齿轮箱复合故障诊断系统设计*

田海勇, 王靖岳, 李建刚

(1.中车大同电力机车有限公司，山西 大同 037038；2.沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159；3.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130025)

0 引言

机械传动系统中使用最广泛的设备之一就有齿轮箱，其经常发生故障的主要零部件有齿轮、轴承和轴等。由于背景噪声的影响，使得复合故障特征的分离与提取变得异常困难[1]。同时，齿轮箱故障信号的数据量较大，经常需要复杂的矩阵运算以及对运算结果进行显示才能得到故障诊断的结果。

MATLAB具有强大的计算功能，在信号处理方面具有独特的优势。但MATLAB也存在一些不足之处，它在界面开发以及用户交互方面尚有欠缺，并且其不能脱离软件的编译环境而独立运行[2]，而具有面向对象的程序设计思想和良好用户界面的VB软件就能很好地解决这一问题。但VB中提供的数学函数的种类较少，不足以满足一个功能齐全的大型诊断系统[3]。为此，本文将VB与MATLAB相结合，通过混合编程来实现齿轮箱复合故障诊断系统的无缝集成设计，该系统能够避免MATLAB中大量的复杂程序命令，缩短开发周期，提高工作效率，通过对齿轮箱中齿轮点蚀-磨损复合故障实例分析验证了系统的正确性，这对于实际故障诊断具有一定的指导意义。

1 VB与MATLAB的混合编程方法

目前，实现VB与MATLAB混合编程的方法有许多，包括Matrix VB技术、利用M文件、DDE技术以及ActiveX技术[4]。这些方法各有优缺点，如Matrix VB技术中包含的函数有限，不能满足所有的运算功能；利用M文件的方法灵活性较差，并且安全性较低；DDE技术会使程序的代码数量增加，从而增加运算时间，降低运算效率；ActiveX技术具有自动化程度和执行效率较高、编程思想简单、占用系统资源较少、数据交换能力较强等优点[5,6]。因此，通过比较分析，本文选择ActiveX技术实现VB与MATLAB的混合编程。

COM组件的自动化服务器既能与MATLAB兼容，又能嵌入ActiveX协议，并且VB也支持ActiveX自动化控制端的协议。因此，自动化协议连接可以在VB与MATLAB之间建立。为了使两者之间能够进行信息互通互联，对MATLAB程序的调用可以用VB实现[7,8]。在创建ActiveX自动化协议时，通过以下语句在VB中实现两者之间的联系[9,10]，即：

Dim Matlab as Object

Set Matlab=CreateObject(“Matlab.Application”)

2 复合故障诊断系统设计

2.1 界面的总体设计

在设计复合故障诊断系统时，首先要考虑该系统的主要功能，既要有读取信息、信号预处理和故障诊断等模块，还要使界面的总体设计简洁明了。为了便于今后系统的修改与拓展，必须保证各功能模块之间互不干扰。本文基于改进变分模态分解方法(Improved Variational Mode Decomposition，IVMD)和经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)的复合故障诊断方法，以齿轮箱中齿轮点蚀-磨损复合故障为例，将齿轮箱复合故障诊断系统设计为4大功能模块，即登录模块、信息采集模块、幅值域分析模块和EMD与IVMD分析模块。

2.2 系统的登录界面(主界面)

为防止数据泄露，保证系统的安全性，设计了系统登录模块。如果账号或密码中有一个输入错误，则齿轮箱复合故障诊断系统会弹出提示“账号或密码输入错误，请再次输入！”，两者都同时输入正确后，则会进入系统的主界面，如图1所示。在系统的菜单栏中除了主要功能模块之外，还包括帮助与退出功能。帮助功能主要用于与系统开发者进行联系，获得系统使用和修改等方面的建议；选择退出功能能够直接退出系统。

图1 系统的登录界面(主界面)

2.3 信息采集模块

登入到系统主界面后，信息采集应首先完成。数据以.txt的形式保存在计算机的某目录下。点击菜单栏的信息采集模块，弹出界面，该模块还包含了频率计算功能。在此界面下输入相关的试验参数，单击信息读取并计算的按钮，则所选择的故障数据会在数据显示控件中出现，同时计算出齿轮轴转频与啮合频率，如图2所示。

图2 读取数据前后的信息采集模块界面显示

2.4 幅值域分析模块

在读取齿轮箱故障数据之后，需要对其进行幅值域分析，包括时域、频域和时频域分析。单击下拉菜单栏中的幅值域分析模块，选中时域和频域分析，单击运行按钮，在相应的控件中会显示故障数据的时域和频域波形，如图3(a)所示；单击返回按钮，选择时频域分析，再单击运行按钮，在对应的控件中会显示故障数据的不同时频谱图，如图3(b)所示。但是从各时频域图中可以看到，出现的特征频率杂乱而且不够清晰，具体的故障类型难以识别出。

图3 幅值域分析模块

2.5 EMD与IVMD分析模块

2.5.1 EMD分析

单击菜单栏中的EMD与IVMD分析模块，在下拉选项中选择EMD分析，该模块的主要功能是进行降噪处理，同时消除可能存在的虚假模态分量，为下一步IVMD分析做准备。EMD分析结果如图4(a)所示，同时根据能量法判断出了IMF(Intrinsic Mode Function,本征模态函数)中存在虚假模态；单击消除虚假模态按钮，系统会根据能量原理消除虚假模态并得到新的IMF分量，通过选择与原始信号具有强相关性的新IMF分量构成CIMF(Complex Intrinsic Mode Function)分量，其界面如图4(b)所示。

图4 EMD分析及消除虚假模态分量界面

2.5.2 参数k与α的选择

在EMD与IVMD分析模块的下拉菜单中单击基于波形法的值选择，对上面得到的CIMF分量进行VMD(Variational Mode Decomposition)分析，根据波形法来确定参数k值的范围。运行后得到的结果如图5(a)所示，从中可以获悉，本例k的取值为小于等于4。

在EMD与IVMD分析模块的下拉菜单中单击基于包络熵的k与α组合选择选项，计算不同k与α组合时得到的BLIMF(Band Limited Intrinsic Mode Functions)的包络熵值，通过分析，选择包络熵值最小时所对应的k与α为IVMD分解的最佳参数组合。运行结果如图5(b)所示，当k=4,α=1 000时为IVMD分解的最佳参数组合。

图5 基于波形法与包络熵的参数选择

2.5.3 IVMD分析及故障诊断

单击EMD与IVMD分析模块，选择IVMD分析选项。首先，在参数选择框的下拉菜单中选择，然后单击运行按钮， CIMF分量经IVMD分解得到的BLIMF分量及其对应的频谱图如图6(a)所示。单击EMD与IVMD分析模块下的故障特征提取选项，点击运行按钮，进行包络解调并提取故障特征频率，如图6(b)所示。与大齿轮点蚀故障特征频率相近的特征频率及其倍频从BLIMF1和BLIMF4的包络解调谱中获取，与小齿轮磨损故障特征频率相近的特征频率及其倍频从BLIMF2和BLIMF3的包络解调谱中获取，同时给出了故障诊断结果及其故障原因与预防措施。

图6 IVMD分析及故障诊断界面

3 结束语

本文将VB与MATLAB相结合，在EMD与IVMD复合故障诊断方法的基础上设计了一个齿轮箱复合故障诊断系统。系统主界面以及各功能模块是通过VB编写完成的，对MATLAB的调用是利用ActiveX技术实现的，使得该诊断系统能够有效地完成故障信息采集、幅值域分析以及复合故障诊断等功能，并缩短了程序开发周期、提高了工作效率。