基于虛擬儀器的齒輪箱噪聲檢測系統設計

魏協奔，林 蓉，鄭 文，孫培明，林若波

（1.揭陽職業技術學院機電工程系，廣東揭陽 522000；2.汕頭大學，廣東汕頭 515021；3.廣州大學機械與電氣工程學院，廣東廣州 510006）

0 前言

齒輪箱廣泛應用于機械設備中，是機器設備的關鍵部件，齒輪箱一旦發生故障，便會引起機器設備的嚴重失效，因此，對齒輪箱進行狀態監測和故障診斷研究是非常必要的。當前齒輪箱的故障診斷方法主要有振動與噪聲分析、扭振分析、油液分析、聲發射測試、溫度及能耗監測等，其中振動噪聲診斷是齒輪箱狀態監測和故障診斷最常用的方法。齒輪箱中的軸、齒輪和軸承在工作時會產生振動；一旦發生故障，其振動噪聲信號的能量分布和頻率成分將會發生變化[1]。噪聲信號是齒輪箱故障特征的載體，對其狀況進行分析，可實現不停機操作狀態下的故障診斷，大大降低了停機損失。振動噪聲分析故障診斷系統安全可靠、技術成熟、價格便宜、操作相對簡單，在齒輪箱狀態監測中得到了廣泛應用。

近年來迅速發展的虛擬儀器技術給計算機測試與控制領域帶來變革。虛擬儀器(Virtual Instru?ment,VI)的概念是美國NI(National Instrument)公司于1986年首先提出的；其基本思想是在一定的硬件環境支持下，通過編制和執行不同的軟件，實現各種用戶定義的儀器或測試功能。即同一硬件資源下，通過運行不同的軟件，實現不同的儀器功能，儀器的功能被部分地(或全部)“軟化”，軟件成了核心問題，于是有“軟件就是儀器”的說法。由于虛擬儀器技術是建立在當今最新的計算機技術和數據采集技術基礎上的，技術更新快，系統的測量精度、測量速度和可重復性都大大提高。作為NI公司的圖形化編程環境LabVIEW，不僅繼承了傳統編程語言中的結構化和模塊化編程的優點，還使用“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，使用圖標表示功能模塊，使用圖標間的連線表示在各功能模塊間傳遞的數據，使得編程過程與思維過程非常近似[2]。

1 齒輪箱噪聲的來源

齒輪箱中主要包括齒輪、軸承、軸和箱體四部分；各類零部件損壞比例為：齒輪60%，軸承19%，軸10%，箱體7%，緊固件3%，油封1%；由此可見由于齒輪失效而導致的故障占了很大比例[3]。齒輪是系統的主噪聲源，齒輪嚙合過程中的摩擦和沖擊是齒輪產生振動和噪聲的主要原因。

實際工程應用中的齒輪不可避免地存在著制造誤差與安裝誤差，在載荷的作用下輪齒還會發生變形。這些誤差和變形破壞了齒輪傳動的嚙合關系，使齒輪嚙合時的位置相對于其理論位置發生偏離，以致齒輪傳動瞬時傳動比發生變化，齒輪嚙合不平穩，造成齒與齒之間發生碰撞或沖擊，從而產生振動和噪聲[4]。齒輪箱齒輪噪聲的產生如圖1所示，由于動態嚙合力的激勵，使齒輪系統產生振動，從而產生噪聲。

圖1 齒輪噪聲的產生

2 系統的硬件組成及原理

本系統通過噪聲信號收集裝置把噪聲信號轉為電壓信號輸入到信號采集模塊中對信號進行處理，然后把信號的動態圖輸送到計算機里，在基于LabVIEW平臺開發的虛擬儀器版面設置按鈕，配置軟件以及硬件模塊參數，通過計算機顯示界面對噪聲信號進行顯示、分析以及故障診斷。

圖2 噪聲測試與分析系統硬件組成

圖3 系統軟件結構圖

噪聲測量與分析系統由噪聲信號收集裝置TES-1352A聲級計、加速度傳感器ENTEK9300、信號采集模塊NI9234、高速USB模塊NI USB-9162和計算機組成。測試時，TES-1352A聲級計所采集的聲音信號轉化為電壓信號傳輸到NI9234，通過及高速USB模塊NI USB-9162與計算機連接，通過計算機運行設計好的LabVIEW軟件進行數據顯示與分析。本系統設計了四通道采集，在系統測試中同時把振動傳感器ENTEK9300接入系統中，聲音與振動信號同時采集，讓系統更加完善。測試裝置工作原理圖如圖2所示。

3 系統的軟件設計

根據齒輪箱噪聲檢測系統的要求，本系統的任務是完成四通道聲音噪聲以及振動數據的采集、分析與處理、顯示、存取和報警等，系統軟件結構圖如圖3所示。采用Lab?VIEW8.6作為編程環境，其設計包括前面板設計和程序框圖設計。

對于噪聲及振動信號的測試，一般有兩種形式：在線式與離線式。在線式就是對采集的數據以波形圖、頻譜圖、各種數值等進行實時顯示，它所反映的是被測對象的實時狀態，一般用于被測對象的實時監測。離線式是先采集所需要的數據并保存起來，然后再調出來進行信號的振動分析，最后通過分析結果來判斷被測對象的性能狀態。而本數據采集系統既可進行在線式監測，也可進行離線式分析。

4 系統前面板的設計

軟件開發平臺采用LabVIEW，它是一種優秀的虛擬儀器開發平臺。在此開發環境下，很容易建立圖形用戶界面，用戶可以通過前面板來進行一系列的測試操作，方便了用戶的自動化測試[5]。而且，設計出來的前面板簡潔、美觀，其中前面板主要包括參數配置、數據采集、實時數據顯示、離線數據記錄以及報警記錄等。圖4顯示的是齒輪箱噪聲檢測及分析系統前面板。

圖4 齒輪箱噪聲檢測及分析系統前面板

5 系統程序框圖的設計

系統的程序框圖設計主要包括參數配置、數據采集、實時數據模塊、數據保存模塊、數據讀取模塊以及報警模塊。

（1）參數配置模塊：參數配置模塊用以設定數據采集卡通道、濾波器、報警子系統等各類相關參數。它是數據采集系統運行前必要的準備。

（2）數據采集模塊：通過“啟動采集”和“停止采集”按鈕是用來控制采集工作的開始和完成，另外還包括數據的保存功能。

（3）實時數據模塊：實時數據模塊可以對被測對象進行在線實時監測。其用戶界面分為兩部分，一部分是四條通道的原始數據同時在時域波形和自功率譜上顯示，即在同一時間里，界面上顯示四條不同的曲線；另外一部分是根據用戶的選擇，在時域波形和自功率譜上單獨顯示所選擇通道的數據。

圖5 斷齒齒輪箱噪聲圖

（4）數據保存模塊：系統對所采集的數據是以TDMS格式保存下來。

（5）數據讀取模塊：數據讀取模塊是讀取之前在數據采集過程中，以TDMS文件格式保存下來的數據，所讀取的數據同樣以時域波形和自功率譜的形式展現，以便進行離線分析。

（6）報警模塊：報警子系統的用戶界面上，有報警歷史、報警數顯示欄、清除報警記錄按鈕、報警上限和實時監測值兩根測量計。其中，在報警歷史上，用戶可在上面清楚看到報警發生的具體時間以及被報警數據的數值大小。

6 齒輪箱噪聲檢測系統試驗

噪聲檢測系統用于對齒輪箱中齒輪噪聲信號的檢測和分析，從而判斷齒輪箱的運行狀態或故障原因，通過與相關標準的比較，及時得出行之有效的下一步解決方案，以防止或解決故障的發生。通過對實驗室振動實驗臺斷齒的齒輪箱檢測來驗證齒輪箱噪聲檢測系統。

斷齒是齒輪嚴重的失效形式，也是比較常見的。在齒輪箱轉速為600 r/min的情況下，利用噪聲檢測系統所測得到的頻譜如圖5所示。從頻域圖中可以看出在2倍嚙合頻率和3倍嚙合頻率附近出現明顯的斷齒齒輪轉頻成分及高次諧波。從時域圖中可以明顯看出間斷沖擊的特點，每隔一段時間（斷齒齒輪轉頻的倒數）便出現一次尖峰，波峰出現很明顯的沖擊特征，這與齒輪斷齒處嚙合時的沖擊是對應的[6]。由此可見，用噪聲測量分析裝置可以很方便地檢測出齒輪的故障。

7 結論

從試驗結果中可以得出，本文所設計的齒輪箱噪聲檢測系統在頻譜分析中能直觀地反映齒輪箱的運行狀態、故障類型及故障位置；在采集齒輪故障信號方面比振動測量有著明顯的優點，所采集得到的信號清晰、干擾小；如果條件允許，將背景雜音有效屏蔽將可得到更為準確清晰的信號頻譜數據。而且，本系統實現了在線與離線兩種狀態下的信號采集與分析，同時具有多路數據同時采集與保存、歷史數據查詢、齒輪箱進行在線監測以及振動量超值報警等功能。由此可見，齒輪箱噪聲檢測系統在實際的齒輪箱噪聲檢測及分析中具有很好的應用前景。

［1］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（01）：17-19.

［2］張若青，周高偉.基于LabView的電液比例閥控制系統分析［J］.機床與液壓，2009（04）：106-108.

［3］沈慶根，鄭水英.設備故障診斷［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［4］何韞如，宋福堂.齒輪與齒輪箱振動噪聲機理分析及控制 ［J］.振動、測試與診 斷 ，1998（09）：221-226.

［5］權維利，姚曉先，林凡.基于LabView和DSP的數字舵機測控系統研究［J］.機床與液壓，2009（04）：102-105.

［6］王志強，王新晴，侯燦明.基于邊頻帶理論的齒輪箱故障診斷［J］.礦山機械，2004（07）：97-100.