CN111780971A - 一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统及方法，包括若干个转速传感器、无线通信模块和边缘计算网关，若干个转速传感器分别安装在多轴传动系统上，转速传感器用于采集转速信号，若干个转速传感器经无线通信模块与边缘计算网关连接，边缘计算网关包括信号接收模块、数据分析模块和故障诊断模块，方法包括以下步骤：步骤S1：转速传感器获取转速信号；步骤S2：对转速信号进行时域分析和频域分析；步骤S3：设置转速阈值范围，根据分析结果与阈值范围进行对比。本发明的转速传感器布置灵活，故障位置定位更加迅速准确，成本低。

Description

一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及装置故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统及方法。

背景技术

旋转机械广泛应用于航空航天、电力、化工、车辆等工业领域，滚动轴承作为旋转机械的关键零部件，一旦发生故障将导致设备失效停机，带来经济损失，甚至人员伤亡。因此，滚动轴承故障诊断及健康管理技术受到工业及学术界的广泛关注，目前只有转速监测设备，并无基于转速的故障诊断方法，且现有的转速监测信号多用于单独监测指标，没有基于工业系统内多轴转速信号融合的诊断方法，没有充分利用转速监测信息。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种基于轮速传感信息的滚动轴承故障诊断方法”，其公告号：CN110160787A，其申请日：2019年06月14日，包括以下步骤：步骤1：在和滚动轴承连接的输入轴或输出轴上安装轮速传感器，采集传感器信号；步骤2：在传感器信号中选择含有共振的频带进行带通滤波，获得滤波后信号；步骤3：对滤波后信号进行希尔伯特解调，获得解调后信号；步骤4：对解调后信号进行傅里叶变换获得解调谱，通过解调谱图进行故障识别。该申请的轴承故障诊断方法只能实现单轴轴承的故障诊断，且轮速传感器采集的传感器信号效率低，导致故障诊断不准确。

发明内容

本发明主要解决现有的技术中无法实现多轴传动装置的故障诊断的问题；提供一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统及方法，过程简单，故障定位精准，传感器布置灵活，成本低。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统，包括若干个转速传感器、无线通信模块和边缘计算网关，若干个所述转速传感器分别安装在多轴传动系统上，所述转速传感器用于采集转速信号，若干个所述转速传感器经无线通信模块与边缘计算网关连接，所述边缘计算网关包括信号接收模块、数据分析模块和故障诊断模块，所述信号接收模块用于接收转速信号，所述数据分析模块与信号接收模块连接，所述数据分析模块对转速信号进行分析，所述故障诊断模块与数据分析模块连接，所述故障诊断模块根据数据分析模块的分析结果进行故障诊断。通过转速传感器对多种传动装置的转速信号进行采集，通过无线通信模块传递给边缘计算网关，边缘计算网关接收转速信号并根据转速信号进行故障分析，过程简单，故障定位精准。

作为优选，所述的转速传感器包括永磁体环、外端盖、轴承端盖、定子线圈、定子铁芯、外端盖轴承、非导磁外套、定位轴承、防尘密封圈、电路板封装模块和连接螺母，所述永磁体环安装在多轴传动装置旋转主轴的侧方，所述永磁体环与多轴传动装置的旋转主轴配合，通过磁场耦合作用进行旋转从而切割磁感线产生交变电流，所述外端盖通过外端盖轴承安装在永磁体环的一侧，所述轴承端盖安装在永磁体环与外端盖相对应的另一侧，所述非导磁外套覆盖安装在永磁体环表面，所述定子线圈安装在永磁体环内，所述定子铁芯与安装在定子线圈与永磁体环之间，所述定位轴承与定子铁芯连接，所述定位轴承通过连接螺母与电路板封装模块连接，所述电路板封装模块经防尘密封圈与轴承端盖连接。永磁体环安装在靠近的一侧，通过多轴传动装置的旋转主轴转动，产生磁场，主轴表面电涡流与磁场耦合作用，使永磁体环做相对旋转运动，永磁体环在旋转时其内部磁场磁感线切割定子线圈，产生交变电流，通过整流电路后进行电能存储，相比于传统转速传感器的外界电池或有线供电方式，节约能源，减少电源供电布线，降低电源成本，安装方便，使得传感器布置更加灵活，有效降低成本。

作为优选，所述的永磁体环包括若干块永磁体，若干块永磁体的数量为偶数块，相邻2块永磁体之间的磁极相反。相邻2块永磁体之间的磁极相反，使得永磁体环在旋转时其内部磁场磁感线能切割定子线圈，产生交变电流。

作为优选，所述的电路板封装模块包括电压采集装置和信号处理模块，所述电压采集装置采集电压信号，所述电压采集装置与信号处理模块连接，所述信号处理模块经无线通信模块与边缘计算网关连接。

作为优选，还包括报警装置，所述报警装置与故障诊断模块连接。在多轴传动装置出现故障时通过报警装置进行报警，减少损失。

一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤S1：转速传感器获取转速信号；

步骤S2：对转速信号进行时域分析和频域分析；

步骤S3：设置转速阈值范围，根据分析结果与阈值范围进行对比，若分析结果超出阈值范围，则装置的旋转主轴出现故障，若分析结果在阈值范围内，则运行正常。

作为优选，所述步骤S1中，转速传感器的转速计算方法为：

其中，n为测量转速，单位为r/min，Δt为电压峰值之间的最小时间间隔，N为永磁体数量，M为定子线圈对数，β为标定转速比。

作为优选，所述的步骤S2中，对转速信号进行时域分析的方法为：对转速信号进行均值计算、均方根计算、峰值计算以及脉冲指标计算。

作为优选，所述的步骤S3中，通过制作各旋转主轴的阈值时域图和转速信号的时域分析图，进行直观对比，同时对故障位置进行定点标注。

本发明的有益效果是：(1)通过转速传感器将动能转换成电能，为转换传感器本身提供稳定可靠的电源，实现自供电；(2)转速传感器安装在旋转主轴一侧，非接触式安装，安装方便，不会对旋转主轴产生影响，使得传感器安装更加灵活；(3)通过故障诊断方法，使得故障位置定位更加迅速准确。

附图说明

图1是实施例一的故障诊断方法的流程框图。

图2是实施例一的转速传感器的结构爆炸图。

图3是实施例一的转速传感器的结构剖视图。

图4是实施例一的转速传感器的安装位置示意图。

图5是实施例一的电压采集装置的电路连接原理图。

图6是实施例一的采集的电压信号波形图。

图7是实施例一的转速信号的时域波形图。

图8是实施例一的多轴转速信号的波形对比图。

图9是实施例一的故障诊断方法的一种应用场景示意图。

图10是实施例一的故障诊断方法的另一种应用场景示意图。

图中1.定子线圈，2.定位轴承，3.轴承端盖，4.防尘密封圈，5.电路板封装模块，6.连接螺母，7.定子铁芯，8.外端盖轴承，9.非导磁外套，10.永磁体环，11.外端盖。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例一：一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统，包括若干个转速传感器、无线通信模块、边缘计算网关和报警装置，若干个转速传感器分别安装在多轴传动系统上，转速传感器用于采集转速信号，若干个转速传感器经无线通信模块与边缘计算网关连接，边缘计算网关包括信号接收模块、数据分析模块和故障诊断模块，信号接收模块用于接收转速信号，数据分析模块与信号接收模块连接，数据分析模块对转速信号进行分析，故障诊断模块与数据分析模块连接，故障诊断模块根据数据分析模块的分析结果进行故障诊断，报警装置与故障诊断模块连接。

如图2和图3所示，转速传感器包括永磁体环10、外端盖11、轴承端盖3、定子线圈1、定子铁芯7、外端盖轴承8、非导磁外套9、定位轴承2、防尘密封圈4、电路板封装模块5和连接螺母6，如图4所示，永磁体环10与多轴传动装置的旋转主轴配合，通过磁场耦合作用进行旋转从而切割磁感线产生交变电流，外端盖11通过外端盖轴承8安装在永磁体环10的一侧，轴承端盖3安装在永磁体环10与外端盖11相对应的另一侧，非导磁外套9覆盖安装在永磁体环10表面，定子线圈1安装在永磁体环10内，定子铁芯7与安装在定子线圈1与永磁体环10之间，定位轴承2与定子铁芯7连接，定位轴承2通过连接螺母6与电路板封装模块5连接，电路板封装模块5经防尘密封圈4与轴承端盖3连接，永磁体环10包括若干块永磁体，若干块永磁体的数量为偶数块，相邻2块永磁体之间的磁极相反。

如图5所示，电路板封装模块包括电压采集装置和信号处理模块，电压采集装置采集电压信号，电压采集装置与信号处理模块连接，信号处理模块经无线通信模块与边缘计算网关连接，如图6所示，为采集的电压信号波形图。

一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：转速传感器获取转速信号；转速传感器的转速计算方法为：

其中，n为测量转速，单位为r/min，Δt为电压峰值之间的最小时间间隔，N为永磁体数量，M为定子线圈对数，β为标定转速比。

步骤S2：对转速信号进行时域分析和频域分析；包括单轴转速信号的时域分析和频域分析以及多轴转速信号的频域分析和时域分析，单轴和多轴的时域分析方法为：对转速信号进行均值计算、均方根计算、峰值计算、峭度值计算以及脉冲指标计算；单轴和多轴的频域分析方法为：对转速信号进行均方频率运算、均方根频率运算、重心频率运算和频率方差运算。

步骤S3：设置转速阈值范围，根据分析结果与阈值范围进行对比，若分析结果超出阈值范围，则装置的旋转主轴出现故障，若分析结果在阈值范围内，则运行正常；阈值范围设定方法包括两种方法，第一种方法为根据经验设定阈值范围：通过历史转速监测数据中，进行转速均值和方差计算，根据计算值进行阈值范围的设定，当分析结果超出阈值范围时进行报警；第二种方法为根据初次调试数据进行阈值范围设定，在多种传动装置安装完成时，会进行功能调试，以正常运行过程中转速传感器测得的特征值作为阈值范围，当分析结果超出阈值范围时进行报警，如图7和图8所示，通过制作各旋转主轴的阈值时域图和转速信号的时域分析对比图，进行直观对比，当多个转速传感器放入多轴传动装置这种多个轴有明确速比关系的设备中，通过每个转速传感器的信号显示，多轴之间的每个速度脉冲信号之间存在对应关系，通过比对可确定哪根轴出现故障，对故障位置进行定点标注，使得故障位置定位更加迅速准确。

在具体应用中，如图9所示，将若干个转速传感器分别安装在生产线多轴系统的旋转主轴处，利用永磁体环与旋转主轴配合产生转速传感器的供电电流，通过电压采集装置采集电压大小，利用转速计算方法对多轴系统的转速进行计算，得到生产线多轴系统实时转速数据，经无线通信模块传递给边缘计算网关后，边缘计算网关利用故障诊断方法进行故障诊断，通过对比分析图直观的判断生产线多轴系统转速是否发生故障，增加装置的使用寿命。

如图10所示，为故障诊断方法的另一种应用场景，将若干个转速传感器分别安装在齿轮箱的旋转主轴处，利用永磁体环与旋转主轴配合产生转速传感器的供电电流，通过电压采集装置采集电压大小，利用转速计算方法对齿轮箱的转速进行计算，得到齿轮箱实时转速数据，经无线通信模块传递给边缘计算网关后，边缘计算网关利用故障诊断方法进行故障诊断，通过对比分析图直观的判断齿轮箱的转速是否发生故障，增加齿轮箱的使用寿命。

实施例二，一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统，本实施例相比于实施例一增加了定值电阻R1、定值电阻R2、定值电阻R3、定值电阻R4、定值电阻R5、定值电阻R6、三极管K1、三极管K2、三极管K3、欧姆表、第一线圈、第二线圈和第三线圈，将永磁体环10的圆周分为等长的三个圆弧，在圆弧的交点分别安装定值电阻R1、定值电阻R2和定值电阻R3，定值电阻R1、定值电阻R2和定值电阻R3串联后与欧姆表连接，三极管K1的集电极与定值电阻R1的一端连接，三极管K1的发射极经定值电阻R4与定值电阻R1的另一端连接，三极管K1的基极与第一线圈连接，三极管K2的集电极与定值电阻R2的一端连接，三极管K2的发射极经定值电阻R5与定值电阻R2的另一端连接，三极管K2的基极与第二线圈连接，三极管K3的集电极与定值电阻R3的一端连接，三极管K3的发射极经定值电阻R6与定值电阻R3的另一端连接，三极管K3的基极与第三线圈连接，其余结构同实施例一。当永磁体环10被多轴传动装置旋转主轴带动旋转时，磁感线切割第一线圈、第二线圈和第三线圈，使线圈产生电动势，使三极管开关导通，导致欧姆表显示不同示数，根据定值电阻已知的阻值和欧姆表的读数显示时间，可测得永磁体环10的转速。

实施例三，一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统，本实施例相比于实施例一增加了定值电阻R1、定值电阻R2、定值电阻R3、定值电阻R4、定值电阻R5、定值电阻R6、三极管K1、三极管K2、三极管K3、欧姆表、第一线圈、第二线圈和第三线圈，将多轴传动装置旋转主轴的圆周分为等长的三个圆弧，在圆弧的交点分别安装定值电阻R1、定值电阻R2和定值电阻R3，定值电阻R1、定值电阻R2和定值电阻R3串联后与欧姆表连接，三极管K1的集电极与定值电阻R1的一端连接，三极管K1的发射极经定值电阻R4与定值电阻R1的另一端连接，三极管K1的基极与第一线圈连接，三极管K2的集电极与定值电阻R2的一端连接，三极管K2的发射极经定值电阻R5与定值电阻R2的另一端连接，三极管K2的基极与第二线圈连接，三极管K3的集电极与定值电阻R3的一端连接，三极管K3的发射极经定值电阻R6与定值电阻R3的另一端连接，三极管K3的基极与第三线圈连接，其余结构同实施例一。根据定值电阻已知的阻值和欧姆表的读数显示时间，可测得多轴传动装置旋转主轴的转速。

实施例四，一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统，本实施例相比于实施例一增加了热敏电阻R1、热敏电阻R2、热敏电阻R3、定值电阻R4、定值电阻R5、定值电阻R6、三极管K1、三极管K2、三极管K3、欧姆表、第一线圈、第二线圈和第三线圈，将多轴传动装置旋转主轴的圆周分为等长的三个圆弧，在圆弧的交点分别安装热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3，热敏电阻R1、热敏电阻R2和热敏电阻R3串联后与欧姆表连接，三极管K1的集电极与热敏电阻R1的一端连接，三极管K1的发射极经定值电阻R4与热敏电阻R1的另一端连接，三极管K1的基极与第一线圈连接，三极管K2的集电极与热敏电阻R2的一端连接，三极管K2的发射极经定值电阻R5与热敏电阻R2的另一端连接，三极管K2的基极与第二线圈连接，三极管K3的集电极与热敏电阻R3的一端连接，三极管K3的发射极经定值电阻R6与热敏电阻R3的另一端连接，三极管K3的基极与第三线圈连接，其余结构同实施例一。根据定值电阻的阻值已知和热敏电阻与温度的变化曲线，结合欧姆表的示数显示，可同时测得多轴传动装置旋转主轴的转速和温度。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (9)

1.一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统，其特征在于，包括

若干个转速传感器、无线通信模块和边缘计算网关，若干个所述转速传感器分别安装在多轴传动系统上，所述转速传感器用于采集转速信号，若干个所述转速传感器经无线通信模块与边缘计算网关连接，所述边缘计算网关包括信号接收模块、数据分析模块和故障诊断模块，所述信号接收模块用于接收转速信号，所述数据分析模块与信号接收模块连接，所述数据分析模块对转速信号进行分析，所述故障诊断模块与数据分析模块连接，所述故障诊断模块根据数据分析模块的分析结果进行故障诊断。

2.根据权利要求1所述的一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统，其特征在于，所述转速传感器包括永磁体环、外端盖、轴承端盖、定子线圈、定子铁芯、外端盖轴承、非导磁外套、定位轴承、防尘密封圈、电路板封装模块和连接螺母，所述永磁体环安装在多轴传动装置的旋转主轴的侧方，所述永磁体环与多轴传动装置的旋转主轴配合，通过磁场耦合作用进行旋转从而切割磁感线产生交变电流，所述外端盖通过外端盖轴承安装在永磁体环的一侧，所述轴承端盖安装在永磁体环与外端盖相对应的另一侧，所述非导磁外套覆盖安装在永磁体环表面，所述定子线圈安装在永磁体环内，所述定子铁芯与安装在定子线圈与永磁体环之间，所述定位轴承与定子铁芯连接，所述定位轴承通过连接螺母与电路板封装模块连接，所述电路板封装模块经防尘密封圈与轴承端盖连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统，其特征在于，所述永磁体环包括若干块永磁体，若干块永磁体的数量为偶数块，相邻2块永磁体之间的磁极相反。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统，其特征在于，所述电路板封装模块包括电压采集装置和信号处理模块，所述电压采集装置采集电压信号，所述电压采集装置与信号处理模块连接，所述信号处理模块经无线通信模块与边缘计算网关连接。

5.根据权利要求1述的一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统，其特征在于，还包括报警装置，所述报警装置与故障诊断模块连接。

6.一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断方法，适用于如权利要求1至5任一项所述的一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：转速传感器获取转速信号；

步骤S2：对转速信号进行时域分析和频域分析；

步骤S3：设置转速阈值范围，根据分析结果与阈值范围进行对比，若分析结果超出阈值范围，则装置的旋转主轴出现故障，若分析结果在阈值范围内，则运行正常。

7.根据权利要求6所述的一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S1中，转速传感器的转速计算方法为：

其中，n为测量转速，单位为r/min，Δt为电压峰值之间的最小时间间隔，N为永磁体数量，M为定子线圈对数，β为标定转速比。

8.根据权利要求6所述的一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S2中，对转速信号进行时域分析的方法为：对转速信号进行均值计算、均方根计算、峰值计算以及脉冲指标计算。

9.根据权利要求6或7或8所述的一种基于转速传感器的多轴传动装置故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过制作各旋转主轴的阈值时域图和转速信号的时域分析图，进行直观对比，同时对故障位置进行定点标注。

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