CN110186510A - 一种旋转机械故障诊断方法及旋转机械设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转机械故障诊断方法及旋转机械设备，在所述旋转机械的转轴上套有电流传感器，在所述旋转机械的转轴上安装有磁敏转速传感器，在所述旋转机械的轴承竖直方向上安装有振动传感器，所述电流传感器分别与所述磁敏转速传感器和所述振动传感器电连接，所述磁敏转速传感器用于采集所述转轴的转速信号，所述振动传感器用于采集振动信号，该方法包括：分别对所述转速信号和所述振动信号进行数据处理得到转速频谱图和振动频谱图；基于所述转速频谱图和所述振动频谱图，进行故障诊断。本发明提供的旋转机械故障诊断方法及旋转机械设备，可以实现旋转机械故障的诊断，提高诊断的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及故障诊断技术领域，特别涉及一种旋转机械故障诊断方法及旋转机械设备。
背景技术
工程机械产品系统结构都相对复杂，且设备规模庞大，当机电设备转轴和齿轮在运动过程中，对设备的故障监测诊断也越来越复杂。
其中一种诊断方法是在电机大轴的一个或多个位置安装测速齿盘，电机启动后，齿盘随着大轴一起转动，固定于盘面上方的单个或多个测速传感器在电磁感应的作用下产生呈周期性波形的电信号，装置接收到转速信号后，首先对各通道转速信号高频计数得到脉冲周期计数值，接着由转速脉冲计数值得到机械转速，由同步电机电气量信号得到电气量频率。然后用电气量频率校验机械转速。然而这种方式中电磁感应传感器无法测量太低的转速和太高的转速，从而使得测量结果不准确。
发明内容
本发明提供一种旋转机械故障诊断方法及旋转机械设备，可以实现旋转机械故障的诊断，提高诊断的精确度。
第一方面，本发明实施例提供了一种旋转机械故障诊断方法，在所述旋转机械的转轴上套有电流传感器，在所述旋转机械的转轴上安装有磁敏转速传感器，在所述旋转机械的轴承竖直方向上安装有振动传感器，所述电流传感器分别与所述磁敏转速传感器和所述振动传感器电连接，所述磁敏转速传感器用于采集所述转轴的转速信号，所述振动传感器用于采集振动信号，该方法包括：
分别对所述转速信号和所述振动信号进行数据处理得到转速频谱图和振动频谱图；
基于所述转速频谱图和所述振动频谱图，进行故障诊断。
优选地，所述基于所述转速频谱图和所述振动频谱图，进行故障诊断具体为：若转速低于预设第一阈值，且振动频谱图中啮合频率处出现振动峰值和伴随多次转频边带时，则故障类型为齿轮啮合。
优选地，所述基于所述转速频谱图和所述振动频谱图，进行故障诊断具体为：若转速高于预设第二阈值，且振动频谱图中多倍频上出现振动峰值时，则故障类型为轴承移位。
优选地，所述对所述转速信号进行数据处理得到转速频谱图具体为：对所述转速信号进行MED降噪得到转速降噪信号，对所述转速降噪信号进行短时傅里叶变换，得到转速频谱图。
优选地，所述对所述振动信号进行数据处理得到振动频谱图具体为：对所述振动信号进行MED降噪得到振动降噪信号，对所述振动降噪信号进行短时傅里叶变换，得到振动频谱图。
第二方面，本发明实施例提供了一种旋转机械设备，在所述旋转机械的转轴上套有电流传感器，在所述旋转机械的转轴上安装有磁敏转速传感器，在所述旋转机械的轴承竖直方向上安装有振动传感器，所述电流传感器分别与所述磁敏转速传感器和所述振动传感器电连接，所述磁敏转速传感器用于采集所述转轴的转速信号，所述振动传感器用于采集振动信号，该设备包括：
信号处理模块，用于分别对所述转速信号和所述振动信号进行数据处理得到转速频谱图和振动频谱图；
故障诊断模块，用于基于所述转速频谱图和所述振动频谱图，进行故障诊断。
优选地，所述故障诊断模块用于在转速低于预设第一阈值，且振动频谱图中啮合频率处出现振动峰值和伴随多次转频边带时，则诊断故障为齿轮啮合。
优选地，所述故障诊断模块用于在转速高于预设第二阈值，且振动频谱图中多倍频上出现振动峰值时，则诊断故障为轴承移位。
优选地，所述信号处理模块具体为：对所述转速信号进行MED降噪得到转速降噪信号，对所述转速降噪信号进行短时傅里叶变换，得到转速频谱图以及对所述振动信号进行MED降噪得到振动降噪信号，对所述振动降噪信号进行短时傅里叶变换，得到振动频谱图。
优选地，所述磁敏转速传感器内部设有磁敏元件，所述磁敏元件与所述电流传感器电连接，所述磁敏元件包括两个磁敏电阻和两个固定电阻，所述两个磁敏电阻和所述两个固定电阻组成桥路，所述两个磁敏电阻参数相同，所述两个固定电阻参数相同。
采用上述技术方案，由于在旋转机械的转轴上安装有磁敏转速传感器，在旋转机械的轴承竖直方向上安装有振动传感器，磁敏转速传感器用于采集转轴的转速信号，振动传感器用于采集振动信号，这样可以基于对转速信号进行处理后得到的转速频谱图和对振动信号进行数据处理得到的振动频谱图两者结合进行故障的诊断，从而提高了诊断的准确度。并且磁敏转速传感器进行转轴旋转信号的采集，测量范围宽，安装方便，输出幅值大，抗振性好，解决了传统方法中使用电磁感应传感器无法测量太低转速或太高转速的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的旋转机械故障诊断方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的齿轮啮合故障的振动频谱图；
图3为本发明实施例提供的轴承移位故障的振动频谱图；
图4为本发明实施例提供的旋转机械设备的结构框图；
图5为本发明实施例提供的旋转机械设备的电流传感器的电路图；
图6为本发明实施例提供的旋转机械设备的传感器安装示意图；
图7为本发明实施例提供的旋转机械设备的磁敏转速传感器的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
其中，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
第一方面，如图1所示，本申请实施例提供了一种旋转机械故障诊断方法，在旋转机械的转轴上套有电流传感器，在旋转机械的转轴上安装有磁敏转速传感器，在旋转机械的轴承竖直方向上安装有振动传感器，电流传感器分别与磁敏转速传感器和振动传感器电连接，磁敏转速传感器用于采集转轴的转速信号，振动传感器用于采集振动信号，该方法包括：
步骤S101、分别对转速信号和振动信号进行数据处理得到转速频谱图和振动频谱图；
步骤S102、基于转速频谱图和振动频谱图，进行故障诊断。
采用上述技术方案，由于在旋转机械的转轴上安装有磁敏转速传感器，在旋转机械的轴承竖直方向上安装有振动传感器，磁敏转速传感器用于采集转轴的转速信号，振动传感器用于采集振动信号，这样可以基于对转速信号进行处理后得到的转速频谱图和对振动信号进行数据处理得到的振动频谱图两者结合进行故障的诊断，从而提高了诊断的准确度。并且磁敏转速传感器进行转轴旋转信号的采集，测量范围宽，安装方便，输出幅值大，抗振性好，解决了传统方法中使用电磁感应传感器无法测量太低转速或太高转速的问题。
另外，通过在在旋转机械的转轴上套有电流传感器，通过电流传感器进行电能耦合，从而给磁敏转速传感器和振动传感器提供恒定的电流，这样，磁敏转速传感器和振动传感器会在机械设备开启时自动启动监测，在机械设备停止工作后自动停止工作，实现了自适应的数据采集。避免了传感设备因能量耗尽需更换电池的问题出现，使传感设备的生命周期得到了最大化延展，降低了维护费用。
其中，振动传感器可以包括振动速度传感器和振动加速度传感器，可以在旋转机械轴承竖直方向上针对不同的测点安装多个速度传感器和振动加速度传感器，以便于采集到精确的数据。
将转轴速度设定一个合理的阈值，如果在转速频谱图上发现转轴转速长时间超过设定阈值，则观察振动频谱图，通过振动频谱图的对比数据补充转速频谱图的对比数据最终判断被检测的齿轮是故障的还是正常的。
优选地，步骤S102中：基于转速频谱图和振动频谱图，进行故障诊断具体为：若转速低于预设第一阈值，且振动频谱图中啮合频率处出现振动峰值和伴随多次转频边带时，则故障类型为齿轮啮合。
如图2所示的振动频谱图，可以诊断为齿轮啮合故障。
优选地，步骤S102中：基于转速频谱图和振动频谱图，进行故障诊断具体为：若转速高于预设第二阈值，且振动频谱图中多倍频上出现振动峰值时，则故障类型为轴承移位。
如图3所示的振动频谱图，可以诊断为轴承移位故障。
优选地，步骤S101中：对转速信号进行数据处理得到转速频谱图具体为：对转速信号进行MED降噪得到转速降噪信号，对转速降噪信号进行短时傅里叶变换，得到转速频谱图。
其中MED降噪处理的具体步骤为：令y(i)表示所得到的信号，MED的目的是得到一个逆滤波器f(i)，使得经过逆滤波器后的y(i)能够恢复x(i)的各项特征以及相关信息，使得熵值最小。
L为逆滤波器f(i)的长度。
解反褶积的重点是利用逆滤波器f(i)使y(i)恢复原有信号含有的简单特征和相关信息，使得熵值最小，即：
最小熵反褶积的实质是求取逆滤波器f(i)的最优值，使得Q2 4(f(i))最大，因此，使其一阶导数为0
联合公式(1)可得
公式(4)也可以表示为：b＝Af (5)
其中A为信号y(i)的L×L自相关矩阵，b表示为：
其中：
公式(5)经过迭代可以得到逆滤波器矩阵为f＝A-1b
对降噪后的转速信号进行短时傅立叶变换，从而得到转速频谱图。
短时傅里叶变换：
短时傅里叶变换通过对所得到的信号加窗函数w(t)从而对信号做分段处理，通过改变t的值来滑动窗函数的位置，得到每个窗内的傅里叶变换，合并在一起即为跳频信号短时傅里叶变换的频谱图。
优选地，步骤S102中：对振动信号进行数据处理得到振动频谱图具体为：对振动信号进行MED降噪得到振动降噪信号，对振动降噪信号进行短时傅里叶变换，得到振动频谱图。
其中MED降噪及短时傅里叶变换的具体步骤与上述转速信号的MED降噪和短时傅里叶变换方法相同，此处不再进行赘述。
第二方面，如图4所示，本申请实施例提供了一种旋转机械设备，在旋转机械的转轴上套有电流传感器，在旋转机械的转轴上安装有磁敏转速传感器，在旋转机械的轴承竖直方向上安装有振动传感器，电流传感器分别与磁敏转速传感器和振动传感器电连接，磁敏转速传感器用于采集转轴的转速信号，振动传感器用于采集振动信号，该设备包括：
信号处理模块21，用于分别对转速信号和振动信号进行数据处理得到转速频谱图和振动频谱图；
故障诊断模块22，用于基于转速频谱图和振动频谱图，进行故障诊断。
优选地，故障诊断模块22用于在转速低于预设第一阈值，且振动频谱图中啮合频率处出现振动峰值和伴随多次转频边带时，则诊断故障为齿轮啮合。
优选地，故障诊断模块22用于在转速高于预设第二阈值，且振动频谱图中多倍频上出现振动峰值时，则诊断故障为轴承移位。
优选地，信号处理模块21具体为：对转速信号进行MED降噪得到转速降噪信号，对转速降噪信号进行短时傅里叶变换，得到转速频谱图以及对振动信号进行MED降噪得到振动降噪信号，对振动降噪信号进行短时傅里叶变换，得到振动频谱图。
优选地，磁敏转速传感器内部设有磁敏元件，磁敏元件与电流传感器电连接，磁敏元件包括两个磁敏电阻和两个固定电阻，两个磁敏电阻和两个固定电阻组成桥路，两个磁敏电阻参数相同，两个固定电阻参数相同。
如图5所示，为电流传感器的电路图。
电路图中，01为原边电流输入端，02为霍尔元件，03为磁芯，04为副边补偿线圈，05为放大器，06为调节电阻，07为测量输出端。
在旋转机械的转轴上套上如图6所示的电流传感器，并用电缆扎带将线圈固定到转轴上。将电流传感器的电流输出与磁敏转速传感器的电源电口相连，电流传感器接收到外部电流后通过调理电路产生恒定电流输出作为磁敏元件的电源。其中，将02霍尔元件，03磁芯，04副边补偿线圈，05放大器，06调节电阻一起构成的电路称为调理电路。
图6中，电流传感器为10、磁敏元件为20、放大器为30、电缆为40、振动传感器为50。
具体步骤：
当原边导线经过机械转轴的电流传感器时，原边导线会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯周围，内置在磁芯气隙中的霍尔元件可产生和原边磁力线成正比的毫伏级电压，调理电路可以把该电压转换为电流，从而作为磁敏元件的恒流电源。
磁敏元件在使用时采用电桥形式连接，如图7所示，2个磁敏电阻71和72与两个固定电阻73和74组成桥路。需要两个磁敏电阻所有参数相同，两个固定电阻参数也相同，这样安装在一起就可以补偿因温度等变化产生的漂移。从而可以保证磁敏转速传感器在不同温度环境下均能保持采集数据的准确度。
图7中的电源即为电流传感器测量输出端提供的恒定电流。
磁敏转速传感器采集转轴的实时速率，以脉冲信号的形式输出。
具体步骤：
把磁敏元件安装在旋转齿轮外圆周面，与外圆周面保持一定的间隙，当齿轮圆周面通过两个磁敏电阻式，通过两个磁敏电阻的磁通相同，此时电阻就相同，MR1＝MR2。因桥路上2个固定电阻也相同，按照图7的接法，桥路输出为0，放大器输出也为0，此时脉冲信号为0。当轮齿位置经过其中一个磁敏电阻MR1时，通过电阻MR1的磁通量会增加，从而MR1的阻值也会增大，原来通过MR2的部分磁力线也会偏向齿轮，所以使得MR2电阻值减小，放大器输出正值。当轮齿位置经过另一个磁敏电阻MR2时，同理，使得放大器输出负值。通过齿轮的转动从而得到输出脉冲，通过脉冲在远程观察设备转速情况等。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种旋转机械故障诊断方法，其特征在于，在所述旋转机械的转轴上套有电流传感器，在所述旋转机械的转轴上安装有磁敏转速传感器，在所述旋转机械的轴承竖直方向上安装有振动传感器，所述电流传感器分别与所述磁敏转速传感器和所述振动传感器电连接，所述磁敏转速传感器用于采集所述转轴的转速信号，所述振动传感器用于采集振动信号，该方法包括：
分别对所述转速信号和所述振动信号进行数据处理得到转速频谱图和振动频谱图；
基于所述转速频谱图和所述振动频谱图，进行故障诊断。
2.根据权利要求1所述的旋转机械故障诊断方法，其特征在于，所述基于所述转速频谱图和所述振动频谱图，进行故障诊断具体为：若转速低于预设第一阈值，且振动频谱图中啮合频率处出现振动峰值和伴随多次转频边带时，则故障类型为齿轮啮合。
3.根据权利要求1所述的旋转机械故障诊断方法，其特征在于，所述基于所述转速频谱图和所述振动频谱图，进行故障诊断具体为：若转速高于预设第二阈值，且振动频谱图中多倍频上出现振动峰值时，则故障类型为轴承移位。
4.根据权利要求1所述的旋转机械故障诊断方法，其特征在于，所述对所述转速信号进行数据处理得到转速频谱图具体为：对所述转速信号进行MED降噪得到转速降噪信号，对所述转速降噪信号进行短时傅里叶变换，得到转速频谱图。
5.根据权利要求1所述的旋转机械故障诊断方法，其特征在于，所述对所述振动信号进行数据处理得到振动频谱图具体为：对所述振动信号进行MED降噪得到振动降噪信号，对所述振动降噪信号进行短时傅里叶变换，得到振动频谱图。
6.一种旋转机械设备，其特征在于，在所述旋转机械的转轴上套有电流传感器，在所述旋转机械的转轴上安装有磁敏转速传感器，在所述旋转机械的轴承竖直方向上安装有振动传感器，所述电流传感器分别与所述磁敏转速传感器和所述振动传感器电连接，所述磁敏转速传感器用于采集所述转轴的转速信号，所述振动传感器用于采集振动信号，该设备包括：
信号处理模块，用于分别对所述转速信号和所述振动信号进行数据处理得到转速频谱图和振动频谱图；
故障诊断模块，用于基于所述转速频谱图和所述振动频谱图，进行故障诊断。
7.根据权利要求6所述的旋转机械设备，其特征在于，所述故障诊断模块用于在转速低于预设第一阈值，且振动频谱图中啮合频率处出现振动峰值和伴随多次转频边带时，则诊断故障为齿轮啮合。
8.根据权利要求6所述的旋转机械设备，其特征在于，所述故障诊断模块用于在转速高于预设第二阈值，且振动频谱图中多倍频上出现振动峰值时，则诊断故障为轴承移位。
9.根据权利要求6所述的旋转机械设备，其特征在于，所述信号处理模块具体为：对所述转速信号进行MED降噪得到转速降噪信号，对所述转速降噪信号进行短时傅里叶变换，得到转速频谱图以及对所述振动信号进行MED降噪得到振动降噪信号，对所述振动降噪信号进行短时傅里叶变换，得到振动频谱图。
10.根据权利要求6所述的旋转机械设备，其特征在于，所述磁敏转速传感器内部设有磁敏元件，所述磁敏元件与所述电流传感器电连接，所述磁敏元件包括两个磁敏电阻和两个固定电阻，所述两个磁敏电阻和所述两个固定电阻组成桥路，所述两个磁敏电阻参数相同，所述两个固定电阻参数相同。
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