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備運行的安全，避免遭受經(jīng)濟損失。旋轉(zhuǎn)機械設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)。本設計分別設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，本設計根據(jù)超聲信號能量與摩擦性故障嚴重程度成正相關(guān)的特性，設計了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)的應用為故障診斷系統(tǒng)提供一個判斷故障的參考標準。本設計還加入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)設備的變革，隨著工業(yè)的向前發(fā)展，機械設備在各行各業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，并且設備精密性、復雜程度和自動化程度也大大增加。在工作過程中，設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]，所以對設備的檢測與維護非常有必要性。旋轉(zhuǎn)機械在機械設備中占有重要的地位，很大程度上機械設備發(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)災難性事故。因此，最合理的方式應該是能夠在故障發(fā)生的早期將故障檢測出來，以便能夠合理、準確地對旋轉(zhuǎn)機械的各種故障原因和故障位置做出預判，來及時的消除故障，并能夠?qū)υO備的故障發(fā)展趨勢進行預測，提高機械設備運轉(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]。為適應這一要求，旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷技術(shù)應運而生，其基本任務是檢測設備的運行狀況，判斷設備的狀態(tài)與故障發(fā)生的原因，便于及時采取相應措施，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 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 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 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)與設備，開發(fā)出了專門的設備與軟件，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及總體設計

2.1 引言
信號的采集與預處理是旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的重要環(huán)節(jié)，只有采集到準確的故障信號，才能夠準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，在晶體的兩邊聚集正負電荷，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。主要故障原因可以分為：設計原因、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力集中、復雜受力、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，其對應頻率的幅值也會增加。每當軸進行旋轉(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)的硬件電路設計.........17
3.1 引言.....17
3.2 系統(tǒng)硬件電路的總體設計.....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，設計了利用機械設備運轉(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計了帶通濾波電路。最后根據(jù)信號的特點設計了包絡檢波電路。本文對于前期的故障判斷，，是基于設計一款便攜式儀器，所以本設計以可充電的鋰電池為供電電源源，并設計不同的電壓穩(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