一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置，由抗振底座、電動機、變頻器、彈性聯軸器、二級行星齒輪減速器、齒輪箱、磁粉加載器、軸承、軸承座、擋油環(huán)、外球面軸承、軸承透蓋、軸承套、中間軸小齒輪、軸承密封端蓋、第二齒輪、節(jié)油閥、輸出軸、中間軸、中間軸大齒輪、輸入軸、第一齒輪、試驗臺、傳感器模塊、振動加速度傳感器、數據采集模塊、電荷放大器、A/D轉換器、數據處理與分析模塊、計算機、數據處理器、故障診斷功能模塊、結果輸出模塊、顯示器、打印機組成；本實用新型性能可靠，操作簡單方便，對人的依賴程度較低，可用于工業(yè)現場對設備上的故障進行檢測與診斷等，具有很大的應用和推廣價值。
【專利說明】
一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置，屬于齒輪箱故障診斷技術領域?！颈尘凹夹g】
[0002]齒輪箱作為機械設備中重要的傳動機構，具有結構緊湊、效率高、工作可靠、使用壽命長和維護方便的優(yōu)點，在機械傳動、減速、增速等各方面得到了非常廣泛的應用。由于其本身結構復雜，工作環(huán)境惡劣等原因，齒輪及齒輪箱容易受到損傷和出現故障。如果齒輪箱出現故障，將直接影響整臺設備的運行狀況以及產品質量和生產效率。因此對齒輪箱進行故障診斷研究具有十分重要的意義。
[0003]目前齒輪箱的故障診斷方法很多，如振動診斷、扭轉分析、聲發(fā)射、油液分析、溫度及能耗監(jiān)測等。齒輪箱中的軸、軸承和齒輪在工作時會產生振動，若發(fā)生故障，其振動信號的能量分布會發(fā)生變化，振動信號是齒輪箱故障特征的載體，蘊含著豐富的信息，便于識別和決策。因此，振動診斷是一種行之有效的故障診斷方法。但現有的基于振動分析的故障診斷系統(tǒng)結構復雜、穩(wěn)定性低、操作困難、對人的依賴程度較大，且使用的故障診斷方法(如小波變換、短時傅立葉變換、經驗模態(tài)分解等)對齒輪箱早期故障顯得力不從心，從而嚴重制約了診斷的效果，不能夠對齒輪箱的狀態(tài)做出準確的判斷。
【發(fā)明內容】

[0004]本實用新型的目的在于提供一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置，從而解決現有的檢測與診斷技術的缺陷和不足，提高對齒輪箱早期微弱故障或齒輪箱故障特征信號被強噪聲所淹沒時的診斷能力，提高診斷的效率和精確度。
[0005]—種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置，由抗振底座、電動機、變頻器、彈性聯軸器、二級行星齒輪減速器、齒輪箱、磁粉加載器、軸承、軸承座、擋油環(huán)、外球面軸承、 軸承透蓋、軸承套、中間軸小齒輪、軸承密封端蓋、第二齒輪、節(jié)油閥、輸出軸、中間軸、中間軸大齒輪、輸入軸、第一齒輪、試驗臺、傳感器模塊、振動加速度傳感器、數據米集模塊、電荷放大器、A/D轉換器、數據處理與分析模塊、計算機、數據處理器、故障診斷功能模塊、結果輸出模塊、顯示器、打印機組成;其特征是所述試驗臺包括抗振底座、電動機、變頻器、彈性聯軸器、二級行星齒輪減速器、齒輪箱、磁粉加載器、軸承、軸承座，其中安裝有變頻器的電動機固定在抗振底座的左端，電動機通過彈性聯軸器與二級行星齒輪減速器的輸入轉軸相連，二級行星齒輪減速器的輸出轉軸作為齒輪箱的輸入軸，齒輪箱的輸出軸與磁粉加載器相連，磁粉加載器的輸出轉軸通過固定在抗振底座右端的軸承座上的軸承進行固定支撐。
[0006]所述齒輪箱一側安裝有節(jié)油閥，齒輪箱的內部裝有輸入軸、輸出軸和中間軸，三者安置在不同的水平面上;在輸入軸、輸出軸和中間軸兩端分別安裝外球面軸承且在外球面軸承的外圈安裝有軸承套，在外球面軸承內側安裝有擋油環(huán);所述軸承透蓋分別安裝在輸入軸的輸入端和輸出軸的輸出端，且與對應的軸承套通過螺栓進行連接;所述軸承密封端蓋分別安裝在輸入軸的靠近齒輪端、輸出軸的靠近齒輪端和中間軸的兩端，且軸承密封端蓋與對應的軸承套通過螺栓連接;所述第一齒輪安裝在輸入軸上，且與安裝在中間軸上的中間軸大齒輪嚙合;所述第二齒輪安裝在輸出軸上，且與安裝在中間軸上的中間軸小齒輪嚙合。
[0007]所述傳感器模塊是由三個振動加速度傳感器組成，三個振動加速度傳感器分別安裝在齒輪箱中間軸右側端蓋的垂直徑向、水平徑向和軸向的測點上，且振動加速度傳感器通過數據線與數據采集模塊內的電荷放大器連接;所述數據采集模塊包括電荷放大器和A/ D轉換器，且電荷放大器與A/D轉換器連接;所述數據處理與分析模塊是由計算機、數據處理器、故障診斷功能模塊構成，且數據處理器與故障診斷功能模塊安裝在計算機上;所述結果輸出模塊是由顯示器和打印機組成，顯示器與打印機分別與計算機相連，并將故障診斷功能模塊的診斷結果進行輸出。
[0008]進一步，所述輸入軸上的第一齒輪、輸出軸上的第二齒輪、中間軸上的中間軸小齒輪和中間軸大齒輪都通過平鍵和緊定螺釘固定在對應的軸上，松開螺釘，即可實現齒輪在軸上的平移，達到更換故障件的效果。
[0009]所述外球面軸承，在靠近軸承內圈的一端上設有兩個內六角緊定螺釘，使軸承的內圈能固定在軸上。
[0010]所述軸承套上有六個螺紋孔，用來和軸承透蓋、軸承密封端蓋上的螺釘進行配合， 軸承套安裝在軸承外圈，用來定位軸承，防止軸徑向竄動。[〇〇11]進一步，所述軸承透蓋、軸承密封端蓋上有六個螺釘和軸承套相連接，軸承透蓋、 軸承密封端蓋裝配在齒輪箱的外側并與密封圈配合，端蓋裝配在齒輪箱的外側，起到密封和防塵的作用。
[0012]進一步，數據處理器內置有由MATLAB軟件編好的算法程序。[〇〇13]本實用新型的有益效果在于數據處理器中使用的雙樹復小波變換(DT-CWT)能夠把非平穩(wěn)的故障信號有效地進行分解與重構，縮小故障頻率的范圍，便于后續(xù)選取;數據降噪過程中使用的奇異值能量差分譜能夠自動準確地擇重構信號的有效階次，保留了信號中有用的成分，同時最大限度地消除了噪聲。數據處理器中先進的算法使得本實用新型對比較微弱的早期故障有著較高的診斷精度，能準確地將故障定位到具體的部位。【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型齒輪箱故障檢測實驗臺的結構示意圖。
[0015]圖2為本實用新型齒輪箱故障模擬實驗臺齒輪箱總體裝配圖。
[0016]圖3為本實用新型的裝置流程圖。
[0017]圖中，抗振底座1、電動機2、變頻器3、彈性聯軸器4、二級行星齒輪減速器5、齒輪箱 6、磁粉加載器7、軸承8、軸承座9、擋油環(huán)10、外球面軸承11、軸承透蓋12、軸承套13、中間軸小齒輪14、軸承密封端蓋15、第二齒輪16、節(jié)油閥17、輸出軸18、中間軸19、中間軸大齒輪20、 輸入軸21、第一齒輪22、試驗臺23、傳感器模塊24、振動加速度傳感器24-1、數據采集模塊 25、電荷放大器25-1、A/D轉換器25-2、數據處理與分析模塊26、計算機26-1、數據處理器26-2、故障診斷功能模塊26-3、結果輸出模塊27、顯示器27-1、打印機27-2?！揪唧w實施方式】
[0018]以下為本實用新型的較佳實施方式，并不因此而限定本實用新型的保護范圍。
[0019]如圖所示，一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置，由抗振底座1、電動機 2、變頻器3、彈性聯軸器4、二級行星齒輪減速器5、齒輪箱6、磁粉加載器7、軸承8、軸承座9、 擋油環(huán)10、外球面軸承11、軸承透蓋12、軸承套13、中間軸小齒輪14、軸承密封端蓋15、第二齒輪16、節(jié)油閥17、輸出軸18、中間軸19、中間軸大齒輪20、輸入軸21、第一齒輪22、試驗臺 23、傳感器模塊24、振動加速度傳感器24-1、數據采集模塊25、電荷放大器25-1、A/D轉換器25-2、數據處理與分析模塊26、計算機26-1、數據處理器26-2、故障診斷功能模塊26-3、結果輸出模塊27、顯示器27-1、打印機27-2組成;其特征是所述試驗臺23包括抗振底座1、電動機 2、變頻器3、彈性聯軸器4、二級行星齒輪減速器5、齒輪箱6、磁粉加載器7、軸承8、軸承座9， 其中安裝有變頻器3的電動機2固定在抗振底座1的左端，電動機2通過彈性聯軸器4與二級行星齒輪減速器5的輸入轉軸相連，二級行星齒輪減速器5的輸出轉軸作為齒輪箱6的輸入軸21，齒輪箱6的輸出軸18與磁粉加載器7相連，磁粉加載器7的輸出轉軸通過固定在抗振底座1右端的軸承座9上的軸承8進行固定支撐。
[0020]所述齒輪箱6—側設置有節(jié)油閥17,齒輪箱6的內部裝有輸入軸21、輸出軸18和中間軸19,三者安置在不同的水平面上;在輸入軸21、輸出軸18和中間軸19兩端分別安裝外球面軸承11且在外球面軸承11的外圈安裝有軸承套13,在外球面軸承內側安裝有擋油環(huán)10; 所述軸承透蓋12分別安裝在輸入軸21的輸入端和輸出軸18上的輸出端，且與對應的軸承套 13通過螺栓進行連接;所述軸承密封端蓋15分別安裝在輸入軸21的靠近齒輪端、輸出軸18 的靠近齒輪端和中間軸19的兩端，且軸承密封端蓋15與對應的軸承套13通過螺栓進行連接;所述第一齒輪22安裝在輸入軸21上，且與安裝在中間軸19上的中間軸大齒輪20嚙合;所述第二齒輪16安裝在輸出軸18上，且與安裝在中間軸19上的中間軸小齒輪14嚙合。[〇〇21]所述傳感器模塊24是由三個振動加速度傳感器24-1組成，三個振動加速度傳感器 24-1分別安裝在齒輪箱6中間軸19右側軸承密封端蓋15的垂直徑向、水平徑向和軸向的測點上，且振動加速度傳感器24-1通過數據線與數據采集模塊25內的電荷放大器25-1連接； 所述數據采集模塊25包括電荷放大器25-1和A/D轉換器25-2,且電荷放大器25-1與A/D轉換器25-2連接;所述數據處理與分析模塊26是由計算機26-1、數據處理器26-2、故障診斷功能模塊26-3構成，且數據處理器26-2與故障診斷功能模塊26-3安裝在計算機26-1上;所述結果輸出模塊27是由顯示器27-1和打印機27-2組成，顯示器27-1與打印機27-2分別與計算機26-1相連，并將故障診斷功能模塊26-3的診斷結果進行輸出。
[0022]進一步，所述輸入軸21上的第一齒輪22、輸出軸18上的第二齒輪16、中間軸19上的中間軸小齒輪14和中間軸大齒輪20都通過平鍵和緊定螺釘固定在對應的軸上，松開螺釘， 即可實現齒輪在軸上的平移，達到更換故障件的效果。
[0023]所述外球面軸承11，在靠近外球面軸承11內圈的一端上設有兩個內六角緊定螺釘，使外球面軸承11的內圈能固定在軸上。
[0024]所述軸承套13上有6個螺紋孔，用來和軸承透蓋12、軸承密封端蓋15上的螺釘配合，軸承套13安裝在外球面軸承11外圈，用來定位外球面軸承11，防止外球面軸承11徑向竄動。
[0025] 所述軸承透蓋12、軸承密封端蓋15上有六個螺釘和軸承套13相連接，軸承透蓋12 和軸承密封端蓋15裝配在齒輪箱的外側，起到密封和防塵的作用。[〇〇26]進一步，數據處理器內置有由MATLAB軟件編好的算法程序。
[0027]進一步，振動加速度傳感器24-1將采集到的齒輪箱故障振動數據傳遞給電荷放大器25-1，電荷放大器25-1把振動加速度傳感器24-1輸出的微弱信號轉換為放大的電壓信號，放大的電壓信號通過A/D轉換器25-2輸出為計算機中分析所用的數字信號并以excel等數格式進行存儲，再利用數據處理與分析模塊26對數字信號進行處理和分析得出診斷結果，最終通過結果輸出模塊27對診斷的結果進行顯示和打印。[〇〇28]進一步，數據處理器26-2中算法的主要步驟為:(1)計算齒輪箱6中的齒輪和滾動軸承元件的故障特征頻率；(2)利用雙樹復小波(DT-CWT)將振動加速度傳感器24-1采集到的振動信號分解為幾個不同頻段上的分量；(3)選取包含故障特征的分量構建Hankel矩陣； (4)對Hankel矩陣進行奇異值差分能量譜分解(5)繪制能量差分譜曲線圖，并確定有效奇異值的個數進行信號重構降噪；(6)對降噪后的信號求希爾伯特包絡譜，從包絡譜中提取故特征信息。[〇〇29]下面給出具體實例:[〇〇3〇]齒輪箱6的振動數據在故障模擬實驗臺23上進行采集。實驗將模擬中間軸大齒輪 20—個齒齒根微小裂紋故障，振動加速度傳感器24-1分別安裝在齒輪箱6中間軸19右側軸承密封端蓋15的垂直徑向、水平徑向和軸向的測點上。設定電動機的轉速為2500r/min，采樣頻率為2560Hz。
[0031]將振動加速度感器24-1采集到的加速度振動信號傳輸到數據采集模塊25,首先經數據采集模25中的電荷放大器25-1把微弱信號轉換為放大的電壓信號，再通過A/D轉換器 25-2將放大的電壓信號轉換為計算機26-1中分析所用的數字信號并進行儲存。[〇〇32]轉換完的數字信號輸入到數據處理與分析模塊26進行處理與分析，將轉換的數字信號導入計算機26-1中，使用數據處理器26-2對數據進行處理。數據處理器26-2中算法具體步驟為:[〇〇33]1、截取一段長度為2048點的數據信號進行故障特征提取，利用雙樹復小波對原始振動信號進行分解和單支重構，得到若干個分量；
[0034]2、對比各個分量，找出包含故障特征的分量作為研究對象；[〇〇35]3、選取包含故障特征的分量構建Hankel矩陣；[〇〇36]4、對Hankel矩陣進行奇異值差分能量譜分解；
[0037]5、繪制能量差分譜曲線圖，并確定有效奇異值的個數進行信號重構降噪；
[0038]6、對降噪后的信號進行希爾伯特解調，得到的包絡譜，從包絡譜中提取故特征信息。[〇〇39]將數據處理器26-2處理后的結果輸入到故障診斷功能模塊26-3進行故障診斷，便能夠準確地判斷齒輪箱6中出現的故障類型、故障程度和故障發(fā)生部位。
[0040]數據經數據處理與分析模塊26處理后，把最終的結果輸入到結果輸出模塊27中的顯示器27-1和打印機27-2中，將最終的診斷結果清晰地顯示在顯示屏中，并通過打印機27-2進行打印，對診斷結果進行備案，以便后續(xù)查閱。[〇〇41]本實用新型通過在數據處理器26-2中使用具有平移不變性、抗頻帶混疊能力、有限冗余性和良好魯棒性的雙樹復小波變換，將齒輪箱6的故障振動信號進行分解和重構，得到若干個不同頻帶的分量，縮小了故障頻率的范圍，使后續(xù)研究對象的選取變得方便;數據降噪過程中使用的奇異值能量差分譜能夠準確地選擇重構信號的有效階次，實現自適應降噪，從而可以避免人為因素的干擾，提高診斷的精確度。數據處理器26-2中先進的算法使得本實用新型對比較微弱的早期故障有著較高的識別能力，能準確地將故障定位到具體的部位。
[0042]本實用新型性能可靠，操作簡單方便，對人的依賴程度較低，可用于工業(yè)現場對設備的故障進行檢測與診斷等，具有很大的應用和推廣價值。
【主權項】
1.一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置，由抗振底座、電動機、變頻器、彈性 聯軸器、二級行星齒輪減速器、齒輪箱、磁粉加載器、軸承、軸承座、擋油環(huán)、外球面軸承、軸 承透蓋、軸承套、中間軸小齒輪、軸承密封端蓋、第二齒輪、節(jié)油閥、輸出軸、中間軸、中間軸 大齒輪、輸入軸、第一齒輪、試驗臺、傳感器模塊、振動加速度傳感器、數據采集模塊、電荷放 大器、A/D轉換器、數據處理與分析模塊、計算機、數據處理器、故障診斷功能模塊、結果輸出 模塊、顯示器、打印機組成;其特征是所述試驗臺包括抗振底座、電動機、變頻器、彈性聯軸 器、二級行星齒輪減速器、齒輪箱、磁粉加載器、軸承、軸承座，其中安裝有變頻器的電動機 固定在抗振底座的左端，電動機通過彈性聯軸器與二級行星齒輪減速器的輸入轉軸相連， 二級行星齒輪減速器的輸出轉軸作為齒輪箱的輸入軸，齒輪箱的輸出軸與磁粉加載器相 連，磁粉加載器的輸出轉軸通過固定在抗振底座右端的軸承座上的軸承進行固定支撐。2.根據權利要求1所述的一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置，其特征是所 述齒輪箱一側安裝有節(jié)油閥，齒輪箱的內部裝有輸入軸、輸出軸和中間軸，三者安置在不同 的水平面上;在輸入軸、輸出軸和中間軸兩端分別安裝外球面軸承且在外球面軸承的外圈 安裝有軸承套，在外球面軸承內側安裝有擋油環(huán);所述軸承透蓋分別安裝在輸入軸的輸入 端和輸出軸的輸出端，且與對應的軸承套通過螺栓進行連接;所述軸承密封端蓋分別安裝 在輸入軸的靠近齒輪端、輸出軸的靠近齒輪端和中間軸的兩端，且軸承密封端蓋與對應的 軸承套通過螺栓連接;所述第一齒輪安裝在輸入軸上，且與安裝在中間軸上的中間軸大齒 輪嚙合;所述第二齒輪安裝在輸出軸上，且與安裝在中間軸上的中間軸小齒輪嚙合。3.根據權利要求1所述的一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置，其特征是所 述傳感器模塊是由三個振動加速度傳感器組成，三個振動加速度傳感器分別安裝在齒輪箱 中間軸右側端蓋的垂直徑向、水平徑向和軸向的測點上，且振動加速度傳感器通過數據線 與數據采集模塊內的電荷放大器連接;所述數據采集模塊包括電荷放大器和A/D轉換器，且 電荷放大器與A/D轉換器連接。4.根據權利要求1所述的一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置，其特征是所 述輸入軸上的第一齒輪、輸出軸上的第二齒輪、中間軸上的中間軸小齒輪和中間軸大齒輪 都通過平鍵和緊定螺釘固定在對應的軸上，松開螺釘，即可實現齒輪在軸上的平移。5.根據權利要求1所述的一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置，其特征是所 述外球面軸承在靠近軸承內圈的一端上設有兩個內六角緊定螺釘。6.根據權利要求1所述的一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置，其特征是所 述軸承套上有六個螺紋孔，用來和軸承透蓋、軸承密封端蓋上的螺釘配合，軸承套安裝在外 球面軸承的外圈。7.根據權利要求1所述的一種基于振動信號分析的齒輪箱故障檢測裝置，其特征是所 述軸承透蓋、軸承密封端蓋上都安裝有六個螺釘用來和軸承套進行連接，軸承透蓋、軸承密 封端蓋裝配在齒輪箱的外側并與密封圈配合。
【文檔編號】G01H17/00GK205607636SQ201521110146
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年12月26日
【發(fā)明人】王朝閣, 李攀, 盧欣欣, 任學平, 蔣廣琪, 張建通, 談艷陽, 任曉濱
【申請人】王朝閣