孫秀茹

(煙臺黃金職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，山東 煙臺 265402)

隨著基于振動信號的故障診斷方法不斷完善和智能化診斷平臺的發(fā)展，試驗(yàn)人員越來越依賴計算機(jī)軟件平臺[1]。通過軟件平臺對行星齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷具有較好的實(shí)時性和可操作性，大大提高了診斷精確度和研究人員的工作效率[2-4]，適應(yīng)當(dāng)今高速發(fā)展的實(shí)際生產(chǎn)需要。

國內(nèi)外針對行星齒輪系統(tǒng)故障診斷研究的學(xué)者較多。Kahraman[5]于1994年提出了單級行星齒輪系統(tǒng)的純扭轉(zhuǎn)模型，得到了系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)固有頻率的方程，并建立了非線性時變系統(tǒng)動力學(xué)模型，研究了行星齒輪系統(tǒng)的均載特性。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的Mark等[6]通過建模研究了行星輪承載不均和載荷調(diào)制所產(chǎn)生的頻譜特征，作為行星齒輪箱故障診斷的重要依據(jù)。魏大盛等[7]通過建立多自由度行星齒輪系統(tǒng)的動力學(xué)模型，研究了齒輪接觸比和太陽輪中心浮動對動態(tài)特性的影響。這些方法都不能實(shí)現(xiàn)齒輪故障的在線診斷，因此對在線故障診斷平臺研究至關(guān)重要。

行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷是通過.NET在線平臺及時對齒輪進(jìn)行診斷，確保行星齒輪在承受一定的負(fù)載時能夠有效地運(yùn)行，以確保整個系統(tǒng)的工作效率和精度，及時避免意外和安全事故的發(fā)生。因此，對行星齒輪傳動系統(tǒng)在線診斷平臺的研發(fā)十分必要，可實(shí)現(xiàn)行星齒輪傳動系統(tǒng)高速有效、健康安全、長期可靠的運(yùn)行。

1 行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷流程

基于振動信號的行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷流程如圖1所示。首先，采集行星齒輪的振動信號，然后提取振動信號的特征信息，并針對特征信息進(jìn)行行星齒輪狀態(tài)的識別，從而得出行星齒輪的故障狀態(tài)，最后分析故障類型以及故障部位。

圖1 行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷流程

其詳細(xì)的故障診斷過程主要分以下幾步:

1) 根據(jù)行星齒輪傳動實(shí)際工作狀態(tài)測量振動信號,并選擇最優(yōu)測點(diǎn)；

2) 從采集的振動信號中以某種信號分析方法提取能反映行星齒輪運(yùn)行故障特征的信息；

3) 對故障特征信息進(jìn)行相關(guān)方法分析，判斷是否出現(xiàn)故障，并分析故障原因、類型，以及產(chǎn)生故障的部位；

4) 研究人員分析總結(jié)，做出決策，然后對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整。

2 齒輪故障診斷系統(tǒng).NET軟件開發(fā)

2.1 系統(tǒng)開發(fā).NET工具設(shè)計登錄界面

行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)是在微軟公司Visual Studio中的.NET Framwork4.5.1平臺上開發(fā)出來的，實(shí)現(xiàn)對行星齒輪振動信號的定時采集、實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)分析，并對運(yùn)行故障做出準(zhǔn)確的診斷。系統(tǒng)的登錄界面如圖2所示。在用戶正確輸入用戶名和密碼后，再選擇數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)分析功能，點(diǎn)擊確定按鈕便可以進(jìn)入系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面設(shè)計及參數(shù)設(shè)置

登錄成功后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集主界面，主界面主要包括4個功能模塊：參數(shù)設(shè)置模塊、示波功能模塊、采集功能模塊、數(shù)據(jù)分析及信號采集與文件信息模塊。在點(diǎn)擊示波按鈕后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時波形顯示，點(diǎn)擊暫停示波按鈕不進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時波形顯示；點(diǎn)擊采集按鈕后，后臺程序?qū)⒃谠O(shè)定的采樣時間內(nèi)把數(shù)據(jù)保存至設(shè)定的路徑下。圖3所示為4通道同時采集時的數(shù)據(jù)采集主界面。

圖2 系統(tǒng)登錄界面

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主界面

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前需要對各種采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括采樣頻率、數(shù)據(jù)保存路徑、試驗(yàn)名稱、是否自動增加試驗(yàn)號、采樣模式、試驗(yàn)工況、實(shí)驗(yàn)對象等，其中最重要的參數(shù)是采樣頻率，工程中一般設(shè)置為20kHz。圖4是基本參數(shù)設(shè)置界面。

圖4 基本參數(shù)設(shè)置

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及分析處理

參數(shù)設(shè)置好以后，點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置中的確定按鈕進(jìn)入數(shù)據(jù)采集窗口，并將設(shè)置好的參數(shù)傳到主窗體的采集與文件信息框中，顯示詳細(xì)的參數(shù)信息，如采樣頻率、采樣模式、采樣時間以及文件名稱、大小、格式、路徑等，如圖5所示。

圖5 采集與文件信息

采集完數(shù)據(jù)之后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)分析按鈕進(jìn)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析主界面，如圖6(a)所示。分析主界面主要包括菜單欄、示波功能選擇、參數(shù)顯示、文件屬性等。點(diǎn)擊菜單欄的“基本分析”欄，基本分析功能主要包括基本的時域分析，頻域分析(幅值譜、功率譜、相位譜以及互功率譜)，小波閾值降噪分析、編輯濾波、包絡(luò)譜分析、窄帶解調(diào)以及頻譜細(xì)化功能。如圖6(b)所示。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析主界面

對采集的信號進(jìn)行基本頻域分析，包括功率譜分析[5]、幅值譜分析[6]、互功率譜分析[7]等，分析結(jié)果界面如圖7～圖9所示。

圖7 頻譜分析

圖8 功率譜分析

然后利用非線性分析方法對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析，包括小波閾值降噪處理、小波包絡(luò)譜分析[8]、濾波包絡(luò)譜分析[9]、頻譜細(xì)化[10]等，數(shù)據(jù)信號分析結(jié)果界面如圖10～12所示。

圖9 互功率譜分析

圖10 小波閾值降噪

圖11 小波包絡(luò)分析

圖12 頻譜細(xì)化

從上述數(shù)據(jù)采集和分析處理過程可知，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多路信號實(shí)時采集與綜合分析，實(shí)現(xiàn)行星齒輪傳動系統(tǒng)的在線監(jiān)測和故障診斷。

3 試驗(yàn)平臺搭建及分析

試驗(yàn)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)行星齒輪傳動系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)故障檢測為目的，以型號為HS300的三級行星齒輪傳動系統(tǒng)為試驗(yàn)對象，對其在不同轉(zhuǎn)速、不同測點(diǎn)的不同方向下進(jìn)行振動信號采集。試驗(yàn)測試對象及信號采集平臺如圖13所示。

為了更好地研究不同工況下行星齒輪傳動系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，按以下試驗(yàn)方案進(jìn)行采集、測試。

1)輸出轉(zhuǎn)速：540～840r/min，步長為60r/min；

2)增速箱狀態(tài)：正常、故障；

3)采樣頻率及時間：20kHz ,每次定時采樣10s；

4)樣本數(shù)據(jù)：每次試驗(yàn)均采集數(shù)據(jù)，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性。

采集到的行星齒輪傳動系統(tǒng)故障的時域、頻域信號如圖14所示。

圖13 三級行星齒輪試驗(yàn)平臺及測試系統(tǒng)搭建

圖14 原始故障信號的時頻域曲線

對故障原始信號進(jìn)行小波閾值降噪處理，并對降噪后的信號進(jìn)行頻域分析，得到降噪后故障信號的時頻域如圖15所示。

對故障信號進(jìn)行頻譜分析后可知，信號的主要能量集中在低頻帶，由于采樣頻率為20kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于故障信號的實(shí)際頻率，采樣頻率將部分有用信

圖15 小波降噪后的時頻域信號

號的低頻信號調(diào)制到高頻帶中，因此需要對信號進(jìn)行希爾伯特解調(diào)處理，對降噪處理后的信號進(jìn)行包絡(luò)分析，得到其包絡(luò)信號，并對時域包絡(luò)信號進(jìn)行頻譜分析以及對所需的低頻進(jìn)行放大細(xì)化處理，如圖16所示。

由圖可知，行星輪系前三級(即第一級至第三級)齒輪嚙合1～4倍特征頻率分別為203.49,406.98,610.47,813.96Hz，從小波包絡(luò)局部細(xì)化圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)，在203.49Hz處有明顯的特征，主要能量集中在此處，正好與第三級行星輪系的嚙合頻率相吻合，并且從圖中可以發(fā)現(xiàn)能量向第三級行星輪系嚙合頻率的2,3,4,5倍頻的位置轉(zhuǎn)移，由此說明第三級行星輪系嚙合出現(xiàn)故障損傷。

圖16 小波包絡(luò)信號

4 結(jié)束語

本文基于.NET平臺搭建了行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)，采集了行星齒輪輸出軸轉(zhuǎn)速從540～840r/min不同條件下振動信號數(shù)據(jù)，分別采集行星輪系運(yùn)行狀態(tài)的各級嚙合故障信號并進(jìn)行了基本時頻域分析、小波變換、包絡(luò)譜分析等。綜合試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)行星輪系故障特征頻率集中在203.49Hz處，與第三級行星輪系的嚙合頻率相吻合，并且辨別了能量向第三級行星輪系嚙合頻率的2,3,4,5倍頻的位置轉(zhuǎn)移，說明第三級行星輪系的嚙合處出現(xiàn)了故障。由此，驗(yàn)證了基于.NET平臺開發(fā)的行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)的可行性和有效性。