一种齿轮箱嵌入式状态监测与故障诊断系统技术方案

本发明专利技术公开了一种齿轮箱嵌入式状态监测与故障诊断系统，包括嵌入在齿轮箱内部的若干传感器模块、信号采集／处理／无线传输模块、以及放置在齿轮箱外部的无线信号接收模块、装有故障诊断软件的ＰＣ机；所述传感器模块嵌入在轴承或／和齿轮上；传感器模块、信号采集／处理／无线传输模块、无线信号接收模块、ＰＣ机之间依次电连接。本发明专利技术具有如下特点：一是与齿轮箱进行并行设计，使齿轮箱自身具备故障诊断能力，不需要另外安装故障诊断系统，使用方便；二是检测部件嵌入在齿轮箱内部特定部件上，可以避免其它结构振动以及环境噪声的影响，诊断准确效果好，提高了齿轮箱在线故障诊断效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及齿轮箱状态监控领域，特别提供一种基于嵌入式传感的齿轮箱嵌入式状态监测与故障诊断系统。
技术介绍
齿轮箱具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，是改变转速和传递动力的 最常用传动机构，已成为许多大型机械设备的核心，得到了广泛应用。但由于齿轮箱传动系 统本身工作环境恶劣，常常在高速度、重载荷下连续工作，而且其中的齿轮、轴、轴承等零部 件加工工艺复杂，装配精度要求高，因而导致其成为机械设备中极易发生故障的关键部位。 由于没有冗余备份，齿轮箱一旦发生故障，轻则降低或失去其预定的功能，重则造成灾难性 的事故或重大的经济损失。例如，直升机齿轮箱传动系统，电力行业的发电机组、钢铁行业 的扎辊机组等。因此，加速研究和应用有效的齿轮箱状态在线监测与故障诊断系统对尽早 发现各种隐患、提高可靠性和安全性具有重要意义。 当前，齿轮箱在设计阶段对可测试性缺乏考虑，导致其自身一般没有提供测试点。 因此，已有的齿轮箱故障诊断主要是通过在其箱体表面安装加速度传感器、测量并分析振 动信号来实现的。随着现代设备对故障诊断技术要求的不断提高，这种外部追加传感器的 方式凸现出明显的不足一方面，测量信号的质量很容易受相关结构振动以及环境噪声的 影响，信噪比低，使得诊断结果往往不尽人意，甚至还会出现误诊或漏诊；另一方面，在某些 使用场合，往往难以甚至不允许外部安装传感器，无法实时获取齿轮箱的状态信号，这使得 实现齿轮箱在线故障诊断几乎不可能。因此，急需一种新型的齿轮箱状态在线监测与故障 诊断方法来解决上述问题。 本专利技术提出了一种在设计阶段通过在齿轮箱内部嵌入传感器模块，实现振动信号 采集、处理与无线传输的嵌入式故障诊断系统，可以有效实现齿轮箱状态的在线监测与故 障诊断，使得齿轮箱在设计阶段自身就具备故障诊断能力。
技术实现思路
本专利技术的目的是在齿轮箱设计阶段并行考虑其状态监测与故障诊断问题，提供一 种齿轮箱嵌入式状态监测与故障诊断系统，该系统使得齿轮箱自身具备在线故障诊断能 力，并且使用方便，诊断效果好。 实现本专利技术目的采用的技术方案是齿轮箱嵌入式状态监测与故障诊断系统包括 嵌入在齿轮箱内部的若干传感器模块、信号采集/处理/无线传输模块、以及放置在齿轮箱 外部的无线信号接收模块、装有故障诊断软件的PC机；所述传感器模块嵌入在轴承或/和 齿轮上；传感器模块、信号采集/处理/无线传输模块、无线信号接收模块、PC机之间依次 电连接。 所述嵌入在轴承上的传感器模块与信号采集/处理/无线传输模块采用有线电连 接，嵌入在齿轮上的传感器模块与信号采集/处理/无线传输模块采用无线电连接，信号采3集/处理/无线传输模块与无线信号接收模块之间采用无线电连接，无线信号接收模块与 PC机之间采用有线电连接。 所述传感器模块采用三轴MEMS加速度传感器，信号采集/处理/无线传输模块和 外部无线接收模块均以相同2. 4G射频收发芯片为核心设计硬件电路。加速度传感器用于 检测齿轮箱内轴承或齿轮的振动信号，通过分压后直接输入到信号采集/处理/无线传输 模块的A/D接口 ；信号采集/处理/无线传输模块实现浅层次的信号分析功能，判断齿轮箱 状态是否异常；PC机故障诊断软件通过LabView和Matlab软件混合编程实现深层次的融 合诊断功能，判断齿轮箱故障的位置和类型，并保存异常数据。 本专利技术的齿轮箱嵌入式状态监测与故障诊断系统，其工作包括如下过程信号采 集/处理/无线传输模块定期采集和分析振动信号，计算状态参数并判断齿轮箱状态是否 正常如果正常，则仅将状态参数发送给接收端，在PC机上进行存储；如果异常，则将原始 信号发送给接收端，在PC机上进行深层次信号分析并保存异常数据；PC机故障诊断软件根据接收到的多个传感器异常数据，进行融合诊断判断齿轮箱故障的位置和类型。 本专利技术具有如下特点一是与齿轮箱进行并行设计，使齿轮箱自身具备故障诊断 能力，不需要另外安装故障诊断系统，使用方便；二是检测部件嵌入在齿轮箱内部特定部件 上，可以避免其它结构振动以及环境噪声的影响，诊断准确效果好；三是前端简易状态判别 与后端融合诊断相结合；四是具有较强的自主性，异常时自动触发PC机诊断程序，并保存 异常数据以备检索，提高了齿轮箱在线故障诊断效率。附图说明图1是本专利技术的齿轮箱嵌入式状态监测与故障诊断系统示意图。图2是齿轮箱轴承外圈开槽示意图。图3是图2的A-A向视图。图4是齿轮箱齿轮开孔示意图。图5是图4的左视图。图6是嵌入式传感器模块电路图。图7是齿轮嵌入式传感模块示意图。图8是轴承嵌入式传感器模块与无线传输模块连接图。图9是外部无线接收模块结构图。图10是嵌入式信号采集/处理/无线传输模块的软件流程图。图11是外部无线信号接收模块的软件流程图。图12是PC机故障软件功能模块。具体实施例方式本专利技术的齿轮箱嵌入式状态监测与故障诊断系统如图1所示，包括嵌入在齿轮箱 11内部的传感器模块31、32、33、34、35、81、信号采集/处理/无线传输模块41、以及放置在 齿轮箱11外部的无线信号接收模块61、装有故障诊断软件的PC机71 ;其中传感器模块31、 32、33、34、35采用嵌入方式设置在轴承的外圈上，传感器模块81采用打孔方式嵌入在齿轮 上；设置在轴承上的传感器模块31、32、33、34、35与信号采集/处理/无线传输模块41采用有线电连接，设置在齿轮上的传感器模块81与信号采集/处理/无线传输模块41采用 无线电连接，信号采集/处理/无线传输模块41与无线信号接收模块61之间通过天线51 和62进行无线电连接，无线信号接收模块61与PC机71之间采用有线电连接。 传感器模块31、32、33、34、35、81采用三轴MEMS加速度传感器，信号采集/处理/ 无线传输模块41和无线接收模块61均以相同2. 4G射频收发芯片为核心设计硬件电路，通 过天线51实现数据收发。加速度传感器用于检测齿轮箱内轴承或齿轮的振动信号，通过分 压后直接输入到信号采集/处理/无线传输模块41的A/D接口 ；信号采集/处理/无线传 输模块41实现浅层次的信号分析功能，判断齿轮箱状态是否异常；PC机71故障诊断软件 通过LabView和Matlab软件混合编程实现深层次的融合诊断功能，判断齿轮箱故障的位置 和类型，并保存异常数据。 本专利技术的故障诊断包括如下过程齿轮箱设计阶段通过结构分析，在其内部轴承 和齿轮上预留传感器模块嵌入位置；根据预留嵌入位置尺寸大小，设计嵌入式传感器模块 和信号采集/处理/无线传输模块；嵌入式的信号采集/处理/无线传输模块定期采集和 分析振动信号，计算状态参数并判断齿轮箱状态是否正常如果正常，则仅将状态参数发送 给接收端，在PC机上进行存储；如果异常，则将原始信号发送给接收端，在PC机上进行深层 次信号分析并保存异常数据；PC机故障诊断软件根据接收到的多个传感器异常数据，进行 融合诊断判断齿轮箱故障的位置和类型。 下面以图1、表1、表2所示的两级传动齿轮箱为例说明本专利技术，其中图1中12为 输入轴，13为输出轴，14为中间轴，21为6406轴承，22为6412轴承，23为输入端小齿轮，24 为输出端小齿轮，25为输入端大齿轮，26为输出端大齿轮。 表1齿轮箱传动参数<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种齿轮箱嵌入式状态监测与故障诊断系统，其特征在于包括嵌入在齿轮箱内部的若干传感器模块、信号采集／处理／无线传输模块、以及放置在齿轮箱外部的无线信号接收模块、装有故障诊断软件的ＰＣ机；所述传感器模块嵌入在轴承或／和齿轮上；传感器模块、信号采集／处理／无线传输模块、无线信号接收模块、ＰＣ机之间依次电连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈仲生，杨拥民，李聪，尹剑飞，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]