（机械电子工程专业论文）基于小波—遗传算法的拖拉机齿轮箱齿轮故障诊断的研究.pdf

摘要 齿轮箱作为拖拉机的重要传动部件，对其进行状态监测和故障诊 断的研究具有重要的实际意义。本文致力于拖拉机齿轮箱齿轮振动信 号的征兆提取和自动故障诊断技术的研究。 文中介绍了拖拉机齿轮箱故障诊断实验研究的室内加载测试系 统的构建及其工作原理：理论分析了拖拉机齿轮箱的振动机理，对机 械故障振动征兆的常规分析方法包括时域分析法、频域分析法、倒谱 分析法及频域最佳特征参数方法进行对比，分析了各自的适用条件和 局限性，并对比传统的征兆参数提取方法提出了用于获得机械故障诊 断征兆参数的小波分析方法，给出了小波分析理论所具有的显著特点 和与传统的故障征兆提取方法相比，小波分析在参数提取过程中所具 有的明显优势，进而建立起基于小波分析的反映故障征兆的初始参数 集合；在通过小波分析所建立的反映故障征兆的初始参数集的基础 上，论述了利用遗传算法理论，对征兆参数集合进行空间搜索而得到 能够反映故障状态模式的最佳征兆参数的提取方法，并根据实验需要 制定了拖拉机齿轮箱典型故障的实验模拟方案，通过已建立的室内 加载实验系统，采集相应的不同运转状态下的齿轮箱正常工况和故障 工况下的振动信号，利用小波和遗传算法理论对测得的实验数据进行 处理分析，实现故障的模式识别，且通过实验中模拟的故障形式的比 较验证了本文所建立的齿轮箱故障诊断的实验分析方法的可行性和 有效性。 关键词： 齿轮箱，故障诊断，j 、波分析，征兆提取，遗传算法 a b s t r a c t g e a r b o xi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tu n i t si nae a e t o r i ti s s i g n i f i c a n tt os u 1 d y m o n i t o r i n g a n df a u l t d i a g n o s i s o f g e a r b o x c o n d i t i o n s t h i s p a p e r a i m sa tt h e i n v e s t i g a u o no ff e a t u r ee x t r a c t i o no fv i b r a t i o ns i g n a la n d a u t o m a t i c d i a g n o s i st e c h n i q u e s o fg e a r b o x f i r s a y , t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h eb u i l d i n go ft h ei n d o o rl o a d a d d i n gt e s t i n gs y s t e m a p p l y i n g 0 1 1t h e s t u d yo fd i a g n o s i se x p e m n e n t a n di t sw o r k i n g p r i n c i p l e s e c o n d l 5 t h i s p a p e rs p e c i f i e s t h ev i b r a t i o nm e c h a n i s mo f g e a r b o x a n dt h e p e r f o r m a n c e s o fb o t h a d v a n t a g e a n dl i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a lv i b r a t i o n d i a g n o s i s m e t h o d so f g e a r b o xa r ea n a l y z e db yc o n t r a s t ，i n c l u d i n gt h em e t h o do fu m ed o m a i n a n a i y s i s ，t h em e t h o do ff r e q u e n c yd o m a i na n a l y s l s ，t h em e t h o do fc e p s t r a la n a l y s ba n d t h em e t h o do ft h eb e s tf e a t u r e p a r a m e t e r s f o r f r e q u e n c y d o m a i n w h a t s m o r e ， c o n t r a s t e dw i 吐1t h em e t h o do ft r a d i t i o n a lf e a t u r ee x t r a c t i o n t h em e t h o do fw a v e l e t a n a l y s i s i s p u tf o r w a r df o re x t r a c t i n gt h ef e a t u r ep a r a m e t e r so ft h em e c h a n i c a lf a u l t s ， i n c l u d i n g t h eo b v i o u sc h a r a c t e r sa n dt h e a d v a n t a g e s o fw a v e l e t t h e o r y f o rf e a t u r e p a r a m e t e r se x t r a c t i o ni nc o n t r a s tw i 山o t h e r t r a d i d o n a le x 仕a c d o nm e t h o d s f u r t h e r m o r e b a s e d0 nt h ew a v e l e t a n a ! y s i st h ef e a t u r ep a r a m e t e rg r o u pr e f l e c t i n gf a u l tf e a t u r ei sb u i l t t h i r d l y , o n t h eb a s i so ff e a t u r e r 嘶e x t r a c t e db yw a v e l e ta n a l y s i s ，t h i s p a p e r d i s c u s s e st h ee x t r a c t i o nm e t h o do ft h eb e s tf e a t u r ep a r a m e t e r r e f l e c t i n gf a u l t s t a t et h a ti s d e r i v e dt h r o u g hs e a r c h i n gt h et o t a ls p a c eo ff e a t u r e r a l l yu s i n gt h eg e n e t i ca l g o r i t h m t h e o r ya n de s t a b l i s h e st h es i m u l a t i n gb l u ep r i n to ft r a c e o r sg e a r b o x r e p r e s e n t a t i v ef a u l t s s oa st oc o l l e c tt h ev i b r a t i o n s i 驴a l o fd i f f e r e n t r u n n i n gs t a t e st h r o u g ht h em d o o r l o a d a d d i n gt e s t i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gt h es t a t e si ng e a ra n do u to fg e a r f u r t h e r m o r e 、t h e d a t ad e r i v e df r o me x p e r i m e n t si s c o m p u t e da n da n a l y z e db vt h et h e o r yo fw a v e l e ta n d g e n e t i ca l g o r i t h ms ot h a tt h ef a u l tp a t t e r ni s r e c o g n i z e da n db yc o n t r a s tw i t h 血ef a u l t p a t t e r n ss i m u l a t e di n t h i s e x p e r i m e n tt h ed i a g n o s i sm e t h o df o rg e a r b o xi sc e r t i f i e d f e a s i b l ea n da v a i 】a b 】e k e y w o r d s ： g e a r b o x ，f a u l td i a g n o s i s ，w a v e l e ta n a l y s i s 。f e a t u r e e x t r a c t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h m i i 学位论文版权使用授权书 y ，啪船 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被套阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 学位论文作者签名：j 亭风】 2 0 b 3 年毛h1 0 b 指导教师签名：，蓦d r 扣3 年z 月- 7 目 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：皂i 弛 日期：2 0 0 9 年 f 月0 日 江苏土学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 机械设备故障诊断技术概述 随着现代工业及科学技术的迅速发展，设备的结构越来越复杂，功能越来越 完善，自动化程度也越来越高，不仅同一设备的不同部分之间互相联系，紧密耦 合，而且不同设备之间也存在着紧密的联系，在运行过程中形成了一个整体。因 此一处故障可能引起系列的连锁反应，导致整个设备甚至整个过程不能正常运 行。为了能够有效地预防和制止不利情况的发生，逐渐地诞生了一门新兴的学科， 机械设备故障诊断学。它是以机械电子、信息论为基础，多学科交叉、融合的工 程技术。它是伴随着电子技术、计算机技术、传感器技术、现代控制理论、现代 信号处理技术、人工智能技术、网络通信技术、现代设计与测试理论及数学学科 最新研究成果等的发展而发展的。 1 1 1 设备故障诊断技术 1 概述 所谓“欲知其内者，当以观乎其外；诊于外者，斯以知其内：盖有诸内者， 必形诸外”。这种外部信息与内在状态间的关联性不仅是医学诊断的依据，对现 代设备诊断也有普遍意义。机械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，其研究内容包括对机 器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。 从信息技术角度来看，设备故障诊断技术包括信息的获取、信息的处理与分 析和状态识别( 包括判断和预报) 三个基本环节。在其中的每一个环节中，都涉 及到一些相关的理论与技术。 在信息获取环节，涉及到现代测试技术、传感器技术、电子电路技术等。 在信息的处理与分析环节，涉及到数字信号分析与处理技术、相关的数学理 论等。 在状态识别环节，涉及到模式识别、人工智能等理论与技术，以及有关设备 及零部件故障或失效机理的理论知识等。 2 设备诊断的技术路线f - 1 机械设备故障诊断技术的基本内容体系由文档建立和诊断实施两大部分组 江最土学硕士研究t 学位论文 成，诊断实施包含信号检测、特征提取、状态识别和诊断决策四个步骤。而状态 识别又包含状态诊断及状态分析两个阶段。整个诊断技术路线如图1 1 所示 端实施+ l ( 状态嗍 尹导孺群锯勰带斟 i( 样板模式之一) 诊断决策 决策形式 故障 情况 状态 趋势 图1 1 机械设备故障诊断技术路线图 ( 1 ) 建立诊断文档库 诊断文档库是一种事先编制好的通过大量的实验或者模拟，利用观察、分析， 统计及归纳的方法来获得的表征待诊断对象的各种不同性质的故障、不同的故障 部位及不同故障程度的各种征兆的标准谱数据库。该诊断文档的建立是实现现代 故障诊断所不可缺少的重要环节之一。 ( 2 ) 实施故障诊断 故障诊断的实施技术路线如图1 1 知，包括以下四个方面： 运行状态信号的采集 状态信息是机械设备异常或故障信息的载体，选用一定的测试方法和测试系 统采集能够完全体现待诊断对象运行状态的信号。其中针对传感器而言，仅采用 个传感器进行信号拾取，若传感器出现异常，就很难准确判断是设备故障还是 传感器故障。在此情况下就需要采用多个传感器，而后对传感器的数据进行证实， 以剔除传感器故障的影响。 信号处理 预处理 预处理的目的就是排除或削弱噪声的干扰，去掉电平漂移，保留或增强有用 信号，精化故障特征信息，提高诊断灵敏度和可靠性。 特征提取 特征即征兆。对于故障诊断系统而言，征兆的形式主要表现为以下三种形式： 一是数值型征兆，如频谱能量分布、油温、油压等：二是语义型征兆，如“振动 江募太学硕士研竟生学位论文 增大”、“转子偏心变化不大”等：三是图形征兆，如“轴心轨迹成椭圆型”、“波 形畸变”等。通过传感器或其它途径获得的这三种模式征兆，根据诊断的具体情 况，利用信号处理与分析技术，求出所需要的故障征兆模式。 状态模式识别 故障诊断的实质是模式识别。模式识别是研究一些自动技术，依靠这些技术， 计算机自动地( 或者人为进行少量干涉) 把待识别模式分到各自的模式类中去， 即将待检模式与诊断文档中的样板模式进行比较，并将待检的模式归属到某一已 知的样板模式中去。这一过程是故障诊断的核心。由此，便可以判断诊断对象所 处的状态是否正常，并预测出状态的发展趋势。 维修决策的形成 当识别出异常或故障状态后，必须进一步对异常或故障的原因，部位和危险 程度进行评价。以便据此研究和确定维修方案，如停机大修等。 1 1 2 国内外设备诊断技术的发展现状及趋势 机械故障诊断技术最早是在六十年代初期，由于航天、军工的需要而发展起 来的，而后逐步的推广到核能设备、动力设备和其它一些大型成套设备中去。该 学科以设备的管理、状态的监测和故障诊断为内容，以建立新的维修体制为目标， 在欧美、日本以不同形式获得了推广，成为国际上一大热门学科。 国外7 0 年代以来，故障监测诊断技术在工业发达国家获得迅速发展。最早 发展设备诊断的国家是美国。其诊断技术在航空、航天、军事、核能等尖端部门 得到了广泛的应用，处于领先地位。欧洲、日本的诊断技术发展也各具特色。如 日本三菱公司的机器健康监测系统、美国a t l a n t a 公司的m 6 0 0 0 旋转机械在线监 测诊断系统、英国中心发电部的透平及监测设备等，对设备运行状态和潜在故障 的振动及有关信号自动采集、分析处理、显示打印等，进行诊断、预报并采取必 要措施，取得了良好效果。从八十年代以后，又研究开发了各种高性能的具有诊 断功能的状态监测系统。如美国b n 公司的7 2 0 0 系列，亚特兰大公司的m 7 0 0 ， r d 公司的t c p c 周期巡检系统，丹麦b k 公司的3 5 4 2 机械状态监测系统。 这类系统的特点是：硬件所占比例很大，采集信息多，处理速度快，监测功能强， 但价格昂贵，采用专用语言，不宜再开发f 4 1 1 5 】【4 。 我国在八十年代初在该领域的研究才起步，监测诊断设备依赖进口，仅在少 数大型企业和部门应用。近年来国内也有多家科研单位及高等院校相继开展了故 障诊断技术研究及系统研制，其特点是以软件开发为中心，灵活性大，造价低。 江募土学硕士研究生学位论文 如哈尔滨工业大学的3 m d l 汽轮机组模糊诊断系统、重庆大学的c d m s 故障 诊断与模态分析系统、南京汽轮机厂的c r a s 随机信号处理与振动分析系统以 及东南大学和中国矿业大学等单位对旋转机械故障诊断方法作了较深入的研究。 相对于诊断技术的工程应用，设备诊断技术的研究工作己远远超前。国内的诊断 技术的研究主要集中在如下几个方面： 1 传感器技术。国内已开发了多种性能指标达到或接近国际先进水平的传 感器，如电涡流传感器、速度传感器，加速度传感器等，但还有待于进一步提高 其可靠性和稳定性。 2 信号处理与分析技术。除了传统的频谱分析、时序分析以及时域分析， 还引进了国外的一些先进的信号分析手段，如g a b o r 分析、w i n g n e r 分析、小波 分析，以及分形几何理论等。这些新方法的引入，弥补了传统分析方法的不足， 并为信号处理与分析技术的发展开辟了道路。 3 人工智能与专家系统。从1 9 8 5 年开始到现在，特别是1 9 8 5 年到1 9 9 1 年间，国内许多研究机构展开了这一技术的研究工作，几乎成为诊断技术的发展 主流。但是在工程应用方面还未达到人们所期望的水平。 4 神经网络技术。近年来神经网络理论及应用技术得到迅速的发展，在故 障诊断领域的应用也日趋增多。至今，人工神经网络在如下的两个方面有了新发 展：在网络结构上，出现了概率神经网络、小波神经网络、函数连接型神经网络 等；在训练算法上，出现了比b p 算法更为有效的共轭梯度算法、基于信息熵的 优化算法和遗传算法等。 5 数据集成与信息融合技术。 所谓数据集成是指把来自不同传感器的数据进行组合，归一化处理和提纯， 以便确保检测的信息准确可靠。而信息融合是指将集成后的数据和其它信息进行 联想、过滤、联结和合成，从而得出精确定位和特性判断的各种信息。1 9 8 8 年 美国国防部将它列为2 2 项关键技术的第1 3 项，法、英等国也投入了大量的人力、 物力进行研究，以用于解决大量的信息处理问题【2 1 。 伴随着科学技术的不断发展，当今的诊断技术也向纵深方向发展，其趋势是 传感器的精密化、多维化，诊断理论、诊断模型的多元化，诊断技术的智能化。 1 2 拖拉机齿轮箱失效的基本形式及其诊断技术现状 1 2 1 拖拉机齿轮箱失效的基本形式 一般齿轮箱失效形式很多，各零部件失效比重统计引参见表1 i 。 4 江最土学埙士研究t 学位论文 表1 1 齿轮箱各零件失效比重统计 拖拉机齿轮箱既有与其他类齿轮箱相同的特征和失效形式，也有一些其他 类齿轮箱所不具有的特点。如拖拉机齿轮箱中存在的拨叉失效在其它类齿轮箱中 一般没有。但总体上而言拖拉机齿轮箱故障失效的基本形式与一般齿轮箱类似， 按照部位来划分有以下几类： 1 齿轮故障主要有齿根裂纹、齿面磨损、局部掉块和断齿等。 2 轴承故障有外圈、内圈、滚珠、保持架故障等，如按照损伤形式划分有表 面损伤类故障，包括点蚀、剥落、擦伤等和磨损类故障。 3 轴故障包括轴弯曲、轴向窜动、轴对中不良和偏心等。 4 箱体故障有箱体变形、刚度不够、密封不良和支座松动等。 5 其它类故障如拨叉故障、润滑油相关因素产生的故障等。 1 2 2 拖拉机齿轮箱诊断技术现状 齿轮箱故障诊断技术随着科学技术和机械故障诊断技术的发展也在不断向 前进步，在工业发达国家，齿轮箱工况监测与故障诊断技术已经受到广泛的关注， 在国内也同样如此，很多大学和科研院所都相继展开了这方面的研究 2 1 。目前对 其诊断方法的研究主要集中在以下几个方面： 1 振动噪声诊断方法例 齿轮箱振动噪声诊断方法是依据获取齿轮箱工作时的振动和噪声信号来分 析其状态信息特征的故障诊断方法。因为齿轮箱工作时所产生的振动及由其辐射 出的噪声是它运行状态的种最重要的属性，所以对它们测量和分析能较好的诊 断齿轮箱中所发生故障的原因、部位和劣化程度。该方法被认为是解决齿轮箱故 障诊断的主要方法并被大量的研究和使用，具体来看可以认为主要有以下五个原 因： ( 1 ) 用适当的方法可以检测出齿轮箱中任何异常现象； ( 2 ) 有效地诊断出齿轮箱早期微弱故障并可以预测故障发展趋势； ( 3 ) 振动来源于齿轮箱本身，不需要外加信号源； ( 4 ) 可以实现实时故障检测与诊断： ( 5 ) 信号的测试与数据处理相对于其它诊断方法简单。 2 油液诊断方法例 江募土学硕士研究t 学位论文 齿轮箱油液诊断法是依据测取齿轮箱润滑油中的微量磨损粉末，用化学理论 对其分析的故障诊断方法。润滑油状态所反映的微量金属粉末颗粒的组成，大小 及多少实质上是齿轮箱设备磨损状态的反映，油液诊断法包括油光谱诊断法和铁 谱诊断法。油液诊断法适合于齿轮箱内部件的磨损和点蚀类故障的检测和诊断。 3 红外热成像法【5 1 强外热成像法是通过测取齿轮箱状态的二维温度场信号的诊断法。它是测取 齿轮箱向周围辐射的热红外线，得到红外热场图，从热场图中判断齿轮箱是否存 在过热故障。红外热成像法对载荷、速度和润滑情况的变化反映比较敏感，尤其 对润滑不良而引起的过热现象很敏感。所以用于这些场合能取得较好的效果。但 是当齿轮箱内部零部件出现损伤和轻微磨损时，红外热成像法基本上没有反映， 只有当故障达到一定的严重程度时，用这种方法才能监测到。 此外，还有许多新的诊断技术不断出现并应用于齿轮箱的故障监测和诊断 中。但是除了振动噪声诊断方法以外，其它诊断方法常常受到外部环境及诊断方 法自身条件的束缚而在实际应用中很少使用。 1 3 选题的意义及主要工作安排 拖拉机齿轮箱是整机基础部件中结构比较复杂的装置，由齿轮副、轴、轴承、 箱体、润滑油等组成，拖拉机在犁地、旋耕及运输作业时，机组主要受到驱动轮 扭矩，刀轴阻扭矩及牵引力的作用，故障大多出现在齿轮箱及传动轴等机械传动 系，其中齿轮箱故障发病率占除发动机故障以外其它故障的5 0 - - - 7 0 ，因此研 究和探索拖拉机齿轮箱故障的机理、模式及诊断方法对拖拉机整机的使用与维护 都有重大意义。 在以前的齿轮箱故障振动信号分析处理过程中，通常认为所测得的信号是平 稳信号，因此傅立叶分析被广泛应用于信号的分析与处理，但在实际工作中，由 于机器转速不稳、载荷变化、以及机器故障等原因产生的冲击，磨擦将导致非平 稳振动信号的产生，而用傅立叶分析去分析这些异常信号可能会得到不明显的征 兆、虚假的结果或诊断不出结果，极大地影响到故障诊断的准确性。为了能够更 好地分析故障征兆本文首先采用小波分析方法来对齿轮箱的故障信号进行分析 处理。小波分析能将任何信号( 平稳或非平稳) 分解到一个由小波基伸缩而成的 基函数族上，信息量完整，在通频范围内得到分布在不同频带内的分解序列，在 时域和频域上均具有局部化的分析功能。特别是当隐藏在机器某一零部件的早期 微弱缺陷时，它的缺陷信息被其它零部件的振动信号和噪音淹没，用时域方法和 江募太学硕士研究t 学位论文 傅立叶谱分析方法很难得到满意结果时，连续小波变换可以较好的解决这类齿轮 箱精确分析诊断的难题。此外，小波包分析在齿轮箱故障诊断中也有广泛应用前 景，它可以分离原信号中的有用成分与干扰及噪音并且对频率漂移有一定的适应 能力。 本课题以拖拉机变速箱齿轮的故障诊断为例，在通过小波变换分析故障振动 信号而提取故障征兆的原始参数的基础上结合遗传算法理论技术探讨如何建立 拖拉机齿轮箱的齿轮故障诊断系统，以期待能够在拖拉机齿轮箱智能故障诊断方 面有所突破和发展。本课题的主要工作安排如下： 1 系统地介绍了拖拉机变速箱室内加载测试实验系统的设备组成、实验台 的搭建、传感器的标定与布置等内容。 2 理论分析了齿轮箱振动的机理，对机械故障诊断信息的征兆提取做相对 系统的概述，进而引出小波变换理论及其在故障征兆提取方面所具有的 独特特点，并据此建立基于小波分析的反映故障征兆的初始参数集合。 3 系统地论述遗传算法的理论，具体分析了适应值函数、遗传操作算子在 遗传操作的过程中所具有的熏要作用及其应用方法，并因此而确定了诊 断本文具体操作对象的遗传参数，从而建立了基于遗传算法的最佳征兆 参数的提取流程。 4 在构建的室内加载实验台上模拟拖拉机齿轮箱齿轮的典型故障形式，通 过测试系统测得相应的振动信号并做处理分析，从而实现对基于小波和 遗传算法的故障诊断方法的实验性初步验证。 5 根据全文得出一些相关的结论，并做出一定的工作展望。 7 讧最大学硕士矸究生学位论文 2 拖拉机变速箱室内故障模拟实验分析系统的构建 2 1 实验样机 本文用于拖拉机齿轮箱自动故障诊断技术研究的对象是常州拖拉机厂生产 的“东风8 1 a 型”手扶拖拉机，该拖拉机的主要结构参数与性能指标如下： 整机尺寸( m n l ) 2 0 6 5 8 7 0 x1 1 8 0 离地间隙( m m ) 2 1 5 轮距( n ) 6 8 0 农具挂接点中心高( m m ) 4 3 5 拖拉机结构重量( i c g ) 2 3 0 发动机额定功率( k w ) 4 4 1 额定转速( r r a i n ) 1 2 0 0 2 2 实验装置 在构建实验装置时应遵循一定的原则：使其室内实验出现的故障模式和机理 应与实际使用情况基本一致，出现故障的规律和先后次序应与实际使用情况基本 相似并有一定的快速系数，即无论是施加动载荷的方法，或是拖拉机在台架上支 撑条件等方面均能极大程度地模拟拖拉机实际的各种复杂工况。同时考虑到拖拉 机在工作时，大多数情况下是受扭和拉两种载荷的作用，例如拖拉机在犁耕时， 受到牵引力以及两轮驱动轮上扭矩的作用，在旋耕时，拖拉机除受到驱动轮上很 小的扭矩作用外，主要受到旋耕刀阻扭矩的作用，以及前进方向的牵引阻力的作 用。对于拖拉机变速箱内的齿轮和轴来说主要受到的还是扭矩的作用。因此本实 验采用在室内对拖拉机齿轮箱进行模拟强化扭矩加载，以便对拖拉机齿轮箱可 能出现的几种故障进行分析研究。 鉴于以上实际工况及其运行特点，本实验构建了基于机电一体化技术的计算 机控制的室内加载模拟实验测试系统。 2 2 ，1 室内加载测试系统的组成 室内加载测试系统主要由基础实验台，动力子系统、扭矩加载子系统( 如图 2 1 所示) 和变速箱的振动测试子系统四部分组成( 如图2 2 所示) 。 1 基础实验台是建立在带有纵向t 型槽的钢制台架( 7 0 0 0 x1 3 0 0 2 0 0 ) 上， 拖拉机齿轮箱两输出轴分别通过万向节联轴器与磁粉制动器相连，模拟拖拉机主 8 江募土学硕士研霓生学位论文 动轮工作。齿轮箱输入轴与调速电机平行放置，二者通过两根三角带传输动力( 如 图2 1 ) 。 2 动力子系统主要用来提供被试样机的动力。在室内模拟实验时，可用两 种方式：一种是以被试机械的原动力作为被试样机的动力，另一种是配用足够的 储备功率的调速电机作为被试样机的动力源。本实验系统采用第二种动力子系统 方案，因为这样可以避免了原动力柴油发动机本身带来的干扰，方便稳定地对被 试样机施加动力而又不影响本次实验对实际工况的模拟效果。 3 扭矩加载子系统由磁粉制动器、万向节联轴器、集流环、y j 6 9 直流稳压 稳流源组成。其中磁粉制动器作为转矩加载器，其特点是可对传动系统在运转时 进行交变转矩加载实现以便实现自动加载；万向节联轴器用于连接齿轮箱输出轴 与磁粉制动器来传递扭矩；集流环是来确定所施加的扭矩载荷的；y j 6 9 直流稳 压稳流源控制磁粉制动器输入电流。 4 变速箱的振动测试子系统主要由加速度传感器、示波器、东华d h 5 9 3 6 振动测试仪和一台p i i i s 0 0 台式计算机及相应软件构成。该子系统能稳定可靠地 对测得的振动信号进行采集、存储、分析以及建立自动故障诊断系统。 图2 1 试验台外观图 2 2 2 室内加载测试系统的基本工作原理 室内加载测试系统( 如图2 2 所示) 的工作原理是由调速电机通过三角带提 9 江苏土学硕士研究t 学位论文 供齿轮箱输入轴的动力输入，同时由微型计算机将实验所需的扭矩载荷以电压的 形式输给控制磁粉制动器稳压稳流源( y j 6 9 ) ，稳压稳流源( y j 6 9 ) 按照输入电 压的大小输出相应的电流给磁粉制动器，磁粉制动器根据不同的电流大小对齿轮 箱输出轴产生不同的制动扭矩，当制动扭矩加至与拖拉机实际工况类似的量时， 测试采集子系统实施数据的采集和存储，以便进行故障诊断分析使用。 图2 2 室内加载测试系统框图 东华d h 5 9 3 6 振动测试仪完成振动测试子系统的数据采集和存储。d h 5 9 3 6 通过分布于变速箱箱体表面的加速度传感器采集并存储变速箱工作过程中的振 动信号，最后所获得信号数据交由自动故障诊断系统来分析、判断，以实现故障 模式的识别。 2 3 安装于变速箱驱动轴上的集流环的标定 集流环的静态标定是在n j - 1 0 0 型扭矩矫正仪上进行的。其静态标定测试系 统框图见图2 3 。 哞n 吨夏丑圆匦 l 塑堑堑垂丝 图2 3 集流环静态标定系统框图 集流环应变值对应应变仪输出电压值的关系见表2 1 。 集流环应变值对应应变仪输出电压值的线性回归方程为( 曲线见图2 4 ) ： v = 一3 4 0 + 1 0 4 y ( 2 1 ) 1 0 江最土学礓士研究生学位论文 表2 】集流环应变值y ( , tf ) 对应应变仪输出电压v ( v ) 数据 扭矩传感器集 流环应变值 + 5 05 01 0 01 0 0+ 2 0 0- 2 0 0+ 5 0 05 0 0+ 1 0 0 0- 1 0 0 0 科jo 应变仪输出电 4 85 41 0 01 0 62 0 32 1 05 1 45 2 11 0 3 l- 1 0 3 9 压值v 抽w i 刍一， 表2 2 集流环的标定数据 加载 卸载 平均输出( m v )平均输出( m v ) 平均输出v 载荷n ( k g m ) l2 31 23 ( m v ) 0 0oo 0o0 0 5 1 2 11 2 01 1 8 1 2 01 1 8 1 1 91 1 9 5 1 0 2 5 02 5 02 4 8 2 5 12 4 8 2 4 82 4 9 0 1 5 3 8 03 8 0 3 7 83 8 1 3 7 83 7 83 7 8 7 2 0 5 0 85 0 95 0 7 5 1 i 5 0 85 0 8 5 0 8 3 2 5 6 3 76 3 7 6 3 66 4 0 6 3 76 3 7 6 3 8 0 3 0 7 6 97 6 6 7 6 57 7 0 7 6 77 6 6 7 6 7 6 3 5 8 9 88 9 7 8 9 68 9 9 8 9 78 9 68 9 7 2 4 0 1 0 2 91 0 2 7 1 0 2 61 0 2 9 1 0 2 71 0 2 61 0 2 68 经计算得集流环标定线性回归方程为： v = 一1 4 0 + 2 6 8 | v ( 2 2 ) 江苏土学硕士研究t 学位论文 且其曲线如图2 5 所示： o51 01 52 02 53 03 54 0 栽荷n 【i g m ) 图2 5 集流环标定曲线线性回归图 2 4 扭矩加载子系统的动态标定 表2 3扭矩加载子系统的动态标定数据 y j 6 9 输入电压v ( v ) y j 6 9 输出电压v 。( v )y j 6 9 输出电流i o ( a ) 应变仪输出电压u ( v ) 0000 0 0 3 0 52 50 10 0 6 5 l _ o5c0 2 50 2 3 0 1 57 40 4 00 4 0 7 2 01 0 00 6 00 5 6 4 2 51 2 8o 7 5o 7 1 7 3 ，o1 5 2 0 9 00 8 8 3 3 51 7 91 1 01 0 4 7 i 4 02 031 2 0 1 2 1 5 扭矩加载子系统的动态标定就是建立y j 6 9 稳流稳压源输入电压与集流环经 动态应变仪后测得电压之间的关系。我们用“东风8 1 a 型”拖拉机工作在第六 档时的工况为例标定扭矩加载子系统。 y j 6 9 稳流稳压源输入电压量与测得应变仪输出的电压等数据如表2 - 3 。 由以上数据可以得到应变仪输出电压v 与扭矩加载予系统输入电压v ，关系 的回归方程： v = - 0 0 5 7 + 0 3 1 4 v ( 2 3 ) 江苏土学硕士研究生学位论文 则该回归方程曲线如图2 6 所示 0 234 扭矩加栽系统输入电压v 图2 6 应变仪输出电压v ( v ) 与扭矩加载子系统输入电压v ，( v ) 的关系曲线 综合上面各变量关系，可以建立变速箱输出轴扭矩虬与扭矩加载子系统输 入电压v ，之间的关系：( 如图2 7 ) t 基 璀。 旦 鼻 书 垂 雌 出 姐 n o = 1 1 7 v ，+ 2 6 5 ( 2 4 ) 扭矩加截系统精八电压v ( v 图2 7 变速箱输出轴扭矩虬与扭矩加载子系统输入电压v ，的关系曲线 以上是对加载子系统所进行的标定工作，进而建立了拖拉机变速箱所承受扭 矩与输入电压薰之间的线性关系。 2 5 拖拉机变速箱的振动测试子系统 2 5 1 振动测试子系统的组成 对拖拉机变速箱进行振动信号测试，该测试子系统由压电式加速度传感器、 讧未土学硕士碍竟t 学位论文 示波器和东华d h 5 9 3 6 振动测试仪组成。它们之间关系如图2 8 。 匝遁匦一臣蚕亟巫亟匦巫 l 臣亟日 图2 , 8 撮动信号测试子系统组成框图 其中： 加速度传感器选用的是扬州无线电二厂生产的4 个y j 2 压电加速度传感 器，它们的特性参数如下 频响范围 允许最大加速度 序 编号灵敏度 ( k h z ) 最高工作温度固定方式 号 2 8 4 1 95 p c g 8 ( 5 )1 0 0 0 9 8 0 0 c磁铁 2 6 8 , 1 9 4 p c g 8 ( 5 e 1 0 0 0 9 s o 。c磁铁 2 7 31 94 p c g 8 r 5 1 1 0 0 0 9 8 0 0 c磁铁 3 0 81 95 p c ，g ( 8 f 5 )1 0 0 0 9 8 0 0 c 磁铁 东华d h 5 9 3 6 振动测试仪能够完成压电式传感器输出信号的调理、预处理 和采样，并实时传送至计算机以完成对信号进行存储和处理。其突出的优点在于 每个通道都包含独立的电荷放大器和a d 转换器，而且带有数字磁带机信号记 录功能，能利用计算机巨大的存储硬盘长时间实时、无间断记录多通道信号，且 通过多通道的数据采集为我们提供了直观地选择清晰有效状态信号或加权平均 的平台。 2 5 2 测振加速度传感器的布局 拖拉机在运行状态下，引起变速箱的振动主要有两条途径，一是发动机( 由 于本实验采用调速电机代替柴油发动机，所以该因素的影响已被降低) ，二是变 速箱内的齿轮和轴承等零部件。由于本课题是针对变速箱的齿轮传动振动信号而 言，这样就应该将振动测点尽量选择在靠近与齿轮相关的位置上，而且要尽量减 少甚至避免电机振动的干扰。我们应该注意到，齿轮系统通过轴系安置于轴承及 其轴承座上，由于齿轮本体的轴向和周向振动必引起轴承支撑子系统的振动，相 反，外界干扰力也可能通过轴承传递给齿轮子系统。另外要注意的是本实验模拟 的预处理齿轮故障是位于变速箱的第三轴上。 根据以上的预分析，本实验将3 个振动测点( 传感器、) 分别布置 在齿轮箱第1 ，2 ，3 轴轴承盖上。同时由于齿轮啮合力总是垂直于轴，并鉴于加 速度传感器的方向敏感性，我们还在前壁上选择了一个测点( 传感器) 进行测 1 4 江苏土学硕士研究生学位论文 量，以便能够对待测的故障信号做相应较全面的提取从而保证其信号的有效性。 具体分布如图2 9 所示。 l 轴( 输入轴) 引fi4 烈， 引fi 爵 、一t 、 一豸i 图2 9 变速箱测振加速度传感器的布置示意图 江最土学硕士研究t 学位论文 3 建立反映机械故障征兆的初始参数 3 。1 拖拉机变速箱故障振动机理分析 1 调制现象 齿轮箱在工作时所产生的信号主要分为两部分：载波信号和调制信号。载波 信号是齿轮传动中所固有的，即啮合频率；而调制信号则是齿轮箱中所存在的故 障信息，并且这里的调制又分为两种，即幅值调制和频率调制1 3 】。 ( 1 ) 幅值调制 它是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响造成的。调幅的一个原因是齿轮偏 心。这时的调制频率为齿轮的回转频率。现在考虑在齿轮上有一个齿存在局部的 缺陷，此时齿轮的振动受到一个短脉冲的调制，脉冲的长度为啮合周期t = l 正。 且齿轮每转一周，脉冲重复一次。另外由于脉冲可以分解为多个正弦分量之和， 则会在频谱上形成以载频正、2 l 、3 六为中心的一系列边频。并且齿轮上的 缺陷分布越均匀，谱上的边频带就越高、越窄。 ( 2 ) 频率调制 它是故障信号对齿轮啮合频率厂_ 的调制。而前面所讨论的调制现象，是设定 齿轮的转速恒定而且齿距完全均等的前提下得到的。如果这两个条件中有一个不 能满足，啮合频率就会产生频率调制现象。事实上，同样的齿面压力的波动，在 产生调幅现象的同时，也会造成扭矩的波动，从而导致角速度( 频率) 的变化。 由于齿轮上这两种调制现象的相互依存，其结果是在谱上得到一个调幅和调频综 合形成的边频带。且边带间距为故障频率。 2 齿轮箱振动数学模型【5 】 正常齿轮传动的振动信号主要成分是啮合频率及其谐波分量，可用下式模型 表示： 旦 ( r ) = x 。c o s ( 2 矾m r + ) ( 3 1 ) 式中，x ( f ) 为测得的振动信号，x 。为第m 阶啮合频率谐波分量幅值，妒。为 第m 阶啮合频率分量的相位，f 为齿轮的啮合频率。 若齿轮存在有集中缺陷或分布缺陷，则当该齿轮啮合时，就会影响振动信号 的幅值和相位，这里用( 吐b 。( r ) 分别表示第m 阶谐波分量的幅值和相位调制 函数。且由于带缺陷齿随轴一转啮合一次，则口。( r ) ，b 。0 ) 是以轴的转动周期为周 期的函数，其函数表达式为： 6 江募土学硕士研究t 学位论文 n ( f ) = a c o s ( 2 n f ，n t + a ) ”2 0 ( 3 2 ) n 6 。( f ) = b mc o s ( 2 n f ，n t + 。) n = o 式中，a ，b ，分别为幅值、相位调制函数的第胛阶分量的幅值；6 r m , n 成。 分别为幅值、相位调制函数的第行阶分量的相位：工为缺陷齿所在轴的转动频率a 综合公式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 可得经过调制的振动信号模型为： m ，( f ) = x 。 1 + a m ( ，) 】c o s ( 2 巧m t + b 。( f ) + 妒。) ( 3 3 ) 函 3 齿轮箱的振动调制分析嘲 齿轮的振动由轴系传到齿轮箱，激励箱体振动。另外，齿轮在箱体内的振动 也会对箱体产生二次辐射作用。而在齿轮箱中所出现的振动调制现象主要可分为 齿轮振动信号的啮合频率调制、齿轮振动信号的齿轮共振调制、箱体共振频率的 调制和滚动轴承外环固有频率的振动调制。 ( 1 ) 齿轮振动信号的啮合频率调制 由于齿轮具有一定的质量，轮齿可以看作弹簧，则一对齿轮啮合过程中的振 动方程为： f r + c x + k ( t ) x = k ( t ) e l + k ( t ) e 2 ( f ) ( 3 4 ) 式中：一沿啮合线上齿轮的相对位移 m 一齿轮换算质量，m = m 1x m 2 i ( m l + m 2 ) c 一齿轮啮合阻尼 k ( t ) 一齿轮啮合刚度 e 一齿轮受载后的平均变形 丘一齿面的交变载荷、齿轮误差或故障造成两个齿轮间相对位移或 其他故障( 如轴弯曲) 引起的相对位移。 设】，( r ) = x g ( r ) d 。( f ) = k ( t ) e ：( r ) ，则z g ( f ) 为载波信号，它包含了齿轮啮合 频率及其高次谐波，c 0 ( ，) 为调制频率，反映了齿轮本身的误差和故障情况以及 其它零部件故障引起的齿轮传动误差情况，且齿轮每转一周，d 。( r ) 变化一次， 包含了所在轴转频和高次谐波。这样在谱分析图上就形成了若干围绕啮合频率及 其高次谐波两侧、间隔为转频及其倍频的边频带，从而构成啮合频率的振动调制 现象。且该现象一般发生于齿形误差和点蚀、断齿、联轴节不对中和传动轴轻度 弯曲，但其各自的边频带分布是不同的。 此时在齿轮箱测得的振动信号为 江苏土学硕士研究生学位论文 y ( ，) = g o ) + z g o ) d 6 ( r ) + 8 ( f ) d 口o ) + ”o ) ( 3 5 ) 式中：g ( t 、一与各轴转频相关的频率较低的振动信号 。( ，) d g ( f ) 一齿轮啮合频率调制信号 x 。( f ) d 。( f ) 一滚动轴承异常振动信号 n ( r ) 一其它振动与干扰信号 x ( o 一载波信号 d 一调制信号 0 2 ) 齿轮振动信号的齿轮共振调制 当振动能量较大时，如断齿、齿形严重误差、轴弯曲比较严重，不仅产生啮 合频率调制，而且会激励起齿轮本身的固有频率，进而产生齿轮固有频率振动调 制现象。 此时的变速箱测得的振动信号为： = g ( r ) + x 。( r ) d g ( f ) + 以( f ) 巩( f ) 十 、 n ( f ) + 乙彳“( t ) d o ( f ) 式中： 。( f ) 一齿轮本身固有频率的振动 就此类齿轮异常振动而言，在考虑固有频率为主导成分的同时，有时也不能 忽略啮合频率调制成分。实际研究发现，齿轮共振调制现象是产生齿轮箱故障的 一个极为重要的因素，并且时常发