CN101271035A - 一种非转运动机械故障诊断***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非转运动机械故障诊断***，其特征是：它包括在被检测的非转运动机械(1)上安装的若干振动冲击传感器(2)，各振动冲击传感器(21)、(22)…(2N)的输出信号端分别与接线盒(3)的输入端相连，该接线盒(3)的输出端通过总线电缆与能够对每一个振动冲击传感器信号进行水平振动低通滤波分离、垂直振动低通滤波分离和垂直冲击共振解调分离处理的预处理电路(4)的输入端相连，预处理电路(4)的输出端与通过AD变换器进行数据采样并能够通过内设程序进行数据处理和分析诊断的计算机(5)的输入接口相连。

Description

一种非转运动机械故障诊断***和方法

技术领域

本发明涉及一种非转运动机械故障诊断***和方法，主要用于在运动中通过检测广义共振实现非转动机械的疲劳、裂纹、断裂、碰撞等严重危及安全的故障诊断。

背景技术

对于非转动机械的故障检测，已有技术主要采用静态试验检测的方法解决或动态应变检测的方法解决，这些方法已经写入了各行业关于相关机械设备的设计、制造、检验的规程或标准而成为法规性的文件。例如铁道行业对于火车的机车、车辆的车厢、转向架等庞大的非转运动机械，就用《TB/T 2360-93》规定了静态试验的几种方法，如：跌落冲击法(令车轮慢慢爬上斜块最高点然后突然跌落)；激振器激励法(用功率巨大的激振器按照调查得到的载荷谱对火车进行整车的激振)；敲击法(铁路工人用小锤敲击部件听取声音的变化来确定有无故障)等等。这些方法和技术的缺点之一，是需要在停车时进行试验检测，如果在运行中发生故障，就不能发现；缺点之二是需要庞大笨重的试验设备和专门的试验场所；缺点之三是进行上述实验测试需要事先对机械进行动态检测调查获得所谓“载荷谱”来规范试验施加的激励方式；缺点之四是锤击法依靠人的听觉进行分析，存在人为因素的影响。

发明内容

本发明的任务是：根据自然辩证法的哲学原理，通过研究非转运动机械故障多发的原因。

首先，发现了事物的根据即内因，确认了机械容易损坏的原因是因其本身存在着容易被外部冲击激励而发生强大振动并进而疲劳损坏的薄弱环节，即机械的广义共振；现代机械设计中，设计者对机械的运行环境进行了调查，总是千方百计避免机械的整体或局部固有频率与机械可能受到的周期性振动的频率相同或接近，从而避免发生经典物理学所述的“共振”；但是几乎没有顾及机械所必然存在的整体或局部的固有频率谐振机制在受到冲击外力作用时所发生的广义共振，更没有采取必要的、如改变刚度以改变固有频率或增加阻尼以衰减广义共振等措施。

然后，本发明为了识别因为上述广义共振而发生的损坏，通过检测机械在运行中受到外部随机冲击激励而产生的广义共振的大小、能量累积和变化，做出机械的远期安全评估，在机械1上安装复合传感器2检测机械的随机振动，若干复合传感器的信号经过接线盒3处理，传送到预处理电路4，经过预处理再传送到计算机5采集振动数据，用软件分析统计其所存在的广义共振的频率和幅度，见附图1。

进而，为了通过分析机械在外部随机遭遇的冲击激励下而发生的广义共振，特别是其频率漂移，来识别机械的疲劳、裂纹、裂损而发出故障预警，达到如同铁路工人通过停车条件下的锤击听音或对机械进行大功率激振试验的同样目的，需要利用运行状况下随机遭遇的外部冲击(如车轮通过钢轨接缝的冲击、车辆行驶时的蛇形引起的车轮轮缘与轨道内侧的限位冲击等)来实现激励，同时通过检测***对机械的振动信号进行运行状况下的长期在线监测分析、识别各种自然产生的广义共振，积累数据并通过趋势分析来识别广义共振频率的漂移。

为了通过识别两个远距离安装于机械上的传感器的同向广义共振信号的振动同步性质，识别正常条件下不可能异步振动的该机械两个传感器安装位置之间的机械结构断裂，并使得据此目的而设计的旨在进行上述振动信号的同步性识别计算的“相对积”函数进行运算具有正确的信号条件，有关两个传感器的同向信号必须同步检测，为此而设计的附图1的检测***中有关传感器的各种同向振动信息必须是可以由计算机并行同时采集的。

为了进一步通过共振解调技术识别由振动激发的机械部件之间的碰撞和摩擦来发出部件处于恶劣工况的预警以防止机械加速损坏，附图1的检测***中必须含有对相关传感器的冲击信息进行分离、处理的共振解调电路。

本发明是以构成如下检测***的方式实现的：

一种非转运动机械故障诊断方法，其特征是含有实施该技术必需的

1)非转运动机械故障检测***；

2)基于广义共振的随遇激励故障侦察技术

3)基于相对积函数的识别远程裂损的分析技术。

由非转运动机械故障检测***获取振动冲击信息数据，由基于广义共振的随遇激励故障侦察技术分析单个传感器附近的故障，由基于相对积函数的识别远程裂损的分析技术分析某两个相距甚远的传感器之间的机械构件的断裂故障。

所述的一种非转运动机械故障诊断方法，其特征是其非转运动机械故障检测***含有在被检测的非转运动机械1上安装的若干振动冲击传感器2，具体如21、22…2N，各该传感器的输出信号接到接线盒3，经过接线盒3处理后，通过总线电缆远距离传送到能够对每一个振动传感器信号进行水平振动低通滤波分离、垂直振动低通滤波分离和垂直冲击共振解调分离处理的预处理电路4，预处理电路4再把经过分离处理的水平振动、垂直振动、垂直冲击共振解调信号并行传送到计算机5的AD变换器进行数据采样，再由计算机5用软件进行数据处理和分析诊断。

所述的一种非转运动机械故障诊断方法，其特征是基于广义共振的随遇激励故障的侦察技术含有

1)广义共振频漂疲劳与裂纹识别技术、

2)广义共振碰磨冲击识别技术、广义共振冲击(频偏的)疲劳与裂纹识别技术、

3)基于振动相对积函数的大型构件断裂远程识别技术。

所述的一种非转运动机械故障诊断方法，其特征是基于相对积函数的识别远程裂损的分析技术含有

1)相对积系列函数和

2)基于振动相对积函数的大型构件断裂远程识别技术。

附图说明

图1为非转运动机械故障检测***结构示意图；

图2为预处理电路示意图；

图3为相关函数波形示意图；

图4为放大器型接线盒电路示意图；

图5为并列式电压电流变换器型接线盒电路示意图；

图6为选择式接线盒电路示意图；

图7为一种电流电压转换电路示意图；

图8为一种低通滤波器电路示意图；

图9为一种共振解调预处理电路示意图；

图10为一个二阶机械***示意图；

图11为水平广义共振分布率示意图；

图12为机械冲击引发的广义共振的仿真***及对应的波形和频谱图；

图13为非法冲击广义共振波形和频谱图；

图14为机车转向架止档、弹簧和拉臂相互关系示意图；

图15为相对积函数波形示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种非转运动机械故障诊断***，它包括在被检测的非转运动机械(1)上安装的若干振动冲击传感器(2)，各振动冲击传感器(21)、(22)…(2N)的输出信号端分别与接线盒(3)的输入端相连，该接线盒(3)的输出端通过总线电缆与能够对每一个振动冲击传感器信号进行水平振动低通滤波分离、垂直振动低通滤波分离和垂直冲击共振解调分离处理的预处理电路(4)的输入端相连，预处理电路(4)的输出端与通过AD变换器进行数据采样并能够通过内设程序进行数据处理和分析诊断的计算机(5)的输入接口相连。预处理电路(4)包括多个预处理单元电路(41)、(42)、…(4N)，每一组传感器信号对应有一个预处理单元电路；每个预处理单元电路含有直接对水平信号I/US进行电流电压转换输出水平电压信号US的电流电压转换电路，将水平电压信号US进行低通滤波后输出USV N的低通滤波器，还含有直接对垂直信号I/UC进行电流电压转换输出垂直电压信号UC的电流电压转换器，将垂直电压信号UC进行低通滤波后输出UCV N的低通滤波器，还含有将垂直电压信号UC进行共振解调变换后输出UCI N的共振解调电路；每一个预处理单元电路的输出信号USVN、UCVN、UCIN并行输送到计算机(5)的AD接口。

如附图2的预处理电路4中，对应由接线盒3处理并传输来的每一组传感器信号如水平信号I/US、垂直信号I/UC都有一个预处理单元电路如41、42、…4N，每个预处理单元电路，如41，至少有两个输入信号，一个是水平信号I/US，另一个垂直信号I/UC，水平信号I/US中只含有水平振动信号，而垂直信号I/UC中却含有垂直振动信号和垂直冲击信号；预处理单元电路41含有直接对水平信号I/US进行电流电压转换输出水平电压信号US的电流电压转换电路411，将水平电压信号US进行低通滤波后输出USV1的低通滤波器412，还含有直接对垂直信号I/UC进行电流电压转换输出垂直电压信号UC的电流电压转换器413，将垂直电压信号UC进行低通滤波后输出UCV1的低通滤波器414，还含有将垂直电压信号UC进行共振解调变换后输出UCI1的共振解调电路415；每一个预处理单元电路的输出信号USVN、UCVN、UCIN并行输送到计算机5的AD接口，供计算机进行检测。

如图4，是一种放大器接线盒，对各传感器信号进行跟随或功率放大再转接到同一条多芯总线电缆中的对应信号线向预处理电路传输。每一个信号通道31、32、…3N，例如3N，传感器2N的信号正端，接到电阻器R3N-1的一端，再接到运放OP3N-1的正输入端，传感器2N信号的另一端接到电阻器R3N-1的另一端，同时接地GND，运放OP3N-1的负输入端接器输出端，其输出端输出信号到总线电缆BAS的输出信号线之一I/UC，运放OP3N-1的电源正端接总线BAS的正电源VDD，电源负端接总线BAS的地线GND。

如图5，是并列式电压电流变换器接线盒，每一个信号通道31、32、…3N，例如3N，含有运放OP3N-1、OP3N-2，电阻器R3N-1~R3N-6，二极管D3N-1，传感器2N的信号正端，接到电阻器R3N-1的一端，还同时接到运放OP3N-1的正输入端，传感器2N信号的另一端接到电阻器R3N-1的另一端，同时接地GND，运放OP3N-1的输出端接电阻器R3N-3的一端，还接电阻器R3N-2的一端，R3N-2的另一端接运放OP3N-2的正输入端，改正输入端经过电阻器R3N-5接地GND，电阻器R3N-3的另一端接到二极管D3N-1正端，二极管的负端输出电流信号到总线BAS的信号电缆之一I/UC，电阻器R3N-3的另一端还经过电阻器RN3-4接运放OP3N-2的负输入端，该负输入端还经过电阻器R3N-5接运放的输出端，该运放的输出端接到运放OP3N-1的负输入端；运放OP3N-1、OP3N-2的电源正端接正电源VDD，电源负端接地线GND。

如图6，是为了节约资源和对各传感器电压信号进行某种处理，如电压放大或电压/电流变换以提高传输距离、频率响应和抗干扰能力，再接到同一条多芯总线电缆中的对应信号线向预处理电路传输的选择式接线盒，含有模拟多路开关3C1、3C2，电压放大或电压电流变换电路3C3、3C4，控制与通信电路3C5，来自传感器21、22、23、…2N的信号正端分别接入两个多路模拟开关3C1、3C2的模拟输入端I1、I2、I3…IN，模拟开关3C1的输出端接到电压放大或电压电流变换电路3C3的输入端IN-V，模拟开关3C2的输出端接到电压放大或电压电流变换电路3C4的输入端IN-V，电压放大或电压电流变换电路3C3的输出电流端OUT-I接到总线BAS的信号线UA，电压放大或电压电流变换电路3C4的输出电流端OUT-I接到总线BAS的信号线UB，控制与通信电路3C5的485通信线485-A、485-B分别接到总线的通信线485-A、485-B，控制与通信电路3C5的控制口P10、P11、…P1N、P1M对应接到模拟开关3C1的地址控制口A、B、N和片选控制口INC，控制与通信电路3C5的控制口P20、P21、…P2N、P2M对应接到模拟开关3C2的地址控制口A、B、N和片选控制口INC，各单元电路3C1、3C2、3C3、3C4、3C5的电源端VDD和地线端GND分别接到总线的VDD和GND。主计算机通过485通信向接线盒3的控制与通信电路3C5发送指令，控制电路通过地址控制口和片选控制口向多路模拟开关3C1、3C2发送控制指令，分别选通传感器21、22、…2N中的某一个信号，经过3C3、3C4作电压电流变换，经总线BAS的信号线I/US、I/UC传送到预处理电路4，以便预处理电路同步变换、主计算机同步采集所选择的两个信号，进行所需的如基于振动相对积函数的大型构件断裂远程识别。

如图2的预处理电路，其所含的每个信号预处理通道41、42、43、……4N，例如41，含有相同的水平电流电压转换电路411、垂直电流电压转换电路413，图7所示水平电流电压转换电路411的、来自接线盒的水平输入信号I/US，可以是电流输入信号ISI，也可以是电压输入信号USI，电路含有电流输入信号输入端ISI、电压输入信号输入端USI，二极管D411-1、D411-2，电阻器R411-1、R411-2、R411-3、运放OP411、输出端US，电源端VDD、VEE、VSS、GND，来自接线盒的电流输入信号接电流输入信号输入端ISI，ISI接二极管D411-1的正端和D411-2所的负端，接运放OP411的负输入端、电阻器R411-1的一端，接电阻器R411-2、R411-3的一端，R411-1的另一端接电压输入信号输入端USI，R411-2的另一端接基准负电源VEE，R411-3的另一端接运放的输出端，运放的正电源端接正电源VDD，运放的负电源端接负电源VSS，运放的正输入端接地GND，输入信号的地县接地GND，还接到二极管V411-1的负端和V411-2的正端。例如，电流输入信号的标准零点电流是8.3333mA，所以内部基准电压VEE＝-2.5V；电压输入信号的标准零点是5V，通过R411-1＝600欧姆，产生的零点电流也等于5/0.6＝8.3333mA；以便使无信号(只有零点)输入时，运放OP411的输出工作点是0V。

如图8，是一种预处理电路的每个信号预处理通道41、42、43、……4N，例如41中，含有的相同的低通滤波器412、414，例如低通滤波器412，含有电容器C412-1~C412-4，电阻器R412-1~R412-8，运放OP412-1、OP412-2组成，来自电流电压转换器411的输出电压US接输入端US，再接到电容器C412-4的一端，C412-4的另一端接到电阻器R412-6的一端，还接到电阻器R412-1的一端，R412-1的另一端接到电容器C412-1的一端，还接到电阻器R412-2的一端，R412-2的另一端接到电容器C412-2的一端，还接到电阻器R412-3的一端，R412-3的另一端接到电容器C413的一端，还接到运放OP412-1的正输入端，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的另一端接运放OP412-1的输出端，OP412-1的负输入端接电阻器R412-4，还接电阻器R412-5，R412-5的另一端接运放OP412-1的输出端，电阻器R412-4的另一端接地GND，运放OP412-1的输出端接OP412-2的正输入端，OP412-2的负输入端接电阻器R412-7，还接电阻器R412-8的一端，R412-8的另一端接运放OP412-2的输出端，电阻器R412-7的另一端接地GND，两个运放OP412-1、 OP412-2的正电源端接正电源VDD，负电源端接负电源VSS，由运放OP412-2的输出端输出经过隔直流的、低通滤波的和放大的信号USV1经过端子USV1输出到计算机的AD变换器。

如图9，是一种预处理电路的每个信号预处理通道41、42、43、…4N中，例如41中，含有共振解调变换器415，其特征是含有运放OP415-1~OP415-5，电阻器R415-1~R415-15，电容器C415-1~C415-6，二极管D415-1、D415-2，来自电流电压转换器413的输出端(垂直振动)输出电压UC接到输入端UC，再接到电阻器R415-1的一端，R415-1的另一端接到电容器C415-1、C415-2的一端和电阻器R415-2的一端，C415-1的另一端接电阻器R415-3的一端和运放OP415-1的输出端、电阻器R415-3的另一端接电容器C415-2的另一端和运放OP415-1的负输入端，运放OP415-1的正输入端和电阻器R415-2的另一端接地GND，运放OP415-1的输出端接电阻器R415-4的一端，R415-4的另一端接运放OP415-2的负输入端和电阻器R415-5的一端。R415-5的另一端接运放OP415-2的输出端，OP415-2的输出端还通过电阻器R415-6接到电阻器OP415-2的非接地端，OP415-2的负输入端接地GND；OP415-2的输出端接电容器C415-3的一端，C415-3的另一端接电阻器R415-7的一端和运放OP415-3的正输入端，R415-7的另一端接地GND，运放OP415-3的接电阻器R415-10的一端和二极管D415-2的正端，D415-2的负端接OP415-3的输出端，R415-10的另一端接OP415-4的负输入端和电阻器R415-9的一端，R415-9的另一端接OP415-4的输出端，OP415-3的输出端还接二极管D415-1的正输入端，D415-1的负端接OP415-4的正输入端和电阻器R415-8的一端，R415-8的另一端接地；运放OP415-4的输出端接到电阻器R415-11的一端，R415-11的另一端接到电容器C415-4的一端，还接到电阻器R415-12的一端，R415-12的另一端接到电容器C415-5的一端，还接到电阻器R415-13的一端，R415-13的另一端接到电容器C415-6的一端，还接到运放OP415-5的正输入端，C415-4的另一端接地GND，C412-6的另一端接地GND，C415-5的另一端接运放OP415-5的输出端，OP415-5的负输入端接电阻器R415-14，还接电阻器R415-15，R415-15的另一端接运放OP415-5的输出端，电阻器R415-14的另一端接地GND；运放OP415-1~OP415-5的正电源端接电源VDD，运放OP415-1~OP415-5的负电源端接电源VSS；运放OP415-5的输出端输出共振解调变换信号VCI1到计算机的AD转换器。其中OP415-1、OP415-2及相邻器件构成共振器，其余器件构成解调器，其中OP415-3、OP415-4及相邻器件构成检波器，OP415-5及相邻器件构成平滑低通滤波器。

一种非转运动机械故障诊断方法，为实现所检测机械的局部疲劳、裂纹识别，其广义共振频漂疲劳与裂纹识别技术对来自预处理电路4的每一个预处理单元41、42、....4N的水平振动输出信号USV1~USVN和垂直振动输出信号UCV1~UCVN，逐一通过AD变换实现采集，得到一个长度为样本时段的数据样本，进行FFT分析，得到各测点样本对应的样本振动频谱；分别对每个测点的某个较长的考查时间段中各种不同工况下的大量的样本振动频谱进行统计平均获得各该测点当前广义共振分布率谱，然后通过与历史广义共振分布率谱进行比较或与同一机械上多个相邻的相似测点的当前广义共振分布率谱进行比较，识别各该测点广义共振频率的漂移而实现疲劳与裂纹识别。

一个振动监测点附近的机械结构总可以分解为若干个机械二阶***，自然规律也总是既出现最小二阶***的运动也出现可能组合的更大的二阶***的运动。其中每一个二阶***可以由图10和下述方程描述它的广义共振频率：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{M}}(1-{\mathrm{\η}}^2)---\left(1\right)$

它包括机械构件的质量M，机械的刚度K和***的内阻尼η。

由于阻尼系数η通常是一个远小于1的微量，因此工程中一般近似为：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{M}}---\left(2\right)$

式(1)、(2)中没有任何外界因素的因子。这就充分表明，机械的内因决定的固有特征，是不以人的意志为转移的。不管外部条件怎样作用于它，它的这个固有频率不改变。

如果所检测的近处的机械发生裂纹，参与上述公式的机械刚度K大幅度降低，就使式(1)、(2)所表达的频率大幅度降低或下漂移；如果机械的结构断裂使一部分质量不参与共振，即质量M下降，就使式(1)、(2)所表达的频率大幅度上升或上漂移。

如果在某个频率上其它对应的相邻点没有大的谐振频谱幅度，而本测点出现了强大的频谱幅度，则说明机械上的阻尼装置失效。图11的具体例子是某机车后转向架5轴的拉臂(橡胶阻尼器)失效引起的12Hz的强烈广义共振。

激发机械发生广义共振的因素是机械受到的冲击，如如图12所示，一个冲击引起机械的几个谐振***发生广义共振，传感器检测到他们的总振动波形，通过FFT分析，得到了广义共振频谱，从中发现了各个谐振器的广义共振频率。

一种非转运动机械故障诊断方法，为实现支撑***的非法碰磨识别，其特征是广义共振碰磨冲击识别技术对于来自预处理电路4的每一个预处理单元41、42、....4N的共振解调变换后输出信号UCI1~UCIN，逐一通过AD变换实现采集，得到一个长度为样本时段的数据样本，进行FFT分析，得到各测点样本对应的样本冲击频谱；对其中谱线幅值大于最大值40~70％的谱线保留，其余去掉，抽象得到该频谱的特征频率，对每个测点的某个时段中各种不同工况下的广义共振碰磨冲击特征频率求出现率(＝出现该频率的次数/总的统计次数)，如果某测点某特征频率广义共振碰磨冲击出现率大于50~70％，则确定该测点的支撑***出现了非法碰磨。

图13是基于上述方法获得的样本时段的波形、样本频谱和根据大量样本频谱统计得到的频谱出现率，从而发现了第5号测点(后转向架5轴右测点)的非法碰磨。从实验检测的若干测点中，唯一地只有该测点出现了频率约43Hz的出现率为82.68％的非法碰磨。通过查找，发现是该测点对应的轴箱止档与转向架的止档孔发生接触(设计状态为不接触)并且随着轴箱弹簧的21.5Hz的垂直伸缩振动而发生每次振动摩擦2次的碰磨冲击。每组冲击的时间间隔约为4*1650/2048/3＝1.074s，(样本长度为4s)，车速为81km/h，即81000/3600＝22.5m/s，所以，每组冲击开始之间的行车距离是24.17m，接近于25m的钢轨接缝之间的距离。从而确认：引发这些冲击的原因是车轮通过钢轨接缝的冲击，激发轴箱弹簧发生21.5Hz的广义共振，进而引起止档发生43Hz的碰磨(每次振动上下碰磨一次)。

一种非转运动机械故障诊断方法，根据广义共振碰磨冲击识别技术，为实现支撑***的非法碰磨部件的疲劳识别，其特征是广义共振冲击(频偏的)疲劳与裂纹识别技术把当前某测点的广义共振碰磨冲击特征频率与其历史广义共振碰磨冲击特征频率比较，若两者的相对变化大于8~12％，则确认发生广义共振冲击碰磨的部件出现了疲劳。

对于上例来说，如果发现广义共振碰磨冲击出现率很高的碰磨频率发生漂移，例如向低漂移，则说明直接引起碰磨的那种广义共振振动频率变化，这就意味着构成该广义共振的刚度下降，通常是弹簧发生裂纹。因为某单位出现了在止档断裂后弹簧也接着断裂的现象。止档、弹簧和拉臂的相互关系如图14。

识别远程裂损的相对积函数分析软件技术含有识别远程裂损的相对积函数系列D(t)、量化相对积函数LD(t)、引入量化鉴别域门g的量化函数LA(t)、LB(t)、量化正相对积函数LDZ(t)、量化负相对积函数LDF(t)、统计量化正相对积函数TLDZ、统计量化负相对积函数TLDF，对同步采集的两个振动信号f1(t)、f2(t)求上述函数的定义如下：

相对积函数D(t)定义如下：

$D\left(t\right)=\mathrm{li}{m}_{c\→0}\frac{f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)}{|f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)+c|}$

量化相对积函数LD(t)的定义如下：

$\mathrm{LD}\left(t\right)={\lim }_{c\&RightArrow;0}\frac{f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)}{|f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)+c|}=\left\{\begin{array}{c}1,f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)>0\\ 0,f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)=0\\ -1,f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)<0\end{array}\right.$

引入量化鉴别域门g的量化相对积函数定义如下：

量化正相对积函数LDZ(t)定义如下：

$\mathrm{LDZ}\left(t\right)=\mathrm{SMT}\left(\mathrm{LDZ}\right)=\mathrm{SMT}|\frac{\mathrm{LA}\left(t\right)}{2}+\frac{\mathrm{LB}\left(t\right)}{2}|=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{LDZ}=1\\ 0,\mathrm{LDZ}<1\end{array}\right.$

量化负相对积函数LDF(t)定义如下：

$\mathrm{LDF}\left(t\right)=\mathrm{SMT}\left(\mathrm{LDF}\right)=\mathrm{SMT}|\frac{\mathrm{LA}\left(t\right)}{2}-\frac{\mathrm{LB}\left(t\right)}{2}|=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{LDF}=1\\ 0,\mathrm{LDF}<1\end{array}\right.$

统计量化正相对积函数TLDZ定义如下：

$\mathrm{TLDZ}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T\mathrm{LDZ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

统计量化负相对积函数TLDF定义如下：

$\mathrm{TLDF}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T\mathrm{LDF}\left(t\right)\mathrm{dt}$

式中，f₁(t)、f₂(t)是被考查相对积的两个原始函数。

对于两个信号f1(t)、f2(t)，经典理论主要考察它们是否具有相同但不一定是同步的周期信号，典型的是相关函数：

$R_{f1f2}\left(\mathrm{\&tau;}\right)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}{f}_2(\mathrm{\&tau;}+t)f_1\left(t\right)\mathrm{d\&tau;}$

如附图3所示，每幅图的第1行f₁(t)函数和第2行f₂(t)函数的相关函数R_f1f2(t)绘制在第3行。它表明相关函数只提取f1、f2中频率相同的函数。

如附图15所示，每幅图的第1行f₁(t)函数和第2行f₂(t)函数的相对积函数f₃(t)绘制在第3行。它表明相对积函数只关注f1、f2函数的相似性，对于相同的部分表达为1，相反的部分表达位-1。相对积函数只考察两个信号f1(t)、f2(t)中，是否有相同的、同步的信号，其中包括周期信号和随机信号。例如机车的一个转向架的左右水平振动的低频部分的统计量化正相对积函数TLDZ＞90％并且统计量化负相对积函数TLDF＜10％，则表明该转向架左右震动同步，没有发生断裂。

基于振动相对积函数的大型构件断裂远程识别技术对来自预处理电路4的每一个预处理单元41、42、....4N的水平振动输出信号USV1~USVN和垂直振动输出信号UCV1~UCVN中，某两个及以上的信号同时采集，并对每两个同时采集的振动信号f1(t)、f2(t)中各自含有的广义共振信号求相对积函数，通过识别该相对积函数的统计负对积大于门限值0.707，而判定该两个振动信号对应的测点之间的机械结构存在疲劳断裂。

Claims (18)

1. 一种非转运动机械故障诊断***，其特征是它包括在被检测的非转运动机械(1)上安装的若干振动冲击传感器(2)，各振动冲击传感器(21)、(22)…(2N)的输出信号端分别与接线盒(3)的输入端相连，该接线盒(3)的输出端通过总线电缆与能够对每一个振动冲击传感器信号进行水平振动低通滤波分离、垂直振动低通滤波分离和垂直冲击共振解调分离处理的预处理电路(4)的输入端相连，预处理电路(4)的输出端与通过AD变换器进行数据采样并能够通过内设程序进行数据处理和分析诊断的计算机(5)的输入接口相连。

2. 如权利要求1的一种非转运动机械故障诊断***，其特征在于所述预处理电路(4)包括多个预处理单元电路(41)、(42)、…(4N)，输入预处理单元的每一组传感器信号对应有一个预处理单元电路；每个预处理单元电路含有直接对水平信号I/US进行电流电压转换输出水平电压信号US的电流电压转换电路，将水平电压信号US进行低通滤波后输出USV N的低通滤波器，还含有直接对垂直信号I/UC进行电流电压转换输出垂直电压信号UC的电流电压转换器，将垂直电压信号UC进行低通滤波后输出UCV N的低通滤波器，还含有将垂直电压信号UC进行共振解调变换后输出UCI N的共振解调电路；每一个预处理单元电路的输出信号USVN、UCVN、UCIN并行输送到计算机(5)的AD接口。

3. 如权利要求1的一种非转运动机械故障诊断***，其特征在于所述接线盒(3)把各传感器的输出信号通过它转接到同一条多芯总线电缆中的对应信号线向预处理电路(4)传输的无电路接线盒。

4. 如权利要求1的一种非转运动机械故障诊断***，其特征在于所述接线盒(3)对各传感器信号进行跟随或功率放大再转接到同一条多芯总线电缆中的对应信号线向预处理电路(4)传输的放大器接线盒。

5. 如权利要求1的一种非转运动机械故障诊断***，其特征在于所述接线盒(3)对各传感器电压信号进行包括电压/电流变换在内的处理后，再接到同一条多芯总线电缆中的对应信号线向预处理电路(4)传输的电压电流变换接线盒。

6. 如权利要求1的一种非转运动机械故障诊断***，其特征在于所述接线盒(3)内部带有信号选择电路的信号切换接线盒。

7. 如权利要求1或4的一种非转运动机械故障诊断***，其特征在于所述接线盒(3)包括与各传感器信号对应的多个信号通道(31)、(32)、…(3N)，在各信号通道中包括一个运放，该运放的正输入端与传感器的信号正端和一个电阻器的一端相连，运放的负输入端与传感器的信号负端和一个电阻器的另一端相连，同时接总线地GND，其输出端与总线电缆BAS的输出信号线之一I/UC相连，运放的电源正端接总线BAS的正电源VDD，电源负端接总线BAS的地线GND。

8. 如权利要求1或4的一种非转运动机械故障诊断***，其特征在于所述接线盒(3)包括与各传感器信号对应的多个信号通道(31)、(32)、…(3N)，每一个信号通道含有运放OP3N-1、OP3N-2，电阻器R3N-1~R3N-6，二极管D3N-1，传感器2N的信号正端接到电阻器R3N-1的一端，还同时接到运放OP3N-1的正输入端，传感器2N信号的另一端接到电阻器R3N-1的另一端，同时接地GND，运放OP3N-1的输出端接电阻器R3N-3的一端，还接电阻器R3N-2的一端，R3N-2的另一端接运放OP3N-2的正输入端，改正输入端经过电阻器R3N-5接地GND，电阻器R3N-3的另一端接到二极管D3N-1正端，二极管的负端输出电流信号到总线BAS的信号电缆之一I/UC，电阻器R3N-3的另一端还经过电阻器RN3-4接运放OP3N-2的负输入端，该负输入端还经过电阻器R3N-5接运放的输出端，该运放的输出端接到运放OP3N-1的负输入端；运放OP3N-1、OP3N-2的电源正端接正电源VDD，电源负端接地线GND。

9. 如权利要求1或5的一种非转运动机械故障诊断***，其特征在于所述接线盒(3)含有模拟多路开关3C1、3C2，电压放大或电压电流变换电路3C3、3C4，控制与通信电路3C5，来自振动冲击传感器传感器(21)、(22)、(23)、……(2N)的信号正端分别接入两个多路模拟开关3C1、3C2的模拟输入端I1、I2、I3……IN，模拟开关3C1的输出端接到电压放大或电压电流变换电路3C3的输入端IN-V，模拟开关3C2的输出端接到电压放大或电压电流变换电路3C4的输入端IN-V，电压电流变换电路3C3的输出电流端OUT-I接到总线BAS的信号线UA，电压放大或电压电流变换电路3C4的输出电流端OUT-I接到总线BAS的信号线UB，控制与通信电路3C5的485通信线485-A、485-B分别接到总线的通信线485-A、485-B，控制与通信电路3C5的控制口P10、P11、…P1N、P1M对应接到模拟开关3C1的地址控制口A、B、N和片选控制口INC，控制与通信电路3C5的控制口P20、P21、…P2N、P2M对应接到模拟开关3C2的地址控制口A、B、N和片选控制口INC，各单元电路3C1、3C2、3C3、3C4、3C5的电源端VDD和地线端GND分别接到总线的VDD和GND。主计算机通过485通信向接线盒(3)的控制与通信电路3C5发送指令，控制电路通过地址控制口和片选控制口向多路模拟开关3C1、3C2发送控制指令，分别选通传感器(21)、(22)、…(2N)中的某一个信号，经过3C3、3C4作电压电流变换，经总线BAS的信号线I/US、I/UC传送到预处理电路(4)，以便预处理电路同步变换、主计算机同步采集所选择的两个信号，进行所需的如基于振动相对积函数的大型构件断裂远程识别。

10. 如权利要求1或2的一种非转运动机械故障诊断***，其特征在于所述预处理电路(4)的多个信号预处理单元电路(41)、(42)、(43)、…(4N)含有相同的水平电流电压转换电路(411)、垂直电流电压转换电路(413)，水平电流电压转换电路(411)的其来自接线盒的水平输入信号I/US，可以是电流输入信号ISI，也可以是电压输入信号USI，电路含有电流输入信号输入端ISI、电压输入信号输入端USI，二极管D411-1、D411-2，电阻器R411-1、R411-2、R411-3、运放OP411、输出端US，电源端VDD、VEE、VSS、GND，来自接线盒的电流输入信号接电流输入信号输入端ISI，ISI接二极管D411-1的正端和D411-2所的负端，接运放OP411的负输入端、电阻器R411-1的一端，接电阻器R411-2、R411-3的一端，R411-1的另一端接电压输入信号输入端USI，R411-2的另一端接基准负电源VEE，R411-3的另一端接运放的输出端，运放的正电源端接正电源VDD，运放的负电源端接负电源VSS，运放的正输入端接地GND，输入信号的地县接地GND，还接到二极管V411-1的负端和V411-2的正端。

11. 如权利要求1或2的一种非转运动机械故障诊断***，其特征在于所述预处理电路(4)的每个信号预处理单元电路(41)、(42)、(43)、…(4N)含有相同的低通滤波器(412)、(414)，低通滤波器(412)，含有电容器C412-1~C412-4，电阻器R412-1~R412-8，运放OP412-1、OP412-2组成，来自电流电压转换器(411)的输出电压US接输入端US，再接到电容器C412-4的一端，C412-4的另一端接到电阻器R412-6的一端，还接到电阻器R412-1的一端，R412-1的另一端接到电容器C412-1的一端，还接到电阻器R412-2的一端，R412-2的另一端接到电容器C412-2的一端，还接到电阻器R412-3的一端，R412-3的另一端接到电容器C413的一端，还接到运放OP412-1的正输入端，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的另一端接运放OP412-1的输出端，OP412-1的负输入端接电阻器R412-4，还接电阻器R412-5，R412-5的另一端接运放OP412-1的输出端，电阻器R412-4的另一端接地GND，运放OP412-1的输出端接OP412-2的正输入端，OP412-2的负输入端接电阻器R412-7，还接电阻器R412-8的一端，R412-8的另一端接运放OP412-2的输出端，电阻器R412-7的另一端接地GND，两个运放OP412-1、OP412-2的正电源端接正电源VDD，负电源端接负电源VSS，由运放OP412-2的输出端输出经过隔直流的、低通滤波的和放大的信号USV1经过端子USV1输出到计算机的AD变换器。

12. 如权利要求1或2的一种非转运动机械故障诊断***，其特征在于所述预处理电路(4)的每个信号预处理单元电路(41)、(42)、(43)、…(4N)中含有共振解调变换器(415)，其特征是含有运放OP415-1~OP415-5，电阻器R415-1~R415-15，电容器C415-1~C415-6，二极管D415-1、D415-2，来自电流电压转换器(413)的输出端(垂直振动)输出电压UC接到输入端UC，再接到电阻器R415-1的一端，R415-1的另一端接到电容器C415-1、C415-2的一端和电阻器R415-2的一端，C415-1的另一端接电阻器R415-3的一端和运放OP415-1的输出端、电阻器R415-3的另一端接电容器C415-2的另一端和运放OP415-1的负输入端，运放OP415-1的正输入端和电阻器R415-2的另一端接地GND，运放OP415-1的输出端接电阻器R415-4的一端，R415-4的另一端接运放OP415-2的负输入端和电阻器R415-5的一端。R415-5的另一端接运放OP415-2的输出端，OP415-2的输出端还通过电阻器R415-6接到电阻器OP415-2的非接地端，OP415-2的负输入端接地GND；OP415-2的输出端接电容器C415-3的一端，C415-3的另一端接电阻器R415-7的一端和运放OP415-3的正输入端，R415-7的另一端接地GND，运放OP415-3的接电阻器R415-10的一端和二极管D415-2的正端，D415-2的负端接OP415-3的输出端，R415-10的另一端接OP415-4的负输入端和电阻器R415-9的一端，R415-9的另一端接OP415-4的输出端，OP415-3的输出端还接二极管D415-1的正输入端，D415-1的负端接OP415-4的正输入端和电阻器R415-8的一端，R415-8的另一端接地；运放OP415-4的输出端接到电阻器R415-11的一端，R415-11的另一端接到电容器C415-4的一端，还接到电阻器R415-12的一端，R415-12的另一端接到电容器C415-5的一端，还接到电阻器R415-13的一端，R415-13的另一端接到电容器C415-6的一端，还接到运放OP415-5的正输入端，C415-4的另一端接地GND，C412-6的另一端接地GND，C415-5的另一端接运放OP415-5的输出端，OP415-5的负输入端接电阻器R415-14，还接电阻器R415-15，R415-15的另一端接运放OP415-5的输出端，电阻器R415-14的另一端接地GND；运放OP415-1~OP415-5的正电源端接电源VDD，运放OP415-1~OP415-5的负电源端接电源VSS；运放OP415-5的输出端输出共振解调变换信号VCI1到计算机的AD转换器。

13. 一种用在具有安装在被检测的非转运动机械上的若干振动冲击传感器以及接线盒、预处理电路和计算机的进行非转运动机械故障诊断的方法，其特征在于它包括基于广义共振的随遇激励故障侦察技术和基于相对积函数的识别远程裂损的分析技术。

14. 如权利要求13的非转运动机械故障诊断方法，其特征在于所述基于广义共振的随遇激励故障侦察技术包括可以不分先后实施的广义共振频漂疲劳与裂纹识别、广义共振碰磨冲击识别、广义共振冲击(频偏的)疲劳与裂纹识别三个步骤。

15. 如权利要求14的非转运动机械故障诊断方法，其特征在于所述广义共振频漂疲劳与裂纹识别步骤对来自预处理电路的每一个预处理单元的水平振动输出信号USV1~USVN和垂直振动输出信号UCV1~UCVN，逐一通过AD变换实现采集，得到一个长度为样本时段的数据样本，进行FFT分析，得到各测点样本对应的样本振动频谱；分别对每个测点的某个较长的考查时间段中各种不同工况下的大量的样本振动频谱进行统计平均获得各该测点当前广义共振分布率谱，然后通过与历史广义共振分布率谱进行比较或与同一机械上多个相邻的相似测点的当前广义共振分布率谱进行比较，识别各该测点广义共振频率的漂移而实现疲劳与裂纹识别。

16. 如权利要求14的非转运动机械故障诊断方法，其特征在于所述广义共振碰磨冲击识别步骤来自预处理电路的每一个预处理单元的共振解调变换后输出信号UCI1~UCIN，逐一通过AD变换实现采集，得到一个长度为样本时段的数据样本，进行FFT分析，得到各测点样本对应的样本冲击频谱；对其中谱线幅值大于最大值40~70％的谱线保留，其余去掉，抽象得到该频谱的特征频率，对每个测点的某个时段中各种不同工况下的广义共振碰磨冲击特征频率求出现率，出现率为出现该频率的次数/总的统计次数，如果某测点某特征频率广义共振碰磨冲击出现率大于50~70％，则确定该测点的支撑***出现了非法碰磨。

17. 如权利要求14的非转运动机械故障诊断方法，其特征在于所述广义共振冲击(频偏的)疲劳与裂纹识别步骤把当前某测点的广义共振碰磨冲击特征频率与其历史广义共振碰磨冲击特征频率比较，若两者的相对变化大于8~12％，则确认发生广义共振冲击碰磨的部件出现了疲劳。

18. 如权利要求13的非转运动机械故障诊断方法，其特征在于所述基于相对积函数的识别远程裂损的分析技术包括以下步骤：

第一步，求相对积系列函数，相对积函数系列D(t)、量化相对积函数LD(t)、引入量化鉴别域门g的量化函数LA(t)、LB(t)、量化正相对积函数LDZ(t)、量化负相对积函数LDF(t)、统计量化正相对积函数TLDZ、统计量化负相对积函数TLDF，对同步采集的两个振动信号f1(t)、f2(t)求上述函数的定义如下：

相对积函数D(t)定义如下：

$D\left(t\right)={\lim }_{c\&RightArrow;0}\frac{f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)}{|f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)+c|}$

量化相对积函数LD(t)的定义如下：

$\mathrm{LD}\left(t\right)={\lim }_{c\&RightArrow;0}\frac{f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)}{|f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)+c|}=\left\{\begin{array}{c}1,f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)>0\\ 0,f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)=0\\ -1,f_1\left(t\right)f_2\left(t\right)<0\end{array}\right.$

引入量化鉴别域门g的量化函数定义如下：

量化正相对积函数LDZ(t)定义如下：

$\mathrm{LDZ}\left(t\right)=\mathrm{SMT}\left(\mathrm{LDZ}\right)=\mathrm{SMT}|\frac{\mathrm{LA}\left(t\right)}{2}+\frac{\mathrm{LB}\left(t\right)}{2}|=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{LDZ}=1\\ 0,\mathrm{LDZ}<1\end{array}\right.$

量化负相对积函数LDF(t)定义如下：

$\mathrm{LDF}\left(t\right)=\mathrm{SMT}\left(\mathrm{LDF}\right)=\mathrm{SMT}|\frac{\mathrm{LA}\left(t\right)}{2}-\frac{\mathrm{LB}\left(t\right)}{2}|=\left\{\begin{array}{c}1,\mathrm{LDF}=1\\ 0,\mathrm{LDF}<1\end{array}\right.$

统计量化正相对积函数TLDZ定义如下：

$\mathrm{TLDZ}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T\mathrm{LDZ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

统计量化负相对积函数TLDF定义如下：

$\mathrm{TLDF}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T\mathrm{LDF}\left(t\right)\mathrm{dt}$

式中，f₁(t)、f₂(t)是被考查相对积的两个原始函数；

第二步，基于振动相对积函数的大型构件断裂远程识别，它对来自预处理电路的每一个预处理单元的水平振动输出信号USV1~USVN和垂直振动输出信号UCV1~UCVN中，某两个及以上的信号同时采集，并对每两个同时采集的振动信号f1(t)、f2(t)中各自含有的广义共振信号求相对积函数，通过识别该相对积函数的统计负对积大于门限值0.707，而判定该两个振动信号对应的测点之间的机械结构存在疲劳断裂。

Images