专利名称：掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置及其使用方法
技术领域：
本发明属于机械结构故障诊断技术领域，具体涉及一种掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置及其使用方法。
背景技术：
目前，随着国家经济的飞速发展，社会对能源的需求日益扩大。作为主要能源来源 的煤炭工业的生产安全形式不容乐观，其原因之一在于煤矿机械普遍缺乏必要的在线安全 监测诊断系统。就掘进机而言，其安全性取决于事故多发的截割头主轴关键易损部件，尤 其是截割头主轴轴承的运行状态。国产掘进机从80年代开始研发，目前已经初步形成EBJ 型、EL型、EBH型等多个系列，基本能满足国内矿山企业和基础设施建设的需要。然而，目前 国产掘进机尚无关键部位在线故障监测诊断系统，若不及时在线监测诊断出机器是否有故 障，则会造成灾难性的后果。正所谓“千里长提，溃于蚁穴”，若能及时在线监测诊断掘进机 关键零部件是否有故障、故障的部位和程度，即可及时预示故障的演化、制定维修策略，为 预知和智能维修提供技术支持，提高煤矿掘进机整体运行安全性和可靠性，避免恶性事故。 从而解决国内掘进机由于部件可靠性不高、维修水平低等缺陷导致设备使用效率低下的问 题。目前，机电系统运行状态监测与故障诊断系统主要采用单机式监测诊断系统、集 中式监测诊断系统、基于网络的在线分布式监测诊断系统等，在大型机电装备和系统中发 挥了重要的作用。但是，这些监测控制系统价格昂贵，譬如大型汽轮发电机转子振动量监 控装置价格高达百万元。而基于Advanced RISC Machines公司的微处理器ARM的嵌入式系统作为新近 发展起来的工业监测控制手段，是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个 行业的具体应用相结合的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分 散、不断创新的知识集成系统。目前已经成为故障监测诊断领域的前沿研究方向。但尚未 见有基于ARM的掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置的报道。
发明内容
本发明的目的在于设计出一种掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置及其使用方 法，从而能够高效、可靠地解决掘进机截割头主轴轴承机械磨损故障诊断问题。本发明设计的掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置包括中心处理单元和加速度 传感器，所述中心处理单元为监测器，在掘进机截割头主轴前轴承外壳、后轴承外壳分别安 装1 3个加速度传感器；加速度传感器经信号调理电路接入监测器。监测器为嵌入式实时多任务操作系统，包括原始信号模块、特征提取模块和维修 指导模块。原始信号模块含加速度传感器的实时信号接收单元、掘进机各个监测部位主轴 振动的峰峰值存储单元和振动值比较单元；特征提取模块含时域指标分析单元、快速傅立 叶变换(英文Fast Fourier Transform，简称FFT)分析单元、典型故障频谱存储单元和频谱匹配分析单元；维修指导模块含故障特征对应的维修意见存储单元、维修的指导意见分 析决策单元。原始信号模块实时接收加速度传感器的信号，提取掘进机各个监测部位主轴 振动的峰峰值，与存储数据比较，因有故障的设备振动峰峰值必然会长期处于较高的水平， 据此初步判断是否有故障，在线监测掘进机运行状态；特征提取模块对原始信号模块的数 据进行时域指标、快速傅立叶变换分析得到当前的各监测点的振动频谱，提取信号特征，与 存储的掘进机截割头主轴轴承磨损故障特征频谱相比较，根据匹配情况进行分析，判断掘 进机运行状态；维修指导模块按特征提取模块的分析诊断的主轴轴承磨损故障特征，按其 存储的故障特征对应的维修意见进行决策，给出维修的指导意见。显示器用于接受并显示监测装置送来的检测信息及维修信息。监测器接有显示器，用于接受并显示监测器各模块送来的掘进机运行状态检测信 息及维修信息。所述监测器的嵌入式实时多任务操作系统为Advanced RISC Machines公司的高 级RISC微处理器嵌入式系统，即ARM嵌入式系统。所述加速度传感器为防爆加速度传感器，以适应在矿井的最前端粉尘大、湿度大、 瓦斯浓度高掘进机的恶劣工作环境。该传感器是一种内置压电集成电路(ΙΕΡΕ电路)的压 电振动测量传感器。所述振动信号调理电路包括隔直带通滤波电路、增益调整电路、数模转换电路和 抗混叠滤波电路。传感器的输出信号是由交流和直流信号组成的，在振动分析中，只针对振 动信号的交流量，另外在数值积分处理时，即使微小的直流量都会引起很大的误差，调理电 路要有良好的隔直效果。传感器信号接入振动信号调理电路的隔直带通滤波电路，经增益调整电路、数模 转换电路和抗混叠滤波电路接入监测器。另外在进行频谱分析时，由于采样序列有限，分析的频带宽度在一定范围内，为了 防止混叠，调理电路中还包括抗混叠滤波电路，串联于增益调整电路、数模转换电路之间。本掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置的使用方法包括如下步骤I、通过测试，获得掘进机截割头主轴轴承磨损故障特征频谱，将其存储于监测器 中，并针对不同的主轴轴承磨损状态，制订相应的维修指导意见，也存储于监测器中；II、通过传感器实时监测获得的主轴及其轴承振动信号，监测器的原始信号模块 根据加速度传感器的实时信号提取掘进机各个监测部位主轴振动的峰峰值，在线监测掘进 机运行状态，有故障的设备振动峰峰值必然会长期处于较高的水平，据此初步判断是否有 故障；特征提取模块对原始信号模块的数据进行时域指标、快速傅立叶变换(FFT)分析获 得当前振动信号的频谱，提取信号特征，与存储的掘进机截割头主轴轴承磨损故障特征频 谱相比较，根据匹配情况，进行分析，判断掘进机运行状态；维修指导模块按特征提取模块 的分析诊断主轴轴承磨损故障及其严重程度，进行决策，给出维修的指导意见。本发明掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置及其使用方法的优点在于1)监测器采用了基于ARM嵌入式系统，其硬件集成度高、片内资源丰富、稳定性 好；ARM嵌入式系统是新近发展的工况监测系统，以先进的计算机技术、半导体技术以及电 子技术与各个行业的具体应用相结合，成为技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知 识集成系统，具有低功耗、体积小、集成度高等特点；且该嵌入式系统将通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，整个系统设计趋于小型化。其软件固化在存储器芯片中， 而不是存贮于磁盘等载体中，提高了执行速度和系统可靠性；2)适应掘进面的恶劣工作环境下掘进机截割头机械故障的诊断巡检和在线监控， 结果准确可靠，有效避免了突发性事故发生；3)结构轻巧，且价格低廉，可直接安装于掘进机操作间，与电器和液压故障诊断系 统联合使用，提高煤矿掘进机整体运行安全性和可靠性。
图1为本掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置实施例整体结构示意图；图2为图1中监测器模块框图；图3为图1中信号调理电路结构示意图；图4为本掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置使用方法实施例中一个传感器在 线检测所得一段时间内的振动信号；图5为图4中振动信号频谱图。
具体实施例方式本掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置实施例整体结构如图1所示，包括监测器 和加速度传感器，在掘进机截割头主轴前轴承外壳、后轴承外壳分别安装2个加速度传感 器；加速度传感器经信号调理电路接入监测器。监测器为ARM嵌入式系统，如图2所示包括原始信号模块、特征提取模块和维修指 导模块。原始信号模块含加速度传感器的实时信号接收单元、掘进机各个监测部位主轴振 动的峰峰值存储单元和振动值比较单元；特征提取模块含时域指标分析单元、快速傅立叶 变换(FFT)分析单元、典型故障频谱存储单元和频谱匹配分析单元；维修指导模块含故障 特征对应的维修意见存储单元、维修的指导意见分析决策单元。监测器接有显示器，用于接受并显示监测器各模块送来的掘进机运行状态检测信 息及维修信息。在显示器上显示的监测器的主界面可选择“原始信号”、“信号特征提取”、 “维修指导”等不同操作，便于本装置的使用。监测器还有与地面分析系统连接的转存接口，监测器与地面分析系统连接，可将 监测器的数据从矿井掘进工作面转存到地面分析系统，帮助设备工程师了解各工作面上掘 进机主轴轴承运行状态，供生产管理调度参考。所述加速度传感器为防爆加速度传感器，该传感器是一种内置IEPE电路的压 电振动测量传感器。例如采用符合国家规定的防爆标志Exib II CT4-T6防爆要求的 CA-YD-188GF防爆型压电加速度传感器。所述振动信号调理电路如图3所示，包括隔直带通滤波电路、增益调整电路、数模 转换电路和抗混叠滤波电路。传感器信号接入振动信号调理电路的隔直带通滤波电路，增 益调整电路、数模转换电路和抗混叠滤波电路顺序串联后连接监测器。本掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置的使用方法实施例包括如下步骤I、通过测试，获得掘进机截割头主轴轴承磨损故障特征频谱，将其存储于监测器 中，并针对不同的主轴轴承磨损状态，制订相应的维修指导意见，也存储于监测器中；
II、通过传感器实时监测获得的主轴及其轴承振动信号，监测器的原始信号模块 根据加速度传感器的实时信号提取掘进机各个监测部位主轴振动的峰峰值，在线监测掘进 机运行状态，据此初步判断是否有故障；特征提取模块对原始信号模块的数据进行时域指 标、快速傅立叶变换(FFT)分析提取频率与振动幅度的对应值，提取信号特征，与存储的掘 进机截割头主轴轴承磨损故障特征频谱相比较，根据匹配情况进行分析，判断掘进机运行 状态；维修指导模块按特征提取模块的分析诊断主轴轴承磨损故障及其严重程度，进行决 策，给出维修的指导意见。本实施例用于某矿务局巷道掘进工作面掘进机，该掘进机主轴轴承型号为SKF23176，轴承内径380mm，轴承外径620mm，滚子直径65mm，滚子个数21。掘进机截割 头主轴转速为47. 15转/分。各传感器振动信号的采样频率为1500Hz，采样点数为4096。 检测后得到主轴轴承内圈故障特征频率& = 9. 32Hz，滚动体故障特征频率fb = 5. 89Hz。 图4所示为其中一个传感器在2. 75秒内在线监测得到振动信号，图5所示为图4中振动信 号数据分析后所得频谱，由图可见其旋转频率f及其2倍频(2Xf)处出现大峰值，且旋转 频率f与振动信号中3个幅值较大的脉冲冲击间隔对应。由此监测器判断主轴的旋转频率 是导致轴承振动剧烈的故障调制频率，这正是轴承严重磨损故障的特征。监测器的决策为 立即维修。拆卸检修时发现轴承内圈与轴配合松动，且内圈存在严重划痕。实际应用表明本掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置能够可靠地诊断出主轴轴 承磨损等故障，并且诊断准确性高，能够可靠地在工程中对掘进机主轴截割头进行在线监 测诊断。上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体 个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改 进等，均包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置，包括中心处理单元和加速度传感器，其特征在于所述中心处理单元为监测器，在掘进机截割头主轴前轴承外壳、后轴承外壳分别安装1～3个加速度传感器；各加速度传感器经信号调理电路接入监测器；所述监测器为嵌入式实时多任务操作系统。
2.根据权利要求1所述的掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置，其特征在于所述监测器的嵌入式实时多任务操作系统包括原始信号模块、特征提取模块和维修指 导模块，原始信号模块含加速度传感器的实时信号接收单元、掘进机各个监测部位主轴振 动的峰峰值存储单元和振动值比较单元；特征提取模块含时域指标分析单元、快速傅立叶 变换分析单元、典型故障频谱存储单元和频谱匹配分析单元；维修指导模块含故障特征对 应的维修意见存储单元、维修的指导意见分析决策单元。
3.根据权利要求1或2所述的掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置，其特征在于所述监测器接有显示器。
4.根据权利要求1或2所述的掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置，其特征在于所述加速度传感器为防爆加速度传感器。
5.根据权利要求1或2所述的掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置，其特征在于所述加速度传感器为内置压电集成电路的压电振动测量传感器。
6.根据权利要求1或2所述的掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置，其特征在于所述振动信号调理电路包括隔直带通滤波电路、增益调整电路、数模转换电路和抗混叠滤波电路，传感器信号接入振动信号调理电路的隔直带通滤波电路，经顺序串联的增益 调整电路、数模转换电路和抗混叠滤波电路接入监测器。
7.根据权利要求1或2所述的掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置，其特征在于所述监测器有与地面分析系统连接的转存接口，监测器与地面分析系统连接。
8.根据权利要求1或2所述的掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置的使用方法，其特 征在于包括如下步骤I、通过测试，获得掘进机截割头主轴轴承磨损故障特征频谱，将其存储于监测器中，并 针对不同的主轴轴承磨损状态，制订相应的维修指导意见，也存储于监测器中；II、通过传感器实时监测获得的主轴轴承振动信号，监测器的原始信号模块根据加速 度传感器的实时信号提取掘进机各个监测部位主轴振动的峰峰值，在线监测掘进机运行状 态，初步判断是否有故障；特征提取模块对原始信号模块的数据进行快速傅立叶变换分析 获得当前振动信号的频谱，提取信号特征，与存储的掘进机截割头主轴轴承磨损故障特征 频谱相比较，根据匹配情况，进行分析，判断掘进机运行状态；维修指导模块按特征提取模 块的分析诊断主轴轴承磨损故障及其严重程度，进行决策，给出维修的指导意见。
全文摘要
本发明为掘进机截割头主轴轴承故障诊断装置及其使用方法。本装置为中心处理单元监测器经信号调理电路连接安装于掘进机截割头主轴前轴承外壳、后轴承外壳分别的加速度传感器。监测器为嵌入式实时多任务操作系统包括原始信号振动量监测、信号特征提取、维修指导模块。本装置使用方法为对主轴前后轴承振动信号在线测量获得主轴轴承磨损故障特征频谱，故障特征频谱和相应的维修指导存储于监测器中；再由在线监测信号提取信号特征，与频谱比较分析诊断决策，给出主轴轴承磨损故障维修指导意见。本发明克服掘进机截割头振动量大、工作环境恶劣等困难，可靠地识别掘进机截割头主轴轴承磨损故障，适合于掘进机截割头中广泛存在的机械故障诊断。
文档编号G01M13/04GK101819093SQ20101013713
公开日2010年9月1日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者向家伟, 吴念聪, 张应红, 徐晋勇 申请人:桂林电子科技大学