CN1851439A - 机械故障诊断仪及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械故障诊断仪及其工作方法，其具有中央控制单元、压电加速度传感器电路、故障报警电路和诊断参数设定电路。压电加速度传感器电路用于采集机械故障信号；诊断参数设定电路用于设置采集次数N、故障报警阀值和待测机械的旋转轴的旋转频率；中央控制单元用于对所述机械故障信号进行离散谐波恢复数值匹配，得出匹配比值r，并根据所述匹配比值r、报警阀值和所述旋转轴旋转的频率诊断机械故障是否存在，在诊断出存在机械故障时控制故障报警电路报警。本发明的诊断仪尤其适于诊断旋转机械旋转轴的偏心类、弯曲类故障。

Description

机械故障诊断仪及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种机械故障诊断仪及其工作方法，尤其涉及一种用于诊断旋转机械旋转轴的偏心类、弯曲类故障的诊断仪及其工作方法。

背景技术

旋转机械出现故障以后，表现为在传感器采集来的机械故障信号中，含有与旋转机械转速呈相关关系的新周期信号分量，故障诊断方法常使用采样信号的傅立叶变换(FT)，在频域找出故障信号新的特征频率，估计出故障的性质和部位。但是，一方面时域的冲击噪声将对频域造成较大的干扰和产生虚假频率，另一方面由于FT的截断效应造成的谱泄漏和转换误差，影响了信号频率、幅值、相位估计的精确性。

中国专利文献CN1430063公开了一种旋转机械的异常诊断系统，根据旋转机械运转时发生的振动来诊断旋转机械异常的原因。

中国专利申请200410026179.4公开了一种大型旋转机械设备智能采集监测装置及采集监测方法。该装置的实现基于CPCI总线和DSP处理器，八通道同步高速数据采集的硬件设备。该申请的采集监测方法依据被监测设备自身动态运行数据所构建的设备运行状态，实现该装置监测参数的动态自适应设置和调整，以及监测数据的智能存储，形成一套针对大型旋转机械设备的智能状态监测装置。

上述现有技术的不足之处在于机械故障信号处理繁琐，且其实现的装置结构复杂，成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种对旋转机械故障信号处理便捷、结构简单的机械故障诊断仪及其工作方法。

本发明的机械故障诊断仪尤其适于诊断旋转机械旋转轴的偏心类、弯曲类故障，因为旋转机械旋转轴的偏心类、弯曲类故障没有周期冲击，有周期冲击的故障时域不是正弦波不能匹配。

为了实现上述目的，本发明设计了一种机械故障诊断仪，具有中央控制单元和与中央控制单元的报警信号输出端相连的故障报警电路；其特征为还具有：压电加速度传感器电路，用于采集机械故障信号；诊断参数设定电路，用于设置采集次数N、故障报警阀值和待测机械的旋转轴的旋转频率；压电加速度传感器电路的输出端接中央控制单元的采集信号输入端；诊断参数设定电路的输出端接中央控制单元的参数设定输入端；中央控制单元用于对所述机械故障信号进行离散谐波恢复数值匹配，得出匹配比值r，并根据所述匹配比值r、报警阀值和所述旋转轴旋转的频率诊断机械故障是否存在，在诊断出存在机械故障时控制故障报警电路报警。

上述技术方案中，在压电加速度传感器电路和中央控制单元之间还设有信号程控放大电路；诊断参数设定电路还用于设置信号程控放大电路的放大倍数；压电加速度传感器电路的输出端接信号程控放大电路的输入端，信号程控放大电路的输出端接中央控制单元的采集信号输入端；中央控制单元的程控输出端接信号程控放大电路的程控输入端；中央控制单元可根据诊断参数设定电路的设定来控制信号程控放大电路的放大倍数，以使所述机械故障信号的大小适于中央控制单元的采集信号输入端的采集。

上述技术方案中，所述压电加速度传感器电路包括压电加速度传感器和与压电加速度传感器相连的电荷放大电路；电荷放大电路的输出端即为压电加速度传感器电路的输出端。

上述技术方案中，所述中央控制单元包括单片机IC1，单片机IC1通过锁存器IC4扩展有程序存储器IC5和数据存储器IC6；信号程控放大电路包括程控放大集成电路IC3；所述电荷放大电路的输出端串接电容C6和电阻R3后接IC3的正输入端，IC3的负输入端接地，IC3的输出端接IC3的反馈端；单片机IC1的程控输出端接IC3的程控输入端；IC3的输出端经R5、C3滤波后接单片机IC1的A/D转换接口。

上述技术方案中，诊断参数设定电路包括非编码键盘电路和数码管显示电路。

本发明的一种上述机械故障诊断仪的工作方法，包括以下步骤：①、中央控制单元通过诊断参数设定电路输入待测机械的旋转轴的旋转频率、故障报警阀值和信号程控放大电路的放大倍数，并通过压电加速度传感器电路多次采集机械故障信号；②、中央控制单元根据诊断参数设定电路的设定来控制信号程控放大电路的放大倍数，以使所述机械故障信号的大小适于中央控制单元的采集信号输入端的采集及A/D转换；③、中央控制单元对A/D转换后的所述机械故障信号进行离散谐波恢复数值匹配，得出匹配比值r，并根据所述匹配比值r、报警阀值和旋转轴的旋转频率诊断机械故障是否存在；④、当诊断出存在机械故障存在时，中央控制单元控制故障报警电路报警。

上述步骤③包括：A、中央控制单元将所述多次采集得的、经A/D转换后的机械故障信号去均值；B、构造简谐匹配信号 ${\hat{x}}_n\left(t\right)={\hat{s}}_n\cos ({\widehat{\mathrm{\ω}}}_{n}t+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_n);$ 其中，

为离散化频率，

为离散化幅值，

为离散化相位；间隔t＝2π/ω_s；ω_s为机械故障信号x(t)的采样频率；C、分别设置频率、幅值、相位的离散增量增加次数i、i₁、i₂；D、i、i₁、i₂以循环嵌套方式相应减1；同时计算离散谐波匹配信号 ${\hat{x}}_n\left(t\right)=i_1{\hat{s}}_0\cos (i{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{0}t+i_2{\widehat{\mathrm{\φ}}}_0)$ 和匹配比值 $r={[x\left(t\right)-{\hat{x}}_n\left(t\right)]}^2/x^2\left(t\right);$ 其中 为离散化最小幅值单位，

为离散化最小相位单位，

为离散化最小频率单位；E、重复上述步骤D，其中当r＜1、

大于所述报警阀值且 为所述旋转轴旋转频率的整数倍时，即存在机械故障，中央控制单元控制故障报警电路报警；当i、i₁、i₂均为零时，诊断结束。

与现有技术相比，本发明具有以下积极效果：(1)本发明通过压电加速度传感器电路采集机械故障信号，并由中央控制单元对所述机械故障信号进行离散谐波恢复数值匹配，得出匹配比值r，并根据所述匹配比值r、报警阀值和所述旋转轴旋转的频率诊断机械故障是否存在，机械故障信号处理便捷，实现的装置结构简单、成本低廉。(2)本发明中，在压电加速度传感器电路和中央控制单元之间还设有信号程控放大电路，实现了由中央控制单元控制其接收大小合适的机械故障信号。(3)本发明的压电加速度传感器电路中，压电加速度传感器应振动而产生与振动加速度成正比的电荷信号，电荷放大电路对所述电荷信号进行放大，以适于中央控制单元的接收。(4)本发明中，电荷放大电路对来自压电加速度传感器的机械故障信号放大后，通过电容C6、电阻R3耦合进入程控放大电路IC3，以进行程控放大，灵敏度高。(5)本发明将采集来的机械故障信号，利用时域的离散谐波恢复数值匹配方法找出信号中周期谐波，通过中央控制单元计算谐波信号之间幅值比的大小，判断偏心、弯曲等周期幅值渐变型幅值调制故障的存在，不但直观，也可避免冲击干扰对此类故障频域特征影响所造成的误判。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的机械故障诊断仪的电路框图；

图2为本发明的机械故障诊断仪的电路原理图；

图3为本发明的机械故障诊断仪的电源电路；

图4为本发明的机械故障诊断仪的工作方法的程序流程框图。

具体实施方式

实施例1

如图1，机械故障诊断仪具有中央控制单元1、压电加速度传感器电路2、信号程控放大电路3、故障报警电路4和诊断参数设定电路5。

如图2，中央控制单元1包括单片机IC1(准16位机8098芯片)，及其通过锁存器IC4(74LS373)扩展的程序存储器IC5(32K容量EPROM27256)和数据存储器IC6(32K容量静态RAM62256)。

信号程控放大电路3设置在压电加速度传感器电路2和中央控制单元1之间，压电加速度传感器电路2的输出端接信号程控放大电路3的输入端，信号程控放大电路3的输出端接中央控制单元1的采集信号输入端(即单片机IC1的ACH.4口)；中央控制单元1的程控输出端(即单片机IC1的P2.0和P2.5口)接信号程控放大电路3的程控输入端。中央控制单元1的报警信号输出端(即单片机IC1的HS0.0口)接故障报警电路4的控制输入端。

中央控制单元1的单片机IC1通过串行口(RXT和CXT)扩展有4位数码管显示电路，电路为串并转换芯片IC9-IC12；通过串行口还扩展有16只非编码键盘电路，电路使用串并转换芯片IC13。

单片机IC1根据其采集信号输入端(即ACH.4口)接收的机械故障信号大小，通过单片机IC1的程控输出端(即HS0.1口和HS0.2口)控制信号程控放大电路3的放大倍数，以使其接收的所述机械故障信号的大小适于ACH.4口的接收并进行A/D转换。

见图2，所述压电加速度传感器电路2包括压电加速度传感器(图中由Q和电容Ct代表)和与压电加速度传感器相连的电荷放大电路。电荷放大电路有运放器IC2(高精度运放OP37)、电阻R1、R2和电容C1组成。运放器IC2的输出端即为压电加速度传感器电路2的输出端。

信号程控放大电路3由电容C6、电阻R3和程控放大集成电路IC3(可编程增益放大器PGA205集成电路)组成。所述电荷放大电路的输出端串接电容C6和电阻R3后接IC3的正输入端，IC3的负输入端接地，IC3的输出端接IC3的反馈端；单片机IC1的程控输出端接IC3的程控输入端；IC3的输出端经R5、C3滤波后接单片机IC1的A/D转换接口。

故障报警电路4是由反向器IC8(CD4049集成电路)、电阻R6、R7、晶体管放大器VT1和发光二极管D9组成的指示灯报警电路。在其他实施方式中，故障报警电路4可采用蜂鸣电路等。

见图2，单片机IC1的并行口P3.0-P3.7与锁存器IC4的D0-D7相连，单片机IC1的地址锁存使能信号端ALE与锁存器IC4的G引脚相连，单片机IC1的RD分别与程序存储器IC5和数据存储器IC6的OE引脚相连，单片机IC1的口线WR与数据存储器IC6的WE相连，锁存器IC4的E引脚接地，锁存器IC4的Q0-Q7分别与程序存储器IC5和数据存储器IC6的A0-A7连接，单片机IC1的并行口P4.0-P4.6分别与程序存储器IC5和数据存储器IC6的A8-A14连接；单片机IC1的并行口P4.7连接程序存储器IC5的CE引脚，同时连接反向器IC7(CD4049集成电路)的输入端，反向器IC7的输出端连接数据存储器IC6的CE引脚；单片机IC1的并行口HS0.0与故障报警电路4的IC8输入端连接。

中央控制单元1的参数设定输入端即为单片机IC1的串行口。所述串行口经串并转换芯片IC13(型号为74LS164)扩展有16只非编码键盘电路，同时经串并转换芯片IC9～IC12(型号为74LS164)扩展有4位数码管显示电路。本实施例中，诊断参数设定电路5由非编码键盘电路和数码管显示电路组成。在其他实施例中，诊断参数设定电路5可以是触摸屏等。

如图3所示的电源电路用于向本实施例的诊断仪提供电源，其中IC14为正电压集成稳压器7805，IC15为负电压集成稳压器7905。

本实施例的机械故障诊断仪为便携式，需人工将压电加速度传感器安装在被测旋转机械上。

参见图4，本实施例的机械故障诊断仪的工作方法，包括以下步骤：①、中央控制单元1通过诊断参数设定电路5输入机械故障信号采集次数N(如100次)、待测机械的旋转轴的旋转频率、故障报警阀值和信号程控放大电路3的放大倍数，并通过压电加速度传感器电路2采集机械故障信号N次。其中，所述故障报警阀值可根据具体的待测机械并参照国际标准化组织ISO颁布的轴承振动烈度的评定标准：ISO2372来制定。所述放大倍数可根据压电加速度传感器与被测旋转机械故障信号的强度确定。②、中央控制单元1根据诊断参数设定电路5的设定来控制信号程控放大电路3的放大倍数，以使所述机械故障信号的大小适于中央控制单元1的采集信号输入端的采集及A/D转换；③、中央控制单元1对A/D转换后的所述机械故障信号进行离散谐波恢复数值匹配，得出匹配比值r，并根据所述匹配比值r、报警阀值和旋转轴的旋转频率诊断机械故障是否存在。④、当诊断出存在机械故障存在时，中央控制单元1控制故障报警电路4报警。

上述步骤③包括子步骤A、B、C、D和E，分别为：

A、中央控制单元1将所述多次采集得的、经A/D转换后的机械故障信号(采样频率为ω_s，由相位精度决定，给定相位精度即离散化最小相位单位

则 ${\mathrm{\ω}}_s=2{\mathrm{\π\ω}}_n/{\widehat{\mathrm{\φ}}}_0$ )去均值。

其中，去均值的过程就是将采集来的所有数据相加，再除以数据总个数得均值，然后将所有采集来的数据减去均值即可得到去除均值后的数据序列。去均值是属于信号的预处理，将在信号采集中由于传感器的不归0(没有信号时仍有输出)、电路放大与处理中的振动信号交流中混入直流等平均量去除。

B、构造简谐匹配信号 ${\hat{x}}_n\left(t\right)={\hat{s}}_n\cos ({\widehat{\mathrm{\ω}}}_{n}t+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_n);$ 其中， 为离散化频率，

为离散化幅值，

为离散化相位；间隔t＝2π/ω_s；ω_s为机械故障信号x(t)的采样频率。

C、分别设置频率、幅值、相位的离散增量增加次数i、i₁、i₂。

D、i、i₁、i₂以循环嵌套方式相应减1；同时计算离散谐波匹配信号 ${\hat{x}}_n\left(t\right)=i_1{\hat{s}}_0\cos (i{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{0}t+i_2{\widehat{\mathrm{\φ}}}_0)$ 和匹配比值 $r={[x\left(t\right)-{\hat{x}}_n\left(t\right)]}^2/x^2\left(t\right);$ 其中

为离散化最小幅值单位， 为离散化最小相位单位，

为离散化最小频率单位。

E、重复上述步骤D，其中当r＜1、 大于所述报警阀值且 为所述旋转轴旋转频率的整数倍时，即存在机械故障，中央控制单元1控制故障报警电路4报警；当i、i₁、i₂均为零时，诊断结束。

上述i、i₁、i₂以循环嵌套方式相应减1时，每循环一次，i₂减1，直至i₂为0，同时i₁减1；i₂重新赋值后重复上述循环减1直到i₂为0后，i₁再减1；当i₁为0时i减1，i₁重新赋值并重复以上循环；当i为0时即i、i₁、i₂均为零。

取时间t＝2π/ω_s离散化简谐匹配信号

的时间间隔；取 ${\widehat{\mathrm{\φ}}}_0=2\mathrm{\π}/K$ (相位精度已经给定为 ${\widehat{\mathrm{\φ}}}_0,K={\mathrm{\ω}}_s/{\widehat{\mathrm{\ω}}}_n)$ 为最小相位单位，离散化简谐匹配信号的相位间隔，i₂最小为i_2min＝0，最大为i_2max＝K，作为相位循环控制变量i₂，当前所构造简谐匹配信号

的相位为 ${\widehat{\mathrm{\φ}}}_n=i_2{\widehat{\mathrm{\φ}}}_0,$ 循环中i₂从K开始不断减少i₂的大小直到i₂为0止；搜寻周期长度 $K={\mathrm{\ω}}_s/{\widehat{\mathrm{\ω}}}_n$ 中幅值的最大值

作为简谐匹配信号

幅值离散化的上限数值，根据幅值精度给定离散化最小幅值单位

则i₁最小为i_1min＝0，最大为 $i_{1\max }={\hat{s}}_{\max }/{\hat{s}}_0,$ 作为幅值循环控制变量，当前所构造简谐匹配信号

的幅值为 ${\hat{s}}_n=i_1{\hat{s}}_0,$ 循环中i₁从i₁＝i_1max开始不断减少i₁的大小直到0为止；根据频率精度给定离散化最小频率单位

ω_s/2作为离散简谐匹配信号

离散化频率 的搜寻上限，则i最小为i_min＝0，最大 $i_{\max }={\mathrm{\ω}}_s/{\widehat{\mathrm{\ω}}}_0,$ 作为频率循环控制变量，当前所构造简谐匹配信号 的频率为 ${\widehat{\mathrm{\ω}}}_n=i{\widehat{\mathrm{\ω}}}_0,$ 在程序循环中i从i＝i_max开始不断减少i的大小直到为0止。

在计算匹配比值 $r={[x\left(t\right)-{\hat{x}}_n\left(t\right)]}^2/x^2\left(t\right)$ 时，即计算：

$r=\underset{t=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{|\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i\left(t\right)\cos ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\φ}}_i)+v\left(t\right)-{\hat{s}}_n\cos ({\widehat{\mathrm{\ω}}}_{n}t+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_n)|}^2/\underset{t=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\Σ}}}{(\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i\left(t\right)\cos ({\mathrm{\ω}}_{i}t+{\mathrm{\φ}}_i)+v(t\left)\right)}^2$

以最小相位间隔

为相位步进量在0-2π范围内改变

相位的大小，以最小幅值间隔

为幅值步进量改变

幅值大小，以最小频率间隔

为频率步进量改变频率大小，每改变一种数值，计算一次比值r的大小。

Claims (7)

1、一种机械故障诊断仪，具有中央控制单元(1)和与中央控制单元(1)的报警信号输出端相连的故障报警电路(4)；其特征在于还具有：

压电加速度传感器电路(2)，用于采集机械故障信号；

诊断参数设定电路(5)，用于设置采集次数N、故障报警阀值和待测机械的旋转轴的旋转频率；

压电加速度传感器电路(2)的输出端接中央控制单元(1)的采集信号输入端；诊断参数设定电路(5)的输出端接中央控制单元(1)的参数设定输入端；中央控制单元(1)用于对所述机械故障信号进行离散谐波恢复数值匹配，得出匹配比值r，并根据所述匹配比值r、报警阀值和所述旋转轴旋转的频率诊断机械故障是否存在，在诊断出存在机械故障时控制故障报警电路(4)报警。

2、根据权利要求1所述的机械故障诊断仪，其特征在于：在压电加速度传感器电路(2)和中央控制单元(1)之间还设有信号程控放大电路(3)；诊断参数设定电路(5)还用于设置信号程控放大电路(3)的放大倍数；压电加速度传感器电路(2)的输出端接信号程控放大电路(3)的输入端，信号程控放大电路(3)的输出端接中央控制单元(1)的采集信号输入端；中央控制单元(1)的程控输出端接信号程控放大电路(3)的程控输入端；中央控制单元(1)可根据诊断参数设定电路(5)的设定来控制信号程控放大电路(3)的放大倍数，以使所述机械故障信号的大小适于中央控制单元(1)的采集信号输入端的采集。

3、根据权利要求1或2所述的机械故障诊断仪，其特征在于：所述压电加速度传感器电路(2)包括压电加速度传感器和与压电加速度传感器相连的电荷放大电路；电荷放大电路的输出端即为压电加速度传感器电路(2)的输出端。

4、根据权利要求3所述的机械故障诊断仪，其特征在于：所述中央控制单元(1)包括单片机IC1，单片机IC1通过锁存器IC4扩展有程序存储器IC5和数据存储器IC6；信号程控放大电路(3)包括程控放大集成电路IC3；所述电荷放大电路的输出端串接电容C6和电阻R3后接IC3的正输入端，IC3的负输入端接地，IC3的输出端接IC3的反馈端；单片机IC1的程控输出端接IC3的程控输入端；IC3的输出端经R5、C3滤波后接单片机IC1的A/D转换接口。

5、根据权利要求4所述的机械故障诊断仪，其特征在于：诊断参数设定电路(5)包括非编码键盘电路和数码管显示电路。

6、一种上述机械故障诊断仪的工作方法，包括以下步骤：

①、中央控制单元(1)通过诊断参数设定电路(5)输入待测机械的旋转轴的旋转频率、故障报警阀值和信号程控放大电路(3)的放大倍数，并通过压电加速度传感器电路(2)多次采集机械故障信号；

②、中央控制单元(1)根据诊断参数设定电路(5)的设定来控制信号程控放大电路(3)的放大倍数，以使所述机械故障信号的大小适于中央控制单元(1)的采集信号输入端的采集及A/D转换；

③、中央控制单元(1)对A/D转换后的所述机械故障信号进行离散谐波恢复数值匹配，得出匹配比值r，并根据所述匹配比值r、报警阀值和旋转轴的旋转频率诊断机械故障是否存在；

④、当诊断出存在机械故障存在时，中央控制单元(1)控制故障报警电路(4)报警。

7、根据权利要求6所述的机械故障诊断仪的工作方法，其特征在于上述步骤③包括：

A、中央控制单元(1)将所述多次采集得的、经A/D转换后的机械故障信号去均值；

B、构造简谐匹配信号 ${\hat{x}}_n\left(t\right)={\hat{s}}_n\cos ({\widehat{\mathrm{\ω}}}_{n}t+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_n)$ ；其中， 为离散化频率，

为离散化幅值，

为离散化相位；间隔t＝2π/ω_s；ω_s为机械故障信号x(t)的采样频率；

C、分别设置频率、幅值、相位的离散增量增加次数i、i₁、i₂；

D、i、i₁、i₂以循环嵌套方式相应减1；同时计算离散谐波匹配信号 ${\hat{x}}_n\left(t\right)=i_1{\hat{s}}_0\cos (i{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{0}t+i_2{\widehat{\mathrm{\φ}}}_0)$ 和匹配比值 $r={[x\left(t\right)-{\hat{x}}_n\left(t\right)]}^2$ ；其中

为离散化最小幅值单位，

为离散化最小相位单位， 为离散化最小频率单位；

E、重复上述步骤D，其中当r＜1、 大于所述报警阀值且

为所述旋转轴旋转频率的整数倍时，即存在机械故障，中央控制单元(1)控制故障报警电路(4)报警；当i、i₁、i₂均为零时，诊断结束。

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