齒輪箱振動(dòng)無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)展現(xiàn)狀

鄧麗

摘 ?要：現(xiàn)如今，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，齒輪箱振動(dòng)無線監(jiān)測(cè)越來越受到關(guān)注。對(duì)齒輪箱開發(fā)一套振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防故障的發(fā)生。以減速齒輪箱試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，利用傳感器分別對(duì)正常齒輪和故障齒輪的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，采用時(shí)域分析、頻域分析和階次分析對(duì)所得的兩組信號(hào)進(jìn)行比較。觀察和分析頻譜和階次譜，可明顯地看到在故障存在時(shí)，兩種情況下圖譜存在的差異，由此可判斷出故障的發(fā)生和位置。所開發(fā)的系統(tǒng)能有效地監(jiān)測(cè)在故障發(fā)生時(shí)的特征，對(duì)齒輪箱故障監(jiān)測(cè)有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：齒輪箱;振動(dòng);無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn);發(fā)展現(xiàn)狀

引言

齒輪箱是大型生產(chǎn)設(shè)備中的重要組成部分，齒輪箱的可靠性、可用性、可維修性和安全性問題日益突出，使得方便、精確的機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)尤為重要。齒輪箱由于其設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和工況的特殊性，導(dǎo)致較高的故障率和較大的危害性。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，由齒輪失效引起的機(jī)械設(shè)備故障約占10.3%，在變速器中齒輪損壞的比例最大，達(dá)到60%。目前普遍采用的有線連接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，存在布線復(fù)雜、成本高、可維護(hù)性差以及缺少靈活性等問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的無線、分布式機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的不足。

1齒輪箱振動(dòng)監(jiān)測(cè)的發(fā)展

傳統(tǒng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、調(diào)理電路、數(shù)采卡、接口和CPU組成。傳感器模塊首先將輸入物理量轉(zhuǎn)換成電量，然后再進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算，最后以適當(dāng)?shù)男问捷敵?。由于傳統(tǒng)傳感器需要大量布線，傳感器傳輸導(dǎo)線長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)損壞，增加了維護(hù)成本，同時(shí)大量布線也使得測(cè)試系統(tǒng)缺乏靈活性，增加了系統(tǒng)的潛在危險(xiǎn)和不可控性，無線傳感器節(jié)點(diǎn)有效解決了上述問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按結(jié)構(gòu)可以分為3類：分立式節(jié)點(diǎn)、片上系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和微型節(jié)點(diǎn)。目前主要處于片上系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)階段邁向微型節(jié)點(diǎn)的過程中。隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，基于無線傳輸?shù)臋C(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究成為熱點(diǎn)。目前國(guó)外的技術(shù)非常成熟，已有很多技術(shù)轉(zhuǎn)化為成果，目前市面上適用于機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)的無線通用節(jié)點(diǎn)如表1所示。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

齒輪箱無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)包括：傳感器模塊、信號(hào)采集模塊、處理器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、無線通信模塊和電源模塊。整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.2硬件模塊選擇

2.2.1處理器模塊

節(jié)點(diǎn)選用具有高性能、高速、低功耗特點(diǎn)的STM32F107VC單片機(jī)為系統(tǒng)核心，基于ARM的CORTEXM3框架，內(nèi)部集成256kBFlash和64kBSRAM，運(yùn)行頻率高達(dá)72MHz。單片機(jī)在運(yùn)行過程中，主要負(fù)責(zé)在操作系統(tǒng)上完成A/D轉(zhuǎn)換、SD卡讀寫以及數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2.2傳感器模塊

節(jié)點(diǎn)選用ADXL001加速度芯片采集振動(dòng)信號(hào)，具有寬帶寬、小尺寸、低功耗等特性。三種帶寬分別為±70g、±250g和±500g，諧振頻率均為22kHz。根據(jù)齒輪箱振動(dòng)監(jiān)測(cè)特性，選擇±70g，工作電壓采用3.3V獨(dú)立穩(wěn)壓電源供電。傳感器模塊電路設(shè)計(jì)，如圖2所示。

選用RT9161-33為ADXL001提供3.3V穩(wěn)壓電源，并在芯片兩端加上0.1μF和10μF的電容，進(jìn)行去耦和濾波，如圖2所示。ADXL001電源端連接0.1μF電容去耦，可以有效的抑制噪聲，達(dá)到減少紋波的作用。

2.3處理器模塊

處理器是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心，根據(jù)節(jié)點(diǎn)形式的不同，分為單獨(dú)處理器和集成無線發(fā)送模塊的處理器。由于后者處理能力有限，不會(huì)在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)過程中單獨(dú)使用，例如內(nèi)置51核的CC2530被用來進(jìn)行無線通信而不是處理數(shù)據(jù)。無線通信模塊在使用過程中，往往會(huì)和處理器結(jié)合起來，各司其職。

2.4電源管理模塊

節(jié)點(diǎn)采用可充電鋰電池供電，并采用LTC4070實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池用電狀況。LTC4070的工作電流僅為450nA，對(duì)充電電池電路產(chǎn)生的影響非常小。芯片具有獨(dú)特的低電量和高電量監(jiān)測(cè)引腳，通過外部連接的P型三極管通斷充電電路和電池的連接。在正常充電使用時(shí)，電流由2N3409的基極流向發(fā)射極到達(dá)鋰電池，當(dāng)電池的電壓值達(dá)到ADJ設(shè)置的4.1V時(shí)，三極管bc結(jié)的電流會(huì)不斷的減少直至停止充電，此時(shí)三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)，HBO引腳的電壓拉高，LED2燈亮，表示充電完成。當(dāng)電池電壓低于3.2V時(shí)，LBO端的電壓就會(huì)升高，LED1燈亮，表示電池電量不足，急需充電。充電接口采用USB，并后接熔斷絲保護(hù)后續(xù)電路，電路設(shè)計(jì)。

3齒輪箱在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由上述分析可知，齒輪箱的各種故障可由特征值的變化反應(yīng)出來，如斷齒故障表現(xiàn)為峭度指標(biāo)，峰值指標(biāo)成倍增長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)故障轉(zhuǎn)頻幅值大幅增加。特征值分為無量綱量和有量綱量?jī)煞N，其中無量綱量具有較好的移植性，而時(shí)域有量綱量和頻域特征移植時(shí)，首先要根據(jù)齒輪箱結(jié)構(gòu)計(jì)算相應(yīng)的特征頻率，另外還需要對(duì)實(shí)際所監(jiān)測(cè)齒輪箱進(jìn)行正常工況試驗(yàn)，以確定齒輪箱正常工作時(shí)有量綱量的量級(jí)。文中在設(shè)計(jì)海洋救助船動(dòng)力傳輸齒輪箱在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)時(shí)，通過試驗(yàn)采集了救助船齒輪箱在不同工況，不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行了分析，確定了在正常工作狀態(tài)下各種特征值的大小量級(jí)，為設(shè)定故障閾值提供參考，救助船齒輪箱振動(dòng)傳感器布置如圖3所示。以LabVIEW虛擬儀器為開發(fā)軟件設(shè)計(jì)了齒輪箱在線監(jiān)測(cè)斷系統(tǒng)，其硬件組成及工作流程如圖4所示，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析等，具有手動(dòng)和自動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，這一功能可以幫助用戶在齒輪箱出現(xiàn)某種故障時(shí)積累故障數(shù)據(jù)。引入LabVIEW中的Matlab節(jié)點(diǎn)，可以以后臺(tái)形式調(diào)用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱（電腦需要提前安裝Matlab及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱）進(jìn)行上節(jié)所述模式識(shí)別功能，該調(diào)用方法方便快捷，只在主界面右下角顯示識(shí)別后的齒輪箱狀態(tài)，對(duì)用戶而言，簡(jiǎn)單明了，主界面如圖5所示。

結(jié)語

分別對(duì)齒輪箱在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下和有故障運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，通過時(shí)域分析，列出各無量綱等時(shí)域參數(shù)，比較在不同運(yùn)轉(zhuǎn)情況下參數(shù)的敏感性。除波形參數(shù)外，其他無量綱參數(shù)對(duì)齒輪箱發(fā)生斷齒故障較敏感。頻域分析證明故障發(fā)生會(huì)引起頻率所對(duì)應(yīng)的能量分布發(fā)生變化。通過階次分析可判斷故障發(fā)生的位置。該測(cè)試分析結(jié)果有效地證明利用振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)齒輪箱的適用性。

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