摘 要

齿轮箱是机械传动系统中重要部件，其运行状况直接影响整台机器或机组的正常运行。齿轮箱在连续高强度的工作下出现故障的概率很高，据统计，在机械转动中超过一半的故障是齿轮箱故障引起的。齿轮箱一旦出现故障，将会对企业造成巨大的经济损失，更甚者对工作人员造成不可估量的伤害。随着机械设备在生活中的广泛应用，人们对机械的安全性要求越来越高，因此齿轮箱的故障诊断也越来越重要。近年来，齿轮箱的故障诊断技术方法一直是机械设备故障诊断中的重要研究课题。因此，本文开展了对齿轮箱振动诊断的虚拟仪器设计的研究。文中首先介绍了选题的研究目的及意义，分析国内外的研究现状；接着介绍了本设计的研究方案与内容，齿轮箱的振动机理，虚拟仪器的设计，以及信号的采集，处理与分析，硬件的选型等。

关键词：齿轮箱 振动 故障 虚拟仪器 信号分析

Abstract

Gear-box is the important part in the mechanical transmission system, its operation conditions directly affect the whole machine or normal operation of the unit. Gear-box under the work of continuous high strength failure probability is very high. According to statistics, more than half of the failures in mechanical rotation is the result of the gear-box fault. Once the gear box fault occurs will cause huge economic losses to the enterprise, moreover incalculable damage to workers. With the wide application of mechanical equipment in life, people is higher and higher safety requirements for machinery. So the fault diagnosis of gearbox is also more and more important. In recent years, the gearbox fault diagnosis technique has been an important research topic in mechanical equipment fault diagnosis. Therefore, this article carried out the design of virtual instrument in the gear-box vibration diagnosis research. This paper first introduces the research purpose and significance of topic selection, analysis the research status at home and abroad. Then the research plan and content of this design are introduced, the vibration of the gear box mechanism, the design of virtual instrument, as well as the signal acquisition, processing and analysis, the selection of hardware, etc.

Key words: Gear-box vibration fault Virtual instrument Signal analys

目录

1.1课题背景及意义6 6

1.2国内外研究现状6 6

1.3本文研究内容与方案8 8

第2章齿轮箱故障诊断方法12 12

2.1传动齿轮箱故障诊断机理12 12

2.2齿轮箱常见的故障形式及产生原因12 12

2.3信号处理与分析13 13

2.3.1时域分析13 13

2.3.2频域分析15 15

2.3.3阶次分析15 15

2.4本章小结16 16

第3章传动齿轮箱振动诊断虚拟仪器的设计17 17

3.1系统总体设计17 17

3.2系统硬件选择17 17

3.2.1传感器的选型17 17

3.2.2数据采集卡的选型18 18

3.3软件系统内设计19 19

3.3.1总体设计方案20 20

3.3.2数据采集模块21 21

3.3.3数据的存储23 23

3.3.4信号的分析模块24 24

3.4本章总结26 26

第4章系统验证27 27

4.1试验步骤27 27

4.2试验分析27 27

4.3本章小结28 28

第5章总结与展望29 29

总结29 29

展望29 29

致谢30 30

参考文献31 31

第1章绪论

1.1课题背景及意义

齿轮作为齿轮箱中连接和传递动力的重要部件，而齿轮箱的运行状况直接影响整台机或机组的正常运行，齿轮箱的故障诊断成为设备故障诊断的重要组成部分。齿轮箱由于其传动比固定、传动精度高、结构紧凑等优点，在现代工业设备中应用广泛；而齿轮箱的结构又比较复杂，工作环境恶劣，装配精度要求高，因此，在连续工作情况下出现故障概率很高。据统计，在机械转动中超过一半的故障是由齿轮故障引起的。而齿轮箱出现故障后将会导致整个机械设备的失效。随着机械设备在生活中的广泛应用，对齿轮箱的故障诊断也越为重要。齿轮箱故障轻则带来经济损失，重则造成人员伤亡，因此对齿轮箱进行故障诊断显得尤为重要。齿轮箱的运行状态的在线监测和故障诊断对于降低设备维修费用，防止突发性事故具有重要的实际意义。利用虚拟仪器对齿轮箱进行故障诊断，可以及时发现故障隐患，降低因为齿轮箱故障而引起的财产损失以及灾难。通过以上概述，可知齿轮箱的健康状态对机械设备非常重要，所以研究齿轮箱故障诊断技术是极其重要而且必要的。

1.2国内外研究现状

国外在齿轮箱故障诊断的研究进行得比较早[1]，早在二战时期，大量的军事装备缺乏诊断技术和维修手段而造成非战斗性损坏，使人们意识到故障诊断的重要性。20世纪60年代，英国学者H.Optiz仔细研究了齿轮振动与噪声的原理，指出其是传动功率和齿轮传动误差及齿轮精度的函数[2]。随后一些简单的振动参数，如有效值、振动峰值。均方根值等来对齿轮箱进行分析；但利用这些参数进行的这些简单的齿轮箱故障诊断方法诊断出来的结果精度不高，准确率低下。70年代末到80年代中期，利用频谱分析齿轮箱故障诊断取得了很大的成果，B.Randall和James I.Taylor等人的研究积累了齿轮磨损和齿轮断裂等一些成功的故障诊断实例[3，4，5，6，7]。随着技术的发展，齿轮箱的信号处理方法也在不断发展与完善。C.jackson编写了齿轮振动特征变化规律表，给出了常见的故障及频率特征；韩捷、李国华等研究分析了齿轮的常见故障，给出了这些故障状态下的时域振动波形及频域特征；Randall.R.B提出了解决齿轮调制故障问题的高通绝对值分析的调解方法[8]；MOfadden.P.D利用希尔伯特变换法解决齿轮与轴承的故障诊断。丁康系统分析了解调分析的局限性，并给出了优化算法等等。

我国在这方面的研究相对较晚，２０世纪８０年代才开始着手组建故障诊断的研究机构，其发展也经历了从简易诊断到精密诊断，从一般诊断到只能诊断，从单机诊断到网络诊断的过程，发展速度也越来越快，与国外发达国家相比，我国虽然在理论上跟踪较紧，但总体而言，在机械设备诊断的可靠性等方面仍有一定差距。此外，在现场信号采集与故障诊断仪器和数据管理软件及诊断系统的研究方面，北京振通监测技术研究所推出了902和903便携式数据采集器，重庆大学测试中心的QLSA-W型振动噪音测试分析仪和DAS动态信号分析与故障诊断系统及大连理工大学推出PDM2000数据采集分析仪及管理软件，西安交通大学的旋转机械状态监测及故障诊断系统以及北京京航公司研制的设备故障诊断仪器等等[9,10]。2002年第八届全国设备故障诊断学术会议上发表了186篇优秀论文，相关的通用和专业硬件，软件的国产化已经基本成熟。华中理工大学研制成功汽车发动机故障诊断专家系统KB-SED和汽轮机组监测与诊断专家系统，哈尔滨工业大学研制成功大型旋转机械故障诊断转机系统MMMDES。另外，清华大学、上海交通大学、西安交通大学、郑州工学院。武汉科技大学等院校也先后开展了故障只能诊断系统的研制工作[11]。到目前为止，我国大多大专院校，科研单位，工矿企业在齿轮箱故障诊断的理论研究以及应用方面取得了丰富的科研成果。很多人发表了自己的研究成果，如王建军[12]等人在其工作中考虑时变啮合刚度，啮合间隙的非线性因素建立齿轮系统动力学模型；张西宁[13]提出了变速齿轮箱振动信号监测的无键相时域同步平均方法等等在过去几十年里，由于很多前沿科学的成果引入齿轮箱的故障诊断领域，使得齿轮箱故障诊断从方法到手段都有了很大的发展，计算机的突飞猛进，更使得齿轮箱故障诊断技术具有前所未有的应用价值和可推广性。