专利名称：一种注水机组振动状态的点检方法及检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机械故障监测方法及装置，特别是关于一种注水机组振动状态的点检方法及检测装置。
背景技术：
大型注水机组在油田采油作业中被广泛应用，注水机组属于大型旋转设备，其工作环境恶劣，对其安全运行的状态监测和故障检测，人们一直以来都十分关心与重视。保障设备的安全可靠运行，不仅能提高生产效率还能降低设备维护成本。对于工业现场来说，操作工人往往仅仅是通过对设备上的轴承等关键零部件进行点检确定设备是否运行正常，目前常用的在线故障诊断系统因为操作复杂且价格昂贵，对普遍运用的注水设备，往往难以得到推广应用。现有的点检方式一般是采用听音棒进行监听，该方式监听不方便，在高温、危险或狭小地方也不现实，而且工业现场高速旋转的注水机组噪音很大，通过听音棒进行监听存在很大误差，有些潜在的故障往往不能被及时发现；还有一种方法是通过便携式测振仪来检测设备的振动情况，该方法一般能够检测出关键零部件已经存在的故障，但该方法对注水机组早期故障的反应不明显，尤其对壳体的裂纹故障难以有效检测，并且该方法对故障的反应往往是通过对振动信号的曲线分析才能得到，非专业技术人员的现场操作工往往很难通过识别曲线谱图来准确判断设备故障。
因此，为避免重要机械设备意外停产而造成巨大的经济损失，目前传统的维护方式“以时间为基础的预防性维护”是注水设备的主要检修方式。周期性强制维护的时间周期往往留有较大的安全系数，但是这种维护方式是不经济的。另外，当前工业生产越来越注重降低成本，特别是要求在能避免机械设备发生事故的同时，尽量延长设备运行周期。为此，迫切需要能提供及时准确判定设备状态发展和维护信息的在线检测技术，并且该技术还要能在工业现场简便实用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种检测精确度较高、操作简单且成本较低的注水机组振动状态的点检方法及检测装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种注水机组振动状态的点检方法，其步骤如下(1)设置一包括振动检测模块、一设备负载检测模块、一声发射检测模块、一转速检测模块、一在线状态检测分析模块、一数据库管理模块和一多信号调制模块的检测装置；(2)在注水机组设备正常工作状态下，由振动检测模块在线采集振动信号，并选取六段幅值为V0倍频值的作为参考振动数值，存入数据库管理模块；(3)与步骤(2)同步，由声发射检测模块在线采集声发射信号，选取带宽频率幅值为A0作为参考声发射参考数值，存入数据库管理模块；(4)与步骤(2)同步，由设备负载检测模块测得设备的扭矩信号T0、功率信号P0以及由转速检测模块测得转速信号R0，作为振动信号和声发射信号的辅助参量存入数据库管理模块；(5)根据设备的额定扭矩Tn、额定功率Pn和额定转速Rn，以及步骤(4)测量获得的扭矩信号T0、功率信号P0以及转速信号R0，得到扭矩振动调制因子、扭矩声发射调制因子、功率振动调制因子、功率声发射调制因子、转速振动调制因子和转速声发射调制因子；(6)根据步骤(2)和步骤(3)得到的六段振动倍频值幅值V0和声发射带宽频率幅值A0，以及由步骤(5)得到各种调制因子，得到调制的音频信号F0，并存入数据库管理模块作为状态正常时的标准参考音频数据；(7)当对设备进行点检时，执行步骤(2)至步骤(4)，分别采集得到振动倍频幅值V、声发射带宽频率幅值A、扭矩信号T、功率信号P以及转速信号R；(8)同步骤(5)和步骤(6)，得到实际采集信号音频信号F，并将音频信号存入数据库管理模块；(9)通过耳机对步骤(6)和步骤(7)得到的正常状态参考音频信号F0和实际运行状态音频信号F进行监听比较，判断出设备的运行情况。所述步骤(5)中，所述扭矩振动调制因子为所述扭矩声发射调制因子为所述功率振动调制因子为所述功率声发射调制因子为所述转速振动调制因子为以及所述转速声发射调制因子为其中，kv为振动调制常量，ks声发射调制常量。
所述步骤(6)中，步骤所述调制音频信号F0为式中，f(V0，α0v，β0v，χ0v)为由振动倍频幅值调制的声音信号，其为
定义F下＝1000，F上＝8000；f(A0，α0s，β0s，χ0s)为由声发射频谱带宽值调制的声音信号，其为
定义
一种实现上述点检方法的注水机组振动状态检测装置，其特征在于它包括一被测注水机组、一振动检测模块、一设备负载检测模块、一转速检测模块、一声发射检测模块、一在线状态检测分析模块、一数据库管理模块、一多信号调制模块和一输出模块；所述振动测量模块、设备负载检测模块、转速检测模块和声发射检测模块分别将检测到所述被测注水机组上的各种信号送入所述在线状态检测分析模块内，处理后的信号送入所述数据库管理模块内进行数据归类整理后，输入所述多信号调制模块，同时检测设备的技术指标输入所述多信号调制模块内，调制成音频信号后送入所述输出模块；整个检测装置由一供电模块供电，并由一控制系统控制整个装置工作；所述在线状态检测分析模块的输出端连接一图形显示模块。
所述振动测量模块包括一压电式加速度传感器、一前置放大器模块和一硬件滤波器模块，所述压电式加速度传感器的输出端经所述前置放大器模块连接所述硬件滤波器模块，所述硬件滤波器模块的输出端连接所述在线状态检测分析模块。
所述设备负载检测模块包括一扭矩传感器、一霍尔电流传感器、一霍尔电压传感器、两选择器、一中间变换器和一选择器模块；所述扭矩传感器、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器的输出端均连接一所述选择器的输入端，该所述选择器经所述中间变换器连接另一所述选择器的一输入端，该所述选择器的另一输入端连接一人机输入窗口，输出端连接所述在线状态检测分析模块。
所述转速检测模块包括一磁电式传感器和一选择器，所述磁电式传感器的输出端连接所述选择器的一输入端，所述选择器的另一输入端连接所述人机输入窗口。
所述多信号调制模块包括三个计算器、一转速调制器、一功率调制器、一扭矩调制器和一调制音频模块；三个所述计算器的输入端分别连接所述数据库管理模块输出端，其中一所述计算器输出的转速信号输入所述转速调制器；另一所述计算器输出的功率信号输入所述功率调制器；第三个所述计算器输出的扭矩信号输入所述扭矩调制器，各调制器的输出端均与所述调制音频模块连接；所述数据库管理模块输出的振动频率幅值信号和声发射频谱信号输入所述调制音频模块内。
所述在线状态检测分析模块采用型号为NI USB-6251BNC的采集器。
所述声发射检测模块采用型号为PXR系列的谐振式声发射传感器。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于采用振动和声发射同时检测手段，能够获取从低频到高频的宽频带信号。并结合设备当前运行的负载、转速情况，将最能反映注水机组运行状态的六段倍频值和声发射频谱同时进行音频调制转换成1000～8000赫声音信号，因此具有更好的故障辨别性。2、本发明由于采用了设备负载检测模块，将扭矩信号和功率信号加入了音频信号的调制过程，因此这样的音频调制能适应设备的不同工况需要，得到的音频信号重复性更佳，有效避免了因正常的工况改变而引起的信号变化。3、本发明由于采用了美国国家仪器公司(NI)生产的型号为NI USB-6251BNC的采集器来获取信号，因此能有效保证所得信号的准确性。4、本发明由于采用了在线状态检测分析模块，能够及时反映出设备运行状态，信号的显示采用了曲线图、柱状图加以色彩变化的方式，因此能够清楚便利得到检测结果。5、本发明由于采用声音监听的方式判断设备运行状态，对于工业现场设备维护的工人来讲，能够较方便实现对关键零部件的点检，能够得到推广应用。6、本发明采用将调制音频信号存盘保存的方式，能够实现离线状态下对结果的回放。因此避免了在高温、危险、狭小地方或背景噪声太大情况下监听不准确。本发明可以广泛应用于各种旋转机电设备的故障检测及预报中。
图1是本发明的整体结构示意图， 图2是本发明的多信号调制模块结构示意图。
具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括一被测注水机组1、一振动检测模块2、一设备负载检测模块3、一转速检测模块4、一声发射检测模块5、一在线状态检测分析模块6、一数据库管理模块7、一多信号调制模块8和一输出模块9。振动测量模块2、设备负载检测模块3、转速检测模块4和声发射检测模块5分别将检测到被测注水机组1上的振动信号、设备负载信号、转速信号以及设备声发射信号都送入在线状态检测分析模块6内，由在线状态检测分析模块6将处理完成的信号送入数据库管理模块7内进行数据归类整理后，输入多信号调制模块8，同时检测设备的技术指标也输入多信号调制模块8内，将振动信号六段频率幅值信号和声发射信号频谱信号调制成音频信号后送入输出模块9。其中，在线状态检测分析模块6的输出端还连接一图形显示模块10，将被测注水机组1各被测点信号的振动频谱曲线图、声发射频谱曲线图、扭矩柱状图、功率柱状图和转速柱状图，根据值的大小，通过改变各显示图形的色彩等方式及时由图形显示模块10的显示界面反映出来。本发明的整个检测装置由一供电模块(图中未标出)实现为其供电功能，并由一控制系统(图中未标出)控制整个装置工作，进而保证装置的可靠运行。
上述实施例中，振动测量模块2包括一压电式加速度传感器21、一前置放大器模块22和一硬件滤波器模块23，压电式加速度传感器21的输入端与被测注水机组1上被测点连接，压电式加速度传感器21的输出端经过前置放大器模块22连接硬件滤波器模块23，硬件滤波器模块23的输出端连接在线状态检测分析模块6输入端。
上述实施例中，设备负载检测模块3包括一扭矩传感器31、一霍尔电流传感器32、一霍尔电压传感器33、两选择器34、一中间变换器35和一选择器模块36。扭矩传感器31、霍尔电流传感器32和霍尔电压传感器33的输出端均连接一选择器34的输入端，经过该选择器34判断出是选择检测功率信号还是选择检测扭矩信号，或选择同时检测功率信号和扭矩信号后，经过中间变换器35将检测信号转换，输入另一选择器34内，该选择器34的另一输入端连接一人机输入窗口11，输出端连接在线状态检测分析模块6输入端。由第二个选择器34选择是将设备负载检测模块3采集到的扭矩信号或功率信号传入在线状态检测分析模块6内，还是将人机输入窗口11输入的扭矩信号或功率信号传入在线状态检测分析模块6内。
上述实施例中，转速检测模块4包括一磁电式传感器41和一选择器42，磁电式传感器41的输入端与被测注水机组1上被测点连接，输出端连接选择器42的一输入端，选择器42的另一输入端连接人机输入窗口10。由选择器42选择是将转速检测模块4采集到的设备转速信号传入在线状态检测分析模块6内，还是将人机输入窗口10输入的设备转速信号传入在线状态检测分析模块6内。
如图2所示，上述实施例中，多信号调制模块8包括三个计算器81、一转速调制器82、一功率调制器83、一扭矩调制器84和一调制音频模块85，其中三个计算器81的输入端分别连接数据库管理模块7输出的转速信号、功率信号、扭矩信号以及预先设定的设备各额定值。其中一计算器81输出的转速信号输入转速调制器82；另一计算器81输出的功率信号输入功率调制器83；第三个计算器81输出的扭矩信号输入扭矩调制器84，各调制器的输出端均与调制音频模块85连接。其中，数据库管理模块7输出的六段振动频率幅值信号和声发射频谱信号直接输入调制音频模块85内，经调制音频模块85调制后输出。
上述各实施例中，在线状态检测分析模块6采用美国国家仪器公司(NI)生产的型号为NI USB-6251 BNC的采集器，以获取各种传感器信号。
上述各实施例中，声发射检测模块5采用型号为PXR系列的谐振式高灵敏度声发射传感器。
本发明是根据大型注水机组设备的工况情况，将点检得到的振动信号、声发射信号、扭矩信号、电流信号、电压信号和转速信号传入在线状态检测分析模块6进行分析处理，得到振动频谱曲线图、声发射频谱曲线图、扭矩柱状图、功率柱状图和转速柱状图，根据值的大小，通过改变各显示图形的色彩等方式及时由图形显示模块10显示反映出来。还根据大型注水机组设备的工况情况，对点检得到的振动信号、声发射信号进行音频调制，得到工作状态下六段振动频率幅值信号和声发射频谱的音频信号，通过分辨音频信号，实现对设备状态的故障检测。其具体步骤如下 1)根据大型注水机组设备运行情况，确定在正常工作状态下，由振动检测模块在线采集振动信号，计算振动信号频谱值，选取六段0.42f0v，1f0v，2f0v，3f0v，5f0v，7f0v倍频值的幅值为V0作为参考振动数值，存入数据库管理模块；其中，f0v为基频，与注水机组当前转速对应； 2)与步骤1)同步，由声发射检测模块在线采集声发射信号，计算声发射信号频谱值，计算频率范围内幅值最大值，以最大幅值频率点f0s为中心，选取[f0s-500，f0s+500]的带宽频率幅值A0作为参考声发射参考数值，存入数据库管理模块； 3)与步骤1)同步，由设备负载检测模块测得设备的扭矩信号T0、功率信号P0以及由转速检测模块完成转速信号R0，并作为振动信号和声发射信号的辅助参量存入数据库管理模块； 4)根据设备的额定扭矩Tn、额定功率Pn和额定转速Rn，以及步骤3)测量获得的扭矩信号T0、功率信号P0以及转速信号R0，可以得到扭矩振动调制因子扭矩声发射调制因子功率振动调制因子功率声发射调制因子转速振动调制因子和转速声发射调制因子其中，kv为振动调制常量，ks声发射调制常量，可以通过这两个常数来调整音频信号的分贝值； 5)根据步骤1)和步骤2)得到的六段振动倍频值幅值V0和声发射带宽频率幅值A0，以及由步骤4)得到各种调制因子，得到调制的音频信号F0，并存入数据库管理模块作为状态正常时的标准参考音频数据； 6)当对设备进行点检时，同样执行步骤1)至步骤3)，分别采集得到振动倍频幅值V、声发射带宽频率幅值A、扭矩信号T、功率信号P以及转速信号R； 7)同步骤4)和步骤5)，得到实际采集信号音频信号F，并将音频信号存入数据库管理模块； 8)通过耳机对步骤5)和步骤6)得到的正常状态参考音频信号F0和实际运行状态音频信号F进行监听比较，能够及时准确判断出设备的运行情况。
上述步骤5)中，调制音频信号F0为 公式(1)中，f(V0，α0v，β0b，χ0v)为由振动倍频幅值调制的声音信号，其为
上式中，根据人类对1000～8000赫的声音比较敏感的特性，定义F下＝1000，F上＝8000； 公式(1)中，f(A0，α0s，β0s，χ0s)为由声发射频谱带宽值调制的声音信号，其为
式中，
上述步骤7)中，实际采集音频信号F为 F＝f(V，αv，βv，χv)+f(A，αs，βs，χs)， (4)
上述各步骤中，由实际运用经验得到，0.42fv的反应的音频信号有一个较大上升时，应对机组的润滑系统状况作进一步研究，如滑动轴承是否存在油膜涡动现象等；基频fv幅值对应的音频信号整体水平变大时，应该分析由不平衡等故障的存在；2fv幅值对应的音频信号整体水平比参考音频大时，应注意检查联轴器的对中情况。由声发射信号调整得到的音频信号主要用于发现水泵壳体是否存在裂纹，由实际运用经验得到，由f(A，αs，βs，χs)对应的音频信号频率降低时，往往是由于壳体产生裂纹而引起的现象。
综上所述，本发明能针对大型注水机组的实际工作状况，通过简便、快速且准确的检测方法实现对设备工况的判断。并且，能够根据国家标准、历史档案、专家经验、客观依据以及外界条件变化确定注水机组运行状态的判断准则，对不同应用对象和不同故障模式能够实现自适应的判断和决策。
上述各实施例仅是本发明的优选实施方式，在本技术领域内，凡是基于本发明技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种注水机组振动状态的点检方法，其步骤如下
(1)设置一包括振动检测模块、一设备负载检测模块、一声发射检测模块、一转速检测模块、一在线状态检测分析模块、一数据库管理模块和一多信号调制模块的检测装置；
(2)在注水机组设备正常工作状态下，由振动检测模块在线采集振动信号，并选取六段幅值为V0倍频值的作为参考振动数值，存入数据库管理模块；
(3)与步骤(2)同步，由声发射检测模块在线采集声发射信号，选取带宽频率幅值为A0作为参考声发射参考数值，存入数据库管理模块；
(4)与步骤(2)同步，由设备负载检测模块测得设备的扭矩信号T0、功率信号P0以及由转速检测模块测得转速信号R0，作为振动信号和声发射信号的辅助参量存入数据库管理模块；
(5)根据设备的额定扭矩Tn、额定功率Pn和额定转速Rn，以及步骤(4)测量获得的扭矩信号T0、功率信号P0以及转速信号R0，得到扭矩振动调制因子、扭矩声发射调制因子、功率振动调制因子、功率声发射调制因子、转速振动调制因子和转速声发射调制因子；
(6)根据步骤(2)和步骤(3)得到的六段振动倍频值幅值V0和声发射带宽频率幅值A0，以及由步骤(5)得到各种调制因子，得到调制的音频信号F0，并存入数据库管理模块作为状态正常时的标准参考音频数据；
(7)当对设备进行点检时，执行步骤(2)至步骤(4)，分别采集得到振动倍频幅值V、声发射带宽频率幅值A、扭矩信号T、功率信号P以及转速信号R；
(8)同步骤(5)和步骤(6)，得到实际采集信号音频信号F，并将音频信号存入数据库管理模块；
(9)通过耳机对步骤(6)和步骤(7)得到的正常状态参考音频信号F0和实际运行状态音频信号F进行监听比较，判断出设备的运行情况。
2.如权利要求1所述的一种注水机组振动状态的点检方法，其特征在于所述步骤(5)中，所述扭矩振动调制因子为所述扭矩声发射调制因子为所述功率振动调制因子为所述功率声发射调制因子为所述转速振动调制因子为以及所述转速声发射调制因子为其中，kv为振动调制常量，ks声发射调制常量。
3.如权利要求1所述的一种注水机组振动状态的点检方法，其特征在于所述步骤(6)中，步骤所述调制音频信号F0为
式中，f(V0，α0v，β0v，χ0v)为由振动倍频幅值调制的声音信号，其为
定义F下＝1000，F上＝8000；
f(A0，α0s，β0s，χ0s)为由声发射频谱带宽值调制的声音信号，其为
定义
4.一种实现如权利要求1或2或3所述点检方法的注水机组振动状态检测装置，其特征在于它包括一被测注水机组、一振动检测模块、一设备负载检测模块、一转速检测模块、一声发射检测模块、一在线状态检测分析模块、一数据库管理模块、一多信号调制模块和一输出模块；
所述振动测量模块、设备负载检测模块、转速检测模块和声发射检测模块分别将检测到所述被测注水机组上的各种信号送入所述在线状态检测分析模块内，处理后的信号送入所述数据库管理模块内进行数据归类整理后，输入所述多信号调制模块，同时检测设备的技术指标输入所述多信号调制模块内，调制成音频信号后送入所述输出模块；整个检测装置由一供电模块供电，并由一控制系统控制整个装置工作；所述在线状态检测分析模块的输出端连接一图形显示模块。
5.如权利要求4所述的一种注水机组振动状态检测装置，其特征在于所述振动测量模块包括一压电式加速度传感器、一前置放大器模块和一硬件滤波器模块，所述压电式加速度传感器的输出端经所述前置放大器模块连接所述硬件滤波器模块，所述硬件滤波器模块的输出端连接所述在线状态检测分析模块。
6.如权利要求4所述的一种注水机组振动状态检测装置，其特征在于所述设备负载检测模块包括一扭矩传感器、一霍尔电流传感器、一霍尔电压传感器、两选择器、一中间变换器和一选择器模块；所述扭矩传感器、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器的输出端均连接一所述选择器的输入端，该所述选择器经所述中间变换器连接另一所述选择器的一输入端，该所述选择器的另一输入端连接一人机输入窗口，输出端连接所述在线状态检测分析模块。
7.如权利要求4或6所述的一种注水机组振动状态检测装置，其特征在于所述转速检测模块包括一磁电式传感器和一选择器，所述磁电式传感器的输出端连接所述选择器的一输入端，所述选择器的另一输入端连接所述人机输入窗口。
8.如权利要求4所述的一种注水机组振动状态检测装置，其特征在于所述多信号调制模块包括三个计算器、一转速调制器、一功率调制器、一扭矩调制器和一调制音频模块；三个所述计算器的输入端分别连接所述数据库管理模块输出端，其中一所述计算器输出的转速信号输入所述转速调制器；另一所述计算器输出的功率信号输入所述功率调制器；第三个所述计算器输出的扭矩信号输入所述扭矩调制器，各调制器的输出端均与所述调制音频模块连接；所述数据库管理模块输出的振动频率幅值信号和声发射频谱信号输入所述调制音频模块内。
9.如权利要求4或5或6所述的一种注水机组振动状态检测装置，其特征在于所述在线状态检测分析模块采用型号为NI USB-6251 BNC的采集器。
10.如权利要求4所述的一种注水机组振动状态检测装置，其特征在于所述声发射检测模块采用型号为PXR系列的谐振式声发射传感器。
全文摘要
本发明涉及一种注水机组振动状态的点检方法及检测装置，(1)设置一包括振动检测模块、设备负载检测模块、声发射检测模块、转速检测模块、在线状态检测分析模块、数据库管理模块和多信号调制模块的检测装置；(2)在正常状态下，振动检测模块采集的振动信号存入数据库管理模块；(3)由声发射检测模块采集声发射信号，存入数据库管理模块；(4)由设备负载检测模块测得设备的数据存入数据库管理模块；(5)计算各参数的调制因子；(6)计算得到调制的音频信号，存入数据库管理模块；(7)对设备进行点检时，执行步骤(2)至步骤(4)；(8)计算实际信号音频信号；(9)通过耳机对正常状态参考音频信号和实际运行状态音频信号进行监听比较。本发明可以广泛应用于各种旋转机电设备的故障检测及预报中。
文档编号G01H11/08GK101769785SQ20101010285
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者吴国新, 谷玉海, 王少红, 徐小力 申请人:北京信息科技大学