基于LabVIEW的齒輪箱測試平臺的搭建

王軍　董紹江　劉偉

摘 要：針對齒輪箱動態性能測試及故障診斷的問題，文章利用LabVIEW搭建了包含信號采集、信號讀取和信號分析等模塊的齒輪箱測試平臺，實現了對齒輪箱振動信號的采集、讀取和自相關運算和頻譜測量。并結合對齒輪箱有限元模型的分析結果，分析出齒輪箱發生故障的位置及對齒輪箱箱體的影響。

關鍵詞：齒輪箱；故障檢測；有限元；LabVIEW

中圖分類號：TN911-34 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0066-02

1 概 述

齒輪箱作為機械設備中一種必不可少的連接和傳遞動力的通用零部件，對齒輪進行動態性能測試以便于故障診斷具有重要意義。齒輪箱的測試診斷一般是指通過加速度傳感器對齒輪箱的振動信號進行采集，然后對采集的信到的信號進行分析處理，在根據處理的結果來推斷齒輪箱的運行狀態以及對其故障的發生位置、故障類型、產生原因等進行分析研究[1-2]。

2 齒輪箱測試平臺的搭建

2.1 測試系統硬件設計

2.1.1 傳感器的選擇

本系統選擇的壓電式加速度傳感器型號為ICP型美國 PCB壓電式加速度傳感器，其靈敏度為100 mv/g，測量范圍 50 g，頻響范圍0.3 Hz～10 kHz 。該傳感器的實物圖[3-4]，如圖1所示。

2.1.2 信號采集儀器的配置

選取的信號采集儀為美國晶鉆CoCo-P02配有8個輸入通道，每通道采樣率可高達102.4 kHz，實物圖，如圖2所示。

2.2 測試系統軟件設計

本文齒輪箱測試系統軟件以LabVIEW作為軟件平臺。

2.2.1 總體方案設計

該測試系統主要完成數據采集和處理工作。主要包括信號采集和信號處理模塊。由于本測試系統的硬件部分選取了CoCo-P02數據采集儀，該采集儀本身就能完成數據的采集和簡單的數據分析工作。同時，其強大的接口功能允許用戶通過USB接口將它與個人電腦相連，將采集到的數據下載保存，然后利用其他軟件進行信號分析。

因此，本系統利用LabVIEW軟件直接讀取前端信號采集儀采集到的數據，然后編寫相應的分析程序實現對故障信號的分析處理。引用了美國凱斯西儲大學采集到的齒輪箱軸承的故障信號，進行后續分析，最終完成了測試系統的軟件部分。軟件功能主要包括兩部分：信號讀取、信號分析。

2.2.2 信號的采集模塊

由于信號采集部分時直接引用的美國凱斯西儲大學的實驗數據，數據采集模塊的功能是實現對振動信號的采集和對采集數據的保存，為后續的信號處理與分析提供可靠的數據。在系統工作之前，要先進行采集參數設置，即采樣點數、采樣頻率、采樣通道、傳感器靈敏度等基本信息。

2.2.3 信號讀取模塊

利用LabVIEW中提供的[Read From Text File]模塊進行數據讀取。其程序模塊和讀取到的信號，如圖3和圖4所示。

2.2.4 信號分析模塊

本次分析用到了時域分析中的自相關運算模塊以及頻域分析中的頻譜測量模塊。

自相關函數的一個重要作用是檢驗信號中是否含有周期信號。如果信號中由周期成分，則其自相關函數在很大時都不衰減，并具有明顯的周期性。不含周期成分的隨機信號在稍大時自相關函數就趨近零。而正常情況下，齒輪箱的振動信號都是雜亂的隨機信號，當齒輪箱內部零件如軸承等發生故障時會得到一個夾雜其中的周期信號，因此，對周期信號的檢測可以基本確定齒輪箱是否發生故障。

信號分析的相應程序模塊及其對應的波形圖，如圖5和圖6所示。

從原始信號波形圖可以看到，幅值較低的隨機信號中還存在一幅值較大的周期信號，而且信號的自相關分析波形圖也驗證了這一結論。由此便可確定有一周期性故障信號存在。如圖7和圖8所示。

自相關分析確定了齒輪箱的振動信號中存在一個故障信號，通過信號的頻譜分析，可以清楚地看到信號的頻率成分，從而確定故障信號的頻率大小。由圖2～8可得到，軸承的故障信號頻率在270 Hz附近。結合其模態圖便可分析得到發生故障的位置及其對齒輪箱箱體的影響。

3 結 語

本課題主要搭建了基于LabVIEW的齒輪箱測試分析系統，編寫了文件讀入程序、信號分析程序，實現了信號的時域分析及其頻譜分析，確定了軸承故障信號的基本信息，達到了預期的目的。

參考文獻：

[1] 秦樹人，張明紅.機械工程測試原理與技術[M].重慶：重慶大學出版社，

1999.

[2] 劉春光，譚繼文，張馳.滾動軸承的故障特征提取技術與方法研究[J].煤

礦機械，2010，（4）.

[3] 徐科軍，李永三.基于連續小波變換的功率譜估計方法[J].應用科學學 報，2003，（2）.

[4] 周輝.齒輪故障的特征提取與模式識別技術研究[D].鄭州：鄭州大學，

2005.

[5] 王福明，于麗霞.LabVIEW程序設計與虛擬儀器[M].西安：西安電子科 技大學出版社，2009.