一种风机齿轮箱故障诊断系统的制作方法
【专利摘要】一种风机齿轮箱故障诊断系统，属于检测设备领域。本实用新型的目的是提供一种进行状态监视，及时发现问题，及时处理，以便及时安排检修的风机齿轮箱故障诊断系统。本实用新型是由探测节点、监控终端组成：探测节点由齿轮箱实验台、信号调理模块、PIC24HJ128GP504单片机、编号预置电路、无线数据传输模块组成；监控终端由无线数据传输模块、PIC24HJ128GP504单片机、蜂鸣报警器和液晶显示器组成。本实用新型设计一个具有可移动性，结构简单，便于维护，具有扩展性，且诊断精度高，诊断结果显示清晰，让操作者对齿轮箱的概况轻松了解的系统。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于检测设备领域。 一种风机齿轮箱故障诊断系统
【背景技术】
[0002] 风机的工作环境恶劣多变，齿轮箱中的部件长期处于高负荷、快转速的工作状态， 在持续的冲击下，齿轮箱内的零件很容易发生故障。从风力发电机组齿轮箱发生的故障来 看，主要是齿轮、轴承部件的损坏和磨损。这些磨损出现以后表面的金属微粒可能会污染润 滑剂，使传动效率下降产生噪声，严重情况可能造成轮齿折断造成机组停机。
[0003] 现有的风机齿轮箱故障诊断系统结构复杂，系统稳定性低，由于电路结构复杂，不 便于检测维修，且使用的故障诊断方法经验模态分解（EMD)对信号进行分析时有时会出现 模态混叠的现象，影响分解效果，不利于解析序列分量的真实物理意义，降低了预测模型对 各分量的适应性，进而影响到诊断精度。
【发明内容】
[0004] 本实用新型的目的是提供一种进行状态监视，及时发现问题，及时处理，以便及时 安排检修的风机齿轮箱故障诊断系统。
[0005] 本实用新型是由探测节点、监控终端组成：
[0006] 探测节点由齿轮箱实验台、信号调理模块、PIC24HJ128GP504单片机、编号预置电 路、无线数据传输模块组成；
[0007] 监控终端由无线数据传输模块、PIC24HJ128GP504单片机、蜂鸣报警器和液晶显示 器组成；
[0008] 传感器采用压电式加速度传感器，三个加速度传感器分别布置在输入轴的前侧 和后侧的轴承位置及输出轴的前侧轴承位置；
[0009] 转速传感器信号调理电路：转速传感器的1脚接24V电源，2脚接地，信号输出端4 脚通过一电阻R2后，与电压转换芯片IGS204的1脚相连，IGS204的8脚与信号调理芯片 ZCM3271的1脚相连，ZCM3271通过S1端与无线射频发射电路的PIC24HJ128GP504单片机 的SI端相连；
[0010] 加速度传感器信号调理电路：传感器信号输出端BNC与信号调理芯片ZCM3271的 1脚相连，三个ZCM3271通过S2、S3、S4端分别与无线射频发射电路中PIC24HJ128GP504单 片机的S2、S3、S4端相连；
[0011] 编号预置电路5 :SW DIP-S的1-8端分别与无线射频发射电路中PIC24HJ128GP504 单片机的RC0-RC7端相连，并且PIC24HJ128GP504单片机的RC0-RC7端通过电阻R18-R25 与5V电源相连；
[0012] 无线数据传输模块的D0脚与与无线射频发射电路中PIC24HJ128GP504单片机的 33脚相连，D1脚与与无线射频发射电路中PIC24HJ128GP504单片机的34脚相连；
[0013] 无线数据传输模块的D0脚与与无线射频接收电路中PIC24HJ128GP504单片机的 33脚相连，D1脚与与无线射频接收电路中PIC24HJ128GP504单片机的34脚相连；蜂鸣报警 器与PIC24HJ128GP504单片机相连；液晶显示器的7-14脚分别与PIC24HJ128GP504单片机 的RB0-7脚相连，其4-6脚分别与单片机PIC24HJ128GP504单片机的12-14脚相连。
[0014] 本实用新型设计一个具有可移动性，结构简单，便于维护，具有扩展性，且诊断精 度高，诊断结果显示清晰，让操作者对齿轮箱的概况轻松了解的系统：
[0015] 本实用新型中，采用了编号预置电路，可通过预置编号控制传感器的数量，系统最 多可采集255路传感器信号，可以满足以后测试扩展的需要；
[0016] 系统通过无线射频进行非接触的双向数据通信，监控终端实时监测数据，并通过 液晶显示器IXD显示监测结果，若有故障发生，IXD显示故障信号，蜂鸣器会发出蜂鸣声音；
[0017] 由于系统是通过无线射频进行非接触的双向数据通信，故系统的监测终端具有可 移动性，工作人员可根据实际情况移动监测终端设备，甚至可随身携带监测终端，24小时监 控齿轮箱状况；
[0018] 系统具有可扩展性，如图1所示，监测终端单片机可通过无线网络将监测结果发 送至PC机，PC机软件的主界面上会实时显示齿轮箱的运行情况：故障状态指示灯分别以红 /绿颜色显示了齿轮箱有/无故障；状态指示栏会以详细的文字来描述系统的运行状态；在 界面上还显示了齿轮箱的运行信息，包括输入轴、输出轴转速，振动信号采样率，振动点实 时的时域及频域波形信息，让操作者对齿轮箱的概况轻松了解。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1是本实用新型的结构框图；
[0020] 图2是转速传感器信号调理电路；
[0021] 图3是三个加速度传感器信号调理电路；
[0022] 图4是5V电源转换电路；
[0023] 图5是探测节点单片机电路；
[0024] 图6是监测终端单片机电路。
【具体实施方式】 [0025]
[0026] 本实用新型是由探测节点（1)、监控终端（2)组成：
[0027] 探测节点1由齿轮箱实验台3、信号调理模块12、PIC24HJ128GP504单片机4、编号 预置电路5、无线数据传输模块6组成；
[0028] 监控终端2由无线数据传输模块7、PIC24HJ128GP504单片机8、蜂鸣报警器9和 液晶显示器10组成；
[0029] 图1中11为PC机，虚线区域为可扩展模块；
[0030] 传感器采用压电式加速度传感器，三个加速度传感器分别布置在输入轴的前侧 和后侧的轴承位置及输出轴的前侧轴承位置；
[0031] 转速传感器信号调理电路：转速传感器的1脚接24V电源，2脚接地，信号输出端4 脚通过一电阻R2后，与电压转换芯片IGS204的1脚相连，IGS204的8脚与信号调理芯片 ZCM3271的1脚相连，ZCM3271通过S1端与无线射频发射电路的PIC24HJ128GP504单片机 的SI端相连；
[0032] 加速度传感器信号调理电路：传感器信号输出端BNC与信号调理芯片ZCM3271的 1脚相连，三个ZCM3271通过S2、S3、S4端分别与无线射频发射电路中PIC24HJ128GP504单 片机的S2、S3、S4端相连；
[0033] 编号预置电路5 :SW DIP-S的1-8端分别与无线射频发射电路中PIC24HJ128GP504 单片机的RC0-RC7端相连，并且PIC24HJ128GP504单片机的RC0-RC7端通过电阻R18-R25 与5V电源相连；
[0034] 无线数据传输模块的D0脚与与无线射频发射电路中PIC24HJ128GP504单片机的 33脚相连，D1脚与与无线射频发射电路中PIC24HJ128GP504单片机的34脚相连；
[0035] 无线数据传输模块的D0脚与与无线射频接收电路中PIC24HJ128GP504单片机的 33脚相连，D1脚与与无线射频接收电路中PIC24HJ128GP504单片机的34脚相连；蜂鸣报警 器与PIC24HJ128GP504单片机相连；液晶显示器的7-14脚分别与PIC24HJ128GP504单片机 的RB0-7脚相连，其4-6脚分别与单片机PIC24HJ128GP504单片机的12-14脚相连。
[0036] 本实用新型是根据风机齿轮箱故障信号的非平稳特性，采用了一种基于总体平均 经验模式分解（EEMD)和BP神经网络的风机齿轮箱故障诊断方法。首先对故障信号进行 EEMD分解，将其分解为多个固有模态函数（Intrinsic Mode Function,简称MF)之和，选 取若干含有主要故障信息的頂F分量做进一步分析。然后，从各MF分量中提取故障信号能 量特征参数；最后，将归一化后的能量特征参数作为BP神经网络输入参数进行故障诊断。
[0037] 以下结合附图对本实用新型做详细的描述：
[0038] 图1为本实用新型提出的风机齿轮箱故障诊断系统的结构图。如图1所示，该系 统包括：探测节点1、监控终端2。
[0039] 其中，探测节点1主要由齿轮箱实验台3、信号调理模块12、PIC24HJ128GP504单 片机4、编号预置电路5、无线数据传输模块（PTR2000)6组成。其中，齿轮箱实验台3主要 由电机、变频器、皮带轮、联轴器、轴承、齿轮箱及底座等组成，传感器采用的是江苏联能电 子技术有限公司的CA-YD-1182型压电式加速度传感器和德国IFM公司的IGS204型号接近 开关，其中三个加速度传感器分别布置在输入轴的前侧和后侧的轴承位置及输出轴的前侧 轴承位置。转速传感器信号调理电路图如图2所示，其S1端与图5中PIC24HJ128GP504单 片机的SI端相连；加速度传感器信号调理电路图如图3所示，其S2、S3、S4端分别与图5 中PIC24HJ128GP504单片机的S2、S3、S4端相连；编号预置电路5如图5所示，SW DIP-S的 1-8端分别与图5中PIC24HJ128GP504单片机的RC0-RC7端相连，并且PIC24HJ128GP504单 片机的RC0-RC7端通过电阻R18-R25与5V电源相连；无线数据传输模块（PTR2000)6与图 5中PIC24HJ128GP504单片机相连。
[0040] 监控终端2主要由无线数据传输模块（PTR2000) 7、PIC24HJ128GP504单片 机8、蜂鸣报警器9和液晶显示器10组成。其中，无线数据传输模块（PTR2000) 7与 图6中PIC24HJ128GP504单片机相连；蜂鸣报警器9和液晶显示器10如图6所示，与 PIC24HJ128GP504 单片机相连。
[0041] 系统采用电源转换电路（图4)，将干电池电压转换为5V电压。
[0042] 当所述风机齿轮箱故障诊断系统运行时，使用同一个开始触发信号，实现转速信 号采集和振动信号采集的同时开始，首先，先对探测节点进行编号预置，设置为4路信号同 时采集，接着，图2和图3中的转速传感器与加速度传感器开始采集信号，并将采集到的信 号通过S1-S4端传递给图5中PIC24HJ128GP504单片机，随后，图5中PIC24HJ128GP504单 片机通过无线数据传输模块（PTR2000) 6将传感器采集到的信号发出。
[0043] 同时，图6中PIC24HJ128GP504单片机通过无线数据传输模块（PTR2000) 7将探测 节点发出的信号接收，并将接收到的数据进行分析处理，并将处理后的结果通过LCD进行 显示，若风机齿轮箱出现故障，蜂鸣器会发出报警信号，LCD上显示故障信息。
[0044] 系统对数据的分析处理过程如下：首先进行消噪预处理，然后将原始信号数据进 行4层EEMD分解，基函数采用db6小波，分解层数为3层，信号将被分解为8个不同的频 段，将8个频段的系数分别重构，计算各个频段的能量，然后将能量归一化表示。系统测试 了4种工况下的振动数据，输入轴的转速分别为280印111，420印111，560印111，700印1]1。如表1所 示在输入端轴承处振动传感器测试点提取到并且经过归一化的特征向量。
[0045] 表1 EEMD分解后的归一化频带能量分布
[0046] 丨獲gl|着敷2|鱗带3|頻?潑$nsj illS7|頻带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________ 止工况 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·工况 1 0 0&1 0 412 Ο Si 4 0 68? 0 009 Ο Oil Ο 272 Ο 096 轮斷-----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---------- 二广工况 1 Ο 121 Ο 789 0-116 Q 58? 0 001 0.012 0 059 Ο 032 轮点--------- 蚀.JM 2 0 092 ?-；53 Ο 149 0._1 &Μ4 --7Β ? 041 工况3 0112 Ο im Q 17? r,is§ ￠.節 0-D2 Ο Oil Q 039
[0047] 故障特征向量作为输入参数送入训练好的BP神经网络进行故障诊断，设置BP神 经网络的输出向量T为（齿轮箱正常，输入端齿轮断齿，输出端轴承损伤，输出端齿轮断齿， 输出端齿轮点蚀，输入端齿轮点蚀)，当T中某个元素为1时，表明齿轮箱处于当前的状态， 不同状态下对应的输出向量应为：齿轮箱正常（1，0,0,0,0,0);输入端齿轮断齿（0，1，0,0， 0,0) ;输出端轴承损伤（0,0，1，0,0,0);输出端齿轮断齿（0,0,0，1，0,0);输出端齿轮点蚀 (0,0,0,0，1，0);输入端齿轮点蚀（0,0,0,0,0,1)。如果同时发生多种故障，相应的元素为 1，例如输入端齿轮断齿、输出端齿轮断齿（0，1，0，1，0,0);输入端齿轮断齿、输出端轴承损 伤（0,1,1,0,0,0)。将工况1和工况3下的振动数据作为验证样本集，将样本集数据送入训 练好的BP网路，分析网络的输出结果。随机选择工况1和工况3下的共计16组特征向量， 每组特征向量对应着相应的问题模式，网络的输出结果如下所示：
[0048] 表2神经网络诊断输出结果
[0049]
【权利要求】
1. 一种风机齿轮箱故障诊断系统，其特征在于：是由探测节点（1)、监控终端（2)组 成： 探测节点（1)由齿轮箱实验台（3)、信号调理模块（12)、PIC24HJ128GP504单片机（4)、 编号预置电路（5)、无线数据传输模块（6)组成； 监控终端（2)由无线数据传输模块（7)、PIC24HJ128GP504单片机（8)、蜂鸣报警器（9) 和液晶显示器（10)组成； 传感器采用压电式加速度传感器，三个加速度传感器分别布置在输入轴的前侧和后侧 的轴承位置及输出轴的前侧轴承位置； 转速传感器信号调理电路：转速传感器的1脚接24V电源，2脚接地，信号输出端4脚 通过一电阻R2后，与电压转换芯片IGS204的1脚相连，IGS204的8脚与信号调理芯片 ZCM3271的1脚相连，ZCM3271通过S1端与无线射频发射电路的PIC24HJ128GP504单片机 的SI端相连； 加速度传感器信号调理电路：传感器信号输出端BNC与信号调理芯片ZCM3271的1脚 相连，三个ZCM3271通过S2、S3、S4端分别与无线射频发射电路中PIC24HJ128GP504单片 机的S2、S3、S4端相连； 编号预置电路5 :SW DIP-S的1-8端分别与无线射频发射电路中PIC24HJ128GP504单 片机的RC0-RC7端相连，并且PIC24HJ128GP504单片机的RC0-RC7端通过电阻R18-R25与 5V电源相连； 无线数据传输模块的D0脚与与无线射频发射电路中PIC24HJ128GP504单片机的33脚 相连，D1脚与与无线射频发射电路中PIC24HJ128GP504单片机的34脚相连； 无线数据传输模块的D0脚与与无线射频接收电路中PIC24HJ128GP504单片机的33脚 相连，D1脚与与无线射频接收电路中PIC24HJ128GP504单片机的34脚相连；蜂鸣报警器 与PIC24HJ128GP504单片机相连；液晶显示器的7-14脚分别与PIC24HJ128GP504单片机的 RB0-7脚相连，其4-6脚分别与单片机PIC24HJ128GP504单片机的12-14脚相连。
【文档编号】G01M13/02GK203881534SQ201420152014
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】周求湛, 王聪香, 李亚强, 王皓, 吴艳茹 申请人:吉林大学, 天津海运星翰科技发展有限公司, 天津海思瑞特信息科技发展有限公司