一种齿轮箱信号分析与故障诊断系统

一种齿轮箱信号分析与故障诊断系统

齿轮箱是广泛应用于机械工具的重要传动部件。它的正常工作在整个设备的正常运行中起着重要作用。它的性能对整个设备的工作性能有重大影响，因此对其进行监测和诊断非常重要。目前,国内对齿轮箱进行监测与诊断常用两种方法:一是采用专用监测分析仪器系统,二是采用微机监测系统。专用系统硬件占的比例大,处理速度快,但这类仪器价格较高,专用性强,处理功能固定,不易作进一步的开发,对分析结果的判定需要工程技术人员具有丰富的经验。近年来,随着微机的普及应用,以微机为核心的信号分析与故障诊断系统得到了很大的发展。微机信号分析与故障诊断系统不但具有灵活性高、适应能力强、易于维护和升级的特点,而且易于推广应用,是高质量、高效率、低成本地发展机械设备故障诊断系统的新途径。笔者在综合国内外有关齿轮箱信号分析与故障诊断最新研究成果的基础上,以对齿轮箱故障诊断最为科学、有效的“三谱二时域”综合诊断法为基础,并将共振解调技术应用于齿轮箱的故障诊断中,在此基础之上开发了一套以微机软件为中心的齿轮箱信号分析与故障诊断系统。与其它通用信号分析系统相比,该系统的突出优点是:1)集成了齿轮箱故障诊断的有效方法——“三谱二时域”综合法的所有功能;2)将共振解技术应用于齿轮箱故障诊断中;3)全中文操作环境;4)优良的图形界面和全鼠标操作;5)成本低,易于推广等。1时域分析和故障诊断方法由于齿轮箱的结构复杂、传动元件多,尤其是各传动元件间故障联合作用时,其振动信号的频率成分多而复杂,所以要充分提取故障信息,准确判断齿轮箱的故障性质和故障源,依赖于某一种信号处理方法很难奏效。最近两年,有关专家在总结齿轮箱故障诊断成果的基础上,提出了一种用于齿轮箱故障诊断的综合方法。该方法可简称为“三谱二时域”法,“三谱”是指原始频谱、解调频谱、细化频谱;“二时域”是指原始时域和包络时域。齿轮箱的各类故障在时域波形中都有典型的特点,由时域波形分析,可以大致得到三方面的故障信息,即时域函数的类型(确定性的还是随机的),波形中频率成分是否复杂;振动幅值是否变化,变化规律如何;波形中有无明显的冲击和调制成分。而时域特征值分析则为故障诊断提供了定量参考。所以,借助于时域分析可对有无故障进行直观的初步判断。但要准确地判断齿轮箱故障的性质、程度、部位和原因,还需借助频谱分析、解调分析、细化谱分析等方法。频谱分析将复杂的时域信号转化为简单的单频率简谐振动频域信号的合成。频谱分析能够分析信号能量和频率的分布,为进一步分析和判断故障提供依据。解调分析能够获得故障信号的调制频率成分,求出信号的包络曲线和包络谱。观察解调谱频率成分的幅值和分布,对深入查找齿轮箱故障的性质、部位非常有用。对于齿轮箱的故障诊断,啮合频率是齿轮振动中较为突出的成分,它是齿轮齿廓磨损的一个灵敏指标,同时齿面上产生点蚀、剥落等损伤以及齿轮发生断裂、胶合等故障也会在啮合频率及其各次谐波成分上表现出米。齿轮传动中的许多缺陷都是以边带形式呈现出来,因此在频谱图上对啮合频率成分两侧的边频带进行分析也是一个重要环节,这就需要运用解调分析、细化谱分析。实际上,由于故障所产生的振动频率对啮合频率的调制,所以通过对边频带的中心频率,边频带呈现的形式和谱线的间隔的分析,可对故障的存在及其部位作出判断。许多机械设备在带故障运转时,都要伴随振动和冲击的发生,反之,振动和冲击的发生也常常反映了机械的故障。因此目前的故障诊断方法大都以振动理论为基础。共振解调技术即是振动分析方法的新发展。共振解调技术是近年来发展起来的对滚动轴承的点蚀、剥落、擦伤和裂纹等所谓元件工作表面损伤类故障行之有效的方法。齿轮的故障与滚动轴承的故障很相似,因此从理论上讲完全可以将共振解调技术推广应用到齿轮的故障诊断中。有关研究也表明该方法在齿轮故障诊断中是完全可行和有效的。将“三谱二时域”方法与共振解调技术综合应用于齿轮箱的故障诊断是本系统的创新和特色之处。2计算机硬件部分组成齿轮箱信号分析与故障诊断系统由硬件和软件两大部分组成。硬件部分由工控计算机、A/D板、程控放大滤波板、传感器、显示器和打印机等组成。系统硬件连接框图如图1所示。3信号分析与维护模块设计齿轮箱信号分析与故障诊断软件系统用TurboC与汇编语言编写。为节省主机内存,系统在西文DOS下运行,汉字显示采用专门编制的C语言函数实现。整个软件系统的功能如图2所示:信号采集模块实现获取数据的功能,可采用两种方法:(1)设定采样频率后,从A/D板采样,将采样数据以文件形式写入内存。(2)从原来采样后建立的软盘数据文件中把采样通道、采样频率及采样数据调入内存。信号分析模块包括“三谱二时域”综合法的所有功能,实现齿轮箱故障的精密诊断。故障诊断模块中的趋势分析是利用数据库中多次测量存储的数据,对设备的性能劣化进行趋势分析,实现齿轮箱的预测维修。振动烈度分析直观地显示了设备各测点的振动烈度,由此可以确定设备当前的工作情况。共振解调模块对齿轮箱信号进行共振解调分析,可弥补齿轮箱同时存在多个故障时其它振动分析方法无法有效诊断的不足。数据库建立与维护模块统筹管理各时期的历史数据,能进行排序。查找等功能,以便工程技术人员进行分析处理。4齿轮箱主传动轴共振解调波分析应用该故障诊断系统对某齿轮箱1号主传动齿轮的断齿故障进行了分析,取得了较好的诊断效果。齿轮箱主传动轴转速为1250转/分,计算出其故障特征频率为201.6Hz.对其共振解调波进行频谱分析的结果如图3所示,从图3上频率为200Hz处的谱峰及其二、三阶谐波400Hz、600Hz处的谱峰,可以确定1号齿轮出现了故障,分析结论与实际结果完全吻合。5共振解调技术经过多次对齿轮箱典型故障的分析与诊断,该系统都取得了令人满意的结果,证明该系统方法可靠、性能先进、操作简便、造价低.具有推广应用价值。虽然齿轮箱信号分析与故障诊断系统并不罕