本發(fā)明涉及機械故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，更進一步地涉及一種齒輪故障診斷系統(tǒng)。此外，本發(fā)明還涉及一種齒輪故障診斷方法。

背景技術(shù)：

齒輪上各類機械系統(tǒng)中使用最為廣泛的動力和運動傳動部件，是旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)振動與噪聲的主要來源之一。齒輪長期工作在高速、高負荷、高沖擊的環(huán)境下，容易產(chǎn)生磨損、膠合、裂紋等故障，加劇機械系統(tǒng)的振動與噪音，可能進一步誘發(fā)斷齒等嚴重故障。因此精確地進行齒輪故障診斷具有重要意義。

齒輪故障診斷是以信號分析為基礎的，受到傳遞過程與噪聲的影響，一般情況下直接觀察信號很難得到全面的故障特征，除此之外，信號特征并非直接描述故障的直接物理量，與故障本身存在復雜的映射關(guān)系，需要經(jīng)過一系列的分析過程和識別方法才能得到故障的類型與程度。

信息在傳遞的過程中只會減少不會增加，因此原始信號所包含的故障信息量的多少對于故障診斷具有決定性的作用，即信號質(zhì)量是整個診斷工作的基礎?，F(xiàn)有齒輪故障診斷方法是在齒輪箱上選定振動測點，對測點的振動信號進行解調(diào)分析，以判斷故障發(fā)生的類型與程度，振動測點的選擇多以經(jīng)驗為主，一般選擇軸承座附近，振動信號經(jīng)過齒輪、軸、軸承傳遞到軸承座。

由于結(jié)構(gòu)、材料、剛度、力學性能各不相同，不同的齒輪傳動系統(tǒng)的振動信號傳遞特性也截然不同，有些齒輪傳遞系統(tǒng)，例如汽車變速器為減少并控制振動的傳遞采用懸置支承，還有些齒輪傳動系統(tǒng)受結(jié)構(gòu)和空間的限制，振動測點無法布置在軸承座上，基于振動測點振動信號的測量和分析受很多不可控因素的影響，給齒輪系統(tǒng)故障的快速和準確診斷帶來困難。

另外，基于振動點測量的振動信號是位移信號，齒輪系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)，產(chǎn)生的是轉(zhuǎn)角信號，齒輪的轉(zhuǎn)動信號傳遞到振動點形成位移信號，中間會混入很多不必要的干擾，中間傳遞環(huán)節(jié)越多，干擾因素就越大，因此振動點測量的方式會出現(xiàn)更多的噪音。

對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，如何設計一種直接測量齒輪運動信號的故障診斷系統(tǒng)，達到快速準確分析齒輪故障問題的效果，是目前需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種齒輪故障診斷系統(tǒng)及齒輪故障診斷方法，直接測量齒輪運動信號的故障診斷系統(tǒng)，達到快速準確分析齒輪故障問題的效果，具體方案如下：

一種齒輪故障診斷系統(tǒng)，包括：

信號采集模塊，包括設置于齒輪箱輸入軸上的第一轉(zhuǎn)速檢測器、設置于齒輪箱輸出軸上的第二轉(zhuǎn)速檢測器、用于采集和存儲所述第一轉(zhuǎn)速檢測器和所述第二轉(zhuǎn)速檢測器轉(zhuǎn)速信號的數(shù)據(jù)采集卡；

數(shù)據(jù)處理器，信號連接所述數(shù)據(jù)采集卡，根據(jù)所述轉(zhuǎn)速信號分別計算輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角，并計算得到動態(tài)傳遞誤差；

數(shù)據(jù)分析器，信號連接所述數(shù)據(jù)處理器，對所述動態(tài)傳遞誤差進行時域和頻域分析，得到故障信息。

可選地，所述第一轉(zhuǎn)速檢測器和所述第二轉(zhuǎn)速檢測器均為光電編碼器；所述數(shù)據(jù)采集卡采集兩個光電編碼器的脈沖信號；所述光電編碼器的中心線分別與輸入軸和輸出軸同軸設置。

可選地，所述第一轉(zhuǎn)速檢測器和所述第二轉(zhuǎn)速檢測器均為角加速度傳感器，所述數(shù)據(jù)采集卡采集兩個角加速度傳感器的角加速度信號，并兩次積分得到輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角。

此外，本發(fā)明還公開一種齒輪故障診斷方法，包括：

分別計算輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角；

根據(jù)所述輸入軸轉(zhuǎn)角與所述輸出軸轉(zhuǎn)角得到動態(tài)傳遞誤差；

將所述動態(tài)傳遞誤差與標準信號作比對，獲取齒輪的故障信息。

可選地，根據(jù)輸入軸和輸出軸上分別同軸設置的光電編碼器的脈沖信號計算所述輸入軸轉(zhuǎn)角與所述輸出軸轉(zhuǎn)角。

可選地，通過數(shù)據(jù)處理器對脈沖信號進行降噪處理，再計算所述輸入軸轉(zhuǎn)角與所述輸出軸轉(zhuǎn)角。

可選地，按以下步驟計算所述動態(tài)傳遞誤差：

設輸入軸與輸出軸分別旋轉(zhuǎn)一周，則一個脈沖信號下輸入軸轉(zhuǎn)角為輸出軸轉(zhuǎn)角為

計算時間段T內(nèi)光電編碼器對應的輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角：

其中：N₁為輸入軸旋轉(zhuǎn)一周對應的光電編碼器脈沖信號數(shù)，N₂為輸出軸旋轉(zhuǎn)一周對應的光電編碼器脈沖信號數(shù)，θ₁為輸入軸轉(zhuǎn)角，θ₂為輸出軸轉(zhuǎn)角；

計算動態(tài)傳遞誤差：

DTE＝i·θ₁-θ₂

其中：DTE為動態(tài)傳遞誤差，i為齒輪系統(tǒng)的傳動比。

可選地，所述動態(tài)傳遞誤差與標準信號作比對具體為，對動態(tài)傳遞誤差信號進行時域和頻域分析。

可選地，根據(jù)輸入軸和輸出軸上分別設置的角加速度傳感器測量得到角加速度，并經(jīng)過兩次積分運算得到輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角。

本發(fā)明公開了一種齒輪故障診斷系統(tǒng)，信號采集模塊包括第一轉(zhuǎn)速檢測器、二轉(zhuǎn)速檢測器和數(shù)據(jù)采集卡，第一轉(zhuǎn)速檢測器設置于齒輪箱輸入軸上，第二轉(zhuǎn)速檢測器設置于齒輪箱輸出軸上，兩者分別與輸入軸及輸出軸同步運動，直接反應輸入軸與輸出軸的運動狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集卡采集存儲第一轉(zhuǎn)速檢測器和第二轉(zhuǎn)速檢測器轉(zhuǎn)速信號，轉(zhuǎn)速信號通過數(shù)據(jù)采集卡傳遞給數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器根據(jù)轉(zhuǎn)速信號分別計算輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角，并通過輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角計算得到動態(tài)傳遞誤差；數(shù)據(jù)分析器得到數(shù)據(jù)處理器的動態(tài)傳遞誤差，對動態(tài)傳遞誤差進行時域和頻域分析，從而得到故障信息。齒輪箱的輸入軸與輸出軸均為旋轉(zhuǎn)運動，由于第一轉(zhuǎn)速檢測器、二轉(zhuǎn)速檢測器直接測量了輸入軸與輸出軸的轉(zhuǎn)角，并根據(jù)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進行后續(xù)的計算，從而得到相應的動態(tài)傳遞誤差，相對于傳統(tǒng)的振動測量方式，其結(jié)果更為直接，直接反映輸入軸與輸出軸的工作狀態(tài)，測量分析結(jié)果更為準確。

本發(fā)明還公開一種齒輪故障診斷方法，包括以下步驟：分別計算輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角；根據(jù)輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角得到動態(tài)傳遞誤差；將動態(tài)傳遞誤差與標準信號作比對，獲取齒輪的故障信息。該方法以輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角為依據(jù)，計算得到動態(tài)傳遞誤差，改變傳統(tǒng)的以直線振動測量為依據(jù)的計算方式，直接反映轉(zhuǎn)速的真實情況，減少中間傳遞過程形成的干擾。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明所提供的齒輪故障診斷系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本系統(tǒng)裝置的邏輯結(jié)構(gòu)圖及其所對應運算；

圖3為本發(fā)明所提供的齒輪故障診斷方法的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明的核心在于提供一種齒輪故障診斷系統(tǒng)及齒輪故障診斷方法，直接測量齒輪運動信號的故障診斷系統(tǒng)，達到快速準確分析齒輪故障問題的效果。

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將結(jié)合附圖及具體的實施方式，對本申請的齒輪故障診斷系統(tǒng)及齒輪故障診斷方法進行詳細的介紹說明。

如圖1所示，為本發(fā)明所提供的齒輪故障診斷系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖，圖2為本系統(tǒng)裝置的邏輯結(jié)構(gòu)圖及其所對應運算。該系統(tǒng)包括：信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理器500、數(shù)據(jù)分析器600；信號采集模塊又包括設置于齒輪箱100輸入軸101上的第一轉(zhuǎn)速檢測器200、設置于齒輪箱輸出軸102上的第二轉(zhuǎn)速檢測器300、用于采集和存儲第一轉(zhuǎn)速檢測器101和第二轉(zhuǎn)速檢測器102轉(zhuǎn)速信號的數(shù)據(jù)采集卡400。數(shù)據(jù)處理器500信號連接數(shù)據(jù)采集卡400，根據(jù)第一轉(zhuǎn)速檢測器200的轉(zhuǎn)速信號計算輸入軸轉(zhuǎn)角，根據(jù)第二轉(zhuǎn)速檢測器300的轉(zhuǎn)速信號計算輸出軸轉(zhuǎn)角，根據(jù)輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角計算得到動態(tài)傳遞誤差(Dynamic Transmission Error)，簡稱為DTE。數(shù)據(jù)分析器600信號連接數(shù)據(jù)處理器500，對動態(tài)傳遞誤差進行時域和頻域分析，得到故障信息。

在上述方案的基礎上，本發(fā)明中的第一轉(zhuǎn)速檢測器200和第二轉(zhuǎn)速檢測器300均為光電編碼器，數(shù)據(jù)采集卡采集兩個光電編碼器的脈沖信號；基于時柵原理得到輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角，光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置構(gòu)成，利用刻度均勻的光柵盤將旋轉(zhuǎn)軸的角位移轉(zhuǎn)換為若干個脈沖信號，通過A、B、Z三組脈沖信號準確地定位和判斷旋轉(zhuǎn)方向。光電編碼器分別固定安裝在輸入軸101和輸出軸102上，光電編碼器的中心線分別與輸入軸和輸出軸同軸設置，通過兩個光電編碼器將輸入軸101和輸出軸102的角位移轉(zhuǎn)換為若干個脈沖信號，數(shù)據(jù)采集卡分別與兩個光電編碼器連接，用于采集和存儲光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號。

本發(fā)明的核心思想在于通過轉(zhuǎn)角信號得到動態(tài)傳遞誤差這一旋轉(zhuǎn)運動直接信號，進行齒輪故障的分析判斷。傳統(tǒng)的基于振動測點所得到的間接信號，用平移運動信號間接反映旋轉(zhuǎn)運動情況，間接信號的傳遞的過程中可能存在失真、不完全或被干擾的問題，為齒輪故障準確診斷帶來困難，本發(fā)明基于旋轉(zhuǎn)運動信號直接實現(xiàn)，故障診斷更為便捷和準確。

當然，除了利用光電編碼器去測量轉(zhuǎn)角信號之外，還可以利用其他方式測量轉(zhuǎn)角信號，第一轉(zhuǎn)速檢測器200和第二轉(zhuǎn)速檢測器300均為角加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集卡采集兩個角加速度傳感器的角加速度信號，并兩次積分得到輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角，將角加速度一次積分得到角速度，二次積分得到轉(zhuǎn)角；進而利用轉(zhuǎn)角信號得到動態(tài)傳遞誤差，可進行分析判斷齒輪的故障狀態(tài)。

本發(fā)明還公開了一種齒輪故障診斷方法，如圖3所示，為齒輪故障診斷方法的流程圖，包括以下步驟：

S1、分別計算輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角；

S2、根據(jù)輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角得到動態(tài)傳遞誤差；

S3、將動態(tài)傳遞誤差與標準信號作比對，獲取齒輪的故障信息。

具體來說，輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角分別根據(jù)輸入軸和輸出軸上同軸設置的光電編碼器的脈沖信號計算，利用了時柵原理。

通過數(shù)據(jù)處理器還需對脈沖信號進行降噪處理，再計算輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角，降低干擾信號的影響。

在實際的操作過程中，按以下步驟計算所述動態(tài)傳遞誤差：

設輸入軸101和輸出軸102分別旋轉(zhuǎn)一周，對應的光電編碼器將產(chǎn)生N₁和N₂個脈沖信號，則在一個脈沖下輸入軸轉(zhuǎn)角為輸出軸轉(zhuǎn)角為

計算時間段T內(nèi)光電編碼器對應的輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角：

其中：N₁為輸入軸旋轉(zhuǎn)一周對應的光電編碼器脈沖信號數(shù)，N₂為輸出軸旋轉(zhuǎn)一周對應的光電編碼器脈沖信號數(shù)，θ₁為輸入軸轉(zhuǎn)角，θ₂為輸出軸轉(zhuǎn)角；則理論上齒輪系統(tǒng)的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入軸轉(zhuǎn)角之間的對應關(guān)系為：

θ₂＝i·θ₁

在齒輪系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的過程中，由于齒輪系統(tǒng)存在彈性變形、間隙等因素，輸出軸102的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角會存在一定的差異，這個差異就稱為齒輪系統(tǒng)的動態(tài)傳遞誤差DTE，表達式如下：

DTE＝i·θ₁-θ₂

將θ₁和θ₂代入得到：

可見，對于傳動比為i的齒輪系統(tǒng)，在時間段T內(nèi)其動態(tài)傳遞誤差DTE由輸入軸101和輸出軸102產(chǎn)生的脈沖信號N₁和N₂決定。

當齒輪系統(tǒng)發(fā)生故障時，作為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運動直接表現(xiàn)出的輸出軸102實際轉(zhuǎn)角也必然會在時域和頻域上發(fā)生變化，即系統(tǒng)的動態(tài)傳遞誤差DTE會發(fā)生變化，通過對DTE進行時域和頻域的分析，就能夠?qū)崿F(xiàn)齒輪的故障診斷。

上述的過程均依據(jù)齒輪軸101與輸出軸102上設置光電編碼器進行計算分析得到，對于轉(zhuǎn)角信號來說，除了光電編碼器之外，還可利用其他的方式進行測量計算，在滿足本發(fā)明核心思想的前提下，均應包含在本發(fā)明所要保護的范圍之內(nèi)。

例如在輸入軸和輸出軸上分別設置的角加速度傳感器，根據(jù)兩個角加速度傳感器測量得到角加速度，并經(jīng)過兩次積分運算得到輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角，對角加速度作一次積分得到角速度，對角速度再作積分得到轉(zhuǎn)角；再利用轉(zhuǎn)角信號計算得到動態(tài)傳遞誤差DTE，后續(xù)動態(tài)傳遞誤差的計算方法與上述方案相同。

本發(fā)明中的齒輪系統(tǒng)的動態(tài)傳遞誤差通過輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角計算得到，輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角信號的獲取與人員經(jīng)驗無關(guān)，從而最大程度地消除了現(xiàn)有齒輪故障診斷方法的不確定性。動態(tài)傳遞誤差DTE信號的調(diào)制解調(diào)與測點振動信號相同，現(xiàn)在已經(jīng)形成了比較全面的方法體系，因而本發(fā)明具有很好的工程應用前景。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理，可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。