魏協(xié)奔，林 蓉，鄭 文，孫培明，林若波

（1.揭陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東揭陽 522000；2.汕頭大學(xué)，廣東汕頭 515021；3.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 前言

齒輪箱廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備中，是機(jī)器設(shè)備的關(guān)鍵部件，齒輪箱一旦發(fā)生故障，便會(huì)引起機(jī)器設(shè)備的嚴(yán)重失效，因此，對齒輪箱進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷研究是非常必要的。當(dāng)前齒輪箱的故障診斷方法主要有振動(dòng)與噪聲分析、扭振分析、油液分析、聲發(fā)射測試、溫度及能耗監(jiān)測等，其中振動(dòng)噪聲診斷是齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷最常用的方法。齒輪箱中的軸、齒輪和軸承在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)；一旦發(fā)生故障，其振動(dòng)噪聲信號的能量分布和頻率成分將會(huì)發(fā)生變化[1]。噪聲信號是齒輪箱故障特征的載體，對其狀況進(jìn)行分析，可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)操作狀態(tài)下的故障診斷，大大降低了停機(jī)損失。振動(dòng)噪聲分析故障診斷系統(tǒng)安全可靠、技術(shù)成熟、價(jià)格便宜、操作相對簡單，在齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。

近年來迅速發(fā)展的虛擬儀器技術(shù)給計(jì)算機(jī)測試與控制領(lǐng)域帶來變革。虛擬儀器(Virtual Instru?ment,VI)的概念是美國NI(National Instrument)公司于1986年首先提出的；其基本思想是在一定的硬件環(huán)境支持下，通過編制和執(zhí)行不同的軟件，實(shí)現(xiàn)各種用戶定義的儀器或測試功能。即同一硬件資源下，通過運(yùn)行不同的軟件，實(shí)現(xiàn)不同的儀器功能，儀器的功能被部分地(或全部)“軟化”，軟件成了核心問題，于是有“軟件就是儀器”的說法。由于虛擬儀器技術(shù)是建立在當(dāng)今最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)基礎(chǔ)上的，技術(shù)更新快，系統(tǒng)的測量精度、測量速度和可重復(fù)性都大大提高。作為NI公司的圖形化編程環(huán)境LabVIEW，不僅繼承了傳統(tǒng)編程語言中的結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的優(yōu)點(diǎn)，還使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，使用圖標(biāo)表示功能模塊，使用圖標(biāo)間的連線表示在各功能模塊間傳遞的數(shù)據(jù)，使得編程過程與思維過程非常近似[2]。

1 齒輪箱噪聲的來源

齒輪箱中主要包括齒輪、軸承、軸和箱體四部分；各類零部件損壞比例為：齒輪60%，軸承19%，軸10%，箱體7%，緊固件3%，油封1%；由此可見由于齒輪失效而導(dǎo)致的故障占了很大比例[3]。齒輪是系統(tǒng)的主噪聲源，齒輪嚙合過程中的摩擦和沖擊是齒輪產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的主要原因。

實(shí)際工程應(yīng)用中的齒輪不可避免地存在著制造誤差與安裝誤差，在載荷的作用下輪齒還會(huì)發(fā)生變形。這些誤差和變形破壞了齒輪傳動(dòng)的嚙合關(guān)系，使齒輪嚙合時(shí)的位置相對于其理論位置發(fā)生偏離，以致齒輪傳動(dòng)瞬時(shí)傳動(dòng)比發(fā)生變化，齒輪嚙合不平穩(wěn)，造成齒與齒之間發(fā)生碰撞或沖擊，從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲[4]。齒輪箱齒輪噪聲的產(chǎn)生如圖1所示，由于動(dòng)態(tài)嚙合力的激勵(lì)，使齒輪系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲。

圖1 齒輪噪聲的產(chǎn)生

2 系統(tǒng)的硬件組成及原理

本系統(tǒng)通過噪聲信號收集裝置把噪聲信號轉(zhuǎn)為電壓信號輸入到信號采集模塊中對信號進(jìn)行處理，然后把信號的動(dòng)態(tài)圖輸送到計(jì)算機(jī)里，在基于LabVIEW平臺開發(fā)的虛擬儀器版面設(shè)置按鈕，配置軟件以及硬件模塊參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)顯示界面對噪聲信號進(jìn)行顯示、分析以及故障診斷。

圖2 噪聲測試與分析系統(tǒng)硬件組成

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

噪聲測量與分析系統(tǒng)由噪聲信號收集裝置TES-1352A聲級計(jì)、加速度傳感器ENTEK9300、信號采集模塊NI9234、高速USB模塊NI USB-9162和計(jì)算機(jī)組成。測試時(shí)，TES-1352A聲級計(jì)所采集的聲音信號轉(zhuǎn)化為電壓信號傳輸?shù)絅I9234，通過及高速USB模塊NI USB-9162與計(jì)算機(jī)連接，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)行設(shè)計(jì)好的LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示與分析。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四通道采集，在系統(tǒng)測試中同時(shí)把振動(dòng)傳感器ENTEK9300接入系統(tǒng)中，聲音與振動(dòng)信號同時(shí)采集，讓系統(tǒng)更加完善。測試裝置工作原理圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)齒輪箱噪聲檢測系統(tǒng)的要求，本系統(tǒng)的任務(wù)是完成四通道聲音噪聲以及振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、分析與處理、顯示、存取和報(bào)警等，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。采用Lab?VIEW8.6作為編程環(huán)境，其設(shè)計(jì)包括前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)。

對于噪聲及振動(dòng)信號的測試，一般有兩種形式：在線式與離線式。在線式就是對采集的數(shù)據(jù)以波形圖、頻譜圖、各種數(shù)值等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，它所反映的是被測對象的實(shí)時(shí)狀態(tài)，一般用于被測對象的實(shí)時(shí)監(jiān)測。離線式是先采集所需要的數(shù)據(jù)并保存起來，然后再調(diào)出來進(jìn)行信號的振動(dòng)分析，最后通過分析結(jié)果來判斷被測對象的性能狀態(tài)。而本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既可進(jìn)行在線式監(jiān)測，也可進(jìn)行離線式分析。

4 系統(tǒng)前面板的設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)平臺采用LabVIEW，它是一種優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)平臺。在此開發(fā)環(huán)境下，很容易建立圖形用戶界面，用戶可以通過前面板來進(jìn)行一系列的測試操作，方便了用戶的自動(dòng)化測試[5]。而且，設(shè)計(jì)出來的前面板簡潔、美觀，其中前面板主要包括參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、離線數(shù)據(jù)記錄以及報(bào)警記錄等。圖4顯示的是齒輪箱噪聲檢測及分析系統(tǒng)前面板。

圖4 齒輪箱噪聲檢測及分析系統(tǒng)前面板

5 系統(tǒng)程序框圖的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序框圖設(shè)計(jì)主要包括參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊以及報(bào)警模塊。

（1）參數(shù)配置模塊：參數(shù)配置模塊用以設(shè)定數(shù)據(jù)采集卡通道、濾波器、報(bào)警子系統(tǒng)等各類相關(guān)參數(shù)。它是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行前必要的準(zhǔn)備。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊：通過“啟動(dòng)采集”和“停止采集”按鈕是用來控制采集工作的開始和完成，另外還包括數(shù)據(jù)的保存功能。

（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊可以對被測對象進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。其用戶界面分為兩部分，一部分是四條通道的原始數(shù)據(jù)同時(shí)在時(shí)域波形和自功率譜上顯示，即在同一時(shí)間里，界面上顯示四條不同的曲線；另外一部分是根據(jù)用戶的選擇，在時(shí)域波形和自功率譜上單獨(dú)顯示所選擇通道的數(shù)據(jù)。

圖5 斷齒齒輪箱噪聲圖

（4）數(shù)據(jù)保存模塊：系統(tǒng)對所采集的數(shù)據(jù)是以TDMS格式保存下來。

（5）數(shù)據(jù)讀取模塊：數(shù)據(jù)讀取模塊是讀取之前在數(shù)據(jù)采集過程中，以TDMS文件格式保存下來的數(shù)據(jù)，所讀取的數(shù)據(jù)同樣以時(shí)域波形和自功率譜的形式展現(xiàn)，以便進(jìn)行離線分析。

（6）報(bào)警模塊：報(bào)警子系統(tǒng)的用戶界面上，有報(bào)警歷史、報(bào)警數(shù)顯示欄、清除報(bào)警記錄按鈕、報(bào)警上限和實(shí)時(shí)監(jiān)測值兩根測量計(jì)。其中，在報(bào)警歷史上，用戶可在上面清楚看到報(bào)警發(fā)生的具體時(shí)間以及被報(bào)警數(shù)據(jù)的數(shù)值大小。

6 齒輪箱噪聲檢測系統(tǒng)試驗(yàn)

噪聲檢測系統(tǒng)用于對齒輪箱中齒輪噪聲信號的檢測和分析，從而判斷齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)或故障原因，通過與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的比較，及時(shí)得出行之有效的下一步解決方案，以防止或解決故障的發(fā)生。通過對實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺斷齒的齒輪箱檢測來驗(yàn)證齒輪箱噪聲檢測系統(tǒng)。

斷齒是齒輪嚴(yán)重的失效形式，也是比較常見的。在齒輪箱轉(zhuǎn)速為600 r/min的情況下，利用噪聲檢測系統(tǒng)所測得到的頻譜如圖5所示。從頻域圖中可以看出在2倍嚙合頻率和3倍嚙合頻率附近出現(xiàn)明顯的斷齒齒輪轉(zhuǎn)頻成分及高次諧波。從時(shí)域圖中可以明顯看出間斷沖擊的特點(diǎn)，每隔一段時(shí)間（斷齒齒輪轉(zhuǎn)頻的倒數(shù)）便出現(xiàn)一次尖峰，波峰出現(xiàn)很明顯的沖擊特征，這與齒輪斷齒處嚙合時(shí)的沖擊是對應(yīng)的[6]。由此可見，用噪聲測量分析裝置可以很方便地檢測出齒輪的故障。

7 結(jié)論

從試驗(yàn)結(jié)果中可以得出，本文所設(shè)計(jì)的齒輪箱噪聲檢測系統(tǒng)在頻譜分析中能直觀地反映齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)、故障類型及故障位置；在采集齒輪故障信號方面比振動(dòng)測量有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，所采集得到的信號清晰、干擾小；如果條件允許，將背景雜音有效屏蔽將可得到更為準(zhǔn)確清晰的信號頻譜數(shù)據(jù)。而且，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在線與離線兩種狀態(tài)下的信號采集與分析，同時(shí)具有多路數(shù)據(jù)同時(shí)采集與保存、歷史數(shù)據(jù)查詢、齒輪箱進(jìn)行在線監(jiān)測以及振動(dòng)量超值報(bào)警等功能。由此可見，齒輪箱噪聲檢測系統(tǒng)在實(shí)際的齒輪箱噪聲檢測及分析中具有很好的應(yīng)用前景。

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［3］沈慶根，鄭水英.設(shè)備故障診斷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［4］何韞如，宋福堂.齒輪與齒輪箱振動(dòng)噪聲機(jī)理分析及控制 ［J］.振動(dòng)、測試與診 斷 ，1998（09）：221-226.

［5］權(quán)維利，姚曉先，林凡.基于LabView和DSP的數(shù)字舵機(jī)測控系統(tǒng)研究［J］.機(jī)床與液壓，2009（04）：102-105.

［6］王志強(qiáng)，王新晴，侯燦明.基于邊頻帶理論的齒輪箱故障診斷［J］.礦山機(jī)械，2004（07）：97-100.