基于虚拟仪器技术的齿轮箱故障诊断实验台设计

1、#工艺与装备#文章编号:1001-2265(2010)06-0076-03组合机床与自动化加工技术基于虚拟仪器技术的齿轮箱故障诊断实验台设计郭卫,卫慧娟(西安科技大学机械工程学院,西安 710054)摘要:在齿轮箱故障诊断实验台的设计中,系统以工作台、传感器、信号调理器、数据采集卡、PC机为硬件开发平台,以LABVIEW为软件开发平台,将虚拟仪器技术运用到齿轮箱的故障诊断系统中,使得系统测试、显示和诊断功能更为强大。关键词:齿轮箱;虚拟仪器;故障诊断中图分类号:TH16;TG65 文献标识码:ATheDesignoftheGearboxFaultdiagnosistest-bedBasedon

2、VirtualInstrumentTechnologyGUOWe,iWEIHu-ijuan(SchoolofMechanicalEngineering,Xi.anUniversityofScienceandTechnology,ShaanxiXi.an710054,China)Abstract:InthedesignproposaloftheFaultDiagnosisofGearboxTes-tbed,workstations,sensors,signalcond-itionunits,dataacquisitioncard,andPCmachinecomposedthehardwarede

3、velopmentplatformofthesystem,takingLABVIEWassoftwaredevelopmentplatform,andthevirtualinstrumenttechnologyisappliedtothegear-boxfaultdiagnosissystem,whichmakesthesystemtesting,displayanddiagnosticsmorepowerfu.lKeywords:gearbox;virtualinstrumenttechnology;faultdiagnosis0 引言齿轮是传递运动和动力的常用机构,在机械设备中占有重要地位

4、。随着现代化机械设备的大型化复杂化,其工况监测与故障诊断技术也变得越来越重要。据统计,由于齿轮失效引起的机械设备故障约占1013%,在变速器中齿轮损坏的比例最大,达60%。齿轮在工作时,伴随振动的产生,若发生故障时,通常引起振动异常增大,振动信号的能量分布发生变化。因1此,常利用振动分析法来诊断齿轮箱的故障。然而,在现场的检测过程中由于噪声等因素的干扰,使得对齿轮箱的故障诊断就困难了。因此,要成功实现机械设备的状态检测就必须依靠数字信号处理技术和对机械结构的特性分析,在模拟实际工况时对齿轮箱进行故障振动检测,提取齿轮各类故障信号,并对此进行分析和处理,进而判断故障情况。这也是实现齿轮箱故障检测

5、和诊断的研究基础。本文结合以往齿轮箱实验台情况,从齿轮失效原因出发,模拟齿轮故障产生的工况条件,结合LabVIEW软件平台,开发能够实现齿轮箱故障诊断的监测诊断系统。1 实验台硬件平台的搭建111 实验台结构需求分析齿轮的故障形式很多,系统通过对齿轮工况条件进行模拟,要创建齿轮能够发生故障的仿真环境。为实现实验研究的需求,齿轮箱实验台必须满足如下基本条件:(1)齿轮易于拆卸,能对不同类型的故障进行实验;(2)实验台设计必须能方便的安装上传感器以便获得真实的测试信号。另外,可以考虑实验台的可扩展性能,方便今后研究其他因素(如:轴、带等)对齿轮的影响。112 实验台机械结构设计分析和工作原理实验台

6、结构如图1所示,驱动部分由电机实现,电动机的采用普通三项异步电动机,减速部分采用带轮减速。原理如图1所示。试验台负载采用的为发电机,试验台可以连续运转,大大方便了对齿轮进行故障检测,而且传动过程较为简单,实验台容易搭建。为便于振动信号的采集与处理,二级减速机的类型选择是斜齿轮减速机。并且收稿日期:2009-12-21作者简介:郭卫(1955),男,陕西黄陵人,西安科技大学机械学院院长,教授,硕士生导师,主要从事现代制造技术、故障诊断及测试控制等方面的研究,(E-mail)whj0201。#2010年第6期用带轮减速,降低实验台的成本。#工艺与装备#(3)信号是非周期性信号。采集信号中出现无规律

7、的冲击或调制现象,主要是在齿轮或轴承出现严重故障时发生。局部异常齿轮的振动波形是典型的以齿轮旋转频率为周期冲击脉冲,如图4所示。1.电动机2,3,5,6.带轮4.二级减速器7.发电机图1 实验台机构原理图图4 局部异常齿轮的振动波形图和频谱图113 齿轮箱故障的主要特征和形式齿轮箱正常运转时,一般其振动信号是平稳信号,振动信号的频率成分主要是各轴的转频和啮合频率,当发生齿轮箱故障时,其振动信号频率成分和幅值将发生变化。一般具有以下特征:(1)信号是稳态的。采集到的信号仅仅是幅值的变化和振动能量的变化,主要是针对齿轮的均匀磨损的情况。均匀磨损时的频谱图和振幅变化如图2所示。由故障特征和故障形式可

8、以看出,由于故障而产生的振动信号在时域和频域图示中会出现特定的调制现象,再根据齿轮故障频率的理论计算,结合振动信号的时频分析就能诊断出齿轮箱主要的故障形式。由此,对如何对采集到的振动信号进行故障提取与分析是进行故障诊断的关键3。114 信号采集与测试控制在齿轮箱故障诊断中,故障信号的采集和提取是关键,保证信号采集、提取、分析的合理性和准确性是实现故障诊断的前提。振动测试系统的结构组成如图5所示:通过传感器、插在PC机内的数据采集卡进行数据采集,结合外部的信号调理模块和PC机上开发的齿轮箱故障诊断系统完成测控功能。图2 均匀磨损时的频谱图和振幅跳跃现象(2)信号是周期平稳信号。采集到信号有规律的

9、冲击或调制现象,主要是针对齿轮的点蚀、疲劳剥落、齿形误差、安装误差、轴弯曲、不平衡、不对中、滚动轴承剥落等情况。齿轮不平衡时的振动时域图及频谱图如图3所示。图5 振动测试系统的结构图系统中传感器选用ZG-1型磁电式振动速度传感器。技术指标:频率范围101000Hz;传感器灵敏度:0125v/cms最大振幅:?1mm;重量:185g。传感器有磁性底座,直接吸附在被测体上,其外壳随振动体而振动,位于气隙间的线圈切割磁力线,发出正比于振动速度的电势,该电势由导线输入信号调理单元,直接放大,可测量振动速度。输入的信号经积分或微分处理,也可得到测量振动位移和加速度。测试系统选用DQAPad-6014E型

10、数据采集卡。DQAPad-6014E型数据采集卡是NI公司生产的采集卡系列产品之一,是一种性能优良的低价位适合PC机#77#-1图3 不平衡齿轮的振动波形和频谱图#工艺与装备#和兼容机的采集卡,其性能参数如下所示:200kS/s采样频率;16位精度的16路模拟输入;16位精度的2路模拟输出;8条数字I/O线(5VTTL/CMOS);2路24位的定时/计数器;数字触发;4组不同的模拟输入范围;NI-DAQ动程序简化配置和测量工作;内含NI-DAQ驱动软件。通过信号调理箱和数据采集卡匹配使用来实现虚拟仪器系统信号调理和数据采集,在MAX(Measure-ment&AutomationExplore

11、r)中方便设置采样频率、采样点数等参数。根据实验台的信号采集和控制要求,通过信号调理箱方便对信号进行多次滤波、放大等处理,使得后续信号处理更精确。以上为实验台机械结构和测试系统的硬件组成部分,实物如图6所示。组合机床与自动化加工技术2 信号采集、处理的程序设计LabVIEW是NI公司推出的一个高效的图形化程序设计开发工具,它结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的G编程语言,提供了一个直觉式的开发环境。LabVIEW带有专门用于数据采集和仪器控制的库函数和开发工具,带有专业的数学分析包,基本上能满足复杂的工程计算和分析要求。程序分为前面板设计和函数框图(程序框图)设计,系统界面如图7(前面板

12、)和图8(函数框图)所示,运行程序时,在离线状态下,会弹出文件打开窗口以选择要导入的文件;在线状态下(数据采集模式),程序根据信号采集设定的采样参数采集传感器检测的振动信号,并在信号处理部分对信号进行分析和处理。2图6 齿轮箱故障诊断实验台图7测试系统前面板图8 程序主界面#(下转第81页)2010年第6期(7)缓慢按下压盘16,压块总成1顺着引导柱12向Z轴的负方向运动,芯片7的两侧引脚逐渐进入梳式整形块13的两侧锥形整形孔24中,芯片7的引脚10得到精确整形。其中,梳式整形块13的宽度大于凹形底座9的开口宽度,梳式整形块13最终会接触到凹形底座9的上表面。因为精确整形时芯片引脚的阻力较小,

13、所以只要选取刚度合适的弹簧,就不必担心芯片7会压缩弹簧而陷入凹形底座9中。(8)松开下压盘16,压块总成1回复原位,取出芯片7,整形完毕。待批量整形结束后,经清洗、干燥处理后再进行功能检测,外观和功能均合格的芯片表面打磨重新印字后就可重新使用了。对于不同宽度及长度的芯片,在图1中只需更换不同大小的压块总成及底座总成即可。213 DIP芯片实际整形效果图2是一个28脚DIP封装IC芯片在样机上的的实际整形效果。#工艺与装备#3 结束语本文所提出的DIP封装IC芯片引脚整形装置具有以下特点:(1)适应范围广。适用于引脚向各个方向偏移的废弃的或者新的多种DIP封装IC芯片。(2)操作简单。手工操作,

14、一次整形,效率高。(3)环境性能好。整形装置无需动力,节省能源,零排放,无污染。(4)设备造价低。装置体积小,结构简单,设备费用低,检修快捷、方便。本文所提出的DIP芯片的引脚整形方法为我国回收企业提供了一种有效的芯片引脚整形技术,符合可持续发展的需要,该装置具有一定的推广使用价值。参考文献1刘志峰.产品的可回收性设计J.机械科学与技术,1996,15(4):531-534.2IshiiK.Life-cycleEngineeringDesign.TransactionsofASME,1992,117(6):24-26.3RosyWeiChen,DundeeNavin-Chandra,Fritz

15、BPrinz.ACost-BenefitAnalysisModelofProduceDesignforRecyclabilityanditsApplication.IEEETransactionsOnComponents,PackingandManufacturingTechnology-PartA,1994,17(4):502-507.图2 实际整形效果4刘志峰,刘光复.绿色设计M.北京:机械工业出版社,1999.5施达彬,尹凤福,刘振宇,等.废旧印刷线路板机械处理技术J.中国科技信息,2006(2):81-82.6李强兵,范颖.双列直插式集成块引脚整形方法及装置P.中国专利:CN10110

16、2663A,2008.7黄海鸿,刘志峰,王淑旺,等.面向回收的产品模块化设计方法J.农业机械学报,2006,37(12):144-149.图3 与IC插座的配合(编辑 赵蓉图3为整形后的该芯片与28脚IC插座的配合情况。可以看出,整形后的IC芯片引脚排列整齐,与插座配合时各引脚与插座的接触情况良好。)(上接第78页)关于信号采集的部分,关键要设定采集参数(采样率等)、数据的存储类型(文本、电子文档、M文件等)以及存储路径,在很多文章中都已有所涉及本文不再重复。关于文件读取的程序,通过类型转换进行数据读取兼容性更好。程序框图如图8。3 结束语本文中,工作台、传感器、信号调理器、数据采集卡、PC机结合在一起,利用虚拟软件平台LabVIEW强大的分析显示功能,通过简单的操作界面控制实验的进行,还可以根据不同需求修改和增添新的功能模块以满足实验的需求。通过实验分析,实验台能满足齿轮箱故障诊断实验的要求,能通过振动信号采集、分析处理实现齿轮箱的故障诊断。该测试系统也为齿轮箱故障诊断研究提供了一种先进可靠的诊断系统,与传统测试系统相比,降低了测试设备的成本、增加了系统的稳定性和