CN103712794B - 齿轮传动系统冲击振动能量传递损耗率检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轮传动系统各界面上冲击振动能量传递损耗率检测系统及方法，属于齿轮传动系统故障检测领域。该系统包括“齿轮-轴-轴承”系统固定装置、冲击振动触发装置和振动能量检测装置三个部分，系统固定装置和振动发生装置固定于同一隔震平台上，通过振动能量检测装置的加速度传感器检测“齿轮-轴-轴承”系统及摆锤和轴承座各测点处的加速度信号，再经振动能量检测装置的振动测量仪得到各测点上的振动峰值能量，再由PC机计算得出各连接界面的冲击振动能量传递损耗率。本发明的检测系统及方法，可以有效地解决齿轮传动系统各界面的冲击振动能量传递损耗率计算问题，为齿轮箱内部早期微弱故障信号诊断提供了参考依据。

Description

齿轮传动系统冲击振动能量传递损耗率检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种冲击振动能量传递损耗率检测系统，具体涉及一种齿轮传动系统冲击振动能量传递损耗率检测系统及方法。

背景技术

目前，对齿轮箱内部齿轮传动系统冲击振动故障的诊断，主要是通过在箱体表面提取特征信号，然后运用不同方法(如小波变换、神经网络分析、峰值能量法等)对信号进行分析处理，再结合仿真模拟和理论分析，反推内部故障的部位和损伤程度。

近年来，用于轴承故障诊断的峰值能量技术在许多工业领域已经得到成功应用，峰值能量测量能提供某些机械故障的早期预测。

通过阅读文献可知，与齿轮传动的常规振动相比较，齿轮早期故障所引起的振动激励非常微弱，振动响应的传递路径很复杂，振动信号所包含的信息丰富、频率成分复杂，有用的故障信息往往被淹没在其它频率成分和测量噪声之中。此外，对于具体箱体内部冲击振动时峰值能量在各零部件连接界面间的传递损耗率及其随输入变化的规律还未探知。由于上述原因导致对齿轮传动早期故障的定位和损伤程度估计困难。

发明内容

本发明旨在解决现有技术所存在的上述不足，特别创新地提出了一种可对齿轮传动系统冲击振动时峰值能量在各零部件连接界面间的传递损耗率进行测算的系统及方法，结合齿轮传动系统输入输出端峰值能量的变化，可用来定位齿轮传动系统早期故障和估计其损伤程度。

本发明为实现上述目的，提供了一种齿轮传动系统冲击振动能量传递损耗率检测系统，包括“齿轮-轴-轴承”系统固定装置、冲击振动触发装置和振动能量检测装置三个部分。“齿轮-轴-轴承”系统固定装置由底座和箱体式轴承座构成，箱体式轴承座通过螺钉固定于底座上，被测“齿轮-轴-轴承”系统通过轴承外圈与箱体式轴承座过盈配合连接。

冲击振动触发装置，由一龙门支架和一摆锤指针机构组成。摆锤指针机构的基部通过一轴承与龙门支架的横杆过盈配合连接，摆锤可在一个与龙门支架横杆垂直的平面内摆动。

振动能量检测系统，其包括一信号调理仪、一振动测量仪和四个压电式加速度传感器。

所述箱体式轴承座内可拆卸式的装入对应尺寸的被测轴承及其相连轴和齿轮，轴承座底面通过螺钉紧固于底座上。

所述摆动指示机构包括一龙门支架，龙门支架横杆两端通过双头螺栓与竖直支架连接，可实现横向移动调节；下端通过螺钉紧固链接到底座上。

所述摆动指示机构包括一量角器，量角器圆心钻有与龙门支架横杆同直径的通孔，所述龙门支架横杆穿过量角器通孔，量角器上钻有一辅助定位小孔。

所述摆动指示机构包括一定位圈，定位圈内径与所述龙门支架横杆直径相同，所述龙门支架横杆穿过定位圈内圈，通过过盈配合连接，定位圈上钻有一辅助定位的螺纹孔，与所述量角器上辅助定位孔通过一螺钉连接固定。

所述摆动指示机构包括一轴承，轴承内径与所述龙门支架横杆直径相同，所述龙门支架横杆穿过轴承内圈，通过过盈配合连接。

所述摆动指示机构包括一套圈，套圈内圈与所述轴承外圈通过过盈配合连接，套圈上方连有一垂直指向量角器刻度线平面的T型指针，下方与摆锤连接。

所述摆锤可绕所述龙门支架横杆摆动，且摆锤锤尖摆动弧线与被测齿轮分度圆相切。

所述4个压电式加速度传感器磁铁吸附式安装于摆锤、轴承座及被测轴和齿轮上，所述加速度传感器提取的信号经过信号调理仪到达振动测量仪。

本发明还提供了一种齿轮传动系统冲击振动能量传递损耗率检测方法，包括“齿轮-轴-轴承”系统固定装置、冲击振动触发装置和振动能量检测装置，其特征在于包括以下步骤：

S1.将被测箱体内部齿轮及其相连轴和轴承装入一对应尺寸的固定装置——箱体式轴承座上，将振动能量检测装置的4个压电式加速度传感器分别安装于齿轮、轴、轴承、及摆锤和轴承座各测点处，传感器检测信号输出端分别接入信号调理仪的四个输入信道，对应输出端分别接入振动测量仪的四个输入通道；

S2.转动调节齿轮及摆锤指针机构的摆锤锤尖，使摆锤锤尖能够与齿轮齿面的节圆附近部分有接触，接通各用电仪器电源，并开启仪器，设置各仪器的相关参数，预热几分钟后选择开始记录数据，拉起摆动指示机构的摆锤到一所需摆速对应的高度后松开，使其垂头撞击齿轮齿面，产生冲击振动能量信号，待信号衰减趋于稳定后选择停止记录；

S3.调整以保持齿轮、各传感器和摆锤初始摆角不变，多次重复测量同一能量激励下各界面两端的振动峰值能量，改变输入摆角，多次重复测量不同能量激励下各界面两端的振动峰值能量，导出振动测量仪记录数据至PC机，对重复测量的各组数据剔除部分偏离较大的测量值后取平均值，然后代入界面振动能量传递损耗率计算公式，计算得到各界面在不同输入能量峰值下对应的能量传递损耗率；

所述“齿轮-轴-轴承”系统固定装置包含多种不同型号的箱体式轴承座；

所述摆锤指针机构的摆锤锤尖运动半径可根据齿轮节圆半径的改变而调节；

所述的多次重复测量取平均值计算公式为：其中表示初始摆角，m表示测点，gSE_n表示初始摆角为时m测点上的峰值能量，n表示有效测量次数；

界面的振动能量传递损耗率计算公式为：其中x表示界面类型，表示x界面输出端的平均峰值能量，表示x界面输入端的平均峰值能量。

本发明通过针对不同型号轴承，设计对应型号箱体式轴承座，借助摆锤，对箱体内部传动齿轮、轴及轴承多界面组合部件进行冲击振动实况模拟，提取并测算出各测点上振动峰值能量，再经过计算，实现了不同激励能量下各接触界面上的能量传递损耗率及其随输入能量变化规律的测算，再结合齿轮传动系统输入输出端峰值能量的变化，可用来定位齿轮传动系统早期故障和估计其损伤程度。为齿轮箱内部故障诊断提供辅助途径。

本发明可广泛适用于箱体类机械内部齿轮传动系统各界面上冲击振动能量传递损耗率测算，为箱体类机械内部齿轮传动系统故障诊断提供了辅助途径。

附图说明

图1为本发明检测系统结构示意图；

图2为本发明实施例中传感器测点布置示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例提供了一种齿轮传动系统冲击振动能量传递损耗率检测系统，其包括一振动测量仪、一信号调理仪、若干个压电式加速度传感器、一底座1，底座1上固定一箱体式轴承座12、一摆动指示机构。

所述箱体式轴承座12内可拆卸式的装入对应尺寸的被测轴承11及其相连轴10和齿轮9，箱体式轴承座12底面通过螺钉紧固于底座1上。

所述摆动指示机构包括一龙门支架2，一摆锤3，一定位圈4，一量角器5，一T型指针6，一套圈7，一轴承8，其中龙门支架2的横杆两端通过双头螺栓与竖直支架连接，可实现横向移动调节；下端通过螺钉紧固链接到底座1上。

所述量角器5圆心钻有与龙门支架2横杆同直径的通孔，所述龙门支架2横杆穿过量角器5的通孔，量角器5上钻有一辅助定位孔。

所述定位圈4内径与所述龙门支架2横杆直径相同，所述龙门支架2横杆穿过定位圈4内圈，通过过盈配合连接，定位圈4上钻有一辅助定位的螺纹孔，与所述量角器5上辅助定位孔通过一螺钉连接固定。

所述轴承8内径与所述龙门支架2横杆直径相同，所述龙门支架2横杆穿过轴承8内圈，通过过盈配合连接。

所述套圈7内圈与所述轴承8外圈通过过盈配合连接，套圈7上方与一垂直指向量角器5刻度线平面的T型指针6相连，下方与摆锤3相连。

所述摆锤3可绕所述龙门支架2横杆摆动，且摆锤3锤尖摆动弧线与被测齿轮9分度圆相切。

所述4个压电式加速度传感器D1，D2，D3，D4磁铁吸附式安装在摆锤3、被测齿轮9及其相连轴10和箱体式轴承座12上，所述压电式加速度传感器提取的信号经过信号调理仪到达振动测量仪。

本发明使用时，首先将摆锤3的锤尖对准齿轮9的齿面，然后将摆锤3拉起到某一指定角度，通过T型指针6和量角器5读取角度示数，再将摆锤3松开，任其绕龙门支架2的横杆摆动至撞击齿轮9反弹，然后抓住摆锤3，通过若干个加速度传感器提取整个撞击过程中摆锤3、齿轮9、轴10和轴承座12上的振动信号，信号通过信号调理仪调理后到达振动测量仪，通过振动测量仪分析处理得到被测齿轮9、轴10、轴承座12和摆锤3上冲击振动瞬间的峰值能量，再将测量数据导入到PC机上进行处理计算，进而计算得到各接触界面上峰值能量的传递损耗率。

本发明还提供了一种齿轮传动系统冲击振动能量传递损耗率检测方法，包括“齿轮-轴-轴承”系统固定装置、冲击振动触发装置和振动能量检测装置，其特征在于包括以下步骤：

S1.将被测齿轮及其相连轴和轴承装入一对应尺寸的固定装置——箱体式轴承座上，将振动能量检测装置的4个压电式加速度传感器分别安装于齿轮、轴、及摆锤和轴承座各测点处，传感器检测信号输出端分别接入信号调理仪的四个输入信道，对应输出端分别接入振动测量仪的四个输入通道；

S2.转动调节齿轮及摆锤指针机构的摆锤锤尖，使摆锤锤尖能够与齿轮齿面的分度圆附近部分有接触，接通各用电仪器电源，并开启仪器，设置各仪器的相关参数，预热几分钟后选择开始记录数据，拉起摆动指示机构的摆锤到一所需摆速对应的高度后松开，使其垂头撞击齿轮齿面，产生冲击振动能量信号，待信号衰减趋于稳定后选择停止记录；

S3.调整以保持齿轮、各传感器和摆锤初始摆角位置不变，多次重复测量同一能量激励下各界面两端的振动峰值能量，改变输入摆角，多次重复测量不同能量激励下各界面两端的振动峰值能量，导出振动测量仪记录数据至PC机，对重复测量的各组数据剔除部分偏离较大的测量值后取平均值，然后代入界面振动能量传递损耗率计算公式，计算得到各界面在不同输入能量峰值下对应的能量传递损耗率；

根据所述的“齿轮-轴-轴承”系统固定装置，包含多种不同型号的箱体式轴承座。

摆锤指针机构，其特征在于所述摆锤指针机构的摆锤锤尖运动半径可根据齿轮节圆半径的改变而调节；

多次重复测量取平均值计算公式为：其中表示初始摆角，m表示测点，gSE_n表示初始摆角为时m测点上的峰值能量，n表示有效测量次数；

界面的振动能量传递损耗率计算公式为：其中x表示界面类型，表示x界面输出端的平均峰值能量，表示x界面输入端的平均峰值能量。

本发明通过针对不同型号轴承，设计对应型号箱体式轴承座，借助摆锤，对箱体内部传动齿轮、轴及轴承多界面组合部件进行冲击振动实况模拟，提取并测算出各测点上振动峰值能量，再经过计算，实现了不同激励能量下各接触界面上的能量传递损耗率及其随输入能量变化规律的测算，再结合齿轮传动系统输入输出端峰值能量的变化，可用来定位齿轮传动系统早期故障和估计其损伤程度。为齿轮箱内部故障诊断提供辅助途径。

本发明可广泛适用于箱体类机械内部齿轮传动系统各界面上冲击振动能量传递损耗率测算，为箱体类机械内部齿轮传动系统故障诊断提供了辅助途径。

在其他实施例中，摆锤的撞击可采用手持力锤敲击齿轮，轴承座可以改变尺寸规格，以适用于不同直径的轴承及其相连的轴和齿轮系统。

本发明可广泛适用于箱体类机械内部传动零件上冲击振动能量传递损耗率测算，为箱体类机械内部零部件故障诊断提供参考依据。

本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似的方法，而得到的其他冲击振动能量传递损耗率测试方法，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种齿轮传动系统冲击振动能量传递损耗率检测系统，其特征是底座、信号调理仪、振动测量仪和4个压电式加速度传感器，底座上固定箱体式轴承座、摆动指示机构；

摆动指示机构包括

龙门支架，龙门支架横杆两端通过双头螺栓与竖直支架连接；下端通过螺钉紧固链接到底座上；

量角器，其圆心钻有与龙门支架横杆同直径的通孔，所述龙门支架横杆穿过量角器通孔，

定位圈，其内径与所述龙门支架横杆直径相同，所述龙门支架横杆穿过定位圈内圈，通过过盈配合连接；

轴承，其内径与所述龙门支架横杆直径相同，所述龙门支架横杆穿过轴承内圈，通过过盈配合连接；

套圈，其内圈与所述轴承外圈通过过盈配合连接，套圈上方连有一垂直指向量角器刻度线平面的T型指针，下方与摆锤连接；

所述各个压电式加速度传感器磁铁吸附式分别安装于摆锤、箱体式轴承座及被测轴和齿轮上，所述压电式加速度传感器提取的信号经过信号调理仪到达振动测量仪；

所述的箱体式轴承座内可拆卸式的装入对应尺寸的被测轴承及其相连轴和齿轮，轴承座底面通过螺钉紧固于底座上；

所述量角器上还钻有一辅助定位孔。

2.根据权利要求1所述的齿轮传动系统冲击振动能量传递损耗率检测系统，其特征在于，所述的定位圈上还钻有一辅助定位的螺纹孔，与所述量角器上辅助定位孔通过一螺钉连接固定。

3.根据权利要求1所述的齿轮传动系统冲击振动能量传递损耗率检测系统，其特征在于，所述的摆锤可绕所述龙门支架横杆摆动，且摆锤锤尖摆动弧线与被测齿轮分度圆相切。

4.一种齿轮传动系统冲击振动能量传递损耗率检测方法，包括“齿轮-轴-轴承”系统固定装置、冲击振动触发装置和振动能量检测装置，其特征在于包括以下步骤：

S1.将被测齿轮及其相连轴和轴承装入箱体式轴承座内，将振动能量检测装置的4个压电式加速度传感器分别安装于齿轮、轴、轴承、及摆锤和轴承座各测点处，传感器检测信号输出端分别接入信号调理仪的四个输入信道，对应输出端分别接入振动测量仪的四个输入通道；

S2.转动调节齿轮及摆锤指针机构的摆锤锤尖，使摆锤锤尖能够与齿轮齿面的分度圆附近部分有接触，接通各用电仪器电源，并开启仪器，设置各仪器的相关参数，预热几分钟后选择开始记录数据，拉起摆动指示机构的摆锤到一所需摆速对应的高度后松开，使其垂头撞击齿轮齿面，产生冲击振动能量信号，待信号衰减趋于稳定后选择停止记录；

S3.调整以保持齿轮、各传感器和摆锤初始摆角位置不变，多次重复测量同一能量激励下各界面两端的振动峰值能量，改变输入摆角，多次重复测量不同能量激励下各界面两端的振动峰值能量，导出振动测量仪记录数据至PC机，对重复测量的各组数据剔除部分偏离较大的测量值后取平均值，然后代入界面振动能量传递损耗率计算公式，计算得到各界面在不同输入能量峰值下对应的能量传递损耗率；

所述的平均值计算公式为：其中表示初始摆角，m表示测点，gSE_n表示初始摆角为时m测点上的峰值能量，n表示有效测量次数；

所述的界面的振动能量传递损耗率计算公式为：其中x表示界面类型，表示x界面输出端的平均峰值能量，表示x界面输入端的平均峰值能量。

5.根据权利要求4所述的齿轮传动系统冲击振动能量传递损耗率检测方法，其特征在于所述摆锤指针机构的摆锤锤尖运动半径可根据齿轮节圆半径的改变而调节。