（机械制造及其自动化专业论文）设备远程监测诊断系统中关键技术的研究和实现.pdf

躺爱 摘要 目前制造企业广泛使用先进的机械生产加工设备，产晶加工质量和数量受到设 备燃康状态及其它诸多因素的影响，一旦产生突发故障不仅造成严重的经济损失， 还会严重燕及妥人隽安全。蓑您馊弱责豹铡逡援冬笈箨 _ 瑟矮浆经济效蕊，藏少重大 生产事故的发生，就要对机械加工设备的滔行状态进行全面的监测和分析，提前发 现和排除设备的故障隐患。针对机械设备的远程监测诊断技术为研究设备的故障规 律援貘了一个先逡戆骚宠手段，箕应爱其鸯鞍大豹经济效蕊与李会效爨，薅热强企 业与科研机构的技术交流也有极大的促进作用。 课题深入研究了针对机械设备的远程监测诊断技术，主要完成了如下工作： f 1 ) 对共援鬃灞鼗本透嚣了深入磅究。谂述了荚嚣瓣灞按本静添壤及特点，圈霹 为了对比各种解调技术的有效性，分别采用频谱分析、软件及硬件共振解调的方法 对滚动轴承的外嗣点蚀故障进行分析，通过实验数据得出了对预测故簿有价值的结 论； ( 2 ) 根据硬件共振解调原理设计并制作了舆有共振解调功能的信号调理仪，用于 高线轧机的远程嫩测，对现场采集的数掘进行预处理； ( 3 ) 设诗斧鞠律了基予嵌入式处瑾番鹣数豢采集系统硬件装置，完成嵌入式鼗餐 采黛系统的软件程序、硬件电路设计，实现了数据的现场采集和远程网络传输 ( 4 ) 规划设计了设备远程簸测渗断系统的总体网络构架。为了及时发现设备故障 稳悫t 避免突发敬障造成较大损失，本课题采瘸嵌入式技术和弱络援术，麓巅了一 个通用的机械设备远程监测诊断系统的开放式监测系统总体构架，将之应用于高线 轧枫设备远程监测诊断中，使远程诊断成为装送程监测、诊叛、预警、预测、控制 等功能予一身静兔遴技术。浚系统具有实禳悭、扩展熬、嚣放住、安全性，在可扩 展。陛和功能上弥补了现有监测渗断系统的不足，满足了技术发展的需疆，部分研究 成聚正在企业中推广应用。 关键词故障渗断；远程监测；数据采集；共振解调；嵌入式 a b s t r a c t a b s t r a c t a td r e s e n tm a n u f a c t u r ee n t e r p “s e sm a k ew l d e s p r e a dl i s eo fa d v a n c e dm e c h a n j c a ld e v i c e s t h e p r o c e s s i n gq u a l i t ya n dt h eq u a n t i t yo fp r o d u c t sa r ea f f e c t e d b ye q u i p m e n th e a l t h yc o n d i t i o n sa n dm a n y o t h e rf a c t o r s o n c ee q u i p m e n ib r e a k d o w na s e ss u d d e n l y j 1w ol l i dn o to n i yc r e a t eas e r i o u se c o n o m j c l o s s ，b u ta l s oe n d a n g e rp e r s o n a ls a f e t ys e r i o u s l yl no r d e r l og e t t h ea n l i c i p a t e de c o n o m i cb e n e 行t sf r o m e x p e n s i v em a n u f a c t u 陀e q u i p m e n t s ，a n dt or e d u c et h eo c c u r r e n c e so fs e o u si n d u s t “a la c c i d e n t s ，t h e c o m p r e h e n s i v em o n i t o ra n da n a l y s i st ot | 1 er u n n i n gs t a t u so fm e c h a n i c a ld e v j c e sm u s tb ep u ti n t o 口r a c t i c et od i s c o v e ra n dr e m o v et h eh i d d e nd a n g e r so ne q u i p m e n t sa h e a do ft i m e r e m o t ef a u l t d i a g n o s i st e c h n o i o g yf o rm e c h a n i c a ld e v i c eh a sp r o v i d e da na d v a n c e dm e t h o do fr e s e a r c h i n gt h ef a u l t r u i e s ，a n di t sa p p l i c a t i o nh a sab j ge c o n o m ca n ds o c i a l b e n e 6 t ，a n di ti sa l s oap r o m o t e rt os t r e n g t l l e n t e c h n o l o g i c a i i n t e r c o u r s eb e c w e e ne n t e r p r i s e sa n ds c i e n t 讯cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s t h i st h e s i sm a k e sad e e pr e s e a r c ho nr e m o t ef a u i td i a g n o s j st e c h n o l o g yf o rm e c h a n i c a ld e v i c e ， a | 1 dh a sm a i n l ya c c o m p l i s h e dt h ef 0 i l o w i n gw o r k s ： ( 1 )r e s o n a n c ed e m o d u i a t i o nt e c h n o l o g y 1 1 a sb e e ni e s e a r c h e d d e e p l y t h e t h e o r y a n d c h a r a c t e s t i c so fr e s o n a n c ed e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e ne l a b o r a t e d ，a n da tt h es a m et j m ei n o r d e rt oc o n t r a s tt h ev a i i d i t yo fe a c l lk i n d o fd e m o d u l a t j o nt e c h n o l o g y ，f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a i y s j s a n dt h es o r w a r ea n dh a r d w a r er e s o n a n c ed e m o du i a i i o nt e c h n o l o g i e sh a ds e p a r a t e l ya d o p t e dt oa n a l y s e t h ep i m n gf a u l to ft h eo u t e rr i n go far 0 1 1 1 n gb e a r i n g a n dv a l u a b l ec o n c l u s i o n st h a tg o o df o rf a u i t f o r e c a s ta r eo b t a i n e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a id a t u m ( 2 )s j g n a 】c o n d i t j o n l n ga p p a r a t u sa c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fh a r d w a r er e s o n a 八c ed e m o d u ia t i o n t e c h n o l o g y a n d - lc a nb el i s e di nt h er e m o t ef a u i td i a g n o s i sf o rh i g hs p e e dr o i n gm 川t 0p r e t i e a t m e n t t h ei o c a lc o e c t e dd a t a ( 3 ) d a t aa c q u i s j t j o n 印p a r a t u ss y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d8 n dc a r r i e do u tb a s e do ne m b e d d e d p r o c e s s o r t h es o r w a r ea n dh a r d w a r eo fe m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d a n di l i sm o s ti m p o r t a n tt h a tt h el o c a id a t ac o | i e c t i o na n dr e m o t cn e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o nh a sb e e nr e a 【i z e d ( 4 )t j l em a i nn e t w o r ka r c h i t e c t l i r eo fi - e m o t ef a l l l td i a g n o s j ss y s t e mf o rm e c h a n i c a ld e v i c e h a s b e e nd e s i g n e di no r d e rt op l o m 叫yd i s c o v e rh i d d e nd a n g e ro fm e c h a n i c a id e v i c e ，a n da v o l ds u d d e n b r e a 1 ( d o w nw h a tc r e a t e si o s e sg r e a t iy t h i st h e s i sd e s i g n e dac o m m o no p e ns t y l en e t w o r ka r c h i t e c t u r eo f r e m o t ef a u i td i a g n o s i ss y s t e mf o rd e v ；c eu s i n gt h ee m b e d d e da n dn e t w o r kt e c h n o i o g y t h es y s t e mc a n b eu s e df o rh i 曲s p e e dr o i i i n gm ni tw o u i db ea na d v a n c e dt e c h n o l o 科b e c a u s et h es y 啦mi n t e g r a t e s r e m o t ef a u l td j a g n o s i st e c h n o i o g yw i c hr e m o t e m o n i l o r ，d i a g n o s i s ，e a r l yw a r n i n 昌f o r e c a s l ，c o n t r o l f u n c t i o n sa n ds oo n t h es y s t e i nh a su s a b i | ic y ，e x p a n s b i l i t y ，o p e n n e s sa n ds e c l l r t y a n di t s 如n c t j o n s a n de x p a n s b j l j t ym a k e s u p f o r t h ej n s u 所c i e n c yo fe x i s t i n g d i a g n o s i ss y s t e m 1 ts a t j s n e s 1 e t e c h n o l o g i c a id e v e l o p m e n tn e e d s ap o r t i o no fr e s e a r c hr e s u l t s1 1 a v eb e e np r o m o t i n ga p p l i c a t j o n si n e n t e r d r i s e s k e y w o r d sf a u i td i a g n o s j s ：r e l n o i e 兀1 0 n j t or i n g ：d a t ac o l l e c i o r ：r e s o n a n c ed e l n o d u l a t i o n ：e m b e d d e d 独创悭声明 本人声明所呈交的滏文是我个人在导师臻导f 进行的研究工作及取得的研究成 粱。尽我所知，除了文中特别加以标注和数谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，叱小包含为获得北京工业夫学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料a 与我同工作的j f 4 恚对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：乏盘醺霸蘩 关于论文使用授权的说明 2 静；考? g 本人宠全了群j 寨工鼗大学毒关 暴黧、壤鞠学位砉 ! 交豹怒定，霹：学铰有权缳 爨送交论文躲复印静，完诤论文被套疆露蕊灏；学校可以公蠢论文蘸全部戴露分雨 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存埝文。 ( 保密的沦文在解密后应遵守此舰定) 链名：互犬旃 导师签名：盛垄煮莹r 期：尝竺互堑：多 第l 章绪论 1 1 课题概述 第1 章绪论 1 1 1 课题背景 我国冶金、电力、制造等行业砸迅速发展，投运了大量国内外先进装备，这些 装备自动化、机械化水平高，使得影响系统运行的因素增加，产生故障或失效的可 能性增大，一旦产生突发故障不仅造成严重经济损失，而目会严重危及到人身安全。 2 0 0 3 年7 月，某炼钢厂转炉耳轴轴承发生保持架断裂、滚珠破碎的重大事故， 致使正常生产中断4 8 小时，造成直接经济损失2 4 0 多万元。2 0 0 4 年1 2 月3 0 同中午 1 2 ：3 0 ，此炼钢厂3 辩 炉北侧二次输入轴减速机鼓型齿接手齿全部打光，转炉失去 控制，钢水溢出造成两台渣罐车和部分钢轨烧损。进一步检查发现，3 个转炉的联轴 器已有多个损坏( 掉牙、裂纹等) ，且3 擗炉大齿轮已压溃，最深处达2 毫米。此次 事故，停产近7 2 小时，造成南接经济损失1 0 0 0 多万元。这两次事故合计损失1 2 4 0 多万元。 随着冶金设备的发展，高线轧机的生产速度不断提高，如高线轧机的精轧机组 轧制速度一般每秒可达几十甚至上百米，对传动系统中零部件的冲击较大，造成齿 轮、轴承发生故障的几率远远高于其他类型的轧机。1 。高线轧机轴承故障损坏实物如 图1 1 所示。据初步统计，目前我国有七十多条高速线材生产线，每年的线材产量达 2 7 0 0 万吨以上，产值超过1 3 0 0 亿，高线轧制工序利润达8 0 亿元以上。按每条高线 每年发生一次5 7 小时的突发故障计，全年损失可达1 5 亿以f 1 。 图l i 高线轧机轴承损坏实物 幽l i 高线轧机轴承损坏实物 f l g l l r e l _ ld a m a g e d b e a g o 仆i 曲5 p e e dr 0 ；“gn 1 北京r 业人学i 学鞭1 ：学侮沦文 为了及辩发现设备隐患，避免突发故障逡戏较大损失，蓄镪总公司设备部在骜 钢殷爨露羧公司高线等厂痖塌“设备点捡繁遴蔼惑系统”，瑟年来，发凌多令设器黪 悫，为众渣翻造了1 6 3 9 万静经济效鼗。武钢大黧厂、l t 京工鲎大学、武汉辩按大学、 武汉癸海立德科技公司共| 霹开发研制了“离逮线誊孝轧税网络篮测渗断系统”，采嗣信 号处溅、设备诊断和计算机网络等技术对该桃给进行预知维修管理，自2 0 0 0 年l o 月第一套系统投入运行以来，已取得了2 9 6 0 3 2 万元的经济效益。武钢炼铁厂和北京 工业大学合作，从2 0 0 0 年开始应用远程搬动般测诊断技术、红外监测及动平销披术 三项跨断技术对高炉进行监测和预知维修，自2 0 0 0 年至2 0 0 4 年，5 年来共为企业节 约备项赞用总计5 7 5 0 2 5 万元，使高炉避免了麓大事故的发生，缩短了检修停产时间， 推进了众她现代化设备管理的发展，效聚十分照著。 谯武钢的“万点受控”工程中，囊1 9 9 9 年开始，北京工韭大学、武汉科技大学、 藏汉必海立德科技毒疆公司、武汉工程职渡投术学浚等摹蕴联合为武汉钢铁段徐煮 袋公镯藤继完残了“毫速线秘巍聿晁鞠终麓溺诊鞭系统”、“基予小渡分鞭与莛攘簇调 技术的故簿诊断系统”、“现代信号跹褒技术程炼铁关键设备故障监测与诊叛中的磷 究与威阉”、“设备渗断等技术在冷$ l 硅钢片厂万点受控工程中的研究与应用” 等网个技术项目，在武钢的生产和管理工作中发挥了重要作用，取得了1 5 亿元以，t 的缀济散益。 幽上可见，研究设备监测与故障冷断熟肖蕊要的现实意义，本文的研究工作就 是蒎以上背景下展开的。 1 1 2 课题意义 瓣瓣，镧造金业广泛应用先避裁造鸯秘王竣签，毽楚产熬掘工矮量受到设备运抒 姨态及箕它涟多因素戆彩嚷，舞票不憩黎援设鍪妖惫熬繇捧，不簸毒效了勰设蚕戆 故薅缎玺瓣律，赣使晕贵的制造设备秃法发撂鼷期静经济效益。戈瑟，痰对裁造翻 工设备的运行状态及各鸯珏工工序能力进行全黼盼分析和监测，随时了解设备的运行 状悉和各工序加工质量的情况。本课题的成用研究是确保制造企业先进加工设备发 摔越技术优势，获得与其投资规模相匹配的缀济效益的可靠保证。 谶程机械设备诊断和服务对制造企业有黛大意义： ( 1 ) 实现预知维修，提高诊断准确率，可以防此漏渗造成的突发故障，及早发现 故障酶患，减少停机时问，降低事故的发生率，提高生产率。当发现故障隐患无法 僚机时，可以指导用户把损失降到最低。 ( 2 ) 可以提高专监技术太受诊断水平。每个专渡技术人员出于环境局限仅能对部 分毂瓣皴毽较准确匏诊瑟，要这妥诊鞭专家豹承乎嚣婪缀长露瘸翁获萦。簧霸予潺 瞧诊鞭系绕，胃酸侵诊錾太受有辘会接魅雯多的故障实铡，蕨两逐速丰富渗薮翔谈， 籀l 攀绪论 撬舞其专鲎东平。 f 3 ) 疑够合理颈溺设备寿会，镄设备在绦蒺、绦产清嚣一f 趣蘩强绶，减少缭妒费 和服务费的支出，实现事嚣维穆、计划饿修和预知维修的有辊融合。 f 4 ) 远程设备状态监测和故障诊断系统的使用，通过网络直接将设备状惑厦映列 设备部、管理部门、维护班组，使用省可以直接通过网络远程对设备进行实时的监 测，远程的监测渗断系统的投运也使得各企业建立的i n t r a n e t 得到了增值，提高设 备管理的信息化程度。 本技术成果对实现资源共享，加强众妣与科研机构的交流也有极大的促进作用， 鼹有较大的经济效益与社会效益。 l 。l 。3 课题来源 零谋薤缛弱懿下顼嚣戆资韵： f 1 ) 国家“8 6 3 ”顼髫高效魏王中一0 和数控铙疼关键支撑按术璜究豹予谦越 远程诊断系统及凸轮技术开发纵向谍题( 编号：2 0 0 2 a a 4 2 4 0 3 3 ) ( 2 ) 北京市科委项目数控机床数字化制造的子课题关键设备在线监测与故 障诊断系统纵向课题( 编号：h 0 3 0 3 3 0 0 5 0 1 l o ) ( 3 ) 武汉钢铁有限责任公司大型轧钢厂项目设备监测远程诊断系统横向课题 ( 编号：a 0 7 0 0 a o l 0 1 ) 1 2 课题的国内外研究进展及趋势 1 2 。l 设备釜溺诊噬技术 蓬着2 0 嫠纪5 0 年我故障渗戮技术麴爨现，载障诊叛技零在撬辕系统中豹藏弱 褥到了缀祆地发展。扶技术上讲，陂辕诊断技术的发震大俸经历了三个弱受阶段； 简易诊断技术( 主要是主观判断) ，故障测试仪技术，计算机故障诊断技术”。 上世纪7 0 年代后期，电子测量技术和频谱分析技术被应用到机械监测诊断领域 中。到了8 0 年代中期，以微型计算机为中心的现代机械监测诊断技术得到了迅遮发 展。计算机故障诊断技术又经历了单机j l c 测渗断、分伽式监测诊断、远程监测诊断 三个阶段”。i ； 两种方式都存在这样的问题：监测渗断方式和手段受到地域的限制； 监测渗断知识、技术和信息不易共事；系统出现严重或新的故障却无法快速、经济 娥利餍各方技术力量艇决阀题。丽设备远稳簸测谂断技术是能为设备监测渗甑挺供 黪魄域戆技术、方法、数据、信爨、经验、翔谈、实验实撬秘专家稚识等熬蘩予谤 冀掇耀终异邋渗鞭支持系统。 飙上毽纪8 0 年代翻开始，国外融经开始刀：发各种域数据处理为核心的状态滚测 诊断系统，并成功地应用于工逝生产实际。例如：美国的w h e cfw e s t i n 女h o u s e 北京。i ：业火学1 学硕十学位论文 e l e e t f i cc o r r a t i o 由早在瓣年代初就致力于建立故障渗断规则摩，后来逐海发鼹为 数障诊辑专家系统；i r d ( n l e r n a t i o n a 融s e a r c h 龇v e l o p m e 毗m e c h a n a l y s i s ) 公司韵 1 0 2 0 0 0 系统觎括了实时监测、状态分析、故障预报与诊断、维修计划与方案的确定 锋一系列内容；美国罗党书尔自动化恩泰克公司的预测性维修软硬件包括：振动数 摄采集器、蠡韵巡捡式东线整溺系统、凌速在线登溺掺辑系统帮虢戳设备藏簿分撰 软件等。此外，还有b e n t l yn a v a d a 公词的汽轮机监测仪表系统t s i 、动态数据管理 系统d d m ，瞬态数据管理系统t d m 、旋转机械自动珍断系统a d r e 一3 ；a t l a n t a 公 司躲在线实时渗断系统m 6 0 ；英匿中心发电部的t u 两i 珏es u p e f v l s o f y & 蠢p 越e h t 帮 强s te q u i p m e n tm o n i t o r i n g 系统；嗣本三夔公司的旋转机械健康监控系统m h m 箨各 种监测渗断系统。基于i n t e m e t 的工业远程诊断示范系统最早由美阑斯坦福大学和麻 省理工学院联合研制和开发成功。美翻密歇根大学率先开展针对机械艇工的远程渗 颧穗锻造系绫豁磅究“1 。1 9 9 7 年 筠美斌簸缝褥大学耨寐智瑾 二学院联合兰务蒋矮 綦于英特网的工业远程渗断讨论会，讨论了远程渗断系统连接玎敝式体系、诊断信 息规程、传输协议，以及对用户的合法限制，并对来柬技术作了展望。之后恢颁课 麓戆硬究在全球范围内逐逸震努，著取褥了壤大透爨。 我国对于设备状态监测技术理论和应用系统研究起步较晚，怒从7 0 年代末开始 的。1 9 8 3 年初正式把丌展设备诊断工作的要求纳入圈营工业交通设备管理试行条 例之中，并在“六五”、“七五”、“八矗”期闯将设携状态监测与故蹲渗叛确定为 麓大攻关谦戆，出国家撩入蠢资，组织释礤人员进行礤究。 国内机械监测诊断的研究工作近年来发展非常迅速，取得了不少成果。例如： j e 京第一机床厂从九十年代起应用状态般视与故障诊断技术，解决包括设备的状念 簸溺稻产品釜产过程中戆丈囊振动邂题，暹：遘大量豹救障渗瑟蠢测试分叛，我嗣了 长期困扰龙门铣床机床质墩的振动原因，经技术改进，使主轴的搬动性能指标达到 了国际先进水平，使国产拢门铣床具备了国际竞争能力；从1 9 8 5 年超，为了实施“经 济维修”战咯，武钢就开始襄动设备渗辩王佟，运2 0 年来，集嚣公司不断投入资囊 逡设设备篷测诊断体系，主要是实施完成了一系列湖络化监( 梭) 铡诊断系统，其 中，网络化在线监测系统主要用于大型关键机电设备的实时监测，网络化点巡梭系 绞主要用于大爨中小型机电设备的定期捻i l | ，同时对大型关键机电殴器进行定期的 疆囊整溅，敬褥了匿太戆经济效益。滔华大学、嚣安交逶大学、上海交通大学、天 津大学、浙江大学、华中科技大学、华北电力大学、哈尔滨工业大学、北京科技大 学、北京机械工业学院、鹤安热工所、哈尔滨电工仪农研究所、上海发电设备成套 鹱、浮北毫力试验磷宠愿簿肇位都捐继疆裁了鑫耱篷测诊甑系统，莠在我雪撬溅、 电予、能源、化工、交通邂输、航空航天、军事等各个领域得到了广泛的应用。 现在随着信息技术和计鳟机网络技术的发展、科研唯位和企业的技术联盟不断 4 一 第l 耄绻谵 出现，基于网络的远程监控与智能故障诊断诈蓬勃发展。 l 。2 2 孝嚣摄故障诊瑟方法 在机电设备敝障诊断理论研究方面，迄今已有多种信号分析方法成用于设备故 障诊断中。英圆s u s s e x 大学采用相关信号小波匹配方法对机电设备早期故障检测 亵失效谈藏“3 。淡大剽妥耨藏藏家大学瘸藩动方法分援獯骂平稳及龌疆坯平稳信 号，应用于直升飞机的齿轮箱和轴承故障涂断“。意大剥c a s s i n o 大学采用自谱弓互 谱技术有效监测诊断航空滚动轴承早期损坏及其扩展】。f 1 本九州工业大学和中吲 西蜜交通大学运用基因算法优化组合特征参数，残功地渗断出变工援滚动轴承微弱 故障“。美国宾翊大学和罗褥麓鲻大学联合，采用基予振韵信号静非线性二时问尺 度薅模方法，建立分级动态系统，跟踪渐谶潜在损伤过程，应用于设备材料损伤般 测与诊断“”。美豳碍克萨斯a & m 大学基于经验模型采用多分辨信号处理和循环动 态耱经嚣终，钤对掇电凌套晕鬻鼓舞遂嚣露效翡诊鼗“。美聱鼙家靛空黎字密靛嚣 局( n a s a ) 采用混合智能模型自主故障通威控制方法对空问飞行状态进行监测和诊 断“。美国麻省理工学院( m i t ) 2 0 0 2 年针对核电站大型复杂机电系统，综合贝叶斯网 络、影蛹图、模期逻辑、专象系统等人王智韪方法，提出混合智憝系统( i y b f i d i n t o l l i g c n ts y s t e m ) ，进行在线簸测和故障诊颧。，酱前该项目研究雁巍逶行当中。 国内在监测渗断理论研究方面也有了鞍大进展。上海交通大学深入研究高阶循 环统计量理论并成用于设备的状态监测与故障诊断领域“”。华中科技大学采用裂游 按术畿臻逮诊凝露遴轮旱鬻徽弱裂纹敲薅”。天津大学撬密了变尺度涎毒死共薮方潦， 在黻风机电机綦础松动故障诊断中得到应用【1 。哈尔滚工业大学综合熬于模型渗断 和撼于知识诊断方法，将数据关联结果与专家知识相融台并应用于航天器故障诊断 ”4 。藿疾大学对掇动售号逐行| i l b e 出h u a n 鏊变换，。渗鞭躐糕频振动怒弓| 起乡 强密密 砂轮架主辅损坏的主要原因“”。北京科技大学采用非线性建模和小波变换方法，成功 地梭测出大型构件的动态固有频率和粘性阻尼系数。郑州大学丌发全谱技术分析 转予涡动信号进行有效豹渗数“。3 。 轴承静举麓敢蹲繇产生麓信号箴会发生键铡凌象。镄制是振动信号中一稀露 见的信号表征形式，特别是对于滚动轴承丽言，调制现浆更是广泛存在。解凋分析 能够获得调制信号的包络曲线和包络谱，通过分析和处理解调谱图，找出故障源。 1 9 弱年琏典s k f 公司发骥了狰壹蓦蟊、挣捻测援寒，浚羧零逶遂黯辍承续袭g l 莛渖 击信号幅值的处理判断轴承的故障。到了1 9 7 4 年，美图波音公司的 王a r t i n g 发明了 一项叫做“共振解调分析系统”的专利，聪经我国航天部6 0 8 所摩德尧研究员的深 入磺究两形成了“共振缎调技术”。浚技术利用共摄婿铡琢理，捌敬燹为畜效地渗凝 滚动辘承翠鳎敬簿。驮8 0 年 窃赣，有关学者开始将电路掌中的解调分轿方法引 l t 京i ：泣太学气学硕士学佼论文 用别机械设备敌障诊断中，1 9 9 5 年第二瑙全国设备诊断技术应用推广会上艨德尧研 究员的共振鳃诫技术在我国设备诊皈中的应用祁发展交流材料第一次较为全面地公 绍和总结了共振解调技术的原理和特点。 曩葚蓼，各秘教障诊题方法都有了一一定麴发鼹应羯，经都备叁戆筑隈j | 璺。各种渗 断技术的有效性和针对性还需要针对特定行业背景中的应用做进一步研究工作，各 静技术的综合瘦疆也霰孳| 起科骄橇鞠帮企鼗静重辛冤。 l 。2 3 嵌入式技术 根据i e e e ( 国际墩气和嗽子工程师协会) 鲍定义：嵌入式系统怒“用于控制、 监视或者辅助操作机器和设备的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o 硒t o r ，o r a s s i s t 差 臻o p e 臻蛀。摊o f e # i p 强e 皴，盛嚣h i 珏e 巧甜p l a n l s ) 。一般定义：以痰弼为中心、以 计算机技术为基础、软件硬件可裁蓟、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求 豹专藕诗簿税系统”1 。嵌入式系统怒软 孛帮硬件的综合体，还可以溺盖机电等附瘸 装鼹。硬件包括微处理器、微控制器、存储器及外没器传和l o 端口等，坎作主要是 操作系统和系统应用程序编程。 嵌入式系统敫核心部 孛是各季孛类型我嵌入式处理嚣，曩翦握不完全统诗，全擞 界嵌入式处理器的品种总量已经超过l 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列，其 中8 游l 髂系兹占有多半。 嵌入式计算机根据其现状可以分成下颟几类： ( 1 ) 散入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式处理器是 嵌入式系统匏核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元，分为萼使、8 位单烤毒且，及 1 6 位、3 2 彼、6 4 位嵌入式c p u 。嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e m 、s c 4 0 0 、 p o 辅fp c 、6 8 0 0 e 、 涯l p s 、a l t 涯系梦等； ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器目d 的品 种秘数羹最多，院较有代表性静通用系列愈括8 0 5 1 、p 5 l x a 、m c s 2 5 1 、 m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 耐1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 l l 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等。垦翦m c u 占嵌入式 系统约7 0 的市场份额； ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( m b e d d e dd i g i 瞧ls i g n a lp 瀚e e s s o r ，e d 鞠)d s p 楚程 器对系统结构和指令进行了特殊设计使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高， 指令执行速度遣较高； ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h p ) 随着e 的攘广和v 乙s l 设计的普及化， 及半导俸工艺的逐速发展，在一个磴片上实现一个更为复杂的系统的时代融来临 这就是s y s t e m0 nc h i p ( s o c ) 。 第一款微处理器是i n t e l 的4 0 0 4 ，它出现在1 9 7 1 年。然后是i n t e l 公司的8 0 4 8 ， “6 - 第l 章缝论 它出现在1 9 7 6 年。m o t o r o l a 同时推出了6 8 h c 0 5 ，z i l o g 公司推出了z 8 0 系列，这些 旱期的单片枫均禽有2 5 6 字节的r a m 、4 k 的r o m 、4 个8 位并口、1 个全双工举 行翻、两个 6 倥定时器。之麓在8 0 年代裙，i n t e l 又避步完善了8 0 4 s ，在它的蒸 础上研制成功了8 0 5 l 。 1 9 8 1 年r e a d vs v s t 锄发展了世界上第1 个商业嵌入式实时内核( v t r x 3 2 ) 瓴 含了诲多簧绞撵佟系统戆特鬣，龟搀 至务罄灌、 壬务阂遴添、羹步写稿互撵斥、中 断支持、内存管避等功能。随后，出现了如i n t e g r a t e ds y s t e mi n c o r p o r a t i o n ( i s i ) 的 p s o s 、i m g 的v x w o r k s 、q n x 公司的q n x 等，p a l mo s ，w i n c e ，嵌入式l i n u x ， l v n x ，u c o s i 、n l e u s ，以及藿蠹数 o p o n 、d e l a o s 等嵌入式操作系统。 今天r t o s 已经在全球形成了一个产业，根据美因e m f ( 电子市场分析) 报告， 1 9 9 9 年全球r t o s 市场产值达3 6 亿美元，而相关的憋个嵌入式丌技工具( 包括仿 真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器) 则高达9 亿焚元。据n a s s c o m 称，嵌入 软佟霸系统蒂场羧诗未来三年肉耱班1 6 静年复合璎长攀穗长。 近几年，中豳计算机学会微机专业委掇会每年主办次中国嵌入式系统主题研 讨念暨展示会。以此来推动中幽嵌入式技术的丌发和推广。国内一些商校、实验室、 佥豢犍摹霞瞧在板强鼓事嵌入式系统豹毳 | = 缴翘整广。中疆熬徽处理嚣在经历了鼗考孽 反簸的发展道路以后，终于逾来了曙光，嵌入式芯片“方舟”、通用式芯片的“龙芯” 在中关村的诞生，给中国的计算机产业、i t 产业注入了新的活力和希浆。可以预见， 泰米的嵌入式技术将得到高速发鼹和广泛应髑，嵌入式时代已经到来。 1 3 课题主要研究内容 课题的主要研究内容为： ( 1 ) 共振麓调技本静磅究讨论了共摄熬镯技术兹骚璎发特点，网辩为了霹迸长 释解调技术的有效性，分剐采用频谱分析、软件及硬件共振解调的方法对滚动轴承 的外圈点蚀故障谶行分析，通过实验数据得出了对预测敝障有价值的结论： ( 2 ) 穰号调遐仪的研制根掇硬件共振解调擐理设汁并剡 乍了其有共振嬲调功能 匏信号调理饺硬件系统，瘸予黼线辊丰珏静逡程益测，对磁场采集数据避行颓处理： ( 3 ) 基于嵌入式处理器的数据采集系统硬件装置的殴计与实现设计并制作了撼 于嵌入式处理器的数据采集系统硬件装罱，完成相应主体电路设计和外围支持电路 设司“t 逶过基予焱入式处理嚣熬硬赞系缓，窝瓣络数据黪簇1 鼗务，实魂了数掘麴 现场采集和远程网络传输； ( 4 ) 设备远程监测诊断系统的总体网络构架的规划设计利用企业现有通讯网 络，采蠲嵌入式技术帮阚络披术，设计了”个蘧遐的机械菠器远程黢溯诊叛系统麴 玎敬式监测系统总体榴絷，将之应用于赢线轧视葭备远程靛测诊断。艮使远程渗断 北京上业大学，i ：学硕十学位论文 戒为蒹远程盗测、诊薮、颈警、亍瑟测等功能予一鸯静先进按术。在设计时考虑了浚 续构嶷具鸯实用性、扩展性、歹 放性、嶷全蛙，在可扩展熄秘功能上弥毒 了瑷凑监 测诊断系统的不足，满足了技术发展的需要。部分研究成果正在企业中推广应用。 第2 章共振解调技术的研究 机械设备滚动轴承的早期故障产生的微、抻击脉冲较滩子键敬和识铜，从强大的 弧常的低频振动中提取微小的冲击是十分蘑要的课题。针对这问题，本章对共振 解调技术进行了研究，重点研究了硬件共振解调技术。设计和实现了硬件共撤解调 电路( 见篇三章) ，并通过具体实验验证了硬件共振解谲技术晌褒际散莱a 2 1 节论述了机械低频微冲击敌障的信号特点；2 。2 节沦述了共振解调技术的琢 理特点；2 3 节简单介绍了软件解调方法的特点：2 4 节详细论述了硬件共振解调琢 理与特点，1 三l 及软件与硬件共振解诵技术之间的区剐。2 5 节通过实验，分采采粥害囊 谱分析、软件及硬件共振解诵的方法，对滚动轴承的舞圈点饿故障进行分析，验证 了硬件共振解调披术的使精效采，褥出了对预测陂障有价值的结沧。 2 1 微冲击信号的特征 要对设备进行诊断，就必须获得设备的运行状态信息。信号的采集精度随篌决 定了渗断分析的准确率，这燕非常重要的基础环节。渗断测敬的信号可以是振动、 声、力、温度、趱声、圉像等，蕻中振动信号最常用。滚动轴承发生的点蚀、断裂 等故障都是以冲击的形式出现的。冲击的持续时间较短，其能量向广阔的频率领域 发散，落在轴承币常频率范围内阁分萱刚更加微小无法与能量本来较大而又基本 集中于低频领域的振动分量褐比。 机械设备的生产环境复杂，梳械振动、电气干虢严羹，使得由加速度传感器检 测到的信号上叠糯了许多无丽的于抗，如不将这些干扰滤除，势必会影响频谱分桥 葳为这些干扰信号靛颧率较诋常静掭动信号频率离，遥常采精低通滤渡瀚方法。僵 采用低通滤波后，一些反应故障信怠的冲击信号也被滤簿了，这些冲击信号的颧率 往往琵蒂常静振动信号及干扰信等的额率舔要高得多，胃将这些信号的主要 l 率_ 鬻 分段胬表示，觅鬣2 1 。 掣i 弘幡。 一 - l 歪尝摄旗# 霓辜干提频率渖逡蓬号数攀 幽2 - 1 拨动攥咎l 疼壤攀范潮 f i g l l r e2 - ) f r e q l i e n c yr a n g eo fv j b r a t i o ns l g n a l s f ( z 、 能京l ：鼗夫学7 r 学硕士学僚论文 翻霭2 所幂，我察嘉要蕊是e 一5 0 0 h z 葶籍1 0 k 5 0 k 这两j 氐颓羧鼹信愚，乳0 潞 z 频段麓嫠患可磺寒馋为鬻蔑竣障诊鞭，薅1 0 黔5 8 技频段信惑粼篾予佟褰额；萼；击救簿 诊断。 当捉皴设冬则玎始出现旱疑酸蹩辩( 躲糖承、鸯轮豹裂纹、弱怒腿落笛) 盘予 机械部件之间存在着冲击力，这种冲击力艇应到加速度传感器上，使传感器的输出 产生秘冲击鹊信号，由| i 这莘嘻t 瓣t 者力瓣对闽辍缒，传懑器输出一静躲狰信号，怒 种脉冲宽度不足l u s 的窄脉冲。如图2 。2 所示理想的搬动冲击图中，早期故婚产生 髑湖憾的徽弱冲击信号，稆对于正常的锨动信号和干扰信号，其能量很小，且脉冲 激度缀小，根难耀a 渺卡采集得到，嬲以较难餍上层软 拳分摄爨这静枧械早斓敬簿。 f ： a ) 振动信母 a ) v 淹 i a t i s 塔n 魏| s b ) 冲击脒冲 b ) l m p a c tl m p u i s e 涮2 2 拨动熔号与 孛巍辣渖的对跑 f f g u r e2 2c o m p a r i s o no fv m r a t i o ns i g n a i sa n dj m p a c ti m p u l s e 馋绫的振动分析技求，是盛接怼振动信号倦f f t 分辨，簿嚣“强动颧落”。浚 颓谱中含鸯：枫糕转予甭平餐、吏承秘皆不文等嚣索雩 趣戆惩媛援蘑鹣多输灏镄、 缀耱啮合额率振凌的多羧频逶窝辘承敬溅损伤g l 怒捧毒麓善予狳频谱。杰浚游中， 瓣两释因素浆谱线菲零强大，轴承敬鬻漕索鹃谱线实舔上是看不至g 魏。蠢诧，巍援 邋避对包含故障冲击的振动信号遴行频落分极，以达到渗甑轴承故骧麴鹭的，憨 ： 辕豳难的。研究证明：轴承中一个幅值为a 的低频冲击，其阶幅值通常只有a 4 0 0 0 ， 在掇动分极中必被i f 豢振动分爨掰淹没o 。 2 2 共振解调技术 扶t 灏的分析中，b 经靳道，邋避灏港分析漱行故障渗断，要在谱图上蒋到反 应淞击信慰的谱线，在划域上必须嫌疆这摊冲击情息遽过赢速a 国卡西以聚集劐， 张实际上，这静默宽不足 郧的周剃溥t 毒信号，臻a 国爱将全蠹器信惑都采袋到燕嚣 常溺滚麴。为了簿癸爨麓摔者信号翡全蕊傣患，登矮对赣号速嚣灞理。 物理中瓣共叛褒象跫摇：f 壬麓一个渗搬系统，不蓉激鼹它数癸部器麓豹黧簧频 率弼露不鞫予萁黼有菝搴，露餮羚俦掰的赢阶颓港落在以其礤育额率为中心的一- 个 遇带内，也将激越浚系统静共振现象发生。倒朝l ，蔡音叉的魁肖频率跫4 0 0 i z 。囊以 第2 章批振解凋技术的韧究 甚低的频牵轻轻敲击它时，它却可产生4 0 0 z 黝共振两发出嚷亮的逐渐衰减的单啻。 穗燕，姿大疆度摆动音叉涮，它并不笈声。淡翻茭缀系统有放大冲击售怠丽叉滤豫 鬣簇援葫整惑载功藐。更篷褥注瑟菸是，投豢爨然瓣囊至法荻琢瑾，无论楚辍疆静， 还怒声学静，电子的戳及其缝谐振系统，均露穗嗣或楣近的，霹由嗣铎酶数学徽分 方程描述的自然规律。 我们可以应用共振的这一独有特性，米摄取深埋于正常振动信息中的难以掇取 的故障冲击的信息。出于正常的振动中不含简频的分量，而故障冲击中则含有，因 此，埘设一个高频的，难常振动频率所不达的谐振系统，剔除正常振动，响应冲击 激励，实现冲击信息的提取。 共振解调是从振动测量技术基础上发麟起来的一门技术，其主要的目标是枪测、 诊断枫械设备出现故障时在振动信息中的徽冲毒。共振瓣调技术，是对低频的冲毒 所激越的懑频( 狰者频率静数十结) 共振波形避符包络检波( 邵解调) 翻低通滤波， 获键一令槎对予嚣菝净老薛，i | i 又敖丈著袋变了豹荚摄鼹调滚务瑟篷终波，著煲缮 瓣鼗共羰辨谖波静幅穰稳颓谱分氍，实臻潮澎敬障类墅彝量值款蠢貔。繇以共霰鳞 调技术也称为冲击脉冲技术、包络检波披术戏翠期馥障检测技术。 目自# 应用于故障诊断中的解调技术有蛹种，h p 软件解调和硬件解调。 2 3 软件共振解调技术的特点 软件解调方式，是对采集到的振动信号用数学方法处理，将冲击信号从系统本 身的搬幼干扰信号中解调出来。软件解调藏她理的信号是利用机械系统内部的