CN110320041B - 大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统,由若干加速度传感器、若干温度传感器、传感器响应数据采集前端、信号分析处理平台、信号实时显示设备组成,其中,加速度与温度传感器用于实时监测大型振动台系统各轴承本体的加速度响应与温度信号,信号分析处理平台将各传感器上传信号进行保存,并对各传感器信号进行后处理与分析计算得到状态指标,信号实时显示设备对传感器实时响应数据及后处理结果进行显示。本监测系统能够实时的掌握大型振动台的工作状态,及时发现异常,并且有很好的人机交互界面且设计合理,实现方便,操作便捷,监测精度高、范围广、功能完备、实用性强,特别适用于具有上百个T型滑动轴承的大型振动台。

Description

大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统
技术领域
本发明属于航天器力学环境试验技术领域,具体涉及一种大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统。
背景技术
在航天、航空、车辆等工程领域,振动试验作为检验产品可靠性、动强度的一种有效手段,已经广泛应用于产品性能考核和动强度鉴定中。振动试验设备一般包括振动台、控制系统、测振仪器和辅助设备,振动台性能状态,尤其是轴承组件的性能状态影响了试验控制效果与产品响应。如果在试验过程中轴承突然出现故障,会影响产品试验过程,严重时会损坏产品。因此,设计一种能够监测大型振动台各轴承状态的系统,提前发现轴承隐患,避免试验过程中轴承故障导致产品损失,对于大型航天器力学环境试验安全性和可靠性来说非常必要。目前国内外还没有针对大型振动台轴承工作状态的监测手段,也没有相关研究信息。本发明则针对大型振动台内部数量众多的T型滑动轴承提出了一种在线监测及报警系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统,以实时掌握大型振动台的轴承工作状态,及时发现异常。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统,所述大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统由测试系统和控制系统两部分组成,其中测试系统包括若干加速度传感器、若干温度传感器、1个传感器响应数据采集前端,控制系统包括为信号分析处理子系统与显示子系统;其中,加速度传感器与温度传感器用于实时监测大型振动台系统各轴承本体的加速度响应与温度信号,振动台内部每个轴承均布置一组加速度与温度传感器,传感器响应数据采集前端用于传感器输出信号的模数转换处理,A/D转换24位,同时具备抗混滤波及各通道时钟同步功能,采样率最高51.2kHz;其中,所述信号分析处理子系统与显示子系统包括五个模块:参数配置模块、数据分析处理模块、数据存储与回放模块、数据显示模块、数据报警模块,参数配置模块由试验人员进行数据采集相关参数设置并发送给数据采集前端;数据采集前端的信号数据发送至数据存储与回放模块进行存储;数据分析处理模块从数据存储与回放模块中取出数据并按需进行计算;数据显示模块将数据分析模块输出结果进行实时显示;数据报警模块将异常数据从数据显示模块中单独提取并进行报警显示。
优选地,所述状态监测系统由加速度与温度传感器输出轴承的加速度与温度响应,加速度与温度响应时域信号以模拟信号形式传输至数据采集前端,数据采集前端按信号分析处理子系统与显示子系统中的参数配置模块要求对模拟信号进行滤波与模数转换后,将响应时域信号以数字信号形式传输至数据分析处理模块,数据分析处理模块对所有时域信号按照轴承故障状态指标计算公式进行处理计算,原始时域信号与计算结果均由数据显示模块实时显示,数据存储与回放模块实时对原始时域信号与计算结果进行存储,计算结果异常时,数据报警模块被触发,报警信息于数据显示模块内显示。
优选地,所述大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统中加速度与温度传感器安装在轴承运动部件易磨损位置。
优选地,对于变化缓慢的温度物理量,数据处理模块需处理出采集时间内的峰值;对于变化迅速的加速度物理量,数据处理模块需对每组采样数据进行状态指标计算,每组计算结果均在交互界面显示并保存至硬盘。
优选地,数据显示模块包括1个主界面,2个次界面;主界面显示轴承状态指标计算结果,以采样点、轴承编号及状态指标为三维坐标,以瀑布图形式呈现,同时提供轴承状态报警信息;次界面分别显示加速度与温度信号的时域响应曲线,横坐标为时间,纵坐标为当前响应幅值。
本发明公开的大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统,为试验系统操作人员实时关注试验期间大型振动台各轴承工作状态提供了一种新的监测手段,该方法目标定位精确、监测精度高、实用性强,同时该系统能够节约数据曲线判读的时间,提高效率。
附图说明
图1为本发明的大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统示意图。
其中,振动台轴承包含台体轴承及水平滑台轴承;加速度传感器及温度传感器数量取决于振动台轴承数量;数据采集前端对传感器输出信号进行滤波及A/D转换,并将离散后的数字信号传输给信号分析处理平台;信号分析处理平台对传感器的实时响应数据进行统计及计算,并将计算结果发送至信号实时显示设备;信号实时显示设备将每组计算结果及警报信息分别显示在主次界面。
图2为本发明的大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统轴承状态指标加速度响应实际计算结果三维瀑布图,由数据分析处理模块对所有时域信号按照轴承故障状态指标计算公式处理计算得到。
图3为本发明的大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统相较于人工曲线判读的效率优势。人工进行大型振动台内部上百轴承的曲线判读需300秒以上,监测系统判读时间则为数据分析模块的采样时间,最短可达0.04毫秒,最高不超过0.32秒。
具体实施方式
下面对本发明的大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统作进一步的说明。
如图1所示,图1显示了本发明的大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统示意图。本发明的大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统,所述大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统由测试系统和控制系统两部分组成,其中测试系统包括若干加速度传感器、若干温度传感器、1个传感器响应数据采集前端,控制系统包括为信号分析处理子系统与显示子系统;其中,加速度传感器与温度传感器用于实时监测大型振动台系统各轴承本体的加速度响应与温度信号,振动台内部每个轴承均布置一组加速度与温度传感器,传感器响应数据采集前端用于传感器输出信号的模数转换处理,A/D转换24位,同时具备抗混滤波及各通道时钟同步功能,采样率最高51.2kHz;其中,所述信号分析处理子系统与显示子系统包括五个模块:参数配置模块、数据分析处理模块、数据存储与回放模块、数据显示模块、数据报警模块,参数配置模块由试验人员进行数据采集相关参数设置并发送给数据采集前端;数据采集前端的信号数据发送至数据存储与回放模块进行存储;数据分析处理模块从数据存储与回放模块中取出数据并按需进行计算;数据显示模块将数据分析模块输出结果进行实时显示;数据报警模块将异常数据从数据显示模块中单独提取并进行报警显示。
在一具体实施方式中,本发明的系统包括了加速度传感器安装、温度传感器安装、信号分析处理平台采集通道参数设置、数据采集前端的信号前置处理、加速度与温度响应信号的存储、轴承故障特征指标计算分析轴承故状态征指标显示等过程。
(1)加速度传感器安装。
如图1所示,振动台轴承上安装加速度传感器。振动台轴承分为瓦动与轴动两种,获取动态信号需要将传感器安装在轴承的运动部件上,尽量靠近轴承易磨损部位,且不影响线缆固定。考虑到振动传感器将长期浸泡在润滑油里,因此在轴承上打孔,选择螺接的连接方式。传感器导线可固定在轴承间的供油管路上,使用扎带固定。表1显示了加速度传感器技术指标情况。
表1加速度传感器技术指标
Figure BDA0002143237370000041
Figure BDA0002143237370000051
(2)温度传感器安装。
如图1所示,振动台轴承上安装温度传感器。温度传感器安装时同样选取轴承运动部件上靠近易磨损的位置。温度传感器本身无法螺接,且安装面布满润滑油,因此在螺钉顶端沿中心轴打孔,将温度传感器置于孔内。选取导热性能良好的密封胶,填充在螺钉孔内固定温度传感器,实现温度传感器的螺接安装。温度传感器导线与加速度传感器导线汇总固定。表2给出了温度传感器的技术指标。
表2温度传感器技术指标
Figure BDA0002143237370000052
(3)信号分析处理平台采集通道参数设置。
如图1所示,数据采集前端对加速度与温度信号进行前置处理,处理方式由信号分析处理平台中的参数配置模块进行设置。加速度与温度变化速度相差较多,两种物理量的参数设置需加以区分。表3给出了参数的设置表。
表3参数设置表
Figure BDA0002143237370000053
Figure BDA0002143237370000061
(4)数据采集前端的信号前置处理。
加速度与温度信号以模拟信号形式传输至采集前端后,首先由抗混滤波器滤除高于1/2采样频率的频率成分,避免高频信号混叠至低频段。滤波后,模拟信号经由24位A/D转换电路离散成数字信号,数字信号结果取决于表3中通道参数设置。
(5)加速度与温度响应信号的存储。
如图1所示,加速度与温度响应以数字信号形式经采集前端传输至信号分析处理与显示平台,并由数据存储与回放模块进行存储。存储后的信号数据可在试验结束后进行回放分析及再处理。
(6)轴承故障特征指标计算分析。
信号分析处理平台对原始信号采集存储后,由数据分析处理模块进行时频分析,提取出每个轴承的故障特征指标。信号处理与分析以变分模态分解为基础,在传感器的原始响应曲线中分解出信号的基波,并对原始信号与基波进行比对计算。
使用变分模态分解方法对试验获取的时域数据进行分解。具体方法如下:
假设在正弦扫频试验过程中,采集并截取各轴承在一定周期内的加速度信号为xi(t)。通过变分模态分解方法将数据分别分解为n个模态序列
Figure BDA0002143237370000062
其中,
Figure BDA0002143237370000063
原始信号的基频构成的时域信号,其他信号为除基频以外的剩余谐波频率对应的时域信号。将原始信号幅值的平方与
Figure BDA0002143237370000064
幅值平方做差
Figure BDA0002143237370000065
其中,t为截取数据段时间范围,去平方差的绝对值,得到轴承状态指标
ENGRi(t)=|Ri|
轴承状态指标表征了轴承实际响应与理论健康状态响应间的差异性,轴承状态指标越低,轴承健康状态越好。轴承状态指标出现异常峰值且持续时间较长时,即可判断该轴承故障。
信号分析处理平台将对采集到的每帧原始时域数据进行分析,分析处理工作随试验进程连续进行,每次计算得到的状态指标结果实时在显示模块主界面中刷新。
(7)轴承故状态征指标显示。信号实时显示设备提供以时域数据点、轴承编号及状态指标为三维坐标的瀑布图显示功能,界面中以最新的计算结果覆盖上一次结果曲线,当前状态下各轴承状态指标的相互关系一目了然,问题轴承的状态指标将明显高于其他健康轴承,指标曲线峰值越高,曲线颜色差异性越大,便于试验人员判读。具体可见图2。
图2显示了三维瀑布图坐标轴分别为轴承状态指标、时域数据点和轴承编号。振动台内部每个轴承均为独立编号,按顺序显示在瀑布图“轴承编号”坐标轴上;单个轴承加速度响应的每帧数据按时间顺序分布在“时域数据点”坐标轴上;单个轴承单个时域数据点的轴承故障状态指标计算结果显示在“轴承状态指标”坐标轴上。
通过试验结果可以明显看出,4号轴承在绝大部分时域数据点上的故障状态指标明显高于其他轴承,经现场拆卸滑板检查后,确认监测系统报警结果正确,4号轴承已磨损,本发明适用于工程实际。
具体而言,图2中共有10个轴承参与试验,单个轴承当前数据组中共有数据点5120个,除4号轴承外,其他所有轴承的故障状态指标均低于0.2,而4号轴承的故障状态指标远高于其他轴承,特征明显,可据此判断4号轴承存在工作状态异常情况。
(8)异常警报。故障轴承附近的其他轴承虽然无故障,但运动状态会受问题轴承影响,导致健康轴承的状态指标亦偏大,因此不能单纯选取某一状态指标数值作为警报上限,需将所有轴承状态指标进行对比。若某轴承指标达到其他轴承指标的1.5倍或更高,数据报警模块则在显示模块主界面中对用户进行警示提醒,但不触发停机。
(9)效率提升。如图3所示,人工进行大型振动台内部上百轴承的曲线判读需300秒以上,监测系统判读时间则为数据分析模块的采样时间,最短可达0.04毫秒,最高不超过0.32秒。图3提供了人工判读与监测系统判读的绝对时间对比结果,显而易见,本发明的大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统相较于人工曲线判读的效率优势明显。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明,但是应该指明的是,我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改,其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时,均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统,由测试系统和控制系统两部分组成,其中所述测试系统包括若干加速度传感器、若干温度传感器、传感器响应数据采集前端,控制系统包括信号分析处理子系统与信号实时显示子系统;其中,加速度传感器与温度传感器用于实时监测大型振动台系统各轴承本体的加速度响应与温度信号,振动台内部每个轴承均布置一组加速度与温度传感器,传感器响应数据采集前端用于传感器输出信号的模数转换处理,A/D转换24位,同时具备抗混滤波及各通道时钟同步功能,采样率最高51.2kHz;其中,所述信号分析处理子系统与显示子系统包括五个模块:参数配置模块、数据分析处理模块、数据存储与回放模块、数据显示模块、数据报警模块,其中参数配置模块由试验人员进行数据采集相关参数设置并发送给数据采集前端;数据采集前端的信号数据发送至数据存储与回放模块进行存储;数据分析处理模块从数据存储与回放模块中取出数据并按需进行计算;数据显示模块将数据分析模块输出结果进行实时显示;数据报警模块将异常数据从数据显示模块中单独提取并进行报警显示;
其中,所述状态监测系统由加速度与温度传感器输出轴承的加速度与温度响应,加速度与温度响应时域信号以模拟信号形式传输至传感器响应数据采集前端,传感器响应数据采集前端按信号分析处理子系统与显示子系统中的参数配置模块要求对模拟信号进行滤波与模数转换后,将响应时域信号以数字信号形式传输至数据分析处理模块,数据分析处理模块对所有时域信号按照轴承故障状态指标计算公式进行处理计算,原始时域信号与计算结果均由数据显示模块实时显示,数据存储与回放模块实时对原始时域信号与计算结果进行存储,计算结果异常时,数据报警模块被触发,报警信息于数据显示模块内显示;
其中,对于变化缓慢的温度物理量,数据分析处理模块需处理出采集时间内的峰值;对于变化迅速的加速度物理量,数据分析处理模块需对每组采样数据进行状态指标计算,每组计算结果均在交互界面显示并保存至硬盘;
其中,数据分析处理模块对所有时域信号按照轴承故障状态指标计算公式进行处理计算,包括如下步骤:
采集并截取各轴承在一定周期内的加速度信号为xi(t);
通过变分模态分解方法将数据分别分解为n个模态序列
Figure FDA0002650078130000021
其中,
Figure FDA0002650078130000022
为原始信号的基频构成的时域信号,其他为除基频以外的剩余谐波频率对应的时域信号;
将原始信号幅值的平方与
Figure FDA0002650078130000024
幅值平方做差
Figure FDA0002650078130000023
其中,t为截取数据段时间范围,去平方差的绝对值,得到轴承状态指标
ENGRi(t)=|Ri|。
2.权利要求1所述的大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统,其中,所述大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统中加速度与温度传感器安装在轴承运动部件易磨损位置。
3.权利要求1所述的大型振动台多轴承嵌入式状态监测系统,其中,数据显示模块包括1个主界面,2个次界面;主界面显示轴承状态指标计算结果,以采样点、轴承编号及状态指标为三维坐标,以瀑布图形式呈现,同时提供轴承状态报警信息;次界面分别显示加速度与温度信号的时域响应曲线,横坐标为时间,纵坐标为当前响应幅值。
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