【正文】 ，目前常用的方法有：基于振動(dòng)的分析方法、扭振分析法、噪聲分析法、油膜分析法等。目前普遍采用的是基于振動(dòng)的故障診斷方法。這也正體現(xiàn)出了基于振動(dòng)的故障診斷方法的可行性。例如一對(duì)正常運(yùn)行的齒輪所產(chǎn)生的嚙合振動(dòng)整體上是平穩(wěn)的，當(dāng)其中一個(gè)齒輪出現(xiàn)斷齒時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沖擊性振動(dòng)。峰值能夠反映系統(tǒng)振動(dòng)的能量大小，但是它反映的只是某一時(shí)刻，不能反映系統(tǒng)整體上的振動(dòng)能量狀況。平均值能夠反映振動(dòng)系統(tǒng)整體上的偏移。我們知道，像正弦函數(shù)、余弦函數(shù)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)是簡(jiǎn)諧信號(hào)，它的頻率成分是單一的。常用的信號(hào)分析方法可以分為頻域分析和時(shí)域分析兩大類7，時(shí)域分析包括振幅分析、相關(guān)性分析等，頻域分析包括頻譜分析、解調(diào)分析。（2）與振動(dòng)幅值相關(guān)的其它參數(shù)有量綱參數(shù)不但與機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，也與機(jī)器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如轉(zhuǎn)速、載荷等有關(guān)。兩個(gè)信號(hào)xt和yt的相關(guān)函數(shù)定義為 Rτ=limT?∞1T0Txtyt+τdt 213函數(shù)Rτ的變化反映了信號(hào)xt和yt的相關(guān)性?；ハ嚓P(guān)函數(shù)的這一特性在信號(hào)檢測(cè)和特征提取中有重要的作用。其定義為自功率譜密度Sxf=∞+∞Rxτej2πftdτ 220互功率譜密度Sxyf=∞+∞Rxyτej2πftdτ 221進(jìn)行頻譜分析時(shí)，首先應(yīng)該注意幅度值較的譜峰，分析產(chǎn)生這些頻率分量的原因。(2)包絡(luò)分析包絡(luò)分析也稱為解調(diào)分析，是提取載附在高頻信號(hào)上的低頻信號(hào)（即提取時(shí)域信號(hào)波形的包絡(luò)軌跡）的重要手段。齒輪失效表現(xiàn)為多種形式，常見(jiàn)的齒輪故障類型有：斷齒、點(diǎn)蝕、磨損等。(2)點(diǎn)蝕 齒輪的輪齒在嚙合的過(guò)程中由于是高副接觸，接觸應(yīng)力非常大，在這樣的大應(yīng)力的反復(fù)作用下輪齒齒面便會(huì)因疲勞產(chǎn)生裂紋，最終會(huì)剝落出麻點(diǎn)。齒輪出現(xiàn)故障時(shí)產(chǎn)生不同程度的調(diào)制現(xiàn)象，在頻譜中會(huì)出現(xiàn)形式各異的調(diào)制邊帶。（2）齒輪嚙合頻率及其諧波。當(dāng)故障較輕時(shí)，比如輕微的軸彎曲或面積小、數(shù)量少的齒面點(diǎn)蝕，一般表現(xiàn)為嚙合頻率為轉(zhuǎn)頻調(diào)制的嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象，如果故障較嚴(yán)重，激勵(lì)能量較大時(shí)，則齒輪本身的固有頻率被激起，產(chǎn)生以箱體固有頻率為載波頻率的共振調(diào)制現(xiàn)象。用解調(diào)譜找到有故障軸的轉(zhuǎn)頻或倍頻成分，從而滲斷故障發(fā)生的主要部分在哪個(gè)軸；再利用頻譜分析找到載波頻率，也就是嚙合頻率及其倍頻成分，診斷出產(chǎn)生主要故障的齒輪副。（3）對(duì)齒輪固有頻率調(diào)制現(xiàn)象，可采用解調(diào)譜、細(xì)化譜和頻譜相結(jié)合的雙譜分析法。11前面講到信號(hào)的頻譜就像三棱鏡折射出白色光的七色光譜一樣將信號(hào)的組成成分一一呈現(xiàn)了出來(lái)，這些頻率成分與機(jī)械設(shè)備中的一個(gè)個(gè)零件的振動(dòng)相對(duì)應(yīng)，通過(guò)觀察信號(hào)的頻譜就能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的故障診斷。傳統(tǒng)的信號(hào)分析，就是直接對(duì)振動(dòng)信號(hào)作傅里葉變換得到其頻譜，該頻譜中含有整個(gè)系統(tǒng)所有零部件的振動(dòng)信息。[12]于是，我們需要一種能夠?qū)⑽覀兯枰牡窒鄬?duì)較弱的故障信號(hào)從傳感器采集的原始信號(hào)中較好的分離出來(lái)的方法。沖擊可看作脈沖，頻譜展開(kāi)可得到很寬的頻帶，其中必然包含一些零件的較高頻的固有振動(dòng)，可根據(jù)需要選擇某一高頻固有振動(dòng)作為研究對(duì)象，利用帶通濾波器將該固有振動(dòng)分離出來(lái)，然后通過(guò)包絡(luò)檢波得到包含故障特征信息的低頻信號(hào)的包絡(luò)，對(duì)這一包絡(luò)進(jìn)行頻譜分析即可診斷出元件故障。第3章 齒輪故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷包含兩方面內(nèi)容:一是對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。不論是進(jìn)行理論方法的研究還是進(jìn)行工程實(shí)踐，我們首先的搞清楚齒輪故障的特點(diǎn)、產(chǎn)生原因，只有對(duì)其規(guī)律有了較深刻的了解才能利用其規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)我門(mén)的目的。實(shí)驗(yàn)臺(tái)相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)源， 實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的數(shù)據(jù)怎樣進(jìn)入到計(jì)算機(jī)呢？我們需要一個(gè)性能優(yōu)良的傳感器。第一章里講到的labview在編寫(xiě)信號(hào)處理軟件方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。（1）實(shí)驗(yàn)臺(tái)（2）傳感器由于齒輪的振動(dòng)頻率一般在 10KHz 以下，因此選用SD1402 型壓電加速度傳感器。安裝諧振點(diǎn)（Hz）：27K 性能特點(diǎn)：通用測(cè)振（3）放大器目前用于壓電式加速度傳感器的信號(hào)放大器有兩種：一是電壓放大器，其輸出電壓與傳感器的輸出電壓成正比；二是電荷放大器，其輸出電壓與傳感器的輸出電荷成正比。測(cè)量方式：加速度 增益（dB）:0,20,40,60 通道數(shù)：6 廣泛應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn),工業(yè)測(cè)量控制領(lǐng)域的信號(hào)采集，其主要的性能和技術(shù)指標(biāo)如下： 模入通道：16，可任意設(shè)定采樣通道數(shù). 輸入阻抗：100MΩ 設(shè)計(jì)基于labview的虛擬儀器在本系統(tǒng)中，軟件的主要功能是工作模式選擇、數(shù)據(jù)管理、信號(hào)分析、故障監(jiān)測(cè)。離線分析是讀取在線監(jiān)測(cè)時(shí)保存在本地的故障數(shù)據(jù)，對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分析。數(shù)據(jù)管理幫用戶存儲(chǔ)和尋找保存在計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)。它要解決的核心問(wèn)題是怎樣識(shí)別是否出現(xiàn)故障。按照下列步驟，創(chuàng)建并配置一個(gè)從DAQ設(shè)備讀取電壓的任務(wù)。（3） 選擇輸入選板上的DAQ Assistant Express VI，如圖33所示。 Analog Input ，顯示Analog Input選項(xiàng)。（6） 在Supported Physical Channels 列表中，選擇儀器與信號(hào)連接的物理通道( 如ai0) 并單擊Finish 按鈕。（8） 在Configuration選項(xiàng)卡的Timing Settings 部分，從Acquisition Mode 下拉菜單中選擇N Samples 。以齒輪故障的時(shí)域分析為例，當(dāng)齒輪正常運(yùn)行的時(shí)候，齒輪的振動(dòng)是較為平穩(wěn)的，而當(dāng)齒輪出現(xiàn)故障時(shí)，振動(dòng)則出現(xiàn)明顯的沖擊特征。傅里葉變換的算法比較復(fù)雜，但是labview圖36 時(shí)域分析控件提供了快速傅里葉變換控件，如圖37所示，先添加一個(gè)信號(hào)仿真器模擬出一個(gè)爭(zhēng)先信號(hào)源，然后添加一個(gè)頻譜分析控件，放一個(gè)波形顯示器，在加上一個(gè)循環(huán)，最后用線連接各控件。非常快捷就實(shí)現(xiàn)了共振解調(diào)的過(guò)程，labview圖形化編程語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)的到了充分體現(xiàn)。如圖310所示，這是“寫(xiě)入數(shù)據(jù)”控件的寫(xiě)入設(shè)置對(duì)話框，通過(guò)這個(gè)對(duì)話框我們可以管理信息寫(xiě)入的位置、文件保存的格式、文件名等信息。圖312 低頻調(diào)制波圖313 高頻載波兩組信號(hào)調(diào)制之后時(shí)域波形如圖313圖313 信號(hào)調(diào)制后波形對(duì)調(diào)制之后的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)提取得到的信號(hào)的波形圖如圖314圖314 解調(diào)后波形通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低頻調(diào)制波經(jīng)調(diào)制后有被完整的解調(diào)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)來(lái)解調(diào)目的，說(shuō)明包絡(luò)分析是一種有效的分析方法。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)正常工作狀態(tài)和系統(tǒng)故障狀態(tài)兩種不同的情況，即一種情況正常，另一種情況下主動(dòng)輪是一個(gè)有斷齒故障的齒輪。圖42是正常工作狀況下的信號(hào)時(shí)域波形，圖43是故障狀態(tài)時(shí)信號(hào)的時(shí)域波形，兩者對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)齒輪出現(xiàn)斷齒故障時(shí)信號(hào)表現(xiàn)出明顯的沖擊特征。容易看出，當(dāng)齒輪出現(xiàn)故障時(shí)，在頻率約為5Hz處出現(xiàn)一峰值（圖中點(diǎn)1），而點(diǎn)2和點(diǎn)3則出現(xiàn)在其倍頻10Hz和15Hz處，且逐步衰減，較容易判斷點(diǎn)2和點(diǎn)3是點(diǎn)1處分量的高次諧波。本文建立了齒輪故障診斷系統(tǒng)，并對(duì)斷齒故障進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M和分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，故障診斷結(jié)論與故障模擬結(jié)果是一致的。因此，還可能有軸承的故障，軸系的故障，應(yīng)進(jìn)一步研究這些故障之間的異同點(diǎn)以及它們之間的聯(lián)系，從而研制一套對(duì)這些故障通用的診斷系統(tǒng)；（3）希爾伯特算法在解調(diào)分析方面有一定的局限性，可進(jìn)一步研究怎樣用labview實(shí)現(xiàn)小波降噪，能量算子解調(diào)等最新的信號(hào)處理方法。 After study with the guidance in the United States。 (2) in view of the plication of modern CNC equipment, integration, automation degree rise and sustainable work ability and the improvement of reliability, more emphasis on integration of more intelligent technology and system level diagnosis technology, hybrid intelligent diagnosis technology research。CMA) as the first began to study fault diagnosis technology, the friction and wear, cars and aircraft generator monitoring and diagnosis has the leading position. 　　Japan39。 Manufacturing process refers to the manufacturing process and process parameters. Condition monitoring and fault diagnosis of mechanical equipment runtime content contains two aspects: one is to the equipment running status monitoring。證明了基于虛擬儀器的故障診斷是可行的，并且比傳統(tǒng)的故障診斷更具有優(yōu)勢(shì)。例如斷齒、點(diǎn)蝕、磨損等等；二是整體性故障例如軸不對(duì)中、齒輪安裝偏差等。圖中425Hz頻率處有一幅度約為45m?s2?102的分量，這是齒輪嚙合頻率fc的分量，圖說(shuō)明出現(xiàn)斷齒故障是會(huì)產(chǎn)生明顯的調(diào)制現(xiàn)象，在fc附近出現(xiàn)調(diào)制邊帶。 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)可以通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子的供電頻率對(duì)圖中的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。另一臺(tái)接三個(gè)并聯(lián)的白熾燈，我們叫它發(fā)電機(jī)。圖310 讀取數(shù)據(jù)本小節(jié)的主要內(nèi)容是驗(yàn)證前面講的利用希爾伯特變換法提取信號(hào)包絡(luò)的可行性。當(dāng)峰值較小時(shí)則出現(xiàn)如圖“系統(tǒng)無(wú)故障”字樣。圖37 頻域分析程序前面講了信號(hào)共振解調(diào)的方法，其中涉及到帶通濾波濾波、低通濾波以及希爾伯特變換，其中希爾伯特變換的算法比較復(fù)雜。Labview還提供了一些定量的時(shí)域分析控件，通過(guò)如圖36所示的控件用戶就能十分容易的知道信號(hào)的一些時(shí)域內(nèi)的重要參數(shù)，例如均方根、正峰值、周期平均等。圖34 對(duì)話框本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖35所示圖35 數(shù)據(jù)采集程序Labview提供了豐富的時(shí)域分析手段。對(duì)話框顯示選中完成任務(wù)的通道的配置選項(xiàng)。 對(duì)話框?qū)⒘谐龈鱾€(gè)已安裝的DAQ設(shè)備的通道。 DAQ Assistant 打開(kāi)，并出現(xiàn)Create New Express Task 對(duì)話框。（2） 在程序框圖中，打開(kāi)函數(shù)選板并選擇Express187。 從概念上來(lái)說(shuō)，任務(wù)就是要進(jìn)行的測(cè)量或生成。本軟件進(jìn)行三種分析功能：時(shí)域分析、頻域分析、解調(diào)分析。數(shù)據(jù)管理功能主要是指信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。[15]本系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩種工作模式。FIFO 存儲(chǔ)器：32KB，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)塊采集 (5)計(jì)算機(jī)虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器系統(tǒng)，所以計(jì)算機(jī)是最重要的硬件。10V 精度：％(滿量程) 本實(shí)驗(yàn)選用北京優(yōu)采測(cè)控技術(shù)有限公司專業(yè)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)UA302/H 型A/D 采集器。低通(Hz)：30，100，300，1K，線性，12dB/OCT 最大輸出峰值:177。本實(shí)驗(yàn)選用SD1433型電荷放大器。重量：15g 電荷靈敏度：2PC/ 除了實(shí)驗(yàn)臺(tái)得自己設(shè)計(jì)建立其它幾樣?xùn)|西都是現(xiàn)成的產(chǎn)品，我們只需更具需要選擇適合的型號(hào)。采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。一方面我們能通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)更好的理解齒輪故障的特點(diǎn)，另一方面，我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)來(lái)驗(yàn)證我們的方法是否可行。[14]在進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)之前，首先來(lái)回顧一下本課題的研究目標(biāo)，以做到有的放矢。信號(hào)包絡(luò)提取的方法如下xtxt包絡(luò)AtAt=xt+jxt圖24 包絡(luò)解調(diào)過(guò)程分析過(guò)程使用了希爾伯特變換來(lái)提取信號(hào)的包絡(luò)一個(gè)實(shí)數(shù)域內(nèi)的時(shí)間實(shí)函數(shù)f(t)的希爾伯特變換為：ft=1π∞∞fτtτdτ=ft?1πt 222以信號(hào)本身為實(shí)部，以其希爾伯特變換所得函數(shù)為虛部，得到一個(gè)復(fù)數(shù)解析信號(hào)，該解析信號(hào)的模即為信號(hào)的包絡(luò)。共振解調(diào)方法的原理是：當(dāng)機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各回轉(zhuǎn)部件大多數(shù)作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。以齒輪箱信號(hào)為例，它包含的信號(hào)有：機(jī)器轉(zhuǎn)子不平衡、軸系支承對(duì)中不良等因素引起的低頻振動(dòng)的多階頻譜、齒輪嚙合頻率振動(dòng)的多階頻譜和軸承故障損傷引起沖擊的若干階頻譜。原因是機(jī)械故障中的這些頻率成分并不讓人省心，這些成分在組成完整的故障信號(hào)的時(shí)候并不是老老實(shí)實(shí)的挨個(gè)兒排好隊(duì)，他們之間會(huì)發(fā)生很復(fù)雜的相互作用，這種相互作用通過(guò)信號(hào)的調(diào)制現(xiàn)象表現(xiàn)出來(lái)。另外當(dāng)箱體中有滾動(dòng)軸承產(chǎn)生故障時(shí)，會(huì)激起其固有頻率，雖然其徑向彎曲的各階固有頻率可以通過(guò)近似公式計(jì)算，但是其他三階以上的計(jì)算頻率與實(shí)測(cè)頻率之間誤差較大，往往不易于與齒輪的固有頻率分辨開(kāi)，這是這種診斷的缺點(diǎn)之一。（2）對(duì)箱體固有頻率調(diào)制現(xiàn)象，可采用時(shí)域波形分析、頻譜分析、解調(diào)分析和能量分析相組合的故障診斷方法。應(yīng)當(dāng)特別注意的是不論載波頻率是多少，這三種調(diào)制現(xiàn)象的調(diào)制頻率均為故障軸的旋轉(zhuǎn)頻率及其高次諧波，這一點(diǎn)對(duì)故障滲斷非常重要。（4）以齒輪的固有頻率為載波頻率，以齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻及其高次諧波為調(diào)制頻率的齒輪固有頻率調(diào)制現(xiàn)象產(chǎn)生的邊頻帶。所以對(duì)調(diào)制現(xiàn)象及其邊頻帶分布特點(diǎn)進(jìn)行研究是齒輪故障診斷中的最重要的環(huán)節(jié)。(3)磨損 齒輪的磨損故障常常是因?yàn)槠涔ぷ鳝h(huán)境惡劣，齒輪箱中進(jìn)入了沙粒，腐蝕性物質(zhì)或是潤(rùn)滑油不足而造成的，嚴(yán)重的磨損將損壞齒輪的形狀、尺寸導(dǎo)致其失效。以下是典型故障產(chǎn)生原因及其振動(dòng)信號(hào)的特征：9(1)斷齒 齒輪工作承受載荷時(shí)，每個(gè)輪齒可以看做是一支懸臂梁，齒根受到周期性載荷的作用當(dāng)齒輪到達(dá)其疲勞壽命或嚴(yán)重過(guò)載時(shí)齒根就可能斷裂。選擇沖擊激起的高