本科毕业设计-液压柱塞泵状态监测与故障诊断系统设计.doc

重庆大学本科学生毕业设计（论文）液压柱塞泵状态监测与故障诊断系统设计学 生：XXX学 号：XXX指导教师：XXX专 业：机械电子工程重庆大学机械工程学院二O一三年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityThe condition monitoring and fault diagnosis system design of Hydraulic piston pumpUndergraduate: XXXStudent ID: XXXSupervisor: XXX Major: Mechanical and Electronic EngineeringSchool of Mechanical EngineeringChongqing UniversityJune 2013重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要摘 要随着社会经济的发展，液压系统的使用范围越来越广。液压设备已被广泛的应用于机械、制造、建筑、采矿等各个领域，在社会生产中创造了巨大的价值。液压柱塞泵是液压系统的动力元件，是各种液压设备中使用最广、最重要的设备之一。液压柱塞泵工作状况的好坏将直接影响液压系统的工作效率，同时也会使工业生产的效率大大降低。因此，做好液压柱塞泵的工作状态监测和故障诊断对于保障工业生产来说非常重要。本文将基于液压柱塞泵工作时的振动情况对其工作状态进行监测并对出现的故障做出诊断和处理。振动是机械设备工作时不可避免的现象，设备的振动情况能最直接最有效地反映出设备工作时是否出现异常，而且基于振动情况对设备进行状态监测和故障诊断是机械诊断的最有效的方法。因此本次研究将选取振动情况作为液压柱塞泵工作时的主要监测对象，为了更好更全面的监测液压柱塞泵的工作状况，将选取流量、压力、温度作为辅助监测量。本次研究在对液压柱塞泵状态监测和故障诊断硬件系统需求进行详细的分析后，确立了虚拟仪器测试系统的硬件总体设计方案。同时根据硬件系统的要求，确定了状态监测所需要的传感器，选定了信号调理方案和数据采集方案。基于虚拟仪器技术开发实验的硬件系统不仅方便快捷，而且相对于采用实物研究来说更加经济环保。在系统的软件设计方面，本次研究将基于labview软件进行故障诊断软件系统的设计，同时用labview软件进行仿真实验，测试所设计的故障诊断系统的实用性和可靠性并完成研究。本次研究通过液压柱塞泵状态监测和故障诊断系统的设计，对液压柱塞泵的工作原理有了充分的了解，对虚拟仪器技术和labview软件的使用更加熟悉。所设计的硬件系统经济实用、功能完备；软件系统简单快捷、操作方便，很好地满足了课题研究的各项要求，圆满完成了本次毕业设计的任务。关键词：液压柱塞泵，故障诊断，虚拟仪器，labview软件V重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTWith the social and economic development, the increasingly wide range of hydraulic system. Hydraulic equipment has been widely used in machinery, manufacturing, construction, mining and other fields in the social production to create a great value. Hydraulic piston pump is the dynamic components of the hydraulic system is the most widely used variety of hydraulic equipment, one of the most important equipment. Hydraulic piston pump working condition is good or bad will directly affect the efficiency of the hydraulic system, but also make industrial production efficiency is greatly reduced. Therefore, good hydraulic piston pump condition monitoring and fault diagnosis is very important for the protection of industrial production.This article will be based on the work of the hydraulic piston pump vibration monitoring their work status and the failure to make a diagnosis and treatment. Vibration is inevitable phenomenon in the mechanical device to work, the vibration of the device can be most directly reflects the device to work most effectively when the abnormal condition monitoring and fault diagnosis, but also based on the vibration of the equipment is the most effective method of diagnosis of mechanical . The object of this study the selected vibration as a hydraulic piston pump monitoring, in order to better and more comprehensive monitoring of hydraulic piston pump working conditions, the selected flow, pressure, temperature as an auxiliary monitoring.This study, a detailed analysis of the hydraulic piston pump condition monitoring and fault diagnosis of hardware system requirements, established the Virtual Instrument Test System hardware overall design. In accordance with the requirements of the hardware system to determine the need for condition monitoring sensors, signal conditioning solutions and data acquisition program has been selected. Experimental hardware system based on virtual instrument technology development is not only convenient, but also with respect to the use of physical research for more economical and environmentally friendly. System software design, this study will be based on LabVIEW software fault diagnosis software system design, simulation experiments LabVIEW software, the practicality and reliability of the test fault diagnosis system design and completion of the study.This study through the design of the hydraulic piston pump condition monitoring and fault diagnosis system, the working principle of the hydraulic piston pump have a full understanding, more familiar with the use of virtual instrument technology and LabVIEW software. The design of the hardware system economical and practical, fully functional; software system is simple and quick, easy to operate, good to meet the requirements of the research, the successful completion of this graduation project tasks.Key words：Hydraulic piston pump，Fault Diagnosis，Virtual Instrument，LABVIEW重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录目 录中文摘要ABSTRACT1绪论1 1.1课题背景11.2研究的目的和意义1 1.3液压柱塞泵故障诊断技术现状和发展趋势21.3.1液压柱塞泵故障诊断技术现状21.3.2液压系统故障诊断技术趋势21.4故障诊断技术的简介31.5本文主要研究内容32 液压柱塞泵的工作原理及故障分析4 2.1液压泵简述42.1.1液压泵的介绍42.1.2液压泵的种类42.1.3液压泵主要的性能指标4 2.2液压轴向柱塞泵的结构和工作原理6 2.3液压柱塞泵的常见故障72.3.1按液压故障的现象分类72.3.2按液压故障的发生时间分类82.3.3按液压故障特性分类82.3.4按液压故障发生的原因分类9 2.4液压故障的主要特点93液压柱塞泵故障诊断系统的硬件设计10 3.1液压柱塞泵故障诊断系统的总体方案10 3.1.1设计方案总体概述10 3.1.2故障诊断系统总体方案流程图10 3.2液压柱塞泵故障诊断系统的硬件设计10 3.2.1被测对象的选取10 3.2.2传感器的选用113.2.3信号调理装置133.2.4信号采集装置143.2.5信号处理装置15 3.3液压柱塞泵故障诊断系统的硬件系统框图154 软件设计与仿真测试16 4.1虚拟仪器技术164.2labview软件的介绍16 4.3软件系统综述16 4.4本次研究设计的软件17 4.4.1软件前面板的介绍19 4.4.2软件程序框图的介绍21 4.5数据的采集23 4.6数据的分析和处理24 4.6.1时域分析24 4.6.2频域分析25 4.7计算机仿真实验27 4.7.1计算机仿真技术简介27 4.7.2进行仿真实验275总结30参考文献31 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论4重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 1 绪论1.1课题背景随着社会经济的发展,机械设备逐步朝着大型化和高速化方向发展。在机械设备的运行中对其动力性能的要求也越来越高。由于液压系统质量轻、功率较大、工作平稳和可实现较大范围的无级调速等优点,液压系统在生产中的使用范围越来越大。液压柱塞泵做为液压系统的动力输出设备，是整个液压系统中最核心的部件越来越受到人们的重视,对液压柱塞泵的状态维护也越来越受到大家的关注。在实际工作中,因为生产的需要,液压柱塞泵经常一直处于工作状态中。而且因为液压柱塞泵的工作环境相对恶劣,内部油液容易受到污染等原因,液压柱塞泵很容易发生故障,严重影响工业生产。而在实际的故障诊断过程中,因为液压系统复杂、弯道多、液压设备处于密封状态等，所以引起液压柱塞泵产生故障的原因很多，故障原因与故障症状的对应关系不是一一对应等。因此,液压柱塞泵的故障诊断难度很大。传统的液压柱塞泵故障诊断方法效率低下,对液压柱塞泵以及周边的元件影响较大，因此急需开发一种简单有效的液压柱塞泵的故障诊断方法来对液压柱塞泵的工作状态进行全面的监测并对液压柱塞泵的故障做出高效准确的诊断。1.2研究的目的和意义 液压柱塞泵是液压系统的一个重要装置。它依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油。柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和流量调节方便等优点，被广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的场合，诸如液压机、工程机械和船舶中。由于液压柱塞泵的应用非常广泛，而且在很多器械中液压泵是其动力元件，是器械最关键的元件之一，其工作状态的好坏将直接影响器械的工作性能和工作效率。因此，对液压柱塞泵的工作状态进行监测并对发生的故障及时的做出诊断和报告具有非常重要的意义，动力系统的监测与诊断也是机械故障诊断中最重要的环节之一。通过对液压柱塞泵状态监测与故障诊断系统设计的研究，了解液压柱塞泵的组织结构和工作方式，了解液压柱塞泵有哪些故障并知道如何解决，设计并优化液压柱塞泵的故障诊断监测系统，从而提升整个液压系统的工作效率和器械的工作性能。此外可对故障诊断与检测技术进行改进，提高设备工作的安全性。1.3液压柱塞泵故障诊断技术现状和发展趋势1.3.1液压柱塞泵故障诊断技术现状液压系统是当代机械系统中的重要组成部分，因其故障发生率高，因此需要及时准确的诊断出其故障。目前液压设备中常用的监测方法主要包括：（1）振动和噪声的监测与分析通常而言，液压设备产生振动是其能量转换过程中机械冲击与流体脉动造成的结果。噪声是固体振动、流体振动和空气振动的综合体现。对液压系统振动和噪声的监测可以提供相关设备工作状况的大量信息，因此成为机械故障诊断的最基本的方法之一。（2）声发射技术声发射技术是一种新发展起来的故障诊断方法。其原理是材料在动态应变下发生高能量波。这种波的频率非常高，远远超出正常振动的频率范围。这样，机械故障信号及噪声信号在不同频率范围内，因而很大程度上方便了故障诊断。（3）温度测量 温度的变化是机械设备工作时能量转换产生的必然结果。液压元件在工作情况下都会有不同程度的能量损耗，损耗能量大部分转化成了热能。因此可以用热平衡方程式来求出液压元件的工作效率。（4）油液铁谱与光谱分析在液压设备工作时，因为油中会无法避免地存在一些污染颗料，这使得液压元件工作时产生磨损，会在油液中出现磨屑。根据油液中磨损颗料的大小、数量和成分的变化就能判断系统工作情况是否正常。（5）电阻法把摩擦付看作一对电阻，将元件看作一个电网络，用测量摩擦付电阻的方法来监测液压柱塞泵的磨损状况是故障诊断的又一种方法。（6）压力与流量的测量 液压设备在已定的工作情况下，每一个部位都有稳态参数。压力和流量就是反映液压系统工作特性最基本的两个物理量。当测试的压力值和流量值与正常工况值不符时，就可判定液压系统出现了故障。1.3.2液压系统故障诊断技术趋势1.混合智能故障诊断技术。把不同智能诊断技术综合起来的混合诊断系统是智能诊断方法的一个发展趋势。可以很大的发挥出各种故障诊断方法的优点。2.基于网络的远程协作的诊断技术。网络化的远程故障诊断系统可以将诊断现场及诊断中心用网络联系起来,同一个诊断中心可以响应不同现场用户的要求。 3.虚拟技术的应用。虚拟技术是人们利用计算机对采集的数据进行可视化的操作和交互的一种方式。计算机、用户和控制对象被作为整体,用各种工具将采集的信息可视化。1.4故障诊断技术的简介故障诊断技术就是通过对机械设备、机器及系统的状态进行监测，掌握其运行状况并预知故障原因和及故障对机器的影响。随着科学技术的快速发展，机械的功能愈加强大，设备规模和结构也更加复杂。以往对机械设备采用的事后维修方法已不能满足当代工业生产的需要。而随后采用的预防维修方法也存在着很大的不合理性。在此基础上，人们引入了可靠性技术，从而使机械设备的维修更加科学化。二十世纪七十年代，工业生产中开始应用状态监测技术，实现了对机械设备的故障诊断和维修。由于这种维修方法可以随时掌握设备的运行状况，可以对机械故障进行早期预报，并能准确及时的确定所要维修的部位，因此极大的提高了经济效益。这种采用状态监测来进行机械设备维修的方法就是故障诊断技术。1.5本文主要研究内容（1）液压柱塞泵的概念、种类、用途、应用领域及轴向柱塞泵的结构。（2）轴向柱塞泵的工作原理及主要性能指标。（3）轴向柱塞泵容易产生的各种故障及各种故障产生的主要原因。（4）轴向柱塞泵正常和异常情况下振动情况和产生的振动信号的特点。（5）故障诊断技术的概念、应用、特点、及现阶段的发展情况和未来的发展趋势。（6）传感器的种类、概念、工作原理和应用及重点介绍本次课题中选取的传感器。（7）轴向柱塞泵上传感器的布控及数据的采集和数据的分析及数据的处理。（8）labview软件的功能、用途、使用方法及在本次课题中如何使用。（9）根据研究情况编制状态监测与故障诊断相关程序或软件，并用相关软件labview进行仿真。（10）对本次课题研究进行总的分析总结，得出研究结果并作出研究结论。本次课题将基于液压柱塞泵的振动情况对其进行运行状况的状态监测及故障诊断，同时降流量、压力、温度作为辅助监测对象，设计相应的硬件系统和软件系统，并通过计算机进行仿真实验。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 液压柱塞泵的工作原理及故障分析 2 液压柱塞泵的工作原理及故障分析2.1液压泵简述2.1.1液压泵的介绍在液压系统中，液压泵是能量转换元件。它是将电动机的机械能转换成油液的压力能，从而为液压系统提供具有一定压力和流量的液体，所以又称为液压能源元件。液压柱塞泵是液压系统的一个重要部件。它是依靠柱塞的往复运动，使得密封工作腔的容积产生变化来实现吸油、压油功能的。液压柱塞泵有额定压力较高、结构比较紧凑和流量调节方便等优点，所以被广泛的用于各种大型液压设备中。由于液压柱塞泵应用广泛，在很多器械中液压柱塞泵是其动力部件，是机械最关键的元件，所以其工作状态的好坏将直接影响设备的工作性能和工作效率。2.1.2液压泵的种类1、根据流量是否可调节可分为：变量泵和定量泵。2、根据液压泵的输油方向分:可分为单向泵和双向泵。3、根据液压泵的密封工作容积的方法及吸、排油的机理,常见有:齿轮泵、柱塞泵、叶片泵。4、按允许使用压力分:可分为低压泵、中压泵、高压泵等。2.1.3液压泵主要的性能指标液压泵种类有很多种、结构和形式也有很大的区别,但各种液压泵却有许多共同的性能参数,有压力、转速、排量和流量、效率和功率等。1. 压力：液压泵压力参数主要是工作压力和额定压力。（1）工作压力。液压泵的工作压力是指它的输出压力，泵输出压力的大小由负载决定。当负载增加是，泵的压力升高；当负载减小时，泵的压力降低。所以在液压系统的工作过程中，泵的压力是随负载的变化而变化的。如果负载无限制的增加，泵的压力也随之无限制的升高，直至密封零件或管路被破坏，这是容积式泵的一个重要特性。因此，在液压系统中必须设置安全阀，起过载保护作用。（2）额定压力。液压泵的额定压力是指泵在使用中允许达到的最大工作压力（泵铭牌上所标的压力）。超过此值就是过载。压力的法定计量单位为Pa（帕）或MPa（兆帕）。2. 排量和流量：（1） 排量V。泵的排量是指在无泄漏的情况下，泵每转一转所排出的油液体积。它决定于泵的密封工作容积的几何尺寸，又称为几何排量，简称排量。排量常用的单位为mL/r。 （2）理论流量qt。泵的理论流量是指泵在无泄漏的情况下，单位时间内输出的油液体积，它等于泵的排量与其转速的乘积，即 qt=Vn (2.1) （3）实际流量q。泵的实际流量是指泵工作时的输出流量，它小于理论流量，因为泵的各个密封间隙有泄漏（q），故 q=qt+q (2.2) 泵的泄露q除了与密封间隙、油的黏度有关外，还与泵的输出压力有关，压力升高，泄漏量增加，泵的实际流量减小。（4）额定流量qn。泵的额定流量是指在额定转速和额定压力下的实际输出流量。3. 功率：（1）理论功率Pt。液压泵理论上产生的功率，用液压泵的理论流量与泵的出口压力的乘积来表示，即 Pt=pqt (2.3)（2） 输入功率Pi。它是实际驱动泵轴所需要的机械功率，即 Pi=T=2nT (2.4)（3） 输出功率P0。液压泵的输出功率用实际输出流量与泵的出口压力的乘积来表示，即 P0=pq (2.5)4. 效率：泵的效率有容积效率、机械效率和总效率。（1） 容积效率。它是泵的实际流量q与泵的理论流量qt的比值，即 =1 (2.6)（2） 机械效率。它是泵的理论扭矩Tt与实际输入扭矩T的比值，即 =TtT (2.7) 机械效率与摩擦损失有关，当摩擦损失增大时，同样大小的理论输出扭矩需要较大的实际输入扭矩，故机械效率下降。 （3）液压泵的总效率。它是指输出功率P0与输入功率Pi的比值。即等于泵的容积效率和机械效率的乘积，为 = = (2.8)2.2液压轴向柱塞泵的结构和工作原理液压柱塞泵是通过柱塞在柱塞孔内做往复运动时，密封工作腔容积的变化来实现吸油和排油功能的。因为柱塞与缸体的内孔均为圆柱表面，滑动表面的配合精度比较高，所以这种泵的特点是泄漏量小、容积效率高，能够在高压环境下工作。1 斜盘式轴向柱塞泵 液压轴向柱塞泵分为斜盘式及斜轴式两种，图2.1为斜盘式液压轴向柱塞泵的工作原理图。泵由斜盘1、柱塞2、缸体3、配油盘4等零件组成，斜盘1和配油盘4是固定不动的，传动轴5带动缸体3和柱塞2一起转动。柱塞2靠机械装置压紧在斜盘上。当传动轴按图1所示的方向旋转时，柱塞2在其沿斜盘从下而上回转的半周之内向缸体外伸出，使缸体孔内的密封工作腔的容积增加，产生局部的真空，从而使得油液通过配油盘4上的配油窗口a吸入。柱塞在其从上而下回转的半周之内又向里推入，使得密封的工作腔的容积减小，把油液通过配油盘窗口b排出，每当缸体转一转，每个柱塞就做一次往复运动，从而结束一次吸油动作。如果斜盘的倾角g被改变，就能改变密封的工作腔的容积有效变化量，实现泵的变量调节。图2.1斜盘式轴向柱塞泵的工作原理1斜盘；2柱塞；3缸体；4配流盘；5传动轴；a吸油窗口；b压油窗口；2.斜盘式轴向柱塞泵的排量和流量如图1当柱塞数目为，柱塞直径为，柱塞孔分布圆的直径为，斜盘倾角为，则此时泵的排量为 (2.9)则此时泵的输出流量为 (2.10)实际上，柱塞泵排量是转角的函数，其输出流量是脉动的。就柱塞数而言，当柱塞数是奇数时的脉动率比偶数小，而且柱塞数越多脉动越小，故柱塞泵的柱塞数通常情况下都为奇数。从结构工艺性和脉动率等方面综合考虑，通常取Z=7或Z=9。2.3液压柱塞泵的常见故障液压设备故障的概念,是指液压系统或元件的各项技术指标偏离了它的正常状态。液压柱塞泵的故障分类方法多种多样,依据不同标准进行分类,可从以下几个不同的角度来进行分类:2.3.1按液压故障的现象分类1液压柱塞泵的输出流量不足或完全不输出油液：（1）吸入量不足。主要原因是由于吸油管路上的阻力太大或补油量不足。 (2) 泄漏量过大。主要原因是由于泵的间隙太大，密封不良所造成。2中位时排油量不为零当变量式液压柱塞泵斜盘的倾角为零时称为中位。此时泵输出的流量应当为零。但是有时则会出现中位与调整机构中点偏离的现象，处在中点的时候仍然输出流量。3输出流量的波动有许多因素会影响泵的输出流量的波动。对于变量泵来说可以认为是变量机构的不佳控制所造成的，如异物进入了变量机构，异物在控制活塞上面划出伤痕、磨痕等，从而使得控制活塞的运动变得不稳定。4输出压力的异常(1)输出压力过低当泵处在自吸状态下时，如果进油管路漏气或系统中液压缸、换向阀等出现较大的泄漏，均会使得压力升不上去。这时需要找出漏气的位置，进行紧固或更换密封件，从而提高压力。(2)输出压力过高如果回路的负载持续上升，泵的压力也将持续上升，这属于正常情况。如果负载一定时，泵承受的压力超过了负载所需的压力值时，则需要检查泵以外的其它液压元件。5振动及噪声振动与噪声通常是同时出现的。它们不仅会对设备的操作者造成危害，也可能会对环境造成严重的污染。6.液压泵过热液压柱塞泵泵过热主要有两个原因：一是机械式的摩擦生热。二是液体式的摩擦生热。7液压柱塞泵的漏油液压泵出现故障时,它所表现出的症状可能是以上症状中的一种,也可能是几种症状同时表现出来。无论是哪种情况,只要液压泵出现以上症状,我们就认为该液压泵出现了故障,就要对这些故障产生的原因进行诊断分析,并加以排除。2.3.2按液压故障的发生时间分类1、早发性故障。主要是由于液压系统的设计、制造、装配和安装调试等方面的问题引起的。2、突发性故障。主要由于各种不利的因素和偶然的外部因素共同作用产生的结果。3、渐发性故障。主要是在液压元件的各种技术参数劣化的过程中慢慢发展而成的，液压设备劣化的过程包括磨损、老化、疲劳、污染等。2.3.3按液压故障特性分类1、共性故障。各种液压设备和元件都经常出现的故障,其特点是相同的。如振动、液压冲击、爬行、高温、进气等。2、个性故障。各类液压设备系统及元件所具有的特有的液压功能出现的故障,故障特点是各不相同的,在分析时需要区别对待。3、理性故障。主要是由于液压系统的设计不合理、元件结构设计不合理或选用不当等引起的故障。2.3.4按液压故障发生的原因分类1、人为性故障。由于设计、装配、使用和维护不当等因素使得液压设备过早的失去了应有的功能而出现的故障被称为人为故障。2、自然性故障。液压设备及元件在使用和保存期内,由不可抗拒的因素的影响而引发的故障。2.4液压故障的主要特点:（1）隐蔽性。液压装置的损坏通常发生在深层内部，由于不便装拆难以直接观测，所以故障分析很困难。（2）机电液耦合性。液压系统通常是一个集机、电、液、仪表于一体的综合系统，它的故障表现为机械故障、电气故障、液压故障的复杂耦合。（3）交错性。液压系统的故障症状和原因之间往往存在各种各样的重叠和交叉。一个症状可能是由多种原因引起的；一个故障源也可能会引起很多的故障症状；一个症状也可能是由多个故障源叠加起来所造成的。（4）随机性。液压系统在工作过程中会受到不同的随机因素影响，故障所发生的变化和方向很难确定因此会造成故障分析与诊断的困难。（5）差异性。由于设计、工作环境、加工材料等的差异，液压元件的磨损速度和损坏程度相差很大。29重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 液压柱塞泵故障诊断系统的硬件设计3 液压柱塞泵故障诊断系统的硬件设计3.1液压柱塞泵故障诊断系统的总体方案3.1.1设计方案总体概述本次研究的重点在于液压泵的故障诊断系统的设计，总体方案为：对液压泵的运行状况进行状态监测，尤其是液压泵的振动情况和流量的大小。因为本次研究是基于液压泵的振动和流量对其进行故障诊断，因此在液压泵的壳体上布控速度传感器和加速度传感器，在液压泵的输出官道上布控流量传感器。通过传感器将液压泵的被测参量的数值采集下来，将采集到的数据输入计算机进行数据处理和分析，从而得出诊断的结果。经过多次试验后，可将液压轴向柱塞泵正常运行情况下的振动信号和有关参量数值分析处理后的数据存入计算机并作为轴向柱塞泵正常工作时工作状态的标准。当对某一台正在运行的液压轴向柱塞泵进行状态监测和故障诊断时，可以运用以上有关步骤采集轴向柱塞泵运行时的振动信号和各个参量的数据，将信号和数据分析处理后输入计算机，计算机可将其与正常工作情况下的数据信息进行对比，对比后如果输入的数据信息处在正常工作的数据信息范围内或与之差异不大，则表明正在监测和诊断的液压柱塞泵工作正常；反之，如果输入的数据信息与计算机中储存的正常工作时的数据信息差异较大，则表明所监测和诊断的液压轴向柱塞泵运行不正常，出现了故障，则应当对其进行维修和处理。3.1.2故障诊断系统总体方案流程图信号处理系统信号采集系统信号调理系统传 感 器被测对象 图3.1 故障诊断系统总体方案流程图3.2液压柱塞泵故障诊断系统的硬件设计3.2.1被测对象的选取随着社会经济的发展，液压设备的使用越来越广泛。作为液压系统的动力部分，液压泵是液压系统中的核心元件。液压泵的种类有很多种，但是在现代社会生产中液压轴向柱塞泵的应用最为广泛，而且国内外对液压轴向柱塞泵的研究也比较全面，因此本次研究选取液压轴向柱塞泵作为研究对象。3.2.2传感器的选用：本次研究中，将基于液压柱塞泵的振动情况和流量、温度及压力对液压柱塞泵的工作情况的影响进行状态监测和故障诊断，因此将选取可监测振动情况和流量、温度及压力的传感器。振动是机械设备工作时不可避免的现象，机械设备的振动情况能最佳的反映设备运行状况好坏，在监测液压柱塞泵的振动情况时，本次实验将重点监测液压柱塞泵的振动加速度，此外还有液压柱塞泵内液体流量的大小，液压柱塞泵运行时的温度和压力。因此将选取振动加速度传感器、流量传感器、温度传感器、压力传感器这四种传感器。（1）振动传感器压电式加速度传感器：压电式加速度传感器工作原理如图3.2所示。图3.2 压电式加速度传感器工作原理在压电转换元件上, 用一定的预紧力安装一个惯性质量块m, 惯性质量块上有一个预紧螺母, 就可以组成一个简单的压电加速度传感器, 图3 是它的力学模型图。压电转换元件在质量块m 的惯性力的作用下, 产生电荷量为q = dijm d2 y /dt2 （3.1）对每个加速度传感器来说, di j、m 为常数。上式说明压电加速度传感器的输出的电荷量q 和物体的振动加速度成正比关系。用一定的测试系统测出电荷量q, 就能实现对振动加速度变化的测量。压电片的结构阻尼非常小, 压电加速度计的等效惯性振动系统的阻尼比0。所以压电加速度计在0 0. 2 fn 的频率范围内具有常数的幅频特性和零相移, 能够满足不失真的转换条件1。压电式加速度传感器的主要参数： 表3.1 加速度传感器参数品牌上海铸瑞型号YD-1电荷灵敏度（pC/ms-2）6-10频率响应（Hz1dB）110000横向灵敏度5%工作温度（摄氏度）-40+80最大可测加速度（m/s-2）2000安装螺纹（mm）M5外形尺寸（mm）15六方X28重量（g）26（2）流量传感器涡轮式流量传感器：涡轮式流量传感器是一种精密流量测量仪器，与相应的流量积算仪表配套可用于测量液体的流量。它被广泛的用于石油、冶金、科研等领域的流量计量、控制系统。本次研究将选取涡轮式流量传感器来监测液压柱塞泵工作时的流量大小变化情况。涡轮式流量传感器的主要参数： 表3.2 流量传感器参数品牌中锐仪器型号LWGY型传感器精度等级1%R量程比1:20仪表材质304不锈钢被测介质温度-20+120摄氏度供电电源+12VDC、+24VDC（可选）传输距离1000m（3）温度传感器电阻式温度传感器：温度传感器是指可以感受被测系统的温度，将被测系统温度变化的情况转换成可用输出信号的一种传感器。温度传感器是温度测量仪器的核心元件，是发展最早应用最广泛的传感器之一。广泛的应用于生物、医学、制造、化工等领域，在工业生产和科学研究中发挥着重大作用。温度传感器的种类非常多，本次研究将选取最常用的电阻式温度传感器。电阻式温度传感器的主要参数： 表3.3 温度传感器参数品牌坦泼秋尔型号NTC种类温度传感器材料金属材料物理性质半导体材料晶体结构非晶体制作工艺集成输出信号模拟型防护等级A线性度1（%F.S.）迟滞1（%F.S.）重复性1（%F.S.）灵敏度1漂移1分辨率1（4）压力传感器电容式压力传感器：压力传感器是可将被测系统压力变化的情况转换成可用的输出信号的一种传感器。压力传感器是社会生产实践中应用的最广泛的传感器之一，广泛地应用于医疗，化工，机械制造，生产自动化，航空航天等领域。压力传感器的种类有很多种，常见的有电阻式压力传感器，电容式压力传感器以及电感式压力传感器，本次研究中将采用电容式压力传感器，电容式传感器的结构相对来说比较简单，两个平行的大小形状相似的金属板作为极板，之间由绝缘的介质将其分开。当传感器感受到被测系统的压力时，两个金属极板将互相接近或者远离，极板间的距离将发生变化，从而导致电容的大小发生变化。根据电容大小变化的情况可将被测系统压力变化的情况转换成需要的信号输出，从而反映出被测系统压力变化的情况。因为电容式压力传感器结构简单，使用方便，测量的灵敏度较高，所以本次研究中选取电容式压力传感器来测量液压柱塞泵工作时受到的压力。电容式压力传感器的主要参数： 表3.4 压力传感器参数品牌威尔太型号3051传感器类型电容式传感器电源16VDC45VDC测量范围040Mpa精度0.5%显示形式液晶显示温度漂移0.2%材质316L不锈钢防护等级IP673.2.3信号调理装置 传感器的输出信号往往很微弱，且波形不适当，不能直接用于工业系统的状态显示和控制。信号调节系统就是对传感器的输出信号施行一定预处理的装置。运算放大器是信号调理电路的常用器件，将传感器所输出的信号进行适当放大，以便于信号采集。 图3.3 运算放大器传感器信号放大器是运算放大器常见种类之一，就是以放大传感器采集的信号为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。本次研究将选用传感器信号放大器。传感器信号放大器的主要参数： 表3.5 信号放大器参数品牌金诺型号BSQ-2输入mV级电压信号输出1.5mV/V或0-5V，1-5V，0-10mA，4-20mA激励电压10V或12V，15V，24V（DC）工作温度-2080摄氏度3.2.4信号采集装置 数据采集卡。数据采集卡是整个采集系统的核心，通过它可以对传感器的信号进行有效地采集，并通过显示器显示。采集卡的种类较多，一般有ISA卡、PCI卡、USB接口卡。随着计算机技术的发展，ISA卡不再被使用，但其技术较为成熟，且价格低廉，因此仍然有其实用性；PCI卡和,USB接口卡是目前发展的趋势，但价格相对较高。这些卡都可以直接插入到计算机的相应接口中，安装方便且稳定性好，适用工程机械各种恶劣工况的需求。如果流量传感器使用涡轮流量计，就应当选择能进行频率计数的采集卡，根据采样个数与流体流量之间的转换标定，可以准确地测出系统的流量，并实时地显示到显示器上。 目前市面上数据采集卡的种类有很多种，为了方便采集数据，本次研究将选取USB数据采集卡。USB数据采集卡的主要参数：表3.6 数据采集卡参数品牌：阿尔泰型号：USB2850模拟量输入 64路 16位 500KS/s模拟量输入 64路 16位 500KS/s模拟量输入 64路 16位 500KS/s模拟量输出 8路 12位 100K;支持USB、以太网数据传输带DA、DIO功能16位AD精度，500KS/s采样频率500KS/s 16位 64路 模拟量输入DA量程：10V 5V 0-10V 0-5V12位DA精度，建立时间10us8路模拟量输出支持USB、以太网数据传输方数字量输入、输出各16路单端64路/差分32路模拟量输入AD量程：10V、 5V、 2.5V、010V、05V程控增益1、2、4、8倍(默认)或1、2、5、10倍或1、10、100、1000倍AD缓存：8K字FIFO存储器AD触发方式：多种模拟量、数字量触发方式16路DI 16路DO3.2.5信号处理装置数据处理是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输。数据是对事实、概念或指令的一种表达形式，可由人工或自动化设备来进行处理。数据处理是系统工程及自动控制工程的基本环节，贯穿于社会生产的各个领域。目前，计算机处理数据的能力非常强大，因此本系统主要借助于计算机强大的显示功能和存储功能，把采集到的信号进行实时显示，达到直观的效果，在显示时可以通过波形显示与数据显示结合的方式，更加准确地把液压系统的工作状况提供给系统监测人员并存储。3.3液压柱塞泵故障诊断系统的硬件系统框图 本次研究所选取的主要硬件装置有：（1）四种传感器：压电式加速度传感器、涡轮式流量传感器、电阻式温度传感器、电容式压力传感器。（2）传感器信号放大器（3）USB数据采集卡（4）计算机。四种传感器分别监测液压柱塞泵工作时的振动加速度变化情况、液体流量的大小、液压柱塞泵工作温度的变化以及所承受的工作压力。监测到的信号经过信号放大器放大后由USB数据采集卡将其采集，采集的数据输入到计算机，通过相应的软件和程序对数据进行详细的分析，根据数据的大小情况和采集到的信号的变化趋势来分析判断所监测的液压柱塞泵是否出现故障，从而达到对液压柱塞泵运行时进行状态监测和故障诊断的目的。图3.4为硬件系统框图。液压柱塞泵信号放大器数据采集卡传感器电容式压力传感器电阻式温度传感器涡轮式流量传感器压电式加速度传感器计算机 图3.4 硬件系统框图重庆大学本科学生毕业设计（论文） 4 软件设计与测试 4 软件设计与测试4.1虚拟仪器技术虚拟仪器技术是指利用强大的软件和模块化的硬件来完成各种实验、测量、过程控制、测试以及仿真等功能。这项技术最早是由美国人提出的，20世纪80年代美国人首先提出了虚拟仪器技术，经过三十年左右的发展，这项技术已经被应用于世界各地，各个国家都在虚拟仪器技术的发展上投入了大量的人力和物力。 虚拟仪器主要有三大部分所组成，首先是效率很高的软件，高校的软件可以提供强大的信息分析和处理能力；其次是模块化的硬件，各个模块化的硬件可以完成数据采集，信号分析，结果判断，信息处理等功能；最后是可以集成硬件和软件的平