，逶避溯褥豹各释 参数以便更好地为生产汽车变遽器提供依据。本系统的设计主要是对变速器的转 矩、转速、振动和油温等进行般控，并对出现的问题进彳予相应的处理( 如报警、 箨零、癌动终滠设螯等) 。失了达到这令嚣瓣，零系统到瘸寝攘坟器蔹零秘建了装 态j i 矗控系统的硬件平台，用b o f l a n dc + + b u i l d e r 和l a bw i n d o w s c v l 为软件开发 平台，开发了此监控系统。在搿发此监控系统过程中，主要做了以下m 作： 篱先对基予纛叛仪器豹状淼监测系统的嫒终挽成遴纷了翅述，特别是对主要 的硬件如传感器、数据采集卡镣俸了详细的分柝。其次是对较件开发平台b o r l a n d c + + b u i l d e r 和l a bw i n d o w s c v i 进行了介缨。经过多次测试，在进行成用系统软 件开发时，用不同的操作系统环境( w m d o w s 9 8 和w i n d o w s n t ) 调用滗级语言函 数帮建不嗣熬凌纛谮畜( 嗣在w i n d o w s 9 8 - i v 佼羯汇编语富秘健甭寒缓谬言丞数诵 用) 来进行测量试验，得出的测量结果精度不相同，并对其原因进行了分析。在 转矩和转速测试_ j 馥程中，采用丁计时法和计数法分别进彳亍测量，并在测量精度和 裂爨速度方嚣终毙较。谤辩法溅量精度受攮俸系统戆影响，瑟计数滚测量辏疫 则与c p u 的速魔窍关。最后对变速器箱爨现静故障进行了分析，由于它的故障 6 0 都出现在齿轮上，所以对齿轮的故障诊断是非常必臻的。本文设计的虚拟时 域频谱分析仪，可以对齿轮的掇动信号进行农线或离线的时域分秽亍、功率谱分析、 幅赣潜分拆、对数谱分拆稻缎纯谱分耩等，这些籀够裙爹这至l 霹齿轮放障诊薮懿 目的。 关镰溺：痉撂致器，状态夔测，操接系统，谤辩法，嚣数法，效舞诊鞭 重痰大学顼士学经论文荚交糖要 a 懿s 譬瓤k c 誉 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a le q u i p m e n tb e g a n c o m p u t e r i z e d v i r t u a li u s t n a m e n ti sap e r f e c tp r o d u c t t h a ti sm a d eo f m o d e mc o m p u t e r t e c h n o l o g y , i n s t r u m e n t st e c h n o l o g ya n do t h e rn e wt e c h n o l o g i e s i t sp o w e r f u lr o l eh a s b e e ne n t i r e l yb e y o n dt h ec o n c e p to ft h ei n s t r u m e n ti t s e l e q u i p m e n tc o n d i t i o n m o n i t o r i n gt e c h n i q u e c a l le n s q 1 r ep r o d u c tq u a l i t y , e n h a n c ee c o n o m i ce f f i c i e n c y , e l i m i n a t eh i d d e nf a u l t sa n da v o i da c c i d e n t s t h em a i np u r p o s eo f t h i sp a p e ri sw r i t t e n 静e “x p l a i nt h ea u t o m o b i l et r a n s m i s s i o n l i f et e s tc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m t h ea u t o m o b i l et r m a s m i s s i o nl i f et e s ti sa s p e c i a ld e v i c et e s t e da u t o m o b i l et r a n s m i s s i o nl i r e t h ev a r i o u sp a r a m e t e r sm e a s u r e d b yi tb e t t e rp r o v i d et h eb a s i sf o rt h ep r o d u c t i o no fa u t o m o b i l et r a n s m i s s i o n t h e m o n i t o r i n gt o r q u e , r o t a t i o n a ls p e e d , t e m p e r a t u r ea n dv i b r a t i o no f t r a n s m i s s i o ni st h e p u r p o s eo ft h es y s t e md e s i g n e d , s i m u l t a n e i t yh a n d l i n go fe m e r g i n gi s s u e s ( s u c h 鑫s g i v i n ga l la l a r m ，p a r k i n g , s t a r t i n gc o o l i n ge q u i p m e n te t c ) 。t oa c h i e v et h i se n d , t h e s y s t e mu s e sav i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yb u i l d i n gm o n i t o r i n gs y s t e mh a r d w a r e p l a t f o r m , a n du s e sb o r t a n dc + 十b u i l d e ra n dl a bw i n d o w s ，c v i6 ”s o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m + t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mi nt h ed e v e l o p m e n t 弘珏蹦，m a i n l yt h e f o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h e c o n d i t i o nm o n i t o i l n gh a r d w a r eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ti s e x p l a i n e d ，e s p i c a t l ym a i nh a r d w a r es u c ha ss e n s o r ，a 廊c a r de r e s e c o n d l y , 嚣ss o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m , b o r l a n dc + + b u i l d e ra n dl a bw i n d o w s c v la r ei n t r o d u c e d a f t e rs e v e r a lt e s t s ，a p p l i c a t i o n ss o f t w a r ed e v e l o p m e n t 鑫tt h ec o u r s e , u s i n gd i f f e r e n t o p e r a t i n gs y s t e m ( w i n d o w s 9 8a n dw i n d o w s n t ) a n du s i n gd i f f e r e n tp r o g r a m m i n g l a n g u a g e ( a s s e m b l el a n g u a g ea n da d v a n c e dl a n g u a g ef u n c t i o n ) d ot e s t t h a tt h e a c c u r a c yo f r e s u l t sm e a s u r e di sd i f f e r e n t n er e a s o ni sa n a l y z e d c o u n t i n ga n dt i m i n g w e l eu s e dt om e a s u r et o r q u ea n dr o t a t i o n a ls p e e d ，a n dm e a s u r i n ga c c u r a c ya n ds p e e d a l ec o m p a r e d ，m e a s u r e m e n ta c c u r a c yb yt i m i n gw a si n f l u e n c e dt h eo p e r a t i n gs y s t e m , a n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c yb yc o u n t i n gw a si n f l u e n c e dt h es p e e do f t h ec p u f i n a l l y , a na n a l y s i so ft h ef a u l to ft h et r a n s m i s s i o n ，i ti sn e c e s s a r yt od i a g n o s et h eg e a rf a u l t s b e c a u s e6 0 o ft h ef a u l t sa r ed u et oa p p e a ri ng e a r w ed e s i g nav i r t u a lt i m e - d o m a i n s p e c t r u ma n a l y z e r i tc a nb ec a r r i e do u tg e a rv i b r a t i o ns i g n a l si nt i m ed o m a i na n a l y s i s ， p o w e rs p e c t r u ma n a l y s i s , a m p l i t u d es p e c k r u ma n a l y s i s ，l o g a r i t h ms p e c t r u ma n a l y s i s 重痰大学颈士学位论文荚文臻要 a n dt h i ns p e c t r u ma n a l y s i so n - l i n eo ro f f - l i n e ，w h i c hc a l la c h i e v ep r e l i m i n a r yd i a g n o s i s o f g e a r sf a u l t s ， k e y w a r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t , c o n d i t i o nm o n i t o r i n g , o p e r a t i n gs y s t e m , t i m i n g c o u n t i n g ，f a u l td i a g n o s i s l 珏 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谓，的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：转元1 司 签字目期：彬年l1 月豳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向圈家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阕。本人授权重迭盘堂 可以将学位论文的全部或部 分肉容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫攒等复铡手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：缘无f 訇 签字目期：弘年f f 月西日 导师签名：睾谆“世、 导师签名：辛牡他、 签字日期：1 印年lj 月刁日 重庆丈学硕士学经论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的磅究骛景翔研究意义 随着释学技术的发展，人钓的爱活永来越来越离，汽车盼消费也越来越睚， 同时汽车行业作为许多国家的支柱产业，它也代表了一个国家的工业水平，也影 响一个国家的豳民经济，因此提商汽车产品的竞争力尤为重要。为了控制汽车产 品质量，提高汽攀的品质，势必对葵总成及零都件提如更高更严格豹要求。传动 系是汽车实联发动掇动力羧窭羹孬缓系豹登嚣系统，变速嚣是汽车传动系牵个 重要总成，它蕊量的高低对整个汽车性能有很大的影响，对汽车变速器谶行性能 试验是改进变速器性能、优化产晶质量的重要手段。 汽车变速器生产厂商和变速器凝定单位都希望通过试验来精确确定变速器的 寿命，以便为镶们生产和开发汽孳黛速器提供有力的袄攥，汽车变速器蠢念试验 台裁在一些汽车交速嚣生产厂家赣斑堍了。 为了减少能黧损失，汽车变速嚣寿命试验台是在一个封闭的环境下对汽率变速 器进行各种参数测量的。测试目的是要被测变速器被破坏为止，这时候得到的各 种数据就是这个变速器的极值参数即它的寿命数据。变速器要测试的数搦根据各 个变速器生产厂家的情况各不相弼，主要的测试参数巍变速器的转矩、转速、振 魂、瀣凌窝传动效率等。 用汽车变遮器寿命试验台来测麓汽车变速器盼器种寿命参数主要是避邋液压 加载来实现的。通过液压加载器把幼力传给传动箱，然后再传给被测变速器。在 这个测试过程中，也会出现多类故障，比如，断齿，轴断裂，漏油等，丽鼠故障 豹发生具有很穴豹随机性，这些都绘试验人员带来极大蹬难。届时变速器搿发胡 鬏懿零嫠终是鼙 譬黧王，毽我其燕王j 鐾覆较长，试验审霹戆壅嚣嚣梵两鄂麴爨蘧 导致变速器大褥襁破坏，然两开发镪期出现闯题是不掰溅免的，这就要求试验过 程中能实时测鬣和控制变速器的王作状态，及时发现早期故障。尽量避熊因部分 零部件的损坏丽破坏其他零件。 面目前躅内一般的变速器寿愈试验台基本都是筝工加载方式，试验人员舶劳 动强发毙较大，嚣置劳凄效率低。麓瓣入在这耪骞危除懿嚣凌下操捧，琴受；冬里 有些紧张，这也会影响测试效莱。弼变速器寿命试验波该在院较稳定的载旃下进 行，但是由于一般加载方式都是通：j 建油压控制变速器载荷。众所周知，油聪是有 波动的，这种的波动有时是很大的，就必然带来变速器载荷较大的波动，如果变 速器在这种状态下试验，是不能对熊寿命进行准确的详估的。因此在变速嚣的全 重庆火学硕士学位硷文1 绪论 部试验过程中，对其载荷的控制是十分必要的。同变速器载荷稳定的重要程度一 样的道理，在变速器试验过程中，对其油温的控制一样重要。国内目前的试验台 都没有对这些项目进行监控。 传统的方法来测试变速器的各种参数，只能用扭矩仪、测温仪、转速测试仪 等仪器。这些仪器一般是一台独立的装置，从外观上看，它一般由操作面板、信 号输入端口、检测结果输出这几个部分组成。操作面板上一般有一些开关、按钮、 旋钮等。检测结果的输出方式有数字显示、指针式表头显示、图形显示及打印输 出等。 从功能方面分析，这些传统仪器可分为信号的采集与控制、信号的分析与处 理、结果的表达与输出这几个部分。传统仪器的功能都是通过硬件电路或固化软 件实现的，而且由仪器生产厂家给定，其功能和规模一般都是固定的，用户无法 随意改变其结构和功能。传统仪器大都是一个封闭的系统，与其它设备的连接受 到限制。 另外，传统仪器价格昂贵，技术更新慢( 周期为5 至1 0 年) ，开发费用高。 现在流行的w i n d o w s 操作系统是基于图形的窗口环境，该操作系统下的应 用程序界面直观、操作方便、简单易学、成本也低，用它来开发软件是最好的， 也是最实惠的。 综上几个方面的原因，用传统的方法来测试变速器的寿命参数，很难达到生 产厂家的要求，至少来说很难开发出更好的汽车变速器，传统仪器也很难适应信 息时代对仪器的需求。这就要求我们找出一种更好的方法来代替和提高传统的测 量方法，随着计算机的快速发展，在必要的数据采集硬件和计算机的支持下，通 过软件来实现传统仪器的部分或全部功能的时机己成熟了，那就是用虚拟仪器来 代替传统仪器实现在汽车变速器寿命试验台上监控汽车变速器的功能。 1 2 虚拟仪器的概念及其组成特点 1 2 1 虚拟仪器的概念【2 】 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是虚拟技术在仪器仪表领域中的 一个重要应用，它是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其它领域密集 渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果。其 具体定义为虚拟仪器是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具 的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器 的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成 了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又能充分享用计算机智能 资源的全新的仪器系统。它是对传统仪器观念的一次巨大变革，是将来测试仪器 2 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 发展的一个重要方向。 1 2 2 虚拟仪器的特点叫2 】 与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、用户可定制性等方面具有 更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也具有突出优势。 与传统的仪器相比，虚拟仪器还有许多其它的优点： 对输入信号的处理和计算可以更加复杂，而且处理速度更快。 测试结果的表达形式更加丰富多彩。 可以方便地存储和交换测试数据。 可以通过多种现有的通信标准方便地同外设、网络及其它应用连接。 价格低而且可以重复利用。 技术更新快( 周期为l 2 年) 。 将所有的程控仪器的控制信息集成在虚拟仪器的软件模块中，用户无需专 门查阅、学习仪器的程控方法与程控指令就可以对仪器进行操作。 计算机强大的图形用户界面( g u i ) 增强了仪器的结果显示功能，更易于 操作。 具有几乎无限的数据记录容量。 自动化的测试过程。 用户可以白定义分析方式和接口。 可扩展的工程函数库。 自动生成测试运行报告。 高品质的打印功能。 1 2 3 虚拟仪器的基本构成【l 】 基于p c 机的虚拟仪器而言，它的基本构成如图1 1 所示 图1 1 虚拟仪器基本结构示意图 f i g1 1 t h eb a s i ss t r u c t u r eo f v l 3 重庆人学硕士学位论文1 绪论 ( 1 ) 各种功能软件 它包括具有测试分析仪器功能的各种软件，其中有采集卡驱动软件、软面板 功能软件、信号显示分析软件等等。它们是构成虚拟仪器的灵魂，也是虚拟仪器 的最大特色。 ( 2 ) 计算机及附件 计算机技术是虚拟仪器的核心。在使用虚拟仪器的计算机中，处理器和总线 是最重要的因素。其中处理器的发展是最迅速的，使虚拟仪器的能力得到极大的 提高。现在可以利用快速傅立叶变换进行高速的实时计算。总线技术的发展也为 提高虚拟仪器的处理能力提供了必要的支持。使用i s a 总线，可以使插在电脑中 的数据采集板的采集速度达到2 m b p s ，使用p c i 总线使得高速微处理器能够更快 地访问数据，最高采集速度可提高到1 3 2 m b p s 。由于总线速度的大大提高，现在 可以同时使用数块数据采集卡，甚至图像数据采集也可以和数据采集结合在一起。 ( 3 ) a d 采集卡和d a 卡 在虚拟仪器中，f o 设备集成在数据采集板上，直接插到个人计算机总线上。 数据采集板进行数据采集，并且及时的把数据存放到r a m 中。微处理器可以立 即访问这些数据。数据采集卡技术极大的推动了虚拟仪器的发展，因为它把微处 理器和总线技术的进步直接演变为输入输出设备的改进和系统能力的提高。 ( 4 ) 传感器及调理电路 它们是测试系统的基础，没有高质量的传感器和各种高质量的调理电路，测 试系统就没有了基础。 1 - 3 机械状态监控及故障诊断的概况 1 3 1 机械状态过程监控对象 机械状态过程监控主要研究对象是过程运行时出现的异常变化或系统部件 非先天性功能性故障。 ( 1 ) 过程异常变化 异常变化( 简称异变) 是一个建立在过程基础之上的概念，主要是指被研究对 象所处状态或其本身某一方面特征发生了异常改变。 过程监控领域讨论的异变，通常是指过程状态发生偏离常态的改变。例如，系 统运行过程中出现的各种瞬时或持续的、缓慢或突发的、局部或整体的、出乎意 料之外的或者并非预期的异常改变。 过程异变，通常划分为渐变和突变两大类型。根据异变持续的时间长短，突变 又可以进一步划分为脉冲型突变、阶跃型突变和复合型突变等多种类型。 ( 2 ) 系统故障 4 垂痰犬擎矮士学短论文 l 缝论 通常意义下，故障至少有两种不同含义：一是指系统功能部件“先天”固有的 缺点，缺陷或瑕疵；一是指系统在使用或者遐行过程中发生的功能性异常变化。 作为过程监控主要对象的动态系统故障，大多怒指后一类情形。 过程戆舅交与系统煞放薄之阗，薤有紧密联系，二者内涵秘终廷又不罨褪嚣。 杨叔子院士等指出，系统故障是指该系统工作麓力豹破坏，嚣农一定时闻内系统 主要功能指标超出规定的范围。吴今培教授等指出，系统故障主鞭是指系统运行 处于劣化状态，这种劣化状态可导致系统相应功能失调，或导致系统相应行为( 输 出) 超娃允许范围，伎系统功能低予预期或规定蛉水平f 2 孤。， 砖予大多数工程系统，避程吴交逶零是由于系统珐毵罄 孛或分暴绕发玺兹障爨 及搡据过失弓| 起静。铡翔，规被裁造、生产麴王、电网调度、靛天测控、飞行控 制、制鼯与导航等各种人造系统的运行过程中发生的异常变化。能是决非所有异 变都鼹由通常意义下所谓故障引起的。例如，环境、气候、社会、经济、心理、 生理等自然系统的异常变化，其根源既可能是因为外界环境灾变戏系统内部病变 弓l 莛瓣，瞧可韪蹙其它霞豢零l 起豹，甚至有些避凝其状态或特征的改交嚣苓是“故 障” 夔不是“灾交”豹结巢，铡如，语音僖鸶离 氐转换、龟波信譬频率切换、潮 汐，等簿。 1 3 2 机械状态过程监控与故障诊断研究的主要内容 机械状态过程监控的目的是监视系统运行状态，检测系统是否发生故障，并对 放障系缝魏买变幅度透行宠爨分辑，判明教跨炎登、对阕、幅发、衷瑷形式，终 鳎方式、影嫡程痉，在必袋鼯提出耜应鲢缀护麓改进接麓。其圭甏内容是： ( 1 ) 故障机理研究 这题监测与故障诊断的客观依据。设备的异常或故障是在设备运行中通过其状 态信号( e p - - - 次效应) 变化反映出的由于监测与诊断是在设备不停机的情况下 迸弦盼，嚣j 篼必然以状态髂号失袄据。二次效应藏是设蘩在运纾串爨现的各耱貉 理戆、玩学豹现象，翔缀渤、噪声、溢舞、演耗、交形、功耗、壤损、气凑等， 这些都怒一种设备运行所阑有的。髓测与故障诊断就是要快速、礁确地提取设备 运行时二次效应所反映的特征。 ( 2 ) 状态监测 簸视系统运行状态，梭测动态系统运移栽德或演纯趋势是否森巢孵闯点之爱 发玺了髯常交纯，劳接繇爨发生交往鹣超始懿麓；主要是拾取与设备运 亍有关豹 状态倍母。状态信号是故障信息豹唯一载体，也是诊断的唯一依据。因此在状态 监测中及时、准确地获取状态信号是十分重要的。 状态信号的获取主要怒依靠传感器或其它梭测手段进行故障信号的检测。检 溅中圭溪有以下几个过摇： 5 重痰大学须量学位沦文 1 绪论 i 信号拾取：主要是通过电量的或传感器组成的探测头直接感知被侧对象参数 的变化； 五中间变换：主要完成由探测头取得的信号的变换和传输； i i i 数豢莱集：裁是把孛阉交换熬连续售号进行亵教纯过程。数据是诊凝熬基 稿，能否采寨獬踅够长的客露反浚设备运行状态煞信感，是诊赣成效靛关键。 这一阶段童要是监测系统获取状态信号反映的主骚功能指标的变化。当出现 异常，可按其糨度分别给出早期警报、紧急警报、强迫系统停机等处置。 ( 3 ) 特征摄取 就是从状态信号孛提取与设餐教簿骞关豹特征镄患。当特征嫠号为静态信号 簿，骛 歪露号帮楚征嚣。霹徭熬豹敬毽进行捡验，番菸楚否在兔诲范妥，然后骰 出决策。当特征信号为动态信号时，首先要根据情况选择既能反映系统功能指标， 又便于拾取的特征信号组；其次怒通过对特征信号分析提取便于决策的徽兆；最 后根掘征兆、标准模式和某种判别准则，识别系统状态。 设备总是逐行在噪声、电磁予砉| | i 等环境中，因此决定状态向量豹困豢并不止 敖薄自量一个，救障售惠将混杂张大璺于抚信号孛。为7 漩豫或 霉麓终器秘内部 干扰，必须采取信号处理技术，突出有用信号。在遮一过程中为了提高反成速度， 必须使用信息模式变换、信号压缩等技术。 ( 4 ) 诊断故障 它又叫故蹲分离或状态分耩。就是根掘所提取的特征判别状态有无努常，并 投撂j 龟绩塞秘箕宅羚宠溅试貔辘瓒臻患寻我教辕源。瓣予不两懿要求，放游源毒 以是零件、部件或子系统，根据遮赡信息和故障对系统的性能指标影响獠度做出 估计，综合给出故障等级。诊断故障可以用正常信息束分析故障源，如功能分析 法，这要求被诊对象具有较明确的结构和功能关系。也町以用异常信息来分析故 障源，这要求被诊断对象豹各种特征售号中包含有足够的故障源信息。 在诊甄藏簿孛，翔鬟是鬏撂毅簿是塞摸垄熬识巍寒 砉诗藏漳获态熬。巍子薮 障类型的多样髋，敬障向量模式也很多。建立各种模斌的过程也是建立故障档案。 尽管各种模式备异，但都是根据设备运行资料，按照简单、实用、可靠原则来进 行的。根掘模式可进一步分析故障征兆和状态，弄清设备故障性质、程度、类别、 部位及产生原聪。对于齿轮箱故障诊断的方法在第后聪封详细弱论述。 | 。3 3 瓿槭状态鍪控方案 ( 1 ) 基予输融信号的过程监控 任何一个可被检测的异变或故障都将会导致输出信息发生相应改变，也只有 能够导致输出信息发生改变得故障才是可检测和有效的。因此，以输出信息为基 础设计过程救投算法或者说直接对过程输出进行监视，无疑是一种最直接的簸控 6 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 系统设计方法，它包括以下几种方法： a 管道检测法：它是以过程输出信息为主要检测对象，通过检测过程的采样数 据序列或输出信息是否超出设定门限，判断系统是否发生了故障或分析系统运行 状态是否正常。其缺点是，对于动态特性明显、变化幅度大的未知系统或带有未 知参数的系统，过程的轴心轨迹线和安全管道的宽度难以确定。 在变速器寿命试验监控的实际操作中可以根据用户提供的参数，以采集的数 据为数据源在时域和频域构造用户定制的状态样本，以状态样本为标准判断故障 情况 4 4 1 。 b 基于物理冗余的比对分析法：基于物理冗余的过程监控技术通常是以传感器 或其它测量设备的观测信息为依掘进行故障检测与诊断的。硬件冗余法的优点是 直观、算法简单。但是硬件冗余法构造过程监控系统也存在如下几方面的缺点： i 在很多实际问题中，如果零部件太多，硬件冗余法难以实现； i i 当待测系统s 与备份系统s l 、s 2 均发生故障时，故障不可检测： 缸如果备份系统s l 和s 2 同时发生了故障而待测系统s 工作正常，此时会出 现误报警。 针对我们目前的课题来说，该方法是值得参考的，由于该变速器寿命试验台 是机械封闭式的，因此在运彳亍时有两台相同的变速器在运行，可以以其中一个为 参考。 c 过程测量数据统计检验法 对于随机过程的故障检测，统计假设检验是最早采用且理论严谨的典型方法 之一。无论是均值突变还是方差异常放大，乃至过程的渐变型故障，在统计学中 都能够找到相应的假设检验方法实现过程故障的检测与判断。其中主要有：似然 比和广义似然比检测、序贯概率比检验方法。 d 数据分析与信号处理法 过程输出信息通常是一组在离散时间点上测量的数据序列，这就为采用现代 数据分析和随机信号处理技术监控过程故障提供了可能性。 ( 2 ) 基于系统输入一输出关系的过程监控 对于大多数工程系统而言，系统运行过程设计输入一处理一输出等三个相互 关联的环节。基于系统输入输出之问的过程故障监控是以模型为基础的活动，他 借助于强有力的信息处理技术，通过系统实际行为与基于模型的预期行为之间的 差异的分析与比较，检测系统是否发生故障，并对故障发生部位、故障大小及类 型进行诊断。这个过程通常涉及系统建模、残差生成和残差评估等三个环节【删。 7 垂庚大学联学位论文 1 绪谂 1 4 本论文研究的主要内容 机械设备状态监测技术对于了解和掌握设备在使用过程中的状态，以便制定 合适的农产设计和维修策略起着重要的作用。嶷掇仪器技术快速、灵活鲍构建方 式、毵好懿久掇赛嚣激及撩大熬数字簇号处璜缝力，霉激解决传绞簸溺纹器系绞 价格昂爨、功能扩充更改潲雅、用户操作不穗的闯题。本文结合汽车交速器寿命 试验台，从硬件的选取和软件的设计两方面，研究了汽车变速器潜命试验台状态 监测和故障诊断的虚拟仪器系统构成及其构建方法，开发了一套对汽车变速器寿 命试验螽状态监测和故障诊断系统。 本文主要夔疆究内容魏； ( i 针对传统的髓测仪器所存在的局限馁，提出了采用碰 雾 仪器代替传统 仪器的思路。在汽车变速器寿命试验台状态j l 鬣控中用虚拟仪器来进行各种参数的 测试和对熊进行故障诊断。 ( 2 ) 针对汽车变速器寿命试验台状态监控鲍具体的需求，研究了汽车变速器 蛙戆试验过程孛湛度、力楚、转速彝振凄信譬簿豹整测技零，选鼗了测试系绫联 需靛磺传如抟惑器、接盈麓、数据采集卡等，构建了汽车变速器寿命试验台篮铡 系统的骥件平台。 ( 3 ) 基于b o r l a n do 件b u i l d e r 软件开发平台开发了对变速器的转矩、转速、 振动和濑度的状态监测系统。在进行应用系统软件开发时，研究了对用不同的操 非系缓邵壤( w i n d o w s 9 8 帮w i n d o w s n t ) 使鹰舞缀逶言函数调瑟秘震不同戆编疆 语言( 瓣在w i n d o w s 9 8 下使弼汇编语言和使爝麓级语言豳数调麓) 来进行溺量试 验，对测出的结果进行了比较，分析了它们测擞结果不同的原因。同时在转矩和 转速测试过程中，对计时滋和计数法进行了研究，并对它们在测量逋度和测量精 度方面进行了比较。 ( 毒) 壤据对汽车交遥器淹念试验台变速器鼢结秘特点，分掇了变速籀中虫子 振动零| 怒豹齿轮失效是交遴耱巾爵瑰孜簿豹圭癸形式。鬏据蠢轮强渤信号豹特点， 用l a bw m d o w s d c v i 开发平螽开发了一套对齿轮故障诊断的虚拟时域频谱分析仪。 它能初步达到齿轮故障诊断的目的。 8 重痰灭澎硬学位论文2 捩态篮溅系统熬疆磐拜发与设谤 2 状态监测系统的硬件开发与设计 2 | 溉述 汽牮变速器寿命试验螽怒在实验室中通避给变速器加载荷来测试变速器的各 种参数，如转矩、振动、转速、噪声、油温等，使我们设计出的变速器符合实际 要求。越燧测试光靠人工题很难完成的，必须借助先进的测试仪器( 如传感器， a d 卡，徽枫等) 。为7 测试更精确更智能化，这就要求科技人炭必须深入研究 溅试系绫豹各令爱箨部分，设谤爨耪应魏软传，霞获态整溅系绕瓣麓辩学恁器久 性纯。为了达菇这一目标，下面就扶传统的状；躲监测系统说起，怎样来设计变速 器寿命试验台状态监测系统的硬件部分。 2 2 汽率变速器寿命试验台的结构 蕊经系统雏设计是锋瓣菜耱竣鍪的，在谈熬控系统熬硬终设谤之翦，下垂先 分绥一藏汽车变速器寿禽试簸台豹结梅，蚕2 1 是变速器寿命试验螽麴示意臻。 澳臻 褥感 莲坚鬈 蹦2 1 汽车变速器寿命试验台示意图 f i g2 1 t h es c h e m eo f t h et e s t - b e do f a u t o m o b i l et r a n s m i s s i o nl i f et e s t i n g 该试验套垂龟鬟带动，疆个转动簇熬传动滋是l ：l ，嚣令嚣黉霾匏变速器绘 出轴辛嚣联，通过调节液毯加载器豹液压，可以调节加在交速器上豹栽荷。整个系 统是机械式封闭的，在运行巾，系统能量损失比较少，损失部分幽电机提供。 2 3 该系统被测物理量的需求分析 系统是针对汽车变速箱的寿命试验来设计的。测量物理量的选择是由需要监 溅葶鞋控裁豹勃理量决定戆，瑟本系统爨要达到黪瓣标决定戆，其熬羧嚣豹絮下： ( 1 ) 熊够使变速器在芋动潮载基磴上实现鑫动热载，热载完毕掇承； ( 2 ) 在试验过程中能够使载荷的波动不大，继续控制在额定载荷藏围内； ( 3 ) 姆档位试验完成后自渤卸载，卸载完毕提示； ( 4 ) 在试验过程中控制变速器油温在规定范围内波动，如果超出规定范围，需 9 重庆天学颈士学盈论文2 获悫簸瓣系绞熬矮髂秀发与澄羚 蒙报警，同时启动降温设备； ( 5 ) 般控系统转速，如果严重超出控制范围，停止试验台； ( 6 ) 变速器内齿轮断齿或赣轴承破坏比较严熬，监控系统发蹬报警声通知试验 入爨，莠蓰示露裁瓣敬薅缝震_ 霸僮嚣； 嚣攘对变速器自动和警动加载，裁必须测得转矩；需要检粪变速器挡位是否 正确，就必须知道传动比，故需要测得变速器输入、输出轴的转遴；需要控制变 速器油溆，就必须测得变遵器油温；对于齿轮箱的故障诊断，采用的是振动检测， 因此嚣骚测变速器箱体振动傣号。 综上分携蜀絮，该整测系绫豹簸控对象主要鸯下瑟蔻令： 2 。3 1 转矩监测 汽率变速器试验是在定规范下进行的，邀样可以通过试验寿命推算出变速 器的实际应用寿命。载荷过大和过小都不能实现这种功能，并且载荷波动较大， 对变逮嚣寿命试验也是有定影响的。变速器载荷是由液压加载器控制的，它通 过镶肇液藤寒调节载芬；霹戳手动控篾渡压热蔽嚣嚣关丈套来调肇滚嚣燕载器兹 演蓬，像可瑷羯步遴电飘来调节液压热载器的歼关班控铡交速器载衙。此处说豹 手动加载仍然是在计算机 ，人为控制每一次加载时，步进电机是的步数，而不 是完全幽系统控制，有利于适应变速器试验的备种情况，如变速器的调试或者试 验台的凋试。 2 3 2 转速笠测 该系统的动力来滚是魄飘，电辊静转速基本恒定在1 5 0 0 r r a i n 。正常清嚣整个 系统的转速是基本稳定的，但是有可能存在系绒机械故障和变速器零部件故障， 导致系统不能正常运转，此时如果不及时停止试验台试验，可能导致整个试验台 的破坏。如变速器某轴坏，一般出现在轴颈处，变速器就不能运转，这也是变速 器寿余试验台经豢遇到的阉惩。逶过转矩熬溅麓，可以溅缛变速嚣转速，艨酞遥 妥这耱祷况霹班及辩控麓燹速器豹进一多簸环。 2 3 3 温度监控 变遮器油温一般控制在一定范围，此时油液的粘度、润滑性和耐磨处于最佳 状态，系统传递效率最高，假它在能量传递的过稷中不可避免造成一定的能量损 失，致後系统涵温舞裹。髓赣濑滠不叛舞裹，演滚精度不龋下降、濮灞逐渐增热、 各溺辩部位涵簇被破舔，使辍释瘗矮逐潺撩鬟，获秀翔抉涵温上舞熬速度。当涵 温过j 箭时，膨胀系数不同的材料构成的运动副之间的间隙将发生异常变化，若问 隙变大则油液泄漏严重，若间隙变4 , n 元件之间可能发生卡死现象；而且液压油 氧化加快、油液变质；高温还能使橡胶、尼龙铭密封件因早期老化而失效。变速 器如栗在不正常熬浪温下试验，其寿命毖定不黥爱敷真实情况，将魄实际寿命短。 重庆人学硕士学位论文2 状态监测系统的硬什开发与设计 这就给下一步的技术改进带来麻烦，因此有必要对变速器油温进行监控。 将温度传感器置于变速器内，通过它可以随时测得变速器油温。变速器与一 个外循环冷却系统构成一体。在微机检测到油温过高时，发出信号控制冷却泵启 动，使冷却系统变速器外的低温油与变速器内的高温油交换，降低变速器内的油 温。 2 3 4 振动监测 在变速器寿命试验中，变速器长期处于高负荷下运行，断齿是经常发生的， 特别在新产品开发过程出现更加频繁。如果一颗齿断裂，齿轮啮合过程中将产生 很大冲击，其它齿断裂可能性更大。断齿将产生比较多的铁屑，这些铁屑如果卡 在啮合齿轮中就可能导致变速器不能运转这种情况对试验台的破坏也是比较严 重的。如果能够在不打开变速器的情况判断哪个齿轮已破坏，有利于试验人员开 箱检查时更有针对性。因为一般断齿后，变速器各轴在开箱情况也是不能转动的， 这时，给试验人员检查问题带来困难。 在变速器箱体上布置振动加速度传感器，其测点布置应遵循以下三个原则： 第一应选择轴承座或靠近它的地方，因为它能最直接反映与该轴有关的振动信息： 第二是重要的、经常发生故障的可多布置测点：第三是在频率成分丰富的地方布 点，它对分析故障有利。依以上原则，它们分别被布置在i 轴、i i 轴和中间轴的轴 承上方。因为齿轮的振动会经过轴传到轴承，轴承再传到变速器箱体上，这样振 动加速度传感器就可以拾取有用信号。 2 4 测试系统硬件的选择 由于要对温度、转速、转矩和变速箱的振动分别进行监测，所以相应的就要 用到温度传感器、光电转速传感器、转矩传感器和加速度传感器。由于加速度传 感器产生的电压是微弱的，不能直接接入接口箱测量，需要用电荷放大器放大加 速度传感器得到的信号。同时，要把从传感器得来的信号进行预处理，才能把信 号传给a d 卡，这需要一个接口箱。也要一个把模拟信号转为数字信号的a d 卡。 2 4 1 温度传感器 在温度传感器中铂测温电阻最稳定。测温范围也宽( 一2 0 0 + 8 5 0 ) 。铂测 温电阻是用高纯度的铂镍制成的温度传感器，它不像一般的热敏电阻的输出有很 大非线性。因此，是非常受欢迎的温度传感器。其测温电路的工作方式一般分为： 恒压方式和恒流方式。p t l 0 0 测量温度也有一定的非线性，只要在电路中加反馈电 路就可以修正这种非线性。 重痰大学疆圭学位论文 2 状态煎瓣系绞黪嫒事 舞发冬疆诤 2 4 2 转矩传感器 由于利用的是相位差求测转矩，所以用的怒电磁齿( 栅) 式转矩传感器。它们实 际上是一个角位移测量的编码系统，采用胡饿测譬原理，即将转缀产生静角变形 逶遥感瘢镑号熬程霞差影凌簸遗裂淫量电路，溺魏宅翅实嚣瘊溺黪是楚位移，氇 就是总变形( 其具体的髹瑷在后面介绍) 。为了达到所要求盼精魔，常要求被测轴 相对长而细，以产生较大的变形，所以此类传感器主要应用于长轴的转矩测量。 本变速器寿命试验台有比较多的长轴，适合使用该种类的转矩传感器。 2 4 3 加速度传感器 麴逮疫转感嚣是撂将受控窝蔹嚣对象潜菜一盔线方囱豹运动魉速度转豢或毫 信号或其他形式信号的装鬣。在此需要的是将变速器箱体上下振动的加速度测量 出来，选择了加速度传感器选择了t s l l 0 4 通用加速度计，中等灵敏度，灵敏度是： 1 5 p c m s 4 ，极限量程：4 x 1 0 3 m s 2 ，频率范围：0 ，5 h z - 8 k h z ，温度范围：- - 4 0 - 1 5 0 c ，尺, - j - 舻1 8 x 2 8 m m 。 2 。4 4 毙毫转速黄惑器 为了测试输出转速，在输出端要 用光电式转速传感器测试转速。 光电式转速传感器示懑图如图4 1 所示。被测转轴上涂有黑融相闻的标 恚，巍涿l 发瓣夔必经：遭透镜2 、半透 膜3 霸透镜4 照射到被浏鹣旋转物体5 上。被测转轴旋转时，明( 臼条) 暗( 黑 条) 变化一次，反射的光信号通过透镜 6 、3 和4 入射到光电元件7 上。光电 稠4 1 光电转速倦臻器原理 f i g4 1 t h ep r i n c i p l eo f p h o t o e l e c t r i cr o t a t i o n a l s p e e ds e l l s o r $ 元终了蠢罨遥交舞不逶，鞭露对痤裣奎一令巍恕菰跨。遥过诗算躲洚数藏虿鞋谤 算出转釉的转速。 2 4 5 电荷放大器 由于加速度传感器产生的电压是微弱的，不能直接接入接口箱测量，需要用 电荷放火器放大加速度传感器得到的信号，要肖带通的功能。在试骏童环境测量， 必然蠢缀多裹壤售号，这整镶号魏采不被虑簿，对骧螽戆努叛鸯缀大影蝮，f f t 分辑就会产生混频现象，遮藏会导致分拆绪论错误。 选用了t s 5 8 6 3 多通道电荷放大器，六通邋，其额定输出与传感器灵敏度倍率 可以自动换算。输入电荷鬣：0 士1 0 5 p c ；归一化调节；1 9 9 9 p c u n i t ；额定输 出：l m v 1 0 v u n i t ( 1 ，3 分耥) ：频响：0 3 1 0 0 k h z ：低通滤波器：3 0 ，1 0 0 ，3 0 0 ， 重庆人学硕士学位论文2 状态监测系统的硬件开发与设计 l k ，3 k ，l o k h z ；l i n 输出：士1 0 v p 1 0 m a ；零点：! 5 m v ；噪声：_ 1 m v r m s ；电源： 2 2 0 v ，5 0 h z ：尺寸：3 0 0 x 1 4 4 x 2 6 0 m m 。 2 4 6 接口箱 接口箱的功能是将传感器信号进行预处理，便于计算机接收和计算，图4 2 接 口箱前面板，图4 3 是接口箱后面板。图4 2