專利名稱：多傳感器共振解調(diào)故障檢測(cè)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種故障檢測(cè)方法，特別適用于運(yùn)行中軸承的故障檢測(cè)。是共振解調(diào)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展。
所謂共振解調(diào)技術(shù)，亦有稱為沖擊脈沖技術(shù)、包絡(luò)檢波技術(shù)或早期故障檢測(cè)(IFD)技術(shù)的，是對(duì)低頻(通常為數(shù)kHz以內(nèi))的沖擊所激起的高頻(數(shù)十倍于沖擊頻率的)共振波形進(jìn)行包絡(luò)檢波和低通濾波即解調(diào)，獲得一個(gè)對(duì)應(yīng)于低頻沖擊的，而又放大并展寬了的共振解調(diào)波。該技術(shù)已經(jīng)并將更廣泛應(yīng)用于對(duì)在線的或試驗(yàn)運(yùn)行中的機(jī)械及其軸承、齒輪等進(jìn)行故障診斷監(jiān)控。如用于滾動(dòng)軸承的故障檢測(cè)，就是利用運(yùn)轉(zhuǎn)軸承零件中故障(如裂紋和剝落坑等)的低頻沖擊所產(chǎn)生的頻域十分寬廣、頻譜極為豐富的故障沖擊波的高頻分量，激起高頻諧振器的共振，再對(duì)高頻共振波進(jìn)行解調(diào)處理，獲得一個(gè)剔除了低頻振動(dòng)干擾，但富含故障信息而信噪比大為提高的共振解調(diào)波，并憑借對(duì)此共振解調(diào)波的幅值和頻譜分析，實(shí)現(xiàn)判定故障的量值和故障類型(故障所在)。這就是共振解調(diào)故障檢測(cè)診斷技術(shù)。
故障沖擊的高頻共振響應(yīng)，可以由傳感器直接諧振響應(yīng)，或是由機(jī)械系統(tǒng)諧振響應(yīng)，但更為優(yōu)越因而也更常用的是由檢測(cè)儀表中的電子諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
從圖1所示共振解調(diào)變換過(guò)程的波形特征，可簡(jiǎn)要地反映出共振解調(diào)故障檢測(cè)的原理與優(yōu)越性。故障沖擊波(圖1a)時(shí)域脈寬極窄，幅值甚小，頻譜豐富。諧振器對(duì)沖擊的共振響應(yīng)波形(圖1b)是一組幅值被放大了并與故障沖擊強(qiáng)度成正比，波動(dòng)頻率為諧振器的固有頻率，而時(shí)域展寬了的，呈自由衰減的高頻間歇振蕩波形。(成組的重復(fù)頻率與故障沖擊重復(fù)頻率相同)。共振解調(diào)波(圖1c)與原始沖擊比較，是重復(fù)頻率相同但幅值放大了并時(shí)域展寬了，因而共振解調(diào)輸出的解調(diào)脈沖，其低階頻譜的能量較沖擊脈沖的低階能量是極大地增強(qiáng)了。加之變換過(guò)程中諧振器剔除了常規(guī)振動(dòng)的干擾，故解調(diào)輸出信號(hào)與原始信號(hào)相比，可獲得高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的信噪比和取得沒有故障就沒有共振解調(diào)波和其頻譜的良好效果。
因此，共振解調(diào)故障診斷系統(tǒng)通常含有受感信號(hào)的傳感器和共振解調(diào)檢測(cè)儀表，(如本所研制的JK8241系列儀表)，高級(jí)精密快速自動(dòng)診斷系統(tǒng)則還含有計(jì)算機(jī)及專用的軟件，(如本所研制的JK86411鐵路車輛輪對(duì)軸承不分解試驗(yàn)診斷系統(tǒng))。
在現(xiàn)有的包括共振解調(diào)技術(shù)在內(nèi)的檢測(cè)技術(shù)中，大多是于同一檢測(cè)部位設(shè)一個(gè)傳感器受感的，即使對(duì)一個(gè)檢測(cè)部位設(shè)兩個(gè)傳感器，其信號(hào)也是孤立地、互不聯(lián)系地進(jìn)行處理，如振動(dòng)測(cè)量中的垂直振動(dòng)和水平振動(dòng)檢測(cè)。這不僅需配置更多的檢測(cè)儀表和設(shè)備，也需在事后花費(fèi)更多的時(shí)間進(jìn)行分析，有礙于檢測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，而且可能為眾多的假象所迷惑，防礙人們對(duì)客觀事物的正確認(rèn)識(shí)。仍以滾動(dòng)軸承的故障檢測(cè)為例。因單一傳感器相對(duì)于故障點(diǎn)的方位是隨機(jī)不定的或變化的，如假定軸承的外環(huán)有故障，則受感故障誘發(fā)的沖擊信號(hào)的傳感器只有裝在故障所在的方位時(shí)信號(hào)才最強(qiáng)，若傳感器裝在遠(yuǎn)離故障點(diǎn)的方位則感受到的信號(hào)很弱，對(duì)于特大口徑的軸承，由于傳遞過(guò)程中的信號(hào)嚴(yán)重?fù)p耗甚至得不到信號(hào)。由于事先不可能知道軸承有無(wú)故障和故障的方位，希望將傳感器裝到故障點(diǎn)附近便是不可能的。為了彌補(bǔ)這種缺陷，在試驗(yàn)診斷中往往采用將外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)若干方位并檢測(cè)若干次的方法以選取最大的量值。但這將使檢測(cè)分析的時(shí)間與之同步增長(zhǎng)。對(duì)于固定設(shè)備上的軸承，則因?yàn)椴荒苻D(zhuǎn)動(dòng)外環(huán)，只好用一個(gè)傳感器到各方位作多次測(cè)量，但又可能遇到某些設(shè)備不容一次次地停機(jī)改裝傳感器的問(wèn)題，于是又出現(xiàn)了將多個(gè)傳感器一次分方位裝入，再一個(gè)個(gè)地分方位檢測(cè)的方法?？傊?，這樣檢測(cè)的時(shí)間仍不能減少，如若需同步采集數(shù)據(jù)，則儀表設(shè)備也要重復(fù)地設(shè)置許多套，常于實(shí)際條件所不容。同時(shí)存在的另一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題是，共振解調(diào)檢測(cè)方法必因單個(gè)傳感器所受感的信號(hào)受到轉(zhuǎn)動(dòng)件的調(diào)制而失真，處理不當(dāng)就可能出現(xiàn)錯(cuò)診。例如在大口徑軸承中，假定滾動(dòng)體有故障，并假定故障和大多數(shù)情況下一樣，對(duì)于內(nèi)外環(huán)的沖擊是各向等量的，則該故障滾子在經(jīng)過(guò)傳感器所在的方位沖擊外環(huán)時(shí)，傳感器所獲得的信號(hào)最大。然后，隨故障滾子運(yùn)動(dòng)離開傳感器時(shí)，傳感器所獲得的信號(hào)漸漸減弱，至最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)信號(hào)最小。滾子運(yùn)動(dòng)漸漸靠近傳感器，信號(hào)又漸強(qiáng)，再次經(jīng)過(guò)傳感器所在的方位時(shí)，傳感器又獲得最強(qiáng)的信號(hào)。如此周而復(fù)始地變化，信號(hào)即出現(xiàn)調(diào)幅。其最大最小值之差與最大幅度之比，稱為“調(diào)制深度”，它可以描述信號(hào)受感時(shí)在傳遞中的損失程度。調(diào)制深度等于零表示信號(hào)未被調(diào)制;調(diào)制深度等于1表示信號(hào)的最小值等于零。當(dāng)人們孤立地對(duì)此具有調(diào)制特征的信號(hào)從頻譜和幅值方面進(jìn)行故障分析時(shí)，則不僅將發(fā)現(xiàn)有關(guān)于滾子故障的頻譜，還有以滾子公轉(zhuǎn)周期為特征表征保持架故障的頻譜。這就給確診故障增加了困難，乃至發(fā)生錯(cuò)診，并影響對(duì)故障量值的準(zhǔn)確量度。調(diào)制深度愈大，錯(cuò)診率也就愈大。尤其在軸承中存在多個(gè)多類故障而頻譜復(fù)雜時(shí)更嚴(yán)重。
因此，應(yīng)用現(xiàn)有的共振解調(diào)技術(shù)進(jìn)行故障檢測(cè)時(shí)，特別是對(duì)大型設(shè)備和大型軸承的故障檢測(cè)，存在著上述的費(fèi)時(shí)，費(fèi)事，系統(tǒng)復(fù)雜以及調(diào)制度的影響等問(wèn)題，有礙于檢測(cè)診斷的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的相對(duì)簡(jiǎn)化。這也就是本發(fā)明要解決的問(wèn)題和發(fā)明的任務(wù)。
應(yīng)用共振解調(diào)故障檢測(cè)技術(shù)，采用多個(gè)傳感器于同一檢測(cè)部位并列受感，并對(duì)各傳感器的信號(hào)合理地進(jìn)行疊加處理，使所獲得的信號(hào)相對(duì)于疊加前是減小調(diào)制深度的和減小故障方位影響的。這就是本發(fā)明的基本技術(shù)方案。
下面對(duì)本技術(shù)方案作進(jìn)一步的細(xì)述。
關(guān)于多傳感器，可以是包括振動(dòng)、沖擊、應(yīng)變、超聲等多類傳感器或多個(gè)同類的傳感器。
多傳感器圓周布置安裝的最佳實(shí)施方案，是使疊加后的故障信號(hào)能獲得最小調(diào)制深度的和故障方位影響最小的均布安裝方案。
對(duì)于軸承的故障檢測(cè)而言，沿圓周安裝的傳感器數(shù)，當(dāng)軸承的直徑在300mm以內(nèi)時(shí)，可采用2個(gè)或1個(gè)傳感器(直徑小于100mm的軸承一般應(yīng)用單傳感器即可)。直徑300～1000mm的軸承可用3或4個(gè)傳感器。直徑大于1000mm的軸承用多于4個(gè)傳感器。
對(duì)軸承故障進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)檢測(cè)，通常有一套夾持外環(huán)的夾具，受感故障的傳感器1就安裝在此夾具2上。參見附圖2～4。
應(yīng)用振動(dòng)、沖擊、應(yīng)變等接觸式類型傳感器檢測(cè)軸承故障時(shí)，軸承外環(huán)3與夾具2在受感點(diǎn)處應(yīng)實(shí)現(xiàn)緊密的面接觸，以增強(qiáng)信號(hào)的耦合效果，且傳感器應(yīng)安裝在該緊密接觸面中心的法線位置，從而保證該傳感器的良好受感。參見附圖3、4。
若采用超聲傳感器受感，超聲傳感器1周向安裝時(shí)，其安裝軸線應(yīng)沿軸承的直徑方向指向軸承的軸心，并在軸承與傳感器之間置有集聲通道4，見附圖2。并按下述兩項(xiàng)要求設(shè)計(jì)超聲傳感器與軸承的距離1，超聲傳感器對(duì)軸承的主視角P(由傳感器安裝位置所確定的受感點(diǎn)到能見到的軸承外環(huán)的弧段所形成的張角)，應(yīng)不大于傳感器的接收角。
2，軸承的“被視角”Q(軸承被超聲傳感器所見到的外環(huán)弧段的弧度數(shù))與傳感器數(shù)N有下列的對(duì)應(yīng)關(guān)系N 1或2 3 4Q ＞150° ＞120° ＞90°
超聲傳感器的安裝孔內(nèi)可墊上軟質(zhì)的緩沖絕緣材料，使超聲傳感器實(shí)現(xiàn)絕緣與隔聲安裝。
關(guān)于多傳感器的信號(hào)處理。
多傳感器的信號(hào)經(jīng)處理后，最終應(yīng)疊加為一個(gè)共振解調(diào)信號(hào)用于檢測(cè)、診斷。
在要求不高時(shí)，可以將各傳感器的信號(hào)直接疊加。其具體方法可視傳感器和與傳感器直接配接的電路的功能而定。例如應(yīng)用電荷類傳感器(如壓電式振動(dòng)加速度傳感器、沖擊傳感器，壓電式超聲傳感器，駐極體聲傳感器等)與并聯(lián)電壓負(fù)反饋式電荷電壓轉(zhuǎn)換放大器配接，則可將傳感器直接并聯(lián)后接電荷放大器;應(yīng)用供電式低輸出阻抗應(yīng)變傳感器時(shí)，可以用并聯(lián)電壓負(fù)反饋式電壓放大器做加法器對(duì)各傳感器的信號(hào)疊加。疊加后再進(jìn)行共振解調(diào)處理。
為取得更好的信號(hào)處理質(zhì)量，則因?yàn)椴粌H有傳感器的靈敏度不等需要分別調(diào)節(jié)的問(wèn)題，而且對(duì)于傳感器受感的高頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，在用共振解調(diào)原理檢測(cè)故障時(shí)，故障載波的頻率均選擇為高頻，(例如為25kHz;載波信號(hào)在鋼鐵里的傳遞速度約5000m/s，故障載波的波長(zhǎng)在0.2m以下)故障源到各傳感器的信號(hào)傳遞路徑的長(zhǎng)短差別，將導(dǎo)至載波信號(hào)相位的顯著差別，而不同相位的同頻信號(hào)的疊加結(jié)果是同頻的幅值不定的信號(hào)，這就必然破壞定量測(cè)量的準(zhǔn)確度。但是，所載的調(diào)制波的頻率通常在數(shù)kHz以下，其波長(zhǎng)則在2m以上，傳感器的位置差別所帶來(lái)的信號(hào)的相位差甚小，進(jìn)行疊加影響甚微。因此，基于共振解調(diào)原理檢測(cè)故障的多傳感器信號(hào)的疊加，不宜用解調(diào)前的高頻信號(hào)直接接疊加的方法，而應(yīng)在解調(diào)后對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行疊加。即應(yīng)對(duì)同一檢測(cè)部位各傳感器的信號(hào)單獨(dú)共振放大、調(diào)節(jié)靈敏度校準(zhǔn)和解調(diào)，然后對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行疊加。
據(jù)此，用于多傳感器共振解調(diào)故障診斷系統(tǒng)中的共振解調(diào)檢測(cè)儀相應(yīng)如圖5所示，應(yīng)是多通道的，每個(gè)通道從各自的傳感器1輸入，各自有含電荷電壓轉(zhuǎn)換放大器或電壓放大器的前置電路5，量值規(guī)一化校準(zhǔn)器6，和進(jìn)行諧振、濾波的諧振器7及解調(diào)器8，此外儀表還應(yīng)有一個(gè)對(duì)各通道解調(diào)信號(hào)求和疊加和校準(zhǔn)的疊加器9，以期最終獲得一個(gè)較為理想的共振解調(diào)故障信號(hào)。當(dāng)然，對(duì)于含有計(jì)算機(jī)的高級(jí)精密診斷系統(tǒng)，疊加處理也可以在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，相應(yīng)的共振解調(diào)檢測(cè)儀表中就可以不設(shè)疊加器單元。
還應(yīng)指出由于在多傳感器之一的某個(gè)傳感器的附近產(chǎn)生故障沖擊，由另一個(gè)傳感器受感所得到的信號(hào)并不是零，因此，多傳感器信號(hào)的解調(diào)疊加值，大于單傳感器可受感到的最大值。此種量值差異可以通過(guò)校準(zhǔn)調(diào)節(jié)電路或疊加電路消除。
應(yīng)用上述多傳感器受感和信號(hào)疊加方法，可以大幅度地減小共振解調(diào)故障信號(hào)的調(diào)制深度，減少故障方位對(duì)于診斷的影響，從而降低錯(cuò)診率和漏診率;對(duì)疊加后的信號(hào)作一次性的分析處理，提高了測(cè)量分析的準(zhǔn)確度，減少了診斷過(guò)程的工作量和診斷時(shí)間，還可使復(fù)雜的診斷系統(tǒng)簡(jiǎn)化。
多傳感器共振解調(diào)故障檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成功地在鐵路車輛輪對(duì)軸承不分解試驗(yàn)診斷系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，與診斷系統(tǒng)其它技術(shù)配合，取得了對(duì)車輛輪對(duì)軸承故障的確診率高達(dá)95%以上，而漏診率接近于零的高水平。


圖1 共振解調(diào)變換過(guò)程波形特征圖(1a-故障沖擊的波形，1b-高頻共振響應(yīng)，1c-共振解調(diào)波形。)圖2 超聲傳感器的安裝示意圖。
圖3、4 接觸式傳感器安裝示意5 多傳感器共振解調(diào)檢測(cè)儀表電路的結(jié)構(gòu)框圖(1-傳感器，2-夾具，3-檢測(cè)的軸承，4-集聲通道，5-前置電路，6-量值規(guī)一化校準(zhǔn)器，7-諧振器，8-解調(diào)器，9-疊加器)
權(quán)利要求
1.一種多傳感器共振解調(diào)故障檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用于含有傳感器、共振解調(diào)檢測(cè)儀表的故障診斷系統(tǒng)中，根據(jù)故障沖擊的高頻共振解調(diào)波形的幅值和頻譜檢測(cè)故障，其特征在于當(dāng)故障沖擊信號(hào)的傳遞損耗很大時(shí)，于同一檢測(cè)部位用多個(gè)傳感器并列受感，并對(duì)各傳感器受感的故障沖擊信號(hào)處理，最終疊加成一個(gè)共振解調(diào)信號(hào)，用于檢測(cè)診斷。
2.按權(quán)利要求1所述的多傳感器共振解調(diào)故障檢測(cè)技術(shù)，其特征在于同一檢測(cè)部位的沿圓周安裝的多傳感器為均布安裝。
3.按權(quán)利要求1所述的多傳感器共振解調(diào)故障檢測(cè)技術(shù)，其特征在于安裝在同一檢測(cè)部位的多傳感器，可以是多個(gè)同類傳感器，也可以是不同類的多傳感器。
4.按權(quán)利要求1、2、3所述的多傳感器共振解調(diào)故障檢測(cè)技術(shù)，其特征在于當(dāng)用于軸承的故障檢測(cè)時(shí)，沿圓周安裝的傳感器數(shù)為當(dāng)軸承直徑在300mm以內(nèi)時(shí)采用2個(gè)或1個(gè)傳感器，當(dāng)軸承直徑在300～1000mm以內(nèi)時(shí)采用3或4個(gè)傳感器。1m以上的軸承則用多于4個(gè)傳感器。
5.按權(quán)利要求1、2、3所述的多傳感器共振解調(diào)故障檢測(cè)技術(shù)，其特征在于當(dāng)用于軸承故障試驗(yàn)檢測(cè)，且有專用夾具夾持軸承和采用接觸式類型(如振動(dòng)、沖擊、應(yīng)變)傳感器時(shí)，夾具與軸承外環(huán)在受感點(diǎn)處應(yīng)有緊密的接觸面，傳感器就安裝在夾具該緊密接觸面中心的法線位置上。
6.按權(quán)利要求1、2、3所述的多傳感器共振解調(diào)故障檢測(cè)技術(shù)，其特征在于當(dāng)用于軸承故障試驗(yàn)檢測(cè)并有專用夾具夾持軸承和采用超聲傳感器，超聲傳感器沿圓周安裝時(shí)，其安裝軸線應(yīng)沿軸承直徑方向并指向軸承軸心，在軸承與傳感器間置有集聲通道，且按下述兩項(xiàng)要求設(shè)計(jì)超聲傳感器與軸承的距離超聲傳感器的主視角P應(yīng)小于該傳感器的接收角，軸承對(duì)傳感器的被視角Q對(duì)應(yīng)傳感器數(shù)N滿足下列關(guān)系N 1或2 3 4Q 大于150° 大于120° 大于90°
7.按權(quán)利要求1所述的多傳感器共振解調(diào)故障檢測(cè)技術(shù)，其特征在于多傳感器的信號(hào)疊加處理，是在疊加前經(jīng)各自單獨(dú)共振放大、調(diào)節(jié)靈敏度校準(zhǔn)和各自單獨(dú)解調(diào)處理后求和疊加，而求和疊加可以在診斷系統(tǒng)內(nèi)的共振解調(diào)檢測(cè)儀或計(jì)算機(jī)中進(jìn)行。
8.按利要求1所述的多傳感器共振解調(diào)故障檢測(cè)技術(shù)，其特征在于診斷系統(tǒng)中的共振解調(diào)檢測(cè)儀是多通道的，各通道從各自的傳感器1輸入，各自有含電荷電壓轉(zhuǎn)換放大器或電壓放大器的前置電路5，量值規(guī)一化校準(zhǔn)器6，諧振器7和解調(diào)器8，并有一個(gè)對(duì)各通道信號(hào)求和疊加和校準(zhǔn)的疊加器9。
全文摘要
一種基于現(xiàn)有其振解調(diào)故障檢測(cè)的多傳感器檢測(cè)技術(shù)，旨在對(duì)軸承、齒輪或其它傳動(dòng)機(jī)械在線或試驗(yàn)運(yùn)行中故障診斷。其特征是在同一檢測(cè)部位處，用多個(gè)同類或不同類的傳感器并列受感，并將各傳感器信號(hào)疊加處理最終成一個(gè)共振解調(diào)信號(hào)用于故障診斷。發(fā)明還涉及多傳感器的安裝、布置及系統(tǒng)中使用的共振解調(diào)檢測(cè)儀表電路的框圖結(jié)構(gòu)。本發(fā)明與現(xiàn)有共振解調(diào)故障檢測(cè)技術(shù)比較，使故障檢測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確度和確診率明顯提高，而系統(tǒng)相應(yīng)簡(jiǎn)化。
文檔編號(hào)G01M13/04GK1050442SQ90105568
公開日1991年4月3日 申請(qǐng)日期1990年10月15日 優(yōu)先權(quán)日1990年10月15日
發(fā)明者唐德堯, 陳灝 申請(qǐng)人:航空航天工業(yè)部第六○八研究所