CN2890860Y - 一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统，包括取样传感器、数据采集卡、计算机和计算机外围设备，特点是取样传感器包括设置在柴油机曲轴前端处的系统扭振应力基准传感器、设置在滚动轴承后的中间轴前端的结点振动状态传感器和设置在靠近螺旋桨位置的尾轴上的单结最大振幅传感器，数据采集卡为多通道数据采集卡，取样传感器与数据采集卡之间设置有振动信号前端处理电路，优点在于能够实现对船舶轴系扭振的多通道实时检测，帮助人们及时发现和排除事故隐患，有效减少经济损失。通过在计算机上设置相应的软件，可将所有振动数据用计算机数据文件实时保存，并可对历史数据进行重演和事后分析。

Description

一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统

技术领域

本实用新型涉及一种船舶机电系统的检测设备，尤其是涉及一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统。

背景技术

一直以来，各种船舶因轴系振动故障所引起的船舶的机电设备的损坏，已经造成了重大的经济损失。而对于这种引起故障的主要原因“轴系扭振”通常都是在故障发生后才进行诊断和排除，而这种事后的诊断方法不能及时地发现和消除事故隐患，无法有效地减少经济损失。因此，应该采取有效的技术手段对船舶轴系扭振进行实时检测，以便及时发现和排除事故隐患，有效减少经济损失。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统，能够帮助人们及时发现和排除事故隐患，有效减少经济损失。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统，包括取样传感器、数据采集卡、计算机和计算机外围设备，所述的取样传感器包括设置在柴油机曲轴前端处的系统扭振应力基准传感器、设置在滚动轴承后的中间轴前端的结点振动状态传感器和设置在靠近螺旋桨位置的尾轴上的单结最大振幅传感器，所述的数据采集卡为多通道数据采集卡，所述的取样传感器与所述的数据采集卡之间设置有振动信号前端处理电路。

所述的振动信号前端处理电路包括三个信号放大整形电路、一个时基发生电路、一个双向通讯和报警电路和一个电源电路。

所述的双向通讯和报警电路包括发送模块、接收模块和声光报警电路，所述的声光报警电路包括一个蜂鸣器、一个发光二极管、一个5伏直流电源和一个三极管，所述的三极管的发射极接地，所述的三极管的集电极与所述的蜂鸣器和所述的发光二极管的负端并接，所述的蜂鸣器的正端与5伏直流电源连接，所述的发光二极管的正端通过电阻与5伏直流电源连接，所述的三极管的基极通过电阻与所述的接收模块连接。

所述的信号放大整形电路包括一个放大器，所述的放大器输出的信号经过一个反向放大器后，一路输送到与门电路芯片的第1脚，另一路输送到所述的双向通讯和报警电路的接收模块，所述的与门电路芯片的第2脚与所述的双向通讯和报警电路的接收模块连接，所述的与门电路芯片的第3脚与所述的双向通讯和报警电路的发送模块连接。

所述的数据采集卡为具有24路开关量输入输出通道以及6路独立的16位计数器输入通道的PC836型采集卡。

所述的计算机屏幕上显示有各个测点的转速、扭角、扭振信号及FFT频谱图。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于能够实现对船舶轴系扭振的多通道实时检测，帮助人们及时发现和排除事故隐患，有效减少经济损失。通过在计算机上设置一套基于Windows的由在线监测、离线分析、参数设置、报警系统等多个模块组成的轴系故障在线监测及报警系统软件，集扭振检测、实时频谱分析、智能故障诊断和报警功能于一体，具备在线检测和离线分析两种功能，可将所有振动数据用计算机数据文件实时保存，并可对历史数据进行重演和事后分析。

通过对轴系多质量系统的自由和强制扭转振动的分析计算并结合船舶的实际结构和传感器的安装方式可以合理地选择监测位置。在柴油机曲轴前端处的系统扭振应力基准传感器，可以直接反映被测系统第一质量的振幅，无论对单结点、双结点或三结点振动，并且可以直接作为整个系统扭振应力的基准，结合振型图可推算其它轴段的应力；设置在滚动轴承后的中间轴前端的结点振动状态传感器能反映双结点或三结点振动状态。设置在靠近螺旋桨位置的尾轴上的单结最大振幅传感器可以直接反映单结振动的最大振幅；在测试中，由于传感器的输出信号十分微弱，且波形有所畸变，因此传感器信号可先送入振动信号前端处理电路中进行预处理；时基发生电路中的10M晶振产生的时基脉冲经4分频后成为3M方波脉冲信号，并经施密特反相器整形后送入计算机采集卡，可作为传感器光电脉冲信号的测量基准和采集计时标准；双向通讯和报警电路可实现与计算机的双向信号联络和“握手”，实现该信号处理电路和计算机的协调工作；此外，该部分电路包含报警功能，在采集卡输出信号的驱动之下，通过大功率三极管驱动蜂鸣器和发光二极管发出声光报警；计算机内的PC836型数据采集卡具有24路开关量输入输出通道以及6路独立的16位计数器输入通道，最高计数频率10MHz，并且随卡带有VC++、VB的接口软件；本实用新型充分考虑了渔船运行和我国船员文化基础相对较低的特点，在计算机屏幕上实时生成显示各个测点的转速、扭角、扭振信号及FFT频谱图，界面直观形象，系统操作方便，并且可以任意实时检测轴系多点瞬时转速差和扭振表化规律，总体结构设计合理、功能齐全、技术先进、经济性好，面向船舶推广具有较大价值。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型振动信号前端处理电路的电路图；

图3为本实用新型使用时监测系统软件的结构模块图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图所示，一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统，包括设置在柴油机曲轴前端处的系统扭振应力基准传感器1、设置在滚动轴承后的中间轴前端的结点振动状态传感器2和设置在靠近螺旋桨位置的尾轴上的单结最大振幅传感器3，三个传感器均采用型号为HY860F的光电式三通道传感器，三个传感器1、2、3与一个振动信号前端处理电路4的输入端连接，振动信号前端处理电路4的输出端与设置在计算机5上的具有24路开关量输入输出通道以及6路独立的16位计数器输入通道的PC836型数据采集卡6连接，计算机5连接有打印机等外围设备7。

振动信号前端处理电路4包括三个信号放大整形电路41、一个时基发生电路42、一个双向通讯和报警电路43和一个电源电路44。双向通讯和报警电路43包括一个型号为13X2PIN的发送模块J1，一个型号为5X2PIN接收模块J2和声光报警电路45，声光报警电路45包括一个蜂鸣器B1、一个发光二极管D1、一个5伏直流电源和一个三极管Q1，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极与蜂鸣器B1和发光二极管D1的负端并接，蜂鸣器B1的正端与5伏直流电源连接，发光二极管D1的正端通过电阻R1与5伏直流电源连接，三极管Q1的基极通过电阻R2与接收模块J2连接；信号放大整形电路41包括型号为TL084的放大器U1，放大器U1输出的信号经过型号为74LS14的反向放大器IC1后，一路输送到型号为4081的与门电路芯片IC2的第1脚，另一路输送到双向通讯和报警电路43的接收模块J1，与门电路芯片IC2的第2脚与双向通讯和报警电路43的接收模块J2连接，与门电路芯片IC2的第3脚与双向通讯和报警电路43的发送模块J1；时基发生电路42中10M晶振Y1产生的时基脉冲经4分频后成为3M方波脉冲信号，并经型号为74LS14的施密特反相器整形后送入计算机采集卡，作为传感器光电脉冲信号的测量基准和采集计时标准；电源电路44中使用7805和7905三端稳压器可以为整个处理电路提供精密稳定的电源电压。

计算机5的屏幕上显示有各个测点的转速、扭角、扭振信号及FFT频谱图。

振动信号经采集卡6进入计算机5后，转化为保存在计算机5数据文件中的振动幅度时间序列。用软件对这些振动数据作预处理，方法是先对振动数据进行数字滤波，去除干扰，然后对时间序列作快速傅立叶变换(FFT)，从而获得振动信号的频谱分布，并在计算机5的屏幕上动态显示信号的时间波形和频谱图。

正确地描述频谱特征是故障识别的关键。轴系发生振动时，信号的频谱能量分布规律将发生变化，通过分析频谱特征的变化，可以识别振动故障原因。将整个频段均匀划分为8个子段，然后对每一子段内的幅值进行求和作为该段的特征值，使8个子段构成一个内含8个分量的特征矢量。该特征矢量真实反映了频谱图的能量分布规律，并且通过智能软件可识别该特征矢量的轴系故障原因。

为了测试和分析的便利，设置一套基于Windows的由在线监测、离线分析、参数设置、报警系统等多个模块组成的轴系故障在线监测及报警系统软件，所有振动数据用计算机5的数据文件实时保存，并可对历史数据进行重演和事后分析。该实时检测与诊断系统模块图如附图3所示：各模块主要功能如下：

1.数据采集模块：数据采集卡PC836型，具有24路开关量输入输出通道，最高记数频率10MHZ，随卡带有VC++、VB的接口软件，可以采集3个通道的位移、速度和加速度的振动信号，采集数据按时间间隔的不同，贮存在计算机3个数据文件中，系统巡检1次时间为30秒。

2.在线监测模块：每隔30秒采集一次轴系各测点的转速，采集时间持续20秒，经预处理后，用软件计算各测点处的扭振波形，然后以此为依据计算其FFT谱，并计算不同测点处的转速差和扭角差，作趋势分析和神经网络故障诊断，所有计算和诊断结果以曲线和图形的形式直观地显示在计算机屏幕上。每次采集到的原始数据被实时地保存到计算机的数据库中供离线分析之用。

3.离线分析模块：用来对以前采集到的振动数据进行事后分析和重演，它从计算机数据库中直接获取以前采集的原始振动数据，然后进行类似在线监测时的各种分析和诊断，并在计算机屏幕上显示相关结果。该功能在实际使用时十分方便，测试人员只要在现场作一次全面的采集后，就可把所有数据带回办公室进行脱机分析，反复模拟采集过程，进行进一步的分析和推断。另外，由于系统实时记录了所有原始数据，因此该功能可重演事故的发生过程，对事故分析和故障原因分析具有重大作用。

4.参数设置模块：具有可修改系统的各种预设参数功能，如扭角报警值，神经网络的训练步数，已知故障类型，最大限度地增加系统的灵活性和实用性。

5.报警系统模块：依据测得的轴系最大扭角、振幅和故障诊断结果，当扭角、振幅超过设定的“警告”和“危险”报警值时，驱动报警电路即时发出声光报警。

本实用新型经过实际使用验证，主要有以下几个方面的特点：

1.在线检测实时性好，每采集1000个数据，只耗时5秒，并且能自动显示诊断分析结果。

2.随时调用历史数据记录，进行离线分析诊断，采用大型数据库系统管理数据，使用方便。

3.神经网络诊断结果以二维截面显示，故障兴奋点、正常运行点、未知故障点、样本点均以不同颜色表示，直观形象，便于理解。

4.通过设置相应的软件，可提供多种类型的图谱分析，相互转换快捷灵活。

5.用户可以自行设置系统参数，具有通道、刷新频率、样本训练步数、样本添加等多项设置功能。

6.通过设置具有BP网络和自组织神经网络等多种算法功能的软件，可以满足轴系检测信号的不同要求。

Claims (6)

1、一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统，包括取样传感器、数据采集卡、计算机和计算机外围设备，其特征在于所述的取样传感器包括设置在柴油机曲轴前端处的系统扭振应力基准传感器、设置在滚动轴承后的中间轴前端的结点振动状态传感器和设置在靠近螺旋桨位置的尾轴上的单结最大振幅传感器，所述的数据采集卡为多通道数据采集卡，所述的取样传感器与所述的数据采集卡之间设置有振动信号前端处理电路。

2、如权利要求1所述的一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统，其特征在于所述的振动信号前端处理电路包括三个信号放大整形电路、一个时基发生电路、一个双向通讯和报警电路和一个电源电路。

3、如权利要求2所述的一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统，其特征在于所述的双向通讯和报警电路包括发送模块、接收模块和声光报警电路，所述的声光报警电路包括一个蜂鸣器、一个发光二极管、一个5伏直流电源和一个三极管，所述的三极管的发射极接地，所述的三极管的集电极与所述的蜂鸣器和所述的发光二极管的负端并接，所述的蜂鸣器的正端与5伏直流电源连接，所述的发光二极管的正端通过电阻与5伏直流电源连接，所述的三极管的基极通过电阻与所述的接收模块连接。

4、如权利要求3所述的一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统，其特征在于所述的信号放大整形电路包括一个放大器，所述的放大器输出的信号经过一个反向放大器后，一路输送到与门电路芯片的第1脚，另一路输送到所述的双向通讯和报警电路的接收模块，所述的与门电路芯片的第2脚与所述的双向通讯和报警电路的接收模块连接，所述的与门电路芯片的第3脚与所述的双向通讯和报警电路的发送模块连接。

5、如权利要求2所述的一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统，其特征在于所述的数据采集卡为具有24路开关量输入输出通道以及6路独立的16位计数器输入通道的PC836型采集卡。

6、如权利要求1所述的一种船舶轴系扭振实时检测与诊断系统，其特征在于所述的计算机屏幕上显示有各个测点的转速、扭角、扭振信号及FFT频谱图。