CN101762381B - 往复机械故障在线诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种往复机械故障在线诊断方法。它包括参数设置模块、信号采集模块、数据处理模块、故障判断模块、谐次记录模块、数据显示模块和数据保存模块。参数设置模块设置的参数接入信号采集模块，测量待测对象的扭振、压力、温度等信号，并判断电压信号是否在通道设置中的参数范围内；将采集到的信号中的扭振信号部分接入数据处理模块，对数据进行FFT处理以及扭角的计算处理，除扭振信号外的其余信号直接进入下一个流程；数据分别进入谐次记录模块、故障判断模块和数据显示模块。本发明可以根据扭振信号和其谱分析的结果以及缸压、油温、水温和排温参数对发生的故障进行类别判断。

Description

往复机械故障在线诊断方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种故障诊断方法，具体地说是一种往复机械故障在线诊断方法。

(二)背景技术

现有的往复机械故障诊断方法虽然可以实现扭振信号的采集，并可以对扭振信号进行谱分析，但是在画谐次转速跟踪谱的时候需要人工手抄不同转速下各谐次的振幅，这样会浪费大量时间，并且人工手抄存在一定的误差不够准确。目前的扭振测试方法虽然可以监测扭振信号的变化，并且根据信号的变化判断是否发生故障，但是不能根据扭振信号和其谱分析的结果对发生的故障进行类别的判断。

与本发明相关的已有技术包括：申请号为97102397.2的发明专利申请文件中公开的大型旋转机组在线状态监测与故障诊断系统。它可对机组的振动、位移和温度、工艺参数及开关信号的采集、监视与故障诊断；申请号为95110233.8的发明专利申请文件中公开的便携式柴油机工况监测及故障诊断系统。用于检测机车柴油机的燃烧和喷油工况并通过对工况信息的对比、分析，全面掌握柴油机的技术状态，为分析故障、确保安全运行、延长柴油机使用寿命和降低成本提供依据；申请号为200510047881.3的发明专利申请文件中公开的一种低速重载旋转机械故障诊断方法。通过应力波传感器提取早期故障的应力波信号，主要解决应力波数据采集、噪声抑制、信号特征提取和故障识别与定位等问题。优点是能够直接检查出系统早期故障，提出治理方案，将经济损失降到最小。哈尔滨工程大学2002年博士学位论文《基于扭振信号的柴油机故障诊断方法研究》，利用扭振信号进行柴油机故障诊断，具有传感器简单、安装方便、价格便宜、使用寿命长等优点。船舶工程(2003年第5期)上刊登的《柴油机拉缸故障的扭振诊断技术探索》。利用扭振诊断拉缸的参数，比较了拉缸故障、单缸停油故障和突加负荷时扭振的不同特点，为快速实用地诊断拉缸故障做了一些有益的尝试和理论探索，并引出了在实践中还有待于进一步解决的问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以根据扭振信号和其谱分析的结果以及缸压、油温、水温和排温参数对发生的故障进行类别判断的往复机械故障在线诊断方法。

本发明的目的是这样实现的：

它包括参数设置模块、信号采集模块、数据处理模块、故障判断模块、谐次记录模块、数据显示模块和数据保存模块；参数设置模块分为扭振卡设置和通道设置两部分，用扭振卡设置设置齿数、冲程数和扭角、水温、油温、排温、缸压的上下限参数，用通道设置设置采样通道、采样频率和采样信号幅值的上下限参数；参数设置模块设置的参数接入信号采集模块，根据设置的参数，测量待测对象的扭振、压力、温度信号，并判断经由传感器变换的电压信号是否在通道设置中的参数范围内，如果不在范围内，则停止数据采集，调整通道设置参数，如果在范围内，则继续下面流程；将采集到的信号中的扭振信号部分接入数据处理模块，数据处理模块对数据进行FFT处理以及扭角的计算处理，除扭振信号外的其余信号直接进入下一个流程；经过以上流程的数据分别进入谐次记录模块、故障判断模块和数据显示模块，经过谐次记录模块和故障判断模块的数据最终也通过数据显示模块显示出来；通过数据显示模块的数据在数据保存模块中保存起来，在数据保存模块中的数据也可以通过数据显示模块显示，以便实验后仔细分析处理。

本发明的优点主要体现在：

1、本发明可以根据实际测量情况设置测量齿轮的齿数，往复机械是二冲程还是四冲程，并可以根据不同的往复机械设置不同扭角、缸压、油温、水温的上下限，以便对于故障的判断分析。

2、本发明可以根据不同的测试工况，调整要使用的通道以及采样频率等参数。

3、本发明可以实时对采集的扭振时域信号进行傅立叶变换并显示其频域波形，并可以同时测量缸压、排气温度、冷却水温、滑油温度等相关参数。

4、具有谐次转速跟踪谱的功能，可以自动根据二冲程和四冲程的不同自动记录1谐次到12谐次12个谐次或0.5谐次到12谐次24个谐次的全部幅值，在全部转速测量记录结束之后，根据之前记录的所有谐次的幅值便可方便地画出转速跟踪图谱。

5、本发明可以根据采集到的扭振信号及其谱分析的结果以及缸压、水温、油温和排温进行故障诊断，通过不同的特征对故障的类型进行分类。

6、本发明具有保存功能，可以选择性地保存某一段数据，在需要的时候读取这一段数据并再次显示以便于故障原因的详细分析。

(四)附图说明

图1是结构框图；

图2是主控制面板；

图3是扭振板设置面板；

图4是通道设置面板；

图5是FFT处理面板；

图6是数据保存面板。

(五)具体实施方式

本发明包括参数设置模块、信号采集模块、数据处理模块、故障判断模块、谐次记录模块、数据显示模块和数据保存模块。

结合图1具体说明本发明的实现方法。参数设置模块分为扭振卡设置和通道设置两部分，扭振卡设置用来设置齿数、冲程数和扭角、水温、油温、排温、缸压的上下限等参数，通道设置用来设置采样通道、采样频率和采样信号幅值的上下限等参数；这些参数接入信号采集模块，此模块根据这些设置的参数，测量待测对象的扭振、压力、温度等信号，并判断经由传感器变换的电压信号是否在通道设置中的参数范围内，如果不在范围内，则停止数据采集，调整通道设置参数，如果在范围内，则继续下面流程；将采集到的信号中的扭振信号部分接入数据处理模块，此模块对数据进行FFT处理以及扭角的计算处理，扭角计算公式如下：

$\mathrm{\θ}={\∫}_0^{t_n}({\mathrm{\ω}}_c-\mathrm{\ω})\mathrm{dt}=({\mathrm{\ω}}_c-\frac{{\mathrm{\ω}}_{c}n\frac{t_c}{N}}{t_n})t_n$

其中，θ为扭角值，ω为瞬时角速度，t_c为最终输出信号的周期，为平均角速度，N为齿轮齿数，t_n为输出n个方波信号的时间，n为方波个数，dt为时间微元。

除扭振信号外的其余信号直接进入下一个流程；经过以上流程的数据分别进入谐次记录模块、故障判断模块和数据显示模块，谐次记录模块根据往复机械二冲程和四冲程的不同，自动记录每一次测试转速下的1谐次到12谐次12个谐次或0.5谐次到12谐次24个谐次的全部幅值。故障判断模块把处理后的数据与扭振卡中设置的参数进行比较，如果在范围内，则往复机械工作正常，如果不在范围内，则发生故障，进而根据是哪一个或哪几个参数超出设定的范围，判断是故障类型，如扭振超标、油温超标、水温超标、排温超标和缸压超标。

经过谐次记录模块和故障判断模块的数据最终也通过数据显示模块显示出来；通过数据显示模块的数据在数据保存模块中保存起来，在数据保存模块中的数据也可以通过数据显示模块显示，以便实验后仔细分析处理。

此方法可以通过软件编程实现应用。以应用Labwindows/CVI软件为例，详细说明仪器实现相应功能的编程过程：

1、控制面板的制作。如图2-图6所示，依次将所需的控件安放在适当的位置，并对每个控件做相应的设置。其中图2为主面板，需要设置下拉菜单。

2、主要回调函数的编写。

(1)主面板上左侧的两个“开始”按钮，功能相同，分别负责第一路和第二路扭振信号的采集。根据在参数设置模块中读取的相关参数，启动DAQ数据采集任务，通过数据采集卡采集信号并存储在数组当中；同时，将采集时间储存在另一个数组当中，并且使二者中的数值一一对应，根据下述的扭角计算公式计算采集波形的扭角随时间的变化规律，将扭角幅值储存在一个数组中，与之前的时间数组一一对应，以时间数组为横坐标值，扭角幅值数组为纵坐标值，将其绘制在标准扭角波形图形控件上。扭角计算公式如下：

$\mathrm{\θ}={\∫}_0^{t_n}({\mathrm{\ω}}_c-\mathrm{\ω})\mathrm{dt}=({\mathrm{\ω}}_c-\frac{{\mathrm{\ω}}_{c}n\frac{t_c}{N}}{t_n})t_n$

其中，θ为扭角值，ω为瞬时角速度，t_c为最终输出信号的周期，为平均角速度，N为齿轮齿数，t_n为输出n个方波信号的时间，n为方波个数，dt为时间微元。

将计算的扭角值与扭振卡设置中的扭角范围比较，如果超出所设定的范围，则令面板左上侧的报警灯闪烁，如果在范围内，则报警灯保持绿色不变。

(2)主面板上右侧的“开始”按钮用来控制气缸压力、排气温度、水温和油温等七路I/O信号的采集，启动DAQ数据采集任务，分别将七路采集到的不同信号存储在不同的数组当中，并将数值显示在对应的控件当中。

将采集到的气缸压力、排气温度、水温和油温的信号值与扭振卡设置中的对应设置范围比较，如果超出所设定的范围，则令面板左上侧的对应报警灯闪烁，如果在范围内，则报警灯保持绿色不变。

(3)主面板上的“停止”按钮，中止DAQ数据采集卡的采集任务，使数据采集卡停止采集信号的任务，便可停止对应通道的工作，等待新的操作。

(4)主面板上的“保存”按钮，把采集到的信号数据以及经过计算所得到的数据保存成文本文档。

(5)主面板上的“读取”按钮，读取以前保存的文本文档，并将读取的数据显示在面板对应的控件上。

(6)FFT处理：利用LabWindows软件函数库中的FFT函数，对计算得到的扭角时域信号进行FFT变换，同时可以选择函数库当中的窗函数(本发明中选用了几种常用的窗函数)，将处理之后得到的频域信号显示在FFT处理面板上。

(7)扭振板面板和通道设置面板上的“OK”按钮，读取面板控件上设置的参数值，用于信号采集和处理使用。

4、程序运行调试后，使用Labwindows/CVI自身具有的软件打包功能，将其编辑成安装文件，可以在任意一台装有DAQ数据采集卡驱动程序的计算机上安装运行，并且不要求此计算机安装有Labwindows/CVI软件。

本系统具体操作方法：

1、测试传感器的安装。当需要测量轴系的扭振时，在测量处安装测量齿轮，然后将磁电式传感器与轮齿齿顶垂直安放；当需要测量温度和压力信号时，在相应的部位安装温度和压力传感器。传感器安装完毕后，用BNC线将传感器与数据采集卡相连。

2、打开测试主面板，在测试前首先设置图3所示的扭振板设置和图4所示的通道设置，齿数设置是根据测试所采用的测量齿轮的齿数决定，其它参数则由实际所测量的情况决定。

3、设置完毕后，即可进行测试。点击面板上的开始按钮便可进行相应的状态测试。面板左侧的两个两个Graph控件可以同时显示两路相对独立的扭振信号，它们把两倍齿数个数的扭角大小的数据做为一帧不断刷新显示在控件中。同样从七路I/O通道采集到的压力、滑油温度、排气温度、冷却水温度显示在右边的一个Graph控件和Numeric控件中。并且同时将数据处理模块计算出的轴系的转速显示在左边的String控件中。同样数据处理模块还会根据参数设置模块中设置好的参数以及采集到的缸压、水温、油温等参数显示在右上的String控件中。左面最上面是六个报警灯，在参数设置面板上(如图3)可以设置好各种信号的上下限，当采集到的信号超过报警界限时，其对应的报警灯就会红绿交替闪烁以提醒操作人员。

4、点击上方菜单栏的扭振分析→FFT处理可以弹出图5所示的面板，此面板可以将主面板显示的两路扭振信号实时进行FFT处理然后显示在Graph控件中，右面的下拉式控件可以为FFT处理选择加窗的方式，其中包括我们比较常用的如三角窗、矩形窗、海宁窗等。另外在图5中的Graph控件中还设置有游标，我们可以拖动游标到你想显示的点，这时系统会自动把你所选择的点的纵坐标和横坐标经过数据处理模块计算成幅值、频率、转速显示在Graph下面的String控件中。

5、图6是数据保存面板中的一个，它保存的是一谐次的所有数据。同样的面板有24块，系统可以自动根据二冲程和四冲程的不同自动记录1谐次到12谐次12个谐次或0.5谐次到12谐次24个谐次的全部幅值，在全部转速测量记录结束之后，根据之前记录的所有谐次的幅值便可方便地画出转速跟踪图谱。

6、读取历史数据文件，使用的是和实时采集不同的蓝色实线以区别，工作人员可以自由选择要保存的有效数据，然后随时进行读取来进行故障原因的具体分析。

Claims (3)

1.一种往复机械故障在线诊断方法，其特征是：它包括参数设置模块、信号采集模块、数据处理模块、故障判断模块、谐次记录模块、数据显示模块和数据保存模块；其特征是：参数设置模块分为扭振卡设置和通道设置两部分，用扭振卡设置设置齿数、冲程数和扭角、水温、油温、排温、缸压的上下限参数，用通道设置设置采样通道、采样频率和采样信号幅值的上下限参数；参数设置模块设置的参数接入信号采集模块，根据设置的参数，测量待测对象的扭振、压力、温度信号，并判断经由传感器变换的电压信号是否在通道设置中的参数范围内，如果不在范围内，则停止数据采集，调整通道设置参数，如果在范围内，则继续下面流程；将采集到的信号中的扭振信号部分接入数据处理模块，数据处理模块对数据进行FFT处理以及计算采集扭振信号的扭角值，除扭振信号外的其余信号直接进入下一个流程；经过以上流程的数据分别进入谐次记录模块、故障判断模块和数据显示模块，经过谐次记录模块和故障判断模块的数据最终也通过数据显示模块显示出来。

2.根据权利要求1所述的一种往复机械故障在线诊断方法，其特征是：通过数据显示模块的数据在数据保存模块中保存起来，在数据保存模块中的数据通过数据显示模块显示。

3.根据权利要求1或2所述的一种往复机械故障在线诊断方法，其特征是：

所述计算采集扭振信号的扭角值，所用的计算公式为：

其中，θ为扭角值，ω为瞬时角速度，t_c为最终输出信号的周期，

为平均角速度，N为齿轮齿数，t_n为输出n个方波信号的时间，n为方波个数，dt为时间微元。

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