本科毕业论文---齿轮故障诊断虚拟仪器平台开发.doc
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1、哈尔滨理工大学学士学位论文齿轮故障诊断虚拟仪器平台开发摘要目前的齿轮箱故障诊断研究主要集中在状态监测仪器和分析系统的开发、信号处理和分析、故障机理研究和典型故障特征的提取、智能诊断等几个方面。Labview最初就是为测试测量而设计的,因而测试测量也是现在Labview最广泛的应用领域。同时,用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的Labview工具包。国内已有不少基于虚拟仪器的故障诊断的研究,但还处于实验室研究阶段。本文论述了基于虚拟仪器的齿轮故障诊断的原理和方法,详细的介绍了齿轮故障的特征和齿轮故障信号的分析方法,采用时域分析、频谱分析、解调分析对信号进行了处理和分析。建立了齿轮故障
2、实验平台,利用labview设计了具有数据采集、信号处理、故障监测、数据管理等功能的故障诊断程序,并介绍了这些功能基于labview的实现方法。制作了一套基于虚拟仪器的齿轮故障诊断系统,并且用齿轮故障实验台验证了该系统用于齿轮故障诊断的可行性。关键词:齿轮故障诊断;虚拟仪器;包络分析;频率调制The development of virtual instrument platform gear fault diagnosisAbstractSeveral studies of gearbox fault diagnosis at present mainly in the state moni
3、toring and analysis system, signal processing and analysis, fault mechanism and fault feature extraction, intelligent diagnosis and etc. Labview originally is for test and measurement and design, and test and measurement is now the most widely used Labview applications.At the same time, the user can
4、 conveniently find suitable for testing Labview kit. There are a lot of fault diagnosis based on virtual instrument, but also at the stage of laboratory research.This paper discusses the theory and method of gear fault diagnosis based on virtual instrument, introduces the analysis method of fault ge
5、ar and gear fault signal, the time domain analysis, spectrum analysis, demodulation analysis for signal processing and analysis. Establishment of the gear fault experiment platform, program of fault diagnosis with data acquisition, signal processing, fault monitoring, data management and other funct
6、ions of the design using Labview, and introduces the function implementation method based on labview. A set of gear fault diagnosis system based on virtual instrument, and the gear fault experiment verified the feasibility of system for fault diagnosis of gears.Keywords: gear fault diagnosis;virtual
7、 instrument; envelope analysis;frequency modulationII目录摘要IAbstractII第1章 绪论- 1 -1.1虚拟仪器及labview简介- 1 -1.2基于labview的故障诊断系统研究现状- 1 -1.3本课题研究的意义- 2 -1.4本文研究内容- 3 -第2章 齿轮故障诊断的方法与原理- 5 -2.1基于振动的齿轮故障诊断方法- 5 -2.2故障诊断常用信号处理方法- 6 -2.3齿轮故障分类及典型故障信号的振动特征- 11 -2.4齿轮振动信号的调制现象- 11 -2.4.1齿轮振动信号的频率成分- 11 -2.4.2不同调制振
8、动信号的分析方法- 12 -2.5共振解调- 13 -第3章 齿轮故障诊断系统设计- 15 -3.1 设计系统总体方案- 15 -3.2建立系统硬件- 16 -3.3 设计基于labview的虚拟仪器- 19 -3.3.1软件设计的总体方案- 19 -3.3.2各模块简介- 19 -3.3.3解调分析的仿真- 24 -第4章 基于labview齿轮故障诊断实验系统- 27 -4.1 故障实验台分析- 27 -4.2实验结果分析- 28 -结论- 31 -致谢- 32 -参考文献- 33 -附录- 34 -第1章 绪论1.1虚拟仪器及labview简介虚拟仪器(VI)的概念是美国国家仪器公司(N
9、I)提出的,通俗地讲就是利用计算机的丰富硬件资源在某种软件编程环境开发出的数据系统,测量数据在该系统内的传递是靠软件而不是硬件完成,它的核心是“软件就是仪器”。传统的仪器如示波器,万用表,电子显示温度计等是利用某些特殊的物理效应来建立输入量和输出量之间的函数关系。示波器是利用电子流撞击荧光粉发出荧光来显示出波形,当输入的电压量变化时电子流的偏移量发生变化,于是输入的电压量和波形之间建立了确定的函数关系。万用表则是利用线性的欧姆定律来建立输入输出的函数关系,而电子显示温度计是由温度传感器建立温度与电信号之间的关系。抽象的讲:仪器就是输入量与输出量之间的传递函数。 计算机在函数关系模拟,计算等方面
10、具有得天独厚的优势,因此利用计算机技术发展起来并与之几乎完美的相结合的虚拟仪器注定将引领仪器领域的发展方向。虚拟仪器的设计除了需要计算机硬件资源,还需要一个良好的软件设计环境。Labview是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual rument Engineering Workbench)的简称,是美国国家仪器公司的软件产品,也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形软件开发集成环境。1它是NI公司开发的世界唯一一款基于图形的编程语言。所谓图形化编程语言就是将具体的代码封装起来以图标的形式显示成具有一定功能的控件(VI)只显示输入与输出接口。利用labview编写程序具有
11、突出的直观性,快捷性。直观体现在labview用封装成图形的功能控件取代了有杂代码表示的函数;快捷体现在labview利用图形化的控件取代了代码从而省略用户输入代码的麻烦。用户编程时只需将相应的控件的接口用“数据线”连接起来便“能量身定制”出具自己需要的仪器。虚拟仪器引入到当今计算机辅助测试领域,使数据采集和工业控制自动化技术发生了重大的变革。21.2基于labview的故障诊断系统研究现状故障诊断技术发展到今天与计算机技术,现代数学,逻辑学产生了越来越密不可分的关系。随着科学技术的发展,机械设备结构变得越来越复杂,故障诊断也因而变得更加必要和重要。目前的齿轮箱故障诊断研究主要集中在状态监测仪
12、器和分析系统的开发、信号处理和分析、故障机理研究和典型故障特征的提取、智能诊断等几个方面。3在监测仪器和系统开发方面,研究者已经取得了大量的成果,开发出了许多性能优良的仪器及分析系统。美国国家仪器公司提出的虚拟仪器概念由于其卓越的设计理念和突出优势引起了仪器领域的革命性变化,虚拟仪器是未来测试仪器技术的发展趋势。在信号处理和分析方面,基于数学理论的发展,人们有了一系列先进的信号分析方法。除了传统的时域分析、频域分析还发展了诸如小波理论,能量算子解调,希尔伯特变换,统计特征分析等一系列先进的信号处理方法,为信号处理提供了丰富有效的手段。在故障机理研究方面研究人员也做了大量的工作,也取得了一定的成
13、绩。Labview提供了极其丰富的函数库和控件库,涵盖了信号截取、信号分析、机器视觉、数值运算、逻辑运算、声音震动分析、数据存储等众多方面,随着计算机技术的发展已可支持Windows,UNIX,Linux,MacOS等多种操作系统,因而被广泛的应用于工业测控领域。 Labview最初就是为测试测量而设计的,因而测试测量也是现在Labview最广泛的应用领域。经过多年的发展,Labview在测试测量领域获得了广泛的承认。至今,大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的Labview驱动程序,使用Labview可以非常便捷的控制这些硬件设备。同时,用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域
14、的Labview工具包。国内已有不少基于虚拟仪器的故障诊断的研究,但还处于实验室研究阶段。1.3本课题研究的意义齿轮传动由于其精确的传动比广泛的用于各种机械设备的传动系统中,例如切削机床、航空工业、电力系统、农业机械、运输机械、矿山机械等均运用了齿轮传动装置。在精密机械如数控机床、高档轿车、精密工业机器人等产品中也广泛的采用了齿轮传动。可以说现代工业中具有不可替代的重要作用。但是齿轮容易受的损坏出现故障,它是诱发机械故障的重要原因。据统计,传动机械中80%的故障是由齿轮故障引起的,旋转机械中齿轮故障占其故障总数的10%左右(如图11)。齿轮故障将直接影响公司的生产数量和生产质量,如果一条流水线
15、上的某台其关键作用的机器在预料之外突然出现故障将对工厂的生产计划产生严重的影响,也将严重影响公司的经济效益。如电力行业的发电机组、铁行业的轧辊机组、由于齿轮箱的意外故障造成的损失将是巨大的。我国的水泥行业由于齿轮箱故障是水泥产量每年减少200万吨以上。十年前,一家很有声望的齿轮公司生产的提升机,在进行建筑物外表清洁作业时齿轮箱轮齿发生断裂,造成清洁工人从高空坠落,这一事故的发生不仅是这家公司的产品信誉受到严重影响,还伤害了劳动人民的生命。1986年10月,一架英国斯威士兰公司的直升机在英国北海油田上空执行任务时,传输动力的弧齿锥齿轮突然断裂,造成飞机失事。4这都是一些很不幸的事故。如果当时对齿
16、轮箱进行了实时故障监测也许就可以避免不幸。可见对齿轮进行故障诊 5图11 齿轮故障率统计断具有非常重要的意义,可以在齿轮出现故障的早期对机器进行及时的维修从而避免出现严重事故。与传统的故障诊断系统相比,虚拟仪器系统具有成本低、易于调试、便于修改和升级等优点。利用labview的图形化编程语言来设计软件大大缩短了系统开发时间。1.4本文研究内容机械设备的故障诊断技术的研究与应用是对故障征兆的提取和识别以及对机械设备的运行状态的评价展开的。机械设备故障诊断技术研究的主要内容,体现在机械设备故障诊断过程中故障机理的研究、故障信息的获取、故障特征的提取、机械设备状态的分析和诊断以及状态信息的存贮与管理
17、等。故障特征提取方法的研究是机械设备故障诊断技术的关键。含有丰富状态信息的机械设备运行状态信号的特征提取是建立在信号处理的基础上的。滤波技术、频谱分析是传统的信号处理方法。机械设备状态分析和诊断方法的研究是设备诊断技术的核心,比较常用的机械设备状态分析和诊断方法有状态空间分析诊断法、函数诊断法、对比诊断法、统计诊断法、模糊诊断法、人工智能诊断法、遗传算法诊断法等方法。本课题着重研究机械故障特征的提取方法,将虚拟仪器技术应用到机械故障诊断领域,以齿轮故障为例,采用 LabVIEW 软件进行虚拟机械故障诊断的研究,提高测试系统的整体性能,有效地解决传统故障诊断方法仪表不够灵活且成本过高的问题,并且
18、,设计的虚拟故障诊断系统能够实现对测试信号的时域分析、频域分析、数字滤波、相关分析等功能,从而使得机械故障监测诊断更灵活。 本文主要完成了以下工作: (1)论述了基于虚拟仪器的齿轮故障诊断的原理和方法。(2)详细的介绍了齿轮故障的特征和齿轮故障信号的分析方法,采用时域分析、频谱分析、解调分析对信号进行了处理和分析。(3)建立了齿轮故障实验平台。(4)利用labview设计了具有数据采集、信号处理、故障监测、数据管理等功能的故障诊断程序,并介绍了这些功能基于labview的实现方法。 (5)制作了一套基于虚拟仪器的齿轮故障诊断系统,并且用齿轮故障实验台验证了该系统用于齿轮故障诊断的可行性。第2章
19、 齿轮故障诊断的方法与原理2.1基于振动的齿轮故障诊断方法齿轮箱故障诊断的方法很多,目前常用的方法有:基于振动的分析方法、扭振分析法、噪声分析法、油膜分析法等。扭振分析法就是在被测系统的轴上安装扭振传感器来测量该轴的扭矩的冲击性变化,这种方法在大型发电机的故障诊断中较为常用。噪声分析法是利用噪声传感器采集机械设备运行时的噪声并对其进行分析从而得出分析结论。油膜分析法是通过油液的化学成分或其中的磨粒数量、大小、形状分析对齿轮箱进行故障诊断,通常作为一种辅助手段。目前普遍采用的是基于振动的故障诊断方法。机械振动无处不在,几乎所有的机械系统在运行时都会有机械振动现象,只是有强有弱。较强的机械振动我们
20、凭借自己的感官就能观测到。例如自行车的某个零件产生了松动,当我们骑着它时就会听见“咔咔”的响声,可见对于某些类型的机械故障我们无需借助仪器便能把它辨别出来。这也正体现出了基于振动的故障诊断方法的可行性。因为我们对振动信号的采集技术已经非常的成熟,图2-1 各类传感器即便是非常微弱的信号我们也能很好的把它采集起来。而且振动传感器的种类非常的齐全(如图2-1是各类传感器),安装方式也丰富多样,使用起来非常方便。当机械系统出现故障时,它的振动信号也会随之发生明显的变化。例如一对正常运行的齿轮所产生的啮合振动整体上是平稳的,当其中一个齿轮出现断齿时就会产生冲击性振动。如上所述也正是基于振动的故障诊断方
21、法被普遍应用的原因。 利用基于振动的方法来对机械设备进行故障诊断是通过监测机械设备振动信号能量和频谱实现的。6振动信号的峰值、有效值、平均值从三个不同的角度体现了振动信号的能量。峰值能够反映系统振动的能量大小,但是它反映的只是某一时刻,不能反映系统整体上的振动能量状况。有效值是一个周期内振动能量的方根,所以又叫方根值。它反映的是系统整体上的振动能量状况。有效值在工程上的应用最为广泛。平均值能够反映振动系统整体上的偏移。这三个值在故障监测和诊断中具有重要的作用。机床的传动箱为例,当它正常运行时整体上振动能量较小,这时其有效值为Xrms1,当它出现故障时系统整体上的振动能量变大了,此时的有效值变为
22、Xrms2,这样我们只需在这两个有效值之间取一个合适的阈值Xrms0,把它作为故障存在与否的分界线,便能实现对系统的故障监测。振动信号的频谱是进行故障诊断时最重要分析工具。我们知道,像正弦函数、余弦函数所对应的信号是简谐信号,它的频率成分是单一的。但是我们所遇到的大多数的信号并不是简谐信号,它们是由不同频率的信号叠加融合起来的,咋一看我们很难理解它是什么样的成分组成的(就像我们很难想象白光是由颜色绚丽的七色光组成的一样)牛顿利用三棱镜分离出了白光的成分,同样振动信号的频谱就像是牛顿手中的“三棱镜”“折射”出了振动信号的成分。如图2-2是自然光的光谱和机床振动信号的的频 图2-2 光谱与频谱谱。
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