一种扭振测量新方法及其在故障诊断中的应用

一种扭振测量新方法及其在故障诊断中的应用

Ξ

闫　兵　董大伟　华春蓉　王金诺

(西南交通大学机械工程学院　成都,610031)

摘要　提出了对A D 采样信号进行拟合的扭转振动测量新方法,介绍了新方法的基本原理,开发了相应的虚拟仪器,并利用仪器所测得的曲轴扭振信号0.5谐次分量对内燃机故障缸进行了诊断。以6135ZG 柴油机为对象,实验验证了该方法的实用性和准确性。

关键词　测量　扭转振动　故障诊断　虚拟仪器　A D 内燃机中图分类号　TH 165.3　T K 413.2

引　言

动力机器(如内燃机)在工作时,其传动轴系较长且受到周期性的激振力矩,故不可避免地存在扭振。通过对轴系扭转振动的测量分析,不仅可以得到机器工作性能和轴系受力情况等重要信息,机器进行状态检测和故障诊断的重要手段。例如,利用实测曲轴扭振信号单谐次分量的相位角及幅值特性诊断内燃机故障缸的方法,既不依赖轴系结构参数和故障基准模,又可适用于扭振较大的曲轴轴系,能准确判断出故障缸号及其停缸率[1]。因此,扭转振动的测量有着重要的意义。目前,常用的扭转振动测量方法主要有高频时钟计数和A D 采样软件计数两种,前者测量精度较高,但需要研制专用的计算机插卡,因而在设计、制造、调试等方面成本较高,使用维修上也多有不便,同时还会占用计算机插槽[2,3];后者虽然硬件通用性强,但测量精度受硬件设备和每循环采样点数的限制[4]。为解决扭转振动测量中存在的上述问题,本文提出了一种对A D 采样信号进行拟合而提高扭转振动测量精度的新方法,开发了相应的虚拟仪器,并利用仪器进行了应用研究。

1　扭转振动测量方法简介

扭转振动测量仪器同许多其他测量仪器一样,经历了传统仪器、智能仪器的发展阶段后,目前已发展到虚拟仪器阶段。扭转振动测量虚拟仪器由传感器部分、计算机插卡和软件包等基本部分组成,如图

1所示

。

图1　扭振测量虚拟仪器组成

其传感器一般采用非接触式传感器,最常用的

为磁电式传感器。传感器安装在轴系上测量齿盘旁,其作用是将轴系的转速变化转变成电信号周期的变化,每转过一个齿,传感器输出的电压信号就变化一次,输出一个电压脉冲信号。图2是5个齿(对应5个脉冲

)的一段信号。

图2　A D 卡采集的5个齿的电压脉冲信号

仪器的核心部分为计算机插卡,其功能是与相

应的测量软件配合,精确测出传感器输出的每个电压脉冲信号的时间∃t i (即转轴转过第i 齿的时间)。采用高频时钟计数方法时,计算机插卡为专用的信

第24卷第4期2004年12月

振动、测试与诊断

Jou rnal of V ib rati on,M easu rem en t &D iagno sis

V o l .24N o.4

D ec .2004

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收稿日期:2003202216;修改稿收到日期:2003205227。

号调理卡;如采用软件计数的方法,计算机插卡则为A D采集卡。求出各电压脉冲信号的时间后,可通过软件包对扭转振动进行各项计算和分析工作。因此,扭转振动测量的关键是每个电压脉冲信号对应时间的测量,以下简要介绍高频时钟计数和A D采样软件计数两种方法。

1.1　高频时钟计数法

由传感器输出的电压信号,接入信号调理卡后,一个电压脉冲信号对应时间的测量过程如下:信号经过光电隔离、限幅、放大、整形、单稳等电路后变成PPM信号(即定幅、定宽的脉冲位置调制信号)。用PPM信号的上升沿(对应着齿盘上第i齿正好转过传感器的时刻)作为有效沿去申请中断,将计数器当时的输出值k i记录于锁存器中,并使状态字有效;且当状态字有效时,计算机读取锁存器的值,读完后使状态字无效,计数器初值为216-1(计数器在最先初始化时,也置为216-1)。该过程持续下去,直到计算机得到所需的数据点数后停止。

设高频晶体振荡器的频率为f c,程控分频器的分频数为d,则第i齿的电压脉冲信号对应时间(即相邻两次电压脉冲信号上升沿所对应的时间差)∃t i 为

∃t i=(216-1-k i)d f c

显然,对于采用信号调理卡的扭振测量方法,调理卡的参数设计决定了扭转振动的测量精度。高频晶体振荡器的频率可达14M H z,相应地,每齿电压脉冲信号计数值k i一般可达数千。因此,高频时钟计数法的测量精度较高。

1.2　A D采样软件计数法

软件计数法基于A D采样技术,测量过程如下:轴每转动一个齿,传感器输出一段电压脉冲信号,A D采集卡对各齿对应的电压脉冲信号进行采集,每一个脉冲信号可采集若干点。设第i齿脉冲信号的采集点数为m i,采样频率为f,则轴转过第i齿的时间∃t i为

∃t i=m i f

软件计数法的测量精度取决于脉冲信号的采集点数m i,每齿脉冲信号的采集点数m由内燃机曲轴转速n、测量齿盘齿数z和采样频率f决定,为

m=60f (nz)

可见,采集点数m i受着硬件性能(采样频率)和每转齿数的局限[4]。对于扭振测量来说,脉冲信号的采集点数要达到数千,才能达到工程测量所需的精度[2]。而要达到这样的精度,A D卡的采样频率需高达数兆赫兹。目前一般的A D卡难以达到如此高的采样频率,这就导致A D采样软件计数法的扭振测量精度较低。为解决A D采样软件计数法受硬件性能局限,测量精度较低的问题,本文提出了对A D采样信号进行拟合的新方法(简称A D采样拟合法),新方法利用普通的经济型A D卡,就能达到工程所需的扭振测量精度。

2　A D采样拟合法的基本原理

A D采样拟合法的硬件组成与A D采样软件计数法相同,区别在于求轴系转过第i齿的时间∃t i 的方法更为精确。

为利用每齿脉冲信号较少的采集点数准确求出轴系第i齿转过的时间∃t i(即相邻电压脉冲信号同基准电平处的时间差,见图2),A D采样拟合法的核心是利用A D采样能得到各采集点精确时刻值的特点,通过曲线拟合的方法准确求出∃t i。具体步骤如下:首先对信号进行观察,找到各齿都较为稳定的信号段(如图2中的ab段),以该段的中点作为基准电U0;然后在基准电平附近取若干点求出一个电压脉冲信号拟合曲线;再利用拟合曲线求出脉冲信号基准电平处时刻t i和t i+1;最后由t i和t i+1求得脉冲信号时间差∃t i。上述步骤的关键是拟合曲线经验公式的建立,现结合图2作具体说明。

建立拟合曲线经验公式的方法有许多种,其中以最小二乘法为最优且最常用[5]。设在第i个脉冲信号基准电平附近共取n点数据:(x1,y1),(x2, y2),…,(x j,y j),…,(x n,y n),其中x j为第j数据点的电压值,y j为第j数据点的时间值。用最小二乘法建立经验公式时,设x j为自变量,y j为因变量。两变量之间总可以用一个m阶多项式来逼近,即

y=B0+B1x+B2x2+…+B m x m

其中:B0,B1,B2,…,B m为待定常数。

根据最小二乘法原理,可建立正态方程解得

B0,B1,B2,…,B m的数值,并求得拟合曲线经验公式。将x=U0代入经验公式,即可求出第i个脉冲信号基准电平处的时刻t i。同理,也可求出第i+1个脉冲信号基准电平处的时刻t i+1。由t i和t i+1可求得两个脉冲信号基准电平处的时间差∃t i

∃t i=t i+1-t i

扭转振动可以用角位移、角速度和角加速度描述。求出∃t i后,首先可计算出各齿的平均角速度。设在被测轴系上安装了齿数为z的齿盘,则每个齿

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