王軍　董紹江　劉偉

摘 要：針對(duì)齒輪箱動(dòng)態(tài)性能測試及故障診斷的問題，文章利用LabVIEW搭建了包含信號(hào)采集、信號(hào)讀取和信號(hào)分析等模塊的齒輪箱測試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的采集、讀取和自相關(guān)運(yùn)算和頻譜測量。并結(jié)合對(duì)齒輪箱有限元模型的分析結(jié)果，分析出齒輪箱發(fā)生故障的位置及對(duì)齒輪箱箱體的影響。

關(guān)鍵詞：齒輪箱；故障檢測；有限元；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TN911-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）23-0066-02

1 概 述

齒輪箱作為機(jī)械設(shè)備中一種必不可少的連接和傳遞動(dòng)力的通用零部件，對(duì)齒輪進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測試以便于故障診斷具有重要意義。齒輪箱的測試診斷一般是指通過加速度傳感器對(duì)齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，然后對(duì)采集的信到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，在根據(jù)處理的結(jié)果來推斷齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)以及對(duì)其故障的發(fā)生位置、故障類型、產(chǎn)生原因等進(jìn)行分析研究[1-2]。

2 齒輪箱測試平臺(tái)的搭建

2.1 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 傳感器的選擇

本系統(tǒng)選擇的壓電式加速度傳感器型號(hào)為ICP型美國 PCB壓電式加速度傳感器，其靈敏度為100 mv/g，測量范圍 50 g，頻響范圍0.3 Hz～10 kHz 。該傳感器的實(shí)物圖[3-4]，如圖1所示。

2.1.2 信號(hào)采集儀器的配置

選取的信號(hào)采集儀為美國晶鉆CoCo-P02配有8個(gè)輸入通道，每通道采樣率可高達(dá)102.4 kHz，實(shí)物圖，如圖2所示。

2.2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文齒輪箱測試系統(tǒng)軟件以LabVIEW作為軟件平臺(tái)。

2.2.1 總體方案設(shè)計(jì)

該測試系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集和處理工作。主要包括信號(hào)采集和信號(hào)處理模塊。由于本測試系統(tǒng)的硬件部分選取了CoCo-P02數(shù)據(jù)采集儀，該采集儀本身就能完成數(shù)據(jù)的采集和簡單的數(shù)據(jù)分析工作。同時(shí)，其強(qiáng)大的接口功能允許用戶通過USB接口將它與個(gè)人電腦相連，將采集到的數(shù)據(jù)下載保存，然后利用其他軟件進(jìn)行信號(hào)分析。

因此，本系統(tǒng)利用LabVIEW軟件直接讀取前端信號(hào)采集儀采集到的數(shù)據(jù)，然后編寫相應(yīng)的分析程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)故障信號(hào)的分析處理。引用了美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)采集到的齒輪箱軸承的故障信號(hào)，進(jìn)行后續(xù)分析，最終完成了測試系統(tǒng)的軟件部分。軟件功能主要包括兩部分：信號(hào)讀取、信號(hào)分析。

2.2.2 信號(hào)的采集模塊

由于信號(hào)采集部分時(shí)直接引用的美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集模塊的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集和對(duì)采集數(shù)據(jù)的保存，為后續(xù)的信號(hào)處理與分析提供可靠的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)工作之前，要先進(jìn)行采集參數(shù)設(shè)置，即采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、采樣通道、傳感器靈敏度等基本信息。

2.2.3 信號(hào)讀取模塊

利用LabVIEW中提供的[Read From Text File]模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。其程序模塊和讀取到的信號(hào)，如圖3和圖4所示。

2.2.4 信號(hào)分析模塊

本次分析用到了時(shí)域分析中的自相關(guān)運(yùn)算模塊以及頻域分析中的頻譜測量模塊。

自相關(guān)函數(shù)的一個(gè)重要作用是檢驗(yàn)信號(hào)中是否含有周期信號(hào)。如果信號(hào)中由周期成分，則其自相關(guān)函數(shù)在很大時(shí)都不衰減，并具有明顯的周期性。不含周期成分的隨機(jī)信號(hào)在稍大時(shí)自相關(guān)函數(shù)就趨近零。而正常情況下，齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)都是雜亂的隨機(jī)信號(hào)，當(dāng)齒輪箱內(nèi)部零件如軸承等發(fā)生故障時(shí)會(huì)得到一個(gè)夾雜其中的周期信號(hào)，因此，對(duì)周期信號(hào)的檢測可以基本確定齒輪箱是否發(fā)生故障。

信號(hào)分析的相應(yīng)程序模塊及其對(duì)應(yīng)的波形圖，如圖5和圖6所示。

從原始信號(hào)波形圖可以看到，幅值較低的隨機(jī)信號(hào)中還存在一幅值較大的周期信號(hào)，而且信號(hào)的自相關(guān)分析波形圖也驗(yàn)證了這一結(jié)論。由此便可確定有一周期性故障信號(hào)存在。如圖7和圖8所示。

自相關(guān)分析確定了齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)中存在一個(gè)故障信號(hào)，通過信號(hào)的頻譜分析，可以清楚地看到信號(hào)的頻率成分，從而確定故障信號(hào)的頻率大小。由圖2～8可得到，軸承的故障信號(hào)頻率在270 Hz附近。結(jié)合其模態(tài)圖便可分析得到發(fā)生故障的位置及其對(duì)齒輪箱箱體的影響。

3 結(jié) 語

本課題主要搭建了基于LabVIEW的齒輪箱測試分析系統(tǒng)，編寫了文件讀入程序、信號(hào)分析程序，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的時(shí)域分析及其頻譜分析，確定了軸承故障信號(hào)的基本信息，達(dá)到了預(yù)期的目的。

參考文獻(xiàn)：

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