發(fā)布時(shí)間：2015-02-03 11:42

 

【摘要】 旋轉(zhuǎn)機(jī)械在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與故障診斷能夠保證設(shè)備運(yùn)行的安全，避免遭受經(jīng)濟(jì)損失。旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在故障的早期會(huì)出現(xiàn)輕微的摩擦現(xiàn)象，此時(shí)會(huì)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(duì)早期故障做出有效的診斷。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于超聲的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)分別設(shè)計(jì)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(jì)根據(jù)超聲信號(hào)能量與摩擦性故障嚴(yán)重程度成正相關(guān)的特性，設(shè)計(jì)了LED顯示電路，同時(shí)將超聲信號(hào)進(jìn)行音頻轉(zhuǎn)化，通過(guò)聲音信號(hào)判斷機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，進(jìn)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(hào)調(diào)理電路便構(gòu)成模擬式的故障診斷系統(tǒng)。將信號(hào)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(jìn)行實(shí)時(shí)波形與直方圖的顯示、時(shí)域參數(shù)的計(jì)算與直方圖特征提取。實(shí)時(shí)波形與直方圖能夠判斷機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和故障類型，其中時(shí)域參數(shù)的應(yīng)用為故障診斷系統(tǒng)提供一個(gè)判斷故障的參考標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)還加入SD卡來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)波形圖和直方圖存儲(chǔ)，能夠下載到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，以便進(jìn)一步對(duì)故障信號(hào)分析研究。最后，本文在利用信號(hào)發(fā)生器與MATLAB軟件驗(yàn)證了本系統(tǒng)所顯示的波形與時(shí)域參數(shù)的正確性，并利用MATLAB對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了包絡(luò)直方圖能夠?qū)Ω鞣N類型的故障進(jìn)行判別，利用循環(huán)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，證明了循環(huán)統(tǒng)計(jì)方法在旋轉(zhuǎn)機(jī)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(dòng)工業(yè)設(shè)備的變革，隨著工業(yè)的向前發(fā)展，機(jī)械設(shè)備在各行各業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，并且設(shè)備精密性、復(fù)雜程度和自動(dòng)化程度也大大增加。在工作過(guò)程中，設(shè)備的各個(gè)部分緊密相連，一旦某處發(fā)生故障便會(huì)引起整個(gè)機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障，并很可能帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)危害[1-3]，所以對(duì)設(shè)備的檢測(cè)與維護(hù)非常有必要性。旋轉(zhuǎn)機(jī)械在機(jī)械設(shè)備中占有重要的地位，很大程度上機(jī)械設(shè)備發(fā)生的故障都是旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生的，旋轉(zhuǎn)機(jī)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(yùn)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(jì)利益，因此，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行故障診斷避免遭受經(jīng)濟(jì)損失與質(zhì)量安全具有重要意義。現(xiàn)階段，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的檢測(cè)與維修主要有以下兩種方式：故障發(fā)生后停機(jī)檢修與定期維護(hù)[4]，這兩種方式都會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)不便與經(jīng)濟(jì)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(cè)出來(lái)，以便能夠合理、準(zhǔn)確地對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的各種故障原因和故障位置做出預(yù)判，來(lái)及時(shí)的消除故障，并能夠?qū)υO(shè)備的故障發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，提高機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與穩(wěn)定性，盡力避免由于機(jī)械故障引發(fā)的安全事故[5]。為適應(yīng)這一要求，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其基本任務(wù)是檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)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(shí)采取相應(yīng)措施，保障生產(chǎn)的安全。
……….

1.2 故障診斷研究現(xiàn)狀
在近幾十年來(lái)，伴隨著科技的快速發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)得到廣泛發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jī)械的維護(hù)與維修起到了重要的作用。上世紀(jì) 70 年代，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷技術(shù)在歐洲就作為一門(mén)綜合學(xué)科進(jìn)行研究[6,7]，其在各個(gè)國(guó)家與地區(qū)也發(fā)展迅猛，在 20 世紀(jì) 60 年代，美國(guó)國(guó)家宇航局就已經(jīng)針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障就組織學(xué)者進(jìn)行了專門(mén)的研究，并在 70 年代，美國(guó)波音公司發(fā)明一項(xiàng)“共振解調(diào)分析技術(shù)”的專利[8]，其可以監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊信號(hào)高頻諧振的幅值，診斷出機(jī)械故障程度與故障具體位置，其國(guó)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(guó)建立了機(jī)械保健中心，日本[10]和加拿大[11]也在此方面進(jìn)行大量的科研，并研制出整套的檢測(cè)系統(tǒng)。我國(guó)旋轉(zhuǎn)機(jī)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(kāi)始得到發(fā)展，但是在借鑒國(guó)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(lái)有很多科研工作者在旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行時(shí)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(kāi)發(fā)出了專門(mén)的設(shè)備與軟件，診斷水平已經(jīng)接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[12,13]。
……….

第 2 章 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷理論基礎(chǔ)及總體設(shè)計(jì)

2.1 引言
信號(hào)的采集與預(yù)處理是旋轉(zhuǎn)機(jī)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(hào)，才能夠準(zhǔn)確的行之有效的提取出故障特征，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作環(huán)境惡劣存在大量干擾噪聲，振動(dòng)傳傳感器與聲發(fā)射技術(shù)采集到的信號(hào)會(huì)伴有各種干擾噪聲，而超聲傳感器結(jié)合合適的信號(hào)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(jī)械故障機(jī)理，闡述故障信號(hào)的分析方法及利用超聲傳感器進(jìn)行故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。
………..

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(gè)原理可將機(jī)械工作中產(chǎn)生的超聲振動(dòng)的波動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，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(shí)物圖如圖 2-1所示。旋轉(zhuǎn)機(jī)械主要是指旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為其主要功能的機(jī)械裝置，尤其是機(jī)械主要部件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(jì)原因、制造原因、安裝、操作運(yùn)行、機(jī)器劣化等。上述故障因子都會(huì)在機(jī)器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生異常振動(dòng)與噪聲，這些振動(dòng)與噪聲是狀態(tài)檢測(cè)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(wèn)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(huì)產(chǎn)生斷軸等嚴(yán)重事故。轉(zhuǎn)軸裂紋對(duì)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(kāi)而始終處于閉合的稱為閉裂紋。閉裂紋可以通過(guò)轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與靜態(tài)壁摩擦產(chǎn)生的超聲信號(hào)來(lái)識(shí)別判斷，避免事態(tài)惡化。裂紋區(qū)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)始終處于張開(kāi)狀態(tài)的稱為開(kāi)裂紋，開(kāi)裂紋運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)伴有高頻成分，并且隨著裂紋的增加，其對(duì)應(yīng)頻率的幅值也會(huì)增加。每當(dāng)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)一次，裂紋區(qū)開(kāi)閉一次稱為開(kāi)閉裂紋。裂紋故障對(duì)故障信號(hào)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(duì)其進(jìn)行故障特征分析時(shí)候，發(fā)現(xiàn)所采集信號(hào)的峰值會(huì)在兩個(gè)不對(duì)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]。
………..

第 3 章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì).........17
3.1 引言.....17
3.2 系統(tǒng)硬件電路的總體設(shè)計(jì).....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(jì)與實(shí)現(xiàn).........33
4.1 引言.....33
4.2 嵌入式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 .....33
4.3 軟件功能模塊簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn) ........36
4.7 SD 卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)....38
4.8 LCD 波形顯示 ......41
4.9 五點(diǎn)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(yàn)證及數(shù)據(jù)分析處理.......47
5.1 引言.....47
5.2 信號(hào)采集系統(tǒng)可行性研究.....48
5.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理 .........52
5.4 本章小結(jié).........55

第 5 章 系統(tǒng)驗(yàn)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(jī)械故障檢測(cè)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(gè)部分組合，可以構(gòu)成不同類型的基于超聲的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障檢測(cè)系統(tǒng)。圖 5-1 與圖 5-2 分別為故障檢測(cè)系統(tǒng)的模擬電路系統(tǒng)實(shí)物圖和數(shù)字系統(tǒng)實(shí)物圖。本章節(jié)主要有兩個(gè)部分構(gòu)成，第一部分主要為系統(tǒng)處理方式可行性驗(yàn)證；第二部分為對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。利用超聲方式對(duì)機(jī)械故障檢測(cè)時(shí)，帶通濾波器的頻率范圍在 20kHz 到 40kHz 之間，時(shí)域參數(shù)的最能反映故障特性。超聲信號(hào)后續(xù)經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波后可以將其頻率會(huì)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(duì)采集到的超聲原始信號(hào)進(jìn)行了分析。而為了說(shuō)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(hào)發(fā)生器，阿爾泰 PCI8664 采集卡等儀器，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器輸出正弦波與采集實(shí)際超聲信號(hào)來(lái)驗(yàn)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(yàn)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(shí)域參數(shù)和 SD 卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的有效性。

 

………..

 

結(jié) 論

本文利用旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了利用機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的超聲信號(hào)來(lái)進(jìn)行故障檢測(cè)的系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在故障的早期會(huì)出現(xiàn)輕微的摩擦或者氣流紊流現(xiàn)象，此時(shí)會(huì)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(dòng)波并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，因此可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)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(jì)了信號(hào)調(diào)理電路和穩(wěn)壓電源模塊，本文根據(jù)不同類型機(jī)械及其在不同的情況下，輸出信號(hào)的強(qiáng)度不一，設(shè)計(jì)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器，而同時(shí)為了抑制共模信號(hào)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(jī)械的早期故障頻率設(shè)計(jì)了帶通濾波電路。最后根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了包絡(luò)檢波電路。本文對(duì)于前期的故障判斷，，是基于設(shè)計(jì)一款便攜式儀器，所以本設(shè)計(jì)以可充電的鋰電池為供電電源源，并設(shè)計(jì)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(jì)了信號(hào)強(qiáng)度顯示電路與超聲信號(hào)監(jiān)聽(tīng)電路。本文根據(jù)維修人員的需要將故障信號(hào)轉(zhuǎn)化為音頻信號(hào)進(jìn)行輸出，同時(shí)通過(guò)條形數(shù)碼管來(lái)顯示信號(hào)的強(qiáng)度。此種方式可以利用耳機(jī)與發(fā)光數(shù)碼管的顯示判斷機(jī)械存在問(wèn)題，取代了工廠依靠聽(tīng)音棒等傳統(tǒng)方式。
…………

參考文獻(xiàn)：

[1] 李全,孫永厚,劉夫云.  基于FIR帶通濾波汽車平順性分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. 2014(02)
[2] 陶紅燕,張惠芳,金彥楓,郭強(qiáng),劉蘋(píng),呂旭東.  縱波-橫波一體化超聲波探頭[J]. 石油化工設(shè)備. 2013(S1)
[3] 王金福,李富才.  機(jī)械故障診斷技術(shù)中的信號(hào)處理方法:時(shí)頻分析[J]. 噪聲與振動(dòng)控制. 2013(03)
[4] 王金福,李富才.  機(jī)械故障診斷技術(shù)中的信號(hào)處理方法:時(shí)域分析[J]. 噪聲與振動(dòng)控制. 2013(02)
[5] 王元生,任興民,鄧旺群,楊永鋒.  基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障信號(hào)去噪源分離[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2013(02)
[6] 羅躍綱,吳斌,胡紅英,馮長(zhǎng)建.  旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸裂紋損傷故障研究進(jìn)展[J]. 大連民族學(xué)院學(xué)報(bào). 2013(01)
[7] 陳智博,黃宜堅(jiān).  基于AR雙譜的超聲波電機(jī)故障診斷[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2011(12)
[8] 曲秀秀,陳果,喬保棟.  轉(zhuǎn)子動(dòng)靜碰摩故障試驗(yàn)研究[J]. 飛機(jī)設(shè)計(jì). 2011(04)
[9] 田松亞,史如森,朱曉華,楊全海,陳麗華.  超聲波傳感器在波紋板折線焊縫跟蹤中的應(yīng)用[J]. 焊接學(xué)報(bào). 2010(12)
[10] 蘇強(qiáng),林旭梅.  一種基于單片機(jī)的超聲波傳感器的研究與設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用. 2010(15)



本文編號(hào)：11823