CN205607636U - 一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置，由抗振底座、电动机、变频器、弹性联轴器、二级行星齿轮减速器、齿轮箱、磁粉加载器、轴承、轴承座、挡油环、外球面轴承、轴承透盖、轴承套、中间轴小齿轮、轴承密封端盖、第二齿轮、节油阀、输出轴、中间轴、中间轴大齿轮、输入轴、第一齿轮、试验台、传感器模块、振动加速度传感器、数据采集模块、电荷放大器、A/D转换器、数据处理与分析模块、计算机、数据处理器、故障诊断功能模块、结果输出模块、显示器、打印机组成；本实用新型性能可靠，操作简单方便，对人的依赖程度较低，可用于工业现场对设备上的故障进行检测与诊断等，具有很大的应用和推广价值。

Description

一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置，属于齿轮箱故障诊断技术领域。

背景技术

齿轮箱作为机械设备中重要的传动机构，具有结构紧凑、效率高、工作可靠、使用寿命长和维护方便的优点，在机械传动、减速、增速等各方面得到了非常广泛的应用。由于其本身结构复杂，工作环境恶劣等原因，齿轮及齿轮箱容易受到损伤和出现故障。如果齿轮箱出现故障，将直接影响整台设备的运行状况以及产品质量和生产效率。因此对齿轮箱进行故障诊断研究具有十分重要的意义。

目前齿轮箱的故障诊断方法很多，如振动诊断、扭转分析、声发射、油液分析、温度及能耗监测等。齿轮箱中的轴、轴承和齿轮在工作时会产生振动，若发生故障，其振动信号的能量分布会发生变化，振动信号是齿轮箱故障特征的载体，蕴含着丰富的信息，便于识别和决策。因此，振动诊断是一种行之有效的故障诊断方法。但现有的基于振动分析的故障诊断系统结构复杂、稳定性低、操作困难、对人的依赖程度较大，且使用的故障诊断方法(如小波变换、短时傅立叶变换、经验模态分解等)对齿轮箱早期故障显得力不从心，从而严重制约了诊断的效果，不能够对齿轮箱的状态做出准确的判断。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置，从而解决现有的检测与诊断技术的缺陷和不足，提高对齿轮箱早期微弱故障或齿轮箱故障特征信号被强噪声所淹没时的诊断能力，提高诊断的效率和精确度。

一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置，由抗振底座、电动机、变频器、弹性联轴器、二级行星齿轮减速器、齿轮箱、磁粉加载器、轴承、轴承座、挡油环、外球面轴承、轴承透盖、轴承套、中间轴小齿轮、轴承密封端盖、第二齿轮、节油阀、输出轴、中间轴、中间轴大齿轮、输入轴、第一齿轮、试验台、传感器模块、振动加速度传感器、数据采集模块、电荷放大器、A/D转换器、数据处理与分析模块、计算机、数据处理器、故障诊断功能模块、结果输出模块、显示器、打印机组成；其特征是所述试验台包括抗振底座、电动机、变频器、弹性联轴器、二级行星齿轮减速器、齿轮箱、磁粉加载器、轴承、轴承座，其中安装有变频器的电动机固定在抗振底座的左端，电动机通过弹性联轴器与二级行星齿轮减速器的输入转轴相连，二级行星齿轮减速器的输出转轴作为齿轮箱的输入轴，齿轮箱的输出轴与 磁粉加载器相连，磁粉加载器的输出转轴通过固定在抗振底座右端的轴承座上的轴承进行固定支撑。

所述齿轮箱一侧安装有节油阀，齿轮箱的内部装有输入轴、输出轴和中间轴，三者安置在不同的水平面上；在输入轴、输出轴和中间轴两端分别安装外球面轴承且在外球面轴承的外圈安装有轴承套，在外球面轴承内侧安装有挡油环；所述轴承透盖分别安装在输入轴的输入端和输出轴的输出端，且与对应的轴承套通过螺栓进行连接；所述轴承密封端盖分别安装在输入轴的靠近齿轮端、输出轴的靠近齿轮端和中间轴的两端，且轴承密封端盖与对应的轴承套通过螺栓连接；所述第一齿轮安装在输入轴上，且与安装在中间轴上的中间轴大齿轮啮合；所述第二齿轮安装在输出轴上，且与安装在中间轴上的中间轴小齿轮啮合。

所述传感器模块是由三个振动加速度传感器组成，三个振动加速度传感器分别安装在齿轮箱中间轴右侧端盖的垂直径向、水平径向和轴向的测点上，且振动加速度传感器通过数据线与数据采集模块内的电荷放大器连接；所述数据采集模块包括电荷放大器和A/D转换器，且电荷放大器与A/D转换器连接；所述数据处理与分析模块是由计算机、数据处理器、故障诊断功能模块构成，且数据处理器与故障诊断功能模块安装在计算机上；所述结果输出模块是由显示器和打印机组成，显示器与打印机分别与计算机相连，并将故障诊断功能模块的诊断结果进行输出。

进一步，所述输入轴上的第一齿轮、输出轴上的第二齿轮、中间轴上的中间轴小齿轮和中间轴大齿轮都通过平键和紧定螺钉固定在对应的轴上，松开螺钉，即可实现齿轮在轴上的平移，达到更换故障件的效果。

所述外球面轴承，在靠近轴承内圈的一端上设有两个内六角紧定螺钉，使轴承的内圈能固定在轴上。

所述轴承套上有六个螺纹孔，用来和轴承透盖、轴承密封端盖上的螺钉进行配合，轴承套安装在轴承外圈，用来定位轴承，防止轴径向窜动。

进一步，所述轴承透盖、轴承密封端盖上有六个螺钉和轴承套相连接，轴承透盖、轴承密封端盖装配在齿轮箱的外侧并与密封圈配合，端盖装配在齿轮箱的外侧，起到密封和防尘的作用。

进一步，数据处理器内置有由MATLAB软件编好的算法程序。

本实用新型的有益效果在于数据处理器中使用的双树复小波变换(DT-CWT)能够把非平稳的故障信号有效地进行分解与重构，缩小故障频率的范围，便于后续选取；数据降噪过程中使用的奇异值能量差分谱能够自动准确地择重构信号的有效阶次，保留了信号中有用的成分，同时最大限度地消除了噪声。数据处理器中先进的算法使得本实用新型对比较微弱 的早期故障有着较高的诊断精度，能准确地将故障定位到具体的部位。

附图说明

图1为本实用新型齿轮箱故障检测实验台的结构示意图。

图2为本实用新型齿轮箱故障模拟实验台齿轮箱总体装配图。

图3为本实用新型的装置流程图。

图中，抗振底座1、电动机2、变频器3、弹性联轴器4、二级行星齿轮减速器5、齿轮箱6、磁粉加载器7、轴承8、轴承座9、挡油环10、外球面轴承11、轴承透盖12、轴承套13、中间轴小齿轮14、轴承密封端盖15、第二齿轮16、节油阀17、输出轴18、中间轴19、中间轴大齿轮20、输入轴21、第一齿轮22、试验台23、传感器模块24、振动加速度传感器24-1、数据采集模块25、电荷放大器25-1、A/D转换器25-2、数据处理与分析模块26、计算机26-1、数据处理器26-2、故障诊断功能模块26-3、结果输出模块27、显示器27-1、打印机27-2。

具体实施方式

以下为本实用新型的较佳实施方式，并不因此而限定本实用新型的保护范围。

如图所示，一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置，由抗振底座1、电动机2、变频器3、弹性联轴器4、二级行星齿轮减速器5、齿轮箱6、磁粉加载器7、轴承8、轴承座9、挡油环10、外球面轴承11、轴承透盖12、轴承套13、中间轴小齿轮14、轴承密封端盖15、第二齿轮16、节油阀17、输出轴18、中间轴19、中间轴大齿轮20、输入轴21、第一齿轮22、试验台23、传感器模块24、振动加速度传感器24-1、数据采集模块25、电荷放大器25-1、A/D转换器25-2、数据处理与分析模块26、计算机26-1、数据处理器26-2、故障诊断功能模块26-3、结果输出模块27、显示器27-1、打印机27-2组成；其特征是所述试验台23包括抗振底座1、电动机2、变频器3、弹性联轴器4、二级行星齿轮减速器5、齿轮箱6、磁粉加载器7、轴承8、轴承座9，其中安装有变频器3的电动机2固定在抗振底座1的左端，电动机2通过弹性联轴器4与二级行星齿轮减速器5的输入转轴相连，二级行星齿轮减速器5的输出转轴作为齿轮箱6的输入轴21，齿轮箱6的输出轴18与磁粉加载器7相连，磁粉加载器7的输出转轴通过固定在抗振底座1右端的轴承座9上的轴承8进行固定支撑。

所述齿轮箱6一侧设置有节油阀17，齿轮箱6的内部装有输入轴21、输出轴18和中间轴19，三者安置在不同的水平面上；在输入轴21、输出轴18和中间轴19两端分别安装外球面轴承11且在外球面轴承11的外圈安装有轴承套13，在外球面轴承内侧安装有挡油环10；所述轴承透盖12分别安装在输入轴21的输入端和输出轴18上的输出端，且与对应的轴承套13通过螺栓进行连接；所述轴承密封端盖15分别安装在输入轴21的靠近齿轮端、输出轴18 的靠近齿轮端和中间轴19的两端，且轴承密封端盖15与对应的轴承套13通过螺栓进行连接；所述第一齿轮22安装在输入轴21上，且与安装在中间轴19上的中间轴大齿轮20啮合；所述第二齿轮16安装在输出轴18上，且与安装在中间轴19上的中间轴小齿轮14啮合。

所述传感器模块24是由三个振动加速度传感器24-1组成，三个振动加速度传感器24-1分别安装在齿轮箱6中间轴19右侧轴承密封端盖15的垂直径向、水平径向和轴向的测点上，且振动加速度传感器24-1通过数据线与数据采集模块25内的电荷放大器25-1连接；所述数据采集模块25包括电荷放大器25-1和A/D转换器25-2，且电荷放大器25-1与A/D转换器25-2连接；所述数据处理与分析模块26是由计算机26-1、数据处理器26-2、故障诊断功能模块26-3构成，且数据处理器26-2与故障诊断功能模块26-3安装在计算机26-1上；所述结果输出模块27是由显示器27-1和打印机27-2组成，显示器27-1与打印机27-2分别与计算机26-1相连，并将故障诊断功能模块26-3的诊断结果进行输出。

进一步，所述输入轴21上的第一齿轮22、输出轴18上的第二齿轮16、中间轴19上的中间轴小齿轮14和中间轴大齿轮20都通过平键和紧定螺钉固定在对应的轴上，松开螺钉，即可实现齿轮在轴上的平移，达到更换故障件的效果。

所述外球面轴承11，在靠近外球面轴承11内圈的一端上设有两个内六角紧定螺钉，使外球面轴承11的内圈能固定在轴上。

所述轴承套13上有6个螺纹孔，用来和轴承透盖12、轴承密封端盖15上的螺钉配合，轴承套13安装在外球面轴承11外圈，用来定位外球面轴承11，防止外球面轴承11径向窜动。

所述轴承透盖12、轴承密封端盖15上有六个螺钉和轴承套13相连接，轴承透盖12和轴承密封端盖15装配在齿轮箱的外侧，起到密封和防尘的作用。

进一步，数据处理器内置有由MATLAB软件编好的算法程序。

进一步，振动加速度传感器24-1将采集到的齿轮箱故障振动数据传递给电荷放大器25-1，电荷放大器25-1把振动加速度传感器24-1输出的微弱信号转换为放大的电压信号，放大的电压信号通过A/D转换器25-2输出为计算机中分析所用的数字信号并以excel等数格式进行存储，再利用数据处理与分析模块26对数字信号进行处理和分析得出诊断结果，最终通过结果输出模块27对诊断的结果进行显示和打印。

进一步，数据处理器26-2中算法的主要步骤为：(1)计算齿轮箱6中的齿轮和滚动轴承元件的故障特征频率；(2)利用双树复小波(DT-CWT)将振动加速度传感器24-1采集到的振动信号分解为几个不同频段上的分量；(3)选取包含故障特征的分量构建Hankel矩阵；(4)对Hankel矩阵进行奇异值差分能量谱分解(5)绘制能量差分谱曲线图，并确定有效奇异值的个数进行信号重构降噪；(6)对降噪后的信号求希尔伯特包络谱，从包络谱中提取故 特征信息。

下面给出具体实例：

齿轮箱6的振动数据在故障模拟实验台23上进行采集。实验将模拟中间轴大齿轮20一个齿齿根微小裂纹故障，振动加速度传感器24-1分别安装在齿轮箱6中间轴19右侧轴承密封端盖15的垂直径向、水平径向和轴向的测点上。设定电动机的转速为2500r/min，采样频率为2560Hz。

将振动加速度感器24-1采集到的加速度振动信号传输到数据采集模块25，首先经数据采集模25中的电荷放大器25-1把微弱信号转换为放大的电压信号，再通过A/D转换器25-2将放大的电压信号转换为计算机26-1中分析所用的数字信号并进行储存。

转换完的数字信号输入到数据处理与分析模块26进行处理与分析，将转换的数字信号导入计算机26-1中，使用数据处理器26-2对数据进行处理。数据处理器26-2中算法具体步骤为：

1、截取一段长度为2048点的数据信号进行故障特征提取，利用双树复小波对原始振动信号进行分解和单支重构，得到若干个分量；

2、对比各个分量，找出包含故障特征的分量作为研究对象；

3、选取包含故障特征的分量构建Hankel矩阵；

4、对Hankel矩阵进行奇异值差分能量谱分解；

5、绘制能量差分谱曲线图，并确定有效奇异值的个数进行信号重构降噪；

6、对降噪后的信号进行希尔伯特解调，得到的包络谱，从包络谱中提取故特征信息。

将数据处理器26-2处理后的结果输入到故障诊断功能模块26-3进行故障诊断，便能够准确地判断齿轮箱6中出现的故障类型、故障程度和故障发生部位。

数据经数据处理与分析模块26处理后，把最终的结果输入到结果输出模块27中的显示器27-1和打印机27-2中，将最终的诊断结果清晰地显示在显示屏中，并通过打印机27-2进行打印，对诊断结果进行备案，以便后续查阅。

本实用新型通过在数据处理器26-2中使用具有平移不变性、抗频带混叠能力、有限冗余性和良好鲁棒性的双树复小波变换，将齿轮箱6的故障振动信号进行分解和重构，得到若干个不同频带的分量，缩小了故障频率的范围，使后续研究对象的选取变得方便；数据降噪过程中使用的奇异值能量差分谱能够准确地选择重构信号的有效阶次，实现自适应降噪，从而可以避免人为因素的干扰，提高诊断的精确度。数据处理器26-2中先进的算法使得本实用新型对比较微弱的早期故障有着较高的识别能力，能准确地将故障定位到具体的部位。

本实用新型性能可靠，操作简单方便，对人的依赖程度较低，可用于工业现场对设备 的故障进行检测与诊断等，具有很大的应用和推广价值。

Claims (7)

1.一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置，由抗振底座、电动机、变频器、弹性联轴器、二级行星齿轮减速器、齿轮箱、磁粉加载器、轴承、轴承座、挡油环、外球面轴承、轴承透盖、轴承套、中间轴小齿轮、轴承密封端盖、第二齿轮、节油阀、输出轴、中间轴、中间轴大齿轮、输入轴、第一齿轮、试验台、传感器模块、振动加速度传感器、数据采集模块、电荷放大器、A/D转换器、数据处理与分析模块、计算机、数据处理器、故障诊断功能模块、结果输出模块、显示器、打印机组成；其特征是所述试验台包括抗振底座、电动机、变频器、弹性联轴器、二级行星齿轮减速器、齿轮箱、磁粉加载器、轴承、轴承座，其中安装有变频器的电动机固定在抗振底座的左端，电动机通过弹性联轴器与二级行星齿轮减速器的输入转轴相连，二级行星齿轮减速器的输出转轴作为齿轮箱的输入轴，齿轮箱的输出轴与磁粉加载器相连，磁粉加载器的输出转轴通过固定在抗振底座右端的轴承座上的轴承进行固定支撑。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置，其特征是所述齿轮箱一侧安装有节油阀，齿轮箱的内部装有输入轴、输出轴和中间轴，三者安置在不同的水平面上；在输入轴、输出轴和中间轴两端分别安装外球面轴承且在外球面轴承的外圈安装有轴承套，在外球面轴承内侧安装有挡油环；所述轴承透盖分别安装在输入轴的输入端和输出轴的输出端，且与对应的轴承套通过螺栓进行连接；所述轴承密封端盖分别安装在输入轴的靠近齿轮端、输出轴的靠近齿轮端和中间轴的两端，且轴承密封端盖与对应的轴承套通过螺栓连接；所述第一齿轮安装在输入轴上，且与安装在中间轴上的中间轴大齿轮啮合；所述第二齿轮安装在输出轴上，且与安装在中间轴上的中间轴小齿轮啮合。

3.根据权利要求1所述的一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置，其特征是所述传感器模块是由三个振动加速度传感器组成，三个振动加速度传感器分别安装在齿轮箱中间轴右侧端盖的垂直径向、水平径向和轴向的测点上，且振动加速度传感器通过数据线与数据采集模块内的电荷放大器连接；所述数据采集模块包括电荷放大器和A/D转换器，且电荷放大器与A/D转换器连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置，其特征是所述输入轴上的第一齿轮、输出轴上的第二齿轮、中间轴上的中间轴小齿轮和中间轴大齿轮都通过平键和紧定螺钉固定在对应的轴上，松开螺钉，即可实现齿轮在轴上的平移。

5.根据权利要求1所述的一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置，其特征是所述外球面轴承在靠近轴承内圈的一端上设有两个内六角紧定螺钉。

6.根据权利要求1所述的一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置，其特征是所述轴承套上有六个螺纹孔，用来和轴承透盖、轴承密封端盖上的螺钉配合，轴承套安装在外球面轴承的外圈。

7.根据权利要求1所述的一种基于振动信号分析的齿轮箱故障检测装置，其特征是所述轴承透盖、轴承密封端盖上都安装有六个螺钉用来和轴承套进行连接，轴承透盖、轴承密封端盖装配在齿轮箱的外侧并与密封圈配合。