（机械电子工程专业论文）基于智能传感器阵列的大型风洞机组振动监测研究.pdf

中文摘要 摘要 随着社会生活节奏的加快和现代工程技术的发展，促使大型运动机械不断提 速，带来了系统工作效率的大幅度提升，但由此产生的振动危害已越来越严重。 因此，大型装备的状态监测和故障诊断越来越受到重视。而振动参数是装备运行 中重要的特征参数，振动监测是装备状态监测和故障诊断的重要手段。研究表明， 对于大型风洞机组的振动监测，现有的振动监测技术已不适应多参数监测的需要， 传统的振动监测技术主要存在监测点参数单一、监测系统的动态范围小、通信方 式不灵活等问题，影响了装备状态监测的可靠性。目前，对大型、复杂装备的振 动状况监测，已成为装备状态监测和故障诊断技术领域的前沿课题。 本文在深入研究现有振动监测技术和通信理论的基础上，结合大型风洞机组 振动监测领域的具体应用环境，提出一种适用于大型风洞机组振动监测的“多点 多参数 远程监测方法，构建了基于多传感器管理的测振传感器阵列模型；研究 了有线与无线并存的远程监测通信模式：研究了适用于风洞机组振动“多点多参 数”远程监测的多源信息融合模型；探索了解决大型风洞机组振动远程监测问题 的新方法。本文的研究工作，有望改变大型风洞机组振动监测现状，以提高风洞 机组振动监测的实时性、准确性和可靠性，为大型风洞机组的状态监测与故障诊 断、以及工程设计提供科学依据。这对提升我国振动监测的理论水平和应用水平 具有重要的理论价值和重大的现实意义。 主要研究工作如下： 为了全方位监测大型风洞机组的振动状态，研究了大型风洞机组的振动特 征，提出一种“多点多参数监测方法。 现有的振动监测技术，一般都选择振动体的某些具有代表性的部位作为监测 点，安装测振传感器，以实施其振动监测。这对于简单装备的振动监测是可行的。 但是，对于大型的、复杂的装备而言，不同部件、同一部件的不同部位，其振动 特征都是不同的，其单点单参数监测结果不足以全面表征监测对象的振动状态。 为此，提出一种在不同部件、同一部件的不同部位分别布置监测点的“多点一多参 数监测模式。 为了确定“多点监测的多个目标监测点，实现振动的多点一多参数监测， 研究了基于有限元分析的振动特征提取与监测点布置方法，构建了一种由多个测 振传感器组成的测振传感器阵列模型。 大型风洞机组的振动情况复杂多变，必须全面考虑影响装备工作状况的各种 因素，特别是模拟在极端条件下可能出现的振动状况，这就需要根据监测对象的 重庆大学博十学位论文 几何参数和工作载荷等参数进行有限元分析，了解其基本振动特征，由此确定监 测点布置模型。 采用微型敏感元件作阵列元素，把若干具有不同功能的微型敏感元件构成“阵 列”分布，并与共享的阵列管理器、信号处理电路以及智能芯片集成在一起，形 成一种具有初级智能的多功能传感器组件智能传感器阵列。 为了尽可能提高系统的可靠传输问题，研究了一种基带传输与频带传输并 存的冗余监测通信模式。 基于有线连接的振动监测系统应用广泛，技术成熟，可靠性高，但可维护性 和扩展性差；基于无线网络通信技术的振动监测系统，对于旋转机械，无线监测 更具优越性，但这类系统的安全性、可靠性及通信距离和功率受限等问题都是有 待克服的挑战。为此，采用了以无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 、 通用分组无线服务技术( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，g p r s ) 、i n t e m e t 、与电力线 通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，p l c ) 融合的振动远程监测通信方法作为补充， 使其监测系统既能采用基带传输，也可采用频带传输。 为了提高监测系统运行效率、减小网络开销( 特别是能量丌销) ，采用适用 于振动监测系统的分布式数据融合算法。 一方面，振动监测所要求的采样频率通常在l k h z - 1 0 k h z 范围内，高频采样将 产生大量的振动数据；另一方面，由于采用“多点一多参数”监测布点模式，一个 监测点处将有多种测振敏感元件，致使监测数据成海量增长。为了尽量减小网络 开销、避免网络拥塞，确保信息可靠传输，必须采用多级数据融合技术，确保振 动多点多参数远程监测网络的高效运行。 多点一多参数远程监测系统的设计。 在完成上述研究工作的基础上，构建了多参数远程测振与预警系统模型，研 制了基于该模型的振动远程监测实验平台，并对该实验平台的基本性能及实际应 用进行了测试实验。实验结果表明了该振动监测系统的可行性和先进性。 文章最后对研究工作进行了总结和未来的研究进行了展望。 关键词：风洞机组，振动监测，传感器阵列，多传感器信息融合，远程监测 玎 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp a c e o fl i f ea n dm o d e mm e c h a n i c a l c n g t n e e n n g t e c h n 0 1 0 9 y , s p e e do fl a r g e s c a l em o v i n gm a c h i n e r yb e c o m e f a s t e ra n df a s t a n dt h e e f f i c i e n c vo ft h em e c h a n i c a ls y s t e mi si m p r o v e da l o t b u t 嬲ar e s u l t ，v 1 b r a t i o n h a z a r d s b e c o m eas 耐o u sp r o b l e m t h e r e f o r e ，c o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n d f a u l td l a g n o s l s t e c l a n 0 1 0 9 yo fl a r g e s c a l em e c h a n i c a le q u i p m e n th a v eg o t t e nm o r e a n dm o r ea t t e n t l o n t h em e c h a n i c a lv i b r a t i o ni s a ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro ft h eo p e r a t l o no f m e c h a n i c a le q u i p m e n t m e c h a n i c a lv i b r a t i o n m o n i t o r i n gi s a ni m p o r t a n tm e a l l so t m 砒撕c a le q u i p m e n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i s s t u d l e sh a v es h o w n t h a t ：t ns o m ea r e ao fv i b r a t i o nm o n i t o r i n g t ol a r g e 。s c a l em a c h i n e r ya n de q u i p m e n t 【s u c h a sal a r g ew i n dt u n n e lu n i t ) ，e x i s t i n gm e c h a n i c a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n gm e t h o d s c 锄o m e 吼t h en e e d so fl a r g cd y n a m i cr a n g em o n i t o r i n go f l a r g e s c a l em e c h a n l c a le q u i p m e l l t i tm a i n l yh 硒t h ef o l l o w i n gs h o r t c o m i n g s ：s i n g l em o n i t o r i n gp o i n t ，s m a l ld ) ，t l 锄1 cr a n g e o ft h em o n i t o f i n gs y s t 锄，r i g i dc o m m u n i c a t i o nm o d e a n ds oo n t h e s es e r i o u s l ya f f e c t t h er e l i a b i l i t yo fm e c h a n i c a le q u i p m e n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d f a u l td l a g n o s l s a t p r e s 锄t ，v i b r a t i o nm o n i t o r i n go fl a r g e - s c a l e a n dc o m p l e xm e c h a n i c a le q u i p m e n tn 鹊 b e c o m et h e 舶n t i e ro ft h ef i e l do f m e c h a n i c a le q u i p m e n t c o n d i t i o nm o r t i t o r i n g 锄dt a u l t d i a g n o s i s b a s e do ni n t e n s i v es t u d yo fe x i s t i n gm e c h a n i c a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y a n dt o m m u n i c a t i o nt h e o 嘞c o m b i n i n g w i t ht h es p e c i f i ca p p l i c a t i o ne n v i r o 哪c n t s 1 nt h e j f i e l do fl 鹕e s c a l e a n d c o m p l e x m e c h a n i c a l v i b r a t i o nm - o n i t o r i n ga r e 如a “m u l t i p o i n t m u l t i p a r a m e t e r r e m o t e v i b r a t i o nm o n i t o r i n gp r o 蓼a m1 0 r la r _ g e 。s c a l e m e c h a n i c a lh a s b e e np r o p o s e d ，a n dt h e v i b r a t i o ns e n s o ra r r a ym o d e lb a s e d o n m u l t i s e n s o rm 龃a g 锄e n th a sb e e n b u i l ti nt h i sp a p e r w es t u d i e do n t h ec o m m u n l c a t l o n m o d e l 。w h i c hi sc o m b i n e d w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kw i t h m o b i l ec o m m u n l c a t l o n n e t w o r k ，i n t e m e t 觚dl o wv o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k f o rm e c h 删c a l v i b r a t i o nr e m o t em o n i t o r i n g a n da l s ow ed ot h er e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t l o no f s u l t a b l e m u l t i s o u r c ei n f 0 衄a t i o n f u s i o nm o d e l i n “m u l t i 。p o i n t - m u l t i 。p a r a m e t e r r 锄o t e m o n i t o r i n g f o rm e c h a n i c a lv i b r a t i o n t h e n ， an e wm e t h o do fv i b r a t i o n r 锄o t e m o n i t o r i n go fl a r g e s c a l ea n dc o m p l e xm e c h a n i c a le q u i p m e n t h a sb e e ne x p l o r e d b a s 酣 o no u rr e s e a r c hw o r k s ，i ti se x p e c t e dt oc o m p l e t e l yc h a n g et h e s t a t u so fm e c h 弧1 c a i v i b r a t i o nm o n i t o r i n g ，t h er e a l t i m e 、 a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y o fm e c h a n l c a lv 1 b r a t l o n 1 1 1 m o n i t o r i n gc a nb ei m p r o v e da n dt h ep r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i s f o rt h em e c h a n i c a l e n g i n e e r i n gd e s i g n a n dm e c h a n i c a le q u i p m e n t f a u l td i a g n o s i s i th a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h ei m p r o v e m e n to ft h et h e o r e t i c a ll e v e l a n da p p l i c a t i o nl e v e lo fm e c h a n i c a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n gi nc h i n a m a i nr e s e a r c hw o r k sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) f o rt h ea l l r o u n dv i b r a t i o n s t a t u sm o n i t o r i n go fl a r g e s c a l em e c h a n i c a l e q u i p m e n t a m u l t i p o i n t m u l t i p a r a m e t e r m o n i t o r i n gp r o g r a m h a sb e e np r o p o s e d g e n e r a l l y i nt h ee x i s t i n gm e c h a n i c a l v i b r a t i o n m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , a r e p r e s e n t a t i v ep a r to f t h ev i b r a t i o nb o d yi sc h o s e na sam o n i t o r i n gp o i n tt h a ti si n s t a l l e d w i t ht h ev i b r a t i o ns e n s o r st oi m p l e m e n tt h ev i b r a t i o nm o n i t o r i n g b u tt h i si so n l y s u i t a b l ef o rt l l es i m p l em e c h a n i c a le q u i p m e n t f o rt h el a r g e - s c a l e a n dc o m p l e x m e c h a n i c a le q u i p m e n t ，t h ev i b r a t i o ns t a t u so fd i f f e r e n tp a r t sa n dd i f f e r e n tp o s i t i o n so f t h es a n l ep a r ti sd if f e r e n t a n dt h er e s u l to fs i n g l ep o i n tm o n i t o r i n gc a n n o tf u l l yr e f l e c t t h ev i b r a t i o ns t a t u so ft h eo b je c t s s o ，t h i s “s i n g l ep o i n to fm o n i t o r i n g m o d ei sf a rf r o m m e e t i n gt h en e e d s o fv i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i sf o rl a r g e 。s c a l e a n d c o m p l e xm e c h a n i c a le q u i p m e n t h e n c e ，t h e “m u l t i - p o i n t m u l t i p a r a m e t e r m o d eh a s b e e np r o p o s e di nw h i c ht h em o n i t o r i n gp o i n t sa r ea r r a n g e dr e s p e c t i v e l ya td i f f e r e n t p a r t sa n dd i f f e r e n tp o s i t i o n so ft h es a m ep a r t t h r o u g ht h e v i b r a t i o n s e n s o r sf r o m m u l t i p l em o n i t o r i n gp o i n t s ，i tw i l la 1 1 r o u n d m o n i t o rt h e v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f m e c h a n i c a le q u i p m e n ts i m u l t a n e o u s l y , t h e nm u l t i - 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s e n s o r sa s t h ea r r a ye l e m e n t s ，a n dm a d et h el o t so fm i n i s e n s o r so fd if f e r e n tf u n c t i o nt oc o n s t r u c t a n “a r r a y t h e nw ei n t e g r a t e d t h ea r r a yw i t ht h es h a r e da r r a ym a n a g e r s ，s i g n a l p r o c e s s i n gc i r c u i ta n di n t e l l i g e n tc h i p t of o r mt h em u l t i f u n c t i o n a ls e n s o rc o m p o n e n t w i t hp r i m a r yi n t e l l i g e n t ，a n di ti sc a l l e di n t e l l i g e n ts e n s o ra r r a y ( 3 ) t oa c h i e v et h er e l i a b i l i t yt r a n s i m i s s i o no ft h es y s t e m ，ar e d a u n tm o n i t o r i n g c o n u n u n i c a t i o nm o d e lb a s e do nb o t ht h e b a s e b a n dt r a n s i m i s s i o na n dt h eb a n d t r a n s m i s s i o nh a sb e e np r o p o s e d w i r 。dm e c h a n i c a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e d ，b u t i th a s s h o r t c o m i n g ss u c hf i t s ：c o m p l e xw i r i n g ，h i g h e rd e p l o y m e n tc o s t s ，p o o rm a i n t a i n a b i l i t y a n ds c a l a b i l i t y t h e r e f o r e ，m e c h a n i c a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kh a se m e r g e d ，a n di tb r i n g sn e wv i t a l i t yt ot h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gm o d e f b rm e c h a n i c a lv i b r a t i o n h o w e v e r , t h es e c u r i t y 、r e l i a b i l i t y 、c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ea n d t h ep o w e rl i m i t e di s s u e so ft h e s es y s t e m sa r ec h a l l e n g i n g f o rt h i s ，a f t e rw ed e e p l y s t u d i e do nt h ee x i s t i n gc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n dm a d ef u l l u s eo fi t sn e t w o r k r e s o u r c e ar e m o t em o n i t o r i n gc o m m u n i c a t i o np r o g r a mi n t e g r a t e do fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，i n t e r n e ta n dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nh a s b e e np r o p o s e d i ti su s e da sas u p p l e m e n ts ot h a tb o t ht h eb a s e b a n dt r a n s i m i s s i o na n d t h eb a n dt r a n s i m i s s i o nc a nb eu s e di nt h em o n i t o r i n gs y s t e m ( 4 ) i no r d e rt oi m p r o v et h em o n i t o r i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c en e t w o r ko v e r h e a d ( e s p e c i a l l ye n e r g yc o s t s ) ，t h ed i s t r i b u t e dd a t af u s i o na l g o r i t h mf o rm e c h a n i c a lv i b r a t i o n n e t w o r kh a sb e e np r o p o s e d o n 也eo n eh a n d ，t h es a m p l i n gf r e q u e n c yr e q u i r e db ym e c h a n i c a l v i b r a t i o n m o n i t o r i n gi su s u a l l ya m o n g 1k h z 一10k h z ，a n dl o t so fv i b r a t i o nd a t aw i l lb eg e n e r a t e d b y t h e h i g h f r e q u e n c y s a m p l i n g o n t h eo t h e rh a n d ，b e c a u s eo fu s i n g “m u l t i p o i n t m u l t i p a r a m e t e r m o d et h e r ew i l l b em u l t i p l es e n s o r sa to n em o n i t o r i n g p o i n t ，a n da sar e s u l t ，t h em o n i t o r i n gd a t aw i l lb ei n t oam a s s i v eg r o w t h t om i n i m i z e v n e t w o r ko v e r h e a d ，a v o i dc o n g e s t i o na n de n s u r er e l i a b l et r a n s m i s s i o no f i n f o r m a t i o n ，t h e m u l t i g r a d ed a t af u s i o nt e c h n 。1 。g yn e e dt ob eu s e d ，s ot h a tt h ee f f i c i e i l t 。p e r a t i 。n 。f m u l t i 。p 。i n t - m u l t i p a r a m e t e rr e m o t em o n i t o r i n gn e t w o r kf o rm e c h 砌c a lv i b m t i o nc 锄 b ea c h i e v e d ( 5 ) d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e m u l t i p o i n t m u l t i - p a r a m e t e rr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mf o rm e c h a n i c a lv i b r a t i o n b a s e do nc o m p l e t i o no fa b o v er e s e a r c h w o r k s ，t h e m u l t i p o i n t m u l t i 巾a r 锄e t e r r e a l o t em o n i t o r i n gs y s t e m ”m o d e lh a sb e e n c o n s t r u c t e d 觚dt h er e m o t e m o l l i t o r i n g e x p e n m e n t a lp l a t f o 肋b a s e do nt h i sm o d e lf o rm e c h a n i c a lv i b r a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d a l s o , al o te x p e r i m e n t sh a sb e e nc a r r i e do u tt od e m o n s t r a t et h eb a s i c p e r f o 咖a i l c e 觚d p r a c t l c 引a p p l i c a t i o no ft h e s y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ed e m o n s t r a t e d t h e f e a s l b l l i t y 锄da d v a n c e m e n to ft h em e c h a n i c a 1v i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t 锄t h e s y s t e i t l c 觚b ew l d e l yu 8 e di nt h em e c h a n i c a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n go f k i n d so fl a r g e s c a l e 锄d c o m p l e xm a c h i n e r ya n de q u i p m e n t ，a n da l s oc a nb ea p p l i e dt ot h ea r e ao f m o n i t o r i n g h e a l t hs t a t u so f l a r g e - s c a l ee q u i p m e n t s ln ec | l do ft h ep a p e ri st h es u m m a r yo f r e s e a r c hw o r k sa n dp r o s p e c t sf o r 如t u r e k e y w 。r d s ：w i n dt u n n e iu n i t ，v i b r a t i 。nm o n i t 。r i n g , s e n s 。r a l t a mm u l t i p l es e n s 。r s i n f o r m a t i o nf u s i o n ，r e m o t em o n i t o r i n g v i l绪论 1绪论 1 1 课题来源 本文得到国家创新基金项目“节能型智能燃气调压装置关键技术研究( 批准 号：1 0 c 2 6 2 1 5 1 1 3 0 3 1 ) 、霍英东教育基金会1 1 届青年教师基金“基于无线传感器 网络的机械装备状态智能协同监测研究 ( 批准号：1 11 0 5 7 ) 及重庆市科委自然科 学基金“基于三峡库区水环境监测的无线传感器网络节点优化研究( 批准号： c s t c ，2 0 0 8 b b 2 3 4 0 ) 的资助。 1 2 课题的研究背景 随着社会生活节奏的加快和现代工程技术的发展，促使运动机械不断提速。 从1 9 9 7 年4 月1 日丌始至2 0 0 9 年4 月l 同，短短1 2 年间，火车连续提速七 次。经过最近第七次提速后，运行时间大大缩短【l 】。火车的每一次提速都会给车 运和船运带来强劲的冲击，促进了运输机械提速的发展。随着刀具材料技术的提 高，现代金属切削机床正不断向高转速、高切削速度方向发展。不仅数控机床追 求高转速，传统的齿轮传动机床也在不断提高转速，以适应现代高速切削加工的 需求。加工机械的提速，最终促进了装备制造业各种运动机械的提速。提高运动 机械的速度，是实现新型工业化的必备条件，是衡量一个国家国际竞争力的重要 标志，也是决定我国在国际分工中地位的关键因素【2 巧】。 运动机械的不断提速，一方面，带来了机械系统工作效率的大幅度提升，促 进了国民经济的快速发展：另一方面，由此产生的振动危害问题已越来越严重。 例如，齿轮传动机床主轴转速的提高，必然导致齿轮线速度的提高，同时造成齿 轮载荷的增加。研究表明，齿轮线速度每提高一倍，齿轮噪声声压级提高6 d b ；齿 轮载荷每增加一倍，齿轮噪声声压级提高3 d b 。因此，齿轮传动机床主轴转速的提 高势必造成机床噪声声压级提耐8 1 。这给车床的振动噪声控制增加了难度。 因此，为了能够预防重大设备的灾难性故障，状态监测和故障诊断技术越来 越受到人们的重视。振动监测是装备状态监测和故障诊断的重要手段。越来越多 的工矿企业采用振动监测系统对设备进行自动化监测【9 。1 。 本文以大型风洞机组的振动状况监测为工程背景，重点根据用户的特殊需求 ( 同时监测风洞机组的多种振动参数、并采用多种信息传输方式，以确保监测与 信息传输的可靠性) ，探索一适合于大型风洞机组振动状况远程监测与预警的新方 法。论文将从振动监测的基本原理出发，针对振动监测布点模式、测振传感器阵 列、多传感器信息融合、监测组网等关键技术问题展丌研究。 重庆大学博十学位论文 1 3 风洞机组振动监测技术概况和研究现状 1 3 1 振动监测的概念 振动现象是物质在运动中产生的。当一个观察对象的某个质点离开其平衡位 置作往复运动时，就产生了振动。物体或物体一部分在某些中心位置( 平衡位置) 两侧沿直线或弧线做往复运动，这样的运动叫做振动。运动时，由于旋转件的不 平衡、负载的不均匀、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，产生各种振动。振动 的强弱用振动量来衡量，振动量可以是振动体的位移、速度或加速度。振动监测 就是对振动体的位移、速度或加速度等振动量进行监测。振动量如果超过允许范 围，装备将产生较大的动载荷和噪声，从而影响其工作性能和使用寿命，严重时 会导致零、部件的早期失效。振动监测是评价机器振动、进行振动分析和故障诊 断的一种手段【1 2 。15 。 1 3 2 振动监测的研究现状 振动监测有“在