基于.NET平臺行星齒輪傳動故障診斷系統

孫秀茹

(煙臺黃金職業學院機電工程系，山東 煙臺 265402)

隨著基于振動信號的故障診斷方法不斷完善和智能化診斷平臺的發展，試驗人員越來越依賴計算機軟件平臺[1]。通過軟件平臺對行星齒輪傳動系統進行故障診斷具有較好的實時性和可操作性，大大提高了診斷精確度和研究人員的工作效率[2-4]，適應當今高速發展的實際生產需要。

國內外針對行星齒輪系統故障診斷研究的學者較多。Kahraman[5]于1994年提出了單級行星齒輪系統的純扭轉模型，得到了系統扭轉固有頻率的方程，并建立了非線性時變系統動力學模型，研究了行星齒輪系統的均載特性。美國賓夕法尼亞州立大學的Mark等[6]通過建模研究了行星輪承載不均和載荷調制所產生的頻譜特征，作為行星齒輪箱故障診斷的重要依據。魏大盛等[7]通過建立多自由度行星齒輪系統的動力學模型，研究了齒輪接觸比和太陽輪中心浮動對動態特性的影響。這些方法都不能實現齒輪故障的在線診斷，因此對在線故障診斷平臺研究至關重要。

行星齒輪傳動系統故障診斷是通過.NET在線平臺及時對齒輪進行診斷，確保行星齒輪在承受一定的負載時能夠有效地運行，以確保整個系統的工作效率和精度，及時避免意外和安全事故的發生。因此，對行星齒輪傳動系統在線診斷平臺的研發十分必要，可實現行星齒輪傳動系統高速有效、健康安全、長期可靠的運行。

1 行星齒輪傳動系統故障診斷流程

基于振動信號的行星齒輪傳動系統故障診斷流程如圖1所示。首先，采集行星齒輪的振動信號，然后提取振動信號的特征信息，并針對特征信息進行行星齒輪狀態的識別，從而得出行星齒輪的故障狀態，最后分析故障類型以及故障部位。

圖1 行星齒輪傳動系統故障診斷流程

其詳細的故障診斷過程主要分以下幾步:

1) 根據行星齒輪傳動實際工作狀態測量振動信號,并選擇最優測點；

2) 從采集的振動信號中以某種信號分析方法提取能反映行星齒輪運行故障特征的信息；

3) 對故障特征信息進行相關方法分析，判斷是否出現故障，并分析故障原因、類型，以及產生故障的部位；

4) 研究人員分析總結，做出決策，然后對設備進行維護和調整。

2 齒輪故障診斷系統.NET軟件開發

2.1 系統開發.NET工具設計登錄界面

行星齒輪傳動系統故障診斷系統是在微軟公司Visual Studio中的.NET Framwork4.5.1平臺上開發出來的，實現對行星齒輪振動信號的定時采集、實時顯示、數據分析，并對運行故障做出準確的診斷。系統的登錄界面如圖2所示。在用戶正確輸入用戶名和密碼后，再選擇數據采集或數據分析功能，點擊確定按鈕便可以進入系統。

2.2 系統數據采集界面設計及參數設置

登錄成功后，進入數據采集主界面，主界面主要包括4個功能模塊：參數設置模塊、示波功能模塊、采集功能模塊、數據分析及信號采集與文件信息模塊。在點擊示波按鈕后，進行數據的實時波形顯示，點擊暫停示波按鈕不進行數據的實時波形顯示；點擊采集按鈕后，后臺程序將在設定的采樣時間內把數據保存至設定的路徑下。圖3所示為4通道同時采集時的數據采集主界面。

圖2 系統登錄界面

圖3 系統數據采集主界面

在進行數據采集之前需要對各種采集參數進行設置，主要包括采樣頻率、數據保存路徑、試驗名稱、是否自動增加試驗號、采樣模式、試驗工況、實驗對象等，其中最重要的參數是采樣頻率，工程中一般設置為20kHz。圖4是基本參數設置界面。

圖4 基本參數設置

2.3 系統數據采集及分析處理

參數設置好以后，點擊參數設置中的確定按鈕進入數據采集窗口，并將設置好的參數傳到主窗體的采集與文件信息框中，顯示詳細的參數信息，如采樣頻率、采樣模式、采樣時間以及文件名稱、大小、格式、路徑等，如圖5所示。

圖5 采集與文件信息

采集完數據之后，點擊數據分析按鈕進入系統數據分析主界面，如圖6(a)所示。分析主界面主要包括菜單欄、示波功能選擇、參數顯示、文件屬性等。點擊菜單欄的“基本分析”欄，基本分析功能主要包括基本的時域分析，頻域分析(幅值譜、功率譜、相位譜以及互功率譜)，小波閾值降噪分析、編輯濾波、包絡譜分析、窄帶解調以及頻譜細化功能。如圖6(b)所示。

圖6 系統數據分析主界面

對采集的信號進行基本頻域分析，包括功率譜分析[5]、幅值譜分析[6]、互功率譜分析[7]等，分析結果界面如圖7～圖9所示。

圖7 頻譜分析

圖8 功率譜分析

然后利用非線性分析方法對數據信號進行分析，包括小波閾值降噪處理、小波包絡譜分析[8]、濾波包絡譜分析[9]、頻譜細化[10]等，數據信號分析結果界面如圖10～12所示。

圖9 互功率譜分析

圖10 小波閾值降噪

圖11 小波包絡分析

圖12 頻譜細化

從上述數據采集和分析處理過程可知，該系統可以實現多路信號實時采集與綜合分析，實現行星齒輪傳動系統的在線監測和故障診斷。

3 試驗平臺搭建及分析

試驗系統以實現行星齒輪傳動系統運行狀態故障檢測為目的，以型號為HS300的三級行星齒輪傳動系統為試驗對象，對其在不同轉速、不同測點的不同方向下進行振動信號采集。試驗測試對象及信號采集平臺如圖13所示。

為了更好地研究不同工況下行星齒輪傳動系統的運行狀態，按以下試驗方案進行采集、測試。

1)輸出轉速：540～840r/min，步長為60r/min；

2)增速箱狀態：正常、故障；

3)采樣頻率及時間：20kHz ,每次定時采樣10s；

4)樣本數據：每次試驗均采集數據，以保證試驗數據的統計特性。

采集到的行星齒輪傳動系統故障的時域、頻域信號如圖14所示。

圖13 三級行星齒輪試驗平臺及測試系統搭建

圖14 原始故障信號的時頻域曲線

對故障原始信號進行小波閾值降噪處理，并對降噪后的信號進行頻域分析，得到降噪后故障信號的時頻域如圖15所示。

對故障信號進行頻譜分析后可知，信號的主要能量集中在低頻帶，由于采樣頻率為20kHz，遠遠大于故障信號的實際頻率，采樣頻率將部分有用信

圖15 小波降噪后的時頻域信號

號的低頻信號調制到高頻帶中，因此需要對信號進行希爾伯特解調處理，對降噪處理后的信號進行包絡分析，得到其包絡信號，并對時域包絡信號進行頻譜分析以及對所需的低頻進行放大細化處理，如圖16所示。

由圖可知，行星輪系前三級(即第一級至第三級)齒輪嚙合1～4倍特征頻率分別為203.49,406.98,610.47,813.96Hz，從小波包絡局部細化圖中可以明顯發現，在203.49Hz處有明顯的特征，主要能量集中在此處，正好與第三級行星輪系的嚙合頻率相吻合，并且從圖中可以發現能量向第三級行星輪系嚙合頻率的2,3,4,5倍頻的位置轉移，由此說明第三級行星輪系嚙合出現故障損傷。

圖16 小波包絡信號

4 結束語

本文基于.NET平臺搭建了行星齒輪傳動系統故障診斷系統，采集了行星齒輪輸出軸轉速從540～840r/min不同條件下振動信號數據，分別采集行星輪系運行狀態的各級嚙合故障信號并進行了基本時頻域分析、小波變換、包絡譜分析等。綜合試驗結果，發現行星輪系故障特征頻率集中在203.49Hz處，與第三級行星輪系的嚙合頻率相吻合，并且辨別了能量向第三級行星輪系嚙合頻率的2,3,4,5倍頻的位置轉移，說明第三級行星輪系的嚙合處出現了故障。由此，驗證了基于.NET平臺開發的行星齒輪傳動系統故障診斷系統的可行性和有效性。