基于自由轴的齿轮箱润滑油磨粒定量监测系统

姜阔胜，卢丽子，王济广

(1.安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001)

随着煤矿产业的发展，矿用机械设备在煤炭生产运输过程中使用越来越广泛，极大的提高了煤炭的生产效率。煤矿带式输送机作为矿井工作中普遍使用的输送机械，其运行状态决定煤矿的运输情况[1-2]。对于带式输送机常见的故障，除常见的皮带故障、托辊不转外，齿轮箱磨损故障是不可避免的。齿轮箱作为动力传递的枢纽，故障常见类型大多是为磨损失效。润滑油作为齿轮箱齿轮的润滑介质，润滑油质量是保障齿轮箱等机械部件正常工作的必要条件。在现代工业中，油液检测技术作为设备管理的重要手段之一[3]，随着矿用机械设备应用的不断深入和拓展，齿轮箱的状态监测设备逐渐向小型化、智能化的方向发展。

传统的齿面振动分析是通过齿面的磨损的固有频率，寻找故障频率进行故障定位和分析，不能快速的对故障诊断进行检测[4-5]。景彤梅等[6]采用齿轮箱油温与轴承的温度预测分析，对测量精度难以掌控。目前，齿轮磨损分析方法主要有油液分析技术、磨粒分析技术等。闫宗庆等[7]以全齿啮合和半齿啮合两种状态对齿轮磨损量进行预测，通过最小二乘法拟合三阶多项式对油液中的铁含量和颗粒浓度进行预测，实现在齿轮磨损阶段对齿轮磨损量趋势的预测；曲敬渊等[8]设计试验，利用两对光整和未光整齿轮，通过分析油液中颗粒浓度来研究光整工艺对齿轮磨损特性和疲劳寿命的影响，对油液分析技术的准确性、可行性进行研究。

为了有效地减少带式输送机齿轮箱故障率，降低故障停机导致的经济损失，保障机械设备平稳、安全地运行，带式输送机齿轮箱的健康状态监测起着关键性地作用。设计实现了自由轴法[9-10]对油液中磨粒进行测量的系统。通过模拟检测不同磨粒下的油液电容变化研究磨粒浓度与电容的关系，为齿轮箱的健康状态监测提供参考。

1 监测系统的总体设计

煤矿带式输送机齿轮箱的润滑油磨粒定量监测系统实现了通过自由轴阻抗测量法对油液电容进行测量[11-12]，煤矿带式输送机齿轮箱的定量监测系统设计方案如图1所示。系统由单片机控制DDS(直接数字频率合成技术)信号发生器发出两路信号，DDS1发出基准信号，DDS2发出激励信号，利用模拟开关来实现不同阻抗两端矢量电压的测量，通过相敏检波器将采集的电压信号与基准信号进行相敏检波，将被测矢量电压的阻抗实部和虚部进行分离，通过A/D转换器将模拟量转化为数字量返回到单片机中进行处理，将监测到的数据传输计到算机。其中，相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，只要求保证两个坐标轴正交，从而使硬件电路简化，准确度也得以提高。

图1 监测系统框图

2 硬件电路设计

2.1 信号源模块设计

在目前常用的信号源设计中主要有三种方法：直接频率合成法、间接频率合成法、直接数字频率合成法。本单元硬件采用了直接数字频率合成技术，由参考时钟、波形存储器、相位累加器、低通滤波器和A/D转换器五部分构成。基本结构图如图2所示。其中，采用STM32设计的可编程时钟来对输出信号频率的控制，通过A/D转换器在硬件上的嵌套提供参考电压的方式实现对输出信号幅度的控制。

图2 AD9833的原理框图

测试系统需要正弦激励信号，为保证测试精度，要求信号源产生的正弦信号波形失真小，幅值稳定。DDS因其固有的优点，精确的分辨率和内在的稳定性，频率相位精确可调，已在自动检测系统和智能仪器中得到了广泛的应用[13-14]。DDS模块集成了AD9833芯片，只需要外部参考时钟、低精度电阻和解耦电容器。其相位寄存器的寄存位数为28 bit，在25 MHz的参考时钟下，精度为0.1 Hz。DDS信号发生的基准是以外部时钟作参考，信号频率的精度取决于参考时钟的选择。

2.2 相敏检波模块设计

相敏检波模块主要是将系统的基准信号和激励信号分别作为参考信号和被测信号进行相敏检波，将被测矢量电压进行实部和虚部的分离，获得实部与虚部的电压数字量来对被测参数进行计算。首先，将输入信号通过1引脚进行预处理，前置放大器AMPA将输入信号进行放大，带通滤波器为四阶巴特沃斯带通滤波器，其中心频率可调，根据开关信号的频率而定，可以将输入信号中的大部分高频噪声滤除，提高信噪比。由于参考信号通过9引脚进入，一般取自信号源电路，所以必须对参考信号进行隔离，有利的保护信号源电路，防止后端电路噪声串扰信号源电路的输出特性，移相器的目的是对信号相位进行调整，从而使目的信号与参考信号同相；AD630锁相放大器[15]的主要功能由比较器、调制器和缓冲放大器完成，积分器是将AD630输出信号进行整流。其原理图如图3所示。

图3 AD630原理图

采用AD630的调制解调性能进行电路设计实现输入信号和输出信号的相关运算，AD630具有更高的信噪抑制比，可以在100 dB噪声中恢复信号；在微小信号的检测电路中具有0.05%的闭环增益精度；可以大幅度提高抗干扰能力和信噪；方便对引脚进行编程，实现多功能之间的切换。

2.3 A/D转换模块设计

如图4所示，采用HX711芯片作为A/D转换器，该芯片一款精度为24位的A/D转换器芯片。时钟引脚会输出25到27个不等的时钟脉冲，其中前24位时钟信号用于发送数据，第25位到27位用于选择下一次的A/D转换通道与增益。经过内部24位A/D转换模块变为数字量，通过数字接口将此数字量传至上位机，具有响应速度快、抗干扰性能强等优点。并且内置低噪声可编程放大器，增益最高可达128。HX711不仅可以对信号进行有效调理还能进行24位A/D转换，显著提高了数据采集的精度和可靠性，并且降低了系统开发的难度。

图4 HX711模块

3 软件设计

软件处理流程如图5所示，监测系统设备上电开机后，对时钟及模块完成初始化。设置DDS模块的输出频率信号，自由轴测量法测量电压信号在参考基准上的正交投影，再由单片机驱动A/D芯片对信号进行采集。结合RS232串口总线，将计算得到的电容值通过串口发送至上位机，使用matlab对数据进行处理并实时显示，实现油液在线监测结果的直观化。

图5 软件处理流程图

4 试验验证

为了保证自由轴法测量电容的精度和可行性，通过对标准电容进行测量，将高精度的标准电容接入电路后进行测量，测量值与标准电容值进行比较。试验中设置频率为2 kHz，每隔60 ms进行采样，每组试验采集100个点(10点平均)进行了三组试验，选取2pf,4pf,6pf的标准电容，测试结果如图6表示。

图6 测量电容与标准电容对比图

此次测量试验中，分别对油液中含有微量磨粒、油液中含有少量磨粒及废弃油液三种油液样本进行检测 。每种样本进行五组试验，每组试验检测10次后取平均值，测量数据如表1所示。

表1 不同磨粒含量的油液电容测量表

由图6和表1可知，测量标准电容的结果与标准值基本保持一致，通过测得的数据表明，此系统测量电容值有较好的稳定性和较高的分辨率。且测得的电容值与磨粒含量之间有一定的正相关性。

带式输送机齿轮箱在不同阶段产生磨粒浓度不同，测得的电容值也不相同。带式输送机齿轮箱在齿轮磨损初期，齿面之间相互磨合，磨损率较大，磨损颗粒较多；当齿轮箱齿轮进入稳定磨损阶段，磨损缓慢且趋于平稳，齿轮磨粒浓度变化不大；经过长时间的稳定磨损后，齿轮箱齿轮进入剧烈磨损阶段，随着磨粒含量急剧增加，所对应的电容值迅速上升。通过研究油液中颗粒含量与电容值的关系，能为带式输送机齿轮箱健康状态监测提供参考信息，并对判断齿轮箱齿轮的磨损阶段提供依据。

5 结论

油液分析技术作为机械设备故障诊断及状态监测的有效手段之一。为监测煤矿带式输送机齿轮箱齿轮磨损，利用自由轴法对油液中磨粒含量进行测量。由试验数据分析可知，油液的电容值随着磨粒的增加呈现出增长的趋势，在煤矿带式输送机实际工作过程中，齿轮箱油液随着异物侵入及齿轮磨损程度不同，磨粒含量增多，电容值越大。系统通过检测油液的电容值来监测齿轮箱齿轮的磨损状态，可应用于齿轮箱的健康状态监测，保障设备安全运行。