基于LabVIEW的齒輪箱故障診斷測(cè)試系統(tǒng)

1、第30卷第4期2009年 4月煤 礦 機(jī) 械基于LabVIEW的齒輪箱故障診斷測(cè)試系統(tǒng)周建民,周 佳,肖 強(qiáng)(華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌330013)摘 要:基于虛擬儀器LabVIEW的齒輪箱故障診斷測(cè)試系統(tǒng),通過對(duì)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的采集、處理與分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪故障的診斷。介紹了系統(tǒng)的軟、硬件功能與設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)具有很高的可靠性,可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵詞:齒輪;故障診斷;LabVIEW中圖分類號(hào):TP391;TH132 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1003-0794(2009)04-0210-03FaultDiagnosisTestingSystemo

2、fGearboxBasedonLabVIEWZHOUJian-min,ZHOUJia,XIAOQiang(KeyLaboratoryofConveyanceandEquipmentofEastChinaTrafficUniversity,EducationMinistry,Nanchang330013,China)齒輪箱是各類機(jī)械的傳動(dòng)部件,齒輪箱的運(yùn)行是否正常,涉及整臺(tái)機(jī)器或機(jī)組的工作狀態(tài)。在齒輪箱中,齒輪本身的故障比重最大,約占60%。由此表明,在齒輪箱中,齒輪本身的制造和裝配質(zhì)量及其運(yùn)行維護(hù)是保證齒輪正常運(yùn)行的關(guān)鍵。而齒輪的失效主要以齒輪的損傷為主,常見的損傷形式及其發(fā)生概率見表1。所有

3、這些損傷均會(huì)改變輪齒的正常形貌,惡化傳動(dòng)質(zhì)量,加劇齒輪的振動(dòng),并改變振動(dòng)的特性。表1 常見齒輪損傷形式及概率齒輪故障類型裂紋、斷齒點(diǎn)蝕劃痕磨損其他所占百分比/%413110108普通儀器的基本功能,又有一般儀器所沒有的特殊功能的高性價(jià)比的新型儀器。虛擬儀器的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、靈活,并能方便地進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)。本文構(gòu)建的基于LabVIEW的齒輪箱故障診斷測(cè)試系統(tǒng)通過對(duì)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的采集和存儲(chǔ),并且對(duì)信號(hào)的時(shí)域指標(biāo)、時(shí)域波形、自功率譜和概率密度圖形進(jìn)行分析,可以基本實(shí)現(xiàn)齒輪的故障診斷。1 LabVIEW簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW(實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái))是美國(guó)NI開發(fā)的一種基于G語(yǔ)言的交互式編程語(yǔ)言,是目

4、前世界上唯一的圖形化編程語(yǔ)言。LabVIEW將軟件和各種不同的測(cè)量?jī)x器硬件及計(jì)算機(jī)集成在一起,建立虛擬儀器系統(tǒng),以形成用戶自定義的解決方案。采用LabVIEW圖形化編程的主要特點(diǎn)就是將VI的主要功能分解為多個(gè)基本的子功能VI。每個(gè)子VI可進(jìn)行封裝,只需顯示輸入與輸出接口,單個(gè)功能的子VI可重用性強(qiáng),從而節(jié)省了編程時(shí)間,大大提高研究人員的工作效率。2 齒輪故障診斷的LabVIEW實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。硬件系統(tǒng)主要包括齒輪箱、壓電傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等。通過壓電傳感器采集齒輪的振動(dòng)信號(hào),再由信號(hào)放大器把電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并將信號(hào)放大,放大后的信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)化

5、為計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字信號(hào),再進(jìn)入LabVIEW軟件齒輪的故障診斷方法大體可分為2類:(1)根據(jù)摩擦磨損理論,通過研究分析齒輪箱潤(rùn)滑油中的磨屑來診斷齒輪的狀況;(2)通過對(duì)齒輪運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)信號(hào)的處理分析來診斷。而振動(dòng)信號(hào)能更迅速更準(zhǔn)確地反應(yīng)故障信號(hào),因此目前采用的方法大多是應(yīng)用振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理。虛擬儀器最早由美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)在1986年提出,所謂虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī),加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件,形成既有)第30卷第4期基于LabVIEW的齒輪箱故障診斷測(cè)試系統(tǒng))周建民,等系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析。而LabVIEW軟件系統(tǒng)又包括三大部分:硬件驅(qū)動(dòng)程序、信號(hào)分析處理程序以及

6、虛擬儀器面板設(shè)計(jì)。線分析,并能顯示時(shí)域波形、幅值譜、概率密度圖等波形圖,且同步計(jì)算顯示各個(gè)波形指標(biāo),功能上已經(jīng)較好地完成了易于操作的界面。3 齒面磨損的故障診斷實(shí)例本文的信號(hào)采集過程中使用了2個(gè)振動(dòng)加速度傳感器,其安放位置如圖3所示,其中一個(gè)傳感器放置于主動(dòng)輪軸承的上方,另一個(gè)放置于從動(dòng)輪軸承的上方。其白色的一點(diǎn)為轉(zhuǎn)速表測(cè)量轉(zhuǎn)速所需要的反光紙。圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)(1)硬件驅(qū)動(dòng)程序系統(tǒng)中選擇UA302/H型A/D采集卡,該采集卡并未提供支持LabVIEW的驅(qū)動(dòng)程序,但由于Lab-VIEW可通過動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)與其他程序?qū)崿F(xiàn)共享,所以通過調(diào)用庫(kù)函數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)部分程序流程見圖2。打

7、開設(shè)備初始化函數(shù)采集數(shù)據(jù)關(guān)閉設(shè)備圖3 傳感器測(cè)點(diǎn)1.主動(dòng)輪軸上加速度傳感器位置 2.從動(dòng)輪軸上加速度傳感器位置3.轉(zhuǎn)速測(cè)量點(diǎn)利用簡(jiǎn)單的自功率譜和概率密度函數(shù)方法,對(duì)齒面磨損的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理、分析,達(dá)到初步對(duì)齒輪故障進(jìn)行診斷的目的。由圖4的時(shí)域波形可以看出齒輪磨損以后有一些沖擊,但是沖擊不出現(xiàn)周期性,與齒面磨損的時(shí)域特征符合。如圖5所示,在低頻階段可以看到在15Hz和20Hz左右可以看到從動(dòng)輪和主動(dòng)輪的嚙合頻率。圖6中,高頻階段在419Hz左右可以看到主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪的嚙合頻率以及和嚙合頻率相差主動(dòng)輪頻率的邊頻帶,分別為442Hz和396Hz。由此則可以判定缺陷存在于主動(dòng)輪上。如圖7所示,在

8、419Hz左右可以看到齒輪的嚙合頻率,在832Hz左右可以看到齒輪嚙合頻率的二倍頻,還可以看到齒輪嚙合頻率的三倍頻,由于采樣點(diǎn)數(shù)的限制在這張圖上就沒有顯示出三倍頻的譜圖。圖8為齒面磨損振動(dòng)信號(hào)的概率密度圖形,在圖形中看出概率密度圖形較陡峭,振動(dòng)的振幅增大,諧波增多、反映到概率密度圖上使其變峭,兩旁展寬。圖2 采集卡驅(qū)動(dòng)程序流程(2)信號(hào)分析處理程序信號(hào)處理就是要對(duì)采集到齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理,包括時(shí)域和頻域分析。時(shí)域描述突出/序0的概念,頻域描述突出/成分0的概念。信號(hào)的頻域分析主要包括幅值譜分析和功率譜分析。而時(shí)域分析除了常見的概率分析法、時(shí)域平均法和相關(guān)分析法之外,還可以借助裕度指標(biāo)

9、、波形指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、峰值指標(biāo)、峭度指標(biāo)和偏態(tài)指標(biāo)等這些參數(shù)來對(duì)故障進(jìn)行診斷分析。該部分程序就是對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行在線或離線的時(shí)域及頻域的分析,然后根據(jù)分析的結(jié)果來判斷故障類型。在本系統(tǒng)中,把各種分析算法編制成獨(dú)立的子VI,只需要在主程序中調(diào)用即可。這樣既能夠提高主程序的性能,又可以方便編程人員。這部分是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。(3)虛擬儀器面板程序虛擬儀器面板程序提供人機(jī)交互的界面,通過面板上的各種按鈕、開關(guān)等控件實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬儀器的控制,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和分析處理等功能。本論文的程序在界面可以選擇對(duì)數(shù)據(jù)離線或在)圖4 齒面磨損故障振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形第30卷第4期電力變壓器短路故障分析劉 豪(平頂山工

10、學(xué)院,河南平頂山467002)摘 要:通過對(duì)電力變壓器機(jī)理的分析和故障的了解,建立變壓器的仿真模型。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行對(duì)該變壓器正常工作以及短路故障分析。用解析法驗(yàn)證仿真結(jié)果,2種方法所得結(jié)果吻合較好,表明建立電力變壓器的仿真模型合理以及求解方法的可行性。關(guān)鍵詞:短路故障;電力變壓器;故障運(yùn)行中圖分類號(hào):TM41;TP306 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1003-0794(2009)04-0212-03ShortCircuitFaultAnalysisinPowerTransformerLIUHao(PingdingshanTechnologyInstitute,Pingdingshan46700

11、2,China)Abstract:Throughtheoreticalanalysisandfaultknowledgeofpowertransformer,itisfoundedbysimula-tionmodeloftransformer.Onthefoundation,normalrunningandshortcircuitsoftwowindingsareana-lyzed.Analyticalmethodisconfirmedagreementwiththeanalysisofsimulation,indicatingthereasonableofsimulationmodelofp

12、owertransformerandthefeasibilityofsolving.Keywords:shortcircuitfaults;powertransformer;faultoperation0 引言隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng),社會(huì)生產(chǎn)力水平的提高,圖5 齒面磨損故障振動(dòng)信號(hào)低頻段自功率譜圖圖8 齒面磨損故障概率密度圖形號(hào)采集、存儲(chǔ)和分析處理的功能,并具有研制成本低,簡(jiǎn)單實(shí)用,性能穩(wěn)定可靠和人機(jī)界面友好等特點(diǎn),為齒輪的故障診斷提供了一種先進(jìn)可靠的診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可用于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與科研工作,也能用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。參考文獻(xiàn):圖6 齒面磨損故障振動(dòng)信號(hào)高頻段自功率譜圖1何忠蛟.輸送機(jī)減速器齒輪故障分析J.煤礦機(jī)械,2006,27(6):1096-1098.京:清華大學(xué)出版社,2007.3王少紅,徐小力.LabVIEW下國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)采集卡DLL的設(shè)計(jì)J.北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),20