CN109916620B - 一种齿轮传动噪声检测与分析系统 - Google Patents

Abstract

一种齿轮传动噪声检测与分析系统，属于机械诊断领域。本发明为了解决现有齿轮传动噪声检测及分析系统所存在的缺陷的问题；本发明包括驱动模块、数据采集模块、负载模块和控制模块，驱动模块用于驱动被测齿轮的运转；数据采集模块用于收集齿轮传动过程中所产生的噪声数据；负载模块为齿轮的传动过程提供模拟负载；控制模块用于控制整个系统的运转；本发明解决了现有齿轮传动噪声检测及分析系统所存在的缺陷的问题。

Description

一种齿轮传动噪声检测与分析系统

技术领域

本发明涉及一种机械噪声检测分析系统，属于机械检测领域，具体涉及一种齿轮传动噪声监测与分析系统。

背景技术

齿轮作为机械制造行业中的关键零部件之一，其传动质量直接关系到机械设备的性能和寿命。而齿轮传动噪声主要是由基体的振动噪声和齿轮的啮合噪声所耦合而成，其噪声强弱就代表了齿轮的传动质量好坏，因此对齿轮传动噪声的要求就越来越高。为了保证齿轮产品的合格率，在下线之前必须对齿轮的传动噪声进行检测并分析产生噪声的根源。

在中国实用新型专利说明书CN02218996中公开了一种齿轮噪声检查机，此设备分为I轴和II轴，在I轴主轴和II轴主轴的尾部分别安装一个发讯磁钢，在I轴主轴箱体和II轴主轴箱体上分别安装一个霍尔传感器，通过调整霍尔传感器与发讯磁钢之间的距离，接受霍尔传感器感应信号；在I轴尾架和II轴尾架上分别安装一个加速度传感器来收集齿轮振动信号，在被测齿轮与标准齿轮相啮合的区域安装一个传声器来收集齿轮噪声信号。该检查机可以完成被检测齿轮与标准齿轮啮合时所产生的噪声的定量检测，来判断被检测齿轮是否合格，并找出被检测齿轮上的毛刺位置。在中国实用新型专利说明书CN201820036880中公开了一种新型差速器齿轮传动噪音检测装置，此装置是将齿轮传动箱设于工作台中部，齿轮传动箱上设有动力输入轴和动力输出轴；驱动电机设于齿轮传动箱左侧；负载机构设于齿轮传动箱右侧，包括负载轮支架、负载动力输入轴、负载轮、横杆、摩擦盘、摩擦盘施力杆、上压杆、连接套筒和下压杆；检测分析机构包括分贝仪、音调分析仪、音色分析仪和齿轮传动噪音问题分析器设于工作台前表面，用以齿轮噪音分析。

综合来看，现有齿轮传动噪声检测系统主要存在以下两点缺陷：一是目前的噪声检测系统对齿轮传动的载荷大小无法实现精确控制；二是在齿轮传动噪声的采集部分缺少有效的三维空间传声器阵列。三是在齿轮传动噪声的分析部分缺少转速、负载等多维数据的综合以及对传动噪声的解耦过程。

发明内容

本申请的一种齿轮传动噪声监测与分析系统，具有三维空间噪音检测和可控负载的特点，实现传动齿轮噪声位置的精确定位。

一种齿轮传动噪声检测与分析系统，包括：

被测齿轮组件，被测齿轮组件包括啮合的主动齿轮和从动齿轮；

驱动模块，驱动模块的输出端与被测齿轮组件的主动齿轮建立连接，为被测齿轮组件提供驱动力；

负载模块，负载模块输出端与被测齿轮组件的从动齿轮建立连接，为被测齿轮组件提供虚拟负载；

数据采集模块，包括三维声音采集装置，三维声音采集装置包括隔音箱，隔音箱的内壁上安装有若干传声器；

控制模块，控制模块包括上位机，上位机分别与驱动模块、负载模块和数据采集模块建立连接，用以向驱动模块、负载模块发送控制命令，并接收数据采集模块采集到传动齿轮的数据，并对数据进行处理得到齿轮传动信息。

进一步的，所述隔音箱箱为密封箱体，箱体内壁上贴覆有隔音层，所述传声器均匀阵列分布在隔音箱的上端内壁和周向内壁上，所述控制模块与传声器建立连接。

进一步的，驱动模块包括伺服电机、脉冲采集器和伺服电机控制器，上位机通过脉冲采集器采集伺服电机的转速信息，上位机通过伺服电机控制器将控制指令送至伺服电机。

进一步的，所述数据采集模块包括加速度传感器，加速度传感器安装在被测齿轮组件上。

进一步的，所述数据采集模块包括温度传感器，温度传感器安装在被测齿轮组件上。

进一步的，负载模块包括磁粉制动器和转矩控制器，磁粉制动器的输入端与从动齿轮建立连接，上位机通过转矩控制器与磁粉制动器建立控制连接。

进一步的，所述转矩控制器与磁粉制动器的电源线连接，转矩控制器通过控制输入电流进而控制磁粉制动器的输出扭矩。

本申请与现有技术相比，具有如下有益效果，本发明的通过三维声音采集装置采集齿轮传动噪声，通过其内壁上的传声器对空间阵列内的各点噪声强度进行采集，通过对阵列中各点的噪声信号进行分析处理，从而确定出噪声源的具体位置，且具有良好的重复性，提高了检测效率和准确性；本发明采用可控的虚拟负载，可以根据需要对负载进行调节，为齿轮传动噪声的检测与分析提供多种测试环境。

附图说明

图1是本发明实施例的装置结构图；

图2是本发明实施例的三维声音采集装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的控制框图；

图中，1-工作台，2-底座，3-驱动模块，4-数据采集模块，5-负载模块，6-控制模块，301-伺服电机，302-电机座，303-脉冲采集器，304-伺服控制器，401-主动齿轮，402-从动齿轮，403-齿轮支架，404-隔音箱，405～425-传声器阵列，426-动力输入轴，427-动力输出轴，428-加速度传感器，429-温度传感器，501-负载座，502-磁粉制动器，503-转矩控制器，601-PC机。

具体实施方式

为了对本发明进行更为详细的描述，下面结合附图对本发明进行进一步说明，使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施。

如图1所示，本实施例的一种齿轮传动噪声检测与分析系统，包括：工作台1、底座2、被测齿轮组件、驱动模块3、负载模块5、数据采集模块4和控制模块6，工作台1水平安装在地面上，底座2固定安装在工作台1上端，所述底座2上安装有被测齿轮组件，被测齿轮组件的一侧安装有驱动模块3，在驱动模块3的相对侧安装有负载模块5。

所述控制模块6包括PC机601，PC机601分别与驱动模块3、负载模块5和数据采集模块4建立连接，用以向驱动模块3、负载模块5发送控制命令，接收数据采集模块4采集到的传动齿轮噪声数据，并对数据进行处理得到齿轮传动信息。

本实施例的被测齿轮组件包括啮合的主动齿轮401和从动齿轮402，主动齿轮401和从齿轮通过齿轮支架403安装在底座2上。

所述驱动模块3输出端与被测齿轮组件的主动齿轮401建立连接，为被测齿轮组件提供驱动力，具体的本实施例的驱动模块3包括伺服电机301、电机座302、脉冲采集器303和伺服电机301控制器，伺服电机301通过电机座302固定在底座2上，并根据需要调节伺服电机301的高度，伺服电机301的输出轴通过动力输入轴426与主动齿轮401建立连接并带动主动齿轮401转动，脉冲采集器303实时采集伺服电机301运转时编码器的脉冲数，用以获得伺服电机301的实时转速并上传至PC机601，所述伺服控制器304根据PC机601所下发的命令来驱动伺服电机301以某一速度运转，与脉冲控制器构成转速反馈控制，直到伺服电机301实时转速达到预设转速。

负载模块5，负载模块5输出端与被测齿轮组件的从动齿轮402建立连接，为被测齿轮组件提供虚拟负载，具体的，本实施例的负载模块5包括负载座501、磁粉制动器502和转矩控制器503，磁粉制动器502通过负载座501与底座2相连接，磁粉制动器502的输入轴通过动力输出轴427与从动齿轮402建立刚性连接，PC机601通过转矩控制器503与磁粉制动器502建立控制连接；

磁粉制动器502为系统提供模拟负载，磁粉制动器502是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的，其激磁电流和传递转矩基本成线性关系，在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩。其额定电压为直流24V，通过输入电流的连续变化来实现其输出转矩的连续可调，转矩控制器503与磁粉制动器502的电源线连接，根据PC机601所下发的命令来调节磁粉制动器502的输出转矩的大小转矩控制器503是基于安培定律通过控制输入电流进而控制磁粉制动器502的输出扭矩。

所述数据采集模块4包括三维声音采集装置、加速度传感器428和温度传感器429，如图2所示，三维声音采集装置包括隔音箱404，隔音箱404的内壁上安装有若干传声器405-425构成传声器阵列；

本实施例的隔音箱为正方形箱体，边长为0.5m，齿轮啮合点位于隔音箱中心处，如图所示，位于隔音箱周向侧壁上的传声器齿轮啮合点处在同一水平面上的，其中与齿面垂直的隔音箱内侧面各放置5个传声器，分别是传声器410～414和传声器418～422，且处于啮合点等高线的五等分点上，其余两个侧面上啮合点等高线五等分点中的中间三点分别放置3个传声器，分别是传声器415～417和传声器423～425，隔音箱内侧顶面上放置5个传声器，其中405位于顶面中心，其余4个传声器与传声器405保持0.1m的距离放置。

所述隔音箱404箱为方形密封箱体，箱体内壁上贴覆有隔音材料层，有效消除齿轮传动噪声在传播过程中造成的反射误差，所述传声器均匀阵列分布在隔音箱404的上端内壁和周向内壁上，所述控制模块6与传声器建立连接，噪声在传播过程中声能会逐渐衰减，位于被测齿轮组件不同位置的传声阵列接收到的噪声信号强弱会有所不同，PC机601根据其三维空间分布结构，建立三维空间模型，如图，传声器405～409可以判定出噪声源的所处高度，隔音箱404内侧面的传声器阵列410～425可以判定出噪声源在某一高度所在平面的具体位置，综合传声器阵列405～425的信号强弱，即可确定出噪声源的所在位置。

为了进一步测量齿轮组件的振动噪声数据和温度数据，本实施例的数据采集模块4包括加速度传感器428和温度传感器429，本实施例将加速度传感器428和温度传感器429安装在被测齿轮组件上的齿轮支架403上。

为了使本实施例具有多维数据综合分析的功能，PC机601通过RS-485通信协议与脉冲采集器303、伺服控制器304、传声器阵列405～425以及转矩控制器503构成了主从式控制系统，PC机601作为核心控制部件，分别对其下发控制命令，并且PC机601在收集齿轮传动噪声的同时，可以对齿轮转速、输出载荷、基体振动、齿轮温度、三维噪声场分布以及噪声源声功率等多维数据进行分析处理。

具体噪声源的精确部位定位方法如下：

将同一时刻的多个传声器收集到的齿轮噪声数据矢量化，判定出声源的位置和强度。具体算法如下：

声场中某点的声强是瞬时声强I(t)在一定时间T内的平均值：

本发明中的测点总共是21个，其声强分别为I₁～I₂₁，当齿轮存在噪声源时，每点的声强都不尽相同。以隔音箱中心为三维坐标轴中心，根据隔音箱和传声器的位置尺寸可以确定21个测点的坐标分别为s_i(x_i,y_i,z_i),i＝1,…,21,i∈Z₊，设噪声源所在点的坐标为(x,y,z)，空间内两点的距离公式有：

可以得出21个测点与噪声源的距离分别为r₁～r₂₁，由声场中各点声强与距离的二次方成反比可得：

21个测点中任取一点作为基准声强(例如s₁)，则有：

其中

由上式可得，4个传声器数据为一组便可确定出噪声源坐标O(x,y,z)，传声器数据的选择规则如下：

(1)位于隔音箱内顶面中心的传声器数据必须选择，记作h₀；

(2)比较除顶面以外的16个传声器的所采声强大小，选取最大值所属的传声器，记作h₁；

(3)在其余15个传声器中选取距离h₁最近的2个传声器，分别记为h₂和h₃；

(4)在顶面选择一个距离h₁最近的传声器，记为h₄；

(5)分别计算两组数据{h₀,h₁,h₂,h₃}和{h₁,h₂,h₃,h₄}，可得到两个噪声源坐标O₁(x¹,y¹,z¹)和O₂(x²,y²,z²)；

(6)两个噪声源坐标误差e必须小于等于10^-3m，即

(7)若满足上式，最终噪声源坐标为O(x,y,z)，其中：

若不满足上式，则数据作废，重新测试。

根据以上规则，并经过多次实验数据分析，所以本发明放置了21个传声器。

为了确保检测结果的可靠性，本发明引入齿轮转速、输出载荷、基体振动、齿轮温度、三维噪声场分布以及噪声源声功率6项辅助测量数据。齿轮转速和输出载荷的不同能够使齿轮处于不同的工作状态下，避免在单一工作条件下对噪声源的遗漏；而基体振动、齿轮温度、三维噪声场分布和噪声源声功率指标代表着噪声源，也就是缺陷点的严重程度，作为辅助测试。

模拟被测齿轮工作组所在的不同工况，进而分析在不同工况下的齿轮传动噪声信号，并且实现了对齿轮啮合噪声与振动噪声的解耦，对解耦后的噪声信号进行特征识别，进而确定出噪声源的源头。

如图3所示，本实施例的具体控制框图，本实施例的具体工作流程为：

首先，驱动模块3用于驱动并控制被测齿轮组的转速，数据采集模块4用于检测基体的振动、齿轮的运行温度以及齿轮传动噪声等数据，负载模块5为被测齿轮组提供可变负载转矩，可使被测齿轮工作在不同工况下，以测得多工况下齿轮传动噪声数据，控制模块6用以调节驱动模块3的输出转速和负载模块5的输出转矩，并分析处理来自数据采集模块4的齿轮温度、振动信号以及齿轮传动噪声信号，通过多维数据的综合以及噪声信号的解耦，实现对齿轮传动噪声的检测及分析，从而识别出齿轮传动噪声的根源，提高检测的精确性和可靠性。

本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等同。

Claims (5)

1.一种齿轮传动噪声检测与分析系统，包括被测齿轮组件，被测齿轮组件包括啮合的主动齿轮和从动齿轮，其特征在于：还包括：

驱动模块，驱动模块的输出端与被测齿轮组件的主动齿轮建立连接，为被测齿轮组件提供驱动力；

负载模块，负载模块输出端与被测齿轮组件的从动齿轮建立连接，为被测齿轮组件提供虚拟负载；负载模块包括磁粉制动器和转矩控制器，磁粉制动器的输入端与从动齿轮建立连接，上位机通过转矩控制器与磁粉制动器建立控制连接；

数据采集模块，包括三维声音采集装置，三维声音采集装置包括隔音箱，所述隔音箱箱为密封箱体，齿轮啮合点位于隔音箱中心处，箱体内壁上贴覆有隔音层，隔音箱的内壁上安装有21个传声器，位于隔音箱周向侧壁上的传声器与齿轮啮合点处在同一水平面上，位于隔音箱周向侧壁上的16个传声器分别位于齿轮啮合点等高线的五等分点上，隔音箱内侧顶面上放置5个传声器，所述5个传声器中的一个位于隔音箱内侧顶面中心，其余4个传声器与位于隔音箱内侧顶面中心的传声器保持0.1m的距离放置，所述控制模块与传声器建立连接；

控制模块，控制模块包括上位机，上位机分别与驱动模块、负载模块和数据采集模块建立连接，用以向驱动模块、负载模块发送控制命令，并接收数据采集模块采集到传动齿轮的数据，并对数据进行处理得到齿轮传动信息，确定噪声源的坐标，所述噪声源坐标的确定方法包括：

(1)位于隔音箱内侧顶面中心的传声器数据必须选择，记作h₀；

(2)比较除隔音箱内侧顶面以外的16个传声器的所采声强大小，选取最大值所属的传声器，记作h₁；

(3)在其余15个传声器中选取距离h₁最近的2个传声器，分别记为h₂和h₃；

(4)在隔音箱内侧顶面选择一个距离h₁最近的传声器，记为h₄；

(5)分别计算两组数据{h₀,h₁,h₂,h₃}和{h₁,h₂,h₃,h₄}，可得到两个噪声源坐标O₁(x¹,y¹,z¹)和O₂(x²,y²,z²)；

(6)两个噪声源坐标误差e必须小于等于10^-3m；

(7)若满足条件(6)，最终噪声源坐标为O(x,y,z)，其中：

若误差不满足条件(6)，则数据作废，重新测试。

2.根据权利要求1所述一种齿轮传动噪声检测与分析系统，其特征在于：驱动模块包括伺服电机、脉冲采集器和伺服电机控制器，上位机通过脉冲采集器采集伺服电机的转速信息，上位机通过伺服电机控制器将控制指令送至伺服电机。

3.根据权利要求1所述一种齿轮传动噪声检测与分析系统，其特征在于：所述数据采集模块包括加速度传感器，加速度传感器安装在被测齿轮组件上。

4.根据权利要求1所述一种齿轮传动噪声检测与分析系统，其特征在于：所述数据采集模块包括温度传感器，温度传感器安装在被测齿轮组件上。

5.根据权利要求1所述一种齿轮传动噪声检测与分析系统，其特征在于：所述转矩控制器与磁粉制动器的电源线连接，转矩控制器通过控制输入电流进而控制磁粉制动器的输出扭矩。

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