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        齒輪箱點(diǎn)蝕的在線故障診斷系統(tǒng)

        2015-04-26 08:24:50晉敏潘宏俠楊倩倩白慧芳
        機(jī)床與液壓 2015年9期
        關(guān)鍵詞:希爾伯特齒輪箱對話框

        晉敏,潘宏俠,楊倩倩,白慧芳

        (中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,山西太原 030051)

        0 前言

        隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和飛速發(fā)展的現(xiàn)代化生產(chǎn),機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜,同時(shí)其自動(dòng)化的程度也越來越高。在這種情況下,由于實(shí)際過程中很多無法避免的因素的影響,有時(shí)機(jī)械設(shè)備會(huì)出現(xiàn)各種各樣的不同類型故障,甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的事故[1]。

        由于小波分析同時(shí)具有時(shí)域和頻域分析能力,而且具有可變的時(shí)頻分辨率,因此能夠?qū)Ψ瞧椒€(wěn)信號(hào)進(jìn)行很好的分析。齒輪傳動(dòng)是機(jī)械設(shè)備中最常用的傳動(dòng)方式,齒輪失效又是誘發(fā)其故障的重要因素。在生產(chǎn)中,由于小故障未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而釀成設(shè)備事故,帶來經(jīng)濟(jì)損失的事例屢見不鮮;故對齒輪運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測和故障診斷,對降低設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用、防止突發(fā)事故具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

        齒輪的故障常常表現(xiàn)在振動(dòng)狀態(tài)方面,因此對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測是齒輪故障診斷的主要方法,小波作為一種時(shí)頻分析的信號(hào)處理方法,在齒輪振動(dòng)信號(hào)分析中得到了廣泛的應(yīng)用。本文作者主要對齒輪的故障機(jī)制進(jìn)行分析,在對故障機(jī)制進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,對齒輪點(diǎn)蝕故障進(jìn)行了分析,并將小波應(yīng)用于其診斷中,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能有效地識(shí)別故障。

        1 小波分析與Hilbert的基本原理

        小波變換定義為:

        小波變換可理解為對該函數(shù)進(jìn)行帶通濾波,即將信號(hào)分解為一系列帶寬和中心頻率不同的信號(hào)分量的過程[3]。

        當(dāng)a變小時(shí),ψa,b(t)的頻譜)在向高頻部分轉(zhuǎn)移時(shí)其寬度也相應(yīng)增加,因此,小波變換時(shí)頻率愈高,其相應(yīng)的時(shí)間(或空間)的分辨率愈高,但

        頻率分辨率愈低;反之,頻率愈低,在時(shí)域上的分辨率愈低,而頻域上分辨率則上升[3]。所以小波變換能成功克服傅里葉變換的局限性。
        假設(shè)x(t)是連續(xù)的時(shí)間信號(hào),則Hilbert變換可以表示為:

        其中x(t)通過濾波器后的輸出是y(t),假設(shè)濾波器的單位脈沖響應(yīng)表示[4]為h(t)=,則x(t)就可以表示為:

        式中:A(t)和φ(t)分別表示幅度和相位調(diào)制信息;f0表示載波頻率。

        信號(hào)的Hilbert包絡(luò)可以定義為:

        對信號(hào)做Hilbert分析可以等到信號(hào)的包絡(luò)譜。Hilbert包絡(luò)具有解調(diào)功能[5],對故障信號(hào)可以進(jìn)行解調(diào),同時(shí)利用Hilbert分析可以得到比較清晰的結(jié)果。

        2 齒輪發(fā)生點(diǎn)蝕的機(jī)制

        機(jī)械故障中有60%的故障是由齒輪箱故障引起的,因此對齒輪箱進(jìn)行故障診斷具有重要的意義。由于在設(shè)計(jì)加工過程中以及安裝調(diào)試和潤滑等方面不完善,齒輪箱經(jīng)常發(fā)生故障,常見的主要有有點(diǎn)蝕、輪齒折斷等故障。點(diǎn)蝕故障是指齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),齒面在周期性應(yīng)力的長期作用下,齒表面金屬會(huì)慢慢剝落,形成小凹坑;如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理,點(diǎn)蝕故障繼續(xù)發(fā)展,會(huì)變成斷齒、輪齒折斷等嚴(yán)重故障,導(dǎo)致與其連接的齒輪變形甚至折斷,嚴(yán)重時(shí)甚至整個(gè)齒輪箱失效[6]。

        當(dāng)齒輪箱發(fā)生點(diǎn)蝕故障時(shí),其頻譜中的嚙合頻率及其二、三次諧波附近的邊帶頻都會(huì)有明顯的增長,這是因?yàn)樵诎l(fā)生點(diǎn)蝕時(shí),在其振動(dòng)信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)一定帶寬的隨機(jī)分量,與主頻帶信號(hào)疊加在一起。

        試驗(yàn)中的研究對象為JZQ250型齒輪箱,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)輸出軸經(jīng)由聯(lián)軸器與齒輪箱的輸入軸相連,再經(jīng)過齒輪箱傳動(dòng),傳遞動(dòng)力于磁粉制動(dòng)器。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,轉(zhuǎn)速比為1∶2,大齒輪齒數(shù)為60,小齒輪齒數(shù)為30,可以計(jì)算出減速箱的嚙合頻率為600 Hz,其二、三次諧波分別為1 200 Hz、1 800 Hz。根據(jù)對故障機(jī)制的分析,對采集的信號(hào)首先進(jìn)行單層次小波分解,從小波系數(shù)無法直接判斷是否發(fā)生故障,因此需要對小波系數(shù)進(jìn)一步處理。

        希爾伯特變換已廣泛應(yīng)用于齒輪故障診斷中,這是因?yàn)槔孟柌刈儞Q可以得到信號(hào)的復(fù)包絡(luò),此復(fù)包絡(luò)只包含信號(hào)的調(diào)制信息,無載頻成分[4]。即去除了常規(guī)振動(dòng)分量,僅保留故障信息。由于齒輪的故障信息主要體現(xiàn)在高頻,即細(xì)節(jié)信號(hào)上,因此對小波分解的細(xì)節(jié)信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換,求出其包絡(luò)譜。

        編寫程序,并在Matlab中運(yùn)行,程序運(yùn)行結(jié)果如圖1—3所示。

        圖1 正常和故障振動(dòng)信號(hào)

        圖2 信號(hào)的小波分解

        圖3 信號(hào)的包絡(luò)譜分析

        從圖1中無法直接判斷信號(hào)是否有故障,在對其做小波分解后,如圖2所示,發(fā)現(xiàn)仍然無法判斷設(shè)備當(dāng)前是否正常運(yùn)行。通過對故障機(jī)制的分析以及希爾伯特變換的良好性質(zhì),決定采用對小波變換系數(shù)求包絡(luò)譜的方法來判斷是否存在故障。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯地看出,其振動(dòng)信號(hào)頻譜中的嚙合頻率及其二、三次諧波附近的邊頻帶都會(huì)有明顯的增長。

        3 VC環(huán)境中界面設(shè)計(jì)及故障診斷

        要實(shí)現(xiàn)VC集成環(huán)境中調(diào)用MATLAB引擎,完成所需要的運(yùn)算與繪圖,需要在VC環(huán)境中做一些設(shè)置。

        (1)目錄設(shè)置

        ①添加頭文件目錄

        首先啟動(dòng)VC,選擇菜單“工具”--->“選項(xiàng)”,此時(shí)將彈出“選項(xiàng)”對話框。在選項(xiàng)對話框中,選擇“目錄”屬性頁,確認(rèn)“目錄”中下拉列表中選擇的是”Include file”,然后添加目錄“MATLABEXTERNINC-LUDE”;最后點(diǎn)擊“確定”按鈕確認(rèn)添加。

        ②添加庫文件目錄

        在選項(xiàng)對話框中,選擇“目錄”屬性頁,確認(rèn)“目錄”中下拉列表中選擇的是“Library file”,然后添加目錄“MATLABEXTERNLIBWIN32MICROSOFTMSVC60”;最后點(diǎn)擊“確定”按鈕確認(rèn)添加。

        (2)添加庫文件

        首先創(chuàng)建一個(gè)名為“jiemian”的基于對話框的VC工程。

        選擇菜單中的“工程”--->“增加到工程”--->“文件”命令,將打開“插入文件到工程”對話框。在對話框中,在“文件類型”列表框中選擇“Library Files(.lib)”,然后將目錄MATLABEXTERNLIBWIN32MICROSOFTMSVC60中的libeng.lib和libmx.lib庫文件添加到工程文件中,如圖4所示。

        圖4 在選項(xiàng)對話框中添加庫文件目錄

        (3)界面設(shè)計(jì)

        在“jiemian”框體上添加三個(gè)按鈕控件,更改說明(Caption)分別為“時(shí)域圖”、“小波變換圖”、“希爾伯特圖”,此時(shí)的對話框框體如圖5所示。

        圖5 jiemian的框體設(shè)計(jì)圖

        (4)添加按鈕響應(yīng)函數(shù)

        在“時(shí)域圖”、“小波變換圖”、“希爾伯特圖”的按鈕上分別雙擊,VC集成環(huán)境就會(huì)自動(dòng)生成該按鈕的相應(yīng)函數(shù),并把光標(biāo)定位到該相應(yīng)函數(shù)的代碼處,在此進(jìn)行代碼編輯。編輯對應(yīng)的代碼,編譯,運(yùn)行,即可在VC環(huán)境中生成界面進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理。點(diǎn)擊時(shí)域圖、小波變換圖、希爾伯特圖運(yùn)行結(jié)果如圖6—8所示。

        圖6 時(shí)域圖

        圖7 小波變換圖

        圖8 希爾伯特圖

        (5)添加規(guī)則庫

        設(shè)定規(guī)則庫是為了用于診斷,本規(guī)則庫是手動(dòng)輸入。該規(guī)則庫設(shè)計(jì)到添加、修改、刪除,通過這面操作做到對規(guī)則庫的管理。本規(guī)則庫的規(guī)則存入TXT文件,每當(dāng)要使用規(guī)則時(shí),先把規(guī)則加載存入一個(gè)data[][]的二維數(shù)組,然后通過操作該二維數(shù)據(jù)達(dá)到對該規(guī)則庫的添加、修改和刪除。加載的界面如圖9所示。

        圖9 加載規(guī)則庫界面

        添加代碼設(shè)計(jì)的界面如圖10所示。

        圖10 添加規(guī)則庫

        修改規(guī)則庫的代碼與界面如圖11所示。

        圖11 修改規(guī)則庫界面

        診斷的基本原理是通過對比提取的參數(shù)與規(guī)則庫里設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對比來判斷所分析的特征參數(shù)是否在規(guī)則庫范圍之內(nèi),如果超出就判斷錯(cuò),否則是正確。最后再給一個(gè)總的判斷,如果存在一個(gè)錯(cuò)誤,給出該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在故障的警告??梢栽\斷的結(jié)果輸出,存入TXT文檔。界面如圖12所示。

        圖12 加載提取的特征值

        診斷結(jié)果如圖13所示。

        圖13 診斷結(jié)果界面

        該設(shè)計(jì)中有兩處輸出TXT文件,分別是提取特征參數(shù),導(dǎo)出特征參數(shù)值,進(jìn)行診斷,保存診斷結(jié)果?;镜乃枷胧?,創(chuàng)建TXT文件,然后寫入,得到輸出TXT文件。

        4 結(jié)論

        介紹了齒輪箱點(diǎn)蝕故障原理,采用MATLAB對信號(hào)進(jìn)行小波分解和希爾伯特變換,可以很好地辨識(shí)點(diǎn)蝕故障。在VC6.0開發(fā)環(huán)境下調(diào)用MATLAB引擎進(jìn)行簡單的界面設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)規(guī)則庫診斷故障。結(jié)果證明,在VC6.0里設(shè)計(jì)的界面可行并可診斷故障。所設(shè)計(jì)的界面可行。

        [1]韓清凱,于曉光.基于振動(dòng)分析的現(xiàn)代機(jī)械故障診斷原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

        [2]鮑明,趙淳生,齒輪故障診斷技術(shù)的研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),1992,24(5):566-572.

        [3]徐帥英,王細(xì)洋,孫偉.基于小波變換的齒輪箱故障診斷[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2012,54(2):66-71.

        [4]周桂平,王宏.小波包與Hilbert分析法在旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2012,54(10):84-90.

        [5]王朝暉,張來斌,樊長博.基于EMD和HT時(shí)頻分析方法的滾動(dòng)軸承故障診斷[J].石油機(jī)械,2007,35(5):32-34.

        [6]周培毅,袁鐵江,張華中.基于小波包的風(fēng)力機(jī)齒輪箱點(diǎn)蝕故障診斷[J].陜西電力,2013,41(10):10-13.

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