摘 要

齿轮箱是动力传动装置中常用的部件，在机械动力装置中尤为常见。其状态好坏直接影响整个动力装置运行的可靠性和经济性。运行时齿轮箱产生的振动中蕴含了丰富的齿轮箱零部件状态信息，齿轮箱零部件如有故障就会引起其传递的振动信号特征的变化。

本文主要是利用LabVIEW软件编写信号采集与处理分析程序。在实验室台架的基础上，采集正常、断齿、磨损三种故障齿轮运行时的振动信号。在变速运行的条件下，通过角域重采样和阶次跟踪对包含故障信息的信号进行处理分析。结果表明：对变速信号，时域分析、频域分析和倒谱分析均未能提取正确的特征故障信息，而用阶次谱来分析上述两种故障信号时，都可以准确无误指示出特征阶次，很容易分析出齿轮的故障所在。利用阶次分析所设计的齿轮箱振动状态监测分析仪对变转速信号是一种较好的分析方法。

关键词：齿轮箱；阶次分析；LabVIEW；故障诊断

Abstract

Gearbox is an element which is usually used on energy transmission, especially on marine power plant, the condition of which will effect the reliability and economy directly. When it is running, it will generate vibration and include abundant con- ditions of components in the gearbox. If there are some faults in gearbox, it will result in the changes that reflect the feature of the vibration signals.

This paper mainly uses the LabVIEW to program signal acquisition and analysis procedure. On the based of laboratory platform, we acquire vibration signals of three fault gears which include health, snaggletooth and wear tooth. In the case of the speed of shaft is varying, we process and analyze the trouble signals through angular domain resampling and order tracking. The results indicate that if we apply the time-domain analysis, frequency-domain analysis or cespstrum analysis for the speed-varied signals directly, we can’t abstract the valid characteristic value which include fault messages. However, when we use the order spectrum to analyze two fault signals above, there will show out the specific orders obviously and precisely, we can find out the faults of the gear easily. It’s a good method using order analysis to design the vibration condition monitoring analyzer of gearboxes whose speed is changed randomly.

Key word：gearbox；order analysis；LabVIEW；fault diagnose

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容 2

第二章 齿轮故障诊断理论基础 4

2.1 齿轮箱振动机理与特征表现 4

2.1.1 齿轮箱振动经典模型 4

2.1.2 调制现象分析 5

2.2 齿轮箱故障表现形式 8

2.2.1 齿面磨损 8

2.2.2 齿轮裂纹和裂缝 9

2.2.3 缺齿或折断 9

2.3 齿轮箱常用故障诊断方法 11

2.3.1 时域同步平均 11

2.3.2 频谱分析 12

2.3.3 倒频谱分析 12

2.3.4 阶次谱分析 13

2.4 本章小结 15

第三章 LabVIEW程序架构 16

3.1 数据采集与保存程序架构 16

3.2 信号处理程序架构 18

3.3 本章小结 21

第四章 测试系统搭建与试验 22

4.1 试验台架介绍 22

4.2 试验工况 23

4.3 试验硬件选型及安装 23

4.3.1 振动传感器的选型 24

4.3.2 转速计的选择 25

4.3.3 数据采集卡选择 25

4.3.4 传感器安装 26

4.4 试验步骤 27

4.5 本章小结 27

第五章 试验分析 28

5.1 齿轮箱故障特征值分析 28

5.2 齿轮故障诊断 28

5.2.1 数据采集图 28

5.2.2 时域特征值分析 32

5.2.3 频域特征值和倒频谱分析 32

5.2.4 阶次分析 33

5.3 本章小结 36

第六章 总结与展望 37

6.1 总结 37

6.2 展望 37

参考文献 38

致 谢 40

第一章 绪论

1.1 背景及意义

齿轮及齿轮箱是机械传动设备中一种不可缺少的连接和传递动力的零部件。主要是因为齿轮制造原材料来源丰富，理论加工知识深厚，制造成本低廉等外在因素，而内在优势在于齿轮传动具有等功率传动，传动效率高，传递过程稳定，可靠性高等特点。在汽车、机床、航空、电力等工业设备中得到了广泛的应用。随着科学技术飞速发展，机械设备更趋向于大型化、高效率、自动化和高性能，在还没有找到一种更为理想的传动部件时，齿轮装置仍然具有重要的作用。但是由于组成齿轮箱的零件繁多，形式多样，结构复杂，工作载荷变化大和环境比较恶劣等原因，齿轮及齿轮箱零件局部很容易产生故障甚至会导致事故的发生，而每次事故多为重大事故，严重影响生产的正常进行，造成国民经济与财产的极大损失，所以减小齿轮箱故障的发生在工业领域是亟待解决的。

齿轮和齿轮箱的运行状态监测及故障诊断技术综合了机械、力学、电子、数学、物理、计算机等学科，具有工程应用性强、技术基础可靠、与高技术发展密切相关等特点^[1]。对齿轮箱状态进行监测并开发出一套齿轮箱状态监测系统，可以有效的预防微小故障的扩大，在故障快要出现或刚刚出现时通过监测相关量的变化就可以及时停止生产操作或机器运行并及时地清除故障，能够保证良好的生产秩序和生产效率，对众多工业生产过程都具有极大的意义。利用传感器和数据采集卡等硬件组成的测试系统，再加上上位机软件的架构，通过对齿轮箱进行在线监测，对其振动信号信号进行时域、频域、时频分析等，在分析过程中提取某些特征值如峰值、特征频率、特征阶次、功率带宽等等，根据与正常齿轮比较相关值的变化来诊断齿轮箱部件的状态好坏，如果融合虚拟仪器手段可以使整个过程更加简单便捷化。