一种多级链传动机构故障诊断系统及方法与流程

本发明属于收割机的多级链传动机构故障诊断研究领域，具体涉及一种多级链传动机构故障诊断系统及方法。

背景技术：

目前，具有多级链传动机构的收割机，例如谷物联合收割机，工作环境恶劣并且工况复杂，整机工作时振动剧烈导致关键零部件容易产生疲劳破坏，因此谷物联合收割机多级链传动机构常常发生转轴转速下降、链轮链条损坏等问题。如果驾驶员未能及时发现并处理，问题链轮会造成转轴转速严重降低甚至停止工作，从而降低了脱粒效率浪费了大量粮食和时间，最终导致整机工作可靠性大大降低。现有技术中可以实现对联合收割机工作状态和故障情况的实时监测，但是大多结构复杂，成本昂贵，精度不高，无法准确定位到联合收割机多级链传动的故障点位置，且复杂的工作环境会导致现有测量信号失真和整机可靠性降低。因此，有必要对多级链传动机构进行实时监测，并对故障链轮精确定位。特别是为了有效提高谷物联合收割机工作效率和延长无故障时间，对谷物联合收割机多级链传动机构进行实时监测以及对问题链轮精确定位具有重要意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种多级链传动机构故障诊断系统及方法，通过利用若干加速度传感器和光电传感器的组合来实时监测多级链传动机构中链轮的工作状态，判别链轮是否存在故障以及确定故障链轮的位置。本发明诊断误差小、精度高、速度快，可以有效节省传动系统检查、维修、更换的时间，有效提高多级链传动机构的故障诊断效率。

本发明还提供一种具有该多级链传动系统故障诊断系统的收割机，特别是一种联合收割机，可以有效提高谷物联合收割机工作效率和延长无故障时间。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多级链传动机构故障诊断系统，包括检测机构、控制器和状态监测装置；

所述检测机构包括若干加速度传感器和光电传感器；所述加速度传感器用来检测多级链传动机构各链轮的振动加速度信号；所述光电传感器用来检测多级链传动机构各链轮转速信号；

所述控制器分别与检测机构和状态监测装置连接；

所述检测机构将检测的振动加速度信号和转速信号传递给控制器，所述控制器对各链轮的振动加速度信号进行处理计算，提取振幅信息和频率并与链轮谐波频率进行对比，判断是否发生故障以及确定发生故障的对应链轮。

上述方案中，当多级链传动机构正常工作时，各链轮的振动加速度时域信号振幅平均值为e，振幅峰值为m，频域信号振幅最高峰值为k；

当多级链传动机构发生故障时，则故障链轮处的链轮振动加速度时域信号振幅平均值变为e1，振幅峰值变为m1，频域信号振幅最高峰值变为k1，且当e1>ae，m1>bm，k1>ck，其中a、b、c均为大于1时，所述控制器提取频域信号中最高峰值k1对应的频率值f，并与链轮谐波频率nfz进行对比，若|f-nfz|≤d，其中nfz为谐波频率，fz为链轮啮合频率，n为大于1的正整数，d大于或等于1，则判断为发生故障，所述状态监测装置显示发生故障对应的链轮。

上述方案中，所述控制器包括信号采集模块和分析处理模块；

所述信号采集模块用来接收各链轮的振动加速度时域信号并根据振动加速度时域信号生成频域信号；

所述分析处理模块对各链轮振动加速度时域信号、频域信号和转速信号进行计算分析判断是否发生故障，以及确定发生故障的对应链轮。

进一步的，所述信号采集模块包括信号调理器和数据采集卡，信号调理器将加速度时域信号进行去噪处理，并将处理后的加速度时域信号传递至数据采集卡。

进一步的，所述信号调理器包括高通滤波器和抗混频滤波器，所述高通滤波器和抗混频滤波器用于去噪处理；

所述数据采集卡包括a/d转换模块和短时傅里叶变换模块，所述短时傅里叶变换模块将振动加速度信号生成频域信号。

上述方案中，所述状态监测装置包括存储器、显示器和报警提示系统；

所述显示器用于显示各链轮的时域信号和频域信号，当多级链传动机构发生故障时，显示器上对应的故障链轮处显示警告信号；

所述报警提示系统用于故障发生时进行报警提示。

上述方案中，

所述谐波频率nfz通过以下公式计算：

链轮啮合频率fz＝zfr

转频

其中，n为对应的链轮转速；

z为链轮啮合的齿数；

n为大于1的正整数。

一种收割机，包括所述的多级链传动机构故障诊断系统。

一种根据所述的多级链传动机构故障诊断系统的故障诊断方法，包括以下步骤：

信号检测：所述检测机构检测多级链传动机构各链轮的振动加速度信号以及各链轮转速信号，并传递给所述控制器；

故障诊断：所述控制器对各链轮的振动加速度信号进行处理计算并与链轮的谐波频率进行对比，判断是否发生故障以及确定发生故障的对应链轮。

上述方案中，所述故障诊断具体为：

所述控制器根据振动加速度时域信号生成频域信号，根据转速信号计算谐波频率；

当多级链传动机构正常工作时，各链轮的振动加速度时域信号振幅平均值为e，振幅峰值为m，频域信号振幅最高峰值为k；

当多级链传动机构发生故障时，则故障链轮处的链轮振动加速度时域信号振幅平均值变为e1，振幅峰值变为m1，频域信号振幅最高峰值变为k1，且当e1>ae，m1>bm，k1>ck，其中a、b、c均为大于1时，所述控制器提取频域信号中最高峰值k1对应的频率值f，并与谐波频率nfz进行对比，若|f-nfz|≤d，其中nfz为谐波频率，fz为链轮啮合频率，n为大于1的正整数，d大于或等于1，则判断为发生故障，所述状态监测装置显示发生故障对应的链轮。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所述加速度传感器用于采集链轮振动加速度时域信号；所述光电传感器用于采集链轮转速信号；所述信号采集模块用于对采集到的振动加速度时域信号进行调制并生成频域信号；所述分析处理模块对调制后的信号进行处理计算并与谐波频率进行对比，根据时域信号、频域信号可以实现对故障链轮的精确定位。本发明利用采集到的多级链传动机构内链轮的振动时域信号、频域信号与谐波频率进行对比分析，可以准确定位故障链轮，可有效提高故障诊断效率，可靠性高，可广泛适用于市场上现有谷物联合收割机等设备的多级链传动机构的故障诊断。

2.本发明可利用若干加速度传感器和光电传感器的组合对谷物联合收割机上所有链轮进行状态监测及故障诊断分析，诊断误差小、精度高、速度快，可以有效节省传动系统检查、维修、更换的时间，有效提高谷物联合收割机多级链传动机构的故障诊断效率。

3.本发明能提取得到更真实的谷物联合收割机多级链传动机构故障信号，所增加的报警系统可以准确提醒驾驶员在谷物联合收割机多级链传动系统发生故障时，采取加油门、减速、更换链轮等措施来尽量避免转轴转速下降，有效提高谷物联合收割机的工作可靠性。

4.本发明所述的谷物联合收割机多级链传动机构故障诊断系统结构简单、成本较低、安装方便、可靠性高，所采集到的信号更加真实的反映了各链轮工作时的信号特征和故障信号特征，可广泛适用于市场上现有谷物联合收割机多级链传动机构的状态监测，通用性好。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是一种谷物联合收割机多级链传动系统故障诊断方法结构原理示意图。

图2是本发明所述的振动信号时域信号。

图3是本发明所述的振动信号频域信号。

图4是本发明所述的多级链传动系统故障诊断方法原理图。

图中，1.加速度传感器，2.光电传感器，3.信号采集模块，301.信号调理器，302.高通滤波器，303.抗混频滤波器，304.数据采集卡，305.a/d转换模块，306.短时傅里叶变换模块，4.分析处理模块，5.状态监测装置，501.存储器，502.显示器，503.报警提示系统。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

图1所示为本发明所述多级链传动机构故障诊断系统，包括检测机构、控制器和状态监测装置；所述检测机构包括若干加速度传感器1和光电传感器2；所述加速度传感器1用来检测多级链传动机构各链轮的振动加速度信号；所述光电传感器2用来检测多级链传动机构各链轮转速信号；所述控制器分别与检测机构和状态监测装置连接；所述检测机构将检测的振动加速度信号和转速信号传递给控制器，所述控制器对各链轮的振动加速度信号进行处理计算，提取振幅信息和频率并与链轮谐波频率进行对比，判断是否发生故障以及确定发生故障的对应链轮。

当多级链传动机构正常工作时，各链轮的振动加速度时域信号振幅平均值为e，振幅峰值为m，频域信号振幅最高峰值为k；当多级链传动机构发生故障时，则故障链轮处的链轮振动加速度时域信号振幅平均值变为e1，振幅峰值变为m1，频域信号振幅最高峰值变为k1，且当e1>ae，m1>bm，k1>ck，其中a、b、c均为大于1时，所述控制器提取频域信号中最高峰值k1对应的频率值f，并与链轮谐波频率nfz进行对比，若|f-nfz|≤d，其中nfz为谐波频率，fz为链轮啮合频率，n为大于1的正整数，d大于或等于1，则判断为发生故障，所述状态监测装置显示发生故障对应的链轮。

所述谐波频率nfz通过以下公式计算：

链轮啮合频率fz＝zfr

转频

其中，n为对应的链轮转速；

z为链轮啮合的齿数；

n为大于1的正整数。

所述分析处理模块4通过分析信号采集模块3输出的信号得出时域信号振幅平均值e1，振幅峰值m1和频域信号中的最高峰值k1及其对应的频率值f，当多级链传动机构正常工作时，加速度传感器1测得的振动加速度时域信号振幅平均值为e，振幅峰值为m，频域信号振幅最高峰值为k，时域信号振幅平均值e、振幅峰值m和频域信号振幅最高峰值k通过标准动力源在工作转速驱动下进行标定得到。

所述控制器包括信号采集模块3和分析处理模块4；所述信号采模块3用来接收各链轮的振动加速度时域信号并根据振动加速度时域信号生成频域信号；所述分析处理模块4对各链轮振动加速度时域信号、频域信号和转速信号进行计算分析判断是否发生故障，以及确定发生故障的对应链轮。

所述信号采集模块3包括信号调理器301和数据采集卡304，信号调理器301将加速度时域信号进行去噪处理，并将处理后的加速度时域信号传递至数据采集卡304。

所述信号调理器301将加速度时域信号调制成适用于故障分析的信号并将调制后的加速度时域信号传递至数据采集卡304；所述信号调理器301包括高通滤波器302和抗混频滤波器303，所述高通滤波器302和抗混频滤波器303用于将加速度时域信号去噪处理。优选的，所述高通滤波器302设置高于2000hz的频率去噪效果好，有利于故障分析。

所述数据采集卡304包括a/d转换模块305和短时傅里叶变换模块306，所述短时傅里叶变换模块306将振动加速度信号生成频域信号。

所述状态监测装置5包括存储器501、显示器502和报警提示系统503；优选的，所述报警提示系统503为鸣笛报警器，显示器502为安装在驾驶室内的液晶显示屏。所述显示器502用于显示各链轮的时域信号和频域信号，当多级链传动机构发生故障时，显示器502上对应的故障链轮处显示警告信号；所述报警提示系统503用于故障发生时进行报警提示。

优选的，所述加速度传感器1、信号调理器301和数据采集卡304之间通过排线连接，数据采集卡304与分析处理模块4通过总线连接，分析处理模块4与状态监测装置5通过光纤连接。

本发明所述若干加速度传感器1与信号采集模块3连接，信号采集模块3与分析处理模块4连接，分析处理模块4与状态监测装置5连接；若干加速度传感器1用来提取多级链传动机构工作时各链轮的振动加速度时域信号，若干光电传感器2用来提取多级链传动机构工作时各链轮转速信号，信号采集模块3用来采集各链轮的振动加速度时域信号并根据振动加速度时域信号生成频域信号，分析处理模块4对各链轮振动加速度时域信号、频域信号和转速信号进行计算分析并将信号传递给存储器501和显示器502，通过显示器502可实时监测到多级链传动机构上各链轮的振动加速度时域信号、频域信号和链轮的转速信号。

实施例2

一种收割机，包括实施例1所述的多级链传动机构故障诊断系统，因此具有实施例1所述的有益效果。优选的，所述收割机为谷物联合收割机。

具体的，所述若干加速度传感器1安装在谷物联合收割机的各个轴承座上并进行标号，若干光电传感器2安装在加速度传感器1旁边，状态监测装置5包括存储器501、显示器502和报警提示系统503，信号采集模块3、分析处理模块4和状态监测装置5均安装在驾驶室内。所述若干加速度传感器1与信号采集模块3连接，信号采集模块3与分析处理模块4连接，分析处理模块4与状态监测装置5连接；若干加速度传感器1用来提取谷物联合收割机多级链传动机构工作时各链轮的振动加速度时域信号，若干光电传感器2用来提取谷物联合收割机多级链传动机构工作时各链轮转速信号，信号采集模块3用来采集各链轮的振动加速度时域信号并根据振动加速度时域信号生成频域信号，分析处理模块4对各链轮振动加速度时域信号、频域信号和转速信号进行计算分析并将信号传递给存储器501和显示器502，驾驶员通过显示器502可实时监测到谷物联合收割机上各链轮的振动加速度时域信号、频域信号和链轮的转速信号；控制器利用采集到的谷物联合收割机多级链传动机构内链轮的振动时域信号、频域信号与谐波频率进行对比分析，可以准确定位故障链轮。

如图2和3所示，当谷物联合收割机多级链传动系统正常工作时，加速度传感器1测得的振动加速度时域信号振幅平均值为e，振幅峰值为m，频域信号振幅最高峰值为k，时域信号振幅平均值e、振幅峰值m和频域信号振幅最高峰值k通过标准动力源在工作转速驱动下进行标定得到；当谷物联合收割机多级链传动系统发生故障时，则对应标号处的链轮振动加速度时域信号振幅平均值变为e1，振幅峰值变为m1，频域信号振幅最高峰值变为k1。e1由分析处理模块4对振动加速度时域信号进行计算得到，m1由分析处理模块4对振动加速度时域信号进行统计得到，k1由分析处理模块4对振动频域信号进行统计得到。

如图4所示，为本发明一种实施方式，所述分析处理模块4提取频域信号中最高峰值k1对应的频率值f，在本实施例中，当且仅当e1>3e，m1>10m，k1>10k时，若|f-nfz|≤3，则显示器502显示对应标号处链轮发生故障并且报警提示系统503报警。

实施例3

一种利用实施例1所示多级链传动机构故障诊断系统的故障诊断方法，包括以下步骤：

信号检测：所述检测机构检测多级链传动机构各链轮的振动加速度信号以及各链轮转速信号，并传递给所述控制器；

故障诊断：所述控制器对各链轮的振动加速度信号进行处理计算并与链轮的谐波频率进行对比，判断是否发生故障以及确定发生故障的对应链轮。

优选的，所述故障诊断具体为：

所述控制器根据振动加速度时域信号生成频域信号，根据转速信号计算谐波频率；

当多级链传动机构正常工作时，各链轮的振动加速度时域信号振幅平均值为e，振幅峰值为m，频域信号振幅最高峰值为k；

当多级链传动机构发生故障时，则故障链轮处的链轮振动加速度时域信号振幅平均值变为e1，振幅峰值变为m1，频域信号振幅最高峰值变为k1，且当e1>ae，m1>bm，k1>ck，其中a、b、c均为大于1时，所述控制器提取频域信号中最高峰值k1对应的频率值f，并与谐波频率nfz进行对比，若|f-nfz|≤d，其中nfz为谐波频率，fz为链轮啮合频率，n为大于1的正整数，d大于或等于1，则判断为发生故障，所述状态监测装置显示发生故障对应的链轮。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。