王文琴

（中國重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著現(xiàn)在貨運(yùn)速度的加快，越來越多的貨運(yùn)汽車開始承載著長途地區(qū)的貨物運(yùn)輸。其中，貨車中的變速箱起著傳遞動力的重要作用。但是，因其工作條件的限制，使其受到巨大磨損，變速箱極易發(fā)生大量故障。由于變速箱出現(xiàn)故障后，其往往需要大量的維修時間，這對于某些使用者來說是不易接受的，因此，變速箱的維護(hù)至關(guān)重要，因?yàn)樗且粋€貨車的重要組成部分。狀態(tài)監(jiān)測是一種已經(jīng)可以規(guī)?；占暗募夹g(shù)。已被用來查找狀態(tài)變速箱和初步階段的故障預(yù)測，以防止故障。從而有助于降低維護(hù)成本和故障造成的停機(jī)時間。

1 貨車變速箱運(yùn)行故障在線振動診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行性

齒輪在極端條件下運(yùn)行，其軸承易受齒輪箱故障的影響，如潤滑不良，扭矩大，容易出現(xiàn)裝配問題。在極端壓力下，還會產(chǎn)生表面缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致齒斷裂[1]。在貨車上常見的案例包括：齒輪由于運(yùn)行過程中負(fù)荷過大，使其在斜齒輪中發(fā)生齒蝕是造成齒輪斷齒的常見原因。操作條件如扭矩過大，潤滑不良和安裝問題均會改變齒輪的行為。這將導(dǎo)致嚙合的減少，而剛度變化可以從振動信號中感知。由于缺少網(wǎng)眼剛度信息的觀察，可以將減少的嚙合用模擬齒輪表面點(diǎn)蝕引起的剛度振動信號來表示。以往研究提出了一個齒輪軸承聯(lián)軸器動力學(xué)模型，用于分析齒輪的故障診斷，討論了故障對頻域的影響。由周期性脈沖組成的振動信號被分析以預(yù)測裂紋的增長，網(wǎng)格剛度的值在小齒輪中存在從0%到80%的裂紋水平信號，采用解析模型生成。因此，了解輪齒裂紋對狀態(tài)監(jiān)測十分重要，我們通過分析故障齒輪嚙合剛度變化的振動信號進(jìn)行信號的采集與檢測。

而對于軸承來講，由于軸承預(yù)計(jì)工況條件為：將平穩(wěn)運(yùn)行并抵抗機(jī)器產(chǎn)生的瞬時和重負(fù)載。而在實(shí)際運(yùn)行與操作過程中，在內(nèi)圈，外圈或滾動體上發(fā)生的缺陷則是軸承中常見的故障。軸承中的故障可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的其他部件發(fā)生故障。故障中的缺陷外圈、內(nèi)圈或滾動體在進(jìn)入時接觸另一個表面引起沖擊，脈沖發(fā)生在一個特定的頻率。之前的一些研究已經(jīng)在軸承中引起局部缺陷和單點(diǎn)缺陷等缺陷模擬，獲得振動信號，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果是軸承易受局部缺陷的影響。故障診斷是在貨車變速箱上進(jìn)行的所采集的振動信號通過振動分析和高分類效率被獲得。

振動分析是狀態(tài)監(jiān)測中常用的方法之一。振動分析是檢測故障并對齒輪進(jìn)行故障診斷的有效方法，隨著系統(tǒng)的變化會產(chǎn)生振動特征的變化。通過對振動和磨損碎片的分析，發(fā)現(xiàn)之間的相關(guān)性。O.Tangasawi等人的研究表明：振動分析可以提供可靠和快速診斷信息，但是不能提供磨損率的信息[2]。

振動監(jiān)測包括采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)和決策提出維護(hù)方法。振動數(shù)據(jù)可以從通過安裝固定在齒輪箱上的一個加速度計(jì)中獲取。時域、頻域因?yàn)槠涫遣ㄐ螖?shù)據(jù)，所以可以對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 貨車變速箱運(yùn)行故障在線振動診斷方法

在以往的研究工作中，很多學(xué)者使用的測試裝置對齒輪箱進(jìn)行了狀態(tài)監(jiān)測。本文對實(shí)際車輛變速箱進(jìn)行振動分析的可行性進(jìn)行了檢驗(yàn)。與實(shí)驗(yàn)室條件不同，現(xiàn)實(shí)世界的條件并不理想，而且可能涉及很多復(fù)雜性。壓電加速度計(jì)安裝在變速箱上，獲得了不同變速箱條件下的殼體振動數(shù)據(jù)，并利用時域和頻域分析進(jìn)行故障診斷[3]。峰值、均方根、波峰系數(shù)、峰度、偏度、標(biāo)準(zhǔn)誤差、krms（均方根值×峰度）和方差從時域波形中提取并訓(xùn)練決策樹算法。利用時域數(shù)據(jù)對傅立葉變換進(jìn)行頻域分析。頻率域被分成相等大小的段和波形下的區(qū)域。從每個段中提取代表所使用的特性。訓(xùn)練決策樹作為一種提高效率的方法，提升了以前曾進(jìn)行過在線狀態(tài)監(jiān)測的研究工作。使用LabVIEW的渦輪變速箱。這項(xiàng)研究工作涵蓋了使用windows程序，采用上述技術(shù)可以獲取、處理和預(yù)測貨車最有效的變速箱狀況。

3 貨車變速箱運(yùn)行故障在線振動診斷系統(tǒng)軟硬件

為了對變速箱進(jìn)行實(shí)時測試，需要對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。隨著高性能便攜式計(jì)算機(jī)和微處理器的出現(xiàn)，對系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控已經(jīng)成為可能。采用微處理器和觸摸屏接口的便攜式系統(tǒng)提出了一種電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測的方法。MATLAB和LabVIEW等軟件已用于在線狀態(tài)監(jiān)測。同樣，本文采用LabVIEW軟件用于建立齒輪箱故障診斷系統(tǒng)[4]。

軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中使用提取的特征建立分類模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，支持向量機(jī)和許多其他的分類作為分類算法。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)提供了更高的效率，但是高度復(fù)雜性和運(yùn)算時間較長等局限著其發(fā)展[5]。所以，決策樹是首選的分類算法，因?yàn)槠渑c其他分類器相比更容易理解。決策樹算法具有更高的效率和更少的計(jì)算時間，采用決策樹算法自動生成規(guī)則集。

由于各種故障的影響，變速箱的維修一直很重要。變速箱在任何時候都容易發(fā)生故障，因此，變速箱的連續(xù)監(jiān)測十分必要。獲得的振動信號必須是瞬間分析預(yù)測齒輪箱的狀況。專家們很難分析實(shí)時預(yù)測結(jié)果。因此，計(jì)算機(jī)可以用來診斷自動化故障。并且其功能強(qiáng)大，可以在1 s內(nèi)完成許多任務(wù)。因此，在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是通過提供用戶界面，傳感器立即進(jìn)行處理，以預(yù)測狀態(tài)。Windows程序是用Visual C++作為開發(fā)#[6]如圖1所示。Windows程序具有從中獲取振動數(shù)據(jù)的能力。加速度計(jì)安裝在變速箱殼體底部表面（如圖2所示），并使用表1所示的4種技術(shù)中最有效的技術(shù)執(zhí)行自動故障診斷。

圖1 振動檢測人機(jī)交互界面

程序具有執(zhí)行測試所需的下列輸入?yún)?shù)操作。輸入?yún)?shù)是所選擇的齒輪以及車輛驅(qū)動的速度、必須獲取數(shù)據(jù)的持續(xù)時間。應(yīng)用程序有一個接口用戶可以輸入上面的數(shù)據(jù)并開始測試。一旦用戶開始測試，則應(yīng)用程序啟動數(shù)據(jù)采集，并處理數(shù)據(jù)以提供預(yù)測。無任何用戶干預(yù)的變速箱狀況。因此，故障檢測的過程可以自動化。

Windows函數(shù)具有以下功能。

1）檢查傳感器連接到電腦。

2）獲取數(shù)據(jù)的加速度為指定的秒數(shù)，顯示數(shù)據(jù)作為信號圖（如圖1所示）。

使用最有效的（在表1中所示）技術(shù)預(yù)測齒輪箱狀況，從而促進(jìn)實(shí)時監(jiān)控。

圖2 安裝在變速箱殼體底部表面的加速計(jì)

表1 用于分析的技術(shù)

4 結(jié)語

變速箱是貨運(yùn)汽車將動力以各種速度比從發(fā)動機(jī)傳遞給貨車車輪的重要設(shè)備。本文設(shè)計(jì)的貨車變速箱運(yùn)行故障在線振動診斷系統(tǒng)，可以很好地利用振動技術(shù)對變速箱進(jìn)行故障診斷。這項(xiàng)研究可以進(jìn)一步利用先進(jìn)的技術(shù)，如去噪、大數(shù)據(jù)融合、聲學(xué)傳感器等，以提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。將這些新型的智能連續(xù)的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在貨車變速箱將使得變速箱的診斷維護(hù)具有更大的優(yōu)勢。

[1]劉娟.貨車變速箱振動故障分析與診斷 [J].河北農(nóng)機(jī)，2017（10）：69-71.

[2]曹智.貨車變速箱故障診斷[J].佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2016（3）：495.

[3]聶建華，楊振.基于廣義多重分形維數(shù)算法的貨車變速箱故障診斷研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014，27（12）：51-52；55.

[4]孫慧然.C4.5算法在貨車變速箱故障診斷中的應(yīng)用[J].知識經(jīng)濟(jì)，2012（24）：89-90.

[5]王建.TEREX3307礦用貨車變速箱故障診斷及維修探討[J].礦山機(jī)械，2007（11）：67-69.

[6]RajaV.Pulikollu,Nathan Bolander,Sandeep Vijayakar,et.al.Analytical Modeling and Performance Prediction of Remanufactured Gearbox Components[M].Berlin:Springer International Publishing，2013.