【正文】 頻固有振動(dòng)為研究對(duì)象，通過濾波將其從信號(hào)中分離出來，然后通過包絡(luò)檢波提取載附在高頻固有振動(dòng)上的與沖擊相對(duì)應(yīng)的低頻信號(hào)的包絡(luò)，從包絡(luò)信號(hào)的強(qiáng)度和頻率就可以判斷故障的嚴(yán)重程度和發(fā)生部位。特別是在原頻譜圖上不存在或比較微弱的頻率分量突然出現(xiàn)急劇增大時(shí)，極有可能在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)設(shè)備造成破壞。通過傅里葉變換可得到信號(hào)的頻譜，即傅里葉變換Xf=∞+∞xtej2πftdt 216傅里葉反變換xt=∞+∞Xfej2πftdt 217信號(hào)的幅值譜Xf=Re2Xf+Im2Xf 218信號(hào)的相位譜φf=arctanImXfReXf 219信號(hào)的功率譜密度函數(shù)反映了信號(hào)的功率在頻域隨著頻率的分布狀況。特別是對(duì)于機(jī)器早期故障，周期信號(hào)不明顯，直接觀察難以發(fā)現(xiàn)，自相關(guān)分析則可以起到重要的作用。常用的無量綱參數(shù)指標(biāo)有：波形指標(biāo)S=XrmsX 28峰值指標(biāo)C=XmaxXrms 29脈沖指標(biāo)I=XmaxX 210裕度指標(biāo)L=XmaxXr 211峭度指標(biāo)K=βXrms4 212上述參數(shù)是設(shè)備故障早期診斷的常用評(píng)價(jià)指標(biāo)。時(shí)域分析的主要指標(biāo)如下：（1）振動(dòng)幅值對(duì)于一組離散的信號(hào)x1,x2,…xn,振動(dòng)參數(shù)主要包括：均值 X=1ni=1nxi 21 絕對(duì)平均值X=1ni=1nxi 22最大值Xmax=maxxi i=1,2,…,n 23均方根值Xrms=1ni=1nxi2 24方根幅值Xτ=1ni=1nxi2 25歪度α=1ni=1nxi3 26峭度β=1ni=1nxi4 27在實(shí)際應(yīng)用中，均值的意義不大；歪度α反映信號(hào)幅值分布密度的不對(duì)稱性，峭度β常用于監(jiān)測(cè)是否有脈沖性故障。如圖22是自然光的光譜和機(jī)床振動(dòng)信號(hào)的的頻 圖22 光譜與頻譜譜。機(jī)床的傳動(dòng)箱為例，當(dāng)它正常運(yùn)行時(shí)整體上振動(dòng)能量較小，這時(shí)其有效值為Xrms1，當(dāng)它出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)整體上的振動(dòng)能量變大了，此時(shí)的有效值變?yōu)閄rms2，這樣我們只需在這兩個(gè)有效值之間取一個(gè)合適的閾值Xrms0，把它作為故障存在與否的分界線，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)。它反映的是系統(tǒng)整體上的振動(dòng)能量狀況。 利用基于振動(dòng)的方法來對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷是通過監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)能量和頻譜實(shí)現(xiàn)的。而且振動(dòng)傳感器的種類非常的齊全（如圖21是各類傳感器），安裝方式也豐富多樣，使用起來非常方便。較強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)我們憑借自己的感官就能觀測(cè)到。噪聲分析法是利用噪聲傳感器采集機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)的噪聲并對(duì)其進(jìn)行分析從而得出分析結(jié)論。（4）利用labview設(shè)計(jì)了具有數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、故障監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理等功能的故障診斷程序，并介紹了這些功能基于labview的實(shí)現(xiàn)方法。本課題著重研究機(jī)械故障特征的提取方法，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械故障診斷領(lǐng)域，以齒輪故障為例，采用 LabVIEW 軟件進(jìn)行虛擬機(jī)械故障診斷的研究，提高測(cè)試系統(tǒng)的整體性能，有效地解決傳統(tǒng)故障診斷方法儀表不夠靈活且成本過高的問題，并且，設(shè)計(jì)的虛擬故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)試信號(hào)的時(shí)域分析、頻域分析、數(shù)字濾波、相關(guān)分析等功能，從而使得機(jī)械故障監(jiān)測(cè)診斷更靈活。故障特征提取方法的研究是機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)相比，虛擬儀器系統(tǒng)具有成本低、易于調(diào)試、便于修改和升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。1986年10月，一架英國斯威士蘭公司的直升機(jī)在英國北海油田上空?qǐng)?zhí)行任務(wù)時(shí)，傳輸動(dòng)力的弧齒錐齒輪突然斷裂，造成飛機(jī)失事。齒輪故障將直接影響公司的生產(chǎn)數(shù)量和生產(chǎn)質(zhì)量，如果一條流水線上的某臺(tái)其關(guān)鍵作用的機(jī)器在預(yù)料之外突然出現(xiàn)故障將對(duì)工廠的生產(chǎn)計(jì)劃產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，也將嚴(yán)重影響公司的經(jīng)濟(jì)效益。在精密機(jī)械如數(shù)控機(jī)床、高檔轎車、精密工業(yè)機(jī)器人等產(chǎn)品中也廣泛的采用了齒輪傳動(dòng)。至今，大多數(shù)主流的測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的Labview驅(qū)動(dòng)程序，使用Labview可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。在故障機(jī)理研究方面研究人員也做了大量的工作，也取得了一定的成績(jī)。[3]在監(jiān)測(cè)儀器和系統(tǒng)開發(fā)方面，研究者已經(jīng)取得了大量的成果，開發(fā)出了許多性能優(yōu)良的儀器及分析系統(tǒng)。虛擬儀器引入到當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域，使數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制自動(dòng)化技術(shù)發(fā)生了重大的變革。所謂圖形化編程語言就是將具體的代碼封裝起來以圖標(biāo)的形式顯示成具有一定功能的控件（VI）只顯示輸入與輸出接口。 計(jì)算機(jī)在函數(shù)關(guān)系模擬，計(jì)算等方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因此利用計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來并與之幾乎完美的相結(jié)合的虛擬儀器注定將引領(lǐng)儀器領(lǐng)域的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的儀器如示波器，萬用表，電子顯示溫度計(jì)等是利用某些特殊的物理效應(yīng)來建立輸入量和輸出量之間的函數(shù)關(guān)系。作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等）。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。制作了一套基于虛擬儀器的齒輪故障診斷系統(tǒng)，并且用齒輪故障實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證了該系統(tǒng)用于齒輪故障診斷的可行性。同時(shí)，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的Labview工具包。Labview最初就是為測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)的，因而測(cè)試測(cè)量也是現(xiàn)在Labview最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。建立了齒輪故障實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用labview設(shè)計(jì)了具有數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、故障監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理等功能的故障診斷程序，并介紹了這些功能基于labview的實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它目錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 1 1 2 3 第2章 齒輪故障診斷的方法與原理 5 5 6 11 11 11 12 13 第3章 齒輪故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案 15 16 設(shè)計(jì)基于labview的虛擬儀器 19 19 19 24 第4章 基于labview齒輪故障診斷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 27 故障實(shí)驗(yàn)臺(tái)分析 27 28 結(jié)論 31 致謝 32 參考文獻(xiàn) 33 附錄 34 第1章 緒論虛擬儀器（VI）的概念是美國國家儀器公司（NI）提出的，通俗地講就是利用計(jì)算機(jī)的豐富硬件資源在某種軟件編程環(huán)境開發(fā)出的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，測(cè)量數(shù)據(jù)在該系統(tǒng)內(nèi)的傳遞是靠軟件而不是硬件完成，它的核心是“軟件就是儀器”。抽象的講：儀器就是輸入量與輸出量之間的傳遞函數(shù)。[1]它是NI公司開發(fā)的世界唯一一款基于圖形的編程語言。用戶編程時(shí)只需將相應(yīng)的控件的接口用“數(shù)據(jù)線”連接起來便“能量身定制”出具自己需要的儀器。目前的齒輪箱故障診斷研究主要集中在狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器和分析系統(tǒng)的開發(fā)、信號(hào)處理和分析、故障機(jī)理研究和典型故障特征的提取、智能診斷等幾個(gè)方面。除了傳統(tǒng)的時(shí)域分析、頻域分析還發(fā)展了諸如小波理論，能量算子解調(diào)，希爾伯特變換，統(tǒng)計(jì)特征分析等一系列先進(jìn)的信號(hào)處理方法，為信號(hào)處理提供了豐富有效的手段。經(jīng)過多年的發(fā)展，Labview在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域獲得了廣泛的承認(rèn)。齒輪傳動(dòng)由于其精確的傳動(dòng)比廣泛的用于各種機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中，例如切削機(jī)床、航空工業(yè)、電力系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、礦山機(jī)械等均運(yùn)用了齒輪傳動(dòng)裝置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳動(dòng)機(jī)械中80%的故障是由齒輪故障引起的，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中齒輪故障占其故障總數(shù)的10%左右（如圖1—1）。十年前，一家很有聲望的齒輪公司生產(chǎn)的提升機(jī)，在進(jìn)行建筑物外表清潔作業(yè)時(shí)齒輪箱輪齒發(fā)生斷裂，造成清潔工人從高空墜落，這一事故的發(fā)生不僅是這家公司的產(chǎn)品信譽(yù)受到嚴(yán)重影響，還傷害了勞動(dòng)人民的生命?？梢妼?duì)齒輪進(jìn)行故障診 [5]圖1—1 齒輪故障率統(tǒng)計(jì)斷具有非常重要的意義，可以在齒輪出現(xiàn)故障的早期對(duì)機(jī)器進(jìn)行及時(shí)的維修從而避免出現(xiàn)嚴(yán)重事故。機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)研究的主要內(nèi)容，體現(xiàn)在機(jī)械設(shè)備故障診斷過程中故障機(jī)理的研究、故障信息的獲取、故障特征的提取、機(jī)械設(shè)備狀態(tài)的分析和診斷以及狀態(tài)信息的存貯與管理等。機(jī)械設(shè)備狀態(tài)分析和診斷方法的研究是設(shè)備診斷技術(shù)的核心，比較常用的機(jī)械設(shè)備狀態(tài)分析和診斷方法有狀態(tài)空間分析診斷法、函數(shù)診斷法、對(duì)比診斷法、統(tǒng)計(jì)診斷法、模糊診斷法、人工智能診斷法、遺傳算法診斷法等方法。（3）建立了齒輪故障實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。扭振分析法就是在被測(cè)系統(tǒng)的軸上安裝扭振傳感器來測(cè)量該軸的扭矩的沖擊性變化，這種方法在大型發(fā)電機(jī)的故障診斷中較為常用。機(jī)械振動(dòng)無處不在，幾乎所有的機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)都會(huì)有機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象，只是有強(qiáng)有弱。因?yàn)槲覀儗?duì)振動(dòng)信號(hào)的采集技術(shù)已經(jīng)非常的成熟，圖21 各類傳感器即便是非常微弱的信號(hào)我們也能很好的把它采集起來。如上所述也正是基于振動(dòng)的故障診斷方法被普遍應(yīng)用的原因。有效值是一個(gè)周期內(nèi)振動(dòng)能量的方根，所以又叫方根值。這三個(gè)值在故障監(jiān)測(cè)和診斷中具有重要的作用。但是我們所遇到的大多數(shù)的信號(hào)并不是簡(jiǎn)諧信號(hào)，它們是由不同頻率的信號(hào)疊加融合起來的，咋一看我們很難理解它是什么樣的成分組成的（就像我們很難想象白光是由顏色絢麗的七色光組成的一樣）牛頓利用三棱鏡分離出了白光的成分，同樣振動(dòng)信號(hào)的頻譜就像是牛頓手中的“三棱鏡”“折射”出了振動(dòng)信號(hào)的成分。時(shí)域分析方法是最簡(jiǎn)單最直接的故障分析方法。無量綱參數(shù)只與振動(dòng)信號(hào)的分布密度有關(guān)，所以無量綱參數(shù)指標(biāo)是一種很好的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷參數(shù)。信號(hào)自相關(guān)函數(shù)反映信號(hào)本身取值在兩個(gè)不同的時(shí)刻的自相似性，信號(hào)xt的自相關(guān)函數(shù)定義為Rxτ=limT?∞1T0Txtxt+τdt 214利用自相關(guān)函數(shù)可以發(fā)現(xiàn)隱藏在復(fù)雜噪聲環(huán)境中的周期分量以確定機(jī)器故障。頻域分析方法是機(jī)械設(shè)備故障診斷中最常用最重要的方法(1)頻譜分析信號(hào)頻譜是在頻率域中對(duì)原始信號(hào)分布情況的描述，能夠提供比時(shí)域波形更加直觀的特征信息，被廣泛的用作故障診斷的依據(jù)。其次是幅值較小但是增長很快的頻率分量。當(dāng)齒輪等零部件出現(xiàn)局部故障時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生周期性脈沖沖擊力，激起設(shè)備的固有振動(dòng)。不同的故障形式的振動(dòng)信號(hào)也表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，這是有規(guī)律可循的。齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕故障時(shí)，齒輪的頻譜表現(xiàn)為在嚙合頻率及其高次諧波附近存在以點(diǎn)蝕齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻為間隔的調(diào)制邊帶，但調(diào)制變頻帶數(shù)量少且分布稀少。這些邊帶中包含了很多重要的齒輪故障信息。（3） 以齒輪的嚙合頻率及其高次諧波為載波頻率，以齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻及其高次諧波為調(diào)制頻率的齒輪嚙合頻率調(diào)制現(xiàn)象而產(chǎn)生的邊頻帶。當(dāng)激振能量非常大，故障非常嚴(yán)重時(shí)，則齒輪箱箱體的固有頻率被激起，產(chǎn)生箱體固有頻率調(diào)制現(xiàn)象。不論是轉(zhuǎn)頻還是嚙合頻率，在已知或?qū)崪y(cè)出轉(zhuǎn)速各傳動(dòng)鏈的情況下，是可以通過計(jì)算得到的，這為珍斷提供了有效的參考數(shù)據(jù)，如果輔以時(shí)域波形和包絡(luò)時(shí)域波形分析，則會(huì)進(jìn)一步提高診斷的準(zhǔn)確度。由解調(diào)譜分析有故障軸的轉(zhuǎn)頻，找出故障所在軸部位，但一般不可能事先計(jì)算或測(cè)出各種不同齒輪的固有頻率，所以我們往往不知這種調(diào)制的載波頻率，缺少了針對(duì)性。但實(shí)際上僅僅通過機(jī)器上采集的原始信號(hào)的頻譜來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確有效地故障診斷是非常困難的。因此，當(dāng)我們進(jìn)行故障分析時(shí)某些振動(dòng)能量很強(qiáng)的干擾信號(hào)可能嚴(yán)重對(duì)我們的判斷造成嚴(yán)重的影響，甚至讓我無法做出判斷。瑞典SKF公司就提出了共振解調(diào)方法，后來該方法又被美國MRR公司和瑞典SPM公司進(jìn)一步發(fā)展，用于提