CN103616252B - 一种低速重载机械的早期故障检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低速重载机械的早期故障检测系统。其技术方案是：压振传感器(1)的信号输出端1a与放大器(2)的信号输入端2a连接，放大器(2)的信号输出端2b与超低频锁相环(3)的信号输入端3a连接，超低频锁相环(3)的信号输出端3b与模数转换器(4)的模拟输入端4a连接，模数转换器(4)的数字输出端4b与计算机(5)的串口com1连接。压振传感器(1)的压电元件(9)、质量块(8)和电路板(7)通过螺栓(10)固定在底座(11)的上平面，外壳(6)固定在底座(11)的上部。带通滤波器(12)通过高通滤波器(13)与低通滤波器(14)连接；低通滤波器(14)与放大器(2)连接，带通滤波器(12)与压电元件(9)连接。本发明具有能方便提取微弱冲击信号、采样点少和故障判断精确的特点。
Description
技术领域
本发明属于旋转机械故障诊断技术领域，具体涉及一种低速重载机械的早期故障检测系统。
背景技术
低速重载机械是一类转速在60rpm以内、承载量大的旋转机械，如高炉旋转布料器、连铸钢包回转台、转炉旋转支撑机构等设备。这类设备突出特点是传动机构运行工况呈现典型的间歇性，始终处于起制动的过渡状态。当轴承在出现点蚀、裂纹、剥落等缺陷时，振动信号会产生能表征早期故障的微弱冲击信号，由于低速重载机械的特殊工况，其振动信号不具备周期性、冲击信号幅值十分微弱且出现频率很低。因此，在进行故障的早期诊断时，存在以下问题：
(1)由于待诊断设备转速很低，故障信号的冲击幅值很小，现有的故障检测系统所采用的加速度传感器的灵敏度十分有限，加上受到环境噪声的影响，很难有效地采集待诊断设备的振动冲击信号；
(2)由于待诊断设备转速过低，使得每次故障冲击信号的时间间隔较长，现有的故障检测系统需要采集大量的振动数据才能实现故障诊断。
发明内容
本发明旨在克服上述技术的不足，目的是提供一种能方便提取微弱冲击信号、采样点少和故障判断精确的低速重载机械早期故障检测系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述的早期故障检测系统包括压振传感器、放大器、超低频锁相环、模数转换器和计算机。压振传感器的信号输出端1a与放大器的信号输入端2a连接，放大器的信号输出端2b与超低频锁相环的信号输入端3a连接，超低频锁相环的信号输出端3b与模数转换器的模拟输入端4a连接，模数转换器的数字输出端4b与计算机的串口com1连接。
所述的压振传感器包括外壳、电路板、质量块、压电元件、螺栓和底座。底座由下到上依次设有压电元件、质量块和电路板，压电元件、质量块和电路板通过螺栓固定在底座的上平面，外壳固定在底座的上部。外壳、电路板、质量块、压电元件和底座同中心安装。
所述的电路板包括带通滤波器、高通滤波器和低通滤波器；带通滤波器的信号输出端12b连接高通滤波器的信号输入端13a，高通滤波器的信号输出端13b连接低通滤波器的信号输入端14a。低通滤波器的信号输出端14b与放大器的信号输入端2a连接；带通滤波器的信号输入端12a与压电元件的电压输出端9a连接。
所述的计算机中装有低速重载机械早期故障检测软件。
所述质量块的材质为铜、铁和铝中的一种。
所述压电元件的材质为钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷和铌镁酸铅陶瓷中的一种。
所述的低速重载机械早期故障检测软件的主流程是：
步骤1：采集待诊断设备的轴承振动信号和轴承旋转频率；
步骤2：判断所述轴承振动信号的最大幅值是否大于设定的阈值，如果是，则存在故障，进入步骤3；否则，进入步骤5；
步骤3：对所述轴承振动信号进行稀疏分解，提取所述轴承振动信号中的冲击信号，计算冲击信号出现的频率；
步骤4：根据轴承旋转频率和冲击信号出现的频率，确定故障类型，给出故障报警信号；
步骤5：判断是否收到停止检测指令，如果是，结束检测；否则，返回步骤1。
所述的故障类型为外圈故障、内圈故障和滚动体故障中的一种以上。
由于采用上述技术方案，本发明通过压振传感器内部的带通滤波器、高通滤波器和低通滤波器实现对冲击信号的共振解调，使微弱冲击信号在幅值上得到增强，降低了冲击信号提取的难度；利用超低频锁相环对特定频率段的追踪功能，将采集的轴承振动信号中的冲击信号进行锁定，大量压缩了采集的轴承振动信号的采样点数；同时利用低速重载机械早期故障检测软件，通过稀疏算法建立故障冲击信号的原子库，对采集的轴承振动信号进行稀疏表示，更加精确的提取故障冲击信号并滤去噪声，进而通过提取到的冲击信号信息对故障类型进行准确判定，最终实现冲击信号提取准确，故障诊断精确的低速重载机械的早期故障诊断。
因此，本发明具有能方便提取微弱冲击信号、采样点少和故障判断精确的特点。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是图1中压振传感器1的一种结构示意图；
图3是图2中电路板7的一种结构示意图；
图4是本发明中的低速重载机械早期故障检测软件的主流程框图；
图5是本发明中的压振传感器1采集到的一种振动信号时域图；
图6是本发明对图5所示信号处理后的冲击信号时域图；
图7是本发明中的压振传感器1采集到的另一种振动信号时域图；
图8是本发明对图7所示信号处理后的冲击信号时域图；
图9是本发明中的压振传感器1采集到的又一种振动信号时域图；
图10是本发明对图9所示信号处理后的冲击信号时域图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对保护范围的限制：
实施例1
一种低速重载机械的早期故障检测系统。所述低速重载机械为连铸钢包回转台，其滚动轴承参数为：轴承节径为39.5mm，滚动体直径为7.5mm，滚动体个数12个，转速为45rpm。
本实施例所述的早期故障检测系统如图1所示，包括压振传感器1、放大器2、超低频锁相环3、模数转换器4和计算机5。压振传感器1的信号输出端1a与放大器2的信号输入端2a连接，放大器2的信号输出端2b与超低频锁相环3的信号输入端3a连接，超低频锁相环3的信号输出端3b与模数转换器4的模拟输入端4a连接，模数转换器4的数字输出端4b与计算机5的串口com1连接。
本实施例所述的压振传感器1如图2所示，包括外壳6、电路板7、质量块8、压电元件9、螺栓10和底座11。底座11由下到上依次设有压电元件9、质量块8和电路板7，压电元件9、质量块8和电路板7通过螺栓10固定在底座11的上平面，外壳6固定在底座11的上部。外壳6、电路板7、质量块8、压电元件9和底座11同中心安装。
本实施例所述的电路板7如图3所示，包括带通滤波器12、高通滤波器13和低通滤波器14；带通滤波器12的信号输出端12b连接高通滤波器13的信号输入端13a，高通滤波器13的信号输出端13b连接低通滤波器14的信号输入端14a。低通滤波器14的信号输出端14b与放大器2的信号输入端2a连接；带通滤波器12的信号输入端12a与压电元件9的电压输出端9a连接。
本实施例所述的计算机5中装有低速重载机械早期故障检测软件。
本实施例中：所述质量块8的材质为铜；所述压电元件9的材质为钛酸钡陶瓷。
本实施例所述的低速重载机械早期故障检测软件的主流程如图4所示：
步骤1：采集待诊断设备的轴承振动信号和轴承旋转频率；
步骤2：判断所述轴承振动信号的最大幅值是否大于设定的阈值，如果是，则存在故障，进入步骤3；否则，进入步骤5；
步骤3：对所述轴承振动信号进行稀疏分解，提取所述轴承振动信号中的冲击信号，计算冲击信号出现的频率；
步骤4：根据轴承旋转频率和冲击信号出现的频率，确定故障类型，给出故障报警信号；
步骤5：判断是否收到停止检测指令，如果是，结束检测；否则，返回步骤1。
本实施例所述的故障类型为外圈故障、内圈故障和滚动体故障中的一种以上。
本实施例所述的早期故障检测系统中压振传感器1采集到的连铸钢包回转台的轴承振动信号如图5所示，虽然振动信号中有噪声干扰，但是不难找出其中幅值较大的冲击信号成分。
本实施例所述的低速重载机械早期故障检测软件提取的冲击信号如图6所示，与图5相比较，该检测软件精确地提取出了轴承振动信号中的冲击成分，有效地滤掉了大部分背景噪声，从图6所计算的冲击信号频率均值为5.20Hz，与轴承转速为45rpm时内圈故障的特征频率为5.36Hz比较吻合。低速重载机械早期故障检测软件的诊断结果为内圈故障，经实际检测其故障为0.6mm的内圈裂纹故障，诊断结果与事实相符。
实施例2
一种低速重载机械的早期故障检测系统。除下述技术参数外，其余同实施例1。
本实施例中：所述质量块8的材质为铁；所述压电元件9的材质为锆钛酸铅陶瓷。
本实施例所述早期故障检测系统中压振传感器1采集到的连铸钢包回转台轴承振动信号如图7所示，虽然振动信号中有噪声干扰，但是不难找出其中幅值较大的冲击信号成分。
本实施例所述的低速重载机械早期故障检测软件提取的冲击信号如图8所示，与图7相比较，该检测软件精确地提取出了轴承振动信号中的冲击成分，有效地滤掉了大部分背景噪声，从图8所计算的冲击信号频率均值为3.80Hz，与轴承转速为45rpm时外圈故障的特征频率为3.65Hz比较接近。低速重载机械早期故障检测软件的诊断结果为外圈故障，经实际检测其故障为0.5mm的外圈故障，诊断结果与事实相符。
实施例3
一种低速重载机械的早期故障检测系统。除下述技术参数外，其余同实施例1。
本实施例中：所述质量块8的材质为铝；所述压电元件9的材质为铌镁酸铅陶瓷。
本实施例所述的早期故障检测系统中压振传感器1采集的轴承振动信号如图9所示，虽然振动信号中有噪声干扰，但不难找出其中幅值较大的冲击信号成分。
本实施例所述的低速重载机械早期故障检测软件提取的冲击信号如图10所示，与图9相比较，该检测软件精确地提取出了轴承振动信号中的冲击成分，有效地滤掉了大部分背景噪声，从图10所计算的冲击信号频率均值为2.51Hz，与轴承转速为45rpm时滚动体故障的特征频率为2.60Hz比较接近。低速重载机械早期故障检测软件的诊断结果为滚动体故障，经实际检测其故障为0.7mm的滚动体故障，诊断结果与事实相符。
本具体实施方式通过压振传感器1内部的带通滤波器12、高通滤波器13和低通滤波器14实现对冲击信号的共振解调，使微弱冲击信号在幅值上得到增强，降低了冲击信号提取的难度；利用超低频锁相环3对特定频率段的追踪功能，将采集的轴承振动信号中的冲击信号进行锁定，大量压缩了采集的轴承振动信号的采样点数；同时利用低速重载机械早期故障检测软件，通过稀疏算法建立故障冲击信号的原子库，对采集的轴承振动信号进行稀疏表示，更加精确的提取故障冲击信号并滤去噪声，进而通过提取到的冲击信号信息对故障类型进行准确判定，最终实现冲击信号提取准确，故障诊断精确的低速重载机械的早期故障诊断。
因此，本具体实施方式具有能方便提取微弱冲击信号、采样点少和故障判断精确的特点。
Claims (5)
1.一种低速重载机械的早期故障检测系统，其特征在于所述的早期故障检测系统包括压振传感器(1)、放大器(2)、超低频锁相环(3)、模数转换器(4)和计算机(5)；压振传感器(1)的信号输出端1a与放大器(2)的信号输入端2a连接，放大器(2)的信号输出端2b与超低频锁相环(3)的信号输入端3a连接，超低频锁相环(3)的信号输出端3b与模数转换器(4)的模拟输入端4a连接，模数转换器(4)的数字输出端4b与计算机(5)的串口com1连接；
所述的压振传感器(1)包括外壳(6)、电路板(7)、质量块(8)、压电元件(9)、螺栓(10)和底座(11)；底座(11)由下到上依次设有压电元件(9)、质量块(8)和电路板(7)，压电元件(9)、质量块(8)和电路板(7)通过螺栓(10)固定在底座(11)的上平面，外壳(6)固定在底座(11)的上部；外壳(6)、电路板(7)、质量块(8)、压电元件(9)和底座(11)同中心安装；
所述的电路板(7)包括带通滤波器(12)、高通滤波器(13)和低通滤波器(14)，带通滤波器(12)的信号输出端12b连接高通滤波器(13)的信号输入端13a，高通滤波器(13)的信号输出端13b连接低通滤波器(14)的信号输入端14a；低通滤波器(14)的信号输出端14b与放大器(2)的信号输入端2a连接；带通滤波器(12)的信号输入端12a与压电元件(9)的电压输出端9a连接；
所述的计算机(5)中装有低速重载机械早期故障检测软件。
2.根据权利要求1所述的低速重载机械的早期故障检测系统，其特征在于所述质量块(8)的材质为铜、铁和铝中的一种。
3.根据权利要求1所述的低速重载机械的早期故障检测系统，其特征在于
所述压电元件(9)的材质为钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷和铌镁酸铅陶瓷中的一种。
4.根据权利要求1所述的低速重载机械的早期故障检测系统，其特征在于
所述的低速重载机械早期故障检测软件的主流程是：
步骤1：采集待诊断设备的轴承振动信号和轴承旋转频率；
步骤2：判断所述轴承振动信号的最大幅值是否大于设定的阈值，如果是，则存在故障，进入步骤3；否则，进入步骤5；
步骤3：对所述轴承振动信号进行稀疏分解，提取所述轴承振动信号中的冲击信号，计算冲击信号出现的频率；
步骤4：根据轴承旋转频率和冲击信号出现的频率，确定故障类型，给出故障报警信号；
步骤5：判断是否收到停止检测指令，如果是，结束检测；否则，返回步骤1。
5.根据权利要求4所述的低速重载机械的早期故障检测系统，其特征在于所述的故障类型为外圈故障、内圈故障和滚动体故障中的一种以上。
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