田海勇, 王靖岳, 李建剛

(1.中車大同電力機(jī)車有限公司，山西 大同 037038；2.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；3.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實驗室，吉林 長春 130025)

0 引言

機(jī)械傳動系統(tǒng)中使用最廣泛的設(shè)備之一就有齒輪箱，其經(jīng)常發(fā)生故障的主要零部件有齒輪、軸承和軸等。由于背景噪聲的影響，使得復(fù)合故障特征的分離與提取變得異常困難[1]。同時，齒輪箱故障信號的數(shù)據(jù)量較大，經(jīng)常需要復(fù)雜的矩陣運(yùn)算以及對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行顯示才能得到故障診斷的結(jié)果。

MATLAB具有強(qiáng)大的計算功能，在信號處理方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。但MATLAB也存在一些不足之處，它在界面開發(fā)以及用戶交互方面尚有欠缺，并且其不能脫離軟件的編譯環(huán)境而獨(dú)立運(yùn)行[2]，而具有面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想和良好用戶界面的VB軟件就能很好地解決這一問題。但VB中提供的數(shù)學(xué)函數(shù)的種類較少，不足以滿足一個功能齊全的大型診斷系統(tǒng)[3]。為此，本文將VB與MATLAB相結(jié)合，通過混合編程來實現(xiàn)齒輪箱復(fù)合故障診斷系統(tǒng)的無縫集成設(shè)計，該系統(tǒng)能夠避免MATLAB中大量的復(fù)雜程序命令，縮短開發(fā)周期，提高工作效率，通過對齒輪箱中齒輪點(diǎn)蝕-磨損復(fù)合故障實例分析驗證了系統(tǒng)的正確性，這對于實際故障診斷具有一定的指導(dǎo)意義。

1 VB與MATLAB的混合編程方法

目前，實現(xiàn)VB與MATLAB混合編程的方法有許多，包括Matrix VB技術(shù)、利用M文件、DDE技術(shù)以及ActiveX技術(shù)[4]。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如Matrix VB技術(shù)中包含的函數(shù)有限，不能滿足所有的運(yùn)算功能；利用M文件的方法靈活性較差，并且安全性較低；DDE技術(shù)會使程序的代碼數(shù)量增加，從而增加運(yùn)算時間，降低運(yùn)算效率；ActiveX技術(shù)具有自動化程度和執(zhí)行效率較高、編程思想簡單、占用系統(tǒng)資源較少、數(shù)據(jù)交換能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5,6]。因此，通過比較分析，本文選擇ActiveX技術(shù)實現(xiàn)VB與MATLAB的混合編程。

COM組件的自動化服務(wù)器既能與MATLAB兼容，又能嵌入ActiveX協(xié)議，并且VB也支持ActiveX自動化控制端的協(xié)議。因此，自動化協(xié)議連接可以在VB與MATLAB之間建立。為了使兩者之間能夠進(jìn)行信息互通互聯(lián)，對MATLAB程序的調(diào)用可以用VB實現(xiàn)[7,8]。在創(chuàng)建ActiveX自動化協(xié)議時，通過以下語句在VB中實現(xiàn)兩者之間的聯(lián)系[9,10]，即：

Dim Matlab as Object

Set Matlab=CreateObject(“Matlab.Application”)

2 復(fù)合故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

2.1 界面的總體設(shè)計

在設(shè)計復(fù)合故障診斷系統(tǒng)時，首先要考慮該系統(tǒng)的主要功能，既要有讀取信息、信號預(yù)處理和故障診斷等模塊，還要使界面的總體設(shè)計簡潔明了。為了便于今后系統(tǒng)的修改與拓展，必須保證各功能模塊之間互不干擾。本文基于改進(jìn)變分模態(tài)分解方法(Improved Variational Mode Decomposition，IVMD)和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)的復(fù)合故障診斷方法，以齒輪箱中齒輪點(diǎn)蝕-磨損復(fù)合故障為例，將齒輪箱復(fù)合故障診斷系統(tǒng)設(shè)計為4大功能模塊，即登錄模塊、信息采集模塊、幅值域分析模塊和EMD與IVMD分析模塊。

2.2 系統(tǒng)的登錄界面(主界面)

為防止數(shù)據(jù)泄露，保證系統(tǒng)的安全性，設(shè)計了系統(tǒng)登錄模塊。如果賬號或密碼中有一個輸入錯誤，則齒輪箱復(fù)合故障診斷系統(tǒng)會彈出提示“賬號或密碼輸入錯誤，請再次輸入！”，兩者都同時輸入正確后，則會進(jìn)入系統(tǒng)的主界面，如圖1所示。在系統(tǒng)的菜單欄中除了主要功能模塊之外，還包括幫助與退出功能。幫助功能主要用于與系統(tǒng)開發(fā)者進(jìn)行聯(lián)系，獲得系統(tǒng)使用和修改等方面的建議；選擇退出功能能夠直接退出系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)的登錄界面(主界面)

2.3 信息采集模塊

登入到系統(tǒng)主界面后，信息采集應(yīng)首先完成。數(shù)據(jù)以.txt的形式保存在計算機(jī)的某目錄下。點(diǎn)擊菜單欄的信息采集模塊，彈出界面，該模塊還包含了頻率計算功能。在此界面下輸入相關(guān)的試驗參數(shù)，單擊信息讀取并計算的按鈕，則所選擇的故障數(shù)據(jù)會在數(shù)據(jù)顯示控件中出現(xiàn)，同時計算出齒輪軸轉(zhuǎn)頻與嚙合頻率，如圖2所示。

圖2 讀取數(shù)據(jù)前后的信息采集模塊界面顯示

2.4 幅值域分析模塊

在讀取齒輪箱故障數(shù)據(jù)之后，需要對其進(jìn)行幅值域分析，包括時域、頻域和時頻域分析。單擊下拉菜單欄中的幅值域分析模塊，選中時域和頻域分析，單擊運(yùn)行按鈕，在相應(yīng)的控件中會顯示故障數(shù)據(jù)的時域和頻域波形，如圖3(a)所示；單擊返回按鈕，選擇時頻域分析，再單擊運(yùn)行按鈕，在對應(yīng)的控件中會顯示故障數(shù)據(jù)的不同時頻譜圖，如圖3(b)所示。但是從各時頻域圖中可以看到，出現(xiàn)的特征頻率雜亂而且不夠清晰，具體的故障類型難以識別出。

圖3 幅值域分析模塊

2.5 EMD與IVMD分析模塊

2.5.1 EMD分析

單擊菜單欄中的EMD與IVMD分析模塊，在下拉選項中選擇EMD分析，該模塊的主要功能是進(jìn)行降噪處理，同時消除可能存在的虛假模態(tài)分量，為下一步IVMD分析做準(zhǔn)備。EMD分析結(jié)果如圖4(a)所示，同時根據(jù)能量法判斷出了IMF(Intrinsic Mode Function,本征模態(tài)函數(shù))中存在虛假模態(tài)；單擊消除虛假模態(tài)按鈕，系統(tǒng)會根據(jù)能量原理消除虛假模態(tài)并得到新的IMF分量，通過選擇與原始信號具有強(qiáng)相關(guān)性的新IMF分量構(gòu)成CIMF(Complex Intrinsic Mode Function)分量，其界面如圖4(b)所示。

圖4 EMD分析及消除虛假模態(tài)分量界面

2.5.2 參數(shù)k與α的選擇

在EMD與IVMD分析模塊的下拉菜單中單擊基于波形法的值選擇，對上面得到的CIMF分量進(jìn)行VMD(Variational Mode Decomposition)分析，根據(jù)波形法來確定參數(shù)k值的范圍。運(yùn)行后得到的結(jié)果如圖5(a)所示，從中可以獲悉，本例k的取值為小于等于4。

在EMD與IVMD分析模塊的下拉菜單中單擊基于包絡(luò)熵的k與α組合選擇選項，計算不同k與α組合時得到的BLIMF(Band Limited Intrinsic Mode Functions)的包絡(luò)熵值，通過分析，選擇包絡(luò)熵值最小時所對應(yīng)的k與α為IVMD分解的最佳參數(shù)組合。運(yùn)行結(jié)果如圖5(b)所示，當(dāng)k=4,α=1 000時為IVMD分解的最佳參數(shù)組合。

圖5 基于波形法與包絡(luò)熵的參數(shù)選擇

2.5.3 IVMD分析及故障診斷

單擊EMD與IVMD分析模塊，選擇IVMD分析選項。首先，在參數(shù)選擇框的下拉菜單中選擇，然后單擊運(yùn)行按鈕， CIMF分量經(jīng)IVMD分解得到的BLIMF分量及其對應(yīng)的頻譜圖如圖6(a)所示。單擊EMD與IVMD分析模塊下的故障特征提取選項，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)并提取故障特征頻率，如圖6(b)所示。與大齒輪點(diǎn)蝕故障特征頻率相近的特征頻率及其倍頻從BLIMF1和BLIMF4的包絡(luò)解調(diào)譜中獲取，與小齒輪磨損故障特征頻率相近的特征頻率及其倍頻從BLIMF2和BLIMF3的包絡(luò)解調(diào)譜中獲取，同時給出了故障診斷結(jié)果及其故障原因與預(yù)防措施。

圖6 IVMD分析及故障診斷界面

3 結(jié)束語

本文將VB與MATLAB相結(jié)合，在EMD與IVMD復(fù)合故障診斷方法的基礎(chǔ)上設(shè)計了一個齒輪箱復(fù)合故障診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)主界面以及各功能模塊是通過VB編寫完成的，對MATLAB的調(diào)用是利用ActiveX技術(shù)實現(xiàn)的，使得該診斷系統(tǒng)能夠有效地完成故障信息采集、幅值域分析以及復(fù)合故障診斷等功能，并縮短了程序開發(fā)周期、提高了工作效率。