摘 要

齿轮箱作为被广泛使用的传动部件，广泛应用于航空机械、船舶、汽车等各类机械设备中。由于其结构复杂，工作环境恶劣，齿轮箱受到损害和出现故障的概率较高。齿轮箱监测诊断技术一直是设备故障诊断技术的重要组成部分，对其振动监测系统是齿轮箱故障检测诊断的核心环节，通过振动监测可以实时有效的获悉齿轮箱的实时性能，因此齿轮箱振动监测系统的开发具有重大意义。

本文以船用双机并车齿轮箱为研究对象，以数据采集分析和测试技术为基础，利用LabVIEW虚拟仪器开发一套齿轮箱振动采集和分析系统，实现时域波形、频域分析、1/3倍频的分析显示等功能，并可进行时域和频域特征参数的计算，在实验室齿轮箱上进行实验，验证开发软件的功能。主要的研究工作如下：

（1）介绍传感器、信号放大器、数据采集卡的基本原理，并根据实际情况选择合适的传感器、放大器、数据采集卡等硬件；

（2）介绍虚拟仪器的概念，并基于LabVIEW开发环境，编写齿轮箱振动采集和分析程序，开发出齿轮箱振动监测系统软件；

（3）布置试验现场，设计试验方案，验证齿轮箱振动监测系统的功能，同时获取齿轮箱振动信号，进行相关的信号分析与处理。

关键词：齿轮箱，虚拟仪器，振动监测，信号分析与处理

ABSTRACT

Gearboxes are widely used as transmission parts, generally used in aviation machinery, ships, automobiles and other mechanical equipment. Because gearbox has its structure is complex, the working environment is bad, the gear box is damaged and the probability of failure is high. Gearbox fault diagnosis technology has always been an important part of equipment state diagnosis technology. Gearbox vibration monitoring system is gearbox fault detection diagnosis Of the core link, through the vibration monitoring can be real-time effective understanding of the real-time performance of gearbox, gearbox vibration monitoring system development is of great significance.

    Based on the data acquisition and analysis and testing technology, this paper uses LabVIEW virtual instrument to develop gearbox vibration acquisition and analysis program to realize time domain waveform, frequency domain analysis, 1/3 frequency Analysis of the display and other functions, and can be time domain and frequency domain characteristics of the parameters of the calculation, in the laboratory gear box on the experiment to verify the development of software functions. The main research work is as follows:

(1) introduce the sensor, signal amplifier, data acquisition card of the basic principles, and according to the actual situation to select the appropriate sensor, amplifier, data acquisition card and other hardware;

(2) Introduce the concept of virtual instrument, and based on LabVIEW development environment, write gearbox vibration acquisition and analysis program, developed gearbox vibration monitoring system software;

(3) Arrange the test site, design the test plan, verify the function of the gear box vibration monitoring system, and obtain the gear box vibration signal, carry on the related signal analysis and the processing.

Key words: gearbox; virtual instrument; vibration monitoring; signal analysis and processing

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课程背景及研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.2.3 虚拟仪器发展现状 2

1.3 本论文研究的主要内容与技术路线 2

1.3.1 本论文的主要研究内容 2

1.3.2 技术路线 3

第二章 齿轮箱振动监测系统的硬件选型 4

2.1 监测系统的组成 4

2.2 监测系统的需求分析 4

2.3 系统的硬件选型 5

2.3.1 传感器选型 5

2.3.2 放大器选型 6

2.3.3 数据采集卡 7

第三章 齿轮箱振动监测系统的软件开发 10

3.1 系统软件开发平台介绍 10

3.1.1 LabVIEW软件介绍 10

3.1.2 NI-DAQmx 介绍 10

3.2 齿轮箱振动监测系统的软件开发 10

3.2.1 前面板设计 11

3.2.2 数据采集与保存模块 12

3.2.3 时域分析模块 13

3.2.4 频域分析模块 15

3.2.4.1 功率谱密度 16

3.2.4.2 1/3倍频程 17

第四章 齿轮箱振动监测系统的试验验证 18

4.1 试验方案 18

4.1.1 试验台架介绍 18

4.1.2 测试点布置及测试工况选择 19

4.1.3 参数设置 21

4.1.4 试验步骤 21

4.2 试验结果计算分析 22

4.2.1 时域分析特性参数计算分析 22

4.2.2 功率谱图形 24

4.2.3 1/3倍频程谱 27

第五章 总结与展望 33

5.1 总结 33

5.2 展望 33

第一章 绪论

1.1 课程背景及研究意义

齿轮箱在机械工业中具有重要的地位，由于齿轮箱具有传动精度高、承受的载荷大等优点，因此在汽车工业、航空工业、船舶工业等现代化工业领域中得到广泛的应用。在科技飞速发展的今天，齿轮传动正向高速、重载、自动化、高可靠性的方向发展，对于齿轮箱的要求也越来越高，尤其对一些大中型机械设备，齿轮箱齿轮传动更为重要^[1]。随着工程技术的发展，齿轮及齿轮箱的加工工艺、可靠性得到了很大的提高，同时工程技术人员积累了大量的管理维护经验，但是由于其本身结构复杂，工作环境恶劣等原因难免会出现故障，严重时还会威胁人身安全，损害国家利益，造成恶劣的社会影响。过去的几十年中，由于齿轮箱故障导致的问题频频发生。2008年，某工厂的重型设备机架齿轮箱螺栓断裂从而导致停机抢修，严重影响了正常生产效率，造成重大经济损失^[2]。国内的一家化工企业的制造氧气的机械设备由于齿轮箱发生故障，从而造成每日的经济损失超过80万多元的严重后果^[3]。据不完全统计，在大型机械设备机器的故障总次数中，齿轮传动系统故障约占11%左右。所以齿轮在工业机械设备中的地位相当重要，如果发生故障将会降低生产率，经济效益严重下降。齿轮传动的故障诊断技术可以有效的降低齿轮箱及齿轮传动系统发生故障的概率。齿轮箱进行状态监测可以提高机械设备运行可靠性，是防止事故发生的重要途径。同时，齿轮箱振动监测是齿轮箱故障检测与诊断的核心环节，可以为齿轮箱故障检测与诊断提供依据，因此齿轮箱振动监测系统的开发具有重大意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

人们对齿轮箱振动的研究开始于上个世纪初，但直到60年代初，齿轮箱振动才作为判定一个齿轮装置性能的标准之一。英国学者H. optiz、美国的Buckingham和德国的Niemann根据齿轮振动与噪声的机理，提出了各自关于齿轮箱振动和噪声的见解^[4]。70年代到80年代期间，齿轮箱的振动监测与故障分析开始采用频谱来分析，并取得了重大的突破。B.Randall和James I.Taylor等人作了大量积极的研究工作，这为之后的齿轮磨损等故障的诊断提供有参考价值的实例^[5]-[9]。90年代，Lu J.,Weaver J.B等人运用小波分析的方法对齿轮振动信号进行去噪处理^[10]。美国的齿轮箱状态监测与故障诊断的研究一般集中在一些军事部门，如俄亥俄州立大学建立了齿轮动力学及噪声实验室，ZONICE公司开发了WCA系统、SPIRE公司等在齿轮噪声机理与振动特性，进行了研究并在实际中应用，DP公司开发了SingnalCale ACE动态信号分析仪。日本的齿轮箱振动监测与诊断侧重于某些民用工业，例如钢铁、化工、铁路等。

1.2.2 国内研究现状

我国在齿轮箱振动监测方面的研究起步相对于国外较晚，上个世纪60～70年代，齿轮箱的振动监测只能完全依靠个人经验，或者计算简单的参数，例如计算信号的峰值，平均值，有效值等特性参数。在 80年代~ 90年代期间，从国外引进了一些检测仪表和其他一些相关的软硬件分析装置（主要是频谱分析仪），这个期间我国的齿轮监测技术发展的十分迅速，同时也出现了很多成果。21 世纪，国内开始把推广采用振动理论对设备进行故障诊断运用到实际工程实践中，一些研究机构、学者通过大量的研究，取得了理论和实际运用的一些成果。陈刚基于虚拟仪器设计了汽车齿轮箱故障诊断仪器^[11];郭卫设计了基于虚拟仪器的齿轮箱故障诊断实验台;丁志宇研究了齿轮箱故障诊断仪；李浩研究并开发了齿轮箱实时监测与故障预警系统；韩捷给出了齿轮故障振动信号具有长周期、短周期的特征^[12]。现代齿轮监测与故障振动领域的研究重点逐渐转移到了故障理论研究和解决实践运用中所遇到的问题。重庆大学机械传动国家重点实验室提出了多参量微型传感器与轴承融合的智能轴承新方法和新技术，具有信号采集、信号单元自组织与数据传送功能，可实时获取轴承振动、速度、温度等信号，实现高铁与城轨列车的运行状态的监控与识别。

1.2.3 虚拟仪器发展现状

随着科学技术的高速发展，仪器的概念也随之发生了巨大的变化，以计算机技术为基础，新的测试方法、新的测试理论、新的测试领域得到了广泛的关注并出现了许多新的仪器结构，突破了传统电子测量仪器如示波器、电压表、频率计的概念。在这种背景下，20世纪70年代美国国家仪器公司提出虚拟仪器的概念。并在1992年美国国家仪器公司推出用于设计虚拟仪器的一种图形化的编程语言工具——LabVIEW。虚拟仪器的出现，打破了只能由生产厂家定义仪器功能，用户无法改变的局面。虚拟仪器技术是测试技术与计算机技术相融合的产物，主要融合了测试技术、仪器原理及技术、计算机接口技术、高速总线技术等。所谓虚拟仪器，用软件功能取代了硬件仪器功能，是以计算机为硬件的平台。虚拟仪器具有性价比高、开放性好、高度集成、更新维护快、智能化程度高、界面友好、扩展性好、使用方便等特点。

1.3 本论文研究的主要内容与技术路线

1.3.1 本论文的主要研究内容

本论文共分为五章，各章具体安排如下：

1. 为绪论，主要齿轮箱振动监测的背景和意义，探讨了齿轮箱振动监测国内外发展现状、虚拟仪器的发展现状。
2. 主要设计了齿轮箱振动监测系统总体方案，着重对齿轮箱振动监测系统的硬件部分进行研究，根据具体情况选择合理的传感器、放大器、数据采集卡等硬件型号。
3. 介绍LabVIEW开发环境、NI-DAQmx；基于LabVIEW平台开发测振软件，并对于软件数据采集模块、时域分析模块、频域分析模块进行详细说明。
4. 主要是布置试验现场，调试系统，并验证系统功能；并分析所采集到的振动波形。
5. 是总结与展望。主要对全文的工作进行总结，阐述齿轮箱振动监测系统开发的过程，指出课题存在的不足，对下一步的研究工作进行了展望。

1.3.2 技术路线

本文主要以软件开发为主，先设计系统总体方案, 并根据实际情况选择合适的测试点，选择合适的电荷式加速度传感器、电荷放大器、数据采集卡等硬件；同时在LabVIEW开发环境下，完成测振系统软件的开发。然后，将硬件系统和软件系统集成在一起，完成齿轮箱振动监测系统的总体开发。最后，布置实验现场，验证系统功能，对获取的数据进行分析。技术路线如图1.1所示。

图1.1 技术路线图

第二章 齿轮箱振动监测系统的硬件选型

2.1 监测系统的组成

本论文的测试对象为船用双机并车齿轮箱。齿轮箱振动监测系统的组成示意图如图2.1所示。齿轮箱振动监测系统的开发主要包括硬件选型和软件设计开发。硬件部分主要包括传感器、放大器、数据采集卡，通过选取合适的硬件型号，搭建信号获取、传输、调理和采集系统。软件部分是基于LabVIEW开发环境开发的虚拟仪器，包括数据采集模块、数据保存模块、时域分析模块、频域分析模块。

图2.1 齿轮箱振动监测系统组成示意图

2.2 监测系统的需求分析

本文测试对象为船用双机并车齿轮箱，根据其结构特点，将传感器布置在底座、箱体、输入轴承、输出轴承端、轴带发电机轴承端等位置，这些位置信号源丰富，利于齿轮箱的振动监测。齿轮箱振动监测系统，主要是由基于LabVIEW开发环境编写的齿轮箱振动信号采集、分析程序和选择与软件匹配的硬件所组成。主要具有数据采集与数据保存显示功能、时域分析显示功能、频域分析显示功能。时域分析主要以时域统计特征参数分析为主，主要的时域特征参数有峭度、歪度、有效值、最大值、最小值、方差；频域分析以功率谱分析、1/3倍频分析为主。系统软件基本功能如图2.2所示。