基于Qt與Matlab的行星齒輪傳動系統(tǒng)故障監(jiān)測診斷研究*

彭毓敏，欒忠權，馬 超，徐小力

(北京信息科技大學 現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192)

0 引言

行星齒輪箱是風力發(fā)電機組中的關鍵部件之一，由于其工作環(huán)境惡劣，常年受到不定風力和風向的變載荷作用，很容易出現故障和受到損壞。行星齒輪箱中的齒輪、軸、軸承等加工工藝復雜，裝配精度要求高，又常常在高速度、變載荷下連續(xù)工作，故障率較高，是誘發(fā)機器故障的重要原因[1]。齒輪箱中的軸、齒輪和軸承在工作時會產生振動，一旦發(fā)生故障，其振動噪聲信號的能量分布和頻率成分將會發(fā)生變化[2]，存在大量的幅值調制及頻率調制現象。Hilbert解調技術可以從復雜的振動信號中解調出其調制信號,在實際工程中得到了廣泛的應用[3-4]。

近年來國內學者專家對齒輪箱的故障診斷系統(tǒng)及診斷方法進行了大量的研究，李懷俊應用LabVIEW，以齒輪傳動系統(tǒng)的輸入功率信號為處理對象，對能量信號監(jiān)測與診斷系統(tǒng)進行了研究[5]；張積堅針對風力發(fā)電機齒輪箱的故障特征，運用在線編程技術，開發(fā)了基于 B/S 的風電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)并在風力發(fā)電機上進行了測試[6]；鄧玉萍利用單片機控制技術、A/D 轉換技術及數字濾波技術，對風機故障診斷監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分進行了設計，實現了對信號時域指標的計算和實時在線監(jiān)測，使系統(tǒng)的抗干擾能力和準確性等方面有了很大的提高[7]；王聰使用Hilbert解調方法進行了齒輪箱點蝕故障的倒頻譜研究[8]；羅毅分析了齒輪裂紋時振動信號為轉速頻率對嚙合頻率及其倍頻調制的特點，運用小波包變換與倒頻譜方法進行了風電機組齒輪箱齒輪裂紋診斷研究[9]。

近年來國內學者專家對齒輪箱的故障診斷系統(tǒng)及診斷方法進行了大量的研究[5-7]，他們主要從硬件控制電路、軟件監(jiān)測系統(tǒng)以及信號解調方法等方面展開了研究。通過使用Hilbert解調方法進行了齒輪箱點蝕故障的倒頻譜研究[8]；運用小波包變換與倒頻譜方法進行了風電機組齒輪箱齒輪裂紋診斷研究，分析了齒輪裂紋時振動信號為轉速頻率對嚙合頻率及其倍頻調制的特點[9]。工程實際應用時，獲取齒輪箱振動信號容易受到噪聲的干擾，這些噪聲有可能是在測量過程中傳感器產生的，也有可能是機器運轉時產生的，再就是受到周圍環(huán)境的影響。這些因素都會使得測量的振動信號中帶有噪聲，如果噪聲干擾過多將會降低信號的信噪比，嚴重時直接影響到故障診斷的結果。

研究針對行星齒輪箱故障監(jiān)測診斷問題，考慮到干擾信號的影響，運用小波包去噪提高信號的信噪比，并結合Hilbert解調方法，進行了行星齒輪變速系統(tǒng)的故障診斷技術。運用Qt和Matlab在Windows系統(tǒng)下進行了信號采集分析系統(tǒng)開發(fā)研究，并運用實驗室提供的行星齒輪傳動系統(tǒng)實驗臺開展了不同工況下的試驗驗證分析。

1 基本原理1 小波包-Hilbert故障診斷原理

1.1 小波包去噪

小波包分析將頻帶進行多層劃分，對信號低頻部分和高頻部分同時進行分解，并能夠根據被分析信號的特征，自適應地選擇相應頻帶，使之與信號頻譜相匹配，提高了信號時頻分辨率。小波分解中，分解級數越大，小波包尺度越大，小波包系數對應的空間分辨率就越低。

對信號進行小波包去噪一般按照以下步驟[10-11]進行:信號的小波包分解；確定最優(yōu)小波包基，對于一個給定的熵標準，計算最優(yōu)樹；小波包分解系數的閾值量化；信號的小波包重構。上述步驟中，關鍵的是如何選取閾值和如何進行閾值量化，在一定程度上，直接關系到對信號進行去噪處理的質量。

1.2 Hilbert解調技術

假設齒輪嚙合振動的載波信號為

xm(t)=Asin(2πfmt+ψ)

(1)

式中，fm為齒輪的嚙合頻率，ψ為載波信號的初相位。

齒輪軸旋轉調制信號為：

xr(t)=1+mcos(2πfrt)

(2)

式中，fr為齒輪所在軸的轉頻。

設齒輪的振動信號為：

x(t)=Am[1+mcos(2πfrt)]sin(2πfmt+ψ)

(3)

Hilbert變換的目的就是要把幅值調制信號Am[1+mcos(2πfrt)]分離出來，x(t)的Hilbert變換為:

(4)

定義x(t)的解析信號為：

(5)

(6)

為振動信號x(t)的包絡，對幅值Am(t)進行幅值頻譜分析。

研究中將小波包去噪技術和Hilbert解調技術綜合利用，進行了行星齒輪變速系統(tǒng)的故障診斷技術研究。在對原始信號進行去噪過程中，采用db3小波、軟閾值法，對采集的信號進行3層分解處理，以提高信噪比。然后對去噪后的信號以其基頻或者基頻的倍頻為中心進行窄帶帶通濾波，對濾波后的信號運用Hilbert再進行包絡解調，最終得到最后的分析結果。

2 監(jiān)測診斷系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件構成

系統(tǒng)硬件主要包括采集模塊、調理電路模塊。采集模塊又包括數據采集卡和振動信號傳感器。本系統(tǒng)中采用的以太網數據采集卡 BC0816N(V6360D)如圖1所示，實現具有8路路差分16位高精度同步模擬信號采集功能，在-10V ～+10V輸入范圍增益為1的情況下測得電壓值只有1mV以下的誤差。同時，單通道采樣頻率可高達50kHz。

圖1 以太網數據采集卡

系統(tǒng)開發(fā)中主要使用了振動加速度傳感器，選擇加速度傳感器應該將其線性頻率范圍作為重要因素考慮其中，該頻率范圍覆蓋試驗所關注的最低頻率的0.2倍到最高頻率的3.5倍[12]。本系統(tǒng)主要對行星齒輪箱的齒輪、主軸等重要部位進行信號監(jiān)測，嚙合頻率大概范圍為0Hz～1375Hz。本系統(tǒng)采用型號為YH411-26的三向ICP加速度傳感器，如圖2所示。

圖2 ICP加速度傳感器

為了保證數據采集過程中傳感器的供電、濾波等問題，使用本實驗室自行開發(fā)的 調理電路板，如圖3所示。該調理電路板包含4個通道ICP放大電路及7階抗混疊低通濾波器，可通過通道的跳線冒選擇接入信號的類型，從而實現4通道ICP加速度傳感器電壓(0～10V)信號接入，并且可以對采集的信號實現(0.01～100)倍數放大，電源可選擇±12V或者±15V交流電壓。

圖3 FILAMP-4型ICP調理電路板

2.2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)以跨平臺軟件Qt和數值分析軟件Matlab為軟件開發(fā)工具，在Windows系統(tǒng)下運行。行星齒輪箱監(jiān)測診斷軟件結構框圖如圖4所示，具有實時采集、顯示、保存、處理功能。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件結構圖

系統(tǒng)軟件主要分為采集系統(tǒng)軟件和分析系統(tǒng)軟件兩部分，采集系統(tǒng)軟件主要有登陸界面、主界面、采集顯示界面組成。軟件運行主界面如圖5所示。點擊系統(tǒng)主界面不同功能按鈕，可以切換到不同運行界面，實現不同功能需求。點擊采集數據按鈕就會切換到采集顯示界面，如圖6所示。在采集信號之前需要進行一些基本的參數設置，比如文件保存路徑、實驗名稱、試驗對象、采樣頻率、通道參數等，參數設置的界面如圖7所示。實時采集行星齒輪箱被測點的振動信號并以實時曲線的方式顯示在采集界面上，更直觀有效的把信息傳達給用戶，方便用戶觀察信號特征，做出初步判斷。根據用戶需求，可以將實時監(jiān)測數據進行存儲，方便后續(xù)的查詢、分析。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)軟件主界面

圖6 信號采集顯示界面

圖7 參數設置界面

3 試驗研究

3.1 實驗工況

采用現代測控教育部重點實驗室的風機行星齒輪傳動平臺進行試驗驗證。電動機采用YS1.5KW-4P電磁調速電動機，額定轉速：125～1250r/min，額定轉矩：19.2N/m；齒輪箱型號 HS-300，增速比：77.3；4個振動加速度傳感器分布在HS-300齒輪箱上，搭建的測試系統(tǒng)如圖8所示。三級行星齒輪箱傳動系統(tǒng)的機構簡圖如圖9所示。

圖8 行星齒輪箱傳動實驗臺

圖9 行星齒輪箱傳動機構簡圖

其中A1是輸入端，A2是輸出端；P1、P2、P3分別代表行星齒輪箱第一級、第二級和第三級的行星架；G2、G5、G7分別代表行星齒輪箱第一級、第二級和第三級的太陽輪；G1、G4、G6分別代表行星齒輪箱第一級、第二級和第三級的行星輪；G3、G8分別代表行星齒輪箱第一級、第二級和第三級的內齒圈，其中第二級和第三級共同使用一個內齒圈；行星齒輪箱各齒輪參數如表1所示。本實驗為了更好的研究在不同工況下行星齒輪箱傳動系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對其在不同轉速、不同測點的不同方向下進行了振動信號采集。實驗中行星齒輪箱的運行狀態(tài)為輕微磨損，輸出轉速從540rpm逐步增加到840rpm，步長為60rpm。采樣頻率為20kHz，采樣時間為10s。當行星齒輪傳動系統(tǒng)輸出軸A2轉速為660rpm時，由行星齒輪箱的齒輪參數可以計算出齒輪箱各齒輪轉頻及嚙合頻率如表2所示。

表1行星齒輪箱各齒輪參數

齒輪齒數模數齒寬變位系數壓力角G1212．25130．1120G2192．25130．1120G3621．7516-0．1520G4/G6211．75130．1420G5/G7191．75130．1620G8621．7554-0．0720

表2 各齒輪轉頻及嚙合頻率

3.2 實驗結果分析

對行星齒輪箱輸出軸A2轉速為660rpm下采集的數據進行處理分析，應用開發(fā)的分析系統(tǒng)得到的原始振動信號時域圖以及頻譜圖如圖10和圖11所示。

圖10 原始信號時域圖

圖11 原始信號頻譜圖

對原始信號進行小波包去噪處理后其時域圖以及頻譜圖如圖12和圖13所示。

對比圖10和圖12可以看出，經過小波包去噪后原始信號中的干擾噪聲被有效地濾除，留下的信號為無污染的振動信號。從去噪后的信號時域圖中，更能明顯的看出信號的不平穩(wěn)性且存在周期性的沖擊信號。對比圖11和圖13可以看出，經過小波包去噪處理后，把原始信號中的高頻干擾噪聲濾除掉了。對去噪后的信號再進行更深入的分析，減少了無用信號的干擾，更有利于提取出與行星齒輪箱故障有關的特征頻率。從圖13中并不能準確地看到低頻處幅值較高的幾個值對應的頻率，為此對去噪后信號的頻譜進行細化得到圖14所示。

圖12 去噪后信號時域圖

圖13 去噪后信號頻譜圖

圖14 頻譜細化圖

從圖14中可以看到161.0 Hz、319.5 Hz、480.1 Hz、640.4 Hz、799.6 Hz、960.8 Hz附近處幅值較高，而它們基本近似為第三級嚙合頻率的1倍頻、2倍頻、3倍頻、4倍頻、5倍頻和6倍頻。并且從圖14中可以明顯看到在這些倍頻附近存在很多邊頻帶，由此可以初步判定行星齒輪箱第三級出現了早期的嚙合故障，但是無法確定具體故障部件。為了準確的找出故障位置，分別以第三級嚙合頻率的1倍頻160 Hz和2倍頻320 Hz為中心頻率進行窄帶帶通濾波，并對濾波信號進行Hilbert變換,解調出原始信號中的調幅信號,得到的解調譜如圖15所示。

在圖15所示的解調譜中，主要調制頻率成分為11Hz、22 Hz、33 Hz、43Hz，他們基本是以11 Hz為基頻的諧波成分，由表2可知11 Hz正好是第三級太陽輪G7的轉頻。由齒輪振動信號的頻率特性及Hilbert解調原理可以判定是第三級太陽輪G7出現了故障。在拆開檢查時，證實是第三級太陽輪G7出現了輕微磨損故障。

(a)對160Hz為中心頻率帶通濾波解調

(b)對320Hz為中心頻率帶通濾波解調圖15 Hilbert解調譜

4 結論

(1)試驗結果表明通過對采集數據的時頻域分析運用小波包去噪和Hilbert解調技術能夠實現對行星齒輪箱的故障診斷，并初步對故障進行位置確定。研究結果表明：該方法在行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷中切實有效，可為行星齒輪箱的故障診斷提供技術支持，具有一定工程應用價值。

(2)結合Qt與 Matlab開發(fā)的行星齒輪箱故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)，能夠實現對齒輪箱被測點振動信號的實時采集、顯示、數據保存功能，系統(tǒng)界面良好，可交互性強，具有一定的實用價值。

[參考文獻]

[1] 韓龍,王麗,朱顯輝,等. 基于zig Bee和LabVIEW的風電機組齒輪箱監(jiān)測診斷系統(tǒng)[J]. 自動化與儀器儀表,2015(9):105-106.

[2] 陸人定. 齒輪箱故障時域和頻域診斷綜合技術[J]. 機電工程技術,2005(1):17-19.

[3] 姚志斌,沈玉娣. 基于Hilbert解調技術的齒輪箱故障診斷[J].機械傳動,2004,28(2):37-39.

[4] 劉尚坤,唐貴基.小波降噪與Hilbert解調相結合的齒輪箱故障診斷方法[J].機械工程師,2014(4):103-105.

[5] 李懷俊. 齒輪系統(tǒng)的能量信號監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究[J].實驗技術與管理,2015,32(6):90-93.

[6] 張積堅,王奉濤. 風力發(fā)電機組齒輪箱在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)[J].工業(yè)控制計算機,2009,22(12):49-50.

[7] 鄧玉萍,田繼宏. 風機故障診斷監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計[J].鞍山師范學院學報,2016,18(6):35-37.

[8] 王聰. 基于 Hilbert解調及倒譜的齒輪箱點蝕故障診斷研究[J].電力科學與工程,2011,27(3):36-40.

[9] 羅毅，甄立敬. 基于小波包與倒頻譜分析的風電機組齒輪箱齒輪裂紋診斷方法[J].振動與沖擊,2015,34(3):210-214.

[10]Deboer DW. Drop and energy characteristics of a rotating spray plate sprinkler [J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2002, 6:137-146.

[11] GuR. Modeling two-dimentional turbulent offset jets[J].Journal of Hadraulic Engineering, 1996,11:617- 624.

[12] 張杰.振動測試加速度傳感器的選擇和固定[J]. 環(huán)境技術,2013(s2):86-88.