CN106769025A - 一种齿轮故障诊断系统及齿轮故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种齿轮故障诊断系统，第一转速检测器设置于齿轮箱输入轴，第二转速检测器设置于齿轮箱输出轴，数据采集卡采集存储转速信号，转速信号通过数据采集卡传递给数据处理器，数据处理器根据转速信号分别计算输入轴转角和输出轴转角，并通过输入轴转角和输出轴转角计算得到动态传递误差；数据分析器得到数据处理器的动态传递误差，对动态传递误差进行时域和频域分析，从而得到故障信息。相对于传统的振动测量方式，其结果更为直接，直接反映输入轴与输出轴的工作状态，测量分析结果更为准确。本发明还公开一种齿轮故障诊断方法，该方法以输入轴转角与输出轴转角为依据，计算得到动态传递误差，减少中间传递过程形成的干扰。

Description

一种齿轮故障诊断系统及齿轮故障诊断方法

技术领域

本发明涉及机械故障诊断技术领域，更进一步地涉及一种齿轮故障诊断系统。此外，本发明还涉及一种齿轮故障诊断方法。

背景技术

齿轮上各类机械系统中使用最为广泛的动力和运动传动部件，是旋转机械系统振动与噪声的主要来源之一。齿轮长期工作在高速、高负荷、高冲击的环境下，容易产生磨损、胶合、裂纹等故障，加剧机械系统的振动与噪音，可能进一步诱发断齿等严重故障。因此精确地进行齿轮故障诊断具有重要意义。

齿轮故障诊断是以信号分析为基础的，受到传递过程与噪声的影响，一般情况下直接观察信号很难得到全面的故障特征，除此之外，信号特征并非直接描述故障的直接物理量，与故障本身存在复杂的映射关系，需要经过一系列的分析过程和识别方法才能得到故障的类型与程度。

信息在传递的过程中只会减少不会增加，因此原始信号所包含的故障信息量的多少对于故障诊断具有决定性的作用，即信号质量是整个诊断工作的基础。现有齿轮故障诊断方法是在齿轮箱上选定振动测点，对测点的振动信号进行解调分析，以判断故障发生的类型与程度，振动测点的选择多以经验为主，一般选择轴承座附近，振动信号经过齿轮、轴、轴承传递到轴承座。

由于结构、材料、刚度、力学性能各不相同，不同的齿轮传动系统的振动信号传递特性也截然不同，有些齿轮传递系统，例如汽车变速器为减少并控制振动的传递采用悬置支承，还有些齿轮传动系统受结构和空间的限制，振动测点无法布置在轴承座上，基于振动测点振动信号的测量和分析受很多不可控因素的影响，给齿轮系统故障的快速和准确诊断带来困难。

另外，基于振动点测量的振动信号是位移信号，齿轮系统是旋转运动系统，产生的是转角信号，齿轮的转动信号传递到振动点形成位移信号，中间会混入很多不必要的干扰，中间传递环节越多，干扰因素就越大，因此振动点测量的方式会出现更多的噪音。

对于本领域的技术人员来说，如何设计一种直接测量齿轮运动信号的故障诊断系统，达到快速准确分析齿轮故障问题的效果，是目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种齿轮故障诊断系统及齿轮故障诊断方法，直接测量齿轮运动信号的故障诊断系统，达到快速准确分析齿轮故障问题的效果，具体方案如下：

一种齿轮故障诊断系统，包括：

信号采集模块，包括设置于齿轮箱输入轴上的第一转速检测器、设置于齿轮箱输出轴上的第二转速检测器、用于采集和存储所述第一转速检测器和所述第二转速检测器转速信号的数据采集卡；

数据处理器，信号连接所述数据采集卡，根据所述转速信号分别计算输入轴转角和输出轴转角，并计算得到动态传递误差；

数据分析器，信号连接所述数据处理器，对所述动态传递误差进行时域和频域分析，得到故障信息。

可选地，所述第一转速检测器和所述第二转速检测器均为光电编码器；所述数据采集卡采集两个光电编码器的脉冲信号；所述光电编码器的中心线分别与输入轴和输出轴同轴设置。

可选地，所述第一转速检测器和所述第二转速检测器均为角加速度传感器，所述数据采集卡采集两个角加速度传感器的角加速度信号，并两次积分得到输入轴转角和输出轴转角。

此外，本发明还公开一种齿轮故障诊断方法，包括：

分别计算输入轴转角与输出轴转角；

根据所述输入轴转角与所述输出轴转角得到动态传递误差；

将所述动态传递误差与标准信号作比对，获取齿轮的故障信息。

可选地，根据输入轴和输出轴上分别同轴设置的光电编码器的脉冲信号计算所述输入轴转角与所述输出轴转角。

可选地，通过数据处理器对脉冲信号进行降噪处理，再计算所述输入轴转角与所述输出轴转角。

可选地，按以下步骤计算所述动态传递误差：

设输入轴与输出轴分别旋转一周，则一个脉冲信号下输入轴转角为输出轴转角为

计算时间段T内光电编码器对应的输入轴转角与输出轴转角：

其中：N₁为输入轴旋转一周对应的光电编码器脉冲信号数，N₂为输出轴旋转一周对应的光电编码器脉冲信号数，θ₁为输入轴转角，θ₂为输出轴转角；

计算动态传递误差：

DTE＝i·θ₁-θ₂

其中：DTE为动态传递误差，i为齿轮系统的传动比。

可选地，所述动态传递误差与标准信号作比对具体为，对动态传递误差信号进行时域和频域分析。

可选地，根据输入轴和输出轴上分别设置的角加速度传感器测量得到角加速度，并经过两次积分运算得到输入轴转角与输出轴转角。

本发明公开了一种齿轮故障诊断系统，信号采集模块包括第一转速检测器、二转速检测器和数据采集卡，第一转速检测器设置于齿轮箱输入轴上，第二转速检测器设置于齿轮箱输出轴上，两者分别与输入轴及输出轴同步运动，直接反应输入轴与输出轴的运动状态，数据采集卡采集存储第一转速检测器和第二转速检测器转速信号，转速信号通过数据采集卡传递给数据处理器，数据处理器根据转速信号分别计算输入轴转角和输出轴转角，并通过输入轴转角和输出轴转角计算得到动态传递误差；数据分析器得到数据处理器的动态传递误差，对动态传递误差进行时域和频域分析，从而得到故障信息。齿轮箱的输入轴与输出轴均为旋转运动，由于第一转速检测器、二转速检测器直接测量了输入轴与输出轴的转角，并根据转角数据进行后续的计算，从而得到相应的动态传递误差，相对于传统的振动测量方式，其结果更为直接，直接反映输入轴与输出轴的工作状态，测量分析结果更为准确。

本发明还公开一种齿轮故障诊断方法，包括以下步骤：分别计算输入轴转角与输出轴转角；根据输入轴转角与输出轴转角得到动态传递误差；将动态传递误差与标准信号作比对，获取齿轮的故障信息。该方法以输入轴转角与输出轴转角为依据，计算得到动态传递误差，改变传统的以直线振动测量为依据的计算方式，直接反映转速的真实情况，减少中间传递过程形成的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的齿轮故障诊断系统的逻辑结构图。

图2为本系统装置的逻辑结构图及其所对应运算；

图3为本发明所提供的齿轮故障诊断方法的流程图。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种齿轮故障诊断系统及齿轮故障诊断方法，直接测量齿轮运动信号的故障诊断系统，达到快速准确分析齿轮故障问题的效果。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本申请的齿轮故障诊断系统及齿轮故障诊断方法进行详细的介绍说明。

如图1所示，为本发明所提供的齿轮故障诊断系统的逻辑结构图，图2为本系统装置的逻辑结构图及其所对应运算。该系统包括：信号采集模块、数据处理器500、数据分析器600；信号采集模块又包括设置于齿轮箱100输入轴101上的第一转速检测器200、设置于齿轮箱输出轴102上的第二转速检测器300、用于采集和存储第一转速检测器101和第二转速检测器102转速信号的数据采集卡400。数据处理器500信号连接数据采集卡400，根据第一转速检测器200的转速信号计算输入轴转角，根据第二转速检测器300的转速信号计算输出轴转角，根据输入轴转角和输出轴转角计算得到动态传递误差(Dynamic TransmissionError)，简称为DTE。数据分析器600信号连接数据处理器500，对动态传递误差进行时域和频域分析，得到故障信息。

在上述方案的基础上，本发明中的第一转速检测器200和第二转速检测器300均为光电编码器，数据采集卡采集两个光电编码器的脉冲信号；基于时栅原理得到输入轴转角和输出轴转角，光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成，利用刻度均匀的光栅盘将旋转轴的角位移转换为若干个脉冲信号，通过A、B、Z三组脉冲信号准确地定位和判断旋转方向。光电编码器分别固定安装在输入轴101和输出轴102上，光电编码器的中心线分别与输入轴和输出轴同轴设置，通过两个光电编码器将输入轴101和输出轴102的角位移转换为若干个脉冲信号，数据采集卡分别与两个光电编码器连接，用于采集和存储光电编码器产生的脉冲信号。

本发明的核心思想在于通过转角信号得到动态传递误差这一旋转运动直接信号，进行齿轮故障的分析判断。传统的基于振动测点所得到的间接信号，用平移运动信号间接反映旋转运动情况，间接信号的传递的过程中可能存在失真、不完全或被干扰的问题，为齿轮故障准确诊断带来困难，本发明基于旋转运动信号直接实现，故障诊断更为便捷和准确。

当然，除了利用光电编码器去测量转角信号之外，还可以利用其他方式测量转角信号，第一转速检测器200和第二转速检测器300均为角加速度传感器，数据采集卡采集两个角加速度传感器的角加速度信号，并两次积分得到输入轴转角和输出轴转角，将角加速度一次积分得到角速度，二次积分得到转角；进而利用转角信号得到动态传递误差，可进行分析判断齿轮的故障状态。

本发明还公开了一种齿轮故障诊断方法，如图3所示，为齿轮故障诊断方法的流程图，包括以下步骤：

S1、分别计算输入轴转角与输出轴转角；

S2、根据输入轴转角与输出轴转角得到动态传递误差；

S3、将动态传递误差与标准信号作比对，获取齿轮的故障信息。

具体来说，输入轴转角与输出轴转角分别根据输入轴和输出轴上同轴设置的光电编码器的脉冲信号计算，利用了时栅原理。

通过数据处理器还需对脉冲信号进行降噪处理，再计算输入轴转角与输出轴转角，降低干扰信号的影响。

在实际的操作过程中，按以下步骤计算所述动态传递误差：

设输入轴101和输出轴102分别旋转一周，对应的光电编码器将产生N₁和N₂个脉冲信号，则在一个脉冲下输入轴转角为输出轴转角为

计算时间段T内光电编码器对应的输入轴转角与输出轴转角：

其中：N₁为输入轴旋转一周对应的光电编码器脉冲信号数，N₂为输出轴旋转一周对应的光电编码器脉冲信号数，θ₁为输入轴转角，θ₂为输出轴转角；则理论上齿轮系统的输出轴转角与输入轴转角之间的对应关系为：

θ₂＝i·θ₁

在齿轮系统旋转的过程中，由于齿轮系统存在弹性变形、间隙等因素，输出轴102的实际转角与理论转角会存在一定的差异，这个差异就称为齿轮系统的动态传递误差DTE，表达式如下：

DTE＝i·θ₁-θ₂

将θ₁和θ₂代入得到：

可见，对于传动比为i的齿轮系统，在时间段T内其动态传递误差DTE由输入轴101和输出轴102产生的脉冲信号N₁和N₂决定。

当齿轮系统发生故障时，作为系统旋转运动直接表现出的输出轴102实际转角也必然会在时域和频域上发生变化，即系统的动态传递误差DTE会发生变化，通过对DTE进行时域和频域的分析，就能够实现齿轮的故障诊断。

上述的过程均依据齿轮轴101与输出轴102上设置光电编码器进行计算分析得到，对于转角信号来说，除了光电编码器之外，还可利用其他的方式进行测量计算，在满足本发明核心思想的前提下，均应包含在本发明所要保护的范围之内。

例如在输入轴和输出轴上分别设置的角加速度传感器，根据两个角加速度传感器测量得到角加速度，并经过两次积分运算得到输入轴转角与输出轴转角，对角加速度作一次积分得到角速度，对角速度再作积分得到转角；再利用转角信号计算得到动态传递误差DTE，后续动态传递误差的计算方法与上述方案相同。

本发明中的齿轮系统的动态传递误差通过输入轴转角和输出轴转角计算得到，输入轴转角和输出轴转角信号的获取与人员经验无关，从而最大程度地消除了现有齿轮故障诊断方法的不确定性。动态传递误差DTE信号的调制解调与测点振动信号相同，现在已经形成了比较全面的方法体系，因而本发明具有很好的工程应用前景。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种齿轮故障诊断系统，其特征在于，包括：

信号采集模块，包括设置于齿轮箱输入轴上的第一转速检测器、设置于齿轮箱输出轴上的第二转速检测器、用于采集和存储所述第一转速检测器和所述第二转速检测器转速信号的数据采集卡；

数据处理器，信号连接所述数据采集卡，根据所述转速信号分别计算输入轴转角和输出轴转角，并计算得到动态传递误差；

数据分析器，信号连接所述数据处理器，对所述动态传递误差进行时域和频域分析，得到故障信息。

2.根据权利要求1所述的齿轮故障诊断系统，其特征在于，所述第一转速检测器和所述第二转速检测器均为光电编码器；所述数据采集卡采集两个光电编码器的脉冲信号；所述光电编码器的中心线分别与输入轴和输出轴同轴设置。

3.根据权利要求1所述的齿轮故障诊断系统，其特征在于，所述第一转速检测器和所述第二转速检测器均为角加速度传感器，所述数据采集卡采集两个角加速度传感器的角加速度信号，并两次积分得到输入轴转角和输出轴转角。

4.一种齿轮故障诊断方法，其特征在于，包括：

分别计算输入轴转角与输出轴转角；

根据所述输入轴转角与所述输出轴转角得到动态传递误差；

将所述动态传递误差与标准信号作比对，获取齿轮的故障信息。

5.根据权利要求4所述的齿轮故障诊断方法，其特征在于，根据输入轴和输出轴上分别同轴设置的光电编码器的脉冲信号计算所述输入轴转角与所述输出轴转角。

6.根据权利要求5所述的齿轮故障诊断方法，其特征在于，通过数据处理器对脉冲信号进行降噪处理，再计算所述输入轴转角与所述输出轴转角。

7.根据权利要求6所述的齿轮故障诊断方法，其特征在于，按以下步骤计算所述动态传递误差：

设输入轴与输出轴分别旋转一周，则一个脉冲信号下输入轴转角为输出轴转角为

计算时间段T内光电编码器对应的输入轴转角与输出轴转角：

${\mathrm{\θ}}_1=T\·\frac{2\mathrm{\π}}{N_1};{\mathrm{\θ}}_2=T\·\frac{2\mathrm{\π}}{N_2}$

其中：N₁为输入轴旋转一周对应的光电编码器脉冲信号数，N₂为输出轴旋转一周对应的光电编码器脉冲信号数，θ₁为输入轴转角，θ₂为输出轴转角；

计算动态传递误差：

DTE＝i·θ₁-θ₂

其中：DTE为动态传递误差，i为齿轮系统的传动比。

8.根据权利要求7所述的齿轮故障诊断方法，其特征在于，所述动态传递误差与标准信号作比对具体为，对动态传递误差信号进行时域和频域分析。

9.根据权利要求4所述的齿轮故障诊断方法，其特征在于，根据输入轴和输出轴上分别设置的角加速度传感器测量得到角加速度，并经过两次积分运算得到输入轴转角与输出轴转角。