高速齿轮箱性能检测系统的研制_传动机械_机械设备_行业资讯

引言

高速齿轮箱以其功率大、转速高、质量轻、噪声低等优点，成为石油、化工、电站、冶金等工业部门大型装置的关键基础件，其性能的好坏直接影响到整个装置的正常运行。目前，国内的高速齿轮箱生产已初具规模，其功率可高达36000KW，线速度高达152m/s，在各行各业发挥着巨大的作用。

在高速齿轮箱总装完成之后必须对其进行必要的性能检测。因此，开发一套高速齿轮箱性能检测系统必不可少^[1]。本文介绍的检测系统，实现了现场实时性能检测、远程实时监测以及查看历史检测等功能。能有效的对高速齿轮箱性能进行检测。

1 系统总体设计

系统整体架构如图1所示。

整个系统分为两部分：①测控子系统 ②远程监测子系统。

图1 系统整体构架

测控子系统包括测试和控制两部分，实现现场实时性能检测。试验分为三个循环，分别为跑合试验循环检测、空载试验循环检测和型式试验循环检测。测控子系统控制每个循环按照设定好的试验运行曲线运转，在此过程中进行数据采集、分析及处理。计算出相应的振动值、噪声值，以及绘制温升、传动效率曲线等。

远程监测子系统包括：网络服务子系统及客户端监测子系统。网络服务子系统主要有web服务器和数据库服务器组成，主要运行监测系统程序和数据库程序。客户端监测子系统主要用于局域网或广域网内客户端对高速齿轮箱性能检测结果的远程实时监测以及显示历史检测结果。

2 测控子系统

2.1 系统控制原理图

系统控制原理图如图2所示，首先工控机通过串口与变频器、PLC、扭矩仪、电加载通讯。控制高速齿轮箱装置按照预先设定的曲线运转。由于现场的噪音干扰比较大，所以用RS-485串口。在试验过程中采集温度、噪声、振动信号。数据采集是关键，信号采集的好坏直接影响到检测结果，所以，信号在采集之前先经过信号前处理卡进行信号放大及滤波等前端处理，以期得到合适的信号^[2]。

2.2 测点布置

（1）温度测量的测点布置

齿轮箱在运转过程中，关键部位的温度能有效地反映出齿轮箱的性能。例如，由于齿轮间的摩擦，会使得润滑油的的温度升高，一般情况下，齿轮箱的润滑油温度都应限制在允许范围内。但在工作异常情况下（如齿轮箱的设计或制造误差引起），会导致齿轮箱温度很快超出极限值。因此，温度是一个关键的测试量。测点布置见表1。

（2）箱体振动测量的测点布置

齿轮箱运转过程中，齿轮啮合、零件之间的摩擦以及负载的作用等都会引起内部应力，然后，通过轴承传递给箱体引起振动。所以，测箱体振动时，把三向加速度传感器安装在轴承处，同时测量三个方向的振动。测点布置见表2。

（3）轴振动及在线游隙测量的测点布置

齿轮箱在运转过程中，当它的速度达到临界转速时，轴的振动达到最大，此时挠曲量显著增加，引起支座剧烈振动,形成共振,甚至波及整个机组和厂房，造成破坏性事故。所以在齿轮箱的升速过程采集轴振动信号，最后以转频为横轴，轴垂直方向的相对位移为纵坐标绘制曲线，找出临界转速，以期在正常的工作过程中避开临界转速。同时，在试验的过程中测量轴在线游隙，分析和温度的关系。我们使用电涡流传感器非接触式测量相对位移。测点布置见表3.

2.3 噪声测试

噪声测试采用声强法，即以声强为测试量计算得到声功率。该方法有两种：离散点法和扫描法，扫描法测试时间短精度高，所以选择扫描法。

（1）噪声测试步骤

噪声测试分为六个步骤，如图3.首先根据齿轮箱的形体尺寸确定基准体及测量平面，然后设定扫描方式、速度、路线等参数，满足GB/T16404.2—1999要求。最后计算声功率级，得到噪声等级。

（2）噪声测试硬件设计

扫描法测噪声需要的硬件：一个声强探头组件、数据采集器以及声强计算模块。

2.4 软件设计

图4为测控子系统软件设计框图，主要包括：数据采集、数据分析、串口通讯、数据库。

整个测控软基于Labview平台编程。Labview使用图形化的编程方法，简单直观，易于理解，简化了测量控制系统的开发过程，缩短了系统调试和开发的周期，能够快捷地实现用虚拟仪器形象地显示实时压力、流量、转速、功率等数据^[4,5]。

软件采用模块式结构，主要由参数设置，串口通讯，数据分析，数据库等模块组成。各模块介绍如下：

（1）数据采集

试验检测过程中，要实时采集测点位置的温度、噪声以及振动值，为后续的数据分析做准备。基于Labview开发的数据采集模块分为四个部分：AI Config，配置采样参数、设备参数、缓冲区大小等；AI Start，设置采样频率和启动数据采集；AI Read，从缓冲区中读取采集数据数组，供分析使用；AI Clear，采集完成后释放系统资源。

（2）数据分析

振动值、噪声值是评价被测高速齿轮箱性能的重要测试量。程序中使用了NI公司提供的Sound and Vibration工具包，应用其中的函数分别计算振动RMS值和噪声等效声强。正确使用它们的前提配置通道信息channel info，包括传感器灵敏度和信号前处理卡增益信息。

（3）串口通讯

多线程技术是高级程序设计的核心技术之一，也是提高应用程序效率和性能的主要技术途径。应用多线程技术，使得操作系统可以同时处理多个任务。

Labview中也可以使用多线程技术。程序主框架中，一个While循环对应一个线程。如果每个串口通讯对应一个线程，加上数据采集等，则程序中要使用6个线程，显然效率是不高的。为了优化程序，将多个串口通讯放在一个线程中，每个串口按顺序都是先读后写操作，当然写操作是根据条件判断得出的。

（4）数据库

本系统采用两个Oracle数据库，一个用来存放齿轮箱参数、试验运行曲线、性能检测标准。另一个用于存放试验信息及实验结果。Labview中调用LabSQL工具包可以很方便的访问数据库。

3 远程监测子系统

3.1 监测系统的实现模式

我们采用B/S模式为系统的开发模式。开发的监测系统程序和数据库都在服务器上运行，客户端通过Internet连接到服务器，实现远程监测。采用B/S模式，系统的开发成本和维护费用较低，系统的可移植性好，系统的安全性高^[6]。

3.2 系统功能模块

远程监测子系统主要实现远程实时监测及历史检测结果显示。包括三个大的功能模块。系统设置、实时监测、历史记录。系统功能模块框图如图5所示。