CN110968074A - 一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，包括底座和电控箱，还包括：直线模组，用于为电动操舵机构的故障模拟及诊断实验提供动力；联动模块，用于将直线模组提供的动力传输至舵叶输出模块；舵叶输出模块，包括舵叶输出轴，在直线模组和联动模块的联合作用下做往复旋转运动。本发明通过直线模组提供动力、联动模块传输动力以及舵叶输出模块动力执行从而建立起与实际电动操舵机构工作状态相近似的实验平台，能较好地迁移至实际的电动操舵机构中，进行现场的故障诊断，实用性强；通过对滚动轴承和滑动轴承故障以及磨损等故障模式进行故障植入，实现对单一或混合故障的特征提取、数据挖掘、故障诊断技术等方法进行深入研究。

Description

一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台
技术领域
本发明涉及机械工程设备技术领域，具体是一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台。
背景技术
操舵机构为船舶、飞机等装备上用于控制运行轨迹的关键机构。电动操舵机构具有体积小、空气噪声低、能量利用率高等优点，因此在诸多领域得到广泛应用。但由于电动操舵机构集成度高，故障机理复杂，这对操舵机构的维护和可靠运行带来了新的挑战，需要相应的实验平台开展故障模拟及诊断方面的研究。
电动操舵机构是一种典型的低速往复式机械结构，其中舵叶的运动速度较慢，运动方式为上下或者左右的摆动。与旋转机械相比，往复机械的振动具有更为复杂的信号结构。运动部件在运行时对系统有相同的激励频率，但是各个运动部件对系统施加的冲击并非是同时的。在低速条件下，滚动轴承的故障特征频率较小，零部件故障引起的异常信号，极有可能被噪声淹没。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，根据实际装备中电动操舵机构的工作原理，来模拟电动操舵机构故障状态，在该平台的基础之上进一步深入开展故障诊断研究，以提高电动操舵机构运行可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，包括底座和固定安装在所述底座上的电控箱，还包括：
直线模组，安装在所述底座的中部，用于为电动操舵机构的故障模拟及诊断实验提供动力；
联动模块，安装在所述直线模组的滑座上，用于将所述直线模组提供的动力传输至舵叶输出模块，包括固定在所述滑座上的滑块，所述滑块上固定有第一铰链，所述第一铰链可拆卸的连接连杆的一端，所述连杆的另一端可拆卸的连接第二铰链，所述第二铰链转动连接第一轴承，所述第一轴承固定连接所述舵叶输出模块；
舵叶输出模块，包括套接在所述第一轴承内的横轴，所述横轴的两端对称连接曲柄，每个所述曲柄的另一端固定连接舵叶输出轴，所述舵叶输出轴中部套接有第二轴承、远离所述曲柄的一端连接磁粉制动器；所述舵叶输出轴在所述直线模组和联动模块的联合作用下做往复旋转运动。
进一步的，所述第一铰链包括两组对称安装在所述滑块上的联动轴底座，每组联动轴底座远离所述滑块的一端可拆卸的连接联动轴封盖，联动轴封盖与联动轴底座对接处形成避空槽，所述避空槽内安装有第三轴承，所述第三轴承内套接有可转动的联动轴，所述联动轴的中部固定连接呈U型的联动块，所述联动块与所述连杆可拆卸连接。
进一步的，所述第二铰链包括与所述连杆可拆卸连接的连接头承座，所述连接头承座远离所述连杆的一端可拆卸的连接连接头封盖，连接头承座与连接头封盖对接处安装第一轴承。
进一步的，所述直线模组包括固定在底座上的电机，所述电机的动力输出轴上套接有联轴器并通过所述联轴器动力连接滚珠丝杆，所述滚珠丝杆中部滚动连接滑座，所述滑座顶部固定安装滑块；
所述滚珠丝杆的两端侧边分别安装有限位开关，所述滑块底部侧边安装有与所述限位开关配合的挡板。
进一步的，所述第二轴承安装在固定于所述底座的轴承座上，所述第二轴承为滚动轴承或滑动轴承。
进一步的，所述滑块、连接头承座和轴承座上分别安装有振动传感器，所述振动传感器为螺钉安装式传感器；
任意一个所述曲柄上安装有倾角传感器。
进一步的，所述电机为伺服电机；
所述磁粉制动器采用恒电压、恒电流或恒功率任意一种方式模拟舵叶在不同模式下的负载。
进一步的，所述底座的四周设置有防撞橡胶、底部设置有防抖支撑件。
进一步的，所述电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台还包括固定在所述底座上的人机界面，所述人机界面连接到电控箱。
进一步的，所述电控箱采用220V交流电压供电并预留有用于修改控制程序的软件烧录接口，内部设置有分别与振动传感器和倾角传感器电连接的数据采集单元。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：
一、本发明提供的一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，通过直线模组提供动力、联动模块传输动力以及舵叶输出模块动力执行从而建立起与实际电动操舵机构工作状态相近似的实验平台，能较好地迁移至实际的电动操舵机构中，进行现场的故障诊断，实用性强；
二、通过对滚动轴承和滑动轴承故障以及磨损等故障模式进行故障植入，预制故障件至少包括内圈故障、滚动体故障和外圈故障的滚动轴承，并在各轴承的安装位置处设置振动传感器，不仅可以实现对传感器测点的优化布置进行研究，还可以对单一或混合故障的特征提取、数据挖掘、故障诊断技术等方法进行深入研究；
三、联动块采用U型设计，能有效防止连杆发生偏置的情况；磁粉制动器模拟舵叶转动时，受到的海水阻力，可采用恒电流、恒电压和恒功率模拟舵叶在不同模式下的负载，实现多种状态的模拟。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是本发明所述电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台的立体图；
图2是图1中A的局部放大图；
图3是图1的剖视图；
图4是图1的右视图；
图5是本发明人机界面的运行参数界面图；
1、电机；2、电控箱；3、滑块；4、联动轴底座；5、联动轴封盖；6、联动轴；7、联动块；8、滚珠丝杆；9、连杆；10、连接头承座；11、连接头封盖；12、曲柄；13、轴承座；14、制动器安装板；15、人机界面；16、法兰盘；17、横轴；18、倾角传感器；19、舵叶输出轴；20、磁粉制动器；21、底座；22、限位开关；23、第一轴承；24、第二轴承；25、第三轴承。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如附图1-图4所示的一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，包括底座21和固定安装在所述底座21上的电控箱2，还包括分别与所述电控箱2电连接的直线模组、联动模块、舵叶输出模块以及人机界面15。
直线模组，安装在所述底座21的中部，用于为电动操舵机构的故障模拟及诊断实验提供动力；所述直线模组包括固定在底座21上作为动力源的电机1，所示电机1连接到电控箱2；在本实施例中，电机1为伺服电机，能高精度地控制滚珠丝杆8的行进距离；所述电机1的动力输出轴上套接有联轴器并通过所述联轴器动力连接滚珠丝杆8，所述滚珠丝杆8中部滚动连接滑座，所述滑座顶部固定安装滑块3；所述滚珠丝杆8的两端侧边且位于同侧分别安装有用于对滚珠丝杆8限位保护的限位开关22，所述滑块3底部侧边安装有与所述限位开关22配合的挡板，当挡板移动并遮住限位开关后就会停止运动，从而有效防止设备的损坏。
联动模块，安装在所述直线模组的滑座上，用于将所述直线模组提供的动力传输至舵叶输出模块，包括固定在所述直线模组滑座上的滑块3，所述滑块3上固定有第一铰链和振动传感器，所述第一铰链可拆卸的连接连杆9的一端，所述连杆9的另一端可拆卸的连接第二铰链，所述第二铰链转动连接第一轴承23，所述第一轴承23固定连接舵叶输出模块，将滑块3的直线往复运动转化为舵叶输出轴19的往复旋转运动，实现对舵叶的实际运动状态模拟。
舵叶输出模块，包括套接在所述第一轴承23内的横轴17，所述横轴17的两端对称连接曲柄12，具体是通过连接法兰盘16固定安装在曲柄12的侧面上，所述曲柄12的另一端固定连接舵叶输出轴19，所述舵叶输出轴19中部套接有第二轴承24、远离所述曲柄12的一端连接磁粉制动器20，所述磁粉制动器20固定安装在制动器安装板14上，所述制动器安装板14固定在所述底座21上；所述舵叶输出轴19在所述直线模组和联动模块的联合作用下通过滑块3的直线运动实现往复旋转运动；在本实施例中，所述磁粉制动器20采用恒电压、恒电流或恒功率任意一种模拟舵叶在不同模式下的负载，实现多种状态的模拟。
人机界面15，固定在所述底座21上并电连接到所述电控箱2；所述人机界面15的按键分别为：启动，用于机器设备的正常启动；寸动，用于机器设备点动运行，当自动运行时，按下寸动，机器做完当前动作后马上停止；复位，用于机器设备的报警复位；停止，用于机器设备停止运行或单循环停止；急停，用于机器设备的安全保护；初始化，用于设备回到标定位置；参数设置，用于设置参数；手动画面，显示运行参数，运行参数界面如图5所示。
更具体的，所述第一铰链包括两组对称安装在所述滑块3上的联动轴底座4，每组联动轴底座4远离所述滑块3的一端可拆卸的连接联动轴封盖5，在本实施例中，联动轴底座4上开设有螺纹孔，联动轴封盖5上开设有对应的沉头孔，二者通过螺丝固定连接，联动轴封盖5与联动轴底座4对接处形成避空槽，所述避空槽内安装有第三轴承25，所述第三轴承25为滚动轴承，其内套接有可转动的联动轴6，所述联动轴6的中部固定连接呈U型的联动块7，可以有效防止连杆偏置，所述联动块7与所述连杆9可拆卸连接，在本实施例中，联动块7与连杆9为螺纹连接，联动块7上开设有螺纹孔，连杆9上设置有外螺纹，可根据需要灵活调节第一铰链与第二铰链之间连杆9的长度，从而满足不同模拟需求。
更具体的，所述第二铰链包括与所述连杆9可拆卸连接的连接头承座10，连接头承座10上开设有螺纹孔实现与连杆9的螺纹连接，所述连接头承座10远离所述连杆9的一端可拆卸的连接连接头封盖11、侧边安装有振动传感器，连接头承座10与连接头封盖11对接处安装第一轴承23，所述第一轴承23为滚动轴承。
作为优选，所述第二轴承24安装在固定于所述底座21的轴承座13上，所述第二轴承24为滚动轴承或滑动轴承。
作为优选，第一轴承23、第二轴承24和第三轴承25的预制故障件包括内圈故障、滚动体故障和外圈故障等多种故障类型。
作为优选，所述滑块3、连接头承座10和轴承座13上安装的用于测量振动数据的振动传感器，可以通过螺丝或者胶粘的方式固定，所述振动传感器为螺钉安装式传感器，不仅可以实现对传感器测点的优化布置进行研究，还可以对单一或混合故障的特征提取、数据挖掘、故障诊断技术等方法进行深入研究；任意一个所述曲柄12上安装有倾角传感器18，实现曲柄12角度旋转的实时反馈，在本实施例中，如图1所示，倾角传感器18安装在右侧的曲柄上。
作为优选，所述底座21的四周设置有防撞橡胶、底部设置有防抖支撑件，不仅可以起到保护设备的作用，提高防撞击能力，同时可以提高设备自身的稳定性，进而减少对电动操舵机构的故障模拟及诊断实验的外界干扰。
作为优选，所述电控箱2采用220V交流电压供电并预留有用于修改控制程序的软件烧录接口，内部设置有与振动传感器和倾角传感器18电连接的数据采集单元，软件烧录接口可通过人机界面15对控制程序进行适时修改；数据采集单元用于收集和存储由振动传感器采集到的实验数据。
本发明所述电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台的具体使用过程是：给实验平台上电后，人机界面15开启，通过操作人机界面设置参数，并自动控制电机1转动，进一步驱动滚珠丝杆8转动，从而带动滑块3做前后往复运动，滑块3依次通过第一铰链、连杆、第二铰链、横轴和曲柄将动力输送至舵叶输出轴19使其做往复旋转运动，模拟舵叶的工作状态。
连接在舵叶输出轴19一端的磁粉制动器20模拟舵叶受到海水冲击而产生的阻力，可采用恒电流、恒电压和恒功率模拟不同情况下的负载；通过振动传感器采集正常和故障下的振动数据，建立故障模拟和诊断系统。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，包括底座(21)和固定安装在所述底座(21)上的电控箱(2)，其特征在于，还包括：
直线模组，安装在所述底座(21)的中部，用于为电动操舵机构的故障模拟及诊断实验提供动力；
联动模块，安装在所述直线模组的滑座上，用于将所述直线模组提供的动力传输至舵叶输出模块，包括固定在所述滑座上的滑块(3)，所述滑块(3)上固定有第一铰链，所述第一铰链可拆卸的连接连杆(9)的一端，所述连杆(9)的另一端可拆卸的连接第二铰链，所述第二铰链转动连接第一轴承(23)，所述第一轴承(23)固定连接所述舵叶输出模块；
舵叶输出模块，包括套接在所述第一轴承(23)内的横轴(17)，所述横轴(17)的两端对称连接曲柄(12)，每个所述曲柄(12)的另一端固定连接舵叶输出轴(19)，所述舵叶输出轴(19)中部套接有第二轴承(24)、远离所述曲柄(12)的一端连接磁粉制动器(20)；所述舵叶输出轴(19)在所述直线模组和联动模块的联合作用下做往复旋转运动。
2.根据权利要求1所述的一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，其特征在于：所述第一铰链包括两组对称安装在所述滑块(3)上的联动轴底座(4)，每组联动轴底座(4)远离所述滑块(3)的一端可拆卸的连接联动轴封盖(5)，联动轴封盖(5)与联动轴底座(4)对接处形成避空槽，所述避空槽内安装有第三轴承(25)，所述第三轴承(25)内套接有可转动的联动轴(6)，所述联动轴(6)的中部固定连接呈U型的联动块(7)，所述联动块(7)与所述连杆(9)可拆卸连接。
3.根据权利要求2所述的一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，其特征在于：所述第二铰链包括与所述连杆(9)可拆卸连接的连接头承座(10)，所述连接头承座(10)远离所述连杆(9)的一端可拆卸的连接连接头封盖(11)，连接头承座(10)与连接头封盖(11)对接处安装第一轴承(23)。
4.根据权利要求3所述的一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，其特征在于：所述直线模组包括固定在底座(21)上的电机(1)，所述电机(1)的动力输出轴上套接有联轴器并通过所述联轴器动力连接滚珠丝杆(8)，所述滚珠丝杆(8)中部滚动连接滑座，所述滑座顶部固定安装滑块(3)；
所述滚珠丝杆(8)的两端侧边分别安装有限位开关(22)，所述滑块(3)底部侧边安装有与所述限位开关(22)配合的挡板。
5.根据权利要求4所述的一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，其特征在于：所述第二轴承(24)安装在固定于所述底座(21)的轴承座(13)上，所述第二轴承(24)为滚动轴承或滑动轴承。
6.根据权利要求5所述的一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，其特征在于：所述滑块(3)、连接头承座(10)和轴承座(13)上分别安装有振动传感器，所述振动传感器为螺钉安装式传感器；
任意一个所述曲柄(12)上安装有倾角传感器(18)。
7.根据权利要求4所述的一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，其特征在于：所述电机(1)为伺服电机；
所述磁粉制动器(20)采用恒电压、恒电流或恒功率任意一种方式模拟舵叶在不同模式下的负载。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，其特征在于：所述底座(21)的四周设置有防撞橡胶、底部设置有防抖支撑件。
9.根据权利要求8所述的一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，其特征在于：还包括固定在所述底座(21)上的人机界面(15)，所述人机界面(15)连接到电控箱(2)。
10.根据权利要求9所述的一种电动操舵机构的故障模拟及诊断实验平台，其特征在于：所述电控箱(2)采用220V交流电压供电并预留有用于修改控制程序的软件烧录接口，内部设置有分别与振动传感器和倾角传感器(18)电连接的数据采集单元。
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