一種風機齒輪箱故障診斷系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種風機齒輪箱故障診斷系統(tǒng)，屬于檢測設備領域。本實用新型的目的是提供一種進行狀態(tài)監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理，以便及時安排檢修的風機齒輪箱故障診斷系統(tǒng)。本實用新型是由探測節(jié)點、監(jiān)控終端組成：探測節(jié)點由齒輪箱實驗臺、信號調(diào)理模塊、PIC24HJ128GP504單片機、編號預置電路、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成；監(jiān)控終端由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、PIC24HJ128GP504單片機、蜂鳴報警器和液晶顯示器組成。本實用新型設計一個具有可移動性，結構簡單，便于維護，具有擴展性，且診斷精度高，診斷結果顯示清晰，讓操作者對齒輪箱的概況輕松了解的系統(tǒng)。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于檢測設備領域。 一種風機齒輪箱故障診斷系統(tǒng)

【背景技術】
[0002] 風機的工作環(huán)境惡劣多變，齒輪箱中的部件長期處于高負荷、快轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)， 在持續(xù)的沖擊下，齒輪箱內(nèi)的零件很容易發(fā)生故障。從風力發(fā)電機組齒輪箱發(fā)生的故障來 看，主要是齒輪、軸承部件的損壞和磨損。這些磨損出現(xiàn)以后表面的金屬微?？赡軙廴緷?滑劑，使傳動效率下降產(chǎn)生噪聲，嚴重情況可能造成輪齒折斷造成機組停機。
[0003] 現(xiàn)有的風機齒輪箱故障診斷系統(tǒng)結構復雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性低，由于電路結構復雜，不 便于檢測維修，且使用的故障診斷方法經(jīng)驗模態(tài)分解（EMD)對信號進行分析時有時會出現(xiàn) 模態(tài)混疊的現(xiàn)象，影響分解效果，不利于解析序列分量的真實物理意義，降低了預測模型對 各分量的適應性，進而影響到診斷精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本實用新型的目的是提供一種進行狀態(tài)監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理，以便及時 安排檢修的風機齒輪箱故障診斷系統(tǒng)。
[0005] 本實用新型是由探測節(jié)點、監(jiān)控終端組成：
[0006] 探測節(jié)點由齒輪箱實驗臺、信號調(diào)理模塊、PIC24HJ128GP504單片機、編號預置電 路、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成；
[0007] 監(jiān)控終端由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、PIC24HJ128GP504單片機、蜂鳴報警器和液晶顯示 器組成；
[0008] 傳感器采用壓電式加速度傳感器，三個加速度傳感器分別布置在輸入軸的前側 和后側的軸承位置及輸出軸的前側軸承位置；
[0009] 轉(zhuǎn)速傳感器信號調(diào)理電路：轉(zhuǎn)速傳感器的1腳接24V電源，2腳接地，信號輸出端4 腳通過一電阻R2后，與電壓轉(zhuǎn)換芯片IGS204的1腳相連，IGS204的8腳與信號調(diào)理芯片 ZCM3271的1腳相連，ZCM3271通過S1端與無線射頻發(fā)射電路的PIC24HJ128GP504單片機 的SI端相連；
[0010] 加速度傳感器信號調(diào)理電路：傳感器信號輸出端BNC與信號調(diào)理芯片ZCM3271的 1腳相連，三個ZCM3271通過S2、S3、S4端分別與無線射頻發(fā)射電路中PIC24HJ128GP504單 片機的S2、S3、S4端相連；
[0011] 編號預置電路5 :SW DIP-S的1-8端分別與無線射頻發(fā)射電路中PIC24HJ128GP504 單片機的RC0-RC7端相連，并且PIC24HJ128GP504單片機的RC0-RC7端通過電阻R18-R25 與5V電源相連；
[0012] 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的D0腳與與無線射頻發(fā)射電路中PIC24HJ128GP504單片機的 33腳相連，D1腳與與無線射頻發(fā)射電路中PIC24HJ128GP504單片機的34腳相連；
[0013] 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的D0腳與與無線射頻接收電路中PIC24HJ128GP504單片機的 33腳相連，D1腳與與無線射頻接收電路中PIC24HJ128GP504單片機的34腳相連；蜂鳴報警 器與PIC24HJ128GP504單片機相連；液晶顯示器的7-14腳分別與PIC24HJ128GP504單片機 的RB0-7腳相連，其4-6腳分別與單片機PIC24HJ128GP504單片機的12-14腳相連。
[0014] 本實用新型設計一個具有可移動性，結構簡單，便于維護，具有擴展性，且診斷精 度高，診斷結果顯示清晰，讓操作者對齒輪箱的概況輕松了解的系統(tǒng)：
[0015] 本實用新型中，采用了編號預置電路，可通過預置編號控制傳感器的數(shù)量，系統(tǒng)最 多可采集255路傳感器信號，可以滿足以后測試擴展的需要；
[0016] 系統(tǒng)通過無線射頻進行非接觸的雙向數(shù)據(jù)通信，監(jiān)控終端實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過 液晶顯示器IXD顯示監(jiān)測結果，若有故障發(fā)生，IXD顯示故障信號，蜂鳴器會發(fā)出蜂鳴聲音；
[0017] 由于系統(tǒng)是通過無線射頻進行非接觸的雙向數(shù)據(jù)通信，故系統(tǒng)的監(jiān)測終端具有可 移動性，工作人員可根據(jù)實際情況移動監(jiān)測終端設備，甚至可隨身攜帶監(jiān)測終端，24小時監(jiān) 控齒輪箱狀況；
[0018] 系統(tǒng)具有可擴展性，如圖1所示，監(jiān)測終端單片機可通過無線網(wǎng)絡將監(jiān)測結果發(fā) 送至PC機，PC機軟件的主界面上會實時顯示齒輪箱的運行情況：故障狀態(tài)指示燈分別以紅 /綠顏色顯示了齒輪箱有/無故障；狀態(tài)指示欄會以詳細的文字來描述系統(tǒng)的運行狀態(tài)；在 界面上還顯示了齒輪箱的運行信息，包括輸入軸、輸出軸轉(zhuǎn)速，振動信號采樣率，振動點實 時的時域及頻域波形信息，讓操作者對齒輪箱的概況輕松了解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是本實用新型的結構框圖；
[0020] 圖2是轉(zhuǎn)速傳感器信號調(diào)理電路；
[0021] 圖3是三個加速度傳感器信號調(diào)理電路；
[0022] 圖4是5V電源轉(zhuǎn)換電路；
[0023] 圖5是探測節(jié)點單片機電路；
[0024] 圖6是監(jiān)測終端單片機電路。

【具體實施方式】 [0025]
[0026] 本實用新型是由探測節(jié)點（1)、監(jiān)控終端（2)組成：
[0027] 探測節(jié)點1由齒輪箱實驗臺3、信號調(diào)理模塊12、PIC24HJ128GP504單片機4、編號 預置電路5、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊6組成；
[0028] 監(jiān)控終端2由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊7、PIC24HJ128GP504單片機8、蜂鳴報警器9和 液晶顯示器10組成；
[0029] 圖1中11為PC機，虛線區(qū)域為可擴展模塊；
[0030] 傳感器采用壓電式加速度傳感器，三個加速度傳感器分別布置在輸入軸的前側 和后側的軸承位置及輸出軸的前側軸承位置；
[0031] 轉(zhuǎn)速傳感器信號調(diào)理電路：轉(zhuǎn)速傳感器的1腳接24V電源，2腳接地，信號輸出端4 腳通過一電阻R2后，與電壓轉(zhuǎn)換芯片IGS204的1腳相連，IGS204的8腳與信號調(diào)理芯片 ZCM3271的1腳相連，ZCM3271通過S1端與無線射頻發(fā)射電路的PIC24HJ128GP504單片機 的SI端相連；
[0032] 加速度傳感器信號調(diào)理電路：傳感器信號輸出端BNC與信號調(diào)理芯片ZCM3271的 1腳相連，三個ZCM3271通過S2、S3、S4端分別與無線射頻發(fā)射電路中PIC24HJ128GP504單 片機的S2、S3、S4端相連；
[0033] 編號預置電路5 :SW DIP-S的1-8端分別與無線射頻發(fā)射電路中PIC24HJ128GP504 單片機的RC0-RC7端相連，并且PIC24HJ128GP504單片機的RC0-RC7端通過電阻R18-R25 與5V電源相連；
[0034] 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的D0腳與與無線射頻發(fā)射電路中PIC24HJ128GP504單片機的 33腳相連，D1腳與與無線射頻發(fā)射電路中PIC24HJ128GP504單片機的34腳相連；
[0035] 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的D0腳與與無線射頻接收電路中PIC24HJ128GP504單片機的 33腳相連，D1腳與與無線射頻接收電路中PIC24HJ128GP504單片機的34腳相連；蜂鳴報警 器與PIC24HJ128GP504單片機相連；液晶顯示器的7-14腳分別與PIC24HJ128GP504單片機 的RB0-7腳相連，其4-6腳分別與單片機PIC24HJ128GP504單片機的12-14腳相連。
[0036] 本實用新型是根據(jù)風機齒輪箱故障信號的非平穩(wěn)特性，采用了一種基于總體平均 經(jīng)驗模式分解（EEMD)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡的風機齒輪箱故障診斷方法。首先對故障信號進行 EEMD分解，將其分解為多個固有模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function,簡稱MF)之和，選 取若干含有主要故障信息的頂F分量做進一步分析。然后，從各MF分量中提取故障信號能 量特征參數(shù)；最后，將歸一化后的能量特征參數(shù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡輸入?yún)?shù)進行故障診斷。
[0037] 以下結合附圖對本實用新型做詳細的描述：
[0038] 圖1為本實用新型提出的風機齒輪箱故障診斷系統(tǒng)的結構圖。如圖1所示，該系 統(tǒng)包括：探測節(jié)點1、監(jiān)控終端2。
[0039] 其中，探測節(jié)點1主要由齒輪箱實驗臺3、信號調(diào)理模塊12、PIC24HJ128GP504單 片機4、編號預置電路5、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊（PTR2000)6組成。其中，齒輪箱實驗臺3主要 由電機、變頻器、皮帶輪、聯(lián)軸器、軸承、齒輪箱及底座等組成，傳感器采用的是江蘇聯(lián)能電 子技術有限公司的CA-YD-1182型壓電式加速度傳感器和德國IFM公司的IGS204型號接近 開關，其中三個加速度傳感器分別布置在輸入軸的前側和后側的軸承位置及輸出軸的前側 軸承位置。轉(zhuǎn)速傳感器信號調(diào)理電路圖如圖2所示，其S1端與圖5中PIC24HJ128GP504單 片機的SI端相連；加速度傳感器信號調(diào)理電路圖如圖3所示，其S2、S3、S4端分別與圖5 中PIC24HJ128GP504單片機的S2、S3、S4端相連；編號預置電路5如圖5所示，SW DIP-S的 1-8端分別與圖5中PIC24HJ128GP504單片機的RC0-RC7端相連，并且PIC24HJ128GP504單 片機的RC0-RC7端通過電阻R18-R25與5V電源相連；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊（PTR2000)6與圖 5中PIC24HJ128GP504單片機相連。
[0040] 監(jiān)控終端2主要由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊（PTR2000) 7、PIC24HJ128GP504單片 機8、蜂鳴報警器9和液晶顯示器10組成。其中，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊（PTR2000) 7與 圖6中PIC24HJ128GP504單片機相連；蜂鳴報警器9和液晶顯示器10如圖6所示，與 PIC24HJ128GP504 單片機相連。
[0041] 系統(tǒng)采用電源轉(zhuǎn)換電路（圖4)，將干電池電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓。
[0042] 當所述風機齒輪箱故障診斷系統(tǒng)運行時，使用同一個開始觸發(fā)信號，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速信 號采集和振動信號采集的同時開始，首先，先對探測節(jié)點進行編號預置，設置為4路信號同 時采集，接著，圖2和圖3中的轉(zhuǎn)速傳感器與加速度傳感器開始采集信號，并將采集到的信 號通過S1-S4端傳遞給圖5中PIC24HJ128GP504單片機，隨后，圖5中PIC24HJ128GP504單 片機通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊（PTR2000) 6將傳感器采集到的信號發(fā)出。
[0043] 同時，圖6中PIC24HJ128GP504單片機通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊（PTR2000) 7將探測 節(jié)點發(fā)出的信號接收，并將接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理，并將處理后的結果通過LCD進行 顯示，若風機齒輪箱出現(xiàn)故障，蜂鳴器會發(fā)出報警信號，LCD上顯示故障信息。
[0044] 系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的分析處理過程如下：首先進行消噪預處理，然后將原始信號數(shù)據(jù)進 行4層EEMD分解，基函數(shù)采用db6小波，分解層數(shù)為3層，信號將被分解為8個不同的頻 段，將8個頻段的系數(shù)分別重構，計算各個頻段的能量，然后將能量歸一化表示。系統(tǒng)測試 了4種工況下的振動數(shù)據(jù)，輸入軸的轉(zhuǎn)速分別為280印111，420印111，560印111，700印1]1。如表1所 示在輸入端軸承處振動傳感器測試點提取到并且經(jīng)過歸一化的特征向量。
[0045] 表1 EEMD分解后的歸一化頻帶能量分布
[0046] 丨獲gl|著敷2|鱗帶3|頻?潑$nsj illS7|頻帶8 lit 0 0 077 ?62 Ο 39 Ο 473 Ο 012 Ο 11 0 347 Ο 318 m 0113__?3__0Λ22 Ο η? Jl 016 0 1" Ο 389 一0.￡5S XI.13 Ο 144 0 643 0394 0.4 0 016 Ο 126 0^1 Ο 255 Xif Ο 0 047 (1-36? Ο --1 0.424 Ο 002 ￠023 Ci28i 0 0? Λ - - ?----.W.?-.-6 -..-Η- *?-*-*-*->- - ......- -? ?-Η..-*?..- :(〉工Λ1 0G52 Ο 828 Ο 49fi 0.56S Cl 001 0 017 Ο 182 Ο 036 抒 _i________ 止工況 2 0 046 0.392 0 704 Ο 56? 0.002 0 016 Ο 19 Ο 055 Ws------1--- __ ? 纖3 〇 的5 0 _ Q-S49 Ο 874 0,001 0,013 0 148 Q 032 鶴出 XtEO 0 05? 0 354 0 651 Ο 545 Ο 0t8 Ο 194 Ο 388 Ο 283 _攀工攩1 0044 ββ4 0.41 ? 0.532 0.012 Ο 128 Ο 29 Ο 176 Χ!Ε2 0 0^7 0 59 Ο 389 0.S69 0 014 0 171 Ο 294 Ο 23? 工 Ο 0§δ Ο 祕？ 0 359 0.52! 0.016 Ο 144 Ο 7Β2 Ο 214 HEO Ο ?'Μ 0-249 0.56 --9 ?:02· 025? 0.46 Ο 172 丄·工況 1 0 0&1 0 412 Ο Si 4 0 68? 0 009 Ο Oil Ο 272 Ο 096 輪斷-----4---- _ ΙΜ 2 ?046 0 659 0.366 CLSS6 0..01 ?.0?2 0 271 Ο.?Β? m -----.....---- >---.......-.....-....... ------------- _xm 3 0 0S7 0 45 pen 0.541 Q 008 0 048 Ο 342 Ο 097 XLSO 0 055 0 549 Ο 375 Ο 825 0.022 0 142 Ο 248 Ο 286 !!j? ΙΙΕ1 01：135 ?-8?Ι ?-12 <143% Ο ι3? 0.059 CM44 0 099 amrmmmmrmmmmm tmmmmmmmmmmfma -nmmmmmmmmtmmm mmmmmmmmmmmmm tmmmmmmmmmmmm -mmmmmmmmmmmtm mmmmmmmmmmmm -mmmmmmtmmmmmm HIM 2 0 048 0 611 0.30J 0 014 ￠092 0-23 0 15S ' XIK 3 0Q7B 0 698 0.292 0 59 0._ Mm 0 2m 0-16 X?0 0 031 0 S51 0.374 0 598 ? 004 0.04Ei 0 24 7 0 084 t|| λ---------- 二廣工況 1 Ο 121 Ο 789 0-116 Q 58? 0 001 0.012 0 059 Ο 032 輪點--------- 蝕.JM 2 0 092 ?-；53 Ο 149 0._1 &Μ4 --7Β ? 041 工況3 0112 Ο im Q 17? r,is§ ￠.節(jié) 0-D2 Ο Oil Q 039
[0047] 故障特征向量作為輸入?yún)?shù)送入訓練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行故障診斷，設置BP神 經(jīng)網(wǎng)絡的輸出向量T為（齒輪箱正常，輸入端齒輪斷齒，輸出端軸承損傷，輸出端齒輪斷齒， 輸出端齒輪點蝕，輸入端齒輪點蝕)，當T中某個元素為1時，表明齒輪箱處于當前的狀態(tài)， 不同狀態(tài)下對應的輸出向量應為：齒輪箱正常（1，0,0,0,0,0);輸入端齒輪斷齒（0，1，0,0， 0,0) ;輸出端軸承損傷（0,0，1，0,0,0);輸出端齒輪斷齒（0,0,0，1，0,0);輸出端齒輪點蝕 (0,0,0,0，1，0);輸入端齒輪點蝕（0,0,0,0,0,1)。如果同時發(fā)生多種故障，相應的元素為 1，例如輸入端齒輪斷齒、輸出端齒輪斷齒（0，1，0，1，0,0);輸入端齒輪斷齒、輸出端軸承損 傷（0,1,1,0,0,0)。將工況1和工況3下的振動數(shù)據(jù)作為驗證樣本集，將樣本集數(shù)據(jù)送入訓 練好的BP網(wǎng)路，分析網(wǎng)絡的輸出結果。隨機選擇工況1和工況3下的共計16組特征向量， 每組特征向量對應著相應的問題模式，網(wǎng)絡的輸出結果如下所示：
[0048] 表2神經(jīng)網(wǎng)絡診斷輸出結果
[0049]

【權利要求】
1. 一種風機齒輪箱故障診斷系統(tǒng)，其特征在于：是由探測節(jié)點（1)、監(jiān)控終端（2)組 成： 探測節(jié)點（1)由齒輪箱實驗臺（3)、信號調(diào)理模塊（12)、PIC24HJ128GP504單片機（4)、 編號預置電路（5)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊（6)組成； 監(jiān)控終端（2)由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊（7)、PIC24HJ128GP504單片機（8)、蜂鳴報警器（9) 和液晶顯示器（10)組成； 傳感器采用壓電式加速度傳感器，三個加速度傳感器分別布置在輸入軸的前側和后側 的軸承位置及輸出軸的前側軸承位置； 轉(zhuǎn)速傳感器信號調(diào)理電路：轉(zhuǎn)速傳感器的1腳接24V電源，2腳接地，信號輸出端4腳 通過一電阻R2后，與電壓轉(zhuǎn)換芯片IGS204的1腳相連，IGS204的8腳與信號調(diào)理芯片 ZCM3271的1腳相連，ZCM3271通過S1端與無線射頻發(fā)射電路的PIC24HJ128GP504單片機 的SI端相連； 加速度傳感器信號調(diào)理電路：傳感器信號輸出端BNC與信號調(diào)理芯片ZCM3271的1腳 相連，三個ZCM3271通過S2、S3、S4端分別與無線射頻發(fā)射電路中PIC24HJ128GP504單片 機的S2、S3、S4端相連； 編號預置電路5 :SW DIP-S的1-8端分別與無線射頻發(fā)射電路中PIC24HJ128GP504單 片機的RC0-RC7端相連，并且PIC24HJ128GP504單片機的RC0-RC7端通過電阻R18-R25與 5V電源相連； 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的D0腳與與無線射頻發(fā)射電路中PIC24HJ128GP504單片機的33腳 相連，D1腳與與無線射頻發(fā)射電路中PIC24HJ128GP504單片機的34腳相連； 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的D0腳與與無線射頻接收電路中PIC24HJ128GP504單片機的33腳 相連，D1腳與與無線射頻接收電路中PIC24HJ128GP504單片機的34腳相連；蜂鳴報警器 與PIC24HJ128GP504單片機相連；液晶顯示器的7-14腳分別與PIC24HJ128GP504單片機的 RB0-7腳相連，其4-6腳分別與單片機PIC24HJ128GP504單片機的12-14腳相連。
【文檔編號】G01M13/02GK203881534SQ201420152014
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權日:2014年4月1日
【發(fā)明者】周求湛, 王聰香, 李亞強, 王皓, 吳艷茹 申請人:吉林大學, 天津海運星翰科技發(fā)展有限公司, 天津海思瑞特信息科技發(fā)展有限公司