同步齿轮箱初始故障在线监测与诊断装置研究

摘 要：该装置提出一种同步齿轮箱初始故障的在线监测与诊断的装置，即可以在设备的运行中或基本不拆卸全部设备的情况下监测出问题的装置。该装置与故障诊断专（家）系统与诊断技术相结合，使监测系统的安全性和稳定性得到保障，更便于工作人员操作使用。

关键词：变参数共振解调信号处理箱；专家系统

中图分类号：F49文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2012）03-0245-02

1 前言

为了了解和掌握设备在使用中的状态我们往往需要在设备进行不拆卸的情况下对其进行检测，然后通过检测的数据以及依靠人工经验等手段对设备进行诊断。本专家系统的目的就是实现计算机对机械的自动诊断，尽量减轻、代替部分技术人员的工作。该装置旨在克服人工技术不准确的缺陷，提供一种便于操作的、可早期发现设备故障及原因、并早期预报设备发展情况的这样一种同步齿轮箱初始故障的在线监测与诊断装置。

2 装置构成

状态监测与诊断主要原理是通过监测振动信号对故障进行分析，主要有硬件和软件两个部分，考虑监测设备的可扩充性，在实际安装中要根据需要安装监测齿轮箱的数量，设备增加时只需要增加传感器和采集模块便可。

2.1 硬件部分

（1）传感器。选择量程50g，频响1.2-4000Hz的加速度传感器。

（2）数据采集器。由A/D卡、变参数共振解调信号处理箱构成，其中前者主要采集车辆振动、速度等数据，后者主要采集抗混滤波频率设定，放大倍数选择、冲击信号监测等数据。

（3）中心服务器。中心服务器的关键就是数据库，数据库应选择扩展性良好、支持分布式计算和集群的数据库。甲骨文公司是世界上最流行的关系数据库系统，它是物理上存放于网络的多个ORACLE数据库，逻辑上可以看成一个单个的大数据库。需要时只需将该角色授予一个用户或一组用户，这样可以降低安全机制的负担和成本。

（4）硬件连接图。如图1所示，即将几个加速度传感器分别装在同步齿轮箱需要检测的位置，然后将他们输出的端与第一N路多路开关及第二N路多路开关的输入端联接，其中，第一N路多路开关的输出公共端“COM”与变参数共振解调信号调理箱相连，连接点是第一子系统和第二子系统的同号输入端“IN+”，相对应的，第二N路多路开关的输出公共端“COM”与反号输入端“IN-”联接。子系统内部接线是：第一子系统输出端AH0~AH2分别与A/D转换卡的输入端BH0~BH2对应连接；相对应的，第二子系统的输出端与转换卡的输入端BH3~BH5对应连接。A/D转换卡的输出端D0~D2n-1通过总线与主控机的PCI扩展槽连接，最后，主控机通过以太网与服务器连接。

该系统包括装在主控机中的专家系统，以NI-Labview为信号处理软件平台，使得整个系统在长期连续运行的过程中不会出现不正常或死机的现象，具有很高的品质。该软件是利用硬件部分监测同步齿轮箱的振动情况，通过传感器将被测部位的信号通过信号调理箱对信号进行处理之后传入软件系统进行波形分析处理得出结论。

2.2.1 波形分析

专家系统根据精密诊断分析可供运行管理人员参考，它将直接给出同步齿轮箱工作不正常时的故障信息。如图2，即实际应用的监测画面，其分析过程如下：首先，由检测装置将齿轮箱的震动信号转换为电信号后经数据采集器把电信号转换为1024点的时间序列；其次，将此1024点的数字信号进行信号处理，该处理过程分为两部分，一部分是时域分析，另一部分为频域分析，在齿轮箱工作不正常时可以打开系统分析软件，通过观察振动的时域波形和频域波形进行分析，也就是说，它们都建立在对波形的分析之上的。下面来介绍一下这两种波形分析。

2.2.2 时域波形分析

根据现场的实际情况设定报警上限参考值（关于报警系统后面再做研究），然后给出关键测点的共振解调输出的参考值。波形分析的数据主要是给出“幅域参数均值”、“均方根值”、“峰值”、“峰峰值”以及“自相关分析值”和“互相关分析值”等等。将这些数值与参考值进行比较，显示各测点振动的波动曲线，观察波动曲线，得出振动的结构分布和总体形状。在这个分析中要运用多种分析方法，不同信号有不同的自相关函数，这是利用自相关函数进行故障诊断的依据。对经过A/D变换的数字信号而言，采样所得的是一组离散数据，那么系统中有各种数据均值、均方根值、方差、最大值、最小值、自相关函数、互相关函数的计算公式，由于当有故障的时候，特别是冲击故障时，自相关函数就会有较大的峰值。将分析计算出来的结果送入故障症兆分析推理机软件中，如果解调峰值超出了正常值两倍说明齿轮箱有故障。

2.2.3 频域波形分析

频谱图是频域波形分析的最终结果，若有松动现象，则解调峰值高并且一倍频的幅值较大；若解调峰值高并且频谱中会有轴承的故障特征频率说明轴承有故障；若齿轮箱有故障特征，那么，一倍频域信息明显，幅度值高且伴有明显的二倍频和三倍频。以轴承为例，轴承外圈与滚动体出现点蚀、剥落等缺陷时，他们之间便会发生碰撞，反应到振动信号中是一种周期性的强迫振动的脉冲冲击，其周期为轴承外圈故障特征频率的倒数。脉冲冲击引起的强迫振动本身是一般在25kHz以上的高频振动，而强迫振动强度是十分微弱的，幅度约0.05v，冲击脉冲宽度不足1微秒，若机械正常振动的各种分量总和约10g左右，而微小冲击仅为0.01g，我们便可以采用共振解调对这种微冲击进行检测。最后，为了保证推理机的判断的准确性，我们需要从知识库调出同步齿轮箱正常工作时的各种正常状态信息，将它与推理机的结论进行比较。装置中含有特征频率计算工具，为配合频谱分析和专家系统而提供信息，仅需提供采样序列，计算过程可自动完成，如果信息比较接近说明设备的工作状态还需进一步的观察再做结论，如果对比结论相差较大（一般为两倍以上），说明推理机的判断正确，机械有故障，装置会根据同步齿轮箱的具体运行参数和当前检测的速度值快速计算出常见故障的特征频率并给出故障特征，以便根据情况安排检修。

数据管理即是采用数据库对数据进行管理，也是一种档案管理、档案转存的功能。前者就是将在线监测的数据整理为分钟数据或者小时数据，包括对这些数据进行数据挖掘、显示、打印，用以进行趋势分析及故障预报等分析；后者就是为了便于今后进行比较，对基准比较数据文件或作为设备从装机运行到检修整个周期的档案数据进行保留，作为历史数据。这种数据管理有存取方便、可根据用户的需求进行设计的优点，其容量仅取决于硬盘的大小，数据可以长期保存也可以根据需要导出任何指定的数据记录。

4 远程故障监测及报警

本装置操作系统采用比较稳定的WindowsXP服务器操作系统，熟悉该Windows系统的管理人员较多。配合安装诺顿杀毒软件、设定定时杀毒进行定期杀毒可以有效防止病毒破坏服务器的软、硬件。由于采用B/S模式，只要能和局域网连接安装浏览器软件，具备相应权限都可以访问该系统，这套系统还有一个优点便是可以不加修改地移植到linux操作系统下。

在这套操作系统下该装置可以辅助建立远程诊断数据，通过网络直接将设备状态反映到设备部，这样同步齿轮箱的运行状态真正得到受控管理，对设备故障提出预知维修，由于自带AJAX技术，终端可以自动刷新显示最新数据，技术人员可直接利用远程状态监测系统对同步齿轮箱进行实时的监测，避免事故发生后的抢修，提高设备管理的信息化程度。

除此之外，本装置还配备了报警系统，在测点布置及位置图上直接进行振动有效值显示及超界报警，并且对数据打印输出、构成设备运行档案。这部分程序主要通过完成计算多通道的实时信号的均方根值、峭度超标进行报警，在故障的早期时峭度指标变化明显但稳定性不好，均方根值的稳定性较好但对早期故障信号不敏感，因此，为了取得较好的效果，将它们同时应用，以兼顾敏感性和稳定性。

5 结语

该在线监测系统已经在武汉钢铁股份公司烧结厂制作的多个风机、电机上稳定运行三年，在鄂钢滚动轴承的监测系统中也运行稳定至今，这说明了本装置是一个成功的工业应用装置，的确具有便于操作、准确、及时地反映初始故障的特点。但同时我们要了解一点：对某一故障而言，参考依据越多，诊断的精度才会越高，计算机自动诊断不会超越人的经验。即需要一个信号样本，只有设备诊断方面的专家能够通过以上计算方法分析出故障，那么计算机才有可能自动诊断出故障，如果人工不能分析出故障，也不能期望计算机能自动发明出新的方法去发现或者分析出故障。所以计算机只是代替人做了部分工作，期望计算机比人更智能的想法是错误的，我们需要多根据实际情况，多采取数据并进行计算、核实并发现其中更多的规律及可靠的参考数据，将其用于丰富专家监测系统，提高其诊断精度。

参考文献

［1］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［2］Fujita H，Yamasaki T，Akagih.A hybrid active filter for damping of Harmonic Resonance in industrialpower systems［J］.IEEE Trans Power Electron，2000，15（2）:215-222.

［3］扬叔子，吴雅.时间序列分析的工程应用［M］.武汉：华中理工大学出版社，2004.