船用齒輪箱狀態監測與故障診斷系統探討

全向宏 深圳華威近海船舶運輸股份有限公司

1.常見的船用齒輪故障

1.1 齒面磨損

齒輪嚙合時，若表面存在顆粒、潤滑液中有異物顆粒，會導致吃面受到磨損。此外，若齒輪安裝不對稱、聯軸器有扭轉共振，也會導致齒面出現磨損。

1.2 膠合

若潤滑油粘度低、齒輪運轉時溫度過高，會導致齒面出現膠合。

1.3 斷齒

斷齒分為疲勞斷齒、過載斷齒、局部斷齒。疲勞斷齒主要是齒輪齒根受脈動循環影響，若長久不停歇運作，就會導致齒輪出現裂紋，嚴重的就會導致齒輪斷裂。過載斷齒主要是由于超載、沖擊荷載導致斷齒。局部斷齒為加工精度不足、裝配錯誤致使齒輪損壞。

2.船用齒輪箱狀態監測與故障診斷系統

2.1 系統硬件

船用齒輪箱狀態監測與故障診斷系統硬件部分由工控機、端子板、信號處理器、傳感器等構成。

2.2 數據采集系統

（1）采集卡信息。采集卡位于工控機內部，由內部LabVIEW匹配到相關采集卡參數，傳遞給傳感器指令，傳感器從測量點采集信號，途徑端子板、信號處理器，最終上傳到數據采集卡中。采集卡為滿足齒輪箱的多路監測、數據高頻率采集等要求，推薦采用PCI-9114DG采集卡，該采集卡有32條輸入通道，采樣頻率達到100KHz，分辨率為16位A/D。此外，該采集卡僅需C#編寫動態鏈接庫即可編寫驅動程序。

（2）采集卡參數。數據采集卡位于工控機中，工控機系統為采集卡分配設備編號，編號和采集卡互相對應。數據采集卡上存在多個通道，為區分各個采集卡I/O通道功能，對各個通道命名，以便使用。I/O范圍：采集卡運行中，將采集模擬信號/輸出模擬信號，信號大小在一定范圍浮動，操作者可針對使用要求設置信號值。

3.以數據采集卡指導書確定基本函數，在庫函數節點添加函數返回類型值

3.1 函數配置

采集卡函數配置后，在LabVIEW框圖中需連接各個節點，三個基本函數以層疊結構貫穿，采集卡初始化無符號16位返回值為局部變量。

3.2 多通道采集

船用齒輪箱其故障零件和普通齒輪箱相差不大，對其狀態監測，可設置模擬實驗臺分析。實驗臺針對齒輪安裝4測試點，針對軸承座安裝3測試點，通過7個測試點采集信號，傳送給采集卡。

3.3 數據儲存及查詢

數據采集卡采集到信息，可便于落實后續數據分析，也可將數據系統的儲存起來，保存到外部文件中，以備不時之需。文件的保存可設置為文本格式、電子表格形式等。文章設計對數據采取電子表格方式進行儲存，這種電子表格的文件儲存方式可以直接將收集到的波形文件儲存為電子表格文件，而后讀取其數據。數據查詢，需確認電子表格在計算機硬盤中的具體位置，對函數讀取，最終得到電子表格數據，對數據查詢分析（如圖1）。

4.軟件系統設計

4.1 振動信號幅域

振動信號幅域為信號統計特征，其以振動信號概率密度函數特點，考慮到其對應齒輪箱故障的特點，對特征參數統計，例如，可對峭度、裕度及峰值等參數統計。不同統計特征參數若超出極限值，則系統報警。例如，振動指標超出設定值，則報警燈亮，提示異常。

振動信號的調整指標可能伴隨故障發展而存在一定上升，但是仍需考慮機器工作極限對振動的限制。無量綱指標并不會因為工作條件變化而變化，當故障持續發生一斷時間，無量綱參數也會出現一定程度下降。故需利用好各種參數，以峭度及均方幅值檢測。

4.2 信號頻域

（1）功率譜。通過LabVIEW技術，可以對信號頻域中功率譜函數節點PS/PSD.vi分析，通過對該函數節點深入分析，進一步實現對時域信號功率譜的分析。但是需注意，在具體分析前，應設置好函數節點的各項參數，設置好函數節點加窗，以此采集振動時域信號，且避免功率譜變換時發生譜能量丟失等問題，保證信號可以平穩的過度，也確保譜分析值的準確性。

（2）倒頻譜分析。倒頻譜指對功率譜對數值實施傅立葉逆變換，對相關的視域信號自功率譜詳細分析，最終以單邊功率譜（返回）For循環中得其對數，之后進行一維實數傅立葉逆變換，最終得到倒頻譜。

對于船用齒輪箱故障的診斷，以倒頻譜分析，無需考慮測點不同導致傳感器傳遞函數差異導致造成干擾。通過倒頻譜分析，也可區別由于調制而導致的功率譜周期分量，診斷具體調制源。

（3）Hilbert包絡譜分析。包絡譜分析通過Hilbert函數節點、交流及直流分量，以此估計函數節點及傅里葉變換函數節點算數運算。通過此分析方式，可得到幅值、相位及頻率變換。

5.效果分析

船用齒輪箱連接船只柴油機及螺旋槳，其性能決定船只運行穩定性。船用齒輪箱運行以傳遞扭矩，起到減速控制作用。下文以相應故障模擬實驗臺分析文章研究系統是否可靠。

為分析齒輪箱故障監測及診斷系統是否有效，設置相關實驗平臺，實驗平臺可為監測及診斷系統提供診斷平臺，平臺以可調節帶輪方向確定故障模擬形式，齒輪箱及轉圓盤傳動系統。項目主要分析齒輪斷裂、齒輪裂紋、齒輪磨損等。

以變頻電機為其提供源源不斷的動力，同時變頻電機通過傳送帶，按照需求，設置傳動系統。另一端的齒輪箱則以一級減速器傳動裝置構成系統，在主動軸上的齒輪為小齒輪，而從動軸為大齒輪。

對某齒輪箱故障診斷實驗，齒輪箱中小齒輪齒數20，大齒輪齒數48，在齒輪箱設置壓電式加速度傳感器，通過此專業的傳感器，對齒輪磨損狀態下的振動信號進行科學監測分析。

若齒輪減速箱正常運行，其轉速達到90r/min時候，對應的主動輪轉頻90/60-1.5Hz。而若齒輪在運行當中出現磨損，相應的轉速及主動輪轉頻都會發生變化，在試驗中發現其轉速達到315r/min，主動輪轉頻達到315/60=5.25Hz。經系統濾除雜波后，發現其正常齒輪沖擊信號并不明顯，故障齒輪嚙合頻率有較大沖擊，且還存在周期性沖擊。通過該船用齒輪箱狀態監測與故障診斷系統，可以很好的了解齒輪存在的問題，對其狀態進行監測，發現故障可及時報警，提醒及時處理。

6.結語

當下，船用齒輪箱逐漸向復雜、高速方向發展，傳統齒輪箱診斷方式已然無法滿足時代發展需求，故繼續開發新的監測診斷系統。文章設計了一種船用齒輪箱狀態監測及故障診斷系統，通過LabVIEW技術，對其系統進行設計，得出相應結論：船用齒輪箱狀態監測系統手機的信號含有復雜波形，通過C#軟件及LabVIEW技術對常用信號診斷方法方針分析，以硬件舍爾必對檢測系統進行分析，并以傳感器及LabVIEW技術為支持，可以針對數據采集卡設置不同的數據監測路徑，提高數據監測實際效率，確保相關設備在船用齒輪箱監測過程中穩定運行。最后以故障模擬實驗論證系統可行性，發現齒輪箱故障監測及診斷系統可對故障齒輪進行診斷，且齒輪箱振動信號頻率及故障特征頻率吻合，系統實用性突出。