CN105928704A - 一种结合压电效应与静电感应的旋转设备故障诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合压电效应与静电感应的旋转设备故障诊断装置，若干个压电转换元件，若干个静电传感器、信号调理单元以及一个PC机，压电转换元件固定在旋转物体上，静电传感器安装在距离压电转换元件2‑6mm位置，静电传感器的输出接信号调理单元，经模数转换后送入PC机进行信号分析。本发明具有结构简单、成本低、适用性广等优点，实现了转动信号的采集。

Description

一种结合压电效应与静电感应的旋转设备故障诊断装置

技术领域

本发明涉及机械、电气领域，特别涉及旋转机械的故障诊断领域。

背景技术

当前，旋转机械设备广泛存在于石油、化工、电力、能源、航空等诸多领域，由于其运行中的物理现象推断机器内部隐含的故障是一种反向过程，具有很大的难度，同时故障数据搜集难度大，如何准确地实时地对旋转设备的工作状态进行监测成为一个难题。状态监测目前主要通过设备运行过程中的现象如振动、声音、热现象等进行信号采集用于状态监测，同时为故障诊断提供必要的数据和信息。目前应用最广泛的是振动传感器，如压电式、压阻式、电容式等振动传感器，声学诊断法也在机械设备监测中有所应用，如超声波诊断法、声发射诊断法，热现象利用设备工作过程中的发热情况进行监控，如红外测温。近年，静电方法在故障监测与诊断领域有所应用，主要针对轴承内部工作时产生的碎屑所带电荷进行测量从而进行故障监测。目前尚未有将压电感应与静电方法相结合的监测方法，本专利提出一种结合压电效应与静电感应的旋转设备状态监测装置，利用压电转换元件在转动时离心力的作用使压电材料表面带电，然后利用静电传感器对材料表面带电情况进行测量，从而对设备工作状态进行监测。此装置属于非接触式测量，具有结构简单、成本低、易维护等优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转设备故障诊断装置，用于工业现场旋转设备的故障诊断。

本发明采用如下技术方案：

包括若干个压电转换元件，若干个静电传感器、信号调理单元以及一个PC机，压电转换元件固定在旋转物体上，静电传感器安装在距离压电转换元件2-6mm位置，静电传感器的输出接信号调理单元，经模数转换后送入PC机进行信号分析。

压电转换元件包含基座、压电材料、质量件和预紧弹簧。

压电转换元件压电材料为长度30-40mm宽度3-6mm厚度2-4mm的陶瓷片，陶瓷片为采Z方向极化的锆钛酸铅，其极化方向垂直于厚度方向。

所述质量件为铅材料。

所述压电转换元件的个数4-12个。

所述静电传感器包含感应电极、屏蔽罩、电荷电压转换电路，感应电极与屏蔽罩之间由绝缘材料连接，感应电极接电荷电压转换电路，电荷电压转换电路位于屏蔽罩内部，屏蔽罩接地形成静电屏蔽。

所述静电传感器感应电极为细条行电极，电极材料为铜，根据测量对象的尺寸，长度取20mm-30mm,宽度去2mm-5mm，电极个数4-12个。

本发明有益效果是：采用非接触式测量，将转动量转化为电荷量在通过静电传感器采集信号，具有结构简单、成本低、适用性广等优点，与传统压电传感器安装在轴承上不同，该装置将压电转换元件安装在转轴上，故障发生时会影响转轴的转动状态，使得压电转换元件的表面电荷量与正常态有所差异，通过静电传感器采集电荷信号，实现了转动信号的采集，提供了一种旋转设备故障诊断的新方法。

附图说明

图1是本发明电场源元件图；

图2是本发明静电传感器图；

图3是本发明静电旋转设备故障诊断装置示意图；

图4是本发明旋转时压电转换元件质量块受力分析图；

图5是本发明旋转时压电转换元件压电材料受力分析图。

具体实施方式

本发明提出了一种旋转设备故障诊断装置，该装置利用压电效应与静电感应相结合，将旋转时的转动反映在压电材料的表面电荷上，当出现故障时，由于故障的不同特点会使材料表面产生不同的电荷量，利用静电传感器对电荷信号进行采集能够获取实时的转动信息，从而输入PC机进行故障诊断。该装置包含若干个压电转换元件、静电传感器、信号调理单元以及用于故障识别的PC机。该装置在旋转物体上固定若干个压电转换元件，然后通过静电传感器进行非接触测量，最后利用信号调理单元对信号进行放大滤波，最后送入PC机进行故障诊断。压电转换元件利用旋转时的离心力将转动信息转化为电荷信息，利用静电传感器感应电荷信息，由信号处理单元对信号进行处理后由PC机进行故障诊断。

本装置的实施步骤主要如下：

1)压电转换元件如附图1所示，金属底座1用于将整个元件固定在转轴上，金属底座内部包含压电材料2，质量件3，预紧弹簧4，预紧弹簧使质量件在静态时对压电材料保持一定的作用力，压电材料为“凸”字形，一面与质量块接触，另一面与底座外围卡紧，使压电材料一面与裸露与外界空气中，根据压电感应元的个数将压电转换元件通过基座均匀地环型分布固定在待测转轴上。

2)传感器结构如附图2所示，传感器由屏蔽罩5包围，感应电极6与屏蔽罩之间由绝缘材料连接，感应电极接电荷电压转换电路7，电路输出由屏蔽线8与外界连接，电路位于屏蔽罩内部，屏蔽罩接地形成静电屏蔽，将若干个静电传感器均匀地环形安装在转轴外围，并使传感器与压电转换元件在同一平面，根据被测转轴的尺寸以及测量环境等要求使传感器与压电转换元件的距离在2-6mm之间选择。

3)旋转设备故障诊断系统框图如附图3所示，安装好压电转换元件9与静电传感器10后，将传感器输出接信号调理电路，调理电路主要实现信号放大与滤波，调理电路输出信号经AD采集卡后传输到PC机上实现对信号的分析处理，从而实现旋转机械的故障诊断。

所述压电转换元件，其特征在于转动敏感元件压电材料采用Z方向极化压电陶瓷材料锆钛酸铅，为长度30mm宽度4mm，厚度3mm的陶瓷片，质量件为铅材料，压电转换元件的个数可以根据测量对象、环境等要求取4-12个。

所述静电传感器，感应电极为细条行电极，根据测量对象的尺寸，长度取20mm-30mm,宽度去2mm-5mm，电极材料为铜，其个数可以根据测量精度、环境等要求取4-12个。

如图4所示，对压电转换元件进行受力分析，当转速为ω压电转换元件位于角度θ时，首选对质量件进行受力分析可得到如下表达式：

F_支＝F₀+mω²R-mg sin(θ)

式中F_支是质量件受到的由压电材料提供的支撑力，F₀为预紧力，m为质量件质量，R为质量件质心的旋转半径。

如图5所示，对压电材料进行受力分析可知：

F_支1＝F₁+m₁ω²R₁-m₁g sin(θ)

式中F_支1是由底座外壳提供的支撑力即压电材料外表面所受压力，F₁为质量件对压电材料的压力即压电材料内表面所受压力，m₁为压电材料质量，R₁为压电材料质心所在旋转半径。由于F₁等于F_支，压电材料内外两表面所受压力如下式：

F_内＝F₀+mω²R-mg sin(θ)

F_外＝F_内+m₁ω²R₁-m₁g sin(θ)

由于压电材料的质量相对于质量块的质量可忽略不计，内外表面所受压力近似相等。则压电材料表面所带电荷为：

Q＝d₃₃(F₀+mω²R-mg sin(θ))

同时，考虑设备的振动会作用在质量件上，则压电材料表面所带电荷为：

Q＝d₃₃(F₀+mω²R-mg sin(θ)+F_v)

式中，F_v为设备振动时通过质量件作用于压电材料表面上的力，d₃₃为压电陶瓷的压电系数。

当设备发生故障时，若故障能较为明显的影响旋转半径，则会影响压力中的mω²R分量从而改变电荷量，如转子不平衡、转轴弯曲、轴承松动、轴系不对中；若故障影响旋转速度，也会影响压力中的mω²R分量从而改变电荷量，如旋转失速；当设备发生喘振、结构共振等故障时会影响F_v分量，从而改变电荷量。

由于压电转换元件旋转时依次经过静电传感器附近使静电信号呈现一定的周期性，可用于转速计算。当设备发生故障时，会反映在压电材料的表面电荷上，通过安装在附近的静电传感器则可采集到相关信号，从而用于旋转设备的故障诊断。

Claims (7)

1.一种结合压电效应与静电感应的旋转设备故障诊断装置，其特征在于，包括若干个压电转换元件，若干个静电传感器、信号调理单元以及一个PC机，压电转换元件固定在旋转物体上，静电传感器安装在距离压电转换元件2-6mm位置，静电传感器的输出接信号调理单元，经模数转换后送入PC机进行信号分析。

2.根据权利要求1所述的一种结合压电效应与静电感应的旋转设备故障诊断装置，其特征在于，压电转换元件包含基座、压电材料、质量件和预紧弹簧。

3.根据权利要求2所述的一种结合压电效应与静电感应的旋转设备故障诊断装置，其特征在于，压电转换元件压电材料为长度30-40mm宽度3-6mm厚度2-4mm的陶瓷片，陶瓷片为采Z方向极化的锆钛酸铅，其极化方向垂直于厚度方向。

4.根据权利要求3所述的一种结合压电效应与静电感应的旋转设备故障诊断装置，其特征在于，所述质量件为铅材料。

5.根据权利要求1所述的一种结合压电效应与静电感应的旋转设备故障诊断装置，其特征在于，所述压电转换元件的个数4-12个。

6.根据权利要求1所述的一种结合压电效应与静电感应的旋转设备故障诊断装置，其特征在于，所述静电传感器包含感应电极、屏蔽罩、电荷电压转换电路，感应电极与屏蔽罩之间由绝缘材料连接，感应电极接电荷电压转换电路，电荷电压转换电路位于屏蔽罩内部，屏蔽罩接地形成静电屏蔽。

7.根据权利要求6所述的一种结合压电效应与静电感应的旋转设备故障诊断装置，其特征在于，所述静电传感器感应电极为细条行电极，电极材料为铜，根据测量对象的尺寸，长度取20mm-30mm,宽度去2mm-5mm，电极个数4-12个。