基于LabVIEW的齿轮箱测试平台的搭建
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摘 要：针对齿轮箱动态性能测试及故障诊断的问题，文章利用LabVIEW搭建了包含信号采集、信号读取和信号分析等模块的齿轮箱测试平台，实现了对齿轮箱振动信号的采集、读取和自相关运算和频谱测量。并结合对齿轮箱有限元模型的分析结果，分析出齿轮箱发生故障的位置及对齿轮箱箱体的影响。
关键词：齿轮箱；故障检测；有限元；LabVIEW
中图分类号：TN911-34 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0066-02
1 概 述
齿轮箱作为机械设备中一种必不可少的连接和传递动力的通用零部件，对齿轮进行动态性能测试以便于故障诊断具有重要意义。齿轮箱的测试诊断一般是指通过加速度传感器对齿轮箱的振动信号进行采集，然后对采集的信到的信号进行分析处理，在根据处理的结果来推断齿轮箱的运行状态以及对其故障的发生位置、故障类型、产生原因等进行分析研究[1-2]。
2 齿轮箱测试平台的搭建
2.1 测试系统硬件设计
2.1.1 传感器的选择
本系统选择的压电式加速度传感器型号为ICP型美国 PCB压电式加速度传感器，其灵敏度为100 mv/g，测量范围 50 g，频响范围0.3 Hz～10 kHz 。该传感器的实物图[3-4]，如图1所示。
2.1.2 信号采集仪器的配置
选取的信号采集仪为美国晶钻CoCo-P02配有8个输入通道，每通道采样率可高达102.4 kHz，实物图，如图2所示。
2.2 测试系统软件设计
本文齿轮箱测试系统软件以LabVIEW作为软件平台。
2.2.1 总体方案设计
该测试系统主要完成数据采集和处理工作。主要包括信号采集和信号处理模块。由于本测试系统的硬件部分选取了CoCo-P02数据采集仪，该采集仪本身就能完成数据的采集和简单的数据分析工作。同时，其强大的接口功能允许用户通过USB接口将它与个人电脑相连，将采集到的数据下载保存，然后利用其他软件进行信号分析。
因此，本系统利用LabVIEW软件直接读取前端信号采集仪采集到的数据，然后编写相应的分析程序实现对故障信号的分析处理。引用了美国凯斯西储大学采集到的齿轮箱轴承的故障信号，进行后续分析，最终完成了测试系统的软件部分。软件功能主要包括两部分：信号读取、信号分析。
2.2.2 信号的采集模块
由于信号采集部分时直接引用的美国凯斯西储大学的实验数据，数据采集模块的功能是实现对振动信号的采集和对采集数据的保存，为后续的信号处理与分析提供可靠的数据。在系统工作之前，要先进行采集参数设置，即采样点数、采样频率、采样通道、传感器灵敏度等基本信息。
2.2.3 信号读取模块
利用LabVIEW中提供的[Read From Text File]模块进行数据读取。其程序模块和读取到的信号，如图3和图4所示。
2.2.4 信号分析模块
本次分析用到了时域分析中的自相关运算模块以及频域分析中的频谱测量模块。
自相关函数的一个重要作用是检验信号中是否含有周期信号。如果信号中由周期成分，则其自相关函数在很大时都不衰减，并具有明显的周期性。不含周期成分的随机信号在稍大时自相关函数就趋近零。而正常情况下，齿轮箱的振动信号都是杂乱的随机信号，当齿轮箱内部零件如轴承等发生故障时会得到一个夹杂其中的周期信号，因此，对周期信号的检测可以基本确定齿轮箱是否发生故障。
信号分析的相应程序模块及其对应的波形图，如图5和图6所示。
从原始信号波形图可以看到，幅值较低的随机信号中还存在一幅值较大的周期信号，而且信号的自相关分析波形图也验证了这一结论。由此便可确定有一周期性故障信号存在。如图7和图8所示。
自相关分析确定了齿轮箱的振动信号中存在一个故障信号，通过信号的频谱分析，可以清楚地看到信号的频率成分，从而确定故障信号的频率大小。由图2～8可得到，轴承的故障信号频率在270 Hz附近。结合其模态图便可分析得到发生故障的位置及其对齿轮箱箱体的影响。
3 结 语
本课题主要搭建了基于labview的齿轮箱测试分析系统，编写了文件读入程序、信号分析程序，实现了信号的时域分析及其频谱分析，确定了轴承故障信号的基本信息，达到了预期的目的。
参考文献：
[1] 秦树人，张明红.机械工程测试原理与技术[M].重庆：重庆大学出版社，
1999.
[2] 刘春光，谭继文，张驰.滚动轴承的故障特征提取技术与方法研究[J].煤
矿机械，2010，（4）.
[3] 徐科军，李永三.基于连续小波变换的功率谱估计方法[J].应用科学学 报，2003，（2）.
[4] 周辉.齿轮故障的特征提取与模式识别技术研究[D].郑州：郑州大学，
2005.
[5] 王福明，于丽霞.LabVIEW程序设计与虚拟仪器[M].西安：西安电子科 技大学出版社，2009.