CN218885427U - 一种齿轮故障模拟实验台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种齿轮故障模拟实验台，包括底座、驱动电机、输入端转速扭矩测量模块、测试齿轮箱、输出端转速扭矩测量模块、减速箱、负载电机、振动加速度传感器、电机变频系统和工控机，通过电机变频系统控制驱动电机所输出的转矩、转速以及控制负载电机的输出负载，并采集测试齿轮箱的运动状态数据，可以实现不同转速、转矩和负载的情况下实际工况模拟。通过振动加速度传感器固定安装在测试齿轮箱每个轴的轴承座上，可以实现多级齿轮箱的齿轮故障模拟。通过工控机提取时域参数再通过频域分析，然后基于小波包的共振解调特征分析确定故障特征频率，最后采用BP神经网络进行故障诊断，提高了齿轮故障振动特征提取的准确性。

Description

一种齿轮故障模拟实验台

技术领域

本实用新型涉及技术齿轮故障模拟领域，具体领域为一种齿轮故障模拟实验台。

背景技术

齿轮是旋转机械中最常见的机械设备，其高效率、长寿命、承载能力强等优点使其广泛应用于航天工业、国防运输、金属制造等现代化工业。随着机械设备日趋复杂化、自动化和智能化，对机械设备正常运行提出了更高的要求。由于恶劣的工况环境和润滑不良等原因极易导致齿轮发生故障，一处零件的故障将会引发一系列的连锁反应，从而危害到整个系统的正常运行。现代工业生产过程中出现故障停机，除造成较巨大的经济损失之外，还极有可能产生人员伤亡，甚至威胁到社会人员安全。齿轮失效是诱发机器故障的一项重要因素。据统计，有齿轮导致的机械分别占故障占传动机械故障和旋转机械故障的80％和10％。可见，对齿轮的故障诊断进行研宄是必要且迫切的。

同时，从经济效益的角度出发，准确判断轴承和齿轮的状况并及时维修或更换将大大降低维护成本，提高设备的正常运转时间，从而设备的利用率得到改善。因此，研究齿轮故障诊断技术不仅具有科学研究意义，同时还具有实际应用价值。现有的齿轮故障模拟实验台多为实验教具，只能在单一工况下齿轮故障模拟，无法很好的复现机械设备运行的实际情况。也不能实现多级齿轮的故障模拟，故障模拟范围小。现有的齿轮故障模拟实验台也只能检测单一故障，而齿轮箱振动信号的成分十分复杂，除了易受外部随机干扰外，还包含了内部零部件的相互作用以及多个故障间的相互影响。尤其是当多个故障的振动强弱不平衡时，微弱故障容易被干扰噪声和强故障淹没，进而导致漏诊或误诊。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种齿轮故障模拟实验台，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种齿轮故障模拟实验台，包括底座、驱动电机、输入端转速扭矩测量模块、测试齿轮箱、输出端转速扭矩测量模块、减速箱、负载电机、振动加速度传感器、电机变频系统和工控机，所诉驱动电机、输入端转速扭矩测量模块、测试齿轮箱、输出端转速扭矩测量模块、减速箱、负载电机和电机变频系统成U型通过安装座依次安装在底座的上，所诉驱动电机通过联轴器与输入端转速扭矩测量模块相连，所诉转输入端转速扭矩测量模块通过联轴器与测试齿轮箱的输入轴相连，所诉测试齿轮箱的输出轴通过联轴器与输出端转速扭矩测量模块相连，所诉输出端转速扭矩测量模块通过联轴器与减速箱输入轴相连；所诉减速箱的输出轴与输入轴在同一侧，所诉减速箱与负载电机之间通过联轴器进行联接，所诉振动加速度传感器固定安装在测试齿轮箱的轴承座上，所诉工控机通过PLC与电机变频系统通讯连接用于控制电机变频系统，所诉电机变频系统分别与驱动电机和负载电机通讯连接用于控制电机频率，所诉工控机分别与输入端转速扭矩测量模块、输出端转速扭矩测量模块和振动加速度传感器通讯连接。

优选的，所诉底座和安装座材料为经过退火处理的灰口铸铁。

优选的，所诉振动加速度传感器的数量至少为2个，且测试齿轮箱每个轴的轴承座上均安装有振动加速度传感器。

优选的，所诉安装座的底部设有长条状凹槽，所诉安装座通过T型螺栓和压板固定在底座上。

优选的，所诉驱动电机与输入端转速扭矩测量模块之间的联轴器和减速箱与输出端转速扭矩测量模块之间的联轴器选择梅花型弹性联轴器，所诉测试齿轮箱与输入端转速扭矩测量模块和输出端转速扭矩测量模块之间的联轴器选择凸缘联轴器，所诉减速箱与负载电机之间通过球笼式同步万向联轴器进行联接。

优选的，所诉工控机获取输入端转速扭矩测量模块、输出端转速扭矩测量模块和振动加速度传感器采集的齿轮故障信号数据进行特征提取，提取时域参数包括有量纲中的峰值、均值、最小值、均方根以及无量参数中的峰值因子、峭度因子、脉冲因子、裕度因子、波形因子时，通过频域分析对故障信号进行傅里叶变换和自功率谱分析得到固有频率及其边频带。基于小波包的共振解调特征分析确定故障特征频率，小波包的共振解调方法对故障信号进行小波包分解，选取低频小波包系数进行重构得到去噪信号，对重构信号进行共振解调分析，采用BP神经网络进行故障诊断，将提取的故障信号时域特征以及故障特征频率作为神经网络的输入，自动识别并确定轴承和齿轮的故障类型。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：一种齿轮故障模拟实验台，通过电机变频系统控制驱动电机所输出的转矩、转速以及控制负载电机的输出负载，并采集测试齿轮箱的运动状态数据，可以实现不同转速、转矩和负载的情况下实际工况模拟，以此来对多种工况下的齿轮进行模拟。通过振动加速度传感器固定安装在测试齿轮箱每个轴的轴承座上，可以采集多个齿轮的数据，可以实现多级齿轮箱的齿轮故障模拟。通过工控机获取各传感器采集的齿轮故障信号数据进行特征提取，首先提取时域参数再通过频域分析得到固有频率及其边频带，然后基于小波包的共振解调特征分析确定故障特征频率，最后采用BP神经网络进行故障诊断，自动识别并确定轴承和齿轮的故障类型。解决了现有方法易受随机冲击和强故障循环平稳成分干扰而引起的误诊和漏诊问题，提高了齿轮故障振动特征提取的准确性。通过引入减速箱和球笼式同步万向联轴器将试验台传动路径对折，能够增加试验台的灵活度，减小试验场地面积，为满足多种测试工况需求提供支撑。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型通讯的示意图；

图3为本实用新型中的工控机故障分析的示意图。

图中：1底座、2驱动电机、3输入端转速扭矩测量模块、4测试齿轮箱、5输出端转速扭矩测量模块、6减速箱、7负载电机、8振动加速度传感器、9电机变频系统、10工控机、11安装座。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

请参阅图1和图2，本实用新型提供一种技术方案：一种齿轮故障模拟实验台，包括底座1、驱动电机2、输入端转速扭矩测量模块3、测试齿轮箱4、输出端转速扭矩测量模块5、减速箱6、负载电机7、振动加速度传感器8、电机变频系统9和工控机10，所诉驱动电机2、输入端转速扭矩测量模块3、测试齿轮箱4、输出端转速扭矩测量模块5、减速箱6、负载电机7和电机变频系统9成U型通过安装座11依次安装在底座1的上，安装座11用于调节各设备高低，所诉驱动电机2通过联轴器与输入端转速扭矩测量模块3相连，所诉转输入端转速扭矩测量模块3通过联轴器与测试齿轮箱4的输入轴相连，所诉测试齿轮箱4的输出轴通过联轴器与输出端转速扭矩测量模块5相连，所诉输出端转速扭矩测量模块5通过联轴器与减速箱6输入轴相连；所诉减速箱6的输出轴与输入轴在同一侧，通过引入减速箱6将试验台传动路径对折，能够增加试验台的灵活度，减小试验场地面积，为满足多种测试工况需求提供支撑，所诉减速箱6与负载电机之间通过联轴器进行联接，所诉振动加速度传感器8固定安装在测试齿轮箱4的轴承座上，所诉工控机10通过PLC与电机变频系统9通讯连接用于控制电机变频系统9，所诉电机变频系统9分别与驱动电机2和负载电机7通讯连接用于控制电机频率，以改变驱动电机2和负载电机7的转速和扭矩，所诉工控机10分别与输入端转速扭矩测量模块3、输出端转速扭矩测量模块5和振动加速度传感器8通讯连接。驱动电机2和负载电机7均为伺服电机，伺服电机可高精确控制速度、位置，将电压信号转化为转矩、转速，以驱动控制对象。测试可重复性好，支持馈能式负载。

具体而言，所诉底座1和安装座11材料为经过退火处理的灰口铸铁，底座采用灰口铸铁，铸铁中的石墨组织松软，能够吸收震动，使得铸铁具有良好的消震性。底座1和安装座11做了消除内应力的退火处理，以免因应力的重新分布而引起变形，保证表面的平面度。

具体而言，所诉振动加速度传感器8的数量至少为2个，且测试齿轮箱4每个轴的轴承座上均安装有振动加速度传感器8，可以准确测量每个齿轮的状态。

具体而言，所诉安装座11的底部设有长条状凹槽，所诉安装座11通过T型螺栓和压板固定在底座1上，方便调节各设备位置使各设备轴线在一条直线。

具体而言，所诉驱动电机2与输入端转速扭矩测量模块3之间的联轴器和减速箱6与输出端转速扭矩测量模块5之间的联轴器选择梅花型弹性联轴器，梅花型弹性联轴器能够补偿部分两轴的位移偏差和具有减振的功能保护减速箱6与输出端转速扭矩测量模块5，所诉测试齿轮箱4与输入端转速扭矩测量模块3和输出端转速扭矩测量模块5之间的联轴器选择凸缘联轴器，凸缘联轴器为刚性联轴器，其结构简单，成本较低，工作可靠，装拆、维护均较简便，传递转矩较大，能保证两轴具有较高的对中精度，所诉减速箱6与负载电机7之间通过球笼式同步万向联轴器进行联接，球笼式同步万向联轴器可用于高速传动，适用范围广泛，尤其是适合于大倾角的轴系传动。

具体而言，如图3所示，所诉工控机10用于获取输入端转速扭矩测量模块3、输出端转速扭矩测量模块5和振动加速度传感器8采集的齿轮故障信号数据进行特征提取，提取时域参数包括有量纲中的峰值、均值、最小值、均方根以及无量参数中的峰值因子、峭度因子、脉冲因子、裕度因子、波形因子时，通过频域分析对故障信号进行傅里叶变换和自功率谱分析得到固有频率及其边频带。基于小波包的共振解调特征分析确定故障特征频率，小波包的共振解调方法对故障信号进行小波包分解，选取低频小波包系数进行重构得到去噪信号，对重构信号进行共振解调分析，采用BP神经网络进行故障诊断，将提取的故障信号时域特征以及故障特征频率作为神经网络的输入，自动识别并确定轴承和齿轮的故障类型。

对于当前的齿轮故障都是以识别其振动信号为主要的监控方法，这是因为齿轮发生故障都会伴随着齿轮的振动。由于齿轮的工作状态比较复杂，各种部件的相互影响使其数学模型十分复杂。为便于分析，需对齿轮的啮合振动进行一定程度的简化，并构建其物理模型。在简化的模型中，把齿轮的轮齿比作时弹簧，齿轮体本身当作时质量，那么齿轮就变成了弹簧与质量的振动模型。忽略齿轮齿上的摩擦力，则齿轮副的振动方程用下式表示：

M_rX＝CX+k(t)X＝k(t)E₁+k(t)E₂(t)

式中：M_r＝(m₁m₂)/(m₁+m₂)，其中m₁，是主动轮的质量，m₂是从动轮的质量；C是齿轮啮合阻尼；X是齿轮作用线上的相对位移；k(t)是齿轮啮合刚度，并且k(t)是一个随时间的变量，它表示着齿轮的啮合是一个动态的过程；E₁是当齿轮承受载荷后所发生的平均静弹性变形；E₂(t)是齿轮的误差和故障引起的齿轮间的相对位移，表示故障函数。

从式中可以看出，齿轮的振动是一种自激振动现象，式中左侧为齿轮副本身振动特征，在其右端是自激振荡函数。自激振荡函数有两个，第一个函数是k(t)E₁，它只受齿轮的平均静弹性形变和齿合刚度控制，而不受齿轮的误差与故障控制。这是由于齿合刚度是周期性函数，不管是否有故障发生，齿轮总是会发生振动，因此这种振动被叫做常规振动，也叫做啮合振动。齿轮啮合刚度的变化频率为：

式中：n₁，n₂分别为齿轮副中主动轮和从动轮的转速，单位为r/min，z₁、z₂分别为主动轮和从动轮的齿数。另一个激振函数是k(t)E₂(t)，它作为是齿轮异常振动的激励源，受齿轮齿合刚度与故障函数的影响。而齿轮的故障识别就是要检测出这个由于故障激励源所引起的不正常的振动的特征。

时域是指以时间为变量构成的函数或参数，可以根据时间的变化分辨出信号的变化情况。齿轮的振动信号是在多种因素共同影响下产生的，因此式一种没有确定变化规律的随机信号。但是随着实验的次数的增加，依然可以发现故障时采集的信号具有某种统计性规律。时域的统计特征参数包括：均值、均方值、方差、峰值，以及峭度指标、裕度指标等无量纲指示性指标，这些参数所具有的共同特点是对设备的缺陷足够敏感，对信号的幅值和频率不敏感，即仅依赖于信号的幅值概率密度，不取决于设备的运行工况，因此直接利用时域信号进行分析能判别设备运行状态。

傅里叶变换是在傅里叶级数正交函数展开的基础上形成的，这方面的问题也称为傅里叶分析，而把周期信号展开为傅里叶级数的形式称为频域分析。傅里叶变换作为将信号从时域变换到频域的有效工具，可根据信号的类型进行连续周期信号的傅里叶变换，连续非周期信号傅里叶变换，离散周期傅里叶变换以及离散时间傅里叶变换。自功率谱分析的目的是获得信号的频率结构特征，由于功率谱反映了信号幅值的平方，因此其在反映信号的频率结构方面更加具有优势。

对低频冲击所引起的高频共振波进行包络检波和低通滤波从而获得对应于低频冲击而又被放大并展宽的共振解调波是共振解调的根本目的。对共振解调波进行频谱分析可得到较理想的信噪比，从而实现机械设备的故障类型、部位的诊断。小波由于其良好性质而被广泛应用于信号去噪，小波包分析可以对频带进行多层次划分，对多分辨率分析中没有细分的高频部分进一步分解，从而实现信号高低频段的同时分解。并可以自适应地选择频段，使之与信号特征频谱相匹配，从而有效提高时频分辨率。

通过BP神经网络完成齿轮的故障诊断，其基本操作步骤如下:获取样本并进行样本筛选等处理以提供可靠的训练数据；搭建网络拓扑结构，对神经网络相关参数进行设定；利用MATLAB搭建的人工神经网络进行网络训练并将MATLAB程序嵌入LabVIEW中实现齿轮的故障诊断。

具体而言，所诉输入端转速扭矩测量模块3和输出端转速扭矩测量模块5均包括角度编码器和扭矩传感器。精度的角度编码器可以实现旋转运动角位移的精确测量。角度编码器为增量式编码器，可以将角位移转换为周期性的电压或电流信号，再将电信号转变为计数脉冲信号，脉冲信号的个数即可用于表示角位移的大小，且该数值只与测量的起始点和终止点有关，与中间过程无关。增量式编码器的原理构造简单，可靠性高，可通过后续电路提高分辨率，能够满足高精度测量需求。

工作原理：先对BP神经网络进行训练，获取样本并进行样本筛选等处理以提供可靠的训练数据；搭建网络拓扑结构，对神经网络相关参数进行设定。训练完成后，可把目标样本写入神经网络进行诊断。然后开始对测试齿轮箱4进行故障模拟，试验台整体传动比为2.98，设置试验系统驱动电机2转速分别为500rpm、1000rpm和1500rpm，负载电机7扭矩分别为15N·m、150N·m和300N·m。相应地，驱动端等效加载扭矩分别约为5N·m、50N·m和100N·m。工控机10接收输入端转速扭矩测量模块3、输出端转速扭矩测量模块5和振动加速度传感器8采集的齿轮故障信号数据进行特征提取，然后基于BP神经网络对故障进行诊断。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种齿轮故障模拟实验台，包括底座(1)、驱动电机(2)、输入端转速扭矩测量模块(3)、测试齿轮箱(4)、输出端转速扭矩测量模块(5)、减速箱(6)、负载电机(7)、振动加速度传感器(8)、电机变频系统(9)和工控机(10)，其特征在于：所诉驱动电机(2)、输入端转速扭矩测量模块(3)、测试齿轮箱(4)、输出端转速扭矩测量模块(5)、减速箱(6)、负载电机(7)和电机变频系统(9)成U型通过安装座(11)依次安装在底座(1)的上，所诉驱动电机(2)通过联轴器与输入端转速扭矩测量模块(3)相连，所诉转输入端转速扭矩测量模块(3)通过联轴器与测试齿轮箱(4)的输入轴相连，所诉测试齿轮箱(4)的输出轴通过联轴器与输出端转速扭矩测量模块(5)相连，所诉输出端转速扭矩测量模块(5)通过联轴器与减速箱(6)输入轴相连；所诉减速箱(6)的输出轴与输入轴在同一侧，所诉减速箱(6)与负载电机之间通过联轴器进行联接，所诉振动加速度传感器(8)固定安装在测试齿轮箱(4)的轴承座上，所诉工控机(10)通过PLC与电机变频系统(9)通讯连接用于控制电机变频系统(9)，所诉电机变频系统(9)分别与驱动电机(2)和负载电机(7)通讯连接用于控制电机频率，所诉工控机(10)分别与输入端转速扭矩测量模块(3)、输出端转速扭矩测量模块(5)和振动加速度传感器(8)通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种齿轮故障模拟实验台，其特征在于：所诉底座(1)和安装座(11)材料为经过退火处理的灰口铸铁。

3.根据权利要求1所述的一种齿轮故障模拟实验台，其特征在于：所诉振动加速度传感器(8)的数量至少为2个，且测试齿轮箱(4)每个轴的轴承座上均安装有振动加速度传感器(8)。

4.根据权利要求1所述的一种齿轮故障模拟实验台，其特征在于：所诉安装座(11)的底部设有长条状凹槽，所诉安装座(11)通过T型螺栓和压板固定在底座(1)上。

5.根据权利要求1所述的一种齿轮故障模拟实验台，其特征在于：所诉驱动电机(2)与输入端转速扭矩测量模块(3)之间的联轴器和减速箱(6)与输出端转速扭矩测量模块(5)之间的联轴器选择梅花型弹性联轴器，所诉测试齿轮箱(4)与输入端转速扭矩测量模块(3)和输出端转速扭矩测量模块(5)之间的联轴器选择凸缘联轴器，所诉减速箱(6)与负载电机(7)之间通过球笼式同步万向联轴器进行联接。

6.根据权利要求1所述的一种齿轮故障模拟实验台，其特征在于：所诉输入端转速扭矩测量模块(3)和输出端转速扭矩测量模块(5)均包括角度编码器和扭矩传感器。

Images