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[摘 要]介绍一种基于单片机的减速器磨损故障的在线监测系统，利用电导法实时在线监测起重机减速器润滑油中的磨屑状态，来判断齿轮到的磨损故障状态及其发展趋势，同时进行数据传输、超限报警和离线分析等处理。
[关键词]起重机 磨损故障 监测 电导法 系统
中图分类号：TV739 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）04-0061-01
起重机在工厂及建筑工地小起着重要的作用，因而其在运行中故障的监测与预报对提高没备生产率、保障生产安全等具有十分重要的意义。目前起重机的故障监测与诊断多采用振动信号诊断的方法，应用也比较成熟，但由于起重机运行过程中各种电磁和其它振动信号的干扰，对减速器的磨损故障诊断的效果并不明显。
1、起重机减速器齿轮磨损故障机理
1.1机械磨损的一般规律，磨损是造成元件失效，进而导致故障的普遍和主要的形式。据统汁，机械零7伴件有大力呢左右是由于磨损而失效的。磨损的绝大部分是在润滑介质中产生的。因此磨损和润滑之间具有一定的关系，磨损产生的磨屑颗粒对润滑油的污染反映了磨损故障的产生过程及发展趋势，通过监测润滑油中的磨屑情况，必然能够监测齿轮的磨损状态，预测、预报磨损故障，用电导法监测润滑油液的污染状态以判断齿轮的磨损故障.能在线或离线使用，配合铁话分析等方法。可以精确预测和预报减速器的磨损故障，是一种新的有效的方法。
1.2电导法监测润滑油平面用状态机理分析。润滑油在纯净的情况下，其导电率一般很小，在80t以下可以小到l0—16s/m 然而，工程油介质由于固态、液态和气态等杂质的影响，其导电率一般很大，所以在很大程度上这些杂质决定了油液的电导性能。
根据对非常纯净的变乐器油的实验表明，在恒定的外加电压下，纯液体中的电流不随时间改变，液体中的电位分布不改变，且绝无空间电荷积聚。当电压改变时，纯净液体中电流的改变近乎等同于游离气体中电流改变的规律。当电压值大于IkV时，电流值都在10-9A级别。结合油液电导理论以及有关资料和大量实验数据分析表明：（1）在电场作用下，减速器用润滑油介质中存在的电导电流可由三部分组成：因油中固体杂质（磨损颗粒等）引起的电流、因油中水份引起的电流和油水征离子电流。极纯净油的本征离子电导很小，在mw高压下，电流为0.01μA以下，说明油本征离子电流不影响测量的精度和准确性。因此在外加电压下，电导电流主要取决于油液内固体颗粒和水份的含量。（2）在室温下因油温变化而导致电流变化影响很小。通常条件下，当外加电场远远小于油液击穿电场时，电极间电压（或电流）与润滑油介绍中的金属磨损颗粒的浓度之间存在—定的对应关系。如果在电极间加入恒定的直流高电压，那么电流强度与磨损颗粒的浓度之间基本上是——对应的关系。
2、减速器润滑油及齿轮回损故障状态监测系统。磨损故障状态监测系统山分布在起重机的两个大车驱动减速器和起升机构减速器中的、3个C-V传感器和单片机系统及外围电路等部分组成，，起重机停车时系统处于微功耗保持状态，当起重机通电工作时。系统会识别并自动转人工作模式。
2.1系统硬件设计。系统主要由C-V传感器、信号调理电路、霍尔转速测量电路、AC-DC电源变换电路、8098单片机电路、自诊断电路、实时时钟电路、信号传输电路（串行口）和报警电路等组成。C-V传感器主要是由直流高压发生器和电导电极组成。通过它获得润滑油中磨损颗粒所产生的电导信号，然后送信号调理电路进行抗混滤波和放大，经由8098单片机内部3个ADC接口 （ACH4—ACH6）进行A/D转换成数字信号，再通过CPU进行各种处理后，作出报警提示或数据存储。8098单片机系统外围接有DC-DC直流变换电源电路，在起重机工作时为系统提供工作电压并给外接可充电池充电。8098片机外扩展RAM芯片6264一片， EEP-ROM芯片62256四片。由扩展RAM保存各种采样数据及所需的参数；外部EEPROM保存记录数据（62256可反复存储数万次），断电后数据也可保持。在加掉电过程中为防止数据操作失误，系统中设置了加掉电保护电路。
系统通过起重机转速信号识别其工作状态，正常情况下每隔0.5h采样一次。当发现异常情况即磨损突然加剧时，系统改变采样步长，每隔5min采样一次；若同一采样点连续出现异常，则给出报警信号，这时操作人员可以停机采集润滑油油样进行铁谱分析等处理工作，最终确定是否需要停机检修或更换润滑油。当存储数据满时，则会给出提示信号，提醒操作人员取出数据。这时操作人员可用串口线与微机相连，取出存储的数据供高线分析使用。若不取出数据，则数据会自动刷新并从头开始重新存储。取出的数据可用微机进行故障趋势分析等处理。
2.2系统软件设计。状态监测系统软件包括两部分，即数据采集软件和微机通讯及分析处理软件。数据采集软件的主要功能有：工作模式识别、数据采集。存储满提示、数据越限处理及报警、串行通讯等。软件设计上应用数字滤波算法和分频软件算法校正等措施，确保数据采集的精度和信号的同步采样。根据数据变化情况进行变步长采样，依据起重机的实际运行时间长度确定采样步长。C-V传感器的非线性也由软件校正。微机通讯及分析处理软件在微机的Windows 95平台上运行，主要功能是接收监测系统的存储数据，读、显示和修改监测系统的时钟，进行数据查询、数据的综合统计与故障趋势分析、减速器磨损状态提示和结果的输出等能。
3、系统特点及应用。由于起重机减速齿轮箱一般不装过滤装置，使润滑油中磨损颗粒浓度过高，因而采用电导法监测磨损状态比较有效。从图1中可以看出减速器磨损全过程的变化趋势，在前10h内电导测定值较大是减速器磨合期的明显特征。正常磨损期电导测定值变化比较稳定，只有大车右减速器的电导测定值在87.5h左右明显变大，此时进入严重磨损状态，而这时左减速器的测定值尚正常、在100k以后电导值普遍增大。说明已进入过度磨损阶段。停机后对右减速器润滑油采样分析，油液中的磨损颗粒明显增多，分析结果是齿轮齿面严重磨损，与在线监测结果基本吻合。
1、起升机构减速器 2、大车左减速器 3、大车右减速器
该状态监测系统具有以下特点：（1）系统采用性能优良的8098单片机为核心部件，集测量、转换、控制、实时处理、发送等于一体，其硬软件设计新颖、精练。（2）C-V傳感器安装简便，清洗方便，性能可靠。（3）系统体积小、重量轻、成本低。操作简便。（4）精度可靠，具有抗干扰能力强、适用范围广的特点。
但该系统也有一些不足，如对油液中的水分污染缺乏识别能力，在使用中缺少标准测定值来进行比较，只能采用相对比较的方法。如果对系统加以改进，在系统中加人其它的测量参数或测量手段，该方法的实用性将会进一步增强。
[关键词]起重机 磨损故障 监测 电导法 系统
中图分类号：TV739 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）04-0061-01
起重机在工厂及建筑工地小起着重要的作用，因而其在运行中故障的监测与预报对提高没备生产率、保障生产安全等具有十分重要的意义。目前起重机的故障监测与诊断多采用振动信号诊断的方法，应用也比较成熟，但由于起重机运行过程中各种电磁和其它振动信号的干扰，对减速器的磨损故障诊断的效果并不明显。
1、起重机减速器齿轮磨损故障机理
1.1机械磨损的一般规律，磨损是造成元件失效，进而导致故障的普遍和主要的形式。据统汁，机械零7伴件有大力呢左右是由于磨损而失效的。磨损的绝大部分是在润滑介质中产生的。因此磨损和润滑之间具有一定的关系，磨损产生的磨屑颗粒对润滑油的污染反映了磨损故障的产生过程及发展趋势，通过监测润滑油中的磨屑情况，必然能够监测齿轮的磨损状态，预测、预报磨损故障，用电导法监测润滑油液的污染状态以判断齿轮的磨损故障.能在线或离线使用，配合铁话分析等方法。可以精确预测和预报减速器的磨损故障，是一种新的有效的方法。
1.2电导法监测润滑油平面用状态机理分析。润滑油在纯净的情况下，其导电率一般很小，在80t以下可以小到l0—16s/m 然而，工程油介质由于固态、液态和气态等杂质的影响，其导电率一般很大，所以在很大程度上这些杂质决定了油液的电导性能。
根据对非常纯净的变乐器油的实验表明，在恒定的外加电压下，纯液体中的电流不随时间改变，液体中的电位分布不改变，且绝无空间电荷积聚。当电压改变时，纯净液体中电流的改变近乎等同于游离气体中电流改变的规律。当电压值大于IkV时，电流值都在10-9A级别。结合油液电导理论以及有关资料和大量实验数据分析表明：（1）在电场作用下，减速器用润滑油介质中存在的电导电流可由三部分组成：因油中固体杂质（磨损颗粒等）引起的电流、因油中水份引起的电流和油水征离子电流。极纯净油的本征离子电导很小，在mw高压下，电流为0.01μA以下，说明油本征离子电流不影响测量的精度和准确性。因此在外加电压下，电导电流主要取决于油液内固体颗粒和水份的含量。（2）在室温下因油温变化而导致电流变化影响很小。通常条件下，当外加电场远远小于油液击穿电场时，电极间电压（或电流）与润滑油介绍中的金属磨损颗粒的浓度之间存在—定的对应关系。如果在电极间加入恒定的直流高电压，那么电流强度与磨损颗粒的浓度之间基本上是——对应的关系。
2、减速器润滑油及齿轮回损故障状态监测系统。磨损故障状态监测系统山分布在起重机的两个大车驱动减速器和起升机构减速器中的、3个C-V传感器和单片机系统及外围电路等部分组成，，起重机停车时系统处于微功耗保持状态，当起重机通电工作时。系统会识别并自动转人工作模式。
2.1系统硬件设计。系统主要由C-V传感器、信号调理电路、霍尔转速测量电路、AC-DC电源变换电路、8098单片机电路、自诊断电路、实时时钟电路、信号传输电路（串行口）和报警电路等组成。C-V传感器主要是由直流高压发生器和电导电极组成。通过它获得润滑油中磨损颗粒所产生的电导信号，然后送信号调理电路进行抗混滤波和放大，经由8098单片机内部3个ADC接口 （ACH4—ACH6）进行A/D转换成数字信号，再通过CPU进行各种处理后，作出报警提示或数据存储。8098单片机系统外围接有DC-DC直流变换电源电路，在起重机工作时为系统提供工作电压并给外接可充电池充电。8098片机外扩展RAM芯片6264一片， EEP-ROM芯片62256四片。由扩展RAM保存各种采样数据及所需的参数；外部EEPROM保存记录数据（62256可反复存储数万次），断电后数据也可保持。在加掉电过程中为防止数据操作失误，系统中设置了加掉电保护电路。
系统通过起重机转速信号识别其工作状态，正常情况下每隔0.5h采样一次。当发现异常情况即磨损突然加剧时，系统改变采样步长，每隔5min采样一次；若同一采样点连续出现异常，则给出报警信号，这时操作人员可以停机采集润滑油油样进行铁谱分析等处理工作，最终确定是否需要停机检修或更换润滑油。当存储数据满时，则会给出提示信号，提醒操作人员取出数据。这时操作人员可用串口线与微机相连，取出存储的数据供高线分析使用。若不取出数据，则数据会自动刷新并从头开始重新存储。取出的数据可用微机进行故障趋势分析等处理。
2.2系统软件设计。状态监测系统软件包括两部分，即数据采集软件和微机通讯及分析处理软件。数据采集软件的主要功能有：工作模式识别、数据采集。存储满提示、数据越限处理及报警、串行通讯等。软件设计上应用数字滤波算法和分频软件算法校正等措施，确保数据采集的精度和信号的同步采样。根据数据变化情况进行变步长采样，依据起重机的实际运行时间长度确定采样步长。C-V传感器的非线性也由软件校正。微机通讯及分析处理软件在微机的Windows 95平台上运行，主要功能是接收监测系统的存储数据，读、显示和修改监测系统的时钟，进行数据查询、数据的综合统计与故障趋势分析、减速器磨损状态提示和结果的输出等能。
3、系统特点及应用。由于起重机减速齿轮箱一般不装过滤装置，使润滑油中磨损颗粒浓度过高，因而采用电导法监测磨损状态比较有效。从图1中可以看出减速器磨损全过程的变化趋势，在前10h内电导测定值较大是减速器磨合期的明显特征。正常磨损期电导测定值变化比较稳定，只有大车右减速器的电导测定值在87.5h左右明显变大，此时进入严重磨损状态，而这时左减速器的测定值尚正常、在100k以后电导值普遍增大。说明已进入过度磨损阶段。停机后对右减速器润滑油采样分析，油液中的磨损颗粒明显增多，分析结果是齿轮齿面严重磨损，与在线监测结果基本吻合。
1、起升机构减速器 2、大车左减速器 3、大车右减速器
该状态监测系统具有以下特点：（1）系统采用性能优良的8098单片机为核心部件，集测量、转换、控制、实时处理、发送等于一体，其硬软件设计新颖、精练。（2）C-V傳感器安装简便，清洗方便，性能可靠。（3）系统体积小、重量轻、成本低。操作简便。（4）精度可靠，具有抗干扰能力强、适用范围广的特点。
但该系统也有一些不足，如对油液中的水分污染缺乏识别能力，在使用中缺少标准测定值来进行比较，只能采用相对比较的方法。如果对系统加以改进，在系统中加人其它的测量参数或测量手段，该方法的实用性将会进一步增强。