本發(fā)明涉及機(jī)械故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)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(lèi)機(jī)械系統(tǒng)中使用最為廣泛的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)部件，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲的主要來(lái)源之一。齒輪長(zhǎng)期工作在高速、高負(fù)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(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)與噪音，可能進(jìn)一步誘發(fā)斷齒等嚴(yán)重故障。因此精確地進(jìn)行齒輪故障診斷具有重要意義。

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

信息在傳遞的過(guò)程中只會(huì)減少不會(huì)增加，因此原始信號(hào)所包含的故障信息量的多少對(duì)于故障診斷具有決定性的作用，即信號(hào)質(zhì)量是整個(gè)診斷工作的基礎(chǔ)。現(xiàn)有齒輪故障診斷方法是在齒輪箱上選定振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，對(duì)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析，以判斷故障發(fā)生的類(lèi)型與程度，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的選擇多以經(jīng)驗(yàn)為主，一般選擇軸承座附近，振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)齒輪、軸、軸承傳遞到軸承座。

由于結(jié)構(gòu)、材料、剛度、力學(xué)性能各不相同，不同的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)傳遞特性也截然不同，有些齒輪傳遞系統(tǒng)，例如汽車(chē)變速器為減少并控制振動(dòng)的傳遞采用懸置支承，還有些齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)受結(jié)構(gòu)和空間的限制，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)無(wú)法布置在軸承座上，基于振動(dòng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)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(zhǔn)確診斷帶來(lái)困難。

另外，基于振動(dòng)點(diǎn)測(cè)量的振動(dòng)信號(hào)是位移信號(hào)，齒輪系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，產(chǎn)生的是轉(zhuǎn)角信號(hào)，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)傳遞到振動(dòng)點(diǎn)形成位移信號(hào)，中間會(huì)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(dòng)點(diǎn)測(cè)量的方式會(huì)出現(xiàn)更多的噪音。

對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，如何設(shè)計(jì)一種直接測(cè)量齒輪運(yùn)動(dòng)信號(hào)的故障診斷系統(tǒng)，達(dá)到快速準(zhǔn)確分析齒輪故障問(wèn)題的效果，是目前需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)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(cè)量齒輪運(yùn)動(dòng)信號(hào)的故障診斷系統(tǒng)，達(dá)到快速準(zhǔn)確分析齒輪故障問(wèn)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(hào)采集模塊，包括設(shè)置于齒輪箱輸入軸上的第一轉(zhuǎn)速檢測(cè)器、設(shè)置于齒輪箱輸出軸上的第二轉(zhuǎn)速檢測(cè)器、用于采集和存儲(chǔ)所述第一轉(zhuǎn)速檢測(cè)器和所述第二轉(zhuǎn)速檢測(cè)器轉(zhuǎn)速信號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡；

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

數(shù)據(jù)分析器，信號(hào)連接所述數(shù)據(jù)處理器，對(duì)所述動(dòng)態(tài)傳遞誤差進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，得到故障信息。

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

可選地，所述第一轉(zhuǎn)速檢測(cè)器和所述第二轉(zhuǎn)速檢測(cè)器均為角加速度傳感器，所述數(shù)據(jù)采集卡采集兩個(gè)角加速度傳感器的角加速度信號(hào)，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(kāi)一種齒輪故障診斷方法，包括：

分別計(jì)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(dòng)態(tài)傳遞誤差；

將所述動(dòng)態(tài)傳遞誤差與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作比對(duì)，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(shè)置的光電編碼器的脈沖信號(hào)計(jì)算所述輸入軸轉(zhuǎn)角與所述輸出軸轉(zhuǎn)角。

可選地，通過(guò)數(shù)據(jù)處理器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行降噪處理，再計(jì)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(jì)算所述動(dòng)態(tài)傳遞誤差：

設(shè)輸入軸與輸出軸分別旋轉(zhuǎn)一周，則一個(gè)脈沖信號(hào)下輸入軸轉(zhuǎn)角為輸出軸轉(zhuǎn)角為

計(jì)算時(shí)間段T內(nèi)光電編碼器對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的光電編碼器脈沖信號(hào)數(shù)，N₂為輸出軸旋轉(zhuǎn)一周對(duì)應(yīng)的光電編碼器脈沖信號(hào)數(shù)，θ₁為輸入軸轉(zhuǎn)角，θ₂為輸出軸轉(zhuǎn)角；

計(jì)算動(dòng)態(tài)傳遞誤差：

DTE＝i·θ₁-θ₂

其中：DTE為動(dòng)態(tài)傳遞誤差，i為齒輪系統(tǒng)的傳動(dòng)比。

可選地，所述動(dòng)態(tài)傳遞誤差與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作比對(duì)具體為，對(duì)動(dòng)態(tài)傳遞誤差信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。

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

本發(fā)明公開(kāi)了一種齒輪故障診斷系統(tǒng)，信號(hào)采集模塊包括第一轉(zhuǎn)速檢測(cè)器、二轉(zhuǎn)速檢測(cè)器和數(shù)據(jù)采集卡，第一轉(zhuǎn)速檢測(cè)器設(shè)置于齒輪箱輸入軸上，第二轉(zhuǎn)速檢測(cè)器設(shè)置于齒輪箱輸出軸上，兩者分別與輸入軸及輸出軸同步運(yùn)動(dòng)，直接反應(yīng)輸入軸與輸出軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集卡采集存儲(chǔ)第一轉(zhuǎn)速檢測(cè)器和第二轉(zhuǎn)速檢測(cè)器轉(zhuǎn)速信號(hào)，轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)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(hào)分別計(jì)算輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角，并通過(guò)輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角計(jì)算得到動(dòng)態(tài)傳遞誤差；數(shù)據(jù)分析器得到數(shù)據(jù)處理器的動(dòng)態(tài)傳遞誤差，對(duì)動(dòng)態(tài)傳遞誤差進(jìn)行時(shí)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(yùn)動(dòng)，由于第一轉(zhuǎn)速檢測(cè)器、二轉(zhuǎn)速檢測(cè)器直接測(cè)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(jìn)行后續(xù)的計(jì)算，從而得到相應(yīng)的動(dòng)態(tài)傳遞誤差，相對(duì)于傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)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(cè)量分析結(jié)果更為準(zhǔn)確。

本發(fā)明還公開(kāi)一種齒輪故障診斷方法，包括以下步驟：分別計(jì)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(dòng)態(tài)傳遞誤差；將動(dòng)態(tài)傳遞誤差與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作比對(duì)，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(jì)算得到動(dòng)態(tài)傳遞誤差，改變傳統(tǒng)的以直線(xiàn)振動(dòng)測(cè)量為依據(jù)的計(jì)算方式，直接反映轉(zhuǎn)速的真實(shí)情況，減少中間傳遞過(guò)程形成的干擾。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)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(duì)應(yīng)運(yùn)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(shí)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(cè)量齒輪運(yùn)動(dòng)信號(hào)的故障診斷系統(tǒng)，達(dá)到快速準(zhǔn)確分析齒輪故障問(wèn)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(shí)施方式，對(duì)本申請(qǐng)的齒輪故障診斷系統(tǒng)及齒輪故障診斷方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹說(shuō)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(duì)應(yīng)運(yùn)算。該系統(tǒng)包括：信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理器500、數(shù)據(jù)分析器600；信號(hào)采集模塊又包括設(shè)置于齒輪箱100輸入軸101上的第一轉(zhuǎn)速檢測(cè)器200、設(shè)置于齒輪箱輸出軸102上的第二轉(zhuǎn)速檢測(cè)器300、用于采集和存儲(chǔ)第一轉(zhuǎn)速檢測(cè)器101和第二轉(zhuǎn)速檢測(cè)器102轉(zhuǎn)速信號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡400。數(shù)據(jù)處理器500信號(hào)連接數(shù)據(jù)采集卡400，根據(jù)第一轉(zhuǎn)速檢測(cè)器200的轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)算輸入軸轉(zhuǎn)角，根據(jù)第二轉(zhuǎn)速檢測(cè)器300的轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)算輸出軸轉(zhuǎn)角，根據(jù)輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角計(jì)算得到動(dòng)態(tài)傳遞誤差(Dynamic Transmission Error)，簡(jiǎn)稱(chēng)為DTE。數(shù)據(jù)分析器600信號(hào)連接數(shù)據(jù)處理器500，對(duì)動(dòng)態(tài)傳遞誤差進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，得到故障信息。

在上述方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明中的第一轉(zhuǎn)速檢測(cè)器200和第二轉(zhuǎn)速檢測(cè)器300均為光電編碼器，數(shù)據(jù)采集卡采集兩個(gè)光電編碼器的脈沖信號(hào)；基于時(shí)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(pán)和光電檢測(cè)裝置構(gòu)成，利用刻度均勻的光柵盤(pán)將旋轉(zhuǎn)軸的角位移轉(zhuǎn)換為若干個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)A、B、Z三組脈沖信號(hào)準(zhǔn)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(xiàn)分別與輸入軸和輸出軸同軸設(shè)置，通過(guò)兩個(gè)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(gè)脈沖信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡分別與兩個(gè)光電編碼器連接，用于采集和存儲(chǔ)光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)。

本發(fā)明的核心思想在于通過(guò)轉(zhuǎn)角信號(hào)得到動(dòng)態(tài)傳遞誤差這一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接信號(hào)，進(jìn)行齒輪故障的分析判斷。傳統(tǒng)的基于振動(dòng)測(cè)點(diǎn)所得到的間接信號(hào)，用平移運(yùn)動(dòng)信號(hào)間接反映旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)情況，間接信號(hào)的傳遞的過(guò)程中可能存在失真、不完全或被干擾的問(wèn)題，為齒輪故障準(zhǔn)確診斷帶來(lái)困難，本發(fā)明基于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)信號(hào)直接實(shí)現(xiàn)，故障診斷更為便捷和準(zhǔn)確。

當(dāng)然，除了利用光電編碼器去測(cè)量轉(zhuǎn)角信號(hào)之外，還可以利用其他方式測(cè)量轉(zhuǎn)角信號(hào)，第一轉(zhuǎn)速檢測(cè)器200和第二轉(zhuǎn)速檢測(cè)器300均為角加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集卡采集兩個(gè)角加速度傳感器的角加速度信號(hào)，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(jìn)而利用轉(zhuǎn)角信號(hào)得到動(dòng)態(tài)傳遞誤差，可進(jìn)行分析判斷齒輪的故障狀態(tài)。

本發(fā)明還公開(kāi)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(jì)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(dòng)態(tài)傳遞誤差；

S3、將動(dòng)態(tài)傳遞誤差與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作比對(duì)，獲取齒輪的故障信息。

具體來(lái)說(shuō)，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(shè)置的光電編碼器的脈沖信號(hào)計(jì)算，利用了時(shí)柵原理。

通過(guò)數(shù)據(jù)處理器還需對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行降噪處理，再計(jì)算輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角，降低干擾信號(hào)的影響。

在實(shí)際的操作過(guò)程中，按以下步驟計(jì)算所述動(dòng)態(tài)傳遞誤差：

設(shè)輸入軸101和輸出軸102分別旋轉(zhuǎn)一周，對(duì)應(yīng)的光電編碼器將產(chǎn)生N₁和N₂個(gè)脈沖信號(hào)，則在一個(gè)脈沖下輸入軸轉(zhuǎn)角為輸出軸轉(zhuǎn)角為

計(jì)算時(shí)間段T內(nèi)光電編碼器對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的光電編碼器脈沖信號(hào)數(shù)，N₂為輸出軸旋轉(zhuǎn)一周對(duì)應(yīng)的光電編碼器脈沖信號(hào)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(duì)應(yīng)關(guān)系為：

θ₂＝i·θ₁

在齒輪系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的過(guò)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(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角會(huì)存在一定的差異，這個(gè)差異就稱(chēng)為齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)傳遞誤差DTE，表達(dá)式如下：

DTE＝i·θ₁-θ₂

將θ₁和θ₂代入得到：

可見(jiàn)，對(duì)于傳動(dòng)比為i的齒輪系統(tǒng)，在時(shí)間段T內(nèi)其動(dòng)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(hào)N₁和N₂決定。

當(dāng)齒輪系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，作為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接表現(xiàn)出的輸出軸102實(shí)際轉(zhuǎn)角也必然會(huì)在時(shí)域和頻域上發(fā)生變化，即系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)傳遞誤差DTE會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)DTE進(jìn)行時(shí)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(guò)程均依據(jù)齒輪軸101與輸出軸102上設(shè)置光電編碼器進(jìn)行計(jì)算分析得到，對(duì)于轉(zhuǎn)角信號(hào)來(lái)說(shuō)，除了光電編碼器之外，還可利用其他的方式進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，在滿(mǎn)足本發(fā)明核心思想的前提下，均應(yīng)包含在本發(fā)明所要保護(hù)的范圍之內(nèi)。

例如在輸入軸和輸出軸上分別設(shè)置的角加速度傳感器，根據(jù)兩個(gè)角加速度傳感器測(cè)量得到角加速度，并經(jīng)過(guò)兩次積分運(yùn)算得到輸入軸轉(zhuǎn)角與輸出軸轉(zhuǎn)角，對(duì)角加速度作一次積分得到角速度，對(duì)角速度再作積分得到轉(zhuǎn)角；再利用轉(zhuǎn)角信號(hào)計(jì)算得到動(dòng)態(tài)傳遞誤差DTE，后續(xù)動(dòng)態(tài)傳遞誤差的計(jì)算方法與上述方案相同。

本發(fā)明中的齒輪系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)傳遞誤差通過(guò)輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角計(jì)算得到，輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角信號(hào)的獲取與人員經(jīng)驗(yàn)無(wú)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(dòng)態(tài)傳遞誤差DTE信號(hào)的調(diào)制解調(diào)與測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)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(yīng)用前景。

對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)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(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)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(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。