引言

      高速齒輪箱以其功率大、轉速高、質量輕、噪聲低等優點，成為石油、化工、電站、冶金等工業部門大型裝置的關鍵基礎件，其性能的好壞直接影響到整個裝置的正常運行。目前，國內的高速齒輪箱生產已初具規模，其功率可高達36000KW，線速度高達152m/s，在各行各業發揮著巨大的作用。

      在高速齒輪箱總裝完成之后必須對其進行必要的性能檢測。因此，開發一套高速齒輪箱性能檢測系統必不可少^[1]。本文介紹的檢測系統，實現了現場實時性能檢測、遠程實時監測以及查看歷史檢測等功能。能有效的對高速齒輪箱性能進行檢測。

1 系統總體設計

系統整體架構如圖1所示。

整個系統分為兩部分：①測控子系統 ②遠程監測子系統。

圖1 系統整體構架

      測控子系統包括測試和控制兩部分，實現現場實時性能檢測。試驗分為三個循環，分別為跑合試驗循環檢測、空載試驗循環檢測和型式試驗循環檢測。測控子系統控制每個循環按照設定好的試驗運行曲線運轉，在此過程中進行數據采集、分析及處理。計算出相應的振動值、噪聲值，以及繪制溫升、傳動效率曲線等。

      遠程監測子系統包括：網絡服務子系統及客戶端監測子系統。網絡服務子系統主要有web服務器和數據庫服務器組成，主要運行監測系統程序和數據庫程序。客戶端監測子系統主要用于局域網或廣域網內客戶端對高速齒輪箱性能檢測結果的遠程實時監測以及顯示歷史檢測結果。

2 測控子系統

2.1  系統控制原理圖

      系統控制原理圖如圖2所示，首先工控機通過串口與變頻器、PLC、扭矩儀、電加載通訊。控制高速齒輪箱裝置按照預先設定的曲線運轉。由于現場的噪音干擾比較大，所以用RS-485串口。在試驗過程中采集溫度、噪聲、振動信號。數據采集是關鍵，信號采集的好壞直接影響到檢測結果，所以，信號在采集之前先經過信號前處理卡進行信號放大及濾波等前端處理，以期得到合適的信號^[2]。

2.2  測點布置

（1）溫度測量的測點布置

      齒輪箱在運轉過程中，關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，會使得潤滑油的的溫度升高，一般情況下，齒輪箱的潤滑油溫度都應限制在允許范圍內。但在工作異常情況下（如齒輪箱的設計或制造誤差引起），會導致齒輪箱溫度很快超出極限值。因此，溫度是一個關鍵的測試量。測點布置見表1。

（2）箱體振動測量的測點布置

      齒輪箱運轉過程中，齒輪嚙合、零件之間的摩擦以及負載的作用等都會引起內部應力，然后，通過軸承傳遞給箱體引起振動。所以，測箱體振動時，把三向加速度傳感器安裝在軸承處，同時測量三個方向的振動。測點布置見表2。

（3）軸振動及在線游隙測量的測點布置

      齒輪箱在運轉過程中，當它的速度達到臨界轉速時，軸的振動達到最大，此時撓曲量顯著增加，引起支座劇烈振動,形成共振,甚至波及整個機組和廠房，造成破壞性事故。所以在齒輪箱的升速過程采集軸振動信號，最后以轉頻為橫軸，軸垂直方向的相對位移為縱坐標繪制曲線，找出臨界轉速，以期在正常的工作過程中避開臨界轉速。同時，在試驗的過程中測量軸在線游隙，分析和溫度的關系。我們使用電渦流傳感器非接觸式測量相對位移。測點布置見表3.

2.3 噪聲測試

      噪聲測試采用聲強法，即以聲強為測試量計算得到聲功率。該方法有兩種：離散點法和掃描法，掃描法測試時間短精度高，所以選擇掃描法。

（1）噪聲測試步驟

      噪聲測試分為六個步驟，如圖3.首先根據齒輪箱的形體尺寸確定基準體及測量平面，然后設定掃描方式、速度、路線等參數，滿足GB/T16404.2—1999要求。最后計算聲功率級，得到噪聲等級。

（2）噪聲測試硬件設計

      掃描法測噪聲需要的硬件：一個聲強探頭組件、數據采集器以及聲強計算模塊。

2.4 軟件設計

      圖4為測控子系統軟件設計框圖，主要包括：數據采集、數據分析、串口通訊、數據庫。

      整個測控軟基于Labview平臺編程。Labview使用圖形化的編程方法，簡單直觀，易于理解，簡化了測量控制系統的開發過程，縮短了系統調試和開發的周期，能夠快捷地實現用虛擬儀器形象地顯示實時壓力、流量、轉速、功率等數據^[4,5]。  

      軟件采用模塊式結構，主要由參數設置，串口通訊，數據分析，數據庫等模塊組成。各模塊介紹如下：

（1）數據采集

      試驗檢測過程中，要實時采集測點位置的溫度、噪聲以及振動值，為后續的數據分析做準備。基于Labview開發的數據采集模塊分為四個部分：AI Config，配置采樣參數、設備參數、緩沖區大小等；AI Start，設置采樣頻率和啟動數據采集；AI Read，從緩沖區中讀取采集數據數組，供分析使用；AI Clear，采集完成后釋放系統資源。

（2）數據分析

      振動值、噪聲值是評價被測高速齒輪箱性能的重要測試量。程序中使用了NI公司提供的Sound and Vibration工具包，應用其中的函數分別計算振動RMS值和噪聲等效聲強。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前處理卡增益信息。

（3）串口通訊

      多線程技術是高級程序設計的核心技術之一，也是提高應用程序效率和性能的主要技術途徑。應用多線程技術，使得操作系統可以同時處理多個任務。

      Labview中也可以使用多線程技術。程序主框架中，一個While循環對應一個線程。如果每個串口通訊對應一個線程，加上數據采集等，則程序中要使用6個線程，顯然效率是不高的。為了優化程序，將多個串口通訊放在一個線程中，每個串口按順序都是先讀后寫操作，當然寫操作是根據條件判斷得出的。

（4）數據庫

      本系統采用兩個Oracle數據庫，一個用來存放齒輪箱參數、試驗運行曲線、性能檢測標準。另一個用于存放試驗信息及實驗結果。Labview中調用LabSQL工具包可以很方便的訪問數據庫。

3 遠程監測子系統

3.1 監測系統的實現模式

      我們采用B/S模式為系統的開發模式。開發的監測系統程序和數據庫都在服務器上運行，客戶端通過Internet連接到服務器，實現遠程監測。采用B/S模式，系統的開發成本和維護費用較低，系統的可移植性好，系統的安全性高^[6]。

3.2 系統功能模塊

      遠程監測子系統主要實現遠程實時監測及歷史檢測結果顯示。包括三個大的功能模塊。系統設置、實時監測、歷史記錄。系統功能模塊框圖如圖5所示。

各個功能模塊介紹如下：

（1）系統設置

      主要對登陸系統的用戶信息和登陸狀態進行管理，包括用戶管理和退出系統兩個子模塊。

（2）實時監測

      該模塊由客戶端通過網絡實時讀取當前的溫度、噪聲、振動檢測數據。經過數據處理程序，最終生成需要的監測界面。

（3）歷史檢測顯示

      該功能模塊主要實現對過去某段時間的檢測結果進行查詢。客戶端通過網絡讀取存入數據庫的歷史數據，經過數據處理程序，生成需要的監測界面。

4 結  論

（1）系統不僅能夠實現現場實時顯示信號數據及曲線，而且能夠實現客戶端遠程監測試驗數據。

（2）現場數據的采集、分析與處理采用基于Labview平臺編程。Labview使用G語言，編程簡單，加快了開發周期。

（3）遠程監測基于B/S結構，對客戶端要求不高，便于系統的維護和升級，同時利用java語言的優點，使系統具有良好的可移植性。