齒輪箱振動無線監測節點發展現狀

鄧麗

摘 ?要：現如今，隨著我國經濟的快速發展，齒輪箱振動無線監測越來越受到關注。對齒輪箱開發一套振動故障監測系統，及時發現和預防故障的發生。以減速齒輪箱試驗臺為基礎，利用傳感器分別對正常齒輪和故障齒輪的振動信號進行采集，采用時域分析、頻域分析和階次分析對所得的兩組信號進行比較。觀察和分析頻譜和階次譜，可明顯地看到在故障存在時，兩種情況下圖譜存在的差異，由此可判斷出故障的發生和位置。所開發的系統能有效地監測在故障發生時的特征，對齒輪箱故障監測有一定的參考價值。

關鍵詞：齒輪箱;振動;無線監測節點;發展現狀

引言

齒輪箱是大型生產設備中的重要組成部分，齒輪箱的可靠性、可用性、可維修性和安全性問題日益突出，使得方便、精確的機械振動監測技術尤為重要。齒輪箱由于其設備結構的復雜性和工況的特殊性，導致較高的故障率和較大的危害性。根據資料統計，由齒輪失效引起的機械設備故障約占10.3%，在變速器中齒輪損壞的比例最大，達到60%。目前普遍采用的有線連接監測系統，存在布線復雜、成本高、可維護性差以及缺少靈活性等問題。無線傳感器網絡構建的無線、分布式機械振動監測系統有效地彌補了傳統有線監測網絡的不足。

1齒輪箱振動監測的發展

傳統的振動監測系統主要由傳感器、調理電路、數采卡、接口和CPU組成。傳感器模塊首先將輸入物理量轉換成電量，然后再進行必要的調節、轉換、運算，最后以適當的形式輸出。由于傳統傳感器需要大量布線，傳感器傳輸導線長時間使用會損壞，增加了維護成本，同時大量布線也使得測試系統缺乏靈活性，增加了系統的潛在危險和不可控性，無線傳感器節點有效解決了上述問題。無線傳感器網絡節點按結構可以分為3類：分立式節點、片上系統節點和微型節點。目前主要處于片上系統節點設計階段邁向微型節點的過程中。隨著MEMS技術的快速發展，基于無線傳輸的機械振動監測系統的研究成為熱點。目前國外的技術非常成熟，已有很多技術轉化為成果，目前市面上適用于機械振動監測的無線通用節點如表1所示。

2硬件系統設計

2.1硬件系統總體設計

齒輪箱無線振動監測節點的整體結構包括：傳感器模塊、信號采集模塊、處理器模塊、數據存儲模塊、無線通信模塊和電源模塊。整體結構，如圖1所示。

2.2硬件模塊選擇

2.2.1處理器模塊

節點選用具有高性能、高速、低功耗特點的STM32F107VC單片機為系統核心，基于ARM的CORTEXM3框架，內部集成256kBFlash和64kBSRAM，運行頻率高達72MHz。單片機在運行過程中，主要負責在操作系統上完成A/D轉換、SD卡讀寫以及數據的傳輸。

2.2.2傳感器模塊

節點選用ADXL001加速度芯片采集振動信號，具有寬帶寬、小尺寸、低功耗等特性。三種帶寬分別為±70g、±250g和±500g，諧振頻率均為22kHz。根據齒輪箱振動監測特性，選擇±70g，工作電壓采用3.3V獨立穩壓電源供電。傳感器模塊電路設計，如圖2所示。

選用RT9161-33為ADXL001提供3.3V穩壓電源，并在芯片兩端加上0.1μF和10μF的電容，進行去耦和濾波，如圖2所示。ADXL001電源端連接0.1μF電容去耦，可以有效的抑制噪聲，達到減少紋波的作用。

2.3處理器模塊

處理器是整個節點的核心，根據節點形式的不同，分為單獨處理器和集成無線發送模塊的處理器。由于后者處理能力有限，不會在機械振動監測過程中單獨使用，例如內置51核的CC2530被用來進行無線通信而不是處理數據。無線通信模塊在使用過程中，往往會和處理器結合起來，各司其職。

2.4電源管理模塊

節點采用可充電鋰電池供電，并采用LTC4070實時監測電池用電狀況。LTC4070的工作電流僅為450nA，對充電電池電路產生的影響非常小。芯片具有獨特的低電量和高電量監測引腳，通過外部連接的P型三極管通斷充電電路和電池的連接。在正常充電使用時，電流由2N3409的基極流向發射極到達鋰電池，當電池的電壓值達到ADJ設置的4.1V時，三極管bc結的電流會不斷的減少直至停止充電，此時三極管進入飽和狀態，HBO引腳的電壓拉高，LED2燈亮，表示充電完成。當電池電壓低于3.2V時，LBO端的電壓就會升高，LED1燈亮，表示電池電量不足，急需充電。充電接口采用USB，并后接熔斷絲保護后續電路，電路設計。

3齒輪箱在線監測診斷系統設計

由上述分析可知，齒輪箱的各種故障可由特征值的變化反應出來，如斷齒故障表現為峭度指標，峰值指標成倍增長，對應故障轉頻幅值大幅增加。特征值分為無量綱量和有量綱量兩種，其中無量綱量具有較好的移植性，而時域有量綱量和頻域特征移植時，首先要根據齒輪箱結構計算相應的特征頻率，另外還需要對實際所監測齒輪箱進行正常工況試驗，以確定齒輪箱正常工作時有量綱量的量級。文中在設計海洋救助船動力傳輸齒輪箱在線監測診斷系統時，通過試驗采集了救助船齒輪箱在不同工況，不同轉速下的振動信號，并進行了分析，確定了在正常工作狀態下各種特征值的大小量級，為設定故障閾值提供參考，救助船齒輪箱振動傳感器布置如圖3所示。以LabVIEW虛擬儀器為開發軟件設計了齒輪箱在線監測斷系統，其硬件組成及工作流程如圖4所示，系統可以實現在線時域分析、頻域分析、時頻分析等，具有手動和自動數據存儲功能，這一功能可以幫助用戶在齒輪箱出現某種故障時積累故障數據。引入LabVIEW中的Matlab節點，可以以后臺形式調用Matlab神經網絡工具箱（電腦需要提前安裝Matlab及神經網絡工具箱）進行上節所述模式識別功能，該調用方法方便快捷，只在主界面右下角顯示識別后的齒輪箱狀態，對用戶而言，簡單明了，主界面如圖5所示。

結語

分別對齒輪箱在正常運轉情況下和有故障運轉情況下的振動信號進行采集，通過時域分析，列出各無量綱等時域參數，比較在不同運轉情況下參數的敏感性。除波形參數外，其他無量綱參數對齒輪箱發生斷齒故障較敏感。頻域分析證明故障發生會引起頻率所對應的能量分布發生變化。通過階次分析可判斷故障發生的位置。該測試分析結果有效地證明利用振動信號監測齒輪箱的適用性。

參考文獻

[1] 劉冬明，武兵.三軸高頻采樣的無線傳感器網絡節點設計[J].機械設計與制造，2017（4）：166-168+172.

[2] 高寧，任芳.劉玉玲.基于ZigBee的礦井提升機無線數據采集系統設計[J].機械設計與制造，2018（3）：216-218+222.

[3] 邵國友，周德廉.基于小波分析的齒輪箱故障信號分析[J].煤礦機械，2018（12）：151-153.

[4] 徐躍進.張志華.齒輪箱中齒輪故障的振動分析與診斷[J].機械設計，2019，26（12）：68-71.

[5] 雷亞國，韓冬，林京，等.自適應隨機共振新方法及其在故障診斷過中的應用[J].機械工程學報，2018，48（7）：62-67.

[6] 王慶鋒，楊劍鋒，劉文彬，等.過程工業設備維修智能決策系統的開發與應用[J].機械工程學報，2019，24（46）：168-177.

2143501705349