CN102967459A - 旋转机械故障模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转机械故障模拟实验系统，包括有设置在同一底座上的电机，由该电机驱动的齿轮故障模拟装置，轴系、轴承故障模拟装置；设置在两装置上的传感器A和传感器B与信号采集系统连接，信号采集系统连接计算机，计算机上装有信号采集软件和故障诊断软件，该系统可实现轴承、轴系、齿轮各种类型故障的模拟。其中轴系及轴承部分可同时进行轴承故障、安装不良，轴不平衡、轴不对中等多处故障模拟，操作使用方便，节约空间，且节省设备成本。

Description

旋转机械故障模拟实验系统

技术领域

    本发明属于机械故障模拟技术领域，具体涉及一种旋转机械故障模拟实验系统。

背景技术

轴承、齿轮、连接轴故障实验装置作为旋转机械故障诊断的典型装置，对于相关学科的学生及科研人员进行旋转机械的故障研究提供了很好的实验对象，通过实验装置的模拟故障设置，科研方便地进行故障诊断研究。现有技术的该类实验装置，每台装置只能模拟一种故障情况，需要连续进行多组实验时需要更换相应的实验装置，存在不便。另外，每台装置均需连接驱动电机及数据采集电路等，无疑使实验装置整体成本较高。

发明内容

    本发明的目的是：针对现有技术存在的不足，提供一种将轴承、齿轮、连接轴的故障模拟设备集成一体的旋转机械故障模拟实验系统。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：一种旋转机械故障模拟实验系统，包括有设置在同一底座上的电机，由该电机驱动的齿轮故障模拟装置，轴系、轴承故障模拟装置。

所述的电机固定安装在电机安装座上，电机输出轴连接有带轮，电机安装座设有至少两个与电机转轴垂直的条形孔，电机安装座通过穿过条形孔的螺钉连接至底座上；另外，底座上电机安装座两侧对称设置有两个调节电机位置的电机位置调节件，且电机位置调节件的调节方向与电机的转轴方向相互垂直。

所述的齿轮故障模拟装置包括有传动轴A，由至少两个齿轮构成的齿轮箱以及磁粉扭力器；所述的传动轴A通过传动轴支座A固定安装在底座上，传动轴A一端设有带轮A，带轮A通过传动带与所述电机输出轴的带轮传动连接，传动轴A另一端通过联轴器与齿轮箱输入轴连接；齿轮箱的输出轴通过联轴器与所述的磁粉扭力器连接；所述的齿轮箱上设置有用以检测齿轮箱内齿轮运行参数的传感器A。

所述的轴系、轴承故障模拟装置包括有传动轴B，旋转轴及套设在旋转轴上的轴承A、轴承B及至少一个可添加负载的旋转圆盘以及一个径向加载装置；所述的传动轴B通过传动轴支座B固定安装在底座上，传动轴B一端设有有带轮B，带轮B通过传动带与所述电机输出轴的带轮传动连接，传动轴B另一端通过联轴器与旋转轴一端连接；所述的轴承A和轴承B分别安装在轴承安装座A和轴承安装座B上，轴承安装座A和轴承安装座B安装在一轴系安装板上，轴承安装座A上设有传感器B；轴系安装板上设有至少两个用以与底座定位的轴系平衡定位销，至少两个用以与底座固定连接的紧固螺钉，且轴系安装板上供紧固螺钉穿过的孔为圆弧孔，各个圆弧孔分布在同一个圆弧上；所述的底座上旋转轴两侧还设有用以调节旋转轴位置的轴位置调节件。

所述的传感器A、传感器B分别与信号采集系统电联接。

作为优选方案：所述的电机位置调节件包括与底座固定连接的调节座，与调节座螺接的调节螺钉，以及螺接在调节螺钉上的锁紧螺母，所述的电机安装座上对应调节螺钉前端的位置设有定位块A。

作为优选方案：所述的轴承A连接于旋转轴上远离电机的一端，轴承B连接于旋转轴上靠近电机的一端，所述的旋转圆盘及径向加载装置位于轴承A和轴承B之间。

作为优选方案：所述的旋转圆盘上设有多个用以连接螺钉或负载的螺孔，各个螺孔以旋转圆盘中心为圆心以圆周阵列均匀分布。

作为优选方案：所述的径向加载装置包括与轴系安装板固定连接的支撑座，以及与旋转轴连接的轴承，支撑座与轴承之间连接有用以调节轴承径向位置的调节螺杆件，且调节螺杆件与轴系安装板相垂直。

作为优选方案：所述的圆弧孔设有两个，位于轴系安装板上远离电机的一侧。

作为优选方案：所述的轴位置调节件设有两个，分别设置在底座上沿旋转轴对称的两侧，轴系安装板上相应的位置设有与轴位置调节件配合的定位块B。

作为优选方案：所述的底座上设有用以测量轴系安装板位置的百分表，百分表紧挨轴位置调节件设置，百分表的测量探头与轴系安装板侧面相抵。

    与现有技术相比较，本发明的有益效果是：由于将齿轮故障模拟装置，轴系、轴承故障模拟装置安装到同一底座上，可实现轴承、轴系、齿轮各种类型故障的模拟。其中轴系及轴承部分可同时进行轴承故障、安装不良，轴不平衡、轴不对中等多处故障模拟，操作使用方便，节约空间，且节省设备成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是电机位置调节件部分的结构示意图。

图3为故障诊断软件的工作流程图。

1、底座；2、电机安装座；201、定位块A；202、条形孔；3、电机；4、电机位置调节件；401调节座；402、锁紧螺母；403、调节螺钉；5、带轮A；6、传动轴支座A；7、传动轴A；8、齿轮箱输入轴；9、齿轮箱；10、传感器A；11、磁粉扭力器；12、轴位置调节件；13、轴系安装板；131、定位块B；132、圆弧孔；14、轴系平衡定位销；15、轴承A；16、紧固螺钉；17、轴承安装座A；171、传感器B；18、百分表；19、径向加载装置；20、旋转圆盘；21、旋转轴；22、轴承B；23、轴承安装座B；24、传动轴B；25、传动轴支座B；26、带轮B。

具体实施方式

    下面根据附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

根据图1至图3所示的一种旋转机械故障模拟实验系统，包括有设置在同一底座1上的电机3，由该电机3驱动的齿轮故障模拟装置，轴系、轴承故障模拟装置，所述的电机3为交流变频电机。

所述的电机3固定安装在电机安装座2上，电机3的输出轴连接有带轮，电机安装座2设有至少两个与电机3的转轴垂直的条形孔202，电机安装座2通过穿过条形孔202的螺钉连接至底座1上；另外，底座1上电机安装座2两侧对称设置有两个调节电机3位置的电机位置调节件4，且电机位置调节件4的调节方向与电机3的转轴方向相互垂直。所述的电机安装座2上的条形孔202便于松开螺钉后电机安装座2可与底座1相对移动，所述的电机位置调节件4用以微调电机3转轴的位置。

所述的齿轮故障模拟装置包括有传动轴A7，齿轮箱输入轴8，由至少两个齿轮构成的齿轮箱9以及磁粉扭力器11；所述的传动轴A7通过传动轴支座A6固定安装在底座1上，传动轴A7一端设有带轮A5，带轮A5通过传动带与所述电机3的输出轴的带轮传动连接，传动轴A7另一端通过联轴器与齿轮箱输入轴8连接；齿轮箱9的输出轴通过联轴器与所述的磁粉扭力器11连接；所述的齿轮箱9上设置有用以检测齿轮箱9内齿轮运行参数的传感器A10；传感器A10为加速度传感器。所述的磁粉扭力器11作为齿轮箱9的负载，磁粉扭力器11可调节其输出扭力大小。所述的齿轮箱9内齿轮在进行故障模拟时可按需更换成有缺陷的齿轮。

所述的轴系、轴承故障模拟装置包括有传动轴B24，旋转轴21及套设在旋转轴21上的轴承A15、轴承B22及至少一个可添加负载的旋转圆盘20以及一个径向加载装置19；所述的传动轴B24通过传动轴支座B25固定安装在底座1上，传动轴B24一端设有有带轮B26，带轮B26通过传动带与所述电机3的输出轴的带轮传动连接，传动轴B24另一端通过联轴器与旋转轴21一端连接；所述的轴承A15和轴承B22分别安装在轴承安装座A17和轴承安装座B23上，轴承安装座A17和轴承安装座B23安装在一轴系安装板13上，轴承安装座A17上设有传感器B171，传感器B171也为加速度传感器；轴系安装板13上设有至少两个用以与底座1定位的轴系平衡定位销14，至少两个用以与底座1固定连接的紧固螺钉16，且轴系安装板13上供紧固螺钉16穿过的孔为圆弧孔132，各个圆弧孔132分布在同一个圆弧上；所述的底座1上旋转轴21两侧还设有用以调节旋转轴21位置的轴位置调节件12。

所述的电机3输出轴上的带轮通过传动带择一与带轮A5或带轮B26传动连接，电机3输出轴上也可同轴安装两个带轮，同时分别与带轮B5及带轮B26传动连接。

所述的轴系平衡定位销14与底座1及轴系安装板13紧密配合，使旋转轴21与传动轴B24严格同轴，即保证轴系可运行于正常状态。所述的轴位置调节件12结构与电机位置调节件4一致，配合设置在轴系安装板13上的定位块B131，用以调整轴系安装板13与底座1的相对位置，轴系安装板13沿所述的圆弧孔132转动以改变其与底座1的相对位置，圆弧孔132配合紧固螺钉16用以将轴系安装板13与底座1固定，可用于模拟旋转轴21不对中的状态。

所述的传感器A10、传感器B171分别与信号采集系统电联接。信号采集系统将信号传至计算机，计算机上安装有信号采集软件及故障诊断软件，用以诊断和分析故障模拟的数据。其工作流程如图3所示。

所述的电机位置调节件4包括与底座1固定连接的调节座401，与调节座401螺接的调节螺钉403，以及螺接在调节螺钉403上的锁紧螺母402，所述的电机安装座2上对应调节螺钉403前端的位置设有定位块A201。调节螺钉403前端抵住定位块A201以调整电机安装座2的位置，锁紧螺母402位于调节座401背离电机3的一侧，旋动锁紧螺母402抵住调节座401可防止调节螺钉403松动。

所述的轴承A15连接于旋转轴21上远离电机3的一端，轴承B22连接于旋转轴21上靠近电机3的一端，所述的旋转圆盘20及径向加载装置19位于轴承A15和轴承B22之间。

所述的旋转圆盘20上设有多个用以连接螺钉或负载的螺孔，各个螺孔以旋转圆盘中心为圆心以圆周阵列均匀分布。在旋转圆盘20上加上负载，可用以模拟轴不平衡缺陷。

所述的径向加载装置19包括与轴系安装板13固定连接的支撑座，以及与旋转轴21连接的轴承，支撑座与轴承之间连接有用以调节轴承径向位置的调节螺杆件，且调节螺杆件与轴系安装板13相垂直。所述的调节螺杆件至少包括有外端连接有手轮的螺杆部以及与螺杆部同轴连接的轴承安装部。通过调整调节螺杆件使轴承产生竖直方向的径向位移，可模拟旋转轴不对中的状态。

所述的圆弧孔132设有两个，位于轴系安装板13上远离电机3的一侧。这样，轴系安装板13沿圆弧孔132调整时，转动中心靠近传动轴B24，圆弧孔132所在一侧调节幅度较大，便于调节。

所述的轴位置调节件12设有两个，分别设置在底座1上沿旋转轴21对称的两侧，轴系安装板13上相应的位置设有与轴位置调节件12配合的定位块B131。

所述的底座1上设有用以测量轴系安装板13位置的百分表18，百分表18紧挨轴位置调节件12设置，百分表18的测量探头与轴系安装板13侧面相抵。通过百分表18可显示轴系安装板13与底座1的相对位置数值。

当使用齿轮故障模拟装置进行实验时，若传动带是与带轮B26连接的，则松开电机安装座2条形孔202处的螺钉及电机位置调节件4的调节螺钉403，取下传动带，将之与电机3的输出轴上的带轮及带轮A5连接，旋紧调节螺钉403，调整传动带张力（用手指按，约沉下10mm左右的程度），然后旋紧条形孔202处的螺钉使电机安装座2与底座1完全固定。

接着接通电机3电源，调整电机3至需要的转速，确认此时齿轮箱9及磁粉扭力器11均正常工作后，断开电机3电源。

接着可进行齿轮故障模拟，关闭电机3电源后，拆开齿轮箱9，换上有缺陷的齿轮，重新装好齿轮箱9后，启动电机3电源，调节电机3至需要转速后，启动磁粉扭力器11给齿轮箱加负载。

安装于齿轮箱9上的传感器A10测得齿轮箱9运转时产生的振动信号，经信号采集系统处理后送至计算机，计算机上的信号采集软件将获取的数据进行保存及显示，计算机上的故障诊断软件获取数据后对故障进行诊断分析，最终确认故障产生原因。

所述的齿轮箱输入轴8和输出轴与齿轮箱9之间通过轴承连接，该处的轴承也可换成有缺陷的轴承进行模拟实验。

当使用轴系、轴承故障模拟装置进行实验时，如上述齿轮故障模拟装置，先确认电机3输出轴的带轮与带轮B26通过传动带连接，且各个轴承、旋转轴21均运行正常后，断开电机3电源。

故障实验包括有下列几种：

一、将轴承A15换为有故障的轴承，类型有：轴承内圈损伤、外圈损伤、滚珠损伤。也可使用外圈尺寸偏小的轴承或者松开轴承座的固定件使轴承与轴承安装座A17产生松动进行故障实验。

二、在旋转圆盘20上增加负载，产生轴不平衡缺陷。

三、松开轴系平衡定位销14及紧固螺钉16，通过轴位置调节件12调整轴系安装板13与底座1之间产生偏移，通过百分表18观察偏移量，锁紧紧固螺钉16后，可模拟旋转轴21不对中故障。

四、调整径向加载装置19的调节螺杆件使轴承产生竖直方向的径向位移，可模拟旋转轴21不对中的故障，该种故障情况可与第“三”种轴不对中故障一起模拟。

五、调整电机3的转速，模拟上述各种故障情况在不同速度条件下的故障特征。

在轴承故障诊断当中，完整的故障诊断系统包含以下五个步骤：

(1)信号采集：根据轴承的性质和工作环境，选择并检测能够反映滚动轴承状态的信号，并进行采集；

(2)特征提取：以一定的信号分析与处理方法对检测到的轴承信号进行抽取，从而获取能够反映轴承运行状态的有用信息；

(3)状态识别：根据提取的特征信息，用某种适当的状态识别方法对滚动轴承进行状态识别，判断轴承运行正常与否或者说有无故障；

(4)诊断分析：根据状态识别的结果，进一步分析轴承状态的情况及其发展趋势；若轴承有故障，详细分析轴承故障的部位、性质、类型、原因和发展趋势等；

(5)决策干预：根据轴承工况及发展趋势做出决策，如调整、维修或控制等。

在所述的底座1、电机安装座2、轴系安装板13等不产生旋转运动的部位也可安装传感器，可用以对比其它位置所测得的故障数据信息。

上述实施例仅为本专利较好的实施方式，凡采用本技术方案描述的构造、特征及在其精神原理上的变化、修饰均属于本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种旋转机械故障模拟实验系统，其特征在于：包括有设置在同一底座上的电机，由该电机驱动的齿轮故障模拟装置，轴系、轴承故障模拟装置；

所述的电机固定安装在电机安装座上，电机输出轴连接有带轮，电机安装座设有至少两个与电机转轴垂直的条形孔，电机安装座通过穿过条形孔的螺钉连接至底座上；另外，底座上电机安装座两侧对称设置有两个调节电机位置的电机位置调节件，且电机位置调节件的调节方向与电机的转轴方向相互垂直；

所述的齿轮故障模拟装置包括有传动轴A，由至少两个齿轮构成的齿轮箱以及磁粉扭力器；所述的传动轴A通过传动轴支座A固定安装在底座上，传动轴A一端设有带轮A，带轮A通过传动带与所述电机输出轴的带轮传动连接，传动轴A另一端通过联轴器与齿轮箱输入轴连接；齿轮箱的输出轴通过联轴器与所述的磁粉扭力器连接；所述的齿轮箱上设置有用以检测齿轮箱内齿轮运行参数的传感器A；

所述的轴系、轴承故障模拟装置包括有传动轴B，旋转轴及套设在旋转轴上的轴承A、轴承B及至少一个可添加负载的旋转圆盘以及一个径向加载装置；所述的传动轴B通过传动轴支座B固定安装在底座上，传动轴B一端设有有带轮B，带轮B通过传动带与所述电机输出轴的带轮传动连接，传动轴B另一端通过联轴器与旋转轴一端连接；所述的轴承A和轴承B分别安装在轴承安装座A和轴承安装座B上，轴承安装座A和轴承安装座B安装在一轴系安装板上，轴承安装座A上设有传感器B；轴系安装板上设有至少两个用以与底座定位的轴系平衡定位销，至少两个用以与底座固定连接的紧固螺钉，且轴系安装板上供紧固螺钉穿过的孔为圆弧孔，各个圆弧孔分布在同一个圆弧上；所述的底座上旋转轴两侧还设有用以调节旋转轴位置的轴位置调节件；

所述的传感器A、传感器B分别与信号采集系统电联接。

2.根据权利要求1所述的旋转机械故障模拟实验系统，其特征在于：所述的电机位置调节件包括与底座固定连接的调节座，与调节座螺接的调节螺钉，以及螺接在调节螺钉上的锁紧螺母，所述的电机安装座上对应调节螺钉前端的位置设有定位块A。

3.根据权利要求1所述的旋转机械故障模拟实验系统，其特征在于：所述的轴承A连接于旋转轴上远离电机的一端，轴承B连接于旋转轴上靠近电机的一端，所述的旋转圆盘及径向加载装置位于轴承A和轴承B之间。

4.根据权利要求1或3所述的旋转机械故障模拟实验系统，其特征在于：所述的旋转圆盘上设有多个用以连接螺钉或负载的螺孔，各个螺孔以旋转圆盘中心为圆心以圆周阵列均匀分布。

5.根据权利要求1或3所述的旋转机械故障模拟实验系统，其特征在于：所述的径向加载装置包括与轴系安装板固定连接的支撑座，以及与旋转轴连接的轴承，支撑座与轴承之间连接有用以调节轴承径向位置的调节螺杆件，且调节螺杆件与轴系安装板相垂直。

6.根据权利要求1所述的旋转机械故障模拟实验系统，其特征在于：所述的圆弧孔设有两个，位于轴系安装板上远离电机的一侧。

7.根据权利要求1所述的旋转机械故障模拟实验系统，其特征在于：所述的轴位置调节件设有两个，分别设置在底座上沿旋转轴对称的两侧，轴系安装板上相应的位置设有与轴位置调节件配合的定位块B。

8.根据权利要求1所述的旋转机械故障模拟实验系统，其特征在于：所述的底座上设有用以测量轴系安装板位置的百分表，百分表紧挨轴位置调节件设置，百分表的测量探头与轴系安装板侧面相抵。

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