CN1050442A - 多传感器共振解调故障检测技术 - Google Patents

Abstract

一种基于现有其振解调故障检测的多传感器检 测技术，旨在对轴承、齿轮或其它传动机械在线或试 验运行中故障诊断。其特征是在同一检测部位处，用 多个同类或不同类的传感器并列受感，并将各传感器 信号叠加处理最终成一个共振解调信号用于故障诊 断。发明还涉及多传感器的安装、布置及***中使用 的共振解调检测仪表电路的框图结构。本发明与现 有共振解调故障检测技术比较，使故障检测的实时 性、准确度和确诊率明显提高，而***相应简化。

Description

本发明涉及一种故障检测方法，特别适用于运行中轴承的故障检测。是共振解调检测技术的进一步完善和发展。

所谓共振解调技术，亦有称为冲击脉冲技术、包络检波技术或早期故障检测（IFD）技术的，是对低频（通常为数kHz以内）的冲击所激起的高频（数十倍于冲击频率的）共振波形进行包络检波和低通滤波即解调，获得一个对应于低频冲击的，而又放大并展宽了的共振解调波。该技术已经并将更广泛应用于对在线的或试验运行中的机械及其轴承、齿轮等进行故障诊断监控。如用于滚动轴承的故障检测，就是利用运转轴承零件中故障（如裂纹和剥落坑等）的低频冲击所产生的频域十分宽广、频谱极为丰富的故障冲击波的高频分量，激起高频谐振器的共振，再对高频共振波进行解调处理，获得一个剔除了低频振动干扰，但富含故障信息而信噪比大为提高的共振解调波，并凭借对此共振解调波的幅值和频谱分析，实现判定故障的量值和故障类型（故障所在）。这就是共振解调故障检测诊断技术。

故障冲击的高频共振响应，可以由传感器直接谐振响应，或是由机械***谐振响应，但更为优越因而也更常用的是由检测仪表中的电子谐振器来实现。

从图1所示共振解调变换过程的波形特征，可简要地反映出共振解调故障检测的原理与优越性。故障冲击波（图1a）时域脉宽极窄，幅值甚小，频谱丰富。谐振器对冲击的共振响应波形（图1b）是一组幅值被放大了并与故障冲击强度成正比，波动频率为谐振器的固有频率，而时域展宽了的，呈自由衰减的高频间歇振荡波形。（成组的重复频率与故障冲击重复频率相同）。共振解调波（图1c）与原始冲击比较，是重复频率相同但幅值放大了并时域展宽了，因而共振解调输出的解调脉冲，其低阶频谱的能量较冲击脉冲的低阶能量是极大地增强了。加之变换过程中谐振器剔除了常规振动的干扰，故解调输出信号与原始信号相比，可获得高几个数量级的信噪比和取得没有故障就没有共振解调波和其频谱的良好效果。

因此，共振解调故障诊断***通常含有受感信号的传感器和共振解调检测仪表，（如本所研制的JK8241系列仪表），高级精密快速自动诊断***则还含有计算机及专用的软件，（如本所研制的JK86411铁路车辆轮对轴承不分解试验诊断***）。

在现有的包括共振解调技术在内的检测技术中，大多是于同一检测部位设一个传感器受感的，即使对一个检测部位设两个传感器，其信号也是孤立地、互不联系地进行处理，如振动测量中的垂直振动和水平振动检测。这不仅需配置更多的检测仪表和设备，也需在事后花费更多的时间进行分析，有碍于检测的实时性、准确性和***的简化，而且可能为众多的假象所迷惑，防碍人们对客观事物的正确认识。仍以滚动轴承的故障检测为例。因单一传感器相对于故障点的方位是随机不定的或变化的，如假定轴承的外环有故障，则受感故障诱发的冲击信号的传感器只有装在故障所在的方位时信号才最强，若传感器装在远离故障点的方位则感受到的信号很弱，对于特大口径的轴承，由于传递过程中的信号严重损耗甚至得不到信号。由于事先不可能知道轴承有无故障和故障的方位，希望将传感器装到故障点附近便是不可能的。为了弥补这种缺陷，在试验诊断中往往采用将外环转动若干方位并检测若干次的方法以选取最大的量值。但这将使检测分析的时间与之同步增长。对于固定设备上的轴承，则因为不能转动外环，只好用一个传感器到各方位作多次测量，但又可能遇到某些设备不容一次次地停机改装传感器的问题，于是又出现了将多个传感器一次分方位装入，再一个个地分方位检测的方法。总之，这样检测的时间仍不能减少，如若需同步采集数据，则仪表设备也要重复地设置许多套，常于实际条件所不容。同时存在的另一个严重的问题是，共振解调检测方法必因单个传感器所受感的信号受到转动件的调制而失真，处理不当就可能出现错诊。例如在大口径轴承中，假定滚动体有故障，并假定故障和大多数情况下一样，对于内外环的冲击是各向等量的，则该故障滚子在经过传感器所在的方位冲击外环时，传感器所获得的信号最大。然后，随故障滚子运动离开传感器时，传感器所获得的信号渐渐减弱，至最远点时信号最小。滚子运动渐渐靠近传感器，信号又渐强，再次经过传感器所在的方位时，传感器又获得最强的信号。如此周而复始地变化，信号即出现调幅。其最大最小值之差与最大幅度之比，称为“调制深度”，它可以描述信号受感时在传递中的损失程度。调制深度等于零表示信号未被调制;调制深度等于1表示信号的最小值等于零。当人们孤立地对此具有调制特征的信号从频谱和幅值方面进行故障分析时，则不仅将发现有关于滚子故障的频谱，还有以滚子公转周期为特征表征保持架故障的频谱。这就给确诊故障增加了困难，乃至发生错诊，并影响对故障量值的准确量度。调制深度愈大，错诊率也就愈大。尤其在轴承中存在多个多类故障而频谱复杂时更严重。

因此，应用现有的共振解调技术进行故障检测时，特别是对大型设备和大型轴承的故障检测，存在着上述的费时，费事，***复杂以及调制度的影响等问题，有碍于检测诊断的实时性、准确性和***的相对简化。这也就是本发明要解决的问题和发明的任务。

应用共振解调故障检测技术，采用多个传感器于同一检测部位并列受感，并对各传感器的信号合理地进行叠加处理，使所获得的信号相对于叠加前是减小调制深度的和减小故障方位影响的。这就是本发明的基本技术方案。

下面对本技术方案作进一步的细述。

关于多传感器，可以是包括振动、冲击、应变、超声等多类传感器或多个同类的传感器。

多传感器圆周布置安装的最佳实施方案，是使叠加后的故障信号能获得最小调制深度的和故障方位影响最小的均布安装方案。

对于轴承的故障检测而言，沿圆周安装的传感器数，当轴承的直径在300mm以内时，可采用2个或1个传感器（直径小于100mm的轴承一般应用单传感器即可）。直径300～1000mm的轴承可用3或4个传感器。直径大于1000mm的轴承用多于4个传感器。

对轴承故障进行运行试验检测，通常有一套夹持外环的夹具，受感故障的传感器1就安装在此夹具2上。参见附图2～4。

应用振动、冲击、应变等接触式类型传感器检测轴承故障时，轴承外环3与夹具2在受感点处应实现紧密的面接触，以增强信号的耦合效果，且传感器应安装在该紧密接触面中心的法线位置，从而保证该传感器的良好受感。参见附图3、4。

若采用超声传感器受感，超声传感器1周向安装时，其安装轴线应沿轴承的直径方向指向轴承的轴心，并在轴承与传感器之间置有集声通道4，见附图2。并按下述两项要求设计超声传感器与轴承的距离：

1，超声传感器对轴承的主视角P（由传感器安装位置所确定的受感点到能见到的轴承外环的弧段所形成的张角），应不大于传感器的接收角。

2，轴承的“被视角”Q（轴承被超声传感器所见到的外环弧段的弧度数）与传感器数N有下列的对应关系：

N  1或2  3  4

Q  ＞150°  ＞120°  ＞90°

超声传感器的安装孔内可垫上软质的缓冲绝缘材料，使超声传感器实现绝缘与隔声安装。

关于多传感器的信号处理。

多传感器的信号经处理后，最终应叠加为一个共振解调信号用于检测、诊断。

在要求不高时，可以将各传感器的信号直接叠加。其具体方法可视传感器和与传感器直接配接的电路的功能而定。例如应用电荷类传感器（如压电式振动加速度传感器、冲击传感器，压电式超声传感器，驻极体声传感器等）与并联电压负反馈式电荷电压转换放大器配接，则可将传感器直接并联后接电荷放大器;应用供电式低输出阻抗应变传感器时，可以用并联电压负反馈式电压放大器做加法器对各传感器的信号叠加。叠加后再进行共振解调处理。

为取得更好的信号处理质量，则因为不仅有传感器的灵敏度不等需要分别调节的问题，而且对于传感器受感的高频信号来说，在用共振解调原理检测故障时，故障载波的频率均选择为高频，（例如为25kHz;载波信号在钢铁里的传递速度约5000m/s，故障载波的波长在0.2m以下）故障源到各传感器的信号传递路径的长短差别，将导至载波信号相位的显著差别，而不同相位的同频信号的叠加结果是同频的幅值不定的信号，这就必然破坏定量测量的准确度。但是，所载的调制波的频率通常在数kHz以下，其波长则在2m以上，传感器的位置差别所带来的信号的相位差甚小，进行叠加影响甚微。因此，基于共振解调原理检测故障的多传感器信号的叠加，不宜用解调前的高频信号直接接叠加的方法，而应在解调后对低频信号进行叠加。即应对同一检测部位各传感器的信号单独共振放大、调节灵敏度校准和解调，然后对解调信号进行叠加。

据此，用于多传感器共振解调故障诊断***中的共振解调检测仪相应如图5所示，应是多通道的，每个通道从各自的传感器1输入，各自有含电荷电压转换放大器或电压放大器的前置电路5，量值规一化校准器6，和进行谐振、滤波的谐振器7及解调器8，此外仪表还应有一个对各通道解调信号求和叠加和校准的叠加器9，以期最终获得一个较为理想的共振解调故障信号。当然，对于含有计算机的高级精密诊断***，叠加处理也可以在计算机中进行，相应的共振解调检测仪表中就可以不设叠加器单元。

还应指出：由于在多传感器之一的某个传感器的附近产生故障冲击，由另一个传感器受感所得到的信号并不是零，因此，多传感器信号的解调叠加值，大于单传感器可受感到的最大值。此种量值差异可以通过校准调节电路或叠加电路消除。

应用上述多传感器受感和信号叠加方法，可以大幅度地减小共振解调故障信号的调制深度，减少故障方位对于诊断的影响，从而降低错诊率和漏诊率;对叠加后的信号作一次性的分析处理，提高了测量分析的准确度，减少了诊断过程的工作量和诊断时间，还可使复杂的诊断***简化。

多传感器共振解调故障检测技术已经成功地在铁路车辆轮对轴承不分解试验诊断***中获得应用，与诊断***其它技术配合，取得了对车辆轮对轴承故障的确诊率高达95%以上，而漏诊率接近于零的高水平。

附图说明：

图1  共振解调变换过程波形特征图（1a-故障冲击的波形，1b-高频共振响应，1c-共振解调波形。）

图2  超声传感器的安装示意图。

图3、4  接触式传感器安装示意图

图5  多传感器共振解调检测仪表电路的结构框图

（1-传感器，2-夹具，3-检测的轴承，4-集声通道，5-前置电路，6-量值规一化校准器，7-谐振器，8-解调器，9-叠加器）

Claims (8)

1、一种多传感器共振解调故障检测技术，应用于含有传感器、共振解调检测仪表的故障诊断***中，根据故障冲击的高频共振解调波形的幅值和频谱检测故障，其特征在于当故障冲击信号的传递损耗很大时，于同一检测部位用多个传感器并列受感，并对各传感器受感的故障冲击信号处理，最终叠加成一个共振解调信号，用于检测诊断。

2、按权利要求1所述的多传感器共振解调故障检测技术，其特征在于同一检测部位的沿圆周安装的多传感器为均布安装。

3、按权利要求1所述的多传感器共振解调故障检测技术，其特征在于安装在同一检测部位的多传感器，可以是多个同类传感器，也可以是不同类的多传感器。

4、按权利要求1、2、3所述的多传感器共振解调故障检测技术，其特征在于当用于轴承的故障检测时，沿圆周安装的传感器数为：当轴承直径在300mm以内时采用2个或1个传感器，当轴承直径在300～1000mm以内时采用3或4个传感器。1m以上的轴承则用多于4个传感器。

5、按权利要求1、2、3所述的多传感器共振解调故障检测技术，其特征在于当用于轴承故障试验检测，且有专用夹具夹持轴承和采用接触式类型（如振动、冲击、应变）传感器时，夹具与轴承外环在受感点处应有紧密的接触面，传感器就安装在夹具该紧密接触面中心的法线位置上。

6、按权利要求1、2、3所述的多传感器共振解调故障检测技术，其特征在于当用于轴承故障试验检测并有专用夹具夹持轴承和采用超声传感器，超声传感器沿圆周安装时，其安装轴线应沿轴承直径方向并指向轴承轴心，在轴承与传感器间置有集声通道，且按下述两项要求设计超声传感器与轴承的距离：超声传感器的主视角P应小于该传感器的接收角，轴承对传感器的被视角Q对应传感器数N满足下列关系：

N  1或2  3  4

Q  大于150°  大于120°  大于90°

7、按权利要求1所述的多传感器共振解调故障检测技术，其特征在于多传感器的信号叠加处理，是在叠加前经各自单独共振放大、调节灵敏度校准和各自单独解调处理后求和叠加，而求和叠加可以在诊断***内的共振解调检测仪或计算机中进行。

8、按利要求1所述的多传感器共振解调故障检测技术，其特征在于诊断***中的共振解调检测仪是多通道的，各通道从各自的传感器1输入，各自有含电荷电压转换放大器或电压放大器的前置电路5，量值规一化校准器6，谐振器7和解调器8，并有一个对各通道信号求和叠加和校准的叠加器9。

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