基于Polytec激光测振仪和第二代小波的齿轮箱故障诊断

    1 引 言

    在现代工业发展中,齿轮及齿轮箱在机械设备中得到了广泛的应用,但由于其本身结构复杂,工作环境恶劣等原因,非常容易受到损害和出现故障。随着设备向大型化、复杂化、自动化和连续化方向发展,齿轮箱的故障和失效给整个生产和社会造成的损失越来越大。因此,发展齿轮箱故障诊断技术可大大减少不必要的经济损失[1]。

    本文通过搭建基于Polytec激光测振仪的光学测量系统,测得某型号车床齿轮箱的振动信号,编写了振动信号的分析程序,利用第二代小波[2]进行处理,精确地提取了齿轮箱的故障特征,为齿轮箱故障预知和智能维修的顺利进行奠定了坚实的基础。

    2 Polytec激光测振仪的基本原理

    常用的测振技术是接触式测量。在被测物体上安装加速度传感器,利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度、 速度和位移的相关测量。测量时,附加的加速度传感器的质量往往会影响被测物体的振动,从而产生测量误差。激光测振[3]则是非接触式,高精度,实时性强的测振技术,可满足齿轮箱微弱故障诊断要求[4]。

    Polytec激光测振仪利用了激光多普勒干涉技术。目前,激光多普勒干涉技术被广泛地应用在国防以及基础研究领域。它主要利用光学多普勒原理来测量物体的振动大小。激光测量是一种非接触式测量,其测量精度高、测量动态范围大,同时不影响被测物体的运动,具有很高的空间分辨率。

    激光多普勒干涉技术用于振动测量的原理是:光源发射一束频率为f0的光照射到物体表面,根据多普勒原理,运动物体接收到光信号后把它反射出来,在H2的方向光接收器接收到频率为f的光波信号,其频率随运动物体速度的增加而增加。即速度为M的运动物体产生的多普勒频移为df。根据激光多普勒干涉技术的激光振动测量仪(包括单点和全场)的工作过程为:激光器发出的激光经过透镜分成两束光,如图1所示,光束1是参考光束,直接被光检测器接收;另一束光经过一对可摆动的透镜照射在物体表面上,受运动物体表面粒子散射或反射的光为光束2,它被集光镜收集后由光检测器接收,经过干涉产生正比于运动物体速度的多普勒信号,通过频率和相位解调便可得到运动物体速度和位移的时间历程信号,即

    式中:f0为光源频率;M为运动物体表面速度;H1为入射光与物体运动方向的夹角;H2为反(散)射光与物体运动方向的夹角;c为真空中的光速;K0为真空中的波长。

    3 第二代小波的构造

    基于插值细分原理的第二代小波[5],其分解过程由三部分组成:剖分、预测和更新。其过程的实现如图2所示。预测的偏差为细节信号,更新的结果为逼近信号。