基于.NET平臺行星齒輪傳動故障診斷系統(tǒng)

孫秀茹

(煙臺黃金職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，山東 煙臺 265402)

隨著基于振動信號的故障診斷方法不斷完善和智能化診斷平臺的發(fā)展，試驗人員越來越依賴計算機(jī)軟件平臺[1]。通過軟件平臺對行星齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷具有較好的實時性和可操作性，大大提高了診斷精確度和研究人員的工作效率[2-4]，適應(yīng)當(dāng)今高速發(fā)展的實際生產(chǎn)需要。

國內(nèi)外針對行星齒輪系統(tǒng)故障診斷研究的學(xué)者較多。Kahraman[5]于1994年提出了單級行星齒輪系統(tǒng)的純扭轉(zhuǎn)模型，得到了系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)固有頻率的方程，并建立了非線性時變系統(tǒng)動力學(xué)模型，研究了行星齒輪系統(tǒng)的均載特性。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的Mark等[6]通過建模研究了行星輪承載不均和載荷調(diào)制所產(chǎn)生的頻譜特征，作為行星齒輪箱故障診斷的重要依據(jù)。魏大盛等[7]通過建立多自由度行星齒輪系統(tǒng)的動力學(xué)模型，研究了齒輪接觸比和太陽輪中心浮動對動態(tài)特性的影響。這些方法都不能實現(xiàn)齒輪故障的在線診斷，因此對在線故障診斷平臺研究至關(guān)重要。

行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷是通過.NET在線平臺及時對齒輪進(jìn)行診斷，確保行星齒輪在承受一定的負(fù)載時能夠有效地運行，以確保整個系統(tǒng)的工作效率和精度，及時避免意外和安全事故的發(fā)生。因此，對行星齒輪傳動系統(tǒng)在線診斷平臺的研發(fā)十分必要，可實現(xiàn)行星齒輪傳動系統(tǒng)高速有效、健康安全、長期可靠的運行。

1 行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷流程

基于振動信號的行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷流程如圖1所示。首先，采集行星齒輪的振動信號，然后提取振動信號的特征信息，并針對特征信息進(jìn)行行星齒輪狀態(tài)的識別，從而得出行星齒輪的故障狀態(tài)，最后分析故障類型以及故障部位。

圖1 行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷流程

其詳細(xì)的故障診斷過程主要分以下幾步:

1) 根據(jù)行星齒輪傳動實際工作狀態(tài)測量振動信號,并選擇最優(yōu)測點；

2) 從采集的振動信號中以某種信號分析方法提取能反映行星齒輪運行故障特征的信息；

3) 對故障特征信息進(jìn)行相關(guān)方法分析，判斷是否出現(xiàn)故障，并分析故障原因、類型，以及產(chǎn)生故障的部位；

4) 研究人員分析總結(jié)，做出決策，然后對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整。

2 齒輪故障診斷系統(tǒng).NET軟件開發(fā)

2.1 系統(tǒng)開發(fā).NET工具設(shè)計登錄界面

行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)是在微軟公司Visual Studio中的.NET Framwork4.5.1平臺上開發(fā)出來的，實現(xiàn)對行星齒輪振動信號的定時采集、實時顯示、數(shù)據(jù)分析，并對運行故障做出準(zhǔn)確的診斷。系統(tǒng)的登錄界面如圖2所示。在用戶正確輸入用戶名和密碼后，再選擇數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)分析功能，點擊確定按鈕便可以進(jìn)入系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面設(shè)計及參數(shù)設(shè)置

登錄成功后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集主界面，主界面主要包括4個功能模塊：參數(shù)設(shè)置模塊、示波功能模塊、采集功能模塊、數(shù)據(jù)分析及信號采集與文件信息模塊。在點擊示波按鈕后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時波形顯示，點擊暫停示波按鈕不進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時波形顯示；點擊采集按鈕后，后臺程序?qū)⒃谠O(shè)定的采樣時間內(nèi)把數(shù)據(jù)保存至設(shè)定的路徑下。圖3所示為4通道同時采集時的數(shù)據(jù)采集主界面。

圖2 系統(tǒng)登錄界面

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主界面

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前需要對各種采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括采樣頻率、數(shù)據(jù)保存路徑、試驗名稱、是否自動增加試驗號、采樣模式、試驗工況、實驗對象等，其中最重要的參數(shù)是采樣頻率，工程中一般設(shè)置為20kHz。圖4是基本參數(shù)設(shè)置界面。

圖4 基本參數(shù)設(shè)置

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及分析處理

參數(shù)設(shè)置好以后，點擊參數(shù)設(shè)置中的確定按鈕進(jìn)入數(shù)據(jù)采集窗口，并將設(shè)置好的參數(shù)傳到主窗體的采集與文件信息框中，顯示詳細(xì)的參數(shù)信息，如采樣頻率、采樣模式、采樣時間以及文件名稱、大小、格式、路徑等，如圖5所示。

圖5 采集與文件信息

采集完數(shù)據(jù)之后，點擊數(shù)據(jù)分析按鈕進(jìn)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析主界面，如圖6(a)所示。分析主界面主要包括菜單欄、示波功能選擇、參數(shù)顯示、文件屬性等。點擊菜單欄的“基本分析”欄，基本分析功能主要包括基本的時域分析，頻域分析(幅值譜、功率譜、相位譜以及互功率譜)，小波閾值降噪分析、編輯濾波、包絡(luò)譜分析、窄帶解調(diào)以及頻譜細(xì)化功能。如圖6(b)所示。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析主界面

對采集的信號進(jìn)行基本頻域分析，包括功率譜分析[5]、幅值譜分析[6]、互功率譜分析[7]等，分析結(jié)果界面如圖7～圖9所示。

圖7 頻譜分析

圖8 功率譜分析

然后利用非線性分析方法對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析，包括小波閾值降噪處理、小波包絡(luò)譜分析[8]、濾波包絡(luò)譜分析[9]、頻譜細(xì)化[10]等，數(shù)據(jù)信號分析結(jié)果界面如圖10～12所示。

圖9 互功率譜分析

圖10 小波閾值降噪

圖11 小波包絡(luò)分析

圖12 頻譜細(xì)化

從上述數(shù)據(jù)采集和分析處理過程可知，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)多路信號實時采集與綜合分析，實現(xiàn)行星齒輪傳動系統(tǒng)的在線監(jiān)測和故障診斷。

3 試驗平臺搭建及分析

試驗系統(tǒng)以實現(xiàn)行星齒輪傳動系統(tǒng)運行狀態(tài)故障檢測為目的，以型號為HS300的三級行星齒輪傳動系統(tǒng)為試驗對象，對其在不同轉(zhuǎn)速、不同測點的不同方向下進(jìn)行振動信號采集。試驗測試對象及信號采集平臺如圖13所示。

為了更好地研究不同工況下行星齒輪傳動系統(tǒng)的運行狀態(tài)，按以下試驗方案進(jìn)行采集、測試。

1)輸出轉(zhuǎn)速：540～840r/min，步長為60r/min；

2)增速箱狀態(tài)：正常、故障；

3)采樣頻率及時間：20kHz ,每次定時采樣10s；

4)樣本數(shù)據(jù)：每次試驗均采集數(shù)據(jù)，以保證試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性。

采集到的行星齒輪傳動系統(tǒng)故障的時域、頻域信號如圖14所示。

圖13 三級行星齒輪試驗平臺及測試系統(tǒng)搭建

圖14 原始故障信號的時頻域曲線

對故障原始信號進(jìn)行小波閾值降噪處理，并對降噪后的信號進(jìn)行頻域分析，得到降噪后故障信號的時頻域如圖15所示。

對故障信號進(jìn)行頻譜分析后可知，信號的主要能量集中在低頻帶，由于采樣頻率為20kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于故障信號的實際頻率，采樣頻率將部分有用信

圖15 小波降噪后的時頻域信號

號的低頻信號調(diào)制到高頻帶中，因此需要對信號進(jìn)行希爾伯特解調(diào)處理，對降噪處理后的信號進(jìn)行包絡(luò)分析，得到其包絡(luò)信號，并對時域包絡(luò)信號進(jìn)行頻譜分析以及對所需的低頻進(jìn)行放大細(xì)化處理，如圖16所示。

由圖可知，行星輪系前三級(即第一級至第三級)齒輪嚙合1～4倍特征頻率分別為203.49,406.98,610.47,813.96Hz，從小波包絡(luò)局部細(xì)化圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)，在203.49Hz處有明顯的特征，主要能量集中在此處，正好與第三級行星輪系的嚙合頻率相吻合，并且從圖中可以發(fā)現(xiàn)能量向第三級行星輪系嚙合頻率的2,3,4,5倍頻的位置轉(zhuǎn)移，由此說明第三級行星輪系嚙合出現(xiàn)故障損傷。

圖16 小波包絡(luò)信號

4 結(jié)束語

本文基于.NET平臺搭建了行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)，采集了行星齒輪輸出軸轉(zhuǎn)速從540～840r/min不同條件下振動信號數(shù)據(jù)，分別采集行星輪系運行狀態(tài)的各級嚙合故障信號并進(jìn)行了基本時頻域分析、小波變換、包絡(luò)譜分析等。綜合試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)行星輪系故障特征頻率集中在203.49Hz處，與第三級行星輪系的嚙合頻率相吻合，并且辨別了能量向第三級行星輪系嚙合頻率的2,3,4,5倍頻的位置轉(zhuǎn)移，說明第三級行星輪系的嚙合處出現(xiàn)了故障。由此，驗證了基于.NET平臺開發(fā)的行星齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)的可行性和有效性。