發(fā)布時間：2015-02-03 11:42

 

【摘要】 旋轉(zhuǎn)機械在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位，對旋轉(zhuǎn)機械運行狀態(tài)的監(jiān)測與故障診斷能夠保證設(shè)備運行的安全，避免遭受經(jīng)濟損失。旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備在故障的早期會出現(xiàn)輕微的摩擦現(xiàn)象，此時會產(chǎn)生高頻振蕩波，而超聲傳感器能夠接受此種高頻振蕩波，對早期故障做出有效的診斷。鑒于此，本文設(shè)計了一種基于超聲的旋轉(zhuǎn)機械故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。本設(shè)計分別設(shè)計了模擬式的故障診斷系統(tǒng)與數(shù)字式的故障診斷系統(tǒng)。首先，本設(shè)計根據(jù)超聲信號能量與摩擦性故障嚴(yán)重程度成正相關(guān)的特性，設(shè)計了LED顯示電路，同時將超聲信號進行音頻轉(zhuǎn)化，通過聲音信號判斷機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況，進而結(jié)合前置差分可調(diào)放大電路、高通濾波電路、低通濾波電路等信號調(diào)理電路便構(gòu)成模擬式的故障診斷系統(tǒng)。將信號調(diào)理電路、三極管包絡(luò)檢波電路與數(shù)字系統(tǒng)電路相結(jié)合，構(gòu)成數(shù)字式的故障診斷系統(tǒng)，進行實時波形與直方圖的顯示、時域參數(shù)的計算與直方圖特征提取。實時波形與直方圖能夠判斷機械運轉(zhuǎn)狀況和故障類型，其中時域參數(shù)的應(yīng)用為故障診斷系統(tǒng)提供一個判斷故障的參考標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計還加入SD卡來進行實時數(shù)據(jù)、實時波形圖和直方圖存儲，能夠下載到上位機進行數(shù)據(jù)的分析處理，以便進一步對故障信號分析研究。最后，本文在利用信號發(fā)生器與MATLAB軟件驗證了本系統(tǒng)所顯示的波形與時域參數(shù)的正確性，并利用MATLAB對故障數(shù)據(jù)進行分析，驗證了包絡(luò)直方圖能夠?qū)Ω鞣N類型的故障進行判別，利用循環(huán)統(tǒng)計方法對故障數(shù)據(jù)進行處理，證明了循環(huán)統(tǒng)計方法在旋轉(zhuǎn)機械故障診斷方面的優(yōu)越性。

第 1 章 緒 論

1.1 課題背景及研究的目的和意義
科技的發(fā)展帶動工業(yè)設(shè)備的變革，隨著工業(yè)的向前發(fā)展，機械設(shè)備在各行各業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，并且設(shè)備精密性、復(fù)雜程度和自動化程度也大大增加。在工作過程中，設(shè)備的各個部分緊密相連，一旦某處發(fā)生故障便會引起整個機械設(shè)備發(fā)生故障，并很可能帶來較大的經(jīng)濟損失與社會危害[1-3]，所以對設(shè)備的檢測與維護非常有必要性。旋轉(zhuǎn)機械在機械設(shè)備中占有重要的地位，很大程度上機械設(shè)備發(fā)生的故障都是旋轉(zhuǎn)機械發(fā)生的，旋轉(zhuǎn)機械是冶金、采礦、電力等行業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。它的運轉(zhuǎn)情況在很大程度上決定著生產(chǎn)的質(zhì)量、安全與經(jīng)濟利益，因此，對旋轉(zhuǎn)機械進行故障診斷避免遭受經(jīng)濟損失與質(zhì)量安全具有重要意義。現(xiàn)階段，大型旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的檢測與維修主要有以下兩種方式：故障發(fā)生后停機檢修與定期維護[4]，這兩種方式都會給生產(chǎn)帶來不便與經(jīng)濟利益的損失，而前者更有可能引發(fā)災(zāi)難性事故。因此，最合理的方式應(yīng)該是能夠在故障發(fā)生的早期將故障檢測出來，以便能夠合理、準(zhǔn)確地對旋轉(zhuǎn)機械的各種故障原因和故障位置做出預(yù)判，來及時的消除故障，并能夠?qū)υO(shè)備的故障發(fā)展趨勢進行預(yù)測，提高機械設(shè)備運轉(zhuǎn)的可靠性與穩(wěn)定性，盡力避免由于機械故障引發(fā)的安全事故[5]。為適應(yīng)這一要求，旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷技術(shù)應(yīng)運而生，其基本任務(wù)是檢測設(shè)備的運行狀況，判斷設(shè)備的狀態(tài)與故障發(fā)生的原因，便于及時采取相應(yīng)措施，保障生產(chǎn)的安全。
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1.2 故障診斷研究現(xiàn)狀
在近幾十年來，伴隨著科技的快速發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機械在線監(jiān)測與診斷技術(shù)得到廣泛發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備運行狀況的實時監(jiān)測與故障診斷方法已經(jīng)在工業(yè)中被廣泛采用，為旋轉(zhuǎn)機械的維護與維修起到了重要的作用。上世紀(jì) 70 年代，旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術(shù)在歐洲就作為一門綜合學(xué)科進行研究[6,7]，其在各個國家與地區(qū)也發(fā)展迅猛，在 20 世紀(jì) 60 年代，美國國家宇航局就已經(jīng)針對旋轉(zhuǎn)機械的故障就組織學(xué)者進行了專門的研究，并在 70 年代，美國波音公司發(fā)明一項“共振解調(diào)分析技術(shù)”的專利[8]，其可以監(jiān)測到?jīng)_擊信號高頻諧振的幅值，診斷出機械故障程度與故障具體位置，其國內(nèi)的大學(xué)在故障診斷方面也取得顯著成果[9]。另外，英國建立了機械保健中心，日本[10]和加拿大[11]也在此方面進行大量的科研，并研制出整套的檢測系統(tǒng)。我國旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷技術(shù)發(fā)比較晚，直到上世紀(jì) 70 年代故障診斷技術(shù)才開始得到發(fā)展，但是在借鑒國外的基礎(chǔ)上，在 80 年代得到迅速發(fā)展，并在一定程度上有了很大的創(chuàng)新，近年來有很多科研工作者在旋轉(zhuǎn)機械運行時產(chǎn)生的故障類型與相應(yīng)的診斷方法方面取得可喜成果，研制出滿足工程需要的診斷系統(tǒng)與設(shè)備，開發(fā)出了專門的設(shè)備與軟件，診斷水平已經(jīng)接近或達到國際先進水平[12,13]。
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第 2 章 旋轉(zhuǎn)機械故障診斷理論基礎(chǔ)及總體設(shè)計

2.1 引言
信號的采集與預(yù)處理是旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的重要環(huán)節(jié)，只有采集到準(zhǔn)確的故障信號，才能夠準(zhǔn)確的行之有效的提取出故障特征，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。由于旋轉(zhuǎn)機械工作環(huán)境惡劣存在大量干擾噪聲，振動傳傳感器與聲發(fā)射技術(shù)采集到的信號會伴有各種干擾噪聲，而超聲傳感器結(jié)合合適的信號與處理電路可以有效的去取噪聲的干擾。本章分析了旋轉(zhuǎn)機械故障機理，闡述故障信號的分析方法及利用超聲傳感器進行故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計理念。
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2.2 超聲傳感器介紹
超聲傳感器主要是利用超聲的波的各種物理特性與晶體壓電效應(yīng)原理而研制的一種傳感器。超聲傳感器按照其工作原理可以分為：壓電式、電磁式等，而按照探頭的形狀又可以分為直探頭、表面波探頭、雙晶探頭等、可變探頭等[33]。本文采用的即為壓電直探頭式超聲傳感器，壓電直探頭利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，在晶體的兩邊聚集正負(fù)電荷，依靠這個原理可將機械工作中產(chǎn)生的超聲振動的波動轉(zhuǎn)化為電信號，并且產(chǎn)生的頻率非常高，不宜受到外界噪聲影響。超聲探頭的實物圖如圖 2-1所示。旋轉(zhuǎn)機械主要是指旋轉(zhuǎn)運動為其主要功能的機械裝置，尤其是機械主要部件做旋轉(zhuǎn)運動的機械裝置，其故障一般表現(xiàn)為主要功能失效、性能惡化、不能完成要求的技術(shù)指標(biāo)。主要故障原因可以分為：設(shè)計原因、制造原因、安裝、操作運行、機器劣化等。上述故障因子都會在機器運行時產(chǎn)生異常振動與噪聲，這些振動與噪聲是狀態(tài)檢測與故障診斷的主要依據(jù)并能夠被超聲傳感器所采集。由于轉(zhuǎn)軸裂紋[35]產(chǎn)生的故障并不是太多，但也不是可以忽略的問題，其造成的主要原因是應(yīng)力集中、復(fù)雜受力、惡劣的工作環(huán)境等，如果任由其發(fā)展很可能會產(chǎn)生斷軸等嚴(yán)重事故。轉(zhuǎn)軸裂紋對裂紋的位置、裂紋深度及其受力狀況有很大關(guān)聯(lián)，根據(jù)所處應(yīng)力狀態(tài)的不同，裂紋可以分為以三種狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)期間轉(zhuǎn)軸的裂紋不張開而始終處于閉合的稱為閉裂紋。閉裂紋可以通過轉(zhuǎn)軸運轉(zhuǎn)時與靜態(tài)壁摩擦產(chǎn)生的超聲信號來識別判斷，避免事態(tài)惡化。裂紋區(qū)在運轉(zhuǎn)時始終處于張開狀態(tài)的稱為開裂紋，開裂紋運轉(zhuǎn)時會伴有高頻成分，并且隨著裂紋的增加，其對應(yīng)頻率的幅值也會增加。每當(dāng)軸進行旋轉(zhuǎn)一次，裂紋區(qū)開閉一次稱為開閉裂紋。裂紋故障對故障信號的采集工作有著比較大的影響。經(jīng)有關(guān)理論表明，由于其偏心及其重力等因素的影響，對其進行故障特征分析時候，發(fā)現(xiàn)所采集信號的峰值會在兩個不對稱剛度相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速之間出現(xiàn)或在臨界轉(zhuǎn)速處出現(xiàn)較大峰值[36]。
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第 3 章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計.........17
3.1 引言.....17
3.2 系統(tǒng)硬件電路的總體設(shè)計.....17
3.3 模擬電路處理模塊.....18
3.4 數(shù)字電路部分.......25
3.5 電源模塊.........30
3.6 本章小結(jié).........31
第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn).........33
4.1 引言.....33
4.2 嵌入式集成開發(fā)環(huán)境簡介 .....33
4.3 軟件功能模塊簡介 .....33
4.4 系統(tǒng)流程圖.....34
4.5 系統(tǒng)初始化.....36
4.6 ADC 模塊功能實現(xiàn) ........36
4.7 SD 卡數(shù)據(jù)存儲....38
4.8 LCD 波形顯示 ......41
4.9 五點三次數(shù)據(jù)平滑算法.........42
4.10 直方圖故障判別方法 .....44
4.11 本章小結(jié) .......46
第 5 章 系統(tǒng)驗證及數(shù)據(jù)分析處理.......47
5.1 引言.....47
5.2 信號采集系統(tǒng)可行性研究.....48
5.3 上位機數(shù)據(jù)處理 .........52
5.4 本章小結(jié).........55

第 5 章 系統(tǒng)驗證及數(shù)據(jù)分析處理

5.1 引言
在前面四章分析了構(gòu)成基于超聲的機械故障檢測系統(tǒng)的模擬系統(tǒng)硬件、數(shù)字系統(tǒng)硬件和軟件，將相應(yīng)的各個部分組合，可以構(gòu)成不同類型的基于超聲的旋轉(zhuǎn)機械故障檢測系統(tǒng)。圖 5-1 與圖 5-2 分別為故障檢測系統(tǒng)的模擬電路系統(tǒng)實物圖和數(shù)字系統(tǒng)實物圖。本章節(jié)主要有兩個部分構(gòu)成，第一部分主要為系統(tǒng)處理方式可行性驗證；第二部分為對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理。利用超聲方式對機械故障檢測時，帶通濾波器的頻率范圍在 20kHz 到 40kHz 之間，時域參數(shù)的最能反映故障特性。超聲信號后續(xù)經(jīng)過包絡(luò)檢波后可以將其頻率會降為 2kHz 以內(nèi)，為了使本課題所使用的三極管包絡(luò)檢波電路的效果更好，對采集到的超聲原始信號進行了分析。而為了說明采集系統(tǒng)的可行性與準(zhǔn)確性，本文選用TDS2022B 示波器，F(xiàn)20A 型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器，阿爾泰 PCI8664 采集卡等儀器，通過信號發(fā)生器輸出正弦波與采集實際超聲信號來驗證采集系統(tǒng)，并利用MATLAB 處理采集的數(shù)據(jù)。本節(jié)正是采用以上方式，驗證模擬電路的處理方式可行性，數(shù)字系統(tǒng)的波形顯示、直方圖、時域參數(shù)和 SD 卡存儲數(shù)據(jù)的有效性。

 

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結(jié) 論

本文利用旋轉(zhuǎn)機械的故障特點，設(shè)計了利用機械設(shè)備運轉(zhuǎn)時發(fā)出的超聲信號來進行故障檢測的系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備在故障的早期會出現(xiàn)輕微的摩擦或者氣流紊流現(xiàn)象，此時會產(chǎn)生高頻振蕩波，而超聲傳感器是一種裝有探頭的壓電晶體傳感器，可以接受頻率很高的振動波并將其轉(zhuǎn)化為電信號，因此可以及時發(fā)現(xiàn)機械的故障，避免遭受重大的損失。本文的工作總結(jié)如下：
（1）設(shè)計了信號調(diào)理電路和穩(wěn)壓電源模塊，本文根據(jù)不同類型機械及其在不同的情況下，輸出信號的強度不一，設(shè)計放大倍數(shù)可調(diào)的放大器，而同時為了抑制共模信號干擾，最終選擇放大倍數(shù)可調(diào)的前置差分放大電路。根據(jù)機械的早期故障頻率設(shè)計了帶通濾波電路。最后根據(jù)信號的特點設(shè)計了包絡(luò)檢波電路。本文對于前期的故障判斷，，是基于設(shè)計一款便攜式儀器，所以本設(shè)計以可充電的鋰電池為供電電源源，并設(shè)計不同的電壓穩(wěn)壓模塊，為不同的系統(tǒng)芯片提供所需要的供電電壓。
（2）設(shè)計了信號強度顯示電路與超聲信號監(jiān)聽電路。本文根據(jù)維修人員的需要將故障信號轉(zhuǎn)化為音頻信號進行輸出，同時通過條形數(shù)碼管來顯示信號的強度。此種方式可以利用耳機與發(fā)光數(shù)碼管的顯示判斷機械存在問題，取代了工廠依靠聽音棒等傳統(tǒng)方式。
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本文編號：11823