專利名稱：一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)和方法，主要用于在 運動中通過檢測廣義共振實現非轉動機械的疲勞、裂紋、斷裂、碰撞 等嚴重危及安全的故障診斷。
技術背景對于非轉動機械的故障檢測，己有技術主要采用靜態(tài)試驗檢測的 方法解決或動態(tài)應變檢測的方法解決，這些方法已經寫入了各行業(yè)關 于相關機械設備的設計、制造、檢驗的規(guī)程或標準而成為法規(guī)性的文 件。例如鐵道行業(yè)對于火車的機車、車輛的車廂、轉向架等龐大的非轉運動機械，就用《TB/T 2360-93》規(guī)定了靜態(tài)試驗的幾種方法，如 跌落沖擊法(令車輪慢慢爬上斜塊最高點然后突然跌落)；激振器激 勵法(用功率巨大的激振器按照調查得到的載荷譜對火車進行整車的 激振)；敲擊法(鐵路工人用小錘敲擊部件聽取聲音的變化來確定有 無故障)等等。這些方法和技術的缺點之一，是需要在停車時進行試 驗檢測，如果在運行中發(fā)生故障，就不能發(fā)現；缺點之二是需要龐大 笨重的試驗設備和專門的試驗場所；缺點之三是進行上述實驗測試需 要事先對機械進行動態(tài)檢測調査獲得所謂"載荷譜"來規(guī)范試驗施 加的激勵方式；缺點之四是錘擊法依靠人的聽覺進行分析，存在人為 因素的影響。 發(fā)明內容本發(fā)明的任務是根據自然辯證法的哲學原理，通過研究非轉運 動機械故障多發(fā)的原因。首先，發(fā)現了事物的根據即內因，確認了機械容易損壞的原因是 因其本身存在著容易被外部沖擊激勵而發(fā)生強大振動并進而疲勞損 壞的薄弱環(huán)節(jié)，即機械的廣義共振；現代機械設計中，設計者對機械 的運行環(huán)境進行了調查，總是千方百計避免機械的整體或局部固有頻 率與機械可能受到的周期性振動的頻率相同或接近，從而避免發(fā)生經 典物理學所述的"共振"；但是幾乎沒有顧及機械所必然存在的整體 或局部的固有頻率諧振機制在受到沖擊外力作用時所發(fā)生的廣義共 振，更沒有采取必要的、如改變剛度以改變固有頻率或增加阻尼以衰 減廣義共振等措施。然后，本發(fā)明為了識別因為上述廣義共振而發(fā)生的損壞，通過檢 測機械在運行中受到外部隨機沖擊激勵而產生的廣義共振的大小、能 量累積和變化，做出機械的遠期安全評估，在機械1上安裝復合傳感器2檢測機械的隨機振動，若干復合傳感器的信號經過接線盒3處理， 傳送到預處理電路4，經過預處理再傳送到計算機5采集振動數據， 用軟件分析統(tǒng)計其所存在的廣義共振的頻率和幅度，見附圖1。進而，為了通過分析機械在外部隨機遭遇的沖擊激勵下而發(fā)生的 廣義共振，特別是其頻率漂移，來識別機械的疲勞、裂紋、裂損而發(fā) 出故障預警，達到如同鐵路工人通過停車條件下的錘擊聽音或對機械 進行大功率激振試驗的同樣目的，需要利用運行狀況下隨機遭遇的外 部沖擊(如車輪通過鋼軌接縫的沖擊、車輛行駛時的蛇形引起的車輪 輪緣與軌道內側的限位沖擊等)來實現激勵，同時通過檢測系統(tǒng)對機 械的振動信號進行運行狀況下的長期在線監(jiān)測分析、識別各種自然產 生的廣義共振，積累數據并通過趨勢分析來識別廣義共振頻率的漂 移。為了通過識別兩個遠距離安裝于機械上的傳感器的同向廣義共 振信號的振動同步性質，識別正常條件下不可能異步振動的該機械兩 個傳感器安裝位置之間的機械結構斷裂，并使得據此目的而設計的旨 在進行上述振動信號的同步性識別計算的"相對積"函數進行運算 具有正確的信號條件，有關兩個傳感器的同向信號必須同步檢測，為 此而設計的附圖1的檢測系統(tǒng)中有關傳感器的各種同向振動信息必 須是可以由計算機并行同時采集的。為了進一步通過共振解調技術識別由振動激發(fā)的機械部件之間 的碰撞和摩擦來發(fā)出部件處于惡劣工況的預警以防止機械加速損壞， 附圖1的檢測系統(tǒng)中必須含有對相關傳感器的沖擊信息進行分離、 處理的共振解調電路。本發(fā)明是以構成如下檢測系統(tǒng)的方式實現的一種非轉運動機械故障診斷方法，其特征是含有實施該技術必需的1) 非轉運動機械故障檢測系統(tǒng)；2) 基于廣義共振的隨遇激勵故障偵察技術3) 基于相對積函數的識別遠程裂損的分析技術。 由非轉運動機械故障檢測系統(tǒng)獲取振動沖擊信息數據，由基于廣義共振的隨遇激勵故障偵察技術分析單個傳感器附近的故障，由基于 相對積函數的識別遠程裂損的分析技術分析某兩個相距甚遠的傳感 器之間的機械構件的斷裂故障。所述的一種非轉運動機械故障診斷方法，其特征是其非轉運動機 械故障檢測系統(tǒng)含有在被檢測的非轉運動機械1上安裝的若干振動 沖擊傳感器2，具體如21、 22…2N，各該傳感器的輸出信號接到接線 盒3，經過接線盒3處理后，通過總線電纜遠距離傳送到能夠對每一 個振動傳感器信號進行水平振動低通濾波分離、垂直振動低通濾波分離和垂直沖擊共振解調分離處理的預處理電路4，預處理電路4再把經過分離處理的水平振動、垂直振動、垂直沖擊共振解調信號并行傳送到計算機5的AD變換器進行數據采樣，再由計算機5用軟件進行 數據處理和分析診斷。所述的一種非轉運動機械故障診斷方法，其特征是基于廣義共振 的隨遇激勵故障的偵察技術含有1) 廣義共振頻漂疲勞與裂紋識別技術、2) 廣義共振碰磨沖擊識別技術、廣義共振沖擊(頻偏的)疲勞與 裂紋識別技術、3) 基于振動相對積函數的大型構件斷裂遠程識別技術。 所述的一種非轉運動機械故障診斷方法，其特征是基于相對積函數的識別遠程裂損的分析技術含有1) 相對積系列函數和2) 基于振動相對積函數的大型構件斷裂遠程識別技術。


圖1為非轉運動機械故障檢測系統(tǒng)結構示意圖；圖2為預處理電路示意圖；圖3為相關函數波形示意圖；圖4為放大器型接線盒電路示意圖；圖5為并列式電壓電流變換器型接線盒電路示意圖；圖6為選擇式接線盒電路示意圖；圖7為一種電流電壓轉換電路示意圖；圖8為一種低通濾波器電路示意圖；圖9為一種共振解調預處理電路示意圖；圖10為一個二階機械系統(tǒng)示意圖；圖11為水平廣義共振分布率示意圖；圖12為機械沖擊引發(fā)的廣義共振的仿真系統(tǒng)及對應的波形和頻譜圖 i 13為非法沖擊廣義共振波形和頻譜圖； 圖14為機車轉向架止檔、彈簧和拉臂相互關系示意圖； 圖15為相對積函數波形示意圖。
具體實施方式
如圖1所示， 一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，它包括在被檢測 的非轉運動機械(1)上安裝的若干振動沖擊傳感器(2),各振動沖擊傳 感器(2D、 (22)…(2N)的輸出信號端分別與接線盒(3)的輸入端相 連，該接線盒(3)的輸出端通過總線電纜與能夠對每一個振動沖擊傳 感器信號進行水平振動低通濾波分離、垂直振動低通濾波分離和垂直 沖擊共振解調分離處理的預處理電路(4)的輸入端相連，預處理電路(4)的輸出端與通過AD變換器進行數據采樣并能夠通過內設程序進 行數據處理和分析診斷的計算機(5)的輸入接口相連。預處理電路(4) 包括多個預處理單元電路(41)、 (42)、…(4N)，每一組傳感器信號對 應有一個預處理單元電路；每個預處理單元電路含有直接對水平信號 I/US進行電流電壓轉換輸出水平電壓信號US的電流電壓轉換電路， 將水平電壓信號US進行低通濾波后輸出USV N的低通濾波器，還含 有直接對垂直信號I/UC進行電流電壓轉換輸出垂直電壓信號UC的電 流電壓轉換器，將垂直電壓信號UC進行低通濾波后輸出UCV N的低 通濾波器，還含有將垂直電壓信號UC進行共振解調變換后輸出UCI N 的共振解調電路；每一個預處理單元電路的輸出信號USVN、 UCVN、 UCIN并行輸送到計算機(5)的AD接口 。如附圖2的預處理電路4中，對應由接線盒3處理并傳輸來的每 一組傳感器信號如水平信號1/US、垂直信號I/UC都有一個預處理單 元電路如41、 42、…4N，每個預處理單元電路，如41,至少有兩個 輸入信號， 一個是水平信號1/US，另一個垂直信號IAJC，水平信號 I/US中只含有水平振動信號，而垂直信號I/UC中卻含有垂直振動信 號和垂直沖擊信號；預處理單元電路41含有直接對水平信號I/US進 行電流電壓轉換輸出水平電壓信號US的電流電壓轉換電路411，將 水平電壓信號US進行低通濾波后輸出USV1的低通濾波器412，還含 有直接對垂直信號IAJC進行電流電壓轉換輸出垂直電壓信號UC的電 流電壓轉換器413，將垂直電壓信號UC進行低通濾波后輸出UCV1的 低通濾波器414，還含有將垂直電壓信號UC進行共振解調變換后輸 出UCI1的共振解調電路415;每一個預處理單元電路的輸出信號 USVN、 UCVN、 UCIN并行輸送到計算機5的AD接口，供計算機進行檢如圖4,是一種放大器接線盒，對各傳感器信號進行跟隨或功率 放大再轉接到同一條多芯總線電纜中的對應信號線向預處理電路傳 輸。每一個信號通道31、 32、…3N，例如3N，傳感器2N的信號正端， 接到電阻器R3N-1的一端，再接到運放0P3N-1的正輸入端，傳感器 2N信號的另一端接到電阻器R3N-1的另一端，同時接地GND，運放 0P3N-1的負輸入端接器輸出端，其輸出端輸出信號到總線電纜BAS 的輸出信號線之一 IAJC，運放0P3N-1的電源正端接總線BAS的正電 源VDD，電源負端接總線BAS的地線GND。如圖5，是并列式電壓電流變換器接線盒，每一個信號通道31、 32、…3N，伊J如3N，含有運放0P3N-1、 OP3N-2，電阻器R3N-1 R3N-6， 二極管D3N-1，傳感器2N的信號正端，接到電阻器R3N-1的一端， 還同時接到運放0P3N-1的正輸入端，傳感器2N信號的另一端接到電 阻器R3N-1的另一端，同時接地GND,運放0P3N-1的輸出端接電阻器R3N-3的一端，還接電阻器R3N-2的一端，R3N-2的另一端接運放 0P3N-2的正輸入端，改正輸入端經過電阻器R3N-5接地GND，電阻器 R3N-3的另一端接到二極管D3N-1正端，二極管的負端輸出電流信號 到總線BAS的信號電纜之一 IAJC，電阻器R3N-3的另一端還經過電 阻器RN3-4接運放0P3N-2的負輸入端，該負輸入端還經過電阻器 R3N-5接運放的輸出端，該運放的輸出端接到運放0P3N-1的負輸入 端；運放0P3N-1、 0P3N-2的電源正端接正電源VDD，電源負端接地 線GND。如圖6，是為了節(jié)約資源和對各傳感器電壓信號進行某種處理， 如電壓放大或電壓/電流變換以提高傳輸距離、頻率響應和抗干擾能 力，再接到同一條多芯總線電纜中的對應信號線向預處理電路傳輸的 選擇式接線盒，含有模擬多路開關3C1、 3C2,電壓放大或電壓電流 變換電路3C3、 3C4，控制與通信電路3C5，來自傳感器21、 22、 23、…2N 的信號正端分別接入兩個多路模擬開關3C1、 3C2的模擬輸入端II、 12、 13…IN，模擬開關3C1的輸出端接到電壓放大或電壓電流變換電 路3C3的輸入端IN-V，模擬開關3C2的輸出端接到電壓放大或電壓 電流變換電路3C4的輸入端IN-V，電壓放大或電壓電流變換電路3C3 的輸出電流端OUT-1接到總線BAS的信號線UA，電壓放大或電壓電 流變換電路3C4的輸出電流端0UT-I接到總線BAS的信號線UB，控 制與通信電路3C5的485通信線485-A、 485-B分別接到總線的通信 線485-A、 485-B，控制與通信電路3C5的控制口 PIO、 Pll、…P1N、 P1M對應接到模擬開關3C1的地址控制口 A、 B、 N和片選控制口 INC， 控制與通信電路3C5的控制口 P20、 P21、…P2N、 P2M對應接到模擬 開關3C2的地址控制口 A、 B、 N和片選控制口 INC，各單元電路3C1、 3C2、 3C3、 3C4、 3C5的電源端VDD和地線端GND分別接到總線的VDD 和GND。主計算機通過485通信向接線盒3的控制與通信電路3C5發(fā) 送指令，控制電路通過地址控制口和片選控制口向多路模擬開關3C1 、 3C2發(fā)送控制指令，分別選通傳感器21、 22、…2N中的某一個信號， 經過3C3、 3C4作電壓電流變換，經總線BAS的信號線I/US、 I/UC傳 送到預處理電路4，以便預處理電路同步變換、主計算機同步采集所 選擇的兩個信號，進行所需的如基于振動相對積函數的大型構件斷裂 遠程識別。如圖2的預處理電路，其所含的每個信號預處理通道41、 42、 43、……4N，例如41，含有相同的水平電流電壓轉換電路411、垂直 電流電壓轉換電路413，圖7所示水平電流電壓轉換電路411的、來 自接線盒的水平輸入信號I/US，可以是電流輸入信號ISI，也可以是 電壓輸入信號USI，電路含有電流輸入信號輸入端ISI、電壓輸入信 號輸入端USI， 二極管D411-1、 D411-2，電阻器R411-1、 R411-2、R411-3、運放0P411、輸出端US，電源端VDD、 VEE、 VSS、 GND，來 自接線盒的電流輸入信號接電流輸入信號輸入端ISI， ISI接二極管 D411-1的正端和D411-2所的負端，接運放0P411的負輸入端、電阻 器R411-1的一端，接電阻器R411-2、 R411-3的一端，R411-l的另 一端接電壓輸入信號輸入端USI，R411-2的另一端接基準負電源VEE， R411-3的另一端接運放的輸出端，運放的正電源端接正電源VDD，運 放的負電源端接負電源VSS，運放的正輸入端接地GND，輸入信號的 地縣接地GND，還接到二極管V411-1的負端和V411-2的正端。例如， 電流輸入信號的標準零點電流是8. 3333mA,所以內部基準電壓 VEE=-2. 5V;電壓輸入信號的標準零點是5V，通過R411-1=600歐姆， 產生的零點電流也等于5/0.6二8.3333mA;以便使無信號(只有零點) 輸入時，運放0P411的輸出工作點是OV。如圖8，是一種預處理電路的每個信號預處理通道41、 42、 43、……4N，例如<41中，含有的相同的低通濾波器412、 414，例如 低通濾波器412，含有電容器C412-l C412-4，電阻器R412-廣R412-8， 運放0P412-1、 0P412-2組成，來自電流電壓轉換器411的輸出電壓 US接輸入端US，再接到電容器C412-4的一端，C412-4的另一端接 到電阻器R412-6的一端，還接到電阻器R412-1的一端，R412-1的 另一端接到電容器C412-1的一端，還接到電阻器R412-2的一端， R412-2的另一端接到電容器C412-2的一端，還接到電阻器R412-3 的一端，R412-3的另一端接到電容器C413的一端，還接到運放 0P412-1的正輸入端，R412-6的另一端接地GND， C412-1的另一端接 地GND， C412-3的另一端接地GND， C412-2的另一端接運放0P412-1 的輸出端,0P412-1的負輸入端接電阻器R412-4，還接電阻器R412-5， R412-5的另一端接運放0P412-1的輸出端，電阻器R412-4的另一端 接地GND，運放0P412-1的輸出端接0P412-2的正輸入端，0P412-2 的負輸入端接電阻器R412-7，還接電阻器R412-8的一端，R412-8的 另一端接運放0P412-2的輸出端，電阻器R412-7的另一端接地GND， 兩個運放0P412-1、 0P412-2的正電源端接正電源VDD，負電源端接 負電源VSS,由運放0P412-2的輸出端輸出經過隔直流的、低通濾波 的和放大的信號USV1經過端子USV1輸出到計算機的AD變換器。 如圖9，是一種預處理電路的每個信號預處理通道41、 42、 43、…4N中，例如41中，含有共振解調變換器415，其特征是含有 運放0P415-1 0P415-5，電阻器R415-1 R415-15，電容器 C415-l C415-6， 二極管D415-1、 D415-2，來自電流電壓轉換器413 的輸出端(垂直振動)輸出電壓UC接到輸入端UC，再接到電阻器 R415-1的一端，R415-1的另一端接到電容器C415-1、 C415-2的一端 和電阻器R415-2的一端，C415-1的另一端接電阻器R415-3的一端和運放0P415-1的輸出端、電阻器R415-3的另一端接電容器C415-2 的另一端和運放0P415-1的負輸入端，運放0P415-1的正輸入端和電 阻器R415-2的另一端接地GND，運放0P415-1的輸出端接電阻器 R415-4的一端，R415-4的另一端接運放0P415-2的負輸入端和電阻 器R415-5的一端。R415-5的另一端接運放0P415-2的輸出端，0P415-2 的輸出端還通過電阻器R415-6接到電阻器0P415-2的非接地端， 0P415-2的負輸入端接地GND; 0P415-2的輸出端接電容器C415-3的 一端，C415-3的另一端接電阻器R415-7的一端和運放0P415-3的正 輸入端，R415-7的另一端接地GND，運放0P415-3的接電阻器R415-10 的一端和二極管D415-2的正端，D415-2的負端接0P415-3的輸出端， R415-10的另一端接0P415-4的負輸入端和電阻器R415-9的一端， R415-9的另一端接0P415-4的輸出端，0P415-3的輸出端還接二極管 D415-1的正輸入端，D415-l的負端接0P415-4的正輸入端和電阻器 R415-8的一端，R415-8的另一端接地；運放0P415-4的輸出端接到 電阻器R415-11的一端，R415-11的另一端接到電容器C415-4的一 端，還接到電阻器R415-12的一端，R415-12的另一端接到電容器 C415-5的一端，還接到電阻器R415-13的一端，R415-13的另一端接 到電容器C415-6的一端，還接到運放0P415-5的正輸入端，C415-4 的另一端接地GND， C412-6的另一端接地GND, C415-5的另一端接運 放0P415-5的輸出端，0P415-5的負輸入端接電阻器R415-14，還接 電阻器R415-15， R415-15的另一端接運放0P415-5的輸出端，電阻 器R415-14的另一端接地GND;運放0P415-1 0P415-5的正電源端接 電源VDD，運放0P415-1 0P415-5的負電源端接電源VSS;運放0P415-5 的輸出端輸出共振解調變換信號VCI1到計算機的AD轉換器。其中 0P415-1、 0P415-2及相鄰器件構成共振器，其余器件構成解調器， 其中0P415-3、 0P415-4及相鄰器件構成檢波器，0P415-5及相鄰器 件構成平滑低通濾波器。一種非轉運動機械故障診斷方法，為實現所檢測機械的局部疲 勞、裂紋識別，其廣義共振頻漂疲勞與裂紋識別技術對來自預處理電路4的每一個預處理單元41、 42.....4N的水平振動輸出信號USV1 USVN和垂直振動輸出信號UCV1 UCVN，逐一通過AD變換實現采 集，得到一個長度為樣本時段的數據樣本，進行FFT分析，得到各測 點樣本對應的樣本振動頻譜；分別對每個測點的某個較長的考査時間 段中各種不同工況下的大量的樣本振動頻譜進行統(tǒng)計平均獲得各該 測點當前廣義共振分布率譜，然后通過與歷史廣義共振分布率譜進行 比較或與同一機械上多個相鄰的相似測點的當前廣義共振分布率譜 進行比較，識別各該測點廣義共振頻率的漂移而實現疲勞與裂紋識 別。一個振動監(jiān)測點附近的機械結構總可以分解為若干個機械二階 系統(tǒng)，自然規(guī)律也總是既出現最小二階系統(tǒng)的運動也出現可能組合的 更大的二階系統(tǒng)的運動。其中每一個二階系統(tǒng)可以由圖io和下述方 程描述它的廣義共振頻率它包括機械構件的質量M，機械的剛度K和系統(tǒng)的內阻尼n。 由于阻尼系數n通常是一個遠小于l的微量，因此工程中一般近似為式(1)、 (2)中沒有任何外界因素的因子。這就充分表明，機械的內因決定的固有特征，是不以人的意志為轉移的。不管外部條件怎 樣作用于它，它的這個固有頻率不改變。如果所檢測的近處的機械發(fā)生裂紋，參與上述公式的機械剛度K大幅度降低，就使式(1)、 (2)所表達的頻率大幅度降低或下漂移；如果機械的結構斷裂使一部分質量不參與共振，即質量M下降，就使 式(1)、 (2)所表達的頻率大幅度上升或上漂移。如果在某個頻率上其它對應的相鄰點沒有大的諧振頻譜幅度， 而本測點出現了強大的頻譜幅度，則說明機械上的阻尼裝置失效。圖 11的具體例子是某機車后轉向架5軸的拉臂(橡膠阻尼器)失效引起 的12Hz的強烈廣義共振。激發(fā)機械發(fā)生廣義共振的因素是機械受到的沖擊，如如圖12所 示， 一個沖擊引起機械的幾個諧振系統(tǒng)發(fā)生廣義共振，傳感器檢測到 他們的總振動波形，通過FFT分析，得到了廣義共振頻譜，從中發(fā)現 了各個諧振器的廣義共振頻率。一種非轉運動機械故障診斷方法，為實現支撐系統(tǒng)的非法碰磨識 別，其特征是廣義共振碰磨沖擊識別技術對于來自預處理電路4的每 一個預處理單元41、 42、 ....4N的共振解調變換后輸出信號 UCI廣UCIN，逐一通過AD變換實現采集，得到一個長度為樣本時段的 數據樣本，進行FFT分析，得到各測點樣本對應的樣本沖擊頻譜；對 其中譜線幅值大于最大值40 70%的譜線保留，其余去掉，抽象得到 該頻譜的特征頻率，對每個測點的某個時段中各種不同工況下的廣義 共振碰磨沖擊特征頻率求出現率(=出現該頻率的次數/總的統(tǒng)計次 數)，如果某測點某特征頻率廣義共振碰磨沖擊出現率大于50 70%， 則確定該測點的支撐系統(tǒng)出現了非法碰磨。圖13是基于上述方法獲得的樣本時段的波形、樣本頻譜和根據 大量樣本頻譜統(tǒng)計得到的頻譜出現率，從而發(fā)現了第5號測點(后轉向架5軸右測點)的非法碰磨。從實驗檢測的若干測點中，唯一地只有該測點出現了頻率約43Hz的出現率為82. 68%的非法碰磨。通過査 找，發(fā)現是該測點對應的軸箱止檔與轉向架的止檔孔發(fā)生接觸(設計 狀態(tài)為不接觸)并且隨著軸箱彈簧的21.5Hz的垂直伸縮振動而發(fā)生 每次振動摩擦2次的碰磨沖擊。每組沖擊的時間間隔約為 4*1650/2048/3=1.074s ，(樣本長度為4s)，車速為81km/h，即 81000/3600=22. 5m/s，所以，每組沖擊開始之間的行車距離是24. 17m， 接近于25m的鋼軌接縫之間的距離。從而確認引發(fā)這些沖擊的原因 是車輪通過鋼軌接縫的沖擊，激發(fā)軸箱彈簧發(fā)生21. 5Hz的廣義共振， 進而引起止檔發(fā)生43Hz的碰磨(每次振動上下碰磨一次)。一種非轉運動機械故障診斷方法，根據廣義共振碰磨沖擊識別技 術，為實現支撐系統(tǒng)的非法碰磨部件的疲勞識別，其特征是廣義共振 沖擊(頻偏的)疲勞與裂紋識別技術把當前某測點的廣義共振碰磨沖 擊特征頻率與其歷史廣義共振碰磨沖擊特征頻率比較，若兩者的相對 變化大于8 12%，則確認發(fā)生廣義共振沖擊碰磨的部件出現了疲勞。對于上例來說，如果發(fā)現廣義共振碰磨沖擊出現率很高的碰磨頻 率發(fā)生漂移，例如向低漂移，則說明直接引起碰磨的那種廣義共振振 動頻率變化，這就意味著構成該廣義共振的剛度下降，通常是彈簧發(fā) 生裂紋。因為某單位出現了在止檔斷裂后彈簧也接著斷裂的現象。止 檔、彈簧和拉臂的相互關系如圖14。識別遠程裂損的相對積函數分析軟件技術含有識別遠程裂損的相對積函數系列D(t)、量化相對積函數LD(t)、引入量化鑒別域門g的量化函數LA(t)、 LB(t)、量化正相對積函數LDZ(t)、量化負相對積函數LDF(t)、統(tǒng)計量化正相對積函數TLDZ、統(tǒng)計量化負相對積函數TLDF,對同步采集的兩個振動信號/7&入/2丫^求上述函數的定義如下相對積函數D(t)定義如下 <formula>formula see original document page 16</formula>量化相對積函數Z"" 的定義如下<formula>formula see original document page 16</formula>引入量化鑒別域門g的量化相對積函數定義如下<formula>formula see original document page 16</formula>其它化正相對積函數zz^rw定義如下化負相對積函數ZZF",定義如下<formula>formula see original document page 16</formula><formula>formula see original document page 17</formula>統(tǒng)計量化正相對積函數TI"Z定義如下<formula>formula see original document page 17</formula>統(tǒng)計量化負相對積函數7Z/F定義如下<formula>formula see original document page 17</formula>式中，/"^是被考査相對積的兩個原始函數。對于兩個信號/7^入/2Yt人經典理論主要考察它們是否具有相同但不一定是同步的周期信號，典型的是相關函數<formula>formula see original document page 17</formula>如附圖3戶;示，每幅圖的第1行/ZW函數和第2行/"^函數 的相關函數AW^^繪制在第3行。它表明相關函數只提取/7、"中頻率相同的函數。如附圖15所示，每幅圖的第l行/^d函數和第2行/Z^函數 的相對積函數/Z^繪制在第3行。它表明相對積函數只關注/7、 /2 函數的相似性，對于相同的部分表達為l，相反的部分表達位-1。相 對積函數只考察兩個信號/7^入/i丫^中，是否有相同的、同步的 信號，其中包括周期信號和隨機信號。例如機車的一個轉向架的左右 水平振動的低頻部分的統(tǒng)計量化正相對積函數71"》90%并且統(tǒng)計量 化負相對積函數71"尺10%，則表明該轉向架左右震動同步，沒有發(fā) 生斷裂?；谡駝酉鄬Ψe函數的大型構件斷裂遠程識別技術對來自預處理電路4的每一個預處理單元41、 42.....4N的水平振動輸出信號USV1 USVN和垂直振動輸出信號UCV1 UCVN中，某兩個及以上的信號 同時采集，并對每兩個同時采集的振動信號/7G人/2丫^中各自含 有的廣義共振信號求相對積函數，通過識別該相對積函數的統(tǒng)計負對 積大于門限值0. 707，而判定該兩個振動信號對應的測點之間的機械 結構存在疲勞斷裂。
權利要求
1. 一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特征是它包括在被檢測的非轉運動機械(1)上安裝的若干振動沖擊傳感器(2)，各振動沖擊傳感器(21)、(22)…(2N)的輸出信號端分別與接線盒(3)的輸入端相連，該接線盒(3)的輸出端通過總線電纜與能夠對每一個振動沖擊傳感器信號進行水平振動低通濾波分離、垂直振動低通濾波分離和垂直沖擊共振解調分離處理的預處理電路(4)的輸入端相連，預處理電路(4)的輸出端與通過AD變換器進行數據采樣并能夠通過內設程序進行數據處理和分析診斷的計算機(5)的輸入接口相連。
2、 如權利要求1的一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特征在 于所述預處理電路(4)包括多個預處理單元電路(41)、 (42)、…(4N)， 輸入預處理單元的每一組傳感器信號對應有一個預處理單元電路；每 個預處理單元電路含有直接對水平信號I/US進行電流電壓轉換輸出 水平電壓信號US的電流電壓轉換電路，將水平電壓信號US進行低通 濾波后輸出USV N的低通濾波器，還含有直接對垂直信號I/UC進行 電流電壓轉換輸出垂直電壓信號UC的電流電壓轉換器，將垂直電壓 信號UC進行低通濾波后輸出UCV N的低通濾波器，還含有將垂直電 壓信號UC進行共振解調變換后輸出UCI N的共振解調電路；每一個 預處理單元電路的輸出信號USVN、 UCVN、 UCIN并行輸送到計算機(5) 的AD接口。
3、 如權利要求1的一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特征在 于所述接線盒(3)把各傳感器的輸出信號通過它轉接到同一條多芯總 線電纜中的對應信號線向預處理電路(4)傳輸的無電路接線盒。
4、 如權利要求1的一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特征在 于所述接線盒(3)對各傳感器信號進行跟隨或功率放大再轉接到同一 條多芯總線電纜中的對應信號線向預處理電路(4)傳輸的放大器接線
5、 如權利要求1的一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特征在 于所述接線盒(3)對各傳感器電壓信號進行包括電壓/電流變換在內 的處理后，再接到同一條多芯總線電纜中的對應信號線向預處理電路 (4)傳輸的電壓電流變換接線盒。
6、 如權利要求1的一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特征在 于所述接線盒(3)內部帶有信號選擇電路的信號切換接線盒。
7、 如權利要求1或4的一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特 征在于所述接線盒(3)包括與各傳感器信號對應的多個信號通道 (31)、 (32)、…(3N)，在各信號通道中包括一個運放，該運放的正輸入端與傳感器的信號正端和一個電阻器的一端相連，運放的負輸入端 與傳感器的信號負端和一個電阻器的另一端相連，同時接總線地GND， 其輸出端與總線電纜BAS的輸出信號線之一 I/UC相連，運放的電源 正端接總線BAS的正電源VDD，電源負端接總線BAS的地線GND。
8、 如權利要求1或4的一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特 征在于所述接線盒(3)包括與各傳感器信號對應的多個信號通道 (31)、 (32)、…(3N)，每一個信號通道含有運放0P3N-1、 0P3N-2， 電阻器R3N-1 R3N-6， 二極管D3N-1，傳感器2N的信號正端接到電阻 器R3N-1的一端，還同時接到運放0P3N-1的正輸入端，傳感器2N信 號的另一端接到電阻器R3N-1的另一端，同時接地GND，運放0P3N-1 的輸出端接電阻器R3N-3的一端，還接電阻器R3N-2的一端，R3N-2 的另一端接運放0P3N-2的正輸入端，改正輸入端經過電阻器R3N-5 接地GND,電阻器R3N-3的另一端接到二極管D3N-1正端，二極管的 負端輸出電流信號到總線BAS的信號電纜之一 1/UC，電阻器R3N-3 的另一端還經過電阻器RN3-4接運放0P3N-2的負輸入端，該負輸入 端還經過電阻器R3N-5接運放的輸出端，該運放的輸出端接到運放 0P3N-1的負輸入端；運放0P3N-1、 0P3N-2的電源正端接正電源VDD， 電源負端接地線GND。
9、 如權利要求1或5的一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特 征在于所述接線盒(3)含有模擬多路開關3C1、 3C2，電壓放大或電壓 電流變換電路3C3、 3C4，控制與通信電路3C5，來自振動沖擊傳感器 傳感器(21)、 (22)、 (23)、……(2N)的信號正端分別接入兩個多路模 擬開關3C1、 3C2的模擬輸入端I1、 12、 13……IN，模擬開關3C1的 輸出端接到電壓放大或電壓電流變換電路3C3的輸入端IN-V，模擬 開關3C2的輸出端接到電壓放大或電壓電流變換電路3C4的輸入端 IN-V，電壓電流變換電路3C3的輸出電流端OUT-1接到總線BAS的信 號線UA，電壓放大或電壓電流變換電路3C4的輸出電流端0UT-I接 到總線BAS的信號線UB，控制與通信電路3C5的485通信線485-A、 485-B分別接到總線的通信線485-A、 485-B，控制與通信電路3C5的 控制口PIO、 Pll、…P1N、 P1M對應接到模擬開關3C1的地址控制口 A、 B、 N和片選控制口INC，控制與通信電路3C5的控制口 P20、 P21、…P2N、 P2M對應接到模擬開關3C2的地址控制口A、 B、 N和片 選控制口INC，各單元電路3C1、 3C2、 3C3、 3C4、 3C5的電源端VDD 和地線端GND分別接到總線的VDD和GND。主計算機通過485通信向 接線盒(3)的控制與通信電路3C5發(fā)送指令，控制電路通過地址控制口和片選控制口向多路模擬開關3C1、 3C2發(fā)送控制指令，分別選通 傳感器(21)、 (22)、…(2N)中的某一個信號，經過3C3、 3C4作電壓 電流變換，經總線BAS的信號線1/US、 I/UC傳送到預處理電路(4)， 以便預處理電路同步變換、主計算機同步采集所選擇的兩個信號，進 行所需的如基于振動相對積函數的大型構件斷裂遠程識別。
10、 如權利要求1或2的一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特 征在于所述預處理電路(4)的多個信號預處理單元電路(41) 、 (42)、 (43)、…(4N)含有相同的水平電流電壓轉換電路(411)、垂直電流電 壓轉換電路(413)，水平電流電壓轉換電路(411)的其來自接線盒的水 平輸入信號I/US，可以是電流輸入信號ISI，也可以是電壓輸入信號 USI，電路含有電流輸入信號輸入端ISI、電壓輸入信號輸入端USI， 二極管D41H、D411-2，電阻器R411-1、R41卜2、R411-3、運放0P411、 輸出端US，電源端VDD、 VEE、 VSS、 GND，來自接線盒的電流輸入信 號接電流輸入信號輸入端ISI， ISI接二極管D411-l的正端和D411-2 所的負端，接運放0P411的負輸入端、電阻器R411-1的一端，接電 阻器R411-2、 R411-3的一端，R411-1的另一端接電壓輸入信號輸入 端USI， R411-2的另一端接基準負電源VEE， R411-3的另一端接運放 的輸出端，運放的正電源端接正電源VDD，運放的負電源端接負電源 VSS，運放的正輸入端接地GND，輸入信號的地縣接地GND，還接到二 極管V411-1的負端和V411-2的正端。
11、 如權利要求1或2的一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特 征在于所述預處理電路(4)的每個信號預處理單元電路(41) 、 (42)、 (43) 、... (4N)含有相同的低通濾波器(412) 、 (414)，低通濾波器(412)， 含有電容器C412-1 C412-4，電阻器R412-廣R412-8，運放0P412-1、 0P412-2組成，來自電流電壓轉換器(411)的輸出電壓US接輸入端US， 再接到電容器C412-4的一端，C412-4的另一端接到電阻器R412-6 的一端，還接到電阻器R412-1的一端，R412-1的另一端接到電容器 C412-l的一端，還接到電阻器R412-2的一端，R412-2的另一端接到 電容器C412-2的一端，還接到電阻器R412-3的一端，R412-3的另 一端接到電容器C413的一端，還接到運放0P412-1的正輸入端， R412-6的另一端接地GND， C412-1的另一端接地GND， C412-3的另 一端接地GND， C412-2的另一端接運放0P412-1的輸出端，0P412-1 的負輸入端接電阻器R412-4，還接電阻器R412-5， R412-5的另一端 接運放0P412-1的輸出端，電阻器R412-4的另一端接地GND,運放 0P412-1的輸出端接0P412-2的正輸入端，0P412-2的負輸入端接電 阻器R412-7，還接電阻器R412-8的一端，R412-8的另一端接運放 0P412-2的輸出端，電阻器R412-7的另一端接地GND，兩個運放 0P412-1、 0P412-2的正電源端接正電源VDD，負電源端接負電源VSS，由運放0P412-2的輸出端輸出經過隔直流的、低通濾波的和放大的信 號USV1經過端子USV1輸出到計算機的AD變換器。
12、 如權利要求1或2的一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特 征在于所述預處理電路(4)的每個信號預處理單元電路(41) 、 (42)、 (43)、…(4N)中含有共振解調變換器(415)，其特征是含有運放 0P415-1 0P415-5，電阻器R415-1 R415-15,電容器C415-1 C415-6, 二極管D415-1、 D415-2，來自電流電壓轉換器(413)的輸出端(垂直 振動)輸出電壓UC接到輸入端UC，再接到電阻器R415-1的一端， R415-l的另一端接到電容器C415-l、C415-2的一端和電阻器R415-2 的一端，C415-l的另一端接電阻器R415-3的一端和運放0P415-1的 輸出端、電阻器R415-3的另一端接電容器C415-2的另一端和運放 0P415-1的負輸入端，運放0P415-1的正輸入端和電阻器R415-2的 另一端接地GND，運放0P415-1的輸出端接電阻器R415-4的一端， R415-4的另 一端接運放0P415-2的負輸入端和電阻器R415-5的一端。 R415-5的另一端接運放0P415-2的輸出端，0P415-2的輸出端還通過 電阻器R415-6接到電阻器0P415-2的非接地端，0P415-2的負輸入 端接地GND; 0P415-2的輸出端接電容器C415-3的一端，C415-3的 另一端接電阻器R415-7的一端和運放0P415-3的正輸入端，R415-7 的另一端接地GND，運放0P415-3的接電阻器R415-10的一端和二極 管D415-2的正端，D415-2的負端接0P415-3的輸出端，R415-10的 另一端接0P415-4的負輸入端和電阻器R415-9的一端，R415-9的另 一端接0P415-4的輸出端，0P415-3的輸出端還接二極管D415-1的 正輸入端，D415-l的負端接0P415-4的正輸入端和電阻器R415-8的 一端，R415-8的另一端接地；運放0P415-4的輸出端接到電阻器 R415-11的一端，R415-11的另一端接到電容器C415-4的一端，還接 到電阻器R415-12的一端，R415-12的另一端接到電容器C415-5的 一端，還接到電阻器R415-13的一端，R415-13的另一端接到電容器 C415-6的一端，還接到運放0P415-5的正輸入端，C415-4的另一端 接地GND，C412-6的另一端接地GND,C415-5的另一端接運放0P415-5 的輸出端，0P415-5的負輸入端接電阻器R415-14，還接電阻器 R415-15，R415-15的另一端接運放0P415-5的輸出端，電阻器R415-14 的另一端接地GND;運放0P415-1 0P415-5的正電源端接電源VDD， 運放0P415-1 0P415-5的負電源端接電源VSS;運放0P415-5的輸出 端輸出共振解調變換信號VCI1到計算機的AD轉換器。
13、 一種用在具有安裝在被檢測的非轉運動機械上的若干振動沖 擊傳感器以及接線盒、預處理電路和計算機的進行非轉運動機械故障 診斷的方法，其特征在于它包括基于廣義共振的隨遇激勵故障偵察技 術和基于相對積函數的識別遠程裂損的分析技術。
14、 如權利要求13的非轉運動機械故障診斷方法，其特征在于 所述基于廣義共振的隨遇激勵故障偵察技術包括可以不分先后實施 的廣義共振頻漂疲勞與裂紋識別、廣義共振碰磨沖擊識別、廣義共振 沖擊(頻偏的)疲勞與裂紋識別三個步驟。
15、 如權利要求14的非轉運動機械故障診斷方法，其特征在于 所述廣義共振頻漂疲勞與裂紋識別步驟對來自預處理電路的每一個 預處理單元的水平振動輸出信號USV1 USVN和垂直振動輸出信號 UCV1 UCVN，逐一通過AD變換實現采集，得到一個長度為樣本時段的 數據樣本，進行FFT分析，得到各測點樣本對應的樣本振動頻譜；分 別對每個測點的某個較長的考查時間段中各種不同工況下的大量的 樣本振動頻譜進行統(tǒng)計平均獲得各該測點當前廣義共振分布率譜，然 后通過與歷史廣義共振分布率譜進行比較或與同一機械上多個相鄰 的相似測點的當前廣義共振分布率譜進行比較，識別各該測點廣義共 振頻率的漂移而實現疲勞與裂紋識別。
16、 如權利要求14的非轉運動機械故障診斷方法，其特征在于 所述廣義共振碰磨沖擊識別步驟來自預處理電路的每一個預處理單 元的共振解調變換后輸出信號UCI1 UCIN，逐一通過AD變換實現采 集，得到一個長度為樣本時段的數據樣本，進行FFT分析，得到各測 點樣本對應的樣本沖擊頻譜；對其中譜線幅值大于最大值40 70%的 譜線保留，其余去掉，抽象得到該頻譜的特征頻率，對每個測點的某 個時段中各種不同工況下的廣義共振碰磨沖擊特征頻率求出現率，出 現率為出現該頻率的次數/總的統(tǒng)計次數，如果某測點某特征頻率廣 義共振碰磨沖擊出現率大于50 70%，則確定該測點的支撐系統(tǒng)出現 了非法碰磨。
17、 如權利要求14的非轉運動機械故障診斷方法，其特征在于所述廣義共振沖擊(頻偏的)疲勞與裂紋識別步驟把當前某測點的廣義共振碰磨沖擊特征頻率與其歷史廣義共振碰磨沖擊特征頻率比較，若兩者的相對變化大于8 12%,則確認發(fā)生廣義共振沖擊碰磨的部件 出現了疲勞。
18、 如權利要求13的非轉運動機械故障診斷方法，其特征在于所述基于相對積函數的識別遠程裂損的分析技術包括以下步驟第一步，求相對積系列函數，相對積函數系列""人量化相對 積函數z"^人引入量化鑒別域門g的量化函數w"人Z5G人量化正相對積函數ZZ Z&人量化負相對積函數ZZF&人統(tǒng)計量化正相對 積函數7ZZ^、統(tǒng)計量化負相對積函數71",，對同步采集的兩個振動 信號/7^人/i丫W求上述函數的定義如下 相對積函數"r^定義如下t化相對積函數ZZ &,的定義如下<formula>formula see original document page 7</formula>引入量化鑒別域門g的量化函數定義如下:<formula>formula see original document page 7</formula>o,其它〖化正相對積函數^i^^定義如下:<formula>formula see original document page 7</formula>:化負相對積函數z"/Y^定義如下:<formula>formula see original document page 7</formula>統(tǒng)計量化正相對積函數7XZ^定義如下: rmz = }f zdz (o^統(tǒng)計量化負相對積函數7Z",定義如下:<formula>formula see original document page 7</formula>式中，《&人i^^是被考査相對積的兩個原始函數； 第二步，基于振動相對積函數的大型構件斷裂遠程識別，它對來自預處理電路的每一個預處理單元的水平振動輸出信號USV1 USVN 和垂直振動輸出信號UCV廣UCVN中，某兩個及以上的信號同時采集， 并對每兩個同時采集的振動信號/7W、 /2丫^中各自含有的廣義共 振信號求相對積函數，通過識別該相對積函數的統(tǒng)計負對積大于門限 值0. 707，而判定該兩個振動信號對應的測點之間的機械結構存在疲 勞斷裂。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非轉運動機械故障診斷系統(tǒng)，其特征是它包括在被檢測的非轉運動機械(1)上安裝的若干振動沖擊傳感器(2)，各振動沖擊傳感器(21)、(22)…(2N)的輸出信號端分別與接線盒(3)的輸入端相連，該接線盒(3)的輸出端通過總線電纜與能夠對每一個振動沖擊傳感器信號進行水平振動低通濾波分離、垂直振動低通濾波分離和垂直沖擊共振解調分離處理的預處理電路(4)的輸入端相連，預處理電路(4)的輸出端與通過AD變換器進行數據采樣并能夠通過內設程序進行數據處理和分析診斷的計算機(5)的輸入接口相連。
文檔編號G01M13/00GK101271035SQ20071003459
公開日2008年9月24日 申請日期2007年3月22日 優(yōu)先權日2007年3月22日
發(fā)明者群 何, 唐德堯, 宋辛暉, 黃貴發(fā) 申請人:唐德堯