基于MATLAB GUI的齿轮箱状态监测和信号处理系统设计与开发

1.3
第一章绪论本章主要介绍课题的研究背景及意义，阐述了对齿轮箱进行状态监测和信号处理的重要性，并展示了课题研究的思路及全文框架。
第二章齿轮箱的基本结构及数学模型本章首先介绍了齿轮箱的基本结构和数学模型，然后分别对齿轮以及滚动轴承的振动机理和故障振动信号模型做了阐述，为下一步进行齿轮箱振动信号分析打好理论基础。
第三章齿轮箱的状态加测及信号处理方法第三章是本文研究的重点，本章针对齿轮箱故障信号特点提出七种分析方法分别为：时域波形分析方法、时域特征静态指标分析方法、傅里叶变换分析法、希尔伯特变换分析法、功率谱密度分析法、功率谱分析法和倒频谱分析法。
第四章基于MATLAB GUI齿轮箱的状态监测与信号处理系统设计与开发第四章也是本文研究的重点内容，针对齿轮箱故障特点，采用MATLAB GUI开发平台开发出一套齿轮箱状态监测和信号处理软件。
（3）以北京亚控科技有限公司为代表开发的组态软件；
（4）以美国国家仪器公司为代表开发的测量与自动化软件以及MATLAB系列软件等；
（5）其他有关状态监测与信号处理软件。
以上这些软件，有的把齿轮箱状态监测与信号处理作为一个功能部分，有的可以应用于齿轮箱状态监测与信号处理，有的是完整的齿轮箱状态监测与信号处理系统（软件）。这些系统（软件）大体上可以划分为两大类：一类是专用齿轮箱状态监测与信号处理系统（软件），包括（1）（2）（5），其特点是：针对性强，初次开发时间短、成本低，扩展性差，兼容性差；另一类是伪通用齿轮箱状态监测与信号处理系统（软件），包括（3）（4），其特点是：具有通用性，并且可以扩展到其他设备的状态监测与信号处理，扩展性好，兼容性好，初次开发时间长、成本高，对不同型号齿轮箱的状态监测与信号处理，需要重新编程，需要操作人员具备一定程度的计算机程序设计知识；正是因为对于不同型号的齿轮箱的状态监测与信号处理，这类系统（软件）都需要一定程度的重新编程，所以称之为“伪通用”。国内外的研究内容、方向以及成果表明：齿轮箱状态监测系统大部分还是停留在专用系统的研制上，齿轮箱状态监测软件系统与信号处理软件系统的协调融合应用效果与成果目前并不是很令人满意，因此，这一领域还有令人鼓舞的发展空间与研究价值。鉴于以上所述的各类齿轮箱状态监测软件具有各自的优、缺点，我们开发了一套综合性齿轮箱状态监测与信号分析系统（软件），本论文将阐述这一系统的研制。
1.2
60年代以后，随着计算机和电子技术的飞跃发展,为最大限度地提高工业生产率，促使机器设备朝大型化、高速化!连续化、精密化、强载化、系统化以及自动化等高度现代化方向发展。生产体系规模越来越大，各方面性能指标越来越高,功能越来越多，设备的组成和结构也越来越复杂，大大满足了提高生产率、降低生产成本、节约能源、提高产品质量、减少废品等现代化大生产的要求。这意味着一旦生产中机器设备发生故障，哪怕仅是局部失灵，都将可能导致整台设备停止运转，甚至造成整条流水线或整个自动化车间停产，给生产造成巨大经济损失。作为传递运动和动力的齿轮箱，由于其传动比固定、传动精度高、结构紧凑等优点广泛应用于各种大型设备，在航空工业、电力系统、农业机械、运输机械等现代工业发展中有着广泛的应用。在科学技术飞速发展的今天，机械装置向着大型化、高效率、高强度、自动化和高性能的方向发展，齿轮和轴承装置具有了更重要的作用。
电 子 科 技 大 学
UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OFCHINA
学士学位论文
BACHELORDISSERTATION
论文题目基于MATLABGUI的齿轮箱
状态监测和信号处理系统设计与开发
学生姓名韩可
学 号2011084040030
专 业电气工程及其自动化
图2.1双级圆柱齿轮箱图2.2蜗杆齿轮箱
图2.3行星齿轮箱
齿轮箱常见问题有齿轮箱出现异响、齿轮油温度过高、高速轴轴承温度过高、润滑系统问题、齿轮面齿出现问题、螺柱断裂问题、高速轴串动、油位计报警和漏油问题等。
国内开发的齿轮箱状态监测与信号处理软件，在功能上与国外不相上下，而性能价格比普遍低于国外系统，但在可靠性方面同国外系统相比还有较大差距，我们还需做大量的研究工作。目前，国内外在齿轮箱状态监测与信号处理软件的研制主要集中在以下几个方面：
（1）为某一型号齿轮箱开发的专用状态监测与信号处理软件；
（2）以东方所为代表开发的设备状态监测与控制软件；
第五章总结与展望本章作为本文的最后一章，对全文的内容进行简要的概括，并对下一步方向做了展望。
第二章
2.1
齿轮箱是一种动力传达结构，通常由齿轮、轴、轴承、箱体等零部件组成。它可将电动机的转数转换为所要的转数并能改变力矩。齿轮箱按变速次数可分为单级齿轮箱，双级齿轮箱和三级齿轮箱等；按齿轮轮形分类，可以分为齿轮齿轮箱、蜗杆齿轮箱和行星齿轮箱，如下图2.1、图2.2和图2.3所示。
关键词：齿轮箱，实时信号采集，信号分析，MATLAB GUI
ABSTRACT
Gearbox is commonly usedin mechanical equipmentand power transmission link connecting means.As animportant mechanical transmission components,gearshoulder important mission in the whole production process. Modern mechanical gear transmissionsystemshould haveagoodMechanical behavior.To getmechanical equipment gearbox periodic testing and fault diagnosis has importanttheoretical and practical value.
齿轮箱状态监测与信号处理的研究[3]最早始于20世纪60年代，根据诊断方法可以分为两大类：一类为根据摩擦磨损理论，通过分析齿轮箱润滑油中的磨屑来诊断齿轮箱的运行状况；另一类则通过对齿轮运行中的动态信号分析处理来诊断齿轮箱的运行状况，由于振动信号有便于记录、处理以及不易受到干扰等的优点，被广泛采用。国外在齿轮箱状态监测与信号处理的研究进行的比我国早，美国对齿轮箱状态监测与信号处理的研究侧重于军事部门，如：俄亥俄州立大学齿轮动力学及噪声实验室、械工艺技术公司、SKF状态监测公司、SPIRE公司等在齿轮噪声机理与振动特性，齿轮、轴承、轴状态监测与信号处理进行了研究并在实际中应用；日本侧重于某些民用工业，如钢铁、化工、铁路等；这些研究与应用取得了丰富的成果，为以后的研究积累了经验。在1979年以前，我国一些大专院校和科研单位结合教学和有关研究课题，逐步开始齿轮箱状态监测与信号处理技术的理论研究工作和小范围工程实际应用研究；20世纪80年代中期开始，国内的研究发展得十分迅速，专题性会议和技术交流活动十分活跃，与国际交往也逐渐频繁起来到目前为止，我国许多大专院校、科研单位、工矿企业在齿轮箱状态监测与信号处理的理论研究以及应用方面取得了丰富的科研成果和可观的经济效益。在过去的二十几年里，由于很多前沿学科的成果引入齿轮箱的状态监测与信号处理领域，使齿轮箱的状态监测与信号处理从方法到手段都有了很大的发展；计算机技术的突飞猛进，更使齿轮箱状态监测与信号处理技术具有前所未有的应用价值和推广性。齿轮箱的状态监测与信号处理技术综合应用了机械动力学、传感技术、信号分析、模式识别、系统理论、人工智能、预报决策、可靠性分析、控制理论、电子技术和计算机软、硬件的理论和技术及有关专业领域的研究成果，以设备及其群体为研究对象，根据齿轮箱在运行过程中的二次效应及其动态变化，在齿轮箱运行过程中，对齿轮箱运行状态进行监测，做出是否有故障、故障种类、故障部位、故障严重程度、故障发展变化趋势等诊断结果，判断齿轮箱性能劣化趋势，并制定出相应对策。目前广泛采用的齿轮箱状态监测与信号处理系统的关键或者核心是各种监测、分析软件（软件包）。
This article describedthe development and current status of condition monitoring and fault diagnosis;Analyzed the basic structure and mathematical models gearbox; studiedthe Fouriertransform, Hilbert transform, Power spectrum analysis, Power spectrumdensityanalysis,cestrumanalysisMethods. On the basis of MATLAB as a development platform, using MATLAB GUI functionality, designingand developmenta gearbox condition monitoring and signalanalysissystem software.At the same timeitdiscussedthe whole system and each module (real-time monitoring module, data acquisition module, and off-line data analysis module) design ideas, design manners, software, key technology indetailed.
Keywords:gearbox, real-time signal acquisition, signal analysis, MATLAB GUI
目录
第一章
1.1
齿轮箱装置广泛应用于机械设备中，是机械设备中常用的连接和动力传动环节，其中的齿轮和轴承一旦发生故障就成为引起机器设备失效的重要原因。因此，对齿轮箱中的齿轮和滚动轴承进行状态监测是非常必要的。但是很多情况下齿轮箱工作环境恶劣，容易受到损害和出现故障。而其中的零部件如齿轮、轴、轴承等加工工艺复杂，装配精度要求高，又常常在高速度、重载荷下连续工作,更易诱发机器故障。一些处于连续工作状态的设备仪器，如发电厂的发电机组、钢铁行业的扎捆机组发生齿轮箱故障意外停机时，将造成难以估量的损失，产生严重的安全隐患。对齿轮箱的运行状态进行监测可以提前发现齿轮箱故障，提高设备的安全性，减少一些不必要的损失获得更大的效益。