引言

      高速齒輪箱以其功率大、轉(zhuǎn)速高、質(zhì)量輕、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，成為石油、化工、電站、冶金等工業(yè)部門大型裝置的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，其性能的好壞直接影響到整個(gè)裝置的正常運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)的高速齒輪箱生產(chǎn)已初具規(guī)模，其功率可高達(dá)36000KW，線速度高達(dá)152m/s，在各行各業(yè)發(fā)揮著巨大的作用。

      在高速齒輪箱總裝完成之后必須對(duì)其進(jìn)行必要的性能檢測(cè)。因此，開發(fā)一套高速齒輪箱性能檢測(cè)系統(tǒng)必不可少^[1]。本文介紹的檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)性能檢測(cè)、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及查看歷史檢測(cè)等功能。能有效的對(duì)高速齒輪箱性能進(jìn)行檢測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)分為兩部分：①測(cè)控子系統(tǒng) ②遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)架

      測(cè)控子系統(tǒng)包括測(cè)試和控制兩部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)性能檢測(cè)。試驗(yàn)分為三個(gè)循環(huán)，分別為跑合試驗(yàn)循環(huán)檢測(cè)、空載試驗(yàn)循環(huán)檢測(cè)和型式試驗(yàn)循環(huán)檢測(cè)。測(cè)控子系統(tǒng)控制每個(gè)循環(huán)按照設(shè)定好的試驗(yàn)運(yùn)行曲線運(yùn)轉(zhuǎn)，在此過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析及處理。計(jì)算出相應(yīng)的振動(dòng)值、噪聲值，以及繪制溫升、傳動(dòng)效率曲線等。

      遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)子系統(tǒng)及客戶端監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)子系統(tǒng)主要有web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成，主要運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)庫(kù)程序?？蛻舳吮O(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要用于局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)內(nèi)客戶端對(duì)高速齒輪箱性能檢測(cè)結(jié)果的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及顯示歷史檢測(cè)結(jié)果。

2 測(cè)控子系統(tǒng)

2.1  系統(tǒng)控制原理圖

      系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示，首先工控機(jī)通過串口與變頻器、PLC、扭矩儀、電加載通訊?？刂聘咚冽X輪箱裝置按照預(yù)先設(shè)定的曲線運(yùn)轉(zhuǎn)。由于現(xiàn)場(chǎng)的噪音干擾比較大，所以用RS-485串口。在試驗(yàn)過程中采集溫度、噪聲、振動(dòng)信號(hào)。數(shù)據(jù)采集是關(guān)鍵，信號(hào)采集的好壞直接影響到檢測(cè)結(jié)果，所以，信號(hào)在采集之前先經(jīng)過信號(hào)前處理卡進(jìn)行信號(hào)放大及濾波等前端處理，以期得到合適的信號(hào)^[2]。

2.2  測(cè)點(diǎn)布置

（1）溫度測(cè)量的測(cè)點(diǎn)布置

      齒輪箱在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，關(guān)鍵部位的溫度能有效地反映出齒輪箱的性能。例如，由于齒輪間的摩擦，會(huì)使得潤(rùn)滑油的的溫度升高，一般情況下，齒輪箱的潤(rùn)滑油溫度都應(yīng)限制在允許范圍內(nèi)。但在工作異常情況下（如齒輪箱的設(shè)計(jì)或制造誤差引起），會(huì)導(dǎo)致齒輪箱溫度很快超出極限值。因此，溫度是一個(gè)關(guān)鍵的測(cè)試量。測(cè)點(diǎn)布置見表1。

（2）箱體振動(dòng)測(cè)量的測(cè)點(diǎn)布置

      齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，齒輪嚙合、零件之間的摩擦以及負(fù)載的作用等都會(huì)引起內(nèi)部應(yīng)力，然后，通過軸承傳遞給箱體引起振動(dòng)。所以，測(cè)箱體振動(dòng)時(shí)，把三向加速度傳感器安裝在軸承處，同時(shí)測(cè)量三個(gè)方向的振動(dòng)。測(cè)點(diǎn)布置見表2。

（3）軸振動(dòng)及在線游隙測(cè)量的測(cè)點(diǎn)布置

      齒輪箱在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)它的速度達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，軸的振動(dòng)達(dá)到最大，此時(shí)撓曲量顯著增加，引起支座劇烈振動(dòng),形成共振,甚至波及整個(gè)機(jī)組和廠房，造成破壞性事故。所以在齒輪箱的升速過程采集軸振動(dòng)信號(hào)，最后以轉(zhuǎn)頻為橫軸，軸垂直方向的相對(duì)位移為縱坐標(biāo)繪制曲線，找出臨界轉(zhuǎn)速，以期在正常的工作過程中避開臨界轉(zhuǎn)速。同時(shí)，在試驗(yàn)的過程中測(cè)量軸在線游隙，分析和溫度的關(guān)系。我們使用電渦流傳感器非接觸式測(cè)量相對(duì)位移。測(cè)點(diǎn)布置見表3.

2.3 噪聲測(cè)試

      噪聲測(cè)試采用聲強(qiáng)法，即以聲強(qiáng)為測(cè)試量計(jì)算得到聲功率。該方法有兩種：離散點(diǎn)法和掃描法，掃描法測(cè)試時(shí)間短精度高，所以選擇掃描法。

（1）噪聲測(cè)試步驟

      噪聲測(cè)試分為六個(gè)步驟，如圖3.首先根據(jù)齒輪箱的形體尺寸確定基準(zhǔn)體及測(cè)量平面，然后設(shè)定掃描方式、速度、路線等參數(shù)，滿足GB/T16404.2—1999要求。最后計(jì)算聲功率級(jí)，得到噪聲等級(jí)。

（2）噪聲測(cè)試硬件設(shè)計(jì)

      掃描法測(cè)噪聲需要的硬件：一個(gè)聲強(qiáng)探頭組件、數(shù)據(jù)采集器以及聲強(qiáng)計(jì)算模塊。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

      圖4為測(cè)控子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖，主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、串口通訊、數(shù)據(jù)庫(kù)。

      整個(gè)測(cè)控軟基于Labview平臺(tái)編程。Labview使用圖形化的編程方法，簡(jiǎn)單直觀，易于理解，簡(jiǎn)化了測(cè)量控制系統(tǒng)的開發(fā)過程，縮短了系統(tǒng)調(diào)試和開發(fā)的周期，能夠快捷地實(shí)現(xiàn)用虛擬儀器形象地顯示實(shí)時(shí)壓力、流量、轉(zhuǎn)速、功率等數(shù)據(jù)^[4,5]。  

      軟件采用模塊式結(jié)構(gòu)，主要由參數(shù)設(shè)置，串口通訊，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)庫(kù)等模塊組成。各模塊介紹如下：

（1）數(shù)據(jù)采集

      試驗(yàn)檢測(cè)過程中，要實(shí)時(shí)采集測(cè)點(diǎn)位置的溫度、噪聲以及振動(dòng)值，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析做準(zhǔn)備?；贚abview開發(fā)的數(shù)據(jù)采集模塊分為四個(gè)部分：AI Config，配置采樣參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、緩沖區(qū)大小等；AI Start，設(shè)置采樣頻率和啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集；AI Read，從緩沖區(qū)中讀取采集數(shù)據(jù)數(shù)組，供分析使用；AI Clear，采集完成后釋放系統(tǒng)資源。

（2）數(shù)據(jù)分析

      振動(dòng)值、噪聲值是評(píng)價(jià)被測(cè)高速齒輪箱性能的重要測(cè)試量。程序中使用了NI公司提供的Sound and Vibration工具包，應(yīng)用其中的函數(shù)分別計(jì)算振動(dòng)RMS值和噪聲等效聲強(qiáng)。正確使用它們的前提配置通道信息channel info，包括傳感器靈敏度和信號(hào)前處理卡增益信息。

（3）串口通訊

      多線程技術(shù)是高級(jí)程序設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一，也是提高應(yīng)用程序效率和性能的主要技術(shù)途徑。應(yīng)用多線程技術(shù)，使得操作系統(tǒng)可以同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)。

      Labview中也可以使用多線程技術(shù)。程序主框架中，一個(gè)While循環(huán)對(duì)應(yīng)一個(gè)線程。如果每個(gè)串口通訊對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，加上數(shù)據(jù)采集等，則程序中要使用6個(gè)線程，顯然效率是不高的。為了優(yōu)化程序，將多個(gè)串口通訊放在一個(gè)線程中，每個(gè)串口按順序都是先讀后寫操作，當(dāng)然寫操作是根據(jù)條件判斷得出的。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)

      本系統(tǒng)采用兩個(gè)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，一個(gè)用來存放齒輪箱參數(shù)、試驗(yàn)運(yùn)行曲線、性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)用于存放試驗(yàn)信息及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Labview中調(diào)用LabSQL工具包可以很方便的訪問數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模式

      我們采用B/S模式為系統(tǒng)的開發(fā)模式。開發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)庫(kù)都在服務(wù)器上運(yùn)行，客戶端通過Internet連接到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。采用B/S模式，系統(tǒng)的開發(fā)成本和維護(hù)費(fèi)用較低，系統(tǒng)的可移植性好，系統(tǒng)的安全性高^[6]。

3.2 系統(tǒng)功能模塊

      遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及歷史檢測(cè)結(jié)果顯示。包括三個(gè)大的功能模塊。系統(tǒng)設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史記錄。系統(tǒng)功能模塊框圖如圖5所示。

各個(gè)功能模塊介紹如下：

（1）系統(tǒng)設(shè)置

      主要對(duì)登陸系統(tǒng)的用戶信息和登陸狀態(tài)進(jìn)行管理，包括用戶管理和退出系統(tǒng)兩個(gè)子模塊。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

      該模塊由客戶端通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前的溫度、噪聲、振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理程序，最終生成需要的監(jiān)測(cè)界面。

（3）歷史檢測(cè)顯示

      該功能模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)過去某段時(shí)間的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行查詢?？蛻舳送ㄟ^網(wǎng)絡(luò)讀取存入數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理程序，生成需要的監(jiān)測(cè)界面。

4 結(jié)  論

（1）系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示信號(hào)數(shù)據(jù)及曲線，而且能夠?qū)崿F(xiàn)客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、分析與處理采用基于Labview平臺(tái)編程。Labview使用G語言，編程簡(jiǎn)單，加快了開發(fā)周期。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)基于B/S結(jié)構(gòu)，對(duì)客戶端要求不高，便于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)，同時(shí)利用java語言的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)具有良好的可移植性。