摘 要：該裝置提出一種同步齒輪箱初始故障的在線監(jiān)測與診斷的裝置，即可以在設備的運行中或基本不拆卸全部設備的情況下監(jiān)測出問題的裝置。該裝置與故障診斷專（家）系統與診斷技術相結合，使監(jiān)測系統的安全性和穩(wěn)定性得到保障，更便于工作人員操作使用。

關鍵詞：變參數共振解調信號處理箱；專家系統

中圖分類號：F49文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2012）03-0245-02

1 前言

為了了解和掌握設備在使用中的狀態(tài)我們往往需要在設備進行不拆卸的情況下對其進行檢測，然后通過檢測的數據以及依靠人工經驗等手段對設備進行診斷。本專家系統的目的就是實現計算機對機械的自動診斷，盡量減輕、代替部分技術人員的工作。該裝置旨在克服人工技術不準確的缺陷，提供一種便于操作的、可早期發(fā)現設備故障及原因、并早期預報設備發(fā)展情況的這樣一種同步齒輪箱初始故障的在線監(jiān)測與診斷裝置。

2 裝置構成

狀態(tài)監(jiān)測與診斷主要原理是通過監(jiān)測振動信號對故障進行分析，主要有硬件和軟件兩個部分，考慮監(jiān)測設備的可擴充性，在實際安裝中要根據需要安裝監(jiān)測齒輪箱的數量，設備增加時只需要增加傳感器和采集模塊便可。

2.1 硬件部分

（1）傳感器。選擇量程50g，頻響1.2-4000Hz的加速度傳感器。

（2）數據采集器。由A/D卡、變參數共振解調信號處理箱構成，其中前者主要采集車輛振動、速度等數據，后者主要采集抗混濾波頻率設定，放大倍數選擇、沖擊信號監(jiān)測等數據。

（3）中心服務器。中心服務器的關鍵就是數據庫，數據庫應選擇擴展性良好、支持分布式計算和集群的數據庫。甲骨文公司是世界上最流行的關系數據庫系統，它是物理上存放于網絡的多個ORACLE數據庫，邏輯上可以看成一個單個的大數據庫。需要時只需將該角色授予一個用戶或一組用戶，這樣可以降低安全機制的負擔和成本。

（4）硬件連接圖。如圖1所示，即將幾個加速度傳感器分別裝在同步齒輪箱需要檢測的位置，然后將他們輸出的端與第一N路多路開關及第二N路多路開關的輸入端聯接，其中，第一N路多路開關的輸出公共端“COM”與變參數共振解調信號調理箱相連，連接點是第一子系統和第二子系統的同號輸入端“IN+”，相對應的，第二N路多路開關的輸出公共端“COM”與反號輸入端“IN-”聯接。子系統內部接線是：第一子系統輸出端AH0~AH2分別與A/D轉換卡的輸入端BH0~BH2對應連接；相對應的，第二子系統的輸出端與轉換卡的輸入端BH3~BH5對應連接。A/D轉換卡的輸出端D0~D2n-1通過總線與主控機的PCI擴展槽連接，最后，主控機通過以太網與服務器連接。

該系統包括裝在主控機中的專家系統，以NI-Labview為信號處理軟件平臺，使得整個系統在長期連續(xù)運行的過程中不會出現不正?；蛩罊C的現象，具有很高的品質。該軟件是利用硬件部分監(jiān)測同步齒輪箱的振動情況，通過傳感器將被測部位的信號通過信號調理箱對信號進行處理之后傳入軟件系統進行波形分析處理得出結論。

2.2.1 波形分析

專家系統根據精密診斷分析可供運行管理人員參考，它將直接給出同步齒輪箱工作不正常時的故障信息。如圖2，即實際應用的監(jiān)測畫面，其分析過程如下：首先，由檢測裝置將齒輪箱的震動信號轉換為電信號后經數據采集器把電信號轉換為1024點的時間序列；其次，將此1024點的數字信號進行信號處理，該處理過程分為兩部分，一部分是時域分析，另一部分為頻域分析，在齒輪箱工作不正常時可以打開系統分析軟件，通過觀察振動的時域波形和頻域波形進行分析，也就是說，它們都建立在對波形的分析之上的。下面來介紹一下這兩種波形分析。

2.2.2 時域波形分析

根據現場的實際情況設定報警上限參考值（關于報警系統后面再做研究），然后給出關鍵測點的共振解調輸出的參考值。波形分析的數據主要是給出“幅域參數均值”、“均方根值”、“峰值”、“峰峰值”以及“自相關分析值”和“互相關分析值”等等。將這些數值與參考值進行比較，顯示各測點振動的波動曲線，觀察波動曲線，得出振動的結構分布和總體形狀。在這個分析中要運用多種分析方法，不同信號有不同的自相關函數，這是利用自相關函數進行故障診斷的依據。對經過A/D變換的數字信號而言，采樣所得的是一組離散數據，那么系統中有各種數據均值、均方根值、方差、最大值、最小值、自相關函數、互相關函數的計算公式，由于當有故障的時候，特別是沖擊故障時，自相關函數就會有較大的峰值。將分析計算出來的結果送入故障癥兆分析推理機軟件中，如果解調峰值超出了正常值兩倍說明齒輪箱有故障。

2.2.3 頻域波形分析

頻譜圖是頻域波形分析的最終結果，若有松動現象，則解調峰值高并且一倍頻的幅值較大；若解調峰值高并且頻譜中會有軸承的故障特征頻率說明軸承有故障；若齒輪箱有故障特征，那么，一倍頻域信息明顯，幅度值高且伴有明顯的二倍頻和三倍頻。以軸承為例，軸承外圈與滾動體出現點蝕、剝落等缺陷時，他們之間便會發(fā)生碰撞，反應到振動信號中是一種周期性的強迫振動的脈沖沖擊，其周期為軸承外圈故障特征頻率的倒數。脈沖沖擊引起的強迫振動本身是一般在25kHz以上的高頻振動，而強迫振動強度是十分微弱的，幅度約0.05v，沖擊脈沖寬度不足1微秒，若機械正常振動的各種分量總和約10g左右，而微小沖擊僅為0.01g，我們便可以采用共振解調對這種微沖擊進行檢測。最后，為了保證推理機的判斷的準確性，我們需要從知識庫調出同步齒輪箱正常工作時的各種正常狀態(tài)信息，將它與推理機的結論進行比較。裝置中含有特征頻率計算工具，為配合頻譜分析和專家系統而提供信息，僅需提供采樣序列，計算過程可自動完成，如果信息比較接近說明設備的工作狀態(tài)還需進一步的觀察再做結論，如果對比結論相差較大（一般為兩倍以上），說明推理機的判斷正確，機械有故障，裝置會根據同步齒輪箱的具體運行參數和當前檢測的速度值快速計算出常見故障的特征頻率并給出故障特征，以便根據情況安排檢修。

數據管理即是采用數據庫對數據進行管理，也是一種檔案管理、檔案轉存的功能。前者就是將在線監(jiān)測的數據整理為分鐘數據或者小時數據，包括對這些數據進行數據挖掘、顯示、打印，用以進行趨勢分析及故障預報等分析；后者就是為了便于今后進行比較，對基準比較數據文件或作為設備從裝機運行到檢修整個周期的檔案數據進行保留，作為歷史數據。這種數據管理有存取方便、可根據用戶的需求進行設計的優(yōu)點，其容量僅取決于硬盤的大小，數據可以長期保存也可以根據需要導出任何指定的數據記錄。

4 遠程故障監(jiān)測及報警

本裝置操作系統采用比較穩(wěn)定的WindowsXP服務器操作系統，熟悉該Windows系統的管理人員較多。配合安裝諾頓殺毒軟件、設定定時殺毒進行定期殺毒可以有效防止病毒破壞服務器的軟、硬件。由于采用B/S模式，只要能和局域網連接安裝瀏覽器軟件，具備相應權限都可以訪問該系統，這套系統還有一個優(yōu)點便是可以不加修改地移植到linux操作系統下。

在這套操作系統下該裝置可以輔助建立遠程診斷數據，通過網絡直接將設備狀態(tài)反映到設備部，這樣同步齒輪箱的運行狀態(tài)真正得到受控管理，對設備故障提出預知維修，由于自帶AJAX技術，終端可以自動刷新顯示最新數據，技術人員可直接利用遠程狀態(tài)監(jiān)測系統對同步齒輪箱進行實時的監(jiān)測，避免事故發(fā)生后的搶修，提高設備管理的信息化程度。

除此之外，本裝置還配備了報警系統，在測點布置及位置圖上直接進行振動有效值顯示及超界報警，并且對數據打印輸出、構成設備運行檔案。這部分程序主要通過完成計算多通道的實時信號的均方根值、峭度超標進行報警，在故障的早期時峭度指標變化明顯但穩(wěn)定性不好，均方根值的穩(wěn)定性較好但對早期故障信號不敏感，因此，為了取得較好的效果，將它們同時應用，以兼顧敏感性和穩(wěn)定性。

5 結語

該在線監(jiān)測系統已經在武漢鋼鐵股份公司燒結廠制作的多個風機、電機上穩(wěn)定運行三年，在鄂鋼滾動軸承的監(jiān)測系統中也運行穩(wěn)定至今，這說明了本裝置是一個成功的工業(yè)應用裝置，的確具有便于操作、準確、及時地反映初始故障的特點。但同時我們要了解一點：對某一故障而言，參考依據越多，診斷的精度才會越高，計算機自動診斷不會超越人的經驗。即需要一個信號樣本，只有設備診斷方面的專家能夠通過以上計算方法分析出故障，那么計算機才有可能自動診斷出故障，如果人工不能分析出故障，也不能期望計算機能自動發(fā)明出新的方法去發(fā)現或者分析出故障。所以計算機只是代替人做了部分工作，期望計算機比人更智能的想法是錯誤的，我們需要多根據實際情況，多采取數據并進行計算、核實并發(fā)現其中更多的規(guī)律及可靠的參考數據，將其用于豐富專家監(jiān)測系統，提高其診斷精度。

參考文獻

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