基于階次分析的變工況齒輪信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

葛杏衛(wèi)　鄒新光　崔彥平　喬智利　王博磊

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

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基于階次分析的變工況齒輪信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2013081)；河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(10212112D)

葛杏衛(wèi)鄒新光崔彥平喬智利王博磊

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

為了提高變工況齒輪信號(hào)的分析精度，針對(duì)變工況齒輪信號(hào)采集問(wèn)題，提出了基于階次分析的變工況齒輪信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)計(jì)算階次的不足提出了改進(jìn)以及改進(jìn)的過(guò)程；其次，根據(jù)ICP式傳感器的供電問(wèn)題，設(shè)計(jì)了傳感器的調(diào)理電路，解決了傳感器供電以及信號(hào)的濾波問(wèn)題；再次，針對(duì)信號(hào)采集問(wèn)題，設(shè)計(jì)了Labview的程序?qū)崿F(xiàn)變工況信號(hào)的采集；最后，通過(guò)連接設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了該方法的有效性，提高了變工況齒輪信號(hào)分析精度。

變工況；階次分析；信號(hào)采集；傳感器；調(diào)理；齒輪

齒輪作為機(jī)械設(shè)備的重要部件，齒輪的故障關(guān)系到設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。大多數(shù)齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中處于變速或變載即變工況下，所以對(duì)變工況齒輪故障進(jìn)行研究有重要的意義。對(duì)于恒定轉(zhuǎn)速的非平穩(wěn)信號(hào)的處理方法一般可以用小波變換、HHT變換等方法[1]。然而對(duì)于變工況下的非平穩(wěn)信號(hào)上述方法處理起來(lái)會(huì)有些困難，所以國(guó)內(nèi)外專家提出了階次分析的方法。階次分析可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域非平穩(wěn)信號(hào)到角域準(zhǔn)平穩(wěn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)的重采樣[2]，階次分析跟蹤的方法能很好的處理這種變工況信號(hào)。但為了保障處理變工況信號(hào)的精度，階次分析會(huì)有些不足。

本文對(duì)階次分析的原理進(jìn)行了分析，針對(duì)計(jì)算階次的不足提出了對(duì)計(jì)算階次分析的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了信號(hào)采集系統(tǒng)，提高了變工況齒輪信號(hào)的分析精度。

1　階次分析基本原理

計(jì)算階次分析就是利用時(shí)域轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行插值獲取角域重采樣的結(jié)果。因此階次分析的關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)時(shí)域振動(dòng)信號(hào)的重采樣。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)階次跟蹤技術(shù)做了許多的研究[3-5]。

計(jì)算階次跟蹤的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)等時(shí)間間隔同步采樣得到異步采樣信號(hào)，即一路是鑒相脈沖信號(hào)一路是振動(dòng)噪聲信號(hào)等時(shí)間同步采樣，最后利用軟件分析進(jìn)行計(jì)算從而實(shí)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)到角域信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

然而，為了找到重采樣的時(shí)間點(diǎn)，通常認(rèn)為轉(zhuǎn)軸在一小段的時(shí)間內(nèi)作勻角加速運(yùn)動(dòng)[6-7]。

在上述前提下，齒輪軸的轉(zhuǎn)角θ表達(dá)式為

θ(t)=d0+d1t+d2t2

(1)

式中：d0、d1、d2為待定系數(shù)，t為時(shí)間點(diǎn)。

對(duì)時(shí)域采樣信號(hào)，取脈沖信號(hào)前3個(gè)時(shí)間點(diǎn)t并且設(shè)每轉(zhuǎn)角增量為Δφ，將它們帶入式(1)，可得

(2)

由(1-2)求出di代入式(1)，得：

(3)

計(jì)算階次跟蹤法具體步驟如下：

(1)等時(shí)間間隔同時(shí)對(duì)振動(dòng)信號(hào)與轉(zhuǎn)軸速度信號(hào)進(jìn)行采集，得到振動(dòng)信號(hào)和鑒相脈沖信號(hào)。

(2)獲取鑒相脈沖信號(hào)前3個(gè)時(shí)間點(diǎn)，并根據(jù)式(2)求出d0，d1，d2的值。

(3)將d0，d1，d2的值帶入式(3)求出θ相對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)t的值。

(4)根據(jù)求出的t值，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行三次樣條插值，求出其對(duì)應(yīng)的幅值，從而實(shí)現(xiàn)等角度重采樣 。

(5)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。

2　計(jì)算階次分析的改進(jìn)

由計(jì)算階次跟蹤方法的原理可以看出等角度重采樣時(shí)間的估計(jì)是階次計(jì)算的必需且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。現(xiàn)有的方法是可以先假設(shè)參考軸在一個(gè)小的時(shí)間段內(nèi)做勻加速運(yùn)動(dòng)，按照轉(zhuǎn)角表達(dá)式(1)的形式，估算出系數(shù)b0，b1和b2后反求出等角度采樣的時(shí)刻。然而針對(duì)本文變工況齒輪信號(hào)，速度變化是不平穩(wěn)的即非勻加速運(yùn)動(dòng)，計(jì)算時(shí)間點(diǎn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)奇異，不能準(zhǔn)確的估算出等角度重采樣的時(shí)間。當(dāng)時(shí)間點(diǎn)與振動(dòng)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行插值時(shí)會(huì)使角域信號(hào)出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致信號(hào)處理出現(xiàn)誤差，使故障診斷出現(xiàn)誤判。

本文提出了一種基于編碼器的計(jì)算階次跟蹤方法，通過(guò)計(jì)算階次與硬件階次相結(jié)合的形式提高信號(hào)分析的精度。計(jì)算階次跟蹤獲得鑒相脈沖的方法通常是利用光電傳感器獲得一個(gè)與轉(zhuǎn)速完全相同的時(shí)域脈沖信號(hào)，然后利用脈沖信號(hào)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行插值重采樣。本文提出的是采用編碼器等角度采集脈沖信號(hào)，這種方法避免了計(jì)算階次跟蹤重采樣時(shí)間點(diǎn)的假設(shè)。具體步驟如下：

(1)利用編碼器和加速度傳感器對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)分兩路進(jìn)行等角度同步采樣，得到異步采樣信號(hào)。

(2)根據(jù)采集的脈沖信號(hào)時(shí)間點(diǎn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行插值，求出對(duì)應(yīng)的幅值，得到等角度振動(dòng)信號(hào)。

(3)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。

3　硬件系統(tǒng)部分

3.1編碼器的選型

編碼器是通過(guò)將信號(hào)進(jìn)行編制轉(zhuǎn)化為可以存儲(chǔ)的設(shè)備。由于本課題需要測(cè)量變工況齒輪傳動(dòng)軸具體轉(zhuǎn)過(guò)的角度位移，因此，本課題選用的是增量式光電編碼器進(jìn)行信號(hào)的測(cè)量。增量式編碼器是將轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的角位移轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)輸出的形式。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的位移取決于脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)[8]。本文通過(guò)編碼器等角度采集變工況齒輪的脈沖信號(hào)，獲取信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)，比前面的假設(shè)轉(zhuǎn)軸作勻加速運(yùn)動(dòng)精確，保證了數(shù)據(jù)的精確性。

3.2傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)

機(jī)械振動(dòng)測(cè)試過(guò)程中用得最多的是壓電式加速度傳感器。針對(duì)變工況齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)，本文采用壓電加速度傳感器。壓電式加速度傳感器又主要分為非ICP式壓電加速度傳感器和ICP式壓電加速度傳感器，兩種傳感器都是通過(guò)測(cè)振動(dòng)的加速度來(lái)測(cè)得振動(dòng)信號(hào)的。從應(yīng)用上看他們的主要區(qū)別就是非ICP式傳感器不需要外接電源供電，直接就能進(jìn)行測(cè)試得到信號(hào)；而ICP式傳感器則需要外接恒流源對(duì)其進(jìn)行供電才能使之正常地工作測(cè)出振動(dòng)信號(hào)。本文采用實(shí)驗(yàn)室提供的ICP型壓電加速度傳感器，產(chǎn)品型號(hào)為JF-2050；靈敏度：50 mV/g；頻率范圍：0.5～5 000 Hz；量程：～100 g；激勵(lì)電壓：+18～+28 V；恒流源：+2～+10 mA。

根據(jù)ICP式加速度傳感器輸出信號(hào)不能直接被采集卡采集的特點(diǎn)，需要一個(gè)恒流源模塊為其供給恒流電[9]，并將傳感器輸出的信號(hào)調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)(如±5 V)。原理圖如圖1所示。

由圖1所示調(diào)理電路主要由恒流源和信號(hào)調(diào)理電路組成，所以本文只對(duì)恒流源和信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)JF-2050壓電加速度傳感器的參數(shù)，本文采用單片集成芯片LM334Z給傳感器提供恒流源電路。為了消除LM334Z溫度的影響，增加了一個(gè)二極管和電阻來(lái)消除溫度的影響；信號(hào)調(diào)理電路通過(guò)同相比例放大電路，采用LM324AD四運(yùn)放集成芯片進(jìn)行放大，最后采用的是低通濾波電路進(jìn)行濾波處理。調(diào)理電路如圖2所示。

4　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

4.1需求分析

針對(duì)變工況齒輪系統(tǒng)，本文采用壓電加速度傳感器與編碼器同時(shí)采集信號(hào)，同時(shí)獲得變工況振動(dòng)信號(hào)和脈沖信號(hào)，通過(guò)脈沖信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)與振動(dòng)信號(hào)的插值獲取新的振動(dòng)信號(hào)序列。所以采樣頻率不僅僅跟截止頻率相關(guān)，還跟編碼器的參數(shù)相關(guān)。一般的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)信號(hào)只需根據(jù)采樣定理來(lái)確定采樣頻率，但是由于本文研究的是變工況齒輪振動(dòng)信號(hào)，速度是時(shí)刻變化的，只能選取一個(gè)最大的速度作為參考來(lái)確定采樣頻率。另外由于編碼器每轉(zhuǎn)采集1 800個(gè)脈沖，所以采樣率必須大于編碼器的采樣率。為了使重采樣的振動(dòng)信號(hào)更精確，所以采樣率需要大于2～10倍的編碼器的采樣率。

對(duì)于變工況齒輪的轉(zhuǎn)速，如果轉(zhuǎn)速是600 r/min=10 r/s，編碼器每轉(zhuǎn)1 800個(gè)脈沖，則1 s是18 000個(gè)脈沖，采樣頻率大于2～10倍，所以是36 000～180 000 Hz。如果轉(zhuǎn)速300 r/min=5 r/s，每轉(zhuǎn)1 800個(gè)脈沖，則1 s是9 000個(gè)脈沖，采樣頻率大于2～10倍，所以是18 000～90 000 Hz。本文主要研究的是變工況齒輪變速的過(guò)程，所以轉(zhuǎn)速最大300 r/min就能滿足要求。

4.2采集卡選用

通過(guò)上述需求分析，本文通過(guò)研華采集卡PCI-1713進(jìn)行變工況齒輪的信號(hào)采集。由于PCI-1713采樣速率可以達(dá)到100 kS/s可以滿足需求，它有多個(gè)通道可以實(shí)現(xiàn)單端輸入和差分輸入多通道的采集信號(hào)，并且不同的通道還可以實(shí)現(xiàn)不同的增益。對(duì)于數(shù)模的轉(zhuǎn)換，PCI-1713還包括軟件、內(nèi)部以及外部3種觸發(fā)模式。PCI-1713板卡模擬量輸出硬件接口為DB37孔型接口，需要搭配一根兩端帶針型接口的37芯D型電纜PCL-10137，且要一個(gè)37芯D型接線端子板ADAM-3 937或者PCLD-881B。板卡和端子如圖3所示。

4.3Labview程序

Labview是一種以Labview為核心的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。Labview很好的把計(jì)算機(jī)與采集卡結(jié)合在一起，通過(guò)軟件的控制把采集到的信號(hào)在計(jì)算機(jī)上顯示出來(lái)，并且還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理。通過(guò)對(duì)變工況齒輪信號(hào)分析，本文利用研華采集卡DAQ助手實(shí)現(xiàn)雙通道同時(shí)連續(xù)采集變工況齒輪信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。圖4所示為L(zhǎng)abview程序框圖。

從圖4可以看出，首先，通過(guò)DAQ助手連接物理通道physical channels和參數(shù)范圍設(shè)置value range來(lái)讀取數(shù)據(jù)；其次，通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘convert clock來(lái)計(jì)時(shí)改變采樣速率；再次，通過(guò)while循環(huán)和DAQNAVi Analog連續(xù)讀出每一個(gè)通道的數(shù)據(jù)；最后，通過(guò)路徑1和路徑2來(lái)保存數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集工作。

5　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

連接好系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行被動(dòng)齒輪某一個(gè)齒磨損故障的實(shí)驗(yàn)仿真。主動(dòng)軸齒輪為55齒，被動(dòng)軸齒輪為75齒，將主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速?gòu)?加速到300 r/min，時(shí)域采樣率為10 000 Hz，采樣時(shí)間為3s。獲得變速時(shí)域信號(hào)，如圖5所示。圖中顯示信號(hào)瞬時(shí)沖擊的間距越來(lái)越小。

利用計(jì)算階次和改進(jìn)計(jì)算階次兩種信號(hào)處理方法將信號(hào)轉(zhuǎn)換成角域信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。編碼器的參數(shù)是每轉(zhuǎn)1 800個(gè)脈沖，所以等弧度為π/900 rad。對(duì)于被動(dòng)齒輪的磨損故障，應(yīng)該在角域每2π rad內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)沖擊。下面是實(shí)驗(yàn)對(duì)比。如圖6所示。

圖6a為采用計(jì)算階次分析方法轉(zhuǎn)化的角域信號(hào)圖，圖6b為采用改進(jìn)計(jì)算階次分析方法轉(zhuǎn)化的角域信號(hào)圖，從圖中對(duì)比可以看出，角域信號(hào)都比較平穩(wěn)都是間隔2π rad故障明顯有沖擊出現(xiàn)。但是從計(jì)算階次角域信號(hào)圖中第一次出現(xiàn)沖擊的點(diǎn)為9.376，明顯超出了2π rad。而改進(jìn)階次角域信號(hào)圖第一次出現(xiàn)的沖擊點(diǎn)為1.976，明顯在2π rad內(nèi)。由此可以得出計(jì)算階次方法將信號(hào)轉(zhuǎn)化為角域信號(hào)時(shí)將齒輪第一轉(zhuǎn)的故障消除了從第二圈開始出現(xiàn)故障，丟失了一部分信號(hào)信息，在重采樣時(shí)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生奇異，而改進(jìn)的計(jì)算階次分析就不會(huì)出現(xiàn)這種情況，改進(jìn)計(jì)算階次提高了信號(hào)的精度。

6　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)變工況齒輪信號(hào)計(jì)算階次分析方法的不足，提出了改進(jìn)的計(jì)算階次分析的方法，并且對(duì)改進(jìn)計(jì)算階次方法進(jìn)行了陳述。搭建了基于階次分析的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括對(duì)傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)以及Labview的編程部分。最后在連接好的系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了改進(jìn)的計(jì)算階次方法的有效性，提高了信號(hào)的精度。

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(編輯孫德茂)

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Variable condition of gear signal acquisition system is designed based on analysis of order time

GE Xingwei, ZOU Xinguang, CUI Yanping, QIAO Zhili, WANG Bolei

(College of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, CHN)

In order to improve the analysis precision of the variable condition of gear signal variable working condition of gear signal acquisition system design which based on the analysis of the order was proposed at the variable condition of gear signal acquisition. First of all, according to the calculation order to improve the process and improving was proposed. Secondly, according to the power supply of ICP sensor, sensor conditioning circuit was designed what realized the sensor power supply and signal filtering problem. Again, in view of the signal collection, the Labview program was designed to realize the collection of operation mode signal. Finally, through the connection design of acquisition system for experiment that verify the effectiveness of the proposed method which improved the precision of gear load signal analysis.

operation mode; order analysis; signal acquisition; sensor; regulate; gear

TH17

J

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.07.010

葛杏衛(wèi)，女，1976年生，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面研究。

2016-01-05)

160719