专利名称：：一种齿轮箱嵌入式状态监测与故障诊断系统的制作方法
技术领域：
：本发明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。
背景技术：
：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。本发明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。
发明内容本发明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。实现本发明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。本发明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。本发明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。图1是本发明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。具体实施例方式本发明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。本发明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发明，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<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表2齿轮箱内部轴承参数<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>(1)振动传感器模块的嵌入式位置设计本发明在齿轮箱设计阶段采用在轴承外圈开槽和齿轮中间开孔的方式来嵌入振动传感器模块，分别如图2、图3和图4、图5所示，需要优化设计的参数包括开槽的长(1)、宽(w)、高(h)，以及开孔至中心的距离(cQ、直径(D)、深度(d》。嵌入式位置优化设计采用有限元结构建模方法来实现，包括如下步骤针对轴承I)利用有限元软件(如ANSYS软件)分别建立外圈开槽的轴承和传感器模块的有限元模型，并通过添加约束将传感器模块集成到轴承的槽中；II)仿真分析不同开槽长(1)、宽(w)、高(h)尺寸下轴承的最大应变和最大应力变化情况，以及对传感器模块的压力大小；III)根据上述有限元仿真结果，结合轴承的实际允许最大负载和传感器模块最大承受压力确定最大的开槽长(D、宽(w)、高(h)尺寸。针对齿轮I)利用有限元软件(如ANSYS软件)分别建立内部开孔的齿轮和传感器模块的有限元模型，并通过添加约束将传感器模块集成到齿轮的孔中；II)仿真分析不同开孔距离(d2)、直径(D)、深度(d》下齿轮的振型和模态变化情况，以及对传感器模块的压力大小；III)根据上述有限元仿真结果，在保证齿轮振型和模态不发生明确变化和传感器模块承受压力在允许范围内确定最优的开孔距离(cQ、直径(D)和深度(d》。对于高速齿轮来说，可以考虑采用对称开孔方式来避免严重偏心现象。本发明选择在轴承21和22上开槽以及在齿轮26上开孔来嵌入传感器模块，在41开槽位置嵌入信号采集/处理/无线传输模块。采用上述所述步骤确定轴承21上开槽尺寸为1XwXh=5mmX23mmX2mm，轴承22上开槽尺寸为1XwXh=9mmX35mmX2mm，齿轮26上开孔尺寸为c^Xc^XD=35mmX81mmX10mm。(2)嵌入式传感器模块、信号采集/处理/无线传输模块硬件设计在最优开槽和开孔尺寸确定的条件下，同时考虑低功耗要求，本发明的传感器模Ife31、32、33、34、35、81选用了Freescale公司的MMA7331型三轴MEMS加速度传感器芯片。MMA7331具有睡眠模式，通过Sle印引脚高低电平来其控制工作状态，低电平时睡眠模式开启，工作电流仅为3iiA;高电平时，处于正常工作状态。嵌入在轴承外圈上的传感器模块31、32、33、34、35电路如图6所示，其Z轴信号经过电阻分压后输出，使其不超过射频收发芯片nRF24El的A/D转换电压范围。传感器模块31、32、33、34、35共有6个端子地(GND)、电源(Vcc)、睡眠功能设置(Sle印)、Z轴分压输出(Zout)、自检功能设置(Selftest)、加速度量程设置(Gtest)。嵌入在齿轮上的传感器模块81的结构如图7所示，它由传感器芯片MMA7331、射频收发芯片nRF24El和环形天线91构成。6信号采集/处理/无线传输模块41以Nordic公司2.4G射频收发芯片nRF24El为核心构建。nRF24El内部集成了高性能单片机内核、A/D转换器和信号收发功能，应用时需要的外围元件少，有利于小型化设计。信号采集/处理/无线传输模块41上放置了5排(每排6个接口)接线端子，分别通过导线连接5个轴承位置的传感器模块，导线沿齿轮箱内壁铺设，并用环氧树脂胶水固定。如图8所示，5个传感器模块(MMA7331)31-35的信号输出端子分别连接到nRF24El的AIN0AIN4口；睡眠功能设置(Sle印)、自检功能设置(Selftest)和加速度量程设置(Gtest)端子分别连接到nRF24El的DI03DI05口进行控制；由于齿轮是动部件，此处传感器模块81的信号通过天线91发送给信号采集/处理/无线传输模块41;nRF24El芯片其它外围电路设计采用了Nordic公司的参考设计方案；天线51和91采用了直径为lmm的铜线，天线51通过齿轮箱上方的通气孔伸出箱体外，齿轮侧面涂了一层聚酰亚胺薄膜并将天线91粘贴在上面(参见图1)。本发明中的外部无线信号接收模块61采用了Nordic公司的参考设计方案，如图9所示，它通过串口与PC机连接。(3)嵌入式信号采集/处理/无线传输模块的软件设计信号采集/处理/无线传输模块41的软件流程图如图IO所示，主要实现传感器模块31、32、33、34、35、S1的信号获取、初步处理和无线数据传送功能。信号的初步处理主要计算波形系数、波峰系数和峭度系数三个状态参数，并与设定的阈值进行比较来判断齿轮箱状态是否正常如果正常，则仅发送三个状态参数到外部接收端；如果异常，则发送原始数据到外部接收端。为了满足低功耗要求，该模块采用定期工作方式，即每间隔一定时间执行一次任务，其它时间内传感器模块31、32、33、34、35、81和信号采集/处理/无线传输模块41均处于休眠模式。(4)外部无线信号接收模块和PC机软件设计外部无线信号接收模块的软件流程图如图11所示，主要实现信号接收与串口传送功能，即将接收到的数据通过串口输入到PC机故障诊断软件中。PC机故障软件功能模块如图12所示，采用LabView和Matlab软件混合编程，主要完成串口通讯、异常信号和状态参数显示与保存、基于多传感器融合的诊断决策等功能。特别是，数据保存文件以采集时间进行命名，便于数据的实时查询。权利要求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。2.根据权利要求1所述的齿轮箱嵌入式状态监测与故障诊断系统，其特征在于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。全文摘要本发明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。文档编号F16H61/12GK101725706SQ200910226789公开日2010年6月9日申请日期2009年12月31日优先权日2009年12月31日发明者尹剑飞,李聪,杨拥民,陈仲生申请人:中国人民解放军国防科学技术大学