基于齒輪減速器的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置研制

張曉光，趙志科，陳瑩瑩

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

基于齒輪減速器的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置研制

張曉光，趙志科，陳瑩瑩

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

為了研究變負(fù)載情況下的齒輪減速器運(yùn)行狀態(tài)，搭建了齒輪減速器的振動(dòng)試驗(yàn)裝置。利用機(jī)械加工的方法構(gòu)造了斷齒、軸承內(nèi)圈缺陷、軸承外圈缺陷的故障元件，為采集齒輪減速器單故障、多故障耦合情況下的振動(dòng)信號(hào)提供可靠的實(shí)體模型。通過(guò)基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)正常、故障狀態(tài)下齒輪減速器振動(dòng)信號(hào)的采集與處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)齒輪減速器變負(fù)載狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確采集。

齒輪減速器；振動(dòng)試驗(yàn)裝置；LabVIEW

由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)往往受到噪聲的干擾，信號(hào)的非線性、非平穩(wěn)性特征明顯，所以研究如何有效地提取機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)中的故障特征及對(duì)特征進(jìn)行模式識(shí)別，對(duì)機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要的意義［1－4］。對(duì)振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確采集是進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)處理和故障診斷的前提。

本文針對(duì)齒輪減速器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究，搭建了齒輪減速器的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，并利用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)正常、故障狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)的有效采集。

1 齒輪減速器振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

齒輪減速器振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的機(jī)械系統(tǒng)如圖1所示，主要包括電動(dòng)機(jī)、齒輪減速器、磁粉制動(dòng)器、振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

齒輪箱振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的機(jī)械系統(tǒng)是通過(guò)電源為電動(dòng)機(jī)提供能力來(lái)源，驅(qū)動(dòng)齒輪減速器和負(fù)載。電機(jī)、減速器與磁粉制動(dòng)器均通過(guò)剛性連接固定在剛性底座上，利用磁粉制動(dòng)器模擬機(jī)械負(fù)載。其中，磁粉制動(dòng)器是通過(guò)調(diào)節(jié)電壓的大小來(lái)對(duì)負(fù)載情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，其負(fù)載與電壓成線性關(guān)系［5－7］。實(shí)驗(yàn)裝置的機(jī)械系統(tǒng)部件的基本參數(shù)如下：

電動(dòng)機(jī)：型號(hào)YL8024；額定功率0.75kW；額定電流5.22A；功率因數(shù)0.95；額定轉(zhuǎn)速1 400r/min；效率0.75；

減速器：型號(hào)JZQ202；減速比0.49；高速軸轉(zhuǎn)速＜1 500r/min；傳動(dòng)圓周速度＜4m/s；額定功率2.2kW。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置的機(jī)械系統(tǒng)

利用機(jī)械加工的方法構(gòu)造了齒輪斷齒故障、軸承內(nèi)圈缺陷、軸承外圈缺陷。斷齒是利用線切割將齒輪的一個(gè)齒去掉而制造出的斷齒故障，具體如圖2所示。軸承內(nèi)圈缺陷是利用線切割將軸承的內(nèi)圈切去一部分，制造軸承內(nèi)圈碾壓凹坑缺陷，如圖3所示。軸承外圈缺陷是利用線切割將軸承的外圈切去一部分，制造軸承內(nèi)圈碾壓凹坑缺陷，如圖4所示。

圖2 齒輪斷齒故障

圖3 軸承內(nèi)圈故障

該系統(tǒng)選用的傳感器為三軸壓電加速度傳感器，輸出方式為二進(jìn)制的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流，傳感器輸出阻抗小，靈敏度為100μA/（m·s－2），量程為80m/s2，頻率量程為0.2～10kHz。監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備時(shí)傳感器安裝的位置分布如圖5所示。

圖4 軸承外圈故障

圖5 裝置布局及軸承編號(hào)

2 齒輪減速器振動(dòng)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用LabVIEW平臺(tái)搭建，采用由上至下的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)系統(tǒng)的總體需求劃分為若干功能模塊。該系統(tǒng)的主要功能包括振動(dòng)信號(hào)采集、信號(hào)消噪預(yù)處理、結(jié)果顯示、信號(hào)的保存與讀取等［8－10］。齒輪箱振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的信號(hào)采集系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 齒輪減速器振動(dòng)試驗(yàn)裝置信號(hào)采集框圖

利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的上位機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集界面如圖7所示。界面包括開(kāi)始采集、信號(hào)顯示、頻譜顯示、停止采集、文件保存、數(shù)據(jù)分析和退出系統(tǒng)等功能［11－12］。

3 齒輪減速器振動(dòng)數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)以正常、斷齒、軸承內(nèi)圈缺陷、軸承外圈缺陷的減速器狀態(tài)作為重點(diǎn)研究對(duì)象。由于減速器振動(dòng)傳感器安裝位置較多，限于篇幅，本文以圖5中的4＃處的振動(dòng)傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)源。減速器輸入軸轉(zhuǎn)速為1 452r/min時(shí)，中間軸的轉(zhuǎn)速為368r/min。下面分別對(duì)正常斷齒、軸承內(nèi)圈缺陷、軸承外圈缺陷的振動(dòng)信號(hào)加以分析。

3.1 正常狀態(tài)

正常狀態(tài)是該齒輪減速器的無(wú)故障狀態(tài)，采集的振動(dòng)傳感器的時(shí)域波形和它的幅頻譜如圖8所示。在頻譜圖中信號(hào)在中間軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率（6.13Hz）的一倍頻和三倍頻附近有比較明顯的幅值，也存在滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)頻率，但是能量不是很明顯，即正常運(yùn)行時(shí)振動(dòng)信號(hào)主要是與轉(zhuǎn)速有關(guān)的背景信號(hào)及噪聲。

圖8 齒輪箱正常狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)

3.2 斷齒

采集到的斷齒狀態(tài)時(shí)的時(shí)域波形和頻域波形見(jiàn)圖9。中間軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為6.13Hz，齒輪齒數(shù)為79，則嚙合頻率為484.27Hz。頻譜圖中信號(hào)除了在轉(zhuǎn)頻的一倍頻和三倍頻附近有比較明顯的幅值外，在其轉(zhuǎn)頻二倍頻處同時(shí)出現(xiàn)了明顯的峰值。實(shí)驗(yàn)得出的時(shí)域波形、頻域波形與理論值相符。

3.3 軸承內(nèi)圈缺陷

當(dāng)軸承內(nèi)圈在某個(gè)部位出現(xiàn)壓痕、損傷、裂紋、剝落等故障時(shí)，引起的振動(dòng)是以故障特征頻率fip為基頻的高次諧波振動(dòng)。根據(jù)軸承的參數(shù)計(jì)算可知，內(nèi)圈故障特征頻率fip＝27.1Hz，滾動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)頻率fbv＝10.8Hz。該系統(tǒng)采集到的有內(nèi)圈缺陷的振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形和它的幅頻譜如圖10所示。在圖10（b）中，頻率fip和fbc處的幅值較大，且fip處的頻率對(duì)應(yīng)的幅值更高。

圖9 齒輪箱斷齒故障振動(dòng)信號(hào)

圖10 4＃軸承內(nèi)圈故障振動(dòng)信號(hào)

3.4 軸承外圈缺陷

由于外圈是靜止的，不隨軸旋轉(zhuǎn)，所以外圈有缺陷時(shí)缺陷的位置和承受載荷的方向相對(duì)滾動(dòng)體也是不變的，其故障對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)不會(huì)受到調(diào)制的影響。此時(shí)理論上的振動(dòng)頻率為fop（外圈故障特征頻）及其高次諧波。此時(shí)根據(jù)軸承的參數(shù)計(jì)算可知，fop＝15.8 Hz，滾動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)頻率fbc＝10.8Hz。該系統(tǒng)采集到的含內(nèi)圈缺陷振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形和它的幅頻譜如圖11所示。在頻譜中fop和fbc比較明顯，且在fop的二倍頻處也有明顯的幅值。

圖11 軸承外圈故障振動(dòng)信號(hào)

通過(guò)對(duì)上述4種狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)的分析，所得到的時(shí)域波形、頻域波形符合理論預(yù)計(jì)，證明了所搭建的齒輪箱振動(dòng)實(shí)體模型的可靠性。

4 結(jié)論

本文搭建了齒輪減速器的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，并利用機(jī)械加工的方法構(gòu)造了斷齒、軸承內(nèi)圈缺陷、軸承外圈缺陷的故障元件，為采集齒輪減速器單故障、多故障耦合情況下的振動(dòng)信號(hào)提供可靠的實(shí)體模型。通過(guò)基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)正常、故障狀態(tài)下的齒輪減速器振動(dòng)信號(hào)的采集與處理。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，該裝置采集得到振動(dòng)各狀態(tài)信號(hào)準(zhǔn)確，為后續(xù)研究奠定了較好的基礎(chǔ)。

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Development of vibration experimental device based on gear reducer

Zhang Xiaoguang，Zhao Zhike，Chen Yingying
（School of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou 221116，China）

A vibration test device is built to research the running states of the variable－load gear reducer.In order to get fault signals of single fault and multiple faults by using mechanical processing to produce breaking of gear，inner raceway faults and outer raceway faults.By the data collection system of vibration signal based on LabVIEW software，the data acquisition and analysis are realized to get normal signals and fault signals of gear reducer.The experimental results show that the equipment can obtain accurate vibration signals of gear reducer under variable－load conditions.

gear reducer；vibration experimental device；LabVIEW

TG457.23－33

A

1002－4956（2014）1－0055－05

2013－07－08

張曉光（1963—），男，江蘇徐州，博士后，教授，博士生導(dǎo)師，從事圖像信息處理及智能控制等的研究.

E－mail：doctorzxg＠163.com