煤矿机械设备传动齿轮故障信号检测方法

煤矿机械设备传动齿轮故障信号检测方法

孙娜1,2,3

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，抚顺 113122）

（2.煤矿安全技术国家重点实验室，抚顺 113122）

（3.沈阳煤炭科学研究所有限公司，沈阳 110011）

摘要：随着液压技术的发展，液压设备在各个行业和领域均得到了广泛的应用。齿轮泵作为关键的液压动力传递元件，在长期、重载作用下容易出现故障与机械损伤，需要及时进行检测与维修。振动响应特性作为传动系统故障诊断和分析中的一项重要参数指标,能够有效地体现关键机构的运行状态，因此可作为齿轮泵故障评价的依据，具有重要的参考价值。然而，常见的故障测试系统或平台存在体积大、布局复杂、数据传输不便等问题。对于工作状态下的齿轮泵，存在被测点空间小、测试装置安装拆卸不方便等问题，而且常规的振动检测系统无法解决工作触发、实时数据传输等功能，整体测试效果不佳。

关键词：煤矿机械；齿轮

1 故障诊断系统的总体设计

1. 1 功能设计

根据齿轮泵的测试条件和要求，对振动检测和数据传输等功能的设计如下：

(1) 故障诊断系统能够获得准确性和可靠性较高的实时数据，实现功能包括信号接收、信号放大、数据转换、滤波等。

(2) 故障诊断系统具备数据切换、处理和存储功能，可根据要求完成有线或无线的传输。在数据类型转换过程中，能够保证信号的采样方案与接收、记录等工作参数一致，存储空间充足，能够满足长时间连续工作要求。

(3) 为了满足不同的无线通信条件，要求故障诊断系统能够通过无线WiFi与信息控制平台完成数据交互。在实时传输过程中，通信速率应与数据采样速率相匹配。该故障诊断具有同步充电与放电功能，设置有USB接口，能够匹配400 mA以内的充电电流。由于液压系统的工作环境往往比较复杂和恶劣，因此无线通信信号不佳时，可以使用布线来确保正常的数据传输。考虑到常用通信协议的难度，预留RS485通信接口。

1. 2 硬件结构设计

故障诊断系统主要由传感器探头和控制主机组成。对于控制主机，主要的功能为数据的接收、转换和处理，根据功能不同可分为主控模块、信号调理模块、模数转换模块和电平转换模块等。主控模块是该系统的核心控制部分，也是各个功能模块相连接的基站。根据数据检测、处理和传输的功能要求，系统采用单片机控制方案。信号调理模块作为最重要的功能模块又集成了诸多子模块，包括放大电路、发射极跟随器等。由于便携式振动故障诊断系统采用锂电池供电，因此在模数转换模块中集成了充放电控制和电压均衡等模块，同时具备有线和无线通讯、数据存储等功能。电平转换模块主要用于数字信号的控制，实现不同指令的设置与调节。振动传感器主要感测振动信号的一些特征量，然后将它们按比例转换成电信号。选择压电加速度传感器作为系统的传感器探头，它是一种基于压电效应的接触式传感器。由于压电传感器具有显著的正压电效应，此时可实时接收电压信号，用于振动信号的表征。该类型传感器尺寸小，结构紧凑，灵敏度高。

1. 3 信号调理模块设计

由于控制主机接收的传感器信号为典型的模拟电荷,因此，在故障诊断系统中需要首先进行信号转换。在信号调理模块中，振动传感器输出的电荷信号将以电压信号的形式导入控制单元。当齿轮泵的故障不明显时，传感信号表现较弱，导致振动响应的分辨率较低。为此，需要将传感信号进行放大处理。为了保持信号不失真和稳定，采用了具有适当增益带宽乘积参数和高电源电压抑制比的运算放大器。由于压电加速度传感器的输出电荷较弱，为了保证电源的一致性，选择了电源范围为3.3 V的运算放大器。

在信号放大时，若出现噪声干扰，容易导致检测结果失真或无效。为此，系统中设置有基线调整电路，能够根据输出信号的强弱自动进行数据偏置，避免飘移。根据所选硬件参数可知，模数转换器的额定供压范围为0～1.46 V,与放大电路共联的基线调整电路额定电压为750 mV。对于低频信号，设置默认放大系数为9.5,能够有效的保证放大电路的电压与基线电路电压范围一致。根据现场检测条件可知，与齿轮泵连接的液压动力元件产生的高频信号将对传感器带来较大的干扰，使得数据的耦合恢复产生较大误差。为此，信号调理模块内增设了专用滤波器电路，集中消除外界的高频信号噪声。

1. 4 主控模块设计

主控模块作为整个故障诊断系统的核心组成，主要用于匹配和关联各功能模块之间的逻辑控制。为了保证系统的稳定性，采用STM32微控制器作为主控制芯片，该芯片扩展能力强，可有效实现WiFi、ADC等功能。为了防止主控芯片在通电后工作状态紊乱，通常在通电时向单片机传递初始化指令，能够将单片机内部的临时存储清空。主控模块中的时钟电路是确保单片机对于传感器信号和各个模块逻辑控制的关键。若时钟电路出现异常或故障，则整个信号传输无法完成闭环。该单片机中的主时钟电路由40 MHz无源晶体振荡器和接地电容器组成。低通滤波器电路的截止频率约为2.4 GHz, 主要用于对射频信号的高频分量进行滤波。在天线设计过程中，考虑到天线信号强度和机械装配等因素，放弃了全向陶瓷贴片天线，选择了方向性强、辐射磁场强度高的SMA微棒天线。

2 齿轮泵故障检测与分析

2. 1 齿轮副故障

当振动传感器安装在齿轮泵的输出位置时，可以同时考虑大齿轮和小齿轮的振动响应结果。齿轮泵正常工作时的工频为817～880 r/min, 每个数据采集状态包含53248个点，即每个段的采集时间为0.8～1 s, 数据按照采样频率划分为5200个点。当齿轮副正常啮合且无明显磨损故障时，齿轮箱的振动响应应具有880 r/min的信号速度和10 g左右的最大时域振幅。FFT转换频率的峰值出现在468 Hz, 这是由齿轮的固有振动引起的，是齿轮的固有频率。此外，如果在806 Hz 处没有啮合频率，则判断为正常的齿轮箱振动信号。通过FFT变换可以获得频谱特性，峰值出现在468 Hz, 这是由齿轮的固有振动引起的，并且在固有频率处发生共振。时域中的最大振幅约为25 g, 可以观察到明显的周期性影响。类似地，可以在时域特性的FFT变换之后获得频谱特性，10.74 Hz的调制频率出现在该自然频率附近。然后可以判断为从动齿轮磨损故障的振动信号。

2. 2 轴承故障

振动传感器安装在齿轮泵输出轴的轴承座表面上，设置采样频率设置为12000 Hz, 在小波包分析和处理之前对信号进行分段。为了确保信号包络谱的分辨率可用于手动故障分析，根据采样频率将信号采样为一组12000个采样点，即通过小波包分析获得的包络谱分辨率为1 Hz/点。对于正常工作的轴承振动信号，其时域振幅一般不超过0.25,无故障固有频率。

3 结论

振动信号的检测非常方便和快捷，可以有效地确定齿轮泵的机械故障，能够在液压系统的维护和维修中发挥重要作用。通过对故障诊断系统的设计与应用，主要得出以下结论：

(1) 故障诊断系统可以通过wifi与信息控制平台完成数据的实时交互。同时，预留RS485通信接口，既能使通信速率与数据采样速率相匹配，又能保证在无法使用无线通信时，可以使用布线，保证数据正常传输。

(2) 由于齿轮泵的故障诱因以磨损为主，而磨损的程度决定了故障类型。为确保低磨损条件下的若故障信号仍具有较高的分辨率，需要设置合理的放大因子，使得放大的输出信号在容易检测的范围内并且不会影响真实值。

(3) 齿轮泵不同故障类型的振动响应明显不同，并且由于每个部件的固有频率不同，因此可以更容易地识别振动信号。

参考文献

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