基于油轴温测量的减速机故障识别方法

基于油轴温测量的减速机故障识别方法

叶张水1，王坚1，谭浩晨2，胡佳成2，陈爱军2，胡飞1

(1.杭州嘉诚机械有限公司，2.中国计量大学，浙江杭州 310018)

摘要：为了能便捷地了解和掌握减速机运作的基本运行状况，提高减速机的效率，本文设计一套减速机油轴温实时监测的技术方案。该方案利用DS18B20测温传感器和MLX系列红外传感器实现对油温和轴温参数的监测。在传感器标定实验中，两种传感器的测量偏差均不超过0.25℃，在后续对比不同故障机与合格机的温升曲线实验里，建立了减速机效率和油轴温的联系，最终实现通过减速机的温升曲线诊断其故障类型。该研究可以解决现有减速机行业标准在油轴温度曲线的不足，为减速机的故障类型诊断提供技术指标。

关键词：油轴温；减速机故障检测；传感器；温升曲线

中图分类号：TP115.28     文献标识码：A

Fault identification method of reducer based on oil shaft temperature measurement

YE Zhang-shui1, WANG Jian1, TAN Hao-chen2, HU Jia-cheng2, CHEN Ai-jun2, HU Fei1

(1. HangZhou JiaCheng Machinery CO.,LTD; 2. China Jiliang University,

Zhejiang Hangzhou 310018, China)

Abstract：In order to conveniently understand and master the basic operation condition of gear reducer worm and improve the efficiency of gear reducer, this paper designs a set of gear reducer oil shaft temperature real-time monitoring technical scheme. DS18B20 temperature sensor and MLX series infrared sensor are used to monitor oil temperature and shaft temperature. In the sensor calibration experiment, the measurement deviation of the sensor is not more than 0.25℃. In the subsequent experiments comparing the temperature rise curve of different faulty machines and qualified machines, the relationship between the efficiency of the reducer and the temperature of the oil shaft is established, and finally the fault type is diagnosed through the temperature rise curve of the reducer. This study can solve the shortcomings of the existing industry standard of reducer in oil shaft temperature curve, and provide technical indicators for the diagnosis of reducer fault type.

Keywords：Oil temperature; Reducer fault detection; The sensor; Temperature rise curve

1引言

蜗轮蜗杆减速机以其传动平稳、振动和噪声均小、减速比大、能与各种机械设备配套使用的特点，广泛应用于石油、化工、新能源等诸多行业机械装置中[1]。润滑油，作为其配套使用的液体润滑剂，可以有效地降低蜗轮蜗杆的摩擦阻力，进而减小零件的磨损，延长零件的使用寿命[2]。然而，在蜗轮蜗杆减速机运作过程中，如有装配误差较大、蜗轮蜗杆出现较大磨损或者润滑油性能下降等问题时，其传动效率会显著降低，同时传动轴轴温和润滑油油温会迅速上升，对设备造成不可逆的损伤。因此，实时了解和掌握减速机的基本运行状况，对保证设备的稳定性、可靠性，提高设备的传动效率、准确度、使用寿命有着重要的意义。

我国电子工业起步较晚且基础薄弱﹐轴温探测系统普遍应用于铁路列车

[3]。而在大多数其他蜗轮蜗杆减速机应用场合，一般由人工进行检测, 需要测试人员亲自前往现场，这样的检测方式不仅工作效率低，劳动成本高，而且限于测量装置的精度和人工读数存在的误差，经常出现误判的情况。

为解决上述问题，本文设计了一套测量减速机油轴温的测温方案，根据实验要求选取合适的测温传感器并针对设计了一套减速机油轴温的测量电路，该方案能够自动化的采集数据，并对采集到的数据进行处理、显示和存储。其检测效率高，检测数据可靠，能满足实际使用需求。

2油轴温测量装置设计

2.1测温传感器原理介绍

(1)MLX 90614 红外测温传感器

物体红外辐射能量的大小和波长的分布与其表面温度关系密切。因此，通过对物体自身红外辐射的测量，能准确地确定其表面温度，红外测温传感器就是利用这一原理测量温度的。如图1（a）所示，通过汇聚其视场内的目标红外辐射能量，在光电探测器上转变为相应的电信号，经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。因此，其具有测温精度高，非接触测温范围广等优点，非常适用于轴温的测量。

(a)原理图

(b)实物图

图1 红外测温传感器原理与实物图

本次实验将采用MLX 90614 红外测温传感器[4]对减速机的轴温进行测量。MLX 90614 是一款用于非接触式温度测量的红外温度传感器，兼具高精度和高分辨率的优点。总线采用数字信号输出，方便采集数据。接口为标准IIC接口，易操作。具体参数如表1所示。

表1 MLX90614系列红外测温传感器参数表

该系列红外传感器读取数据后，计算转换公式如下：

（2-1）

（2-2）

（2-3）

           （2-4）

(2)DS18B20测温传感器

对于油温的测量，本装置将采用DS18B20测温传感器进行实验。DS18B20一种是常用的数字温度传感器[5]，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。其测温原理如原理图2（a）所示，低温度系数晶振用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振汤器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。

(a)原理图

(b)实物图

图2 DS18B20测温传感器原理与实物图

本次实验采用的DS18B20测温传感器参数如表2所示：

表2 DS18B20传感器参数表

2.2测量装置结构设计

(1)整体结构设计

为了实时精确地掌握减速机运作时的基本状况，需要本测量装置能够在满足测量精度要求的基础上拥有较高的检测效率。并且因为人工读数会大幅降低工作效率、提高检测成本，因此还需要设计测量过程中的自动加载和读数功能，减少检测过程中人为的参与，提高装置的自动化水平和测量精度。

基于上述要求，此油轴温监测系统主要包括PC机、单片机数据采集、信号调理电路、传感元件等构成装置。整个实验装置如图3所示，减速机的输入端连接电机，输出端连接扭矩、转速测量仪，负载是FZ磁粉制动器。总体系统设计流程如图4所示，轴温系统由测温传感器、电源模块、IIC总线接口、控制单元组成，轴温测量通过红外测温传感器（如图3-2），无接触并较为准确地获取测量轴温，油温测量通过DS18B20测温传感器（如图3-1）接触被测物来获取油温，两个传感器分别连接硬件电路，其中，控制单元通过串口电路向上位机发送测量的油温、轴温，在上位机界面中，串口调试助手显示减速机的油轴温。

图3 试验台示意图

图4油轴温测量系统框图

(2)油温测量传感器安装设计

在蜗轮蜗杆减速机顶端开有出油孔，因而选用能刚好与减速机上的出油孔配合安装的带有螺纹的传感器。当温度传感器安装上之后，传感器的探头会与减速机内的润滑油充分接触，同时温度传感器也能起到密封的作用。

NMRV90型减速机出口油塞规格为M16 *1.5，加工带螺纹的DS18B20传感器，使之螺纹尺寸符合M16*1.5，探头长3mm，螺纹长8mm，由于减速机出油口距离内部装置的距离为10mm，因此，为了防止减速机在工作过程中出现漏油现象，需在DS18B20传感器的螺纹上套两个垫片。油温测量传感器的安装如图5所示。

图5 DS18B20测温传感器安装示意图

(3)轴温测量传感器安装设计

由于采用红外测温传感器测量轴温，安装时将红外测温传感器安装在外部支架上，将红外测温探头对向轴，且距离可调，从而可以实现无接触测温，如图3所示。

2.3系统硬件电路设计

本实验装置可以实现减速机油轴温在线监测，测试者可以根据实验需要设定采集时间，本实验设定采集数据的频率为一分钟；同时，该装置具有报警功能，测试人员可设定温度阈值，当测温参数超过阈值时，系统会发出声光报警信号；为了方便日后工厂安全检查及研究需要设计数据存储功能，使用串口的方式将数据以txt的格式保存。本着节能环保的理念，电路的液晶还设定显示的背光功能，如8s内无任何按键操作显示屏将自动变暗，摁任意键背景灯便可恢复亮度。

为了满足上述需求，测量装置的硬件电路主要包含电源、按键、声光报警、数据存储、最小系统、背光这6个模块。本节将对其中的几个关键模块进行介绍。

(1)系统硬件电路的绘制

本实验装置最终完成绘制的减速机油轴温监测的电路原理如图10所示，其中包括数据储存模块、指示灯显示、为蜂鸣器报警、按键模块、MUC最小系统模块、背光模块、传感器接口电路模块、电源模块。

图6电路原理

系统电源模块如图7，电源电压为9V，通过7805稳压到5V，再通过LM1117稳压到3.3V，其中F1是可恢复保险丝，D1是防接反二极管，D2为电源指示灯，系统运行时该指示灯亮。

图7 电源模块

如图8所示， 带点可擦除可编程只读存储器(EEPROM)是一种用户可修改的只读存储器，可以使用高于正常值的电压来进行重新编程和擦除，通常用于可擦除和重新编程的个人计算机。经过系统测试，数据可通过EEPROM存储。由于EEPROM可以在计算机运行时进行连续实时编程，所以寿命是EEPROM设计的一个关键参考参数。

图8 数据存储模块

报警模块由声、光两部分构成，如图9、图10所示，测试人员在测试前设定温度阈值，如果超过设定阈值，系统蜂鸣器将会报警，且油轴温的指示灯会不断闪烁，其中D5为油温指示灯，D6、D7为轴温指示灯。

图9 蜂鸣器报警

图10 指示灯显示

统主控电路是系统运行过程中最关键的单元，其主要组成装置包含复位电路、晶振电路、MSP430F149单片机，如图11所示。

图11 MCU最小系统模块

(2)  PCB制作

最终设计的PCB线路板如图12所示。

图12 PCB布线

3测量实验

3.1测温传感器的标定

传感器的标定，就是通过实验建立传感器输入量与输出量的关系。由于本实验用的传感器本质上是温度传感器，因此，需要对其的温度曲线进行标定。

将检测系统中的两种温度传感系统利用FLUKE恒温油槽(硅油)进行校准。DS18B20传感器可直接与被测物体接触,可将其直接放入油中进行数据采集。而 MLX90614 红外温度传感器则固定在油面上方且垂直正对油面，传感器探头与被测油面固定2 cm的距离。得到两种温度传感器的的温度曲线如表3所示。

表3 DS18B20传感器/MLX90614红外温度传感器标定表

通过比较DS18B20测温传感器、MLX90614红外温度传感器与标准恒温水槽的温度可知，DS18B20传感器的测量偏差不超过0.25℃，而MLX90614红外温度传感器的最大偏差只有0.16℃，表明两种传感器的精度较高，满足本装置油轴温检测的要求。

3.2减速机故障测量实验

目前减速机故障诊断常采用噪声识别，但噪声诊断在实际检测中存在一定的缺陷。本节通过比较同一种机型的故障机和合格机的油轴温温升曲线，通过温升曲线和故障之间的联系，从而诊断出减速机的运行状况。实验拟选取型号90减速机的合格机与故障机各一台，通过控制变量，保证实验条件的一致性。

(1)油轴温测量实验

型号90故障机与合格机对比

在实际运行中，减速机常见的故障主要是轴承磨损。因此，本次实验针对减速机的轴承做了人为故障设计，将背离发电机一侧的杆承及箱体面破坏，拟造出中等故障的效果，最终实验的温升曲线如图12所示。

（a）输入轴

（b）输出轴

（c）油温

图13 90型号减速机对比

实验选取两台型号90的减速机，设定快速升温时间均为40min，从图7可直观的看到故障机和合格机的温升曲线一致，均表现为一阶系统模型，但是在相同条件下，故障机的温度明显高于合格机，说明通过运用减速机油轴温的温升曲线诊断故障有可行性。

(2)效率测试

为了对上述实验型号90减速机进行效率检测，实验选用了ZJ型转矩传感器，其额定转矩为200，通过WLK-3A控制器来控制输入功率，根据减速机行业标准，该型号减速机的输入功率需控制在1800W以内，由于减速机开始运行时油轴温就处于上升趋势，故此时的效率没有作为参考的价值，需要等待温升曲线趋于稳定后才可得到减速机的效率。实验测得输入输出功率，并已知减速机的传动比，则效率为：

            （3-1）

式中 —减速机效率，%；

     —传动比；

     —输出功率，W；

     —输入功率，W；

最终，通过实验和计算得到的效率检测结果如下表所示：

表4 减速机效率

如表4所示，反映出有故障的减速机效率仅为79.38%，低于相同型号的合格机的83.10%，这一结论和油轴温的温升曲线诊断故障是一致的，说明通过运用减速机油轴温的温升曲线诊断故障是可行的，并且该方法更加直观反映问题，便于工作人员的排查。

4总结

为了能够实时监测减速机的运行状况，避免造成设备故障事故，本文设计了一种基于油轴温测量的减速机故障识别方法，使用ZJ型转矩传感器测得减速机的输入功率和输出功率，利用已知的减速机传动比，通过计算输入功率与输入功率和传动比的比值得到了故障机和合格机的传动效率分别为79.38%和83.10%，再结合故障机和合格机的温升曲线，比较直观地看到故障机效率低于合格机，温度明显高于合格机，说明了故障机将更多的输入能量转化为了热能，最终体现在更高的油轴温温升上。实验表明，基于油轴温温升检测的减速机故障识别方法，是一种低成本、简便易行的减速机故障识别方法。

参考文献

[1]王金奎.蜗轮蜗杆减速机的应用及维护[J].黑龙江冶金,2015,35(01):28-29.

[2]董延庆.润滑技术在减速机齿轮传动中的应用探讨[J].自动化应用,2019(08):146-148.DOI:10.19769

/j.zdhy.2019.08.063.

[3]B Maru, PA Zotos, GA Athens R Electr,Anti-friction bearing temperature rise for NEMA frame motors. - IEEE Transactions on Industry Applications[J], 1989.

[4]陶杰,王欣,孙慧贤,尹文龙.基于MLX90614的温度实时检测系统[J].电子技术与软件工程,2017(21):75.

[5]罗小敏,麻淑婉,金长华,张声岚,张玉.基于DS18B20温度传感器测温系统的研究与设计[J].轻工科技,2019,35(01):50-51+103.