起重机械故障智能采集与分析装置的制作方法

1.本实用新型属于特种设备起重机领域，尤其涉及一种起重机械故障智能采集与分析装置。


背景技术：

2.起重机是现代化的运输设备，在工业生产和起重运输作业中发挥着重要的作用，对经济的发展起着关键作用。在起重机的主梁、主机、减速箱等关键部位的频率是个重要的监测指标。比如起重机的结构发生损失后，刚度会发生变化而质量一般保持不变，则起重机主梁的固有频率会下降。因而可以通过频率变化分析起重机主梁结构的损失。起重机的减速机构也是使用最为频繁的部位之一，是起重机的减速传动部件。减速箱的运转是否正常直接影响到工作机构及整个起重机的工作性能，其内部的齿轮、轴承发生故障也往往会在旋转频率上反映出来。因此加强对起重机上述关键部位的频率监控对起重机的故障诊断有着重要的意义。
3.此外，起重机在维护保养质量因人员的缺乏而低下，导致很多起重机的隐患不易发现，尤其是起重机旋转频率发生的变化，需要专用的频率分析装置，而市场上监控起重机关键部位频率的专用检测仪器缺乏。往往需要人工打开机房内部，凭检验人员经验查看隐患，检验效率尚比较低。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种起重机械故障智能采集与分析装置，智能地采集振动数据，并根据输入的起重机参数分析异常频率，找出起重机故障隐患。
5.本实用新型的技术方案包括一种起重机械故障智能采集与分析装置，其特征在于，该装置包括：加速度传感器、数据采集单元、数据处理单元、人机交互单元、数据存储单元及电源模块；所述数据处理单元依次连接所述数据采集单元、所述人机交互单元、所述数据存储单元及所述电源模块；所述数据采集单元连接所述加速度传感器。
6.根据所述的起重机械故障智能采集与分析装置，其中加速度传感器设置于起重机械出现故障的若干位置，所述加速度传感器采用352c33单轴加速度传感器或356b18三轴加速度传感器，所述加速度传感器的输出电压为
±
5v。
7.根据所述的起重机械故障智能采集与分析装置，其中数据采集单元包括第一微处理器，所述第一微处理器的引脚包括时钟模块、电源模块、a/d模块、 rs485接口、swd模块、存储模块及复位模块，所述rs485接口用于分别连接所述加速度传感器及所述第一微处理器，其中所述第一微处理器设置为msp430 微处理器。
8.根据所述的起重机械故障智能采集与分析装置，其中a/d模块包括mdac 模块及sadc模块，其中所述mdac模块包括时钟发生器及dac模块，所述 sadc模块连接所述dac模块，所述dac模块连接所述时钟发射器。
9.根据所述的起重机械故障智能采集与分析装置，其中rs485接口工作方式被配置为两线制半双工和四线制全双工，所述rs485接口采用max3485芯片。
10.根据所述的起重机械故障智能采集与分析装置，其中max3485芯片包括有第二微处理器及8个引脚，其中引脚1和引脚4分别连接所述第二微处理器的接收引脚和发送引脚；引脚2和引脚3相连，并与所述第二微处理器相连；引脚 5和引脚8分别接地和连接3.3v电压；所述引脚6和所述引脚7分别连接有次声率传感器及含水率传感器，所述引脚6和所述引脚7间连一个120ω的匹配电阻。
11.根据所述的起重机械故障智能采集与分析装置，其中电源模块包括输出转换保护电路及蓄电池，所述输出转换保护电路采用mp4559芯片。
12.根据所述的起重机械故障智能采集与分析装置，其中数据存储单元包括参数存储模块及flash存储模块，其中所述参数存储模块设置为铁电存储器 fm24c64，所述flash存储模块设置为基于m45pe16型芯片的flash存储芯片。
13.根据所述的起重机械故障智能采集与分析装置，其中人机交互单元包括第三微处理器、swd接口、存储器、按键装置、显示装置、时钟装置、供电装置、串口通信装置及复位装置，其中所述第三微处理器分别连接所述存储器、所述按键装置、所述显示装置、所述时钟装置、所述供电装置、所述串口通信装置及所述复位装置，所述第三微处理器设置为mp430微处理器。
14.根据所述的起重机械故障智能采集与分析装置，其中数据处理单元设置为 stm32f103微处理器。
15.本实用新型的有益效果为：可以根据人机交互单元输入的系统参数来控制起重机振动数据的采集与分析，可以定量地对起重机关键部位的振动数据进行采集，并自动分析出关键部位的旋转频率。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步地说明；
17.图1所示为根据本实用新型实施方式的总体结构框图。
18.图2所示为根据本实用新型实施方式的采集与分析装置改进结构框图。
19.图3所示为根据本实用新型实施方式的数据采集单元原理图。
20.图4所示为根据本实用新型实施方式的模拟量转换数字量原理图。
21.图5所示为根据本实用新型实施方式的输出转换保护电路原理图。
22.图6所示为根据本实用新型实施方式的fm24c64电路连线图。
23.图7所示为根据本实用新型实施方式的flash存储电路图。
24.图8所示为根据本实用新型实施方式的rs485数据接口电路图。
25.图9所示为根据本实用新型实施方式的人机交互手持硬件结构图。
26.图10所示为根据本实用新型实施方式的参数配装置菜单示意图。
27.图11所示为根据本实用新型实施方式的人机交互手持设备功能图。
28.图12所示为根据本实用新型实施方式的起重机械故障智能采集与分析装置流程图。
具体实施方式
29.本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限制。
30.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
31.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
32.图1所示为根据本实用新型实施方式的起重机械故障智能采集与分析装置框图。参考图1，其包括加速度传感器、数据采集单元、数据处理单元、人机交互单元、数据存储单元及电源模块；数据处理单元依次连接数据采集单元、人机交互单元、数据存储单元及电源模块；数据采集单元连接加速度传感器。加速度传感器用于感知起重机的振动状态；数据采集模块用于实现对起重机振动数据的数模转换；数据处理单元具有数据接收、处理等功能；电源具有为整个智能采集装置供电的功能；交互单元具有输入系统参数控制数据采集与分析、显示最终测试参数的功能，存储器具有存储控制器处理的数据。
33.加速度传感器具有感知起重机关键部位的加速度信号的功能；加速度传感器采用输出电压为
±
5v的型号，这样可以省去设计信号调理电路的步骤，减少系统复杂性。如可以采用pcb公司的352c33单轴加速度传感器或356b18三轴加速度传感器。
34.数据采集单元具有采集起重机关键部位加速度信号并进行数模转换的功能；
35.数据处理单元具有数据接收、处理等功能，与数据采集单元通过rs485连接。数据处理单元可以采用如dsp处理器具有逻辑处理功能的芯片或集成模块。数据处理单元可以完成起重机关键部位频率的计算，采集数据的滤波、频谱分析、功率谱密度分析、倒频谱分析等。
36.交互单元具有输入系统参数控制数据采集与分析、显示最终测试结果的功能。最终测试结果包括各个关键部位的正常频率值、采集后的数据波形图、fft 变换后的频谱图、功率谱密度图、倒频谱图。交互单元可以采用触摸式显示屏，便于用户输入起重机关键部位的参数，如用于计算主机齿轮箱减速比i，主机链轮齿数，梯级运行速度。
37.存储器具有存储控制器处理的数据。
38.电源具有为整个智能采集和分析装置供电的功能。
39.用于计算起重机关键部位旋转频率值的计算公式包括：
40.齿轮啮合周期tz的倒数称为齿轮的啮合频率，以fz表示，其计算公式为：
[0041][0042]
zi为齿轮的齿数，ni为齿轮的转速(r/min)。正常情况下，啮合频率和谐频成分的关系由下式表示：
[0043][0044][0045]
式中：fz’为齿轮的谐频；n＝1,2，
…
，m,m为最大谐波次数；n为齿轮轴转速(r/min)；z为齿轮的齿数。
[0046]
齿轮和齿轮轴的转动频率fr及其谐频nfr(n＝2，3,4，
…
)。
[0047]
f
r
＝n
i
/60
[0048]
其中，ni为齿轮及轴的转速(r/min)。
[0049]
图2所示为根据本实用新型实施方式的采集与分析装置改进结构框图，作为对图1的改进，包括加速度传感器、数据采集单元、stm32f103微处理器、人机交互单元、数据存储模块、电源模块等部分组成；加速度传感器用于感知起重机的振动状态。数据采集模块用于实现对起重机振动数据的数模转换。stm32f103微处理器具有数据接收、处理等功能；电源模块包括输出转换保护电路及电源，电源一般采用蓄电电池。
[0050]
图3所示为根据本实用新型实施方式的数据采集单元原理图。采用msp430 芯片作为无线数据采集终端的主控芯片，msp430单片机片上外设资源丰富，它包括基本时钟模块、看门狗定时器、3个16位定时器和2个带中断功能的6位并行端口等。最小系统通常包括电源电路、时钟电路以及复位电路等电路模块。数据采集单元是使用rs485通信方式通过加速传感器对起重机的故障诊断信息进行采集，然后在采用模数转换模块把加速度传感器的模拟量转换成数字量。
[0051]
图4所示为根据本实用新型实施方式的模拟量转换数字量原理图。由于本发明的技术方案选用的加速度传感器采用rs485串口通讯。虽然stm32f103处理器内部集成了ad模块，但内部集成的ad精确度不高，本设计另作ad采集数据接口的设计。参考图4，其中a/d模块包括mdac模块及sadc模块，其中mdac模块包括时钟发生器及dac模块，sadc模块连接dac模块，dac 模块连接时钟发生器。
[0052]
图5所示为根据本实用新型实施方式的输出转换保护电路原理图。电源是整体系统中不可替代的部分，电源的稳定性至关重要，此外，还要确保电源转换芯片的低功耗和高效率。本发明的技术方案选取的电源芯片是mp4559，该芯片是一种内置高侧高压功率mosfet的高频降压开关稳压器，提供1.5a输出的电流模式控制，循环响应快，补偿方便。3.8v到55v的宽输入范围，可适应各种降压应用，12μa的关闭模式电源电流，允许使用电池驱动的应用程序。通过减小开关频率，降低开关和栅极驱动损耗，在大负载范围内实现了高功率转换效率。频率折回有助于防止在启动和热开关的电感电流失控，提供可靠的容错操作。通过2mhz的开关，mp4559能够防止emi(电磁干扰)噪声问题。输出电压的获取是通过使用电阻分压器从固定输出电压的fb引脚获取想要的输出电压值，＝0.8v，分压器将输出电压除以反馈电压的比值，如公式(1)所示：
[0053][0054]
其中r1＝r1
‑
1+...+r1
‑
n。
[0055]
例如，对于想要输出一个3.3v电压，r2设定为10kω，那么r1就是31.6kω，电路如
图5所示。想要输出4v、5v和6v电压供其他器件使用，只需合理改变 r1和r2的值即可。
[0056]
图6所示为根据本实用新型实施方式的fm24c64电路连线图。数据存储分为两个部分：其中一部分用于存储系统参数，如端口号、采样通道、信息采集间隔等。另一部分用于存储传感器采集的数据和系统状态(当前时间、电压、信号强度)等。参数的存储数据量不大，但参数在断电时不能丢失，可重复多次读写，综合考虑此部分选用铁电存储器fm24c64，该芯片的读写寿命为100亿次，掉电数据约可存储10年，写入数据速度快。其非常适合用于参数存储。
[0057]
图7所示为根据本实用新型实施方式的flash存储电路图。stm32f103 内部flash容量为512k，容量小，很难满足一种起重机械故障智能采集与分析装置的大量数据存储，因此外扩了flash芯片用于存储各致灾因子数据。本设计选用m45pe16型芯片为系统外设的flash芯片，芯片采取3.3v直流供电，通过spi总线通信，有32个扇区，每个扇区256页，共8192页，一页256字节， 16mbit存储。该芯片具有超过100000次写周期和20年的数据保存；它具有页擦除、扇区擦除、硬件写保护、低功耗等优点，适宜作为本系统研究设计中的 flash芯片。芯片存储电路如图6所示，cs和so引脚接上拉电阻，wp引脚为低电平有效，因此接3.3v电源取反后接入引脚内。
[0058]
图8所示为根据本实用新型实施方式的rs485数据接口电路图。rs485串口工作方式有两线制半双工和四线制全双工，由于次声和含水率传感器通讯线有两根，因此采用半双工。max3485芯片有8个引脚，其中引脚1和4分别接微处理器的接收引脚和发送6引脚；引脚2和3相连，然后与微处理器相连，这两个引脚控制串口的发送和接收；引脚5和8分别接地和3.3v电压；引脚6和7 分别接次声和含水率传感器的a和b，两引脚间连一个120ω的匹配电阻，它的作用增大负载减小信号的反射和屏蔽低衰减电缆。
[0059]
图9所示为根据本实用新型实施方式的人机交互手持硬件结构图。从实际使用及成本的角度考虑，在设计时，没有为每套起重机械故障智能采集与分析装置配置一个人机交互模块，而是设计了一个公用的人机交互手持设备。人机交互手持设备和起重机械故障智能采集与分析装置通过usb串口进行通讯。一个手持设备通过串口可以对所有的起重机械故障智能采集与分析装置进行参数设置，从而降低成本。通过人机交互手持设备进行参数设置，也可通过手持设备读取起重机所处的当前运行状态数据等。
[0060]
主控芯片，选取msp430作为人机交互手持设备的主控芯片。选择msp430 作为手持设备控制芯片的主要原因有：功耗低、运算速度快、处理能力强、片内资源丰富、开发环境方便高效。
[0061]
如下表1及图10分别所示为根据本实用新型实施方式的人机交互单元和参数配装置菜单示意图。按键，手持式按键如图10所示，主要包括上、下、左、右、确定、测试、退出/返回、开和关9个按键。通过9个按键即可完成参数设置以及起重机状态数据读取的功能。菜单：起重机故障智能采集人机交互单元上的参数设置菜单包括各级齿轮的齿数及电机转速，如下表1所示。
[0062][0063]
表1
[0064]
图11所示为根据本实用新型实施方式的人机交互手持设备功能图。人机交互手持设备功能显示：起重机械故障智能采集与分析装置的交互单元手持设备界面的设计。交互界面要实现的功能主要包括2个部分，分别为参数设置、信息读取。参数设置包括：各级齿轮的齿数和电机转速等。信息读取包括各级齿轮啮合频率、高次谐波频率、倒频率等。
[0065]
图12所示为根据本实用新型实施方式的起重机械故障智能采集与分析装置流程图。结合上述附图，图12中本发明的技术方案的使用流程包括：首先将加速度传感器分别固化于需要监测的起重机的关键部位，如起重机电机、减速箱、起重机主梁等部位；连接好起重机械故障智能采集与分析装置，输入用户名，输入电机转速、齿轮齿数等起重机的参数；开始采集数据，将所采集到的数据进行滤波、傅里叶变换、功率谱分析、倒频谱分析等处理，得到起重机关键部位的旋转频率。将得到的旋转频率与正常的旋转频率做对比，找出异常频率，根据异常频率分析出异常部位，从而为定位潜在的运行隐患提供参考；最终将采集数据的波形图、功率谱密度图、倒频谱图、起重机关键部位的正常频率、异常频率等结果显示在交互单元上。从而实现对起重机故障智能采集与分析功能。
[0066]
上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。