李俊偉，房建東

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010080）

基于MATLAB的齒輪箱加速度信號(hào)模糊識(shí)別傳感器系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

李俊偉，房建東

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010080）

以齒輪箱加速度傳感器系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)模糊智能辨識(shí)系統(tǒng)，對(duì)加速度進(jìn)行模糊化，構(gòu)建模糊規(guī)則，輸出擬人類語(yǔ)言值?；贛ATLAB軟件平臺(tái)，建立模糊控制規(guī)則并進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了模糊傳感器設(shè)計(jì)的合理性，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

齒輪箱；傳感器；加速度；振動(dòng)

變速箱廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械和狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的核心部件[1]。變速箱是機(jī)械設(shè)備中最常見和最容易損壞的部分，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，齒輪箱故障率已超過(guò)60%[2]。振動(dòng)作為一種載體，反映了齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)，它包含了豐富的機(jī)械設(shè)備故障信息。振動(dòng)特性可以反映機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特點(diǎn)，為了判斷齒輪的運(yùn)行狀態(tài)，分析齒輪振動(dòng)信號(hào)是齒輪故障診斷最有效、最常用的方法[3，4]。

傳統(tǒng)的齒輪箱振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)齒輪箱的振動(dòng)檢測(cè)已進(jìn)入新的階段，但這些技術(shù)仍然離不開人工經(jīng)驗(yàn)，依靠專業(yè)的人來(lái)做一個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，從而形成一個(gè)知識(shí)庫(kù)，但不利于知識(shí)庫(kù)的擴(kuò)展。這一缺點(diǎn)帶來(lái)了許多錯(cuò)誤的振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果[5-7]。振動(dòng)檢測(cè)方法是多種多樣的，頻譜分析是眾多方法之一，觀察齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，有效地對(duì)齒輪故障的頻譜進(jìn)行分析。然而，邊頻帶的具體特征不易獲得，容易得出錯(cuò)誤的診斷結(jié)果[8，9]。傳統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中存在諸多不利因素，其應(yīng)用有限。

設(shè)計(jì)提出了一種齒輪箱加速度信號(hào)模糊識(shí)別智能傳感器系統(tǒng)。變速箱的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境對(duì)傳感器的影響不大，降低了檢測(cè)和安裝的難度，也有很大的適應(yīng)性。模糊傳感器具有良好的魯棒性和靈活性，加速度被識(shí)別為相應(yīng)的人類語(yǔ)言值，實(shí)現(xiàn)齒輪箱振動(dòng)信息的智能檢測(cè)，獲得齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)和可能的故障，做到預(yù)測(cè)，估計(jì)和判斷，它可以為變速箱的更換和維修提供決策依據(jù)，因此本文的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 模糊傳感器設(shè)計(jì)

1.1 模糊傳感器

模糊算法不需要具體的數(shù)學(xué)模型，算法實(shí)現(xiàn)方便，易于工程實(shí)踐并且魯棒性很好[10]。模糊識(shí)別傳感器是基于傳統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量和模糊理論，將變量模糊化，通過(guò)模糊規(guī)則輸出相應(yīng)的結(jié)果，模糊輸出形式為語(yǔ)言值。

圖1 模糊傳感器基本邏輯結(jié)構(gòu)

如圖1所示，基于模糊算法理論，模糊傳感器的基本邏輯結(jié)構(gòu)由信號(hào)提取、信號(hào)處理、數(shù)值/符號(hào)轉(zhuǎn)換、模糊概念合成4部分組成[11]。

1）加速度傳感器提取信號(hào)得到齒輪箱加速度信號(hào)，完成振動(dòng)信號(hào)測(cè)量任務(wù)。

2）信號(hào)處理模塊有3個(gè)基本任務(wù)：信號(hào)放大和濾波、多傳感器信息融合算法、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)之間的信息傳輸。

3）數(shù)字/符號(hào)轉(zhuǎn)換模塊是模糊測(cè)量的核心，它是由計(jì)算機(jī)完成的。振動(dòng)信號(hào)的精度取決于存儲(chǔ)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)。

4）在模糊概念合成模塊中，基于知識(shí)庫(kù)和數(shù)字/符號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的輸出，模糊推理和合成，獲得了正確的語(yǔ)言值。

1.2 模糊化

齒輪箱加速度數(shù)據(jù)范圍為0~70 g，其基本論域?yàn)閇0，70]。將加速度劃分為5個(gè)模糊子集：{強(qiáng)振，較強(qiáng)振，中振，微振，正常}，對(duì)應(yīng)的模糊集合：{VH，H，D，S，VS}，隸屬度函數(shù)如圖2所示，其公式如式（1）所示。

圖2 齒輪箱加速度隸屬度函數(shù)

1.3 模糊推理

模糊推理采用最大隸屬度法，比較齒輪箱加速度所對(duì)應(yīng)的 5 個(gè)隸屬度大小，即 yVS、yS、yD、yH、yVH。 依據(jù)得到的最大隸屬度，確定輸入所屬的模糊集合，輸出對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值，模糊規(guī)則如表1所示。

表1 模糊規(guī)則

1.4 齒輪箱振動(dòng)檢測(cè)

齒輪箱加速度多點(diǎn)檢測(cè)，獲得齒輪的綜合振動(dòng)特性。在選擇檢測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，考慮點(diǎn)的數(shù)量和測(cè)量方向，所有的結(jié)構(gòu)點(diǎn)都必須包含在測(cè)量點(diǎn)內(nèi)[12-14]。

為了深入分析齒輪箱的振動(dòng)，研究齒輪箱的主要振動(dòng)原因和特點(diǎn)。選擇8個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，選擇可以得到齒輪箱振動(dòng)的完整信息位置，如機(jī)器腳、觀察蓋、電機(jī)等，并且沒(méi)有明顯的局部振動(dòng)，將檢測(cè)點(diǎn)編號(hào)。檢測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

每個(gè)傳感器都有3個(gè)方向 （X，Y，Z）的傳感探頭，在每個(gè)幾何點(diǎn)，在水平方向上，垂直方向和軸向方向測(cè)量振動(dòng)響應(yīng)。對(duì)于每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，獲得3個(gè)加速度信號(hào)，并計(jì)算出信號(hào)的根均方值，該值被用來(lái)作為振動(dòng)響應(yīng)。

圖3 檢測(cè)點(diǎn)位置示意圖

檢測(cè)不同位置，觀察實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，從而提高齒輪箱的可靠性和穩(wěn)定性。

2 仿真分析

文中基于MATLAB軟件平臺(tái)，構(gòu)建齒輪箱加速度信號(hào)模糊識(shí)別傳感器系統(tǒng)，編寫程序并仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。系統(tǒng)頂層結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)頂層結(jié)構(gòu)圖

仿真數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[15]，以船用齒輪箱為研究對(duì)象，獲取測(cè)量數(shù)據(jù)。表2和表3分別對(duì)應(yīng)于齒輪箱表面的系統(tǒng)動(dòng)力性能優(yōu)化前后的振動(dòng)加速度值，X、Y、Z方向分別代表水平、垂直和軸向方向，總加速度值為均方根值。

表2 優(yōu)化前的各點(diǎn)的振動(dòng)加速度（單位:m/s2）

表3 優(yōu)化后的各點(diǎn)的振動(dòng)加速度（單位:m/s2）

優(yōu)化后的平均加速度數(shù)值較小，模糊傳感器輸出相應(yīng)的語(yǔ)言值，圖5-圖7分別為優(yōu)化前后X、Y、Z方向的加速度值比較情況，圖8為優(yōu)化前后的總加速度值對(duì)比圖。

圖5 優(yōu)化前后X方向的加速度值

圖6 優(yōu)化前后Y方向的加速度值

通過(guò)對(duì)比圖5~圖8驗(yàn)證結(jié)果，齒輪箱優(yōu)化后各測(cè)點(diǎn)加速度比優(yōu)化前都有所減少，箱體振動(dòng)明顯改善。仿真結(jié)果證明模糊傳感器輸出語(yǔ)言值的正確性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性得到驗(yàn)證。

圖7 優(yōu)化前后Z方向的加速度值

圖8 優(yōu)化前后的總加速度值

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)齒輪箱加速度信號(hào)模糊識(shí)別傳感器系統(tǒng)，對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化，分為5個(gè)模糊子集，模糊推理采用最大隸屬度法，輸出對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言值。利用MATLAB軟件仿真，進(jìn)行模糊推理仿真和曲線顯示，仿真結(jié)果證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

本次設(shè)計(jì)為齒輪箱振動(dòng)加速度測(cè)量或監(jiān)測(cè)提供一種手段，也為需要解決振動(dòng)現(xiàn)象的工程提供了參考方法。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)尚有諸多不足，在齒輪箱的動(dòng)態(tài)特性分析方面有很大的局限性，可以考慮多因素分析齒輪箱的振動(dòng)特性，得到更好的測(cè)試結(jié)果。

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Analysis and design of the fuzzy recognition sensor system for gearbox acceleration signal

LI Jun-wei，F(xiàn)ANG Jian-dong
（College of Information Engineering， Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010080， China）

In this paper， a fuzzy intelligent identification system is designed， gearbox acceleration sensor as the research object.The fuzzy control rules are set up and the simulation is carried out based on MATLAB.The simulation results show that the design of the fuzzy sensor is reasonable，which has practical guiding significance.

gearbox； sensor； acceleration； vibration

TN06

A

1674－6236（2017）12-0037-04

2016-08-23稿件編號(hào)：201608163

內(nèi)蒙古自治區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目（2014MS0619）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目 （20120304）

李俊偉（1988—），男，河南開封人，碩士研究生。研究方向：信息處理與決策支持。