摘 要

齿轮箱一直都是工业和船舶中广泛应用的传动装置，其结构复杂，长时间处于磨损与挤压的状态下,其损坏率较其他部件更大。一旦齿轮箱发生故障，整台机器和船舶的性能就会受到直接的影响。所以需要有一个测量系统能够有效地对齿轮箱的健康状态做出及时、准确的诊断。而测量技术作为现代工业的基础技术之一，随着时代与技术的发展也在不断改进，近年来更是对“非接触、高精度、智能化”提出了要求。随着机器视觉的迅速发展，视觉技术已经越来越多的被应用于测量技术中。视觉测量技术以机器视觉作为基础，把图形作为检测信息的手段，借助光电学、计算机技术、图像处理技术等现代学科技术，能够实现高效、高精度、非接触的测量工作。所以考虑将机器视觉技术应用于船用齿轮箱的故障诊断中，最大限度地保障船舶动力的稳定传递和输出。

本文借助机械故障模拟试验台首先针对船用齿轮箱进行了故障模拟实验，通过高速相机对故障过程进行记录并提取振动信息，再由MATLAB对提取的数据进行相关处理和分析，准确的诊断出故障形式，所得结果对于齿轮故障诊断和视觉系统的研究都具有重要的指导意义。

关键词：船用齿轮；机器视觉；高速相机；故障诊断

Abstract

Gearbox has been widely used in industrial and marine transmission, its structure is complex, long time in the state of wear and extrusion, its damage rate than other parts of greater. Once the gearbox has failed, the performance of the whole machine and the ship will be directly affected. Therefore, there is a need for a measurement system that can effectively and timely diagnose the health of the gearbox.

As one of the basic technologies of modern industry, the measurement technology has been improved with the development of the Times and technology, and in recent years it has put forward the request for "non-contact, high precision and intellectualization". With the rapid development of machine vision, visual technology has been applied to measurement technology more and more. Visual measurement technology based on machine vision, graphics as a means of detection information, with the help of optoelectronics, computer technology, image processing technology, such as modern science and technology, can achieve high efficiency, high-precision, non-contact measurement work. Therefore, it is considered to apply machine vision technology to the fault diagnosis of marine gearboxes to ensure the stable transmission and output of ship power.

In this paper, The fault simulation experiment of the ship gearbox is carried out with the help of the mechanical fault simulating test rig, the fault process is recorded and extracted by the high-speed camera, and then the data are processed and analyzed by MATLAB, and the fault form is diagnosed accurately. The results are of great significance for the research of gear fault diagnosis and vision system.

Key Words：Marine gear；machine vision；High speed camera；fault diagnosis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 基于机器视觉船用齿轮诊断的意义 1

1.2 齿轮故障诊断和机器视觉技术的研究现状 2

1.2.1 齿轮故障诊断技术 2

1.2.2 机器视觉技术 3

1.3 技术路线及论文研究的内容 6

第2章 齿轮故障机理及振动信号 7

2.1 齿轮振动机理分析 7

2.1.1 齿轮啮合简化振动模型 7

2.1.2 齿轮啮合刚度 8

2.2 船用齿轮主要故障形式 8

2.2.1 齿轮失效的原因 8

2.2.2 齿轮失效形式 9

2.3 齿轮产生故障时的时域信号 10

2.4 齿轮产生故障时的频域信号 11

2.4.1 齿轮啮合频率调制现象 12

2.4.2 齿轮、齿轮箱体固有频率调制 13

2.5 齿轮典型故障的振动信号特征 14

2.5.1 齿轮磨损 14

2.5.2 齿轮点蚀 15

2.5.3 齿轮断齿 15

第3章 基于机器视觉的船用齿轮故障诊断方法的研究 17

3.1 视觉诊断系统 17

3.1.1 照明光源 18

3.1.2 高速相机 18

3.1.3 试验台架 20

3.2 齿轮箱故障的测量过程 22

3.2.1 人工靶标的设置 22

3.2.2 相机参数的标定（测量精度） 23

3.2.3 齿轮箱运行工况的模拟 24

3.3 齿轮箱振动信号的处理方法 24

3.3.1 图像处理软件 24

3.3.2 MATLAB介绍 26

3.3.3 相关分析、算法 26

第4章 齿轮断齿、磨损实例分析 30

4.1 断齿实例分析 30

4.2 磨损实例分析 34

第5章 结论与展望 37

参考文献 38

致谢

附件A：实验数据节选

第1章 绪论

1.1 基于机器视觉船用齿轮诊断的意义

船用主机齿轮箱一直都是船舶工业里的重要关键设备，广泛的应用在各种货船、客船及军用舰船中，但是齿轮随着齿轮箱投入使用后，往往由于齿轮自身制造不良或操作过程中的维护不善，会产生各种形式的失效，包括：1）齿的断裂；2）齿面疲劳（点蚀、剥落等）；3）齿面划痕；4）齿面磨损；5）齿面龟裂、化腐、塑性变形等。而船用齿轮箱作为柴油机与螺旋桨之间的连接设备,其工作性能的好坏会直接影响到船舶运行的稳定性,并且由于齿轮工作时长时间处于严重磨损与挤压的状态,其损坏率较柴油机其他部件更大，齿轮失效约占齿轮箱失效情况的60%。为了尽可能及时发现和察觉船用齿轮箱在运转时萌发故障，进而影响到船舶运行的稳定，必须要有一个能够对船用齿轮进行实时故障监测和诊断的有效手段。以往用到的普通的检测仪器、仪表，其测量精度低、效率差,并且布置较为麻烦。而基于先进的计算机技术、通信技术、存储技术所产生自动化、智能化测量的机器视觉系统^[1],则在本课题中展现出了其在船用齿轮监测诊断中的优势。针对船用齿轮箱，利用高速相机记录其运行过程，并采用数字图像处理技术获得标示点处的物理量，进而完成齿轮振动信息的提取与故障分析。与传统的传感器比较表明，高速摄影测量是一种无接触、全局化、自动化程度高、精度满足试验要求的量测手段。并且该技术已经较多的、较成熟的应用于各种工、农业生产等方面，在生产、装配和包装过程中已经体现出极大的价值，其能够高效率、高质量的检测出缺陷和防止缺陷产品产生。所以将机器视觉系统应用于船用齿轮的故障诊断不仅具备比较现实的技术基础，并且能够更加全面的实现保障船舶运行的目的。同时利用高速相机来对船用齿轮进行故障诊断，拓展了机器视觉的研究领域，将机器视觉技术的研究从工厂延伸到运行的船舶，从平稳的陆地到多变的海洋，工作环境和技术层面都提出了更高要求，具有很高的研究意义。

其实随着技术的不断更新与发展，非接触式的测量越来越被人们关注和研究，几乎成为了振动测量领域重要的发展方向^[2]。其中机器视觉作为全新的测量技术，其能在与被测物体不接触的情况下，测量出目标的位置、尺寸、形状、方位等各种参数，并且视觉机器还不会像加速度传感器等易受电磁场的干扰，其高精度、高灵敏、远距离、表面无损伤等特点，使得机器视觉的研究和应用前景都非常广阔。并且机器视觉的测量并不需要复杂的辅助装置，其视觉机器就是常用的摄像装置，比如数码相机，通过对采集的图像加以分析就可提取出有效的测量信息，所见即所得，可以大范围的完成多点测量，适用于各种测量。并且至今为止，随着电子硬件技术的迅速更新，简便快捷的图像处理技术、全新的储存方式等，都推动和促进了廉价、高分辨率、高速相机的研制研发，使得机器视觉技术进入了高速发展时期，也使得基于机器视觉的测量技术在各个领域的应用越加广泛。