船用齿轮箱状态监测与故障诊断系统探讨

全向宏 深圳华威近海船舶运输股份有限公司

1.常见的船用齿轮故障

1.1 齿面磨损

齿轮啮合时，若表面存在颗粒、润滑液中有异物颗粒，会导致吃面受到磨损。此外，若齿轮安装不对称、联轴器有扭转共振，也会导致齿面出现磨损。

1.2 胶合

若润滑油粘度低、齿轮运转时温度过高，会导致齿面出现胶合。

1.3 断齿

断齿分为疲劳断齿、过载断齿、局部断齿。疲劳断齿主要是齿轮齿根受脉动循环影响，若长久不停歇运作，就会导致齿轮出现裂纹，严重的就会导致齿轮断裂。过载断齿主要是由于超载、冲击荷载导致断齿。局部断齿为加工精度不足、装配错误致使齿轮损坏。

2.船用齿轮箱状态监测与故障诊断系统

2.1 系统硬件

船用齿轮箱状态监测与故障诊断系统硬件部分由工控机、端子板、信号处理器、传感器等构成。

2.2 数据采集系统

（1）采集卡信息。采集卡位于工控机内部，由内部LabVIEW匹配到相关采集卡参数，传递给传感器指令，传感器从测量点采集信号，途径端子板、信号处理器，最终上传到数据采集卡中。采集卡为满足齿轮箱的多路监测、数据高频率采集等要求，推荐采用PCI-9114DG采集卡，该采集卡有32条输入通道，采样频率达到100KHz，分辨率为16位A/D。此外，该采集卡仅需C#编写动态链接库即可编写驱动程序。

（2）采集卡参数。数据采集卡位于工控机中，工控机系统为采集卡分配设备编号，编号和采集卡互相对应。数据采集卡上存在多个通道，为区分各个采集卡I/O通道功能，对各个通道命名，以便使用。I/O范围：采集卡运行中，将采集模拟信号/输出模拟信号，信号大小在一定范围浮动，操作者可针对使用要求设置信号值。

3.以数据采集卡指导书确定基本函数，在库函数节点添加函数返回类型值

3.1 函数配置

采集卡函数配置后，在LabVIEW框图中需连接各个节点，三个基本函数以层叠结构贯穿，采集卡初始化无符号16位返回值为局部变量。

3.2 多通道采集

船用齿轮箱其故障零件和普通齿轮箱相差不大，对其状态监测，可设置模拟实验台分析。实验台针对齿轮安装4测试点，针对轴承座安装3测试点，通过7个测试点采集信号，传送给采集卡。

3.3 数据储存及查询

数据采集卡采集到信息，可便于落实后续数据分析，也可将数据系统的储存起来，保存到外部文件中，以备不时之需。文件的保存可设置为文本格式、电子表格形式等。文章设计对数据采取电子表格方式进行储存，这种电子表格的文件储存方式可以直接将收集到的波形文件储存为电子表格文件，而后读取其数据。数据查询，需确认电子表格在计算机硬盘中的具体位置，对函数读取，最终得到电子表格数据，对数据查询分析（如图1）。

4.软件系统设计

4.1 振动信号幅域

振动信号幅域为信号统计特征，其以振动信号概率密度函数特点，考虑到其对应齿轮箱故障的特点，对特征参数统计，例如，可对峭度、裕度及峰值等参数统计。不同统计特征参数若超出极限值，则系统报警。例如，振动指标超出设定值，则报警灯亮，提示异常。

振动信号的调整指标可能伴随故障发展而存在一定上升，但是仍需考虑机器工作极限对振动的限制。无量纲指标并不会因为工作条件变化而变化，当故障持续发生一断时间，无量纲参数也会出现一定程度下降。故需利用好各种参数，以峭度及均方幅值检测。

4.2 信号频域

（1）功率谱。通过LabVIEW技术，可以对信号频域中功率谱函数节点PS/PSD.vi分析，通过对该函数节点深入分析，进一步实现对时域信号功率谱的分析。但是需注意，在具体分析前，应设置好函数节点的各项参数，设置好函数节点加窗，以此采集振动时域信号，且避免功率谱变换时发生谱能量丢失等问题，保证信号可以平稳的过度，也确保谱分析值的准确性。

（2）倒频谱分析。倒频谱指对功率谱对数值实施傅立叶逆变换，对相关的视域信号自功率谱详细分析，最终以单边功率谱（返回）For循环中得其对数，之后进行一维实数傅立叶逆变换，最终得到倒频谱。

对于船用齿轮箱故障的诊断，以倒频谱分析，无需考虑测点不同导致传感器传递函数差异导致造成干扰。通过倒频谱分析，也可区别由于调制而导致的功率谱周期分量，诊断具体调制源。

（3）Hilbert包络谱分析。包络谱分析通过Hilbert函数节点、交流及直流分量，以此估计函数节点及傅里叶变换函数节点算数运算。通过此分析方式，可得到幅值、相位及频率变换。

5.效果分析

船用齿轮箱连接船只柴油机及螺旋桨，其性能决定船只运行稳定性。船用齿轮箱运行以传递扭矩，起到减速控制作用。下文以相应故障模拟实验台分析文章研究系统是否可靠。

为分析齿轮箱故障监测及诊断系统是否有效，设置相关实验平台，实验平台可为监测及诊断系统提供诊断平台，平台以可调节带轮方向确定故障模拟形式，齿轮箱及转圆盘传动系统。项目主要分析齿轮断裂、齿轮裂纹、齿轮磨损等。

以变频电机为其提供源源不断的动力，同时变频电机通过传送带，按照需求，设置传动系统。另一端的齿轮箱则以一级减速器传动装置构成系统，在主动轴上的齿轮为小齿轮，而从动轴为大齿轮。

对某齿轮箱故障诊断实验，齿轮箱中小齿轮齿数20，大齿轮齿数48，在齿轮箱设置压电式加速度传感器，通过此专业的传感器，对齿轮磨损状态下的振动信号进行科学监测分析。

若齿轮减速箱正常运行，其转速达到90r/min时候，对应的主动轮转频90/60-1.5Hz。而若齿轮在运行当中出现磨损，相应的转速及主动轮转频都会发生变化，在试验中发现其转速达到315r/min，主动轮转频达到315/60=5.25Hz。经系统滤除杂波后，发现其正常齿轮冲击信号并不明显，故障齿轮啮合频率有较大冲击，且还存在周期性冲击。通过该船用齿轮箱状态监测与故障诊断系统，可以很好的了解齿轮存在的问题，对其状态进行监测，发现故障可及时报警，提醒及时处理。

6.结语

当下，船用齿轮箱逐渐向复杂、高速方向发展，传统齿轮箱诊断方式已然无法满足时代发展需求，故继续开发新的监测诊断系统。文章设计了一种船用齿轮箱状态监测及故障诊断系统，通过LabVIEW技术，对其系统进行设计，得出相应结论：船用齿轮箱状态监测系统手机的信号含有复杂波形，通过C#软件及LabVIEW技术对常用信号诊断方法方针分析，以硬件舍尔必对检测系统进行分析，并以传感器及LabVIEW技术为支持，可以针对数据采集卡设置不同的数据监测路径，提高数据监测实际效率，确保相关设备在船用齿轮箱监测过程中稳定运行。最后以故障模拟实验论证系统可行性，发现齿轮箱故障监测及诊断系统可对故障齿轮进行诊断，且齿轮箱振动信号频率及故障特征频率吻合，系统实用性突出。