CN102419255B - 一种变速箱的在线检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变速箱的在线检测装置及其检测方法，该技术利用压力传感器检测变速箱运行时齿轮啮合产生的应力波，对应力波信号处理后计算振动幅值和振动源位置判断，确定变速箱中的啮合异常的齿轮所处位置。本发明克服了人工判断变速箱工作状态的主观因素影响，可以在变速箱正常工作状态下进行变速箱齿轮啮合状况的在线检测，不影响变速箱的正常生产工作，根据计算机输出的数据列表可以准确判断变速箱齿轮啮合状况，并定位啮合异常的齿轮副；还可以对重要变速箱进行定期检测，通过历史数据监控变速箱的齿轮啮合状态发展过程。

Description

一种变速箱的在线检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种变速箱故障检测和分析的装置和方法，尤其涉及的是一种变速箱的在线检测装置及其检测方法。

背景技术

在工业生产领域的各种机械设备中，广泛使用变速箱进行扭矩和转速的变换。在生产过程中，变速箱质量的好坏只能由工人利用听针来判断，即使发现变速箱工作异常，一般很难具体判断是哪一对齿轮啮合出现了问题，特别是对于变速箱具有多级变速情况下更难判断。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种变速箱的在线检测装置及其检测方法，利用压力传感器检测变速箱运行时齿轮啮合产生的应力波，对应力波信号处理后计算振动幅值和振动源位置判断，确定变速箱中的啮合异常的齿轮所处位置。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括多个压力传感器、信号处理模块、接口模块和计算机；其特征在于，所述压力传感器分别设置在变速箱的各个中间轴的两端、输入轴和输出轴的箱体上，各个压力传感器分别与信号处理模块相连，信号处理模块和接口模块相连，接口模块和计算机相连。

所述信号处理模块包括多通道低通滤波器、多通道非线性放大器、多通道低幅滤波器和鉴相器；其中：多通道低通滤波器分别与各个压力传感器相连，多通道非线性放大器和多通道低通滤波器相连，多通道低幅滤波器和多通道非线性放大器相连，多通道非线性放大器分别与鉴相器和接口模块相连，鉴相器和接口模块相连；

所述多通道低通滤波器接受各个压力传感器检测到的应力波信号，将应力波信号低通滤波后输出到多通道非线性放大器上；

所述多通道非线性放大器将低通滤波后的信号按信号幅值进行非线性放大后输出到多通道低幅滤波器上；

所述多通道低幅滤波器对放大后的信号进行低幅截断，输出幅值较高的特征信号，并将处理后的变速箱的输入轴和输出轴上的信号输出到接口模块上，将处理后的变速箱的每一个中间轴两端的信号输出到同一个鉴相器上；

所述鉴相器将输入信号中相同的特征信号进行鉴相，将鉴相后的特征信号的幅值信号和相位差信号输出到接口模块上。

所述接口模块包括A/D转换电路和数据传输接口，A/D转换电路和数据传输接口相连，A/D转换电路分别与多通道低幅滤波器和鉴相器相连，数据传输接口和计算机相连。

一种变速箱的在线检测方法，包括以下步骤：

(1)检测变速箱中间轴两端、输入轴和输出轴的压力产生的应力波信号，

(2)将应力波信号进行低通滤波，将变速箱正常工作产生的高频次振荡信号过滤掉；

(3)对步骤(2)低通滤波后的信号按照信号幅值进行非线性放大，使应力波信号中高幅值信号与低幅值信号在幅值上差别更大；

(4)将步骤(3)产生的信号进行低幅截断，截除正常振动产生的低幅应力波信号和其他传动轴传递的应力波信号，输出表征变速箱运行状态的特征信号；

(5)将步骤(4)中处理后的变速箱输入轴和输出轴上的特征信号进行变速箱输入轴和输出轴齿轮啮合状况的分析；

将步骤(4)中处理后的变速箱中每个中间轴两端的特征信号进行鉴相，根据鉴相后的特征信号的幅值信号分析中间轴上齿轮的啮合质量，根据鉴相后的特征信号的相位差信号判断产生特征信号的信号源齿轮位置。

所述步骤(5)中变速箱输入轴和输出轴齿轮啮合状况的分析过程如下：

将变速箱的输入轴和输出轴的特征信号与低幅截断时截断阈值相除得到齿轮啮合质量系数；

当齿轮啮合质量系数小于或等于K₁时，齿轮啮合为正常状态；

当齿轮啮合质量系数大于K₁小于或等于K₂时，齿轮啮合处于临界运行状态；

当齿轮啮合质量系数大于K₂小于或等于K₃时，变速箱处于故障状态；

当齿轮啮合质量系数大于K₃时，齿轮啮合处于严重故障状态；

K₁、K₂、K₃为齿轮啮合状态的阈值参数。

所述步骤(5)中变速箱的各个中间轴上齿轮的啮合质量分析和判断产生特征信号的信号源齿轮位置的过程如下：

1)根据齿轮啮合质量系数判断齿轮啮合状态，如果所有的中间轴的齿轮啮合质量系数均小于等于K₁，不需要进行特征信号的信号源位置分析，否则进入步骤2)；

2)提取齿轮啮合质量系数大于K₁的特征信号的相位差信号，根据相位差确定特征信号的信号源位置：

a：当中间轴只有两个处于啮合状态的齿轮时，根据相位差的正负确定信号源的位置，相位差是正值，信号源位于中间轴上信号较强的一端；相位差是负值，信号源靠近中间轴上信号较弱的一端；

b：如果中间轴上有两个以上的处于啮合状态的齿轮，相位差与中间轴相对应的应力波的波速乘积的一半加上中间轴两端的压力传感器的距离的一半即为信号源的位置。

本发明的工作原理是：变速箱进入工作状态后，变速箱中各对齿轮相互啮合产生对传动轴的径向或轴向作用力，传动轴与变速箱箱体接触，传动轴上的径向或轴向作用力以应力波的形式传递给变速箱箱体，并被箱体上传动轴附近的压力传感器接收。同一传动轴上多对齿轮啮合时，每一对齿轮啮合都会在箱体上产生一系列具有特定特征的应力波，但由于齿轮在传动轴上与变速箱两侧箱体的距离不同，同一特征应力波在传动轴箱体两侧压力传感器中的信号会产生一个相位差，只要检测出相应特征信号的相位差就可以计算出特征信号发出的位置，即可确定是哪一对齿轮啮合产生的该特征信号。另外，应力波在箱体中传播时会随着传播距离的增加而呈指数量级衰减，因此每一个压力传感器中的信号较强的一般都是压力传感器附近最近的传动轴传递的应力波信号，计算机处理分析时可以将每一个传动轴附近的压力传感器的信号作为该传动轴上齿轮啮合情况的判别信号处理；根据各传动轴特征信号幅值和位置数据列表可以分析变速箱中各对齿轮啮合情况，判断齿轮啮合是否正常，以及哪一对齿轮出现啮合异常，进而采取进一步处理措施。

有益效果：本发明相对现有技术具有以下优点：本发明克服了人工判断变速箱工作状态的主观因素影响，可以在变速箱正常工作状态下进行变速箱齿轮啮合状况的在线检测，不影响变速箱的正常生产工作，根据计算机输出的数据列表可以准确判断变速箱齿轮啮合状况，并定位啮合异常的齿轮副；还可以对重要变速箱进行定期检测，通过历史数据监控变速箱的齿轮啮合状态发展过程。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例的变速箱3的输入端为圆锥齿轮副，输出端为圆柱齿轮副，具有两个中间轴。电机1通过联轴器2驱动变速箱3，变速箱3通过联轴器2带动设备4运动。

本实施例包括安装在变速箱3输入轴上的箱体上的第一压力传感器6、安装在变速箱3输出轴上的箱体上的第二压力传感器7、安装在第一中间轴两端的箱体上的第三压力传感器8和第四压力传感器9、安装在变速箱3第二中间轴两端的箱体上的第五压力传感器10和第六压力传感器11、信号处理模块13、接口模块14和计算机15；信号处理模块13包括多通道低通滤波器16、多通道非线性放大器17、多通道低幅滤波器18、第一鉴相器19和第二鉴相器20，本实施例的鉴相器有两个，鉴相器的数量和中间轴的数量相同。

第一压力传感器6、第二压力传感器7、第三压力传感器8、第四压力传感器9、第五压力传感器10和第六压力传感器11分别通过磁性底座12胶黏在变速箱3的箱体上各个传动轴附近的受压侧，六个压力传感器分别通过数据线5与多通道低通滤波器16相连，多通道非线性放大器17和多通道低通滤波器16相连，多通道低幅滤波器18和多通道非线性放大器17相连，多通道非线性放大器17分别与第一鉴相器19、第二鉴相器20和接口模块14相连，第一鉴相器19和第二鉴相器20分别与接口模块14相连。

工作时启动电机1，使变速箱3进入工作状态，变速箱3中输入端圆锥齿轮副啮合产生的振动波通过输入轴以应力波的方式传递给变速箱3的箱体，并由第一压力传感器6接收；第一中间轴上圆锥齿轮副和圆柱齿轮副啮合产生的振动波通过第一中间轴以应力波的方式传递给变速箱3的箱体，并由第一中间轴左端的第三压力传感器8和第一中间轴右端的第四压力传感器9接收，在第三压力传感器8和第四压力传感器9中相同特征信号具有一定相位差，根据相位差的大小和应力波的波速可以判断特征信号是由圆锥齿轮副还是圆柱齿轮副产生的；第二中间轴上两对圆柱齿轮副啮合产生的振动波通过第二中间轴以应力波的方式传递给变速箱3的箱体，并由第二中间轴左端的第五压力传感器10和第二中间轴右端的第六压力传感器11接收；输出轴上圆柱齿轮副啮合产生的振动波以应力波的形式传递给箱体，并被输出轴上的第二压力传感器7接收。

多通道低通滤波器16接受第一压力传感器6、第二压力传感器7、第三压力传感器8、第四压力传感器9、第五压力传感器10和第六压力传感器11检测到的应力波信号，将应力波信号进行低通滤波后输出到多通道非线性放大器17上，低通滤波可以过滤变速箱3正常工作产生的高频次振动信号，多通道低通滤波器16的截止频率的设置以变速箱3中转速最高的齿轮轴的转速与该齿轮轴上齿数最多的齿轮的齿数的乘积的2倍为上限，本实施例以转/秒为单位。

多通道非线性放大器17将低通滤波后的信号进行非线性放大，使应力波信号中高幅值信号与低幅值信号在幅值上差别变的更大，本实施例的多通道非线性放大器17采用自倍乘乘法电路，即输出信号的幅值为输入信号幅值的幂次方倍，本实施例中设定为2次方倍，如输入信号为U1，则输出信号为

其中sign(U₁)为符号函数；

多通道低幅滤波器18对放大后的信号进行低幅截断，截除正常振动产生的低幅应力波信号和其他传动轴传递的应力波信号，输出表征变速箱3运行状态的特征信号；多通道低幅滤波器18截断阈值的设定有两种方法，一种是根据经验数据进行设定，另一种是以变速箱3出厂状态或无故障正常运行状态(一般为大修后的状态)为参考状态，先将截断阈值设置为0，即多通道低幅滤波器18不对输入进行任何处理，直接将信号输出到后续装置并由计算机15进行分析处理，根据显示的特征信号最高幅值来确定多通道低幅滤波器18的截断阈值，本实施例以变速箱3参考状态时，多通道低幅滤波器18无截断情况下检测的特征信号最高幅值的0.9倍作为截断阈值；

多通道低幅滤波器18将处理后的第一压力传感器6和第二压力传感器7的特征信号输出到接口模块14上，将处理后的第三压力传感器8和第四压力传感器9的特征信号输出到第一鉴相器19上，将处理后的第五压力传感器10和第六压力传感器11的特征信号输出到第二鉴相器20上；

第一鉴相器19的输入信号为处理后的第三压力传感器8和第四压力传感器9的特征信号，第一鉴相器19对两个输入信号中相同的特征信号进行鉴相后，然后将鉴相后的特征信号的幅值信号和相位差信号输出到接口模块14上。

第二鉴相器20的输入信号为处理后的第五压力传感器10和第六压力传感器11的特征信号，第二鉴相器20对两个输入信号中相同的特征信号进行鉴相后，然后将鉴相后的特征信号的幅值信号和相位差信号输出到接口模块14上。

接口模块14包括A/D转换电路和数据传输接口，A/D转换电路和数据传输接口相连，A/D转换电路分别与多通道低幅滤波器18、第一鉴相器19和第二鉴相器20相连，数据传输接口和计算机15相连，A/D转换电路对输入的信号进行A/D转换后根据传输协议由数据传输接口输入到计算机15中。

一种变速箱的在线检测方法，包括以下步骤：

(1)检测变速箱3中间轴两端、输入轴和输出轴的压力产生的应力波信号，

(2)将应力波信号进行低通滤波，将变速箱3正常工作产生的高频次振荡信号过滤掉；

(3)对步骤(2)产生的信号按照信号幅值的进行非线性放大，使信号中高幅值信号和低幅值信号在幅值上差别变大；

(4)对放大后的信号进行低幅截断，截除正常振动产生的低幅应力波信号和其他传动轴传递的应力波信号，输出表征变速箱3运行状态的特征信号；

(5)将步骤(4)中处理后的变速箱3输入轴和输出轴上的特征信号进行变速箱3输入轴和输出轴齿轮啮合状况的分析；

将步骤(4)中处理后的变速箱3中每个中间轴两端的特征信号进行鉴相，根据鉴相后的特征信号的幅值信号分析中间轴上齿轮的啮合质量，根据鉴相后的特征信号的相位差信号判断产生特征信号的齿轮位置。

计算机15根据处理后的变速箱3输入轴、输出轴的应力波的特征信号分析变速箱3输入轴、输出轴齿轮啮合状况；根据第三压力传感器8和第四压力传感器9的应力波特征信号的幅值分析第一中间轴上两对齿轮的啮合质量，并根据相位差信号判断特征信号是由哪一对齿轮产生的；根据第五压力传感器10和第六压力传感器11的特征应力波幅值信号分析第二中间轴上两对齿轮的啮合质量，并根据相位差信号判断特征信号是由哪一对齿轮产生的。

具体分析过程如下：

1)输入输出轴齿轮啮合质量分析：由于输入轴和输出轴一般只有一对齿轮，因此不需要进行特征信号定位分析，只进行齿轮啮合质量分析；将变速箱3的输入轴和输出轴的特征信号与多通道低幅滤波器18的截断阈值相除得到反映齿轮啮合质量的无量纲比例系数：齿轮啮合质量系数。

当齿轮啮合质量系数小于或等于K₁时，齿轮啮合为正常状态；当齿轮啮合质量系数大于K₁小于或等于K₂时，齿轮啮合处于临界运行状态，应加强变速箱3运行状态的监控；当齿轮啮合质量系数大于K₂小于或等于K₃时，变速箱3处于故障状态，应尽快进行输入轴(或输出轴)齿轮检修；当齿轮啮合质量系数大于K₃时，齿轮啮合处于严重故障状态，应立即停机检修。K₁、K₂、K₃为齿轮啮合状态的阈值参数，根据变速箱3实际工作环境可有多种选择，本实施例为：

K₁＝1.3、K₂＝1.6、K₃＝1.8；

上述齿轮啮合状态阈值参数的确定方法具体如下：以一台质量正常的变速箱作为样机，检测其噪声强度，并以其噪声强度的最大幅值作为参考值，待测变速箱的噪声强度与参考值比较，待测变速箱的噪声虽然超出设定值但小于一定范畴如小于K₁倍时仍可认定为正常；如果待测变速箱的噪声超过参考值较多，如大于参考值K₁倍但小于K₂倍，这种情况下齿轮啮合处于临界运行状态，通过降低变速箱的传递功率可以使噪声降低，因此可以作为较低功率要求的变速箱使用，同时应加强变速箱运行状态的监控；

在一台故障变速箱上人为的设置变速箱的一些典型缺陷，然后检测有这些缺陷时变速箱的噪声值，并与参考值比较得到阈值参数K₂；K₂值的确定是以人为设置的一系列缺陷中的噪声幅值的最小值与参考值相除得到K₂。

检测一台故障严重的变速箱上的噪声值，并与参考值相除得到阈值参数K₃，当待测变速箱的噪声值在参考值的K₂倍和K₃倍之间时，变速箱3处于故障状态，应尽快进行输入轴(或输出轴)齿轮检修；当待测变速箱的噪声值大于参考值的K₃倍时，齿轮啮合处于严重故障状态，应立即停机检修。

如果只有一台待测的变速箱，也可以根据使用者的经验数据确定K₁、K₂和K₃

2)变速箱3中间轴齿轮啮合质量分析：将中间轴的特征信号与多通道低幅滤波器18的截断阈值相除得到反映齿轮啮合质量的无量纲比例系数：齿轮啮合质量系数，根据齿轮啮合质量系数判断齿轮啮合状态，具体判断方法与步骤1)相同。如果所有中间轴的齿轮啮合质量系数均小于等于K₁，说明齿轮啮合正常，不需要进行下一步的特征信号定位分析，否则须对齿轮啮合质量系数大于K₁的特征信号进行特征信号定位分析；

3)对齿轮啮合质量系数大于K₁的特征信号进行特征信号定位分析具体如下：提取齿轮啮合质量系数大于K₁的特征信号的相位差信号，确定特征信号的信号源位置；固体材料中弹性波速，即本实施例中的应力波速，在温度变化不大时基本恒定，因此相位差即表示应力波信号从信号源处到达中间轴两端的压力传感器处的时间差，根据相位差即可确定信号源位置；

a：当中间轴只有两个处于啮合状态的齿轮时，根据相位差的正负确定信号源的位置，以图1中下方的第二中间轴为例，如果第五压力传感器10和第六压力传感器11检测到的信号相位差为正，即第五压力传感器10的信号超前于第六压力传感器11的信号，说明应力波信号先到达第五压力传感器10，即可判断信号源为第二中间轴左侧的齿轮；如果相位差为负，则信号源为第二中间轴右侧的齿轮；

b：如果中间轴上有两个以上的处于啮合状态的齿轮，相位差与中间轴材料相对应的弹性波速乘积的二分之一加上中间轴两侧传感器距离的一半即为信号源的位置。

4)通过计算机15的软件将输出特征信号幅值、相位差、齿轮啮合质量系数、信号源位置进行列表，供变速箱3维护、检修参考。

Claims (5)

1.一种变速箱的在线检测装置，包括多个压力传感器、信号处理模块（13）、接口模块（14）和计算机（15）；其特征在于，所述压力传感器分别设置在变速箱（3）的各个中间轴的两端、输入轴和输出轴的箱体上，各个压力传感器分别与信号处理模块（13）相连，信号处理模块（13）和接口模块（14）相连，接口模块（14）和计算机（15）相连；

所述信号处理模块（13）包括多通道低通滤波器（16）、多通道非线性放大器（17）、多通道低幅滤波器（18）和鉴相器；其中：多通道低通滤波器（16）分别与各个压力传感器相连，多通道非线性放大器（17）和多通道低通滤波器（16）相连，多通道低幅滤波器（18）和多通道非线性放大器（17）相连，多通道非线性放大器（17）分别与鉴相器和接口模块（14）相连，鉴相器和接口模块（14）相连；

所述多通道低通滤波器（16）接受各个压力传感器检测到的应力波信号，将应力波信号低通滤波后输出到多通道非线性放大器（17）上；

所述多通道非线性放大器（17）将低通滤波后的信号按信号幅值进行非线性放大后输出到多通道低幅滤波器（18）上；

所述多通道低幅滤波器（18）对放大后的信号进行低幅截断，输出幅值较高的特征信号，并将处理后的变速箱（3）的输入轴和输出轴上的信号输出到接口模块（14）上，将处理后的变速箱（3）的每一个中间轴两端的信号输出到同一个鉴相器上；

所述鉴相器将输入信号中相同的特征信号进行鉴相，将鉴相后的特征信号的幅值信号和相位差信号输出到接口模块（14）上。

2.根据权利要求1所述的变速箱的在线检测装置，其特征在于：所述接口模块（14）包括A/D转换电路和数据传输接口，A/D转换电路和数据传输接口相连，A/D转换电路分别与多通道低幅滤波器（18）和鉴相器相连，数据传输接口和计算机（15）相连。

3.一种变速箱的在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）检测变速箱（3）中间轴两端、输入轴和输出轴的压力产生的应力波信号；

（2）将应力波信号进行低通滤波，将变速箱（3）正常工作产生的高频次振荡信号过滤掉；

（3）对步骤（2）低通滤波后的信号按照信号幅值进行非线性放大，使应力波信号中高幅值信号与低幅值信号在幅值上差别变大；

（4）将步骤（3）产生的信号进行低幅截断，截除正常振动产生的低幅应力波信号和其他传动轴传递的应力波信号，输出表征变速箱（3）运行状态的特征信号；

（5）将步骤（4）中处理后的变速箱（3）输入轴和输出轴上的特征信号进行变速箱（3）输入轴和输出轴齿轮啮合状况的分析；

将步骤（4）中处理后的变速箱（3）中每个中间轴两端的特征信号进行鉴相，根据鉴相后的特征信号的幅值信号分析中间轴上齿轮的啮合质量，根据鉴相后的特征信号的相位差信号判断产生特征信号的信号源齿轮位置。

4.根据权利要求3所述的一种变速箱的在线检测方法，其特征在于，所述步骤（5）中变速箱（3）输入轴和输出轴齿轮啮合状况的分析过程如下：

将变速箱（3）的输入轴和输出轴的特征信号与多通道低幅滤波器（18）低幅截断时截断阈值相除得到齿轮啮合质量系数；

当齿轮啮合质量系数小于或等于K₁时，齿轮啮合为正常状态；

当齿轮啮合质量系数大于K₁小于或等于K₂时，齿轮啮合处于临界运行状态；

当齿轮啮合质量系数大于K₂小于或等于K₃时，变速箱（3）处于故障状态；

当齿轮啮合质量系数大于K₃时，齿轮啮合处于严重故障状态；

K₁、K₂、K₃为齿轮啮合状态的阈值参数。

5.根据权利要求4所述的一种变速箱的在线检测方法，其特征在于，所述步骤（5）中变速箱（3）的各个中间轴上齿轮的啮合质量分析和判断产生特征信号的信号源齿轮位置的过程如下：

1）根据齿轮啮合质量系数判断齿轮啮合状态，如果所有的中间轴的齿轮啮合质量系数均小于等于K₁，不需要进行特征信号的信号源位置分析，否则进入步骤2）；

2）提取齿轮啮合质量系数大于K₁的特征信号的相位差信号，根据相位差确定特征信号的信号源位置：

a：当中间轴只有两个处于啮合状态的齿轮时，根据相位差的正负确定信号源的位置，相位差是正值，信号源位于中间轴上信号较强的一端；相位差是负值，信号源靠近中间轴上信号较弱的一端；

b：如果中间轴上有两个以上的处于啮合状态的齿轮，相位差与中间轴相对应的应力波的波速乘积的一半加上中间轴两端的压力传感器的距离的一半即为信号源的位置。

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