基于虚拟仪器的齿轮箱状态监测及其离线分析系统研究

摘要

齿轮箱作为机械设备中用于连接和传递动力的一种比较常见的通用化零部件，目前已经被广泛运用于各行各业，同时它也是石油、冶金、化工、风机、航空等行业机械设备的关键部件。随着计算机技术的积极发展，越来越多的工业生产将与其有机结合起来，利用计算机虚拟仪器的自定义软件编程机制，将齿轮箱状态监测及故障诊断的理论技术知识与之相结合，充分发挥各自的优点和长处，具有非常重大的工程应用价值。因此，大力推进和发展基于虚拟仪器的齿轮箱状态监测及其离线分析系统这一研究课题刻不容缓。本文的主要研究内容有: 1)针对齿轮箱振动信号中存在着大量的噪声信号干扰问题，本文详细介绍了振动信号的时域预处理方法、降噪方法以及分析方法的基本原理，其中振动信号的降噪方法主要包括:FFT强制降噪法、自相关降噪法、对高频系数置零的小波强制降噪法以及小波阀值降噪法;振动信号分析方法主要包括:时域分析法、频域分析法以及时频联合分析法;最后采用上述四种降噪方法在低信噪比和高信噪比条件下进行了仿真信号实验对比分析，总结了不同降噪方法的使用场合和适应条件。 2)比较齿轮箱试验台的几种基本结构，搭建了功率开放式结构齿轮箱状态监测试验台，设计了温度测试方案、箱体振动测试方案，轴振动测试方案以及转速转矩测试方案，完成了各种测试方案的硬件选型及测点布置;设计了测试系统的电气控制电路，并以电器控制柜的形式将其集中起来，保证了齿轮箱运转过程中的运行和使用安全;齿轮箱测试平台的搭建为其状态监测及其离线分析系统的研究奠定了基础。 3)利用LabVIEW与MATLAB的混合编程方法实现了齿轮箱状态监测与离线分析系统的软件设计，状态监测系统设计了温度与转速转矩监测系统、箱体振动监测系统、轴振动监测系统以及数据存储系统;离线分析系统是针对振动信号进行设计的，主要包括特征频率计算模块、时域分析模块、FFT分析模块、倒频谱分析模块、细化谱分析模块、时延相关解调法分析模块、小波分解包络谱分析模块、噪声源分析模块以及时频联合分析模块。 4)基于齿轮箱状态监测试验台，利用设计的软件系统对齿轮箱的当前运转状态和历史运转状态分别进行了在线实时监测和离线后续分析，设计了空载试验和加载试验，通过两种试验方式对齿轮箱的16路信号进行了在线监测和数据保存。结果表明，在规定范围内状态监测试验的各个指标参数基本上没有超过标准值;对保存的试验数据进行了离线分析，能初步预判齿轮箱的故障类型。最后选用了美国西储大学轴承数据中心的故障数据验证了离线分析系统对轴承故障分析的有效性。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题研究背景与意义

1．2齿轮箱监测平台与信号处理的研究现状

1．2．1齿轮箱状态监测试验台的研究现状

1．2．2齿轮箱振动信号分析方法的研究现状

1．2．3齿轮箱振动信号降噪方法的研究现状

1．3齿轮箱故障类型及信号特征

1．4课题目的及主要研究内容

第二章振动信号的降噪方法与分析方法

2．1时域预处理

2．2振动信号降噪方法

2．2．1 FFT强制降噪法

2．2．2自相关降噪法

2．2．3小波强制降噪法

2．2．4小波阀值降噪法

2．3振动信号分析方法

2．3．1时域分析法

2．3．2频域分析法

2．3．2时频联合分析法

2．4不同降噪方法的仿真实验对比

2．4．1信号降噪性能的评价指标

2．4．2仿真信号的确定

2．4．3不同降噪方法的仿真实验对比

2．5本章小节

第三章齿轮箱状态监测试验台

3．1齿轮箱试验台的结构对比

3．2齿轮箱试验台的总体方案设计

3．3齿轮箱的基本结构

3．4驱动设备

3．5加载设备

3．6齿轮箱试验台测试方案设计

3．6．2箱体振动测试方案设计

3．6．3轴振动测试方案设计

3．6．4转速转矩测试方案设计

3．6．5数据采集卡

3．6．6测试系统的硬件总体结构

3．7电器控制柜

3．8本章小节

第四章状态监测与离线分析系统软件设计

4．1软件系统总体方案设计

4．2状态监测系统

4．2．1生产者与消费者结构

4．2．2温度与转速转矩信号监测

4．2．3箱体振动信号监测

4．2．4轴振动信号监测

4．2．5数据存储

4．3离线分析系统

4．3．1振动信号降噪模块

4．3．2振动信号分析模块

4．4本章小节

第五章系统验证

5．1齿轮箱运转试验

5．1．1空载试验

5．1．2加载试验

5．3离线分析系统应用实例

5．3．1案例分析一

5．3．2案例分析二

5．5本章小节

第六章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的学术成果