專利名稱：往復(fù)機(jī)械故障在線診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種故障診斷方法，具體地說是一種往復(fù)機(jī)械故障在線診斷方法。
(二)
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的往復(fù)機(jī)械故障診斷方法雖然可以實(shí)現(xiàn)扭振信號的采集，并可以對扭振信號 進(jìn)行譜分析，但是在畫諧次轉(zhuǎn)速跟蹤譜的時候需要人工手抄不同轉(zhuǎn)速下各諧次的振幅，這 樣會浪費(fèi)大量時間，并且人工手抄存在一定的誤差不夠準(zhǔn)確。目前的扭振測試方法雖然可 以監(jiān)測扭振信號的變化，并且根據(jù)信號的變化判斷是否發(fā)生故障，但是不能根據(jù)扭振信號 和其譜分析的結(jié)果對發(fā)生的故障進(jìn)行類別的判斷。 與本發(fā)明相關(guān)的已有技術(shù)包括申請?zhí)枮?7102397. 2的發(fā)明專利申請文件中公 開的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。它可對機(jī)組的振動、位移和溫度、工藝參 數(shù)及開關(guān)信號的采集、監(jiān)視與故障診斷；申請?zhí)枮?5110233. 8的發(fā)明專利申請文件中公開
的便攜式柴油機(jī)工況監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)。用于檢測機(jī)車柴油機(jī)的燃燒和噴油工況并通過 對工況信息的對比、分析，全面掌握柴油機(jī)的技術(shù)狀態(tài)，為分析故障、確保安全運(yùn)行、延長柴 油機(jī)使用壽命和降低成本提供依據(jù)；申請?zhí)枮?00510047881. 3的發(fā)明專利申請文件中公 開的一種低速重載旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方法。通過應(yīng)力波傳感器提取早期故障的應(yīng)力波信 號，主要解決應(yīng)力波數(shù)據(jù)采集、噪聲抑制、信號特征提取和故障識別與定位等問題。優(yōu)點(diǎn)是 能夠直接檢查出系統(tǒng)早期故障，提出治理方案，將經(jīng)濟(jì)損失降到最小。哈爾濱工程大學(xué)2002 年博士學(xué)位論文《基于扭振信號的柴油機(jī)故障診斷方法研究》，利用扭振信號進(jìn)行柴油機(jī)故 障診斷，具有傳感器簡單、安裝方便、價格便宜、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。船舶工程(2003年第5 期)上刊登的《柴油機(jī)拉缸故障的扭振診斷技術(shù)探索》。利用扭振診斷拉缸的參數(shù)，比較了 拉缸故障、單缸停油故障和突加負(fù)荷時扭振的不同特點(diǎn)，為快速實(shí)用地診斷拉缸故障做了 一些有益的嘗試和理論探索，并引出了在實(shí)踐中還有待于進(jìn)一步解決的問題。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以根據(jù)扭振信號和其譜分析的結(jié)果以及缸壓、油
溫、水溫和排溫參數(shù)對發(fā)生的故障進(jìn)行類別判斷的往復(fù)機(jī)械故障在線診斷方法。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 它包括參數(shù)設(shè)置模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、故障判斷模塊、諧次記錄模 塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊；參數(shù)設(shè)置模塊分為扭振卡設(shè)置和通道設(shè)置兩部分，用扭 振卡設(shè)置設(shè)置齒數(shù)、沖程數(shù)和扭角、水溫、油溫、排溫、缸壓的上下限參數(shù)，用通道設(shè)置設(shè)置 采樣通道、采樣頻率和采樣信號幅值的上下限參數(shù)；參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置的參數(shù)接入信號采 集模塊，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，測量待測對象的扭振、壓力、溫度信號，并判斷經(jīng)由傳感器變換的 電壓信號是否在通道設(shè)置中的參數(shù)范圍內(nèi)，如果不在范圍內(nèi)，則停止數(shù)據(jù)采集，調(diào)整通道設(shè) 置參數(shù)，如果在范圍內(nèi)，則繼續(xù)下面流程；將采集到的信號中的扭振信號部分接入數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理以及扭角的計算處理，除扭振信號外的其余信號 直接進(jìn)入下一個流程；經(jīng)過以上流程的數(shù)據(jù)分別進(jìn)入諧次記錄模塊、故障判斷模塊和數(shù)據(jù) 顯示模塊，經(jīng)過諧次記錄模塊和故障判斷模塊的數(shù)據(jù)最終也通過數(shù)據(jù)顯示模塊顯示出來； 通過數(shù)據(jù)顯示模塊的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)保存模塊中保存起來，在數(shù)據(jù)保存模塊中的數(shù)據(jù)也可以通 過數(shù)據(jù)顯示模塊顯示，以便實(shí)驗(yàn)后仔細(xì)分析處理。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在 1、本發(fā)明可以根據(jù)實(shí)際測量情況設(shè)置測量齒輪的齒數(shù)，往復(fù)機(jī)械是二沖程還是四 沖程，并可以根據(jù)不同的往復(fù)機(jī)械設(shè)置不同扭角、缸壓、油溫、水溫的上下限，以便對于故障 的判斷分析。 2、本發(fā)明可以根據(jù)不同的測試工況，調(diào)整要使用的通道以及采樣頻率等參數(shù)。
3、本發(fā)明可以實(shí)時對采集的扭振時域信號進(jìn)行傅立葉變換并顯示其頻域波形，并 可以同時測量缸壓、排氣溫度、冷卻水溫、滑油溫度等相關(guān)參數(shù)。 4、具有諧次轉(zhuǎn)速跟蹤譜的功能，可以自動根據(jù)二沖程和四沖程的不同自動記錄1
諧次到12諧次12個諧次或0. 5諧次到12諧次24個諧次的全部幅值，在全部轉(zhuǎn)速測量記
錄結(jié)束之后，根據(jù)之前記錄的所有諧次的幅值便可方便地畫出轉(zhuǎn)速跟蹤圖譜。 5、本發(fā)明可以根據(jù)采集到的扭振信號及其譜分析的結(jié)果以及缸壓、水溫、油溫和
排溫進(jìn)行故障診斷，通過不同的特征對故障的類型進(jìn)行分類。 6、本發(fā)明具有保存功能，可以選擇性地保存某一段數(shù)據(jù)，在需要的時候讀取這一 段數(shù)據(jù)并再次顯示以便于故障原因的詳細(xì)分析。
(四)


圖1是結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是主控制面板； 圖3是扭振板設(shè)置面板； 圖4是通道設(shè)置面板； 圖5是FFT處理面板； 圖6是數(shù)據(jù)保存面板。
(五)
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明包括參數(shù)設(shè)置模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、故障判斷模塊、諧次記 錄模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊。 結(jié)合圖1具體說明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法。參數(shù)設(shè)置模塊分為扭振卡設(shè)置和通道設(shè)置 兩部分，扭振卡設(shè)置用來設(shè)置齒數(shù)、沖程數(shù)和扭角、水溫、油溫、排溫、缸壓的上下限等參數(shù)， 通道設(shè)置用來設(shè)置采樣通道、采樣頻率和采樣信號幅值的上下限等參數(shù)；這些參數(shù)接入信 號采集模塊，此模塊根據(jù)這些設(shè)置的參數(shù)，測量待測對象的扭振、壓力、溫度等信號，并判斷 經(jīng)由傳感器變換的電壓信號是否在通道設(shè)置中的參數(shù)范圍內(nèi)，如果不在范圍內(nèi)，則停止數(shù) 據(jù)采集，調(diào)整通道設(shè)置參數(shù)，如果在范圍內(nèi)，則繼續(xù)下面流程；將采集到的信號中的扭振信 號部分接入數(shù)據(jù)處理模塊，此模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理以及扭角的計算處理，扭角計算公 式如下<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，e為扭角值，"為瞬時角速度，t。為最終輸出信號的周期，化.
360。
-為平均
角速度，N為齒輪齒數(shù)，tn為輸出n個方波信號的時間，n為方波個數(shù)，dt為時間微元。
除扭振信號外的其余信號直接進(jìn)入下一個流程；經(jīng)過以上流程的數(shù)據(jù)分別進(jìn)入諧 次記錄模塊、故障判斷模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，諧次記錄模塊根據(jù)往復(fù)機(jī)械二沖程和四沖程 的不同，自動記錄每一次測試轉(zhuǎn)速下的1諧次到12諧次12個諧次或0. 5諧次到12諧次24 個諧次的全部幅值。故障判斷模塊把處理后的數(shù)據(jù)與扭振卡中設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行比較，如果 在范圍內(nèi)，則往復(fù)機(jī)械工作正常，如果不在范圍內(nèi)，則發(fā)生故障，進(jìn)而根據(jù)是哪一個或哪幾 個參數(shù)超出設(shè)定的范圍，判斷是故障類型，如扭振超標(biāo)、油溫超標(biāo)、水溫超標(biāo)、排溫超標(biāo)和缸 壓超標(biāo)。 經(jīng)過諧次記錄模塊和故障判斷模塊的數(shù)據(jù)最終也通過數(shù)據(jù)顯示模塊顯示出來；通 過數(shù)據(jù)顯示模塊的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)保存模塊中保存起來，在數(shù)據(jù)保存模塊中的數(shù)據(jù)也可以通過 數(shù)據(jù)顯示模塊顯示，以便實(shí)驗(yàn)后仔細(xì)分析處理。 此方法可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。以應(yīng)用Labwindows/CVI軟件為例，詳細(xì)說明 儀器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的編程過程 1、控制面板的制作。如圖2-圖6所示，依次將所需的控件安放在適當(dāng)?shù)奈恢?，?對每個控件做相應(yīng)的設(shè)置。其中圖2為主面板，需要設(shè)置下拉菜單。
2、主要回調(diào)函數(shù)的編寫。 (1)主面板上左側(cè)的兩個"開始"按鈕，功能相同，分別負(fù)責(zé)第一路和第二路扭振信 號的采集。根據(jù)在參數(shù)設(shè)置模塊中讀取的相關(guān)參數(shù)，啟動DAQ數(shù)據(jù)采集任務(wù)，通過數(shù)據(jù)采集 卡采集信號并存儲在數(shù)組當(dāng)中；同時，將采集時間儲存在另一個數(shù)組當(dāng)中，并且使二者中的 數(shù)值一一對應(yīng)，根據(jù)下述的扭角計算公式計算采集波形的扭角隨時間的變化規(guī)律，將扭角 幅值儲存在一個數(shù)組中，與之前的時間數(shù)組一一對應(yīng)，以時間數(shù)組為橫坐標(biāo)值，扭角幅值數(shù) 組為縱坐標(biāo)值，將其繪制在標(biāo)準(zhǔn)扭角波形圖形控件上。扭角計算公式如下
力-
, d 360°, (、其中，e為扭角值，"為瞬時角速度，t。為最終輸出信號的周期，^
360c
-為平均
5角速度，N為齒輪齒數(shù)，tn為輸出n個方波信號的時間，n為方波個數(shù)，dt為時間微元。
將計算的扭角值與扭振卡設(shè)置中的扭角范圍比較，如果超出所設(shè)定的范圍，則令 面板左上側(cè)的報警燈閃爍，如果在范圍內(nèi)，則報警燈保持綠色不變。 (2)主面板上右側(cè)的"開始"按鈕用來控制氣缸壓力、排氣溫度、水溫和油溫等七路 I/O信號的采集，啟動DAQ數(shù)據(jù)采集任務(wù)，分別將七路采集到的不同信號存儲在不同的數(shù)組 當(dāng)中，并將數(shù)值顯示在對應(yīng)的控件當(dāng)中。 將采集到的氣缸壓力、排氣溫度、水溫和油溫的信號值與扭振卡設(shè)置中的對應(yīng)設(shè) 置范圍比較，如果超出所設(shè)定的范圍，則令面板左上側(cè)的對應(yīng)報警燈閃爍，如果在范圍內(nèi)， 則報警燈保持綠色不變。 (3)主面板上的"停止"按鈕，中止DAQ數(shù)據(jù)采集卡的采集任務(wù)，使數(shù)據(jù)采集卡停止 采集信號的任務(wù)，便可停止對應(yīng)通道的工作，等待新的操作。 (4)主面板上的"保存"按鈕，把采集到的信號數(shù)據(jù)以及經(jīng)過計算所得到的數(shù)據(jù)保 存成文本文檔。 (5)主面板上的"讀取"按鈕，讀取以前保存的文本文檔，并將讀取的數(shù)據(jù)顯示在面 板對應(yīng)的控件上。 (6)FFT處理利用LabWindows軟件函數(shù)庫中的FFT函數(shù)，對計算得到的扭角時域 信號進(jìn)行FFT變換，同時可以選擇函數(shù)庫當(dāng)中的窗函數(shù)(本發(fā)明中選用了幾種常用的窗函 數(shù))，將處理之后得到的頻域信號顯示在FFT處理面板上。 (7)扭振板面板和通道設(shè)置面板上的"OK"按鈕，讀取面板控件上設(shè)置的參數(shù)值， 用于信號采集和處理使用。 4、程序運(yùn)行調(diào)試后，使用Labwindows/CVI自身具有的軟件打包功能，將其編輯成 安裝文件，可以在任意一臺裝有DAQ數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序的計算機(jī)上安裝運(yùn)行，并且不要 求此計算機(jī)安裝有Labwindows/CVI軟件。
本系統(tǒng)具體操作方法 1、測試傳感器的安裝。當(dāng)需要測量軸系的扭振時，在測量處安裝測量齒輪，然后將
磁電式傳感器與輪齒齒頂垂直安放；當(dāng)需要測量溫度和壓力信號時，在相應(yīng)的部位安裝溫
度和壓力傳感器。傳感器安裝完畢后，用BNC線將傳感器與數(shù)據(jù)采集卡相連。 2、打開測試主面板，在測試前首先設(shè)置圖3所示的扭振板設(shè)置和圖4所示的通道
設(shè)置，齒數(shù)設(shè)置是根據(jù)測試所采用的測量齒輪的齒數(shù)決定，其它參數(shù)則由實(shí)際所測量的情
況決定。 3、設(shè)置完畢后，即可進(jìn)行測試。點(diǎn)擊面板上的開始按鈕便可進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)測試。 面板左側(cè)的兩個兩個Graph控件可以同時顯示兩路相對獨(dú)立的扭振信號，它們把兩倍齒數(shù) 個數(shù)的扭角大小的數(shù)據(jù)做為一幀不斷刷新顯示在控件中。同樣從七路1/0通道采集到的壓 力、滑油溫度、排氣溫度、冷卻水溫度顯示在右邊的一個Gr即h控件和Numeric控件中。并 且同時將數(shù)據(jù)處理模塊計算出的軸系的轉(zhuǎn)速顯示在左邊的String控件中。同樣數(shù)據(jù)處理 模塊還會根據(jù)參數(shù)設(shè)置模塊中設(shè)置好的參數(shù)以及采集到的缸壓、水溫、油溫等參數(shù)顯示在 右上的String控件中。左面最上面是六個報警燈，在參數(shù)設(shè)置面板上(如圖3)可以設(shè)置 好各種信號的上下限，當(dāng)采集到的信號超過報警界限時，其對應(yīng)的報警燈就會紅綠交替閃 爍以提醒操作人員。
4、點(diǎn)擊上方菜單欄的扭振分析一FFT處理可以彈出圖5所示的面板，此面板可以 將主面板顯示的兩路扭振信號實(shí)時進(jìn)行FFT處理然后顯示在Graph控件中，右面的下拉式 控件可以為FFT處理選擇加窗的方式，其中包括我們比較常用的如三角窗、矩形窗、海寧窗 等。另外在圖5中的Gr即h控件中還設(shè)置有游標(biāo)，我們可以拖動游標(biāo)到你想顯示的點(diǎn)，這時 系統(tǒng)會自動把你所選擇的點(diǎn)的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊計算成幅值、頻率、轉(zhuǎn)速 顯示在Graph下面的String控件中。 5、圖6是數(shù)據(jù)保存面板中的一個，它保存的是一諧次的所有數(shù)據(jù)。同樣的面板有 24塊，系統(tǒng)可以自動根據(jù)二沖程和四沖程的不同自動記錄1諧次到12諧次12個諧次或0. 5 諧次到12諧次24個諧次的全部幅值，在全部轉(zhuǎn)速測量記錄結(jié)束之后，根據(jù)之前記錄的所有 諧次的幅值便可方便地畫出轉(zhuǎn)速跟蹤圖譜。 6、讀取歷史數(shù)據(jù)文件，使用的是和實(shí)時采集不同的藍(lán)色實(shí)線以區(qū)別，工作人員可 以自由選擇要保存的有效數(shù)據(jù)，然后隨時進(jìn)行讀取來進(jìn)行故障原因的具體分析。
權(quán)利要求
一種往復(fù)機(jī)械故障在線診斷方法，其特征是它包括參數(shù)設(shè)置模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、故障判斷模塊、諧次記錄模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊；其特征是參數(shù)設(shè)置模塊分為扭振卡設(shè)置和通道設(shè)置兩部分，用扭振卡設(shè)置設(shè)置齒數(shù)、沖程數(shù)和扭角、水溫、油溫、排溫、缸壓的上下限參數(shù)，用通道設(shè)置設(shè)置采樣通道、采樣頻率和采樣信號幅值的上下限參數(shù)；參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置的參數(shù)接入信號采集模塊，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，測量待測對象的扭振、壓力、溫度信號，并判斷經(jīng)由傳感器變換的電壓信號是否在通道設(shè)置中的參數(shù)范圍內(nèi)，如果不在范圍內(nèi)，則停止數(shù)據(jù)采集，調(diào)整通道設(shè)置參數(shù)，如果在范圍內(nèi)，則繼續(xù)下面流程；將采集到的信號中的扭振信號部分接入數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理以及計算采集扭振信號的扭角值，除扭振信號外的其余信號直接進(jìn)入下一個流程；經(jīng)過以上流程的數(shù)據(jù)分別進(jìn)入諧次記錄模塊、故障判斷模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，經(jīng)過諧次記錄模塊和故障判斷模塊的數(shù)據(jù)最終也通過數(shù)據(jù)顯示模塊顯示出來。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種往復(fù)機(jī)械故障在線診斷方法，其特征是通過數(shù)據(jù)顯示 模塊的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)保存模塊中保存起來，在數(shù)據(jù)保存模塊中的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)顯示模塊顯 示。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種往復(fù)機(jī)械故障在線診斷方法，其特征是 所述計算采集扭振信號的扭角值，所用的計算公式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中，e為扭角值，"為瞬時角速度，^為最終輸出信號的周期，化=^"為平均角速度，N為齒輪齒數(shù)，tn為輸出n個方波信號的時間，n為方波個數(shù)，dt為時間微元。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種往復(fù)機(jī)械故障在線診斷方法。它包括參數(shù)設(shè)置模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、故障判斷模塊、諧次記錄模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊。參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置的參數(shù)接入信號采集模塊，測量待測對象的扭振、壓力、溫度等信號，并判斷電壓信號是否在通道設(shè)置中的參數(shù)范圍內(nèi)；將采集到的信號中的扭振信號部分接入數(shù)據(jù)處理模塊，對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理以及扭角的計算處理，除扭振信號外的其余信號直接進(jìn)入下一個流程；數(shù)據(jù)分別進(jìn)入諧次記錄模塊、故障判斷模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。本發(fā)明可以根據(jù)扭振信號和其譜分析的結(jié)果以及缸壓、油溫、水溫和排溫參數(shù)對發(fā)生的故障進(jìn)行類別判斷。
文檔編號G01M99/00GK101762381SQ20091007332
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者丁勇, 呂秉琳, 李玩幽, 路勇, 郭宜斌 申請人:哈爾濱工程大學(xué)