挤压机齿轮箱振动监测系统的研究

挤压机齿轮箱振动监测系统的研究

李开贵1宿相泽2万宝超3

中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司

摘要：本文主要介绍了基于LabVIEW的齿轮箱在线监测系统。该系统主要包括数据采集、实时故障报警、信号分析、报表统计与数据保存技术，集成了传统手持检测仪器的功能，提供了友好的人机界面，实现了多通道实时在线显示数据。通过在线振动监测可实时查看齿轮箱内部轴承和齿轮的运行状态，提前发现部件故障信息，从而指导开展计划性维护与维修。

关键词：齿轮箱；轴承；在线监测；故障诊断

一、常用故障诊断的方法

针对机械设备故障，人们通常通过不同的检测手段，以各种测量传感器，如振动传感器、压力传感器、温度传感器等硬件基础，发展出不同的专门诊断技术。常用的机械故障诊断技术有油样分析技术、红外监测技术、光纤检测法、油膜电阻诊断技术、超声波探伤和最为普遍的基于振动信号的机械故障诊断技术。

机械故障诊断常采用时域分析法、频域分析法相结合的手段进行综合分析判断。时域分析法主要采取均值、有效值、峰值、峭度等常见的数字特征及概率分布特征作为判断依据。频域分析法以快速傅里叶变换为核心的经典信号处理为基础，利用振动信号的频谱特征实现轴承故障诊断，根据特征频率实现轴承故障的深入检测。在频谱分析过程中，常用的诊断手段有细化频谱、功率谱、小波分析、包络分析、阶比分析和倒频谱等。

二、硬件系统关键指标及选用

振动传感器是监测系统的重要部件之一，它的作用是将机械量接收并转换为与之成比例的电量。它的工作性能由机械接收部分和机电转换部分的性能决定，其关键指标：

1.灵敏度：加速度传感器的灵敏度是指其在稳态工作条件下输出信号量与输入加速度的比值。灵敏度越高，则信噪比就越大，静电干扰和电磁干扰噪声也就越小。

2.质量：加速度传感器在使用时通常是通过螺钉连接或胶黏的方法固定在被测物表面的，如果加速度计的动态质量接近被测结构物的动态质量，则会使振动产生明显的衰减。

3.谐振频率：加速度传感器本身是一个弹簧-质量阻尼系统，必然有一个谐振频率，如果被测物的振动频率正好接近这个谐振频率，加速度传感器的灵敏度会急剧增加。一般来说，加速度传感器都工作在其谐振频率的1/5或1/3的频段内。

4.频率响应：加速度传感器按照其工作原理不同，有些在高频段表现出色，可以达到几十kHz，有些则是低频响应较好，并可以提供直流响应。

5.温度灵敏度：振动传感器的输出特性取决于压电材料对温度影响的敏感性。对于同一种类型的振动传感器，一般说来，温度越高，测量误差就越大，但传感器输出与温度间并不呈线性变化。

数据采集卡是将振动传感器通过调理模块处理，转换成计算机可识别的数字信号，通过USB、PXI、PCI、PCIExpress、ISA、以太网等总线传至上位机进行分析处理。其关键指标：

1.通道数：就是数据采集卡可以采集多少路信号的数量，模拟输入通道数可以分为单端和差分两种。单端主要用在输入信号较高，噪声干扰较小的地方。差分则共模干扰信号可以被导线消除得以抑制，提高采集精度。

2.采样频率：指数据采集卡进行A/D转换的速率。常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等。原则上说，为更好地反映原始信号，可以通过高采样速率在给定时间下采集更多数据。

3.分辨率：指最大的信号经采样后可以被分成的最小部分，常有12位、14位、16位等。分辨率越高，测量的也就越精确。

4.精度：测量值和真实值之间的最大偏差的绝对值，是信号在整个数据采集系统中会受到参考量随时间、温度的飘移误差、随机误差、非线性误差、增益误差等影响的综合表现。

5.量程：是模数转换器可以量化的最小和最大电压值，即输入信号的幅度，常用有±5V、±10V、0～5V、0～10V，一般要求输入信号的电压值在数据采集卡的量程之内。

6.增益：输入信号的放大倍数，分为程控增益和硬件增益，一般1、10、100、1000倍较为普遍。

齿轮箱在线监测硬件系统由振动加速度传感器CT1010LC、信号调理电路、数据采集卡MCCUSB-231、PC机工作站和信号传输电缆组成。

CT1010系列加速度传感器是将电荷放大电路集成内置在压电传感器内，采用二线制形式，芯线是恒流电源入与信号输出共用。产品具有抗干扰好，信噪比高。经过强化试验和时效处理，可靠性得到提高。

MCCUSB-231数据采集卡提供两路16位模拟输出通道。单通道或双通道均可设置为每通道5kS/s的更新速率。输出电压范围固定为±10V。

其中ICP/IEPE加速度传感器CT1010LC主要性能指标：

三、系统总体设计方案

齿轮箱轴承在线监测系统的软件设计思想采用模块化、层次化结构，功能模块通过接口来实现相互调用，相互独立又互相联系。在线监测系统采用上位机和客户端软件模式。上位机为该系统的核心部分，实现对各个信号通道的数据进行实时显示，对异常振动数据进行实时报警，并将报警时间、通道值和数据等信息保存至报警数据库中。根据用户选择的通道和分析类型进行相应频谱分析，如通频FFT、频谱细化、包络分析、倒频谱，通过计算的特定轴承故障特征谱线进行初步故障分析。由于齿轮箱内部轴承测点达到24个，所以上位机软件采用定时储存各个通道的采集数据至SQLServer数据库中的方式，每日记录一次各个通道计算的均值和峭度，以降低数据存储量对硬盘的要求。通过相应的查询按钮，可以将每月的均值和峭度导出到EXCLE文件中，用以观察设备振动趋势，及时掌握设备劣化动态。

客户端软件通过数据链接UniversalDataLink文件来访问SQLServer远程数据库，实现对历史趋势、峭度、均值的读取。通过TCP协议侦听指定端口，完成实时数据的传输功能，保证客户端软件相应频谱计算及报警功能的实现。

为验证分析功能的准确性，与SKF公司Imx—P便携式多通道在线监测系统对齿轮箱10号测量点进行测量。采取相同传感器，通过通频FFT图谱进行比较，频谱线基本一致。选取了Imx—P监测系统峰值较高的4条谱线，分别为559.375Hz，1117.969Hz，839.063Hz，623.438Hz，对应本系统分别为560Hz，1119Hz，839Hz，624Hz。

通过实验论证和信号分析处理等关键技术理论研究，基于LabView的齿轮箱在线监测系统能够对挤压机齿轮箱作实时的监视与比较全面的分析，结果准确，符合实际。系统及其各个功能模块运行正常，满足长周期运行。

参考文献：

[1]刘君华．基于LabVIEW的虚拟仪器设计（第一版）[M]．北京：电子工业出版社，2003；

[2]孙二敬．基于LabVIEW的多传感器信息采集平台[D]．北京：北京交通大学，2006：

[3]李辉，流动轴承和齿轮振动信号分析与故障诊断方法．2001，西北工业大学．