基于虚拟仪器的两挡齿轮箱故障模拟实验系统研制.pdf

实验教学基于虚拟仪器的两挡齿轮箱故障模拟实验系统研制李磊，廖文俊，吴涛（西华大学汽车工程国家级实验教学示范中心，成都610039）摘要：为能够方便设置和复现齿轮箱故障，设计了一款具备二级传动的齿轮箱故障模拟装置，并基于 LabVIEW 软件开发了信号采集与处理系统。故障模拟实验系统可以在不同速度下模拟直齿或斜齿啮合故障、轴承故障。通过实验系统实际测量了齿轮不对中故障和滚针轴承断裂故障的振动加速度波形，结果表明，故障模拟实验系统能够测量、采集和处理振动信号，可作为故障诊断技术实践教学和研究平台。关键词：故障模拟；齿轮箱；振动；LabVIEW中图分类号：TP75文献标志码：ADOI:10.12179/1672-4550.20230058Development Two-speed Gear Box Fault Simulation Experimental SystemBased on Virtual InstrumentLILei,LIAOWenjun,WUTao（NationalExperimentTeachingDemonstrationCenterofAutomotiveEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039,China）Abstract:Inordertofacilitatethesettingupandreproductionofgearboxfaults,agearboxfaultsimulationdevicewithasecondarydrivehasbeendesignedandasignalacquisitionandprocessingsystemhasbeendevelopedbasedonLabVIEWsoftware.Thefaultsimulationsystemcansimulatestraightorhelicaltoothmeshingfaultsandcoupledgearandbearingfaultsatdifferentspeedsandratios.Theresultsshowthatthefaultsimulationexperimentalsystemiscapableofmeasuring,acquiringandprocessingvibrationsignals,whichcanbeusedasapracticalteachingandresearchplatformforthefaultdiagnosistechnology.Key words:faultsimulation;gearbox;vibrations;LabVIEW机械故障诊断类课程，是一门综合计算机软硬件、传感器与检测技术、信号分析与数据处理、振动工程和机械工程等学科专业知识的交叉课程。故障信号的采集、处理等知识较为抽象，需配合实验教学环节来加深学生的理解1。齿轮和轴承是最常见的旋转机械。齿轮和轴承的振动可以反映运转状态，为判别故障的性质、范围提供依据。研究齿轮及轴承振动的产生机理，分析其振动信号的频率成分，对齿轮及齿轮箱的故障诊断具有重要意义23。文献 411 提出了使用虚拟仪器技术构建齿轮箱故障诊断平台，文献 1215 设计了故障模拟功能的实验装置方案。本文设计的两挡齿轮箱故障模拟实验装置，可以模拟直齿、斜齿、轴承故障，并给出了设置齿轮和轴承故障的中间轴齿轮总成方案，以及合理布置中间轴齿轮总成位置。解决了在实验教学过程中，缺少测试对象的问题。配合装置开发的数据采集和处理软件，学生可以观察和存储不同故障模式的波形特征，以加深对各类故障诊断信号的理解。收稿日期：20230207；修回日期：20230521 基金项目：四川省科技厅国际合作项目（2023YFH0065）；西华大学教学改革研究项目（xjjg2021033,xjjg2019069）；西华大学教学团队建设项目（RC1900008969）；四川省实验教学示范中心项目(SYJXSFZX0702)；新工科背景下省级一流课程建设的研究与实践（JG2021-299）。作者简介：李磊（1982），男，硕士，实验师，主要从事汽车零部件设计和试验方面的工作。E-mail:第 21 卷第 5 期实验科学与技术 Vol.21No.52023 年 10 月ExperimentScienceandTechnologyOct.20231两挡齿轮箱故障实验装置设计齿轮箱故障模拟实验装置如图 1 所示，测试系统由电磁调速器、驱动电机、两挡齿轮箱、制动器等组成；采集与处理系统由加速度传感器、转速传感器、精密恒流源、多通道采集卡、实时采集程序等组成。为了方便更换不同故障模式的齿轮、轴承，被试齿轮和轴承集中设计在一个总成中。红色框内的中间轴齿轮总成如图 2 所示：一侧为直齿轮；另一侧为斜齿轮。两侧齿轮都可以设置齿轮故障，如齿面剥落故障、齿轮偏心故障等。中间轴齿轮总成的中心孔可根据实验要求，设计多种尺寸，配合不同的轴承和中间轴，形成多种测试组合。加速度传感器精密恒流源电磁调速器驱动电机上位机实时采集程序多通道采集卡安装点21两挡齿轮箱制动器转速传感器图1实验系统示意简图图2实验装置实物将齿轮箱设计为三轴传动，其中被试总成设计为中间轴。为进一步简化更换难度，被试齿轮总成位于三轴齿轮实验装置的最上端，即如图 3所示的中间轴位置。输入轴中间轴箱体输出轴图3两挡齿轮箱实验装置2采集与处理系统设计采集系统主要由 4 通道数据采集卡、ICP 加速度传感器、光电转速传感器、8 通道精密恒流源和上位机组成。信号经由精密恒流源转发至数据采集卡，再由采集卡将模拟量转换数字量传至上位机，由程序实现数据处理和存储。系统主要采集转速和振动信号两类信号。1）转速信号通过 HJ-Z56 光电转速传感器获取，光电传感器响应频率为 0.1Hz20kHz。2）振动信号通过 SD14N18 加速度传感器获取，灵敏度 500mV/g，量程 10g，频率范围为0.13000Hz。SD14N18 加速度传感器是一种 ICP加速度传感器。3）4 通道采集卡，输入信号幅度范围小于等于10V，每通道最高采样率为 200kS/s，A/D 分94实验科学与技术第 21 卷辨率为 16bit，与上位机通过 USB 进行通信，采集量程可由程序控制切换。处理系统主要是通过 LabVIEW 软件开发上位机实现的。信号采集分析系统主要包括信号获取模块、信号处理模块、信号分析模块、结果显示模块等，界面如图 4 所示。具有信号分析功能，主要包括通道选择、时域分析、功率谱、幅度谱、自相关等，主程序如图 5 所示。20800600400200020010010200.001 18104008001 2001 6002 0002 4002 8003 2003 8004 0000.548 8190.10.20.30.40.5幅值幅值时间/s频率/Hz图4信号实时采集和离线分析程序界面循环次数仿真峰值指标数据处理导入文件保存路径时域波形选择显示波形图5信号实时采集和离线分析部分程序3振动数据采集实验设计实验装置的转速由电磁调速器控制，为判断故障原因，对测试装置进行多点振动测量。文中选择状态特征较明显的通道 2 数据进行展示。通道2 测取的是中间轴齿轮总成的径向方向加速度。文中数据均是挂低速挡实验时测取的振动数据。3.1正常运行实验在中间轴齿轮总成的齿轮和轴承均是完好状态时，运转实验装置进行振动信号采集。时域数据波形如图 6 所示，并未发现数据存在明显的周期性冲击现象。频率数据波形如图 7所示，功率谱数据波形如图 8 所示。峰位出现在135Hz 附近。1555150.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2幅值时间/s图6通道2的时域波形图第 5 期李磊，等：基于虚拟仪器的两挡齿轮箱故障模拟实验系统研制950.60.50.40.30.20.10.001002003004005006007008009001 000幅值频率/Hz图7通道 2 的频域波形图0.160.140.120.100.080.060.040.020.00幅值01002003004005006007008009001 000频率/Hz图8通道 2 的功率谱波形图3.2齿轮不对中故障实验将有不对中故障的中间轴安装在齿轮总成中，运转实验装置进行振动信号采集。不对中故障会使齿轮产生局部接触，导致部分齿轮承受较大的负荷13。通道 2 的时域数据波形如图 9 所示。相较图 6，幅值大小在一个量级，但出现调制现象。频域数据波形如图 10 所示，向低频方向集中。功率谱数据波形如图 11 所示。分别在转频45Hz、倍频 90Hz、三倍频 135Hz 附近出现了调制频率的峰值。其中 100Hz 处的幅值升高最为突出，边带的数量和幅值也增加了。151050510150.00.20.40.60.91.01.21.41.61.82.02.2幅值时间/s图9通道2的齿轮偏心故障时域波形0.70.60.50.40.30.20.10.0幅值01002003004005006007008009001 000频率/Hz图10通道2的齿轮偏心故障频域波形0.300.250.200.150.100.050.00幅值01002003004005006007008009001 000频率/Hz图11通道 2 的齿轮偏心故障功率谱波形3.3滚针轴承断裂故障实验将断裂的滚针安装到中间轴齿轮总成，运转实验装置进行振动信号采集。滚针断裂，相当于滚动体故障引起轴承振动，根据滚针轴承几何参数，得到滚动体通过频率的理论值为 24.9Hz。通道 2 的时域数据波形如图 12 所示，振动幅96实验科学与技术第 21 卷值大小与图 6 相比，仍在一个量级。并未发现数据存在明显的周期性冲击现象。频域数据波形如图 13 所示，振动频率进一步向低频集中。功率谱数据波形如图 14 所示，最大的幅值出现的 25Hz，转频 45Hz 附近也出现了峰值。1520105051015200.00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.50.55幅值时间/s图12通道 2 的滚针轴承故障时域波形0.300.350.400.250.200.150.100.050.00幅值01002003004005006007008009001 000频率/Hz图13通道 2 的滚针轴承故障频域波形01002003004005006007008009001 000频率/Hz0.060.070.080.050.040.030.020.010.00幅值图14通道 2 的滚针轴承故障功率谱波形图4结束语通过上述实验所得到的时域、频域、功率谱波形表明，基于 LabVIEW 软件开发的振动信号数据采集、信号处理、分析的功能正常。两挡齿轮箱故障模拟实验系统的故障模拟功能，可用来验证多种齿轮、轴承故障，可作为后续开展教学和研究的实验平台。参考文献时彧主编;王广斌,蒋玲莉,文泽军副主编.机械故障诊断技术与应用M.北京:国防工业出版社,2014.1张伟杰,韩红利.普通高等教育十四五规划教材煤矿机械故障诊断与维修M.北京:冶金工业出版社,2021.2慕丽.机械工程中检测技术基础与实践教程M.北京:北京理工大学出版社,2018.3张晓光,赵志科,陈莹莹.基于齿轮减速器的振动实验装置研制J.实验技术与管理,2014,31(1):5559.4王伟功,钱晓琦,何中原.基于LabVIEW的齿轮箱振动信号采集与分析J.农业装备与车辆工程,2020,558(5):123126.李峥,秦朝烨,王天杨,等.直齿齿轮教学试验台研制与应用J.实验技术与管理,2020,37(6):104106.6冯海生,肖永强,吴保国,等.齿轮转子轴承系统复合故障振动特性研究J.机械传动,2022,46(7):716.7陈仕琦.齿轮箱振动仿真及故障诊断研究D.南京:南京农业大学,2014.8魏巍宏,刘同冈,马萧萧.机械振动故障综合模拟实验台的研制J.实验技术与管理,2018,35(9):141144.9葛爽.基于虚拟仪器的齿轮箱故障诊断的试验平台开发D.广州:华南理工大学,2013.10代鹏.故障直齿轮传动系统动力学建模及振动响应分析D.芜湖:安徽工程大学,2022.11严 卫 忠.一 种 多 故 障 耦 合 齿 轮 箱 模 拟 实 验 台:200810017578.2P.2022-05-03.12沈玉娣,谢凌然,邹今春.轴承齿轮多故障耦合模拟实验台:200910022782.8P.2009-11-11.13苏勋文,曹双倩,刘紫,等.一种齿轮非线性振动故障诊断实验平台:201410083034.1P.2014-06-04.14崔颖,赵军孔明,等.旋转机械故障模拟实验系统:201210519811.3P.2015-07-08.15编辑张俊第 5 期李磊，等：基于虚拟仪器的两挡齿轮箱故障模拟实验系统研制97