【文章內容簡介】 障所在軸部位，但一般不可能事先計算或測出各種不同齒輪的固有頻率，所以我們往往不知這種調制的載波頻率，缺少了針對性。另外當箱體中有滾動軸承產生故障時，會激起其固有頻率，雖然其徑向彎曲的各階固有頻率可以通過近似公式計算，但是其他三階以上的計算頻率與實測頻率之間誤差較大，往往不易于與齒輪的固有頻率分辨開，這是這種診斷的缺點之一。但是如果齒輪固有頻率被激勵并產生振動調制，一般頻率成分較少，只有圍繞低階齒輪固有頻率附近的幾個突出的譜峰。11前面講到信號的頻譜就像三棱鏡折射出白色光的七色光譜一樣將信號的組成成分一一呈現(xiàn)了出來，這些頻率成分與機械設備中的一個個零件的振動相對應，通過觀察信號的頻譜就能實現(xiàn)對機器的故障診斷。但實際上僅僅通過機器上采集的原始信號的頻譜來實現(xiàn)準確有效地故障診斷是非常困難的。原因是機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的時候并不是老老實實的挨個兒排好隊，他們之間會發(fā)生很復雜的相互作用，這種相互作用通過信號的調制現(xiàn)象表現(xiàn)出來。一百八十多年前傅里葉提出了信號在時域和頻域之間的變換關系，一直以來頻域分析是作為最重要的信號分析手段。傳統(tǒng)的信號分析，就是直接對振動信號作傅里葉變換得到其頻譜，該頻譜中含有整個系統(tǒng)所有零部件的振動信息。因此，當我們進行故障分析時某些振動能量很強的干擾信號可能嚴重對我們的判斷造成嚴重的影響，甚至讓我無法做出判斷。以齒輪箱信號為例，它包含的信號有：機器轉子不平衡、軸系支承對中不良等因素引起的低頻振動的多階頻譜、齒輪嚙合頻率振動的多階頻譜和軸承故障損傷引起沖擊的若干階頻譜。其中，前兩種因素的譜線能量非常強大，在信號的頻譜中很難看見軸承故障沖擊的譜線。[12]于是，我們需要一種能夠將我們所需要的但又相對較弱的故障信號從傳感器采集的原始信號中較好的分離出來的方法。瑞典SKF公司就提出了共振解調方法，后來該方法又被美國MRR公司和瑞典SPM公司進一步發(fā)展，用于提取淹沒在強烈背景噪聲中的沖擊脈沖信號。共振解調方法的原理是：當機械設備正常運轉時，各回轉部件大多數(shù)作勻速轉動。當系統(tǒng)中某個零件發(fā)生故障時，運行部件之間便會產生沖擊，振動信號在時域內表現(xiàn)為明顯的周期性沖擊特征。沖擊可看作脈沖，頻譜展開可得到很寬的頻帶，其中必然包含一些零件的較高頻的固有振動，可根據(jù)需要選擇某一高頻固有振動作為研究對象，利用帶通濾波器將該固有振動分離出來，然后通過包絡檢波得到包含故障特征信息的低頻信號的包絡，對這一包絡進行頻譜分析即可診斷出元件故障。從共振解調方法的運用過程[13]如下圖調制信號低通濾波包絡分析高通濾波原始信號圖23 共振解調過程在共振解調的過程包絡提取是一項最為主要也是最關鍵的一項工作。信號包絡提取的方法如下xtxt包絡AtAt=xt+jxt圖24 包絡解調過程分析過程使用了希爾伯特變換來提取信號的包絡一個實數(shù)域內的時間實函數(shù)f(t)的希爾伯特變換為：ft=1π∞∞fτtτdτ=ft?1πt 222以信號本身為實部，以其希爾伯特變換所得函數(shù)為虛部，得到一個復數(shù)解析信號，該解析信號的模即為信號的包絡。設原始信號為yt，它的Hilbert變換為yt=Hyt=1π∞∞yτtτdτ 223yt與他的Hilbert變換yt組成解析信號qt：qt= yt+jyt 224信號qt的包絡為：bt=qt=y2t+y2t 225對包絡信號作頻譜分析， 就得到包絡信號的頻譜。第3章 齒輪故障診斷系統(tǒng)設計 設計系統(tǒng)總體方案機械設備運行時的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷包含兩方面內容:一是對設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。二是在發(fā)現(xiàn)異常情況后對設備的故障進行分析、診斷。[14]在進行總體方案設計之前，首先來回顧一下本課題的研究目標，以做到有的放矢。本課題的研究目標是探索一種齒輪故障診斷的新的實施方法——基于虛擬儀器的齒輪故障振斷方法，并且在此基礎上研制出一套可用于齒輪故障診斷的系統(tǒng)。不論是進行理論方法的研究還是進行工程實踐，我們首先的搞清楚齒輪故障的特點、產生原因，只有對其規(guī)律有了較深刻的了解才能利用其規(guī)律來實現(xiàn)我門的目的。但是僅從表面上是很難了解其內在規(guī)律的，最好的方法是對其進行數(shù)學分析，因此我們需要建立一個齒輪故障實驗臺。一方面我們能通過實驗臺更好的理解齒輪故障的特點，另一方面，我們可以通過實驗臺來驗證我們的方法是否可行。虛擬儀器是基于計算機的儀器系統(tǒng)，采集到的數(shù)據(jù)需要傳送到計算機進行分析處理。實驗臺相當于一個數(shù)據(jù)源， 實驗臺上的數(shù)據(jù)怎樣進入到計算機呢？我們需要一個性能優(yōu)良的傳感器。我們知道傳感器將被測系統(tǒng)的機械振動轉換為電信號，但傳感器采集到的數(shù)據(jù)是模擬信號，而電腦所能直接處理的是數(shù)字信號，怎樣解決這樣的矛盾呢？數(shù)據(jù)采集卡能夠實現(xiàn)由模擬信號到數(shù)字信號的轉換在實際工程實踐中，傳感器采集到的信號時非常的微弱的，并不像教科書上畫的那么明顯，有些信號如果直接用示波器來顯示，根本無法觀察到，所以需要放大器對信號進行放大。采集到的信號經過預處理后傳入計算機內進行處理。上面講到振動信號處理的一些實用的方法，例如包絡分析，共振解調，頻譜分析等，這些信號分析方法都是用數(shù)學語言描述的，怎樣將這些方法裝入計算機以用來對信號進行分析呢？這就需要將這些分析方法分析信號的過程編制成計算機程序——軟件，讓這些程序指揮計算機進行信號分析。第一章里講到的labview在編寫信號處理軟件方面具有明顯的優(yōu)勢。綜上所述，系統(tǒng)總體方案設計如圖31所示上一節(jié)中概括性的講了一下實驗臺，傳感器，放大器和數(shù)據(jù)采集卡，計算機可以把這些東西統(tǒng)稱為硬件。除了實驗臺得自己設計建立其它幾樣東西都是現(xiàn)成的產品，我們只需更具需要選擇適合的型號。圖31 系統(tǒng)總體框圖這一節(jié)將詳細論述實驗臺的設計及這些元器件。（1）實驗臺（2）傳感器由于齒輪的振動頻率一般在 10KHz 以下，因此選用SD1402 型壓電加速度傳感器。其主要技術參數(shù)如下：電荷靈敏度：2PC/ 頻率范圍（Hz）：～9K 安裝諧振點（Hz）：27K 量程： 重量：15g 安裝螺紋孔：M5 性能特點：通用測振（3）放大器目前用于壓電式加速度傳感器的信號放大器有兩種：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。電壓放大器的輸出信號受連接電纜對地電容的影響,易產生干擾信號,信號不穩(wěn)定,所以選擇電荷放大器。本實驗選用SD1433型電荷放大器。其技術參數(shù)如下測量方式：加速度 最大輸入電荷量：105PC 最大輸出峰值:177。10V 增益（dB）:0,20,40,60 不準確度：% 低通(Hz)：30，100，300，1K，線性，12dB/OCT 頻率范圍(Hz)：～100K 通道數(shù)：6 特點：通用型，高增益，高精度（4）數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡的主要參數(shù)有通道數(shù)、位數(shù)和最高采樣頻率，它們是選擇數(shù)據(jù)采集卡時的重要指標。本實驗選用北京優(yōu)采測控技術有限公司專業(yè)開發(fā)生產UA302/H 型A/D 采集器。它可與帶USB 接口的各種臺式計算機,筆記本機,工控機連接構成高性能的數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)，該產品采用美國新型16 位A/D 轉換芯片,設計講究,測量精度高,速度快,編程簡便,且具有USB 設備體積小巧,連接方便,無需外接電源,即插即用,可帶電拔插等特有優(yōu)點。廣泛應用于科學實驗,工業(yè)測量控制領域的信號采集，其主要的性能和技術指標如下： 分辯率：16Bit 精度：％(滿量程) 最高實用采樣頻率：200KHz 模入通道：16，可任意設定采樣通道數(shù). 模入范圍：177。10V 程控增益：16倍，可方便測量小信號 輸入阻抗：100MΩ 觸發(fā)方式：定時器觸發(fā),軟件觸發(fā)，可任意設定采樣頻率 FIFO 存儲器：32KB，可實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)塊采集 (5)計算機虛擬儀器是基于計算機的儀器系統(tǒng)，所以計算機是最重要的硬件。具體選擇時應根據(jù)工程現(xiàn)場測試、 的硬件要求，同時考慮數(shù)據(jù)采集的要求，合理的選擇相應的計算機。 設計基于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、信號分析、故障監(jiān)測。工作模式選擇是指在線監(jiān)測和離線分析兩種工作模式中選擇一種。[15]本系統(tǒng)設計兩種工作模式。在線監(jiān)測是系統(tǒng)對運行中的實驗臺進行實時監(jiān)測，當實驗臺出現(xiàn)故障時診斷系統(tǒng)會自動報警，并且自動的保存故障數(shù)據(jù)。離線分析是讀取在線監(jiān)測時保存在本地的故障數(shù)據(jù)，對故障數(shù)據(jù)進行人工分析。這兩種方式相輔相成，對設備進行故障監(jiān)測和診斷。數(shù)據(jù)管理功能主要是指信號數(shù)據(jù)的存儲和讀取。上面已經講到故障信號的存儲是系統(tǒng)自動完成的，但對故障數(shù)據(jù)的分析是由人工進行的。數(shù)據(jù)管理幫用戶存儲和尋找保存在計算機上的數(shù)據(jù)。信號分析是該軟件的核心功能。本軟件進行三種分析功能：時域分析、頻域分析、解調分析。故障監(jiān)測是指當設備出現(xiàn)故障，診斷系統(tǒng)能識別并報警。它要解決的核心問題是怎樣識別是否出現(xiàn)故障。綜上所述，軟件總體設計方案框圖32所示 在NIDAQmx 中，任務是包括一條或多條通道以及定時、觸發(fā)等屬性的集合。 從概念上來說，任務就是要進行的測量或生成。 例如，測量DAQ設備一條或多條通道的溫度就是一個任務。按照下列步驟，創(chuàng)建并配置一個從DAQ設備讀取電壓的任務。（1） 新建一個空白VI 。（2） 在程序框圖中，打開函數(shù)選板并選擇Express187。 輸入，顯示輸入選板。（3） 選擇輸入選板上的DAQ Assistant Express VI，如圖33所示。將該Express VI放置到程序框圖上。 DAQ Assistant 打開，并出現(xiàn)Create New Express Task 對話框。 （4） 單擊Acquire Signals 187。 Analog Input ，顯示Analog Input選項。圖32 軟件設計框圖圖33 數(shù)據(jù)采集控件（5） 選擇Voltage 創(chuàng)建一個新的電壓模擬輸入任務。 對話框將列出各個已安裝的DAQ設備的通道。 列表中通道的數(shù)量取決于DAQ設備的實際通道數(shù)量。（6） 在Supported Physical Channels 列表中，選擇儀器與信號連接的物理通道( 如ai0) 并單擊Finish 按鈕。 DAQ Assistant 將打開一個新對話框，如圖34所示。對話框顯示選中完成任務的通道的配置選項。（7） 在Settings 選項卡的Signal Input Range 部分，將Max 和Min分別設為10和10 。（8） 在Configuration選項卡的Timing Settings 部分，從Acquisition Mode 下拉菜單中選擇N Samples 。（9） 在Samples to Read 文本框中輸入1000任務創(chuàng)建完成以后，在前面板添加一個波形顯示控件，然后回到框圖用數(shù)據(jù)線連接DAQ assistant和波形顯示器便可以顯示采集到的數(shù)據(jù)的圖形。圖34 對話框本實驗數(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提供了豐富的時域分析手段。利用它提供的波形顯示控件，用戶只需用線條將信號與該控件連接起來就能夠顯示出信號的波形圖，利用波形圖我們便能對信號進行初步的定性的時域分析。以齒輪故障的時域分析為例，當齒輪正常運行的時候，齒輪的振動是較為平穩(wěn)的，而當齒輪出現(xiàn)故障時，振動則出現(xiàn)明顯的沖擊特征。這些特性在信號的波形圖上表現(xiàn)的尤為明顯。Labview還提供了一些定量的時域分析控件，通過如圖36所示的控件用戶就能十分容易的知道信號的一些時域內的重要參數(shù)，例如均方根、正峰值、周期平均等。3．頻域分析模塊頻譜分析就是對信號的時間—幅值函數(shù)進行傅里葉變換，變換之后就得到了信號的頻率—幅值函數(shù)。傅里葉變換的算法比較復雜，但是labview圖36 時域分析控件提供了快速傅里葉變換控件，如圖37所示，先添加一個信號仿真器模擬出一個爭先信號源，然后添加一個頻譜分析控件，放一個波形顯示器，在加上一個循環(huán)，最后用線連接各控件。運行之后，顯示器上出現(xiàn)正弦信號的頻譜。圖37 頻域分析程序前面講了信號共振解調的方法，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雜。與頻域分析類似，labview提供了快速希爾伯特變換和各種濾波器控件，如圖38所示兩個正弦信號調制（相乘）之后得到的新的信號經過帶通濾波，然后進行包絡檢波，最后低通濾波。非?？旖菥蛯崿F(xiàn)了共振解調的過程，labview圖形化編程語言的優(yōu)勢的到了充分體現(xiàn)。圖38 解調分析程序如圖39所示，模擬一個信號然后提取信號的一部分（在實際工程中采集到的信號的頻譜常有一直流成分，利用此方法可去除直流成分）測量其正峰值，然后將它與一可設定的常數(shù)（及閾值Xrms0）比較，然后添加一個條件結構用來判斷比較結果并根據(jù)結果做出相應的相應。，當峰值較小時則出現(xiàn)如圖“系統(tǒng)無故障”字樣。圖39 數(shù)據(jù)管理程序運用labview中的“讀取數(shù)據(jù)”“和寫入數(shù)據(jù)”兩個控件便能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和保存功能。如圖310所示，這是“寫入數(shù)據(jù)”控件的寫入設置對話框，通過這個對話框我們可以管理信息寫入的位置、文件保存的格式、文件名等信息?！白x取數(shù)據(jù)”控件也有一個類似的對話框。圖310 讀取數(shù)據(jù)本小節(jié)的主要內容是驗證前面講的利用希爾伯特變換法提取信號包絡的可行性。模擬實