齿轮箱故障诊断技术最新动态

机电信息 2011年第 36期总第 318期 于传感器 I/O（输入/输出）信号上存在不统一，工作原理和电路 系统也千差万别，导致推进传感器标准化统一化的进程缓慢，这在 给传感器用户带来不必要的麻烦的同时，也反过来制约着传感器 及其相关的测试仪的发展和应用。不过，单片机技术的出现为推动 传感器标准化奠定了技术基础和提供了时机。因单片机超强的运 算能力、微型化的体积和日益低廉的成本为淘汰旧传感器和测试 仪提供了环境，单片机技术在传感器装置中的特殊角色以及单片 机技术本身的系统性和完整性，使传感器上大量装置都与单片机 技术相关，这有利于促进以单片机相关技术为主导的标准统一化。 目前及今后一段时间，着手开展传感器的标准化工作将是我国传 感器研究的一个重要方向。从分析来看，电路标准化下的传感器应 具有如下功能：一是具有放大和标准化输出传感器信号功能；二是 具有温度补偿技术；三是应具有线性校正技术；四是应具有信号存 储功能；五是应具有简单的信号处理功能；六是能实现与高一级控 制单元的连接。另外，传感器的标准化工作也有助于推进智能仪表 的化，以提高测试仪器的可靠性，降低成本。 4 结语 本文从介绍传感器概念及其缺陷和单片机概念及其技术应用 出发，分析了二者在技术上的结合点，并以此结合点作为依据对单 片机技术在传感器中的应用作了阐述。单片机技术有助于大 大提升传感器的稳定性和可靠性，有助于降低外界对传感器的干 扰，提高其抗干扰能力，而且单片机技术在传感器上的突出优势还 为传感器及测试仪的标准化和规范化奠定了条件。随着信息时代 的来临，传感器固有的一些性能缺陷随着外部环境的变化而逐渐 暴露出来，而单片机技术也面临着信息技术的冲击，因此必须加快 单片机技术的升级以应对未来市场对高性能传感器的需求。 ［参考文献］ ［1］梁凯淋.单片机技术的发展及应用［J］.中小企业管理与科技，2009 （4） ［2］赵世平，王赛.STC12C2052AD单片机在智能传感器开发中的应用［J］. 软件导刊，2008（12） ［3］嵇鼎毅，陈君波.基于单片机的无线传感器网络节点硬件设计［J］. 科技信息，2009（16） ［4］王乐.单片机技术在传感器设计中的应用［J］.科技之友，2009（12） ［5］曹永涛.谈对传感器设计原则的分析［J］.中小企业管理与科技， 2008（8） 收稿日期：2011-10-17 作者简介：张旭（1970—），男，吉林省四平市梨树县人，讲师，主要 从事智能测控仪表开发和 PLC自动化及项目组态研究。 0 引言 齿轮箱作为机械设备中一种必不可少的连接和传递动力的通 用零部件，它的运行状态监测及故障诊断技术是通过对齿轮箱运 行中的相关信息进行分析处理，从而判断其工作状态的一种技术 手段［1］。 对于齿轮箱故障诊断而言，其最根本任务就是通过对齿轮箱 的观测信号进行分析、处理，以识别齿轮箱的状态，在一定程度上 也可以说齿轮箱故障诊断就是齿轮箱的状态识别。概括来讲，对齿 轮箱的诊断，一是早期诊断，防患于未然；二是故障分析，采取措 施。就是指在齿轮箱产生故障以前，能够对可能产生故障的部位和 部件进行预测，找出可能产生故障的原因，进而保证齿轮箱能够在 安全稳定的工况下运行。在故障发生时，能够迅速分析故障产生原 因，判断故障发生部位，及时展开维修。 1 齿轮箱故障诊断技术发展的历史、现状和趋势 1.1 发展历史 早在 20世纪初期，人们就开始对齿轮箱的振动和噪声进行了 研究。但是直到 20世纪 60年代中后期，在英国学者 H.Optiz发表 了齿轮箱的振动和噪声是传动功率和齿轮传动误差及齿轮精度的 函数曲线后［2］，齿轮的振动和噪声指标才作为评价一个齿轮装置 好坏的重要因素，得到广泛关注。20世纪 70年代中期出现了一些 简单的齿轮箱故障诊断技术，但是仅限于直接分析、测量一些简单 的振动参数，如振动峰值 Pk、均方根值 RMS等。20世纪 80年代中 期，由于对齿轮箱故障诊断机理研究、典型故障特征提取、故障诊 断的频域法得到了一定发展，积累了一定的故障诊断实例，能够较 为成功的诊断齿轮磨损和齿断裂。20世纪 90年代以后，随着科学 技术的发展，特别是计算机技术和测试技术的飞速发展，齿轮箱故 障诊断也迎来了飞速发展阶段，各种诊断系统不断涌现。 1.2 现代齿轮箱故障诊断技术特点 齿轮箱故障诊断技术随着科技的发展而不断进步，与最新科 技成果相融合是当代齿轮箱故障诊断技术的特点，也是未来发展 方向。主要表现在以下几个方面： （1）用于齿轮箱状态监测和故障诊断的信号分析处理取得 了较大发展。传统的分析方法，如时域波形分析等方法的精度和速 度在近些年得到了极大地提高和发展；一些较新的信号处理方法 也得到了长足发展，如 Wigner-Ville分布技术、小波分析、循环平 稳理论解调分析、希尔伯特-黄变换解调等时频分析方法。特别是 近年来国内一些专家提出了基于建立档案的时频域得分法来进行 诊断的故障诊断方法。 （2）诊断方法的日益多样化。故障诊断技术发展至今，在振动 诊断方法日益成熟的同时，新的方法也广泛应用于齿轮箱故障诊 断的实践中，从而拓宽了故障诊断方法的范围。如声诊断、热像诊 断、涡流诊断、铁谱分析、温度及能耗监测等，都得到了相当不错的 成果。 （3）国内外对故障模式的统计识别和模糊识别理论与方法、故 障诊断神经网络、灰色聚类分析，特别是故障诊断专家系统做了大 齿轮箱故障诊断技术现状与发展趋势 杨佳鑫 齐蕴光 蔡兆中 （装甲兵学院，北京 100072） 摘 要：介绍了齿轮箱故障诊断技术发展的现状和趋势，阐述了常用的几种故障诊断方法和信号处理方法。 关键词：齿轮箱；故障诊断；小波分析；神经网络 Gongyi yu J ishu◆工艺与技术 133 量的基础性研究和实用技术开发，已经在实际工程中得到了应用。 1.3 齿轮箱故障诊断的发展趋势 故障诊断技术与当代前沿科学的融合，是故障诊断技术发展 的趋势。由于齿轮箱结构复杂，工作环境恶劣，未来齿轮箱的状态 监测和故障诊断发展更应与前沿科技相融合，具体来说表现在以 下几个方面： （1）对齿轮箱的故障和振动机理展开深入理论研究。由于齿轮 箱结构复杂，工作条件多样，诊断中涉及到的问题较多，对其故障 和振动产生机理研究还不透彻，大多是一些定性的结论。建立完整 的数学模型进行定量分析还存在相当大的难度，因此要加大基础 理论研究。 （2）与最新传感器技术的融合。如激光测试技术，近年来，激光 技术已经从军事、医疗、机械加工等领域深入发展到振动测量和设 备故障诊断中，并且已经成功应用于测振和旋转等机械中。 （3）与最新的信号处理方法融合。随着新的信号处理方法在设 备故障诊断领域中的应用，传统的基于快速傅里叶变换的信号分 析技术有了新的突破性进展。 （4）与现代智能方法的融合。现代智能技术包括专家系统、模 糊逻辑、神经网络、进化计算等。如专家系统（Expert System，ES）。 专家系统是一种计算机程序系统，能够在专门领域达到专家的水 平。一个计算机程序想要表现其“专长”，必须通过推理解决问题， 并得出相当可靠的结果。程序必须能存取事实集，即所谓的知识 库。程序还必须能在咨询会话时，从知识库可利用信息中推出结 论。专家系统可以看作由知识库、推理机以及用户接口 3部分组 成，专家系统一般结构如图 1所示。 但是由于齿轮箱故障诊断专家系统的专家知识库很缺乏，知 识库可靠性和推广性差，很多诊断实例无法表达成通用的知识规 则，因此要继续加大这方面研究。 综上所述，分析故障机理、建立完整数学模型、研究有效的齿 轮箱诊断方法、进行多方法融合诊断、构造专家知识库，进行人工 智能、模式识别和神经网络方面的探索，是当前齿轮箱故障诊断的 发展方向。 2 齿轮箱故障诊断技术中常用方法 齿轮箱一般为多轴系系统，结构复杂，在工作过程中由于存在 多对齿轮和滚动轴承同时工作，频率成分多，各种干扰较大，所以 状态监测和故障诊断过程中，应尽量采取多种方法进行综合诊断。 当前齿轮箱故障诊断的方法很多，如振动诊断、噪声分析、扭振分 析、油液分析、声发射、温度及能耗监测等。 振动噪声诊断方法是齿轮箱故障诊断中最常用的方法［3］，齿 轮箱中的轴、齿轮和轴承在工作时会产生振动，若发生故障，其振 动噪声信号的能量分布和频率成分将发生显著的变化，振动噪声 信号是齿轮箱故障特征的载体。对其状况进行分析，可实现不停车 故障诊断。 （1）扭振分析是齿轮箱状态监测和故障诊断的常用方法之一［4］。 在齿轮箱故障诊断中常常采用箱体振动信号进行分析处理，但是 由于箱体振动信号中包含了各种齿轮的啮合信号以及整个机器系 统中其他振动的响应，并且在振动传递到测点的过程中有较大衰 减和畸形，因此将待诊断的齿轮啮合振动信号从很强的噪声中分 离出来较困难。而利用从齿轮传动系统的回转信号波动中得到的 扭振形式振动信号进行分析，则可避免以上利用箱体振动信号分 析带来的困难。而且扭振信号不像横向信号那样容易受到其他振 源产生的振动干扰，对于故障更加敏感，信噪比高，适合应用于早 期的故障发现。 （2）油液分析也是齿轮箱故障诊断的一种常用方法。利用油液 分析进行故障诊断是建立在齿轮箱中产生故障的摩擦副材料不同 和磨粒大小、数量、形状的不同的基础上［5］。齿轮箱在工作过程中， 齿轮和滚动轴承各摩擦副都会产生摩擦，使摩擦副材料的磨粒发 生脱落而进入润滑油中。由于磨损的程度不同，进入润滑油的磨粒 的数量、大小和形状也是不同的，通过对油液中的化学元素进行成 分分析或对油液中磨粒的数量、大小和形状进行分析，可以监测和 诊断齿轮箱的故障。常用的油液分析方法有铁谱分析法和光谱分 析法。 （3）在相同的转速和负荷的情况下，对轴承座的温度进行监测 是状态监测和故障诊断的一种有效方法［6］。温度的变化反映了安 装在这个轴上的齿轮和滚动轴承的劣化和故障程度。但是此方法 的缺点是测点一定要在轴承座上或非常接近轴承座的位置，否则 故障的初期温度变化不灵敏。这就要求在轴承座上预先安装温度 传感器，这一点在很多场合无法实现。 3 结语 齿轮箱作为机械设备的重要结构部件，其故障诊断得到了广 泛的重视。齿轮箱故障诊断是一门建立在多学科基础上的交叉学 科，研究齿轮箱故障诊断技术是一项复杂的任务，要求在多方面用 新的眼光来洞察新情况、新问题，用创新的思维研究新规律，总结 新经验、新方法。齿轮箱故障诊断是一个复杂的系统工程，涉及学 科多、技术方法多，因此要对齿轮箱故障诊断进行深入研究，就要 加强齿轮箱振动机理的研究，进而建立完整的数学模型；研究有效 的齿轮箱诊断方法，并进行多方法融合诊断；构造专家知识库，进 行人工智能、模式识别和神经网络方面的探索。 ［参考文献］ ［1］丁康，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术［M］.北京：机械工 业出版社，2006 ［2］H.Optiz.Noise of Gears.Phil.Trans.Of RoyaSociety,1968 ［3］窦慧，原培新.故障诊断中的振动信号处理［M］.北京：冶金工业出 版，1989 ［4］罗维，朱小勇，等.提高扭转振动瞬态信号处理精度的方法研究 ［J］.振动工程学报，2000，13（2）：195～200 ［5］李臻，荆双喜，冷军发.油液分析技术在齿轮减速箱故障诊断中的 应用［J］.煤矿机电，2003（3） 收稿日期：2011-10-14 作者简介：杨佳鑫（1984—），男，河南焦作人，研究方向：机械故障 诊断。 图 1 专家系统的一般结构图 用户 用户 接口 推理机 知识库 外壳 工艺与技术◆Gongyi yu J ishu 134