齿轮箱点蚀的在线故障诊断系统

晋敏，潘宏侠，杨倩倩，白慧芳

(中北大学机械与动力工程学院，山西太原 030051)

0 前言

随着科学技术的进步和飞速发展的现代化生产，机械生产设备的结构变得越来越复杂，同时其自动化的程度也越来越高。在这种情况下，由于实际过程中很多无法避免的因素的影响，有时机械设备会出现各种各样的不同类型故障，甚至会造成灾难性的事故［1］。

由于小波分析同时具有时域和频域分析能力，而且具有可变的时频分辨率，因此能够对非平稳信号进行很好的分析。齿轮传动是机械设备中最常用的传动方式，齿轮失效又是诱发其故障的重要因素。在生产中，由于小故障未能及时发现而酿成设备事故，带来经济损失的事例屡见不鲜;故对齿轮运行状态进行在线监测和故障诊断，对降低设备运行费用、防止突发事故具有重大的现实意义［2］。

齿轮的故障常常表现在振动状态方面，因此对振动信号进行检测是齿轮故障诊断的主要方法，小波作为一种时频分析的信号处理方法，在齿轮振动信号分析中得到了广泛的应用。本文作者主要对齿轮的故障机制进行分析，在对故障机制进行分析的基础上，对齿轮点蚀故障进行了分析，并将小波应用于其诊断中，实验结果表明能有效地识别故障。

1 小波分析与Hilbert的基本原理

小波变换定义为:

小波变换可理解为对该函数进行带通滤波，即将信号分解为一系列带宽和中心频率不同的信号分量的过程［3］。

当a变小时，ψa，b(t)的频谱)在向高频部分转移时其宽度也相应增加，因此，小波变换时频率愈高，其相应的时间(或空间)的分辨率愈高，但

频率分辨率愈低;反之，频率愈低，在时域上的分辨率愈低，而频域上分辨率则上升［3］。所以小波变换能成功克服傅里叶变换的局限性。
假设x(t)是连续的时间信号，则Hilbert变换可以表示为:

其中x(t)通过滤波器后的输出是y(t)，假设滤波器的单位脉冲响应表示［4］为h(t)=，则x(t)就可以表示为:

式中:A(t)和φ(t)分别表示幅度和相位调制信息;f0表示载波频率。

信号的Hilbert包络可以定义为:

对信号做Hilbert分析可以等到信号的包络谱。Hilbert包络具有解调功能［5］，对故障信号可以进行解调，同时利用Hilbert分析可以得到比较清晰的结果。

2 齿轮发生点蚀的机制

机械故障中有60%的故障是由齿轮箱故障引起的，因此对齿轮箱进行故障诊断具有重要的意义。由于在设计加工过程中以及安装调试和润滑等方面不完善，齿轮箱经常发生故障，常见的主要有有点蚀、轮齿折断等故障。点蚀故障是指齿轮运转时，齿面在周期性应力的长期作用下，齿表面金属会慢慢剥落，形成小凹坑;如果不能及时发现并处理，点蚀故障继续发展，会变成断齿、轮齿折断等严重故障，导致与其连接的齿轮变形甚至折断，严重时甚至整个齿轮箱失效［6］。

当齿轮箱发生点蚀故障时，其频谱中的啮合频率及其二、三次谐波附近的边带频都会有明显的增长，这是因为在发生点蚀时，在其振动信号中会出现一定带宽的随机分量，与主频带信号叠加在一起。

试验中的研究对象为JZQ250型齿轮箱，实验系统由电动机驱动，电机输出轴经由联轴器与齿轮箱的输入轴相连，再经过齿轮箱传动，传递动力于磁粉制动器。根据实验条件，转速为1 200 r/min，转速比为1∶2，大齿轮齿数为60，小齿轮齿数为30，可以计算出减速箱的啮合频率为600 Hz，其二、三次谐波分别为1 200 Hz、1 800 Hz。根据对故障机制的分析，对采集的信号首先进行单层次小波分解，从小波系数无法直接判断是否发生故障，因此需要对小波系数进一步处理。

希尔伯特变换已广泛应用于齿轮故障诊断中，这是因为利用希尔伯特变换可以得到信号的复包络，此复包络只包含信号的调制信息，无载频成分［4］。即去除了常规振动分量，仅保留故障信息。由于齿轮的故障信息主要体现在高频，即细节信号上，因此对小波分解的细节信号进行希尔伯特变换，求出其包络谱。

编写程序，并在Matlab中运行，程序运行结果如图1—3所示。

图1 正常和故障振动信号

图2 信号的小波分解

图3 信号的包络谱分析

从图1中无法直接判断信号是否有故障，在对其做小波分解后，如图2所示，发现仍然无法判断设备当前是否正常运行。通过对故障机制的分析以及希尔伯特变换的良好性质，决定采用对小波变换系数求包络谱的方法来判断是否存在故障。从实验结果可以明显地看出，其振动信号频谱中的啮合频率及其二、三次谐波附近的边频带都会有明显的增长。

3 VC环境中界面设计及故障诊断

要实现VC集成环境中调用MATLAB引擎，完成所需要的运算与绘图，需要在VC环境中做一些设置。

(1)目录设置

①添加头文件目录

首先启动VC，选择菜单“工具”－－－＞“选项”，此时将弹出“选项”对话框。在选项对话框中，选择“目录”属性页，确认“目录”中下拉列表中选择的是”Include file”，然后添加目录“MATLABEXTERNINC－LUDE”;最后点击“确定”按钮确认添加。

②添加库文件目录

在选项对话框中，选择“目录”属性页，确认“目录”中下拉列表中选择的是“Library file”，然后添加目录“MATLABEXTERNLIBWIN32MICROSOFTMSVC60”;最后点击“确定”按钮确认添加。

(2)添加库文件

首先创建一个名为“jiemian”的基于对话框的VC工程。

选择菜单中的“工程”－－－＞“增加到工程”－－－＞“文件”命令，将打开“插入文件到工程”对话框。在对话框中，在“文件类型”列表框中选择“Library Files(.lib)”，然后将目录MATLABEXTERNLIBWIN32MICROSOFTMSVC60中的libeng.lib和libmx.lib库文件添加到工程文件中，如图4所示。

图4 在选项对话框中添加库文件目录

(3)界面设计

在“jiemian”框体上添加三个按钮控件，更改说明(Caption)分别为“时域图”、“小波变换图”、“希尔伯特图”，此时的对话框框体如图5所示。

图5 jiemian的框体设计图

(4)添加按钮响应函数

在“时域图”、“小波变换图”、“希尔伯特图”的按钮上分别双击，VC集成环境就会自动生成该按钮的相应函数，并把光标定位到该相应函数的代码处，在此进行代码编辑。编辑对应的代码，编译，运行，即可在VC环境中生成界面进行相应的信号处理。点击时域图、小波变换图、希尔伯特图运行结果如图6—8所示。

图6 时域图

图7 小波变换图

图8 希尔伯特图

(5)添加规则库

设定规则库是为了用于诊断，本规则库是手动输入。该规则库设计到添加、修改、删除，通过这面操作做到对规则库的管理。本规则库的规则存入TXT文件，每当要使用规则时，先把规则加载存入一个data［］［］的二维数组，然后通过操作该二维数据达到对该规则库的添加、修改和删除。加载的界面如图9所示。

图9 加载规则库界面

添加代码设计的界面如图10所示。

图10 添加规则库

修改规则库的代码与界面如图11所示。

图11 修改规则库界面

诊断的基本原理是通过对比提取的参数与规则库里设定的参数进行对比来判断所分析的特征参数是否在规则库范围之内，如果超出就判断错，否则是正确。最后再给一个总的判断，如果存在一个错误，给出该风力发电系统存在故障的警告。可以诊断的结果输出，存入TXT文档。界面如图12所示。

图12 加载提取的特征值

诊断结果如图13所示。

图13 诊断结果界面

该设计中有两处输出TXT文件，分别是提取特征参数，导出特征参数值，进行诊断，保存诊断结果。基本的思想是，创建TXT文件，然后写入，得到输出TXT文件。

4 结论

介绍了齿轮箱点蚀故障原理，采用MATLAB对信号进行小波分解和希尔伯特变换，可以很好地辨识点蚀故障。在VC6.0开发环境下调用MATLAB引擎进行简单的界面设计并设计规则库诊断故障。结果证明，在VC6.0里设计的界面可行并可诊断故障。所设计的界面可行。

［1］韩清凯，于晓光．基于振动分析的现代机械故障诊断原理及应用［M］．北京:科学出版社，2010．

［2］鲍明，赵淳生，齿轮故障诊断技术的研究［J］．南京航空航天大学学报，1992，24(5):566－572．

［3］徐帅英，王细洋，孙伟．基于小波变换的齿轮箱故障诊断［J］．组合机床与自动化加工技术，2012，54(2):66－71．

［4］周桂平，王宏．小波包与Hilbert分析法在旋转设备故障诊断中的应用［J］．组合机床与自动化加工技术，2012，54(10):84－90．

［5］王朝晖，张来斌，樊长博．基于EMD和HT时频分析方法的滚动轴承故障诊断［J］．石油机械，2007，35(5):32－34．

［6］周培毅，袁铁江，张华中．基于小波包的风力机齿轮箱点蚀故障诊断［J］．陕西电力，2013，41(10):10－13．