专利名称：星载旋转设备机械部件状态监测与诊断报警方法
技术领域：
本发明涉及卫星星载旋转设备机械部件状态监测与诊断报警方法。
背景技术：
星载旋转设备机械部件，例如卫星扫描辐射计第二扫描机构，由齿轮箱体、电位 器、齿轮、螺杆、螺母、波纹管、步进电机等部分组成。设计上采用了由转动变平移，再由平移 换成摆动的运动方式，具体是步进电机经齿轮减速器驱动滑动螺旋副，使与螺母固连的导 向框架平移，再利用一组钢带扇形体传动机构使与扇形体固连的折镜绕X轴士5°摆动。二扫螺旋副是一种小螺距精密的滑动丝杆副结构，正常扫描频率由北向南是 67Hz、由南向北是200Hz步进。在轨工作时，随着扫描步进的运动，存贮在螺母的润滑膏 (KK3+114硅油混合物)被推走，较难得到及时的补充。这样长期运行，使螺旋副处于不良的 润滑条件，从而使卫星难以达到长寿命高可靠的设计目标。在工程结构与机械运行过程中，由于存在故障而发生事故的现象屡见不鲜。特别 是运行环境(受力、承热及磨损等)的作用，使其工作状态不断变化。因此，从它们中运行 中提取故障症状的信息，作出诊断。星上活动件除了一定角度运动的部件外，大多以旋转部件为主，大致在50 IOOrpm和3000 6000rpm范围内。卫星在轨运行时，往往是转动机械部件最容易出故障，而 这些单点失效部件又是影响卫星成败的关键。而对于这些部件不允许随便拆装检查，这就 要求必须对其进行不解体的状态监测和故障诊断，以识别现状并能预测未来。随着用户对 卫星寿命和可靠性要求的日益提高，旋转设备机械部件的寿命和可靠性问题也越发突出。 为此，如何在研制过程中结合少量试验和特定的监测方法对卫星的旋转设备机械部件的状 态进行评价，对其性能变化趋势和寿命极限进行预测和评估等问题已提到议事日程上。本发明涉及卫星高转速活动部件的不停机状态监测与诊断报警方法，尤其是在卫 星扫描辐射计中的应用，目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到类 似的资料。
发明内容
为了解决对卫星的旋转设备机械部件的状态进行评价，对其性能变化趋势和寿命 极限进行预测和评估等问题，本发明的目的在于提供一种星载旋转设备机械部件状态监测 与诊断报警方法。利用本发明，不但达到识别星载旋转设备运行健康状态的要求，而且能防 止发生意外故障或停机而引起损失。为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种 星载旋转设备机械部件状态监测与诊断报警方法，包括如下步骤步骤一、检测记录星载旋转机构的振动响应过程；步骤二、加速度响应测量时域信号判读； 步骤三、加速度响应测量频谱分析；
步骤四、设置紧急 报警或停机线；分别在时域0. 25g与频域0. 5倍频(0. 03g)设置预警线在数据时域采集的软件 中预先设置一个幅值报警线0. 25g，在达到或超过该值时，发出预警提示；同理，频域上，在 0. 5倍频如快扫IOOHz或300Hz设置预警值。本发明星载旋转设备机械部件状态监测与诊断报警方法，由于采取上述的技术方 案，采取加速度响应测量时域信号判读及频谱分析，在花费很小、不需要拆装检查并且在星 用转动部件不停机的情况下，对卫星的旋转设备机械部件的状态进行评价，对其性能变化 趋势和寿命极限进行预测和评估等问题。因此，本发明取得了实施简便有效、延长星载旋转 设备使用寿命、提高工作效率等有益效果。
图1振动位移、速度和加速度频谱比较；图2电机没有失步情况下慢扫的时域响应图；图3电机没有失步情况下慢扫的频谱图；图4电机没有失步情况下快扫的时域响应图；图5电机没有失步情况下快扫的频谱图；图6 二扫机构时域响应图；图7 二扫机构13. 5V快扫时域响应图；图8电机失步时域响应细化图；图9电机失步频谱图；图10 13. 7V电机濒临失步时域响应图；图11 13. 7V电机濒临失步频谱图；图12振动响应幅值劣化曲线；图13报警值及危险值的设置。
具体实施例方式转动部件的状态监测和故障诊断有多种方法，包括振动音响法、速度变化法、声发 射法、电流分析法、温度法、压力脉动法等。其中振动诊断技术在被诊断系统的信号采集、数 据处理、故障识别和诊断中显示出简便可靠的优越性，尤其适用于不停机在线监测和诊断 报警。所以振动分析技术成为应用最普遍诊断方法，可从测试活动部件在规定动作过程的 自身振动信息中分析出正常、异常或缺陷等。在卫星转动部件的状态监测过程中，要对产品的质量状况给出适当的评价，这就 涉及到评判标准问题。标准制定的过高，会造成资源浪费，而标准过低则会影响产品的质 量，而且星用转动部件大都是非标产品，各种产品的评价标准不能千篇一律，因此，标准的 制定需要大量的数据信息和知识的积累。下面结合
本发明的优选实施例。本发明的实施例针对某型号卫星扫描辐射计，首次尝试性地应用了振动诊断原 理，针对扫描机构在不同输入电压下的振动响应特征以及频谱特性进行测试，进而研究失 步现象的临界电压和失步状态的时域及频谱特征。
时域分析法主要研究平均值、均方值、方差等。试件处于正常状态下运行时，时域 图是由大量的、随机的、强度接近的振动信号组成的；一旦发生故障，信号中会出现有规则 的、周期性脉冲，冲击的量值要比正常状态下大得多。因此，用振动信号诊断机器故障时，首 先要在振动信号中找出隐含的周期分量。振动位移、速度和加速度信号的频率相同，不管采用何种表示方式，故障性质不会 变化，都可以用于振动监测；在相同位移幅值下，频率越高，振动所产生的交变应力越大，对 设备的危害越大。因此故障频率越高，位移幅值应该控制得越严格。图1为振动位移、 速度和加速度频谱比较；其中(a)是10Hz、20Hz和50Hz分量幅 值都为10 μ m的位移频谱图，(b)和(C)为该位移幅值下的速度与加速度频谱图。如图1(a)所示，频谱中10Hz、20Hz和50Hz分量幅值都为10 μ m，可以计算出每一 频率分量的速度和加速度幅值，如图1中(b)、(c)所示。比较这三个图可见，高频分量在振 动速度和加速度频谱中得到了明显“放大”，频率越高，速度和加速度频谱中高频分量的“放 大”作用越明显。因此对于高频振动故障，为了在故障的早期能够比较明显地反映出振动变 化，采用振动速度或加速度监测比较有效。反之，低频分量在位移频谱中也是同样的被“放 大”。从振动测量的角度，测量振动加速度和位移比较容易实现，而振动速度一般都是 通过测量加速度再进行积分后得到，因此，振动检测一般选用位移传感器和加速度传感。由 于位移传感器的安装和测量存在诸多局限，如需要根据被测产品具体情况设计专门工装； 飞轮、齿轮箱等部件的转子装在密封的壳体内，无法采用非接触式的位移传感器进行测量； 同时对于高频振动的测量，加速度传感器的测量精度较高，而位移传感器不太适应等等。由于某型号卫星扫描辐射计特征频率均大于50Hz，根据上述分析，测量加速度比 较合适。本发明星载旋转设备机械部件状态监测与诊断报警方法包括加速度响应测量时域信号判读及频谱分析。星载扫描机构在正常工作时时域幅值低于0. 2g，频谱图上倍频特征明显；在接近失步状态时，时域上响应大于0. 25g，但小于0. 3g，频谱图上多出了 0. 5倍 频，这时可以分别在时域0. 25g与频域0. 5倍频(0. 03g)设置预警线；在电机失步即扫描机构不能正常工作时，时域响应放大5倍以上(大于Ig)，频域 上没有特征频率，可以在分别在时域lg、频域0. 5倍频外(0. 05g)或全频段上0. Ig设置紧 急报警或停机线。在扫描辐射计的电机底部和齿轮箱外侧中部分别粘贴加速度传感器，在扫描辐射 计工作过程中，对其振动响应进行全程监测记录，如图2 11所示。图2为电机没有失步情况下慢扫的频谱图；图3为电机没有失步情况下快扫的时 域响应图；图4为电机没有失步情况下快扫的频谱图；图5为二扫机构时域响应图(4种状 态的响应大小差别明显)；图6为二扫机构时域响应图；从图2到图6可以看出(1)该扫描机构在正常工作时时域幅值低于0.2g，在电机没有失步的情况下，随 着电压的降低，振动响应幅值逐步降低(从图6的对比来看，尤其明显)，同电压的情况下， 快扫的响应要大于慢扫；(2)电机快扫特征频率200Hz及其倍频，时域上5ms周期间隔明显，频域上特征频率突出；电机慢扫特征频率67Hz及其倍频，频域上特征频率突出。图7为该二扫机构13. 5V快扫时域响应图(电机失步，响应突然放大为正常值的 近10倍)；图8为电机失步时域响应细化图(时域上峰值抖动比较严重)；图9为电机失 步频谱图(特征频率已经改变)；图10为13. 7V电机濒临失步时域响应图；图11为13. 7V 电机濒临失步频谱图(200Hz特征频率明显，但多出了其0.5倍频)。从图7到图11可以看 出(1)扫描机构的临界失步电压为13. 5V ；(2)在接近失步时(13. 7V)，时域上响应大于0. 2g，但是不会高于0. 3g，频谱图上 多出了 0.5倍频的明显响应，可以分别在时域0. 25g与频域0.5倍频(0. 03g)设置预警线；(3)在电机失步即扫描机构不能正常工作时，时域响应放大5倍以上(大于Ig)， 频域上没有特征频率，可以在分别在时域lg、频域0. 5倍频外(0. 05g)或全频段上0. Ig设 置紧急报警或停机线。综上所述，本发明星载旋转设备机械部件状态监测与诊断报警方法可以作为某型 号卫星扫描辐射计的地面检测手段，实时判定其工作状态，并及时发出预警，以确保卫星的 长寿命和高可靠提供有力保障。综合上述实施例，本发明星载旋转设备机械部件状态监测与诊断报警方法包括如 下的步骤步骤一、检测记录星载旋转机构的振动响应过程；在星载旋转机构的电机底部和齿轮箱外侧中部分别粘贴加速度传感器，在扫描辐 射计工作过程中，对其振动响应进行全程的连续监测，并做好数据存储。步骤二、加速度响应测量时域信号判读；采用振动速度或加速度监测，对时域响应的数据进行比对以分析其变化趋势，正 常状态下运行时，时域图是由大量的、稳定的、强度接近的振动信号组成的，如图2、图4所 示；当时域响应值发生量级增大(2 3倍)、峰值抖动时，则载旋转设备机械部件濒临故 障，如图10所示；响应值继续增大(> 4倍)，变成随机的、强度变化剧烈的信号时，则载旋 转设备机械部件就比较危险，随时会出现故障，如图7、图8所示。步骤三、加速度响应测量频谱分析；对时域信号进行傅立叶变换(Fast Fourier Transform Algorithm)，将时域信号 变成频谱，通过画出振幅和频率(而不是时间)，就更能分析周期性成分了，在振动信号中 隐含的周期分量能很容易地在频谱图上分辨出来。如图3、图5、图9、图11所示，他们分别 代表电机没有失步情况下慢扫的频谱图、电机没有失步情况下快扫的频谱图、电机失步频 谱图、电机濒临失步频谱图，他们分别对应于步骤二中的三种状态下的时域响应。步骤四、设置紧急报警或停机线； 在接近失步状态时设置预警线，本发明实施例中时域上响应大于0. 25g，但小于 0. 3g，频谱图上多出了 0. 5倍频，这时可以在数据采集过程中，分别在时域0. 25g与频域0. 5 倍频(0. 03g)设置预警线在数据时域采集的软件中预先设置一个幅值报警线0. 25g，在达 到或超过该值时，发出预警提示；同理，频域上，在0. 5倍频如快扫IOOHz或300Hz设置预警值。设置紧急报警或停机线，及时发现电机失步而导致扫描机构不能正常工作。本发明实施例中时域响应放大5倍以上(大于lg)，频域上没有特征频率，可以在分别在时域 lg、频域0. 5倍频外(0. 05g)或全频段上0. Ig设置紧急报警或停机线。响应 正常值的范围会随着采样样本的增多进行分析调整，以变得更加精确。根据VDI (德国工程师协会)以及IEC(国际电工协会)等权威机构的相关标准， 其它星上旋转机构可以参照执行时域采集过程中，对其响应幅值的变化趋势进行对比，以 正常值的2 3倍为报警值，正常值的4倍以上为危险值，在达到或超过该值时，发出报警 提示，好的状态以白色或绿色表示，不好的状态以黄色提醒，坏的状态以红色警示，如图12、 图13所示。综上所述，本发明的方法在花费很小、不需要拆装检查并且在星用转动部件不停 机的情况下，对星载旋转机构进行状态监测和故障诊断并在发生故障的初期及时报警。本 发明取得了如下的有益效果(1)提供了一种高转速星用活动部件的状态监测及故障诊断方法；(2)给出了某 扫描辐射计的振动响应时域信号正常与故障的加速度幅值范围；(3)给出了某扫描辐射计 的振动响应在频谱上的正常工作特征频率与故障时的频谱特征；(4)提供加速度响应时域 及频域的报警设置；(5)对建立卫星活动部件地面检测系统，开展活动部件长寿命试验评 价与预示技术研究提供了应用案例和技术支撑。
权利要求
1.一种星载旋转设备机械部件状态监测与诊断报警方法，其特征在于，该方法包括如 下步骤步骤一、检测记录星载旋转机构的振动响应过程；在星载旋转机构的电机底部和齿轮箱外侧中部分别粘贴加速度传感器，在扫描辐射计 工作过程中，对其振动响应进行全程的连续监测，并做好数据存储。步骤二、加速度响应测量时域信号判读；采用振动速度或加速度监测，对时域响应的数据进行比对以分析其变化趋势，正常状 态下运行时，时域图是由大量的、稳定的、强度接近的振动信号组成的，当时域响应值发生 量级增大O 3倍)、峰值抖动时，则载旋转设备机械部件濒临故障，如图10所示；响应值 继续增大(> 4倍)，变成随机的、强度变化剧烈的信号时，则载旋转设备机械部件就比较危 险，随时会出现故障。步骤三、加速度响应测量频谱分析；对时域信号进行傅立叶变换(Fast Fourier Transform Algorithm)，将时域信号变成 频谱，通过画出振幅和频率(而不是时间)，就更能分析周期性成分了，在振动信号中隐含 的周期分量能很容易地在频谱图上分辨出来，电机没有失步情况下慢扫的频谱图、电机没 有失步情况下快扫的频谱图、电机失步频谱图、电机濒临失步频谱图，他们分别对应于步骤 二中的三种状态下的时域响应。步骤四、设置紧急报警或停机线；在接近失步状态时设置预警线，本发明实施例中时域上响应大于0. 25g，但小于 0. 3g，频谱图上多出了 0. 5倍频，这时可以在数据采集过程中，分别在时域0. 25g与频域0. 5 倍频(0. 03g)设置预警线在数据时域采集的软件中预先设置一个幅值报警线0. 25g，在达 到或超过该值时，发出预警提示；同理，频域上，在0. 5倍频如快扫IOOHz或300Hz设置预警值。
2.如权利要求1所述的监测与诊断报警方法，其特征在于所述步骤四中的时域响应 放大5倍以上(大于Ig)，频域上没有特征频率，可以在分别在时域lg、频域0. 5倍频外 (0. 05g)或全频段上0. Ig设置紧急报警或停机线。
全文摘要
本发明公开了一种星载旋转设备机械部件状态监测与诊断报警方法，包括步骤检测记录星载旋转机构的振动响应过程；加速度响应测量时域信号判读；加速度响应测量频谱分析；设置紧急报警或停机线；分别在时域0.25g与频域0.5倍频(0.03g)设置预警线在数据时域采集的软件中预先设置一个幅值报警线0.25g，在达到或超过该值时，发出预警提示；同理，频域上，在0.5倍频如快扫100Hz或300Hz设置预警值。本发明解决了对卫星的旋转设备机械部件的状态进行评价，对其性能变化趋势和寿命极限进行预测和评估等问题。取得了实施简便有效、延长星载旋转设备使用寿命、提高工作效率等有益效果。
文档编号G01M13/02GK102095573SQ20091020032
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者付国庆, 张利, 梁伟, 王玉花, 齐晓军 申请人:上海卫星工程研究所