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专利名称：一种注水机组振动状态的点检检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种机械故障监测装置，特别是关于一种注水机组振动状态的点 检检测装置。
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，本实用新型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检测装置。为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案一种注水机组振动状态的点检 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�？�、一 转速检测�？�、一声发射检测�？�、一在线状态检测分析�？�、一数据库管理模块、一多信 号调制�？楹鸵皇涑瞿？椋凰�述振动测量�？�、设备负载检测�？�、转速检测�？楹蜕�发射 检测�？榉直鸾�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�？� 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�？椋徽�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�？榈氖涑龆肆�接一图形显示模块。
3[0006]所述振动测量�？榘�括一压电式加速度传感器、一前置放大器�？楹鸵挥布�滤波 器�？椋�所述压电式加速度传感器的输出端经所述前置放大器�？榱�接所述硬件滤波器模 块，所述硬件滤波器�？榈氖涑龆肆�接所述在线状态检测分析�？�。所述设备负载检测�？榘�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�？椋凰�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�？榘�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�？榘�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�？椋蝗�个所述计算器的输入端分别连接所述数据库管理�？槭涑龆耍�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�？榱�接；所述数据库管理�？槭涑龅恼穸�频率幅值信号和声发 射频谱信号输入所述调制音频�？槟�。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�？椴捎眯秃盼狿XR系列的谐振式声发射传感器。本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本实用新型由于采用振动 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、本实用新型由于采用了设备负载 检测�？椋�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、本实用新型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、本实用新型由于采用了在线状 态检测分析�？椋�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、本实用新型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、本实用新型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。本实 用新型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是本实用新型的整体结构示意图，图2是本实用新型的多信号调制�？榻峁故疽馔�。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。[0016]如图1所示，本实用新型包括一被测注水机组1、一振动检测�？�2、一设备负载检 测�？�3、一转速检测模块4、一声发射检测�？�5、一在线状态检测分析�？�6、一数据库管 理�？�7、一多信号调制�？�8和一输出模块9。振动测量�？�2、设备负载检测�？�3、转 速检测�？�4和声发射检测�？�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�？�6内，由在线状态检测 分析�？�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�？�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�？�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�。�通过改变 各显示图形的色彩等方式及时由图形显示�？�10的显示界面反映出来。本实用新型的整 个检测装置由一供电�？�(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�？�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�？�22连接硬件滤波器�？�23， 硬件滤波器�？�23的输出端连接在线状态检测分析�？�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�？�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�？�3采集到的扭矩信号或功率信号传入在线状态检测 分析�？�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 �？�6内。上述实施例中，转速检测�？�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�？�4采集到的 设备转速信号传入在线状态检测分析�？�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�？�6内。如图2所示，上述实施例中，多信号调制�？�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�？�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�？�85连接。其中，数据库管理�？�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�？�85内，经调制音频�？�85调制后输出。上述各实施例中，在线状态检测分析�？�6采用美国国家仪器公司(NI)生产的型号为NI USB-6251BNC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�？�5采用型号为PXR系列的谐振式高灵敏度声发 射传感器。本实用新型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�。�通过改变各显示图形的色彩等方式及时由图形显示�？�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�？樵� 线采集振动信号，计算振动信号频谱值，选取六段0. 42f0v, lf0v, 2f0v, 3f0v, 5f0v, 7f0v倍频值 的幅值为 作为参考振动数值，存入数据库管理�？椋黄渲校琭。v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�？樵谙卟杉�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f/为中心，选取[f^-500，f0s+500]的 带宽频率幅值&作为参考声发射参考数值，存入数据库管理�？椋�3)与步骤1)同步，由设备负载检测�？椴獾蒙璞傅呐ぞ匦藕臝；、功率信号&以及 由转速检测�？橥瓿勺�速信号&，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�？椋�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V功率信号pQ以及转速信号R。，可以得到扭矩振动调制因子乂 =、(rQ/r )；扭 矩声发射调制因子=欠优/I)；功率振动调制因子=、化/巧);功率声发射调制因子
巧转速振动调制因子< 凡/尺)和转速声发射调制因子(凡/凡);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\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&，并存入数据库管理�？樽魑� 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&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Fq为F0= f{V0,al,p;,%l) +^(1)公式(1)中，f(V0, a0v, ^V，x0v)为由振动倍频幅值调制的声音信号，其为
6<formula>formula see original document page 7</formula>上式中，根据人类对1000 8000赫的声音比较敏感的特性，定义FT= 1000, F上 =8000 ；公式⑴中，f^Ac a0s, x 0S)为由声发射频谱带宽值调制的声音信号，其为<formula>formula see original document page 7</formula>[0039]式中，<formula>formula see original document page 7</formula>[0040]上述步骤7)中，实际采集音频信号F为<formula>formula see original document page 7</formula>[0044]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，as, 3 s， Xs)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，本实用新型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实用新型的优选实施方式，在本技术领域内，凡是基于本实 用新型技术方案上的变化和改进，不应排除在本实用新型的保护范围之外。
权利要求一种注水机组振动状态的点检检测装置，其特征在于它包括一被测注水机组、一振动检测�？�、一设备负载检测�？�、一转速检测�？椤⒁簧�发射检测�？�、一在线状态检测分析�？�、一数据库管理�？�、一多信号调制�？楹鸵皇涑瞿？椋凰�述振动测量模块、设备负载检测�？椤⒆�速检测�？楹蜕�发射检测�？榉直鸾�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�？槟冢�处理后的信号送入所述数据库管理�？槟诮�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�？槟冢�调制成音频信号后送入所述输出�？椋徽�个检测装置由一供电�？楣┑纾�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�？榈氖涑龆肆�接一图形显示�？�。
2.如权利要求1所述的一种注水机组振动状态的点检检测装置，其特征在于所述振 动测量�？榘�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�？椋�所述压 电式加速度传感器的输出端经所述前置放大器�？榱�接所述硬件滤波器�？椋�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。
3.如权利要求1所述的一种注水机组振动状态的点检检测装置，其特征在于所述设 备负载检测�？榘�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�？椋凰�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�？椤�
4.如权利要求1或3所述的一种注水机组振动状态的点检检测装置，其特征在于所 述转速检测�？榘�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。
5.如权利要求1所述的一种注水机组振动状态的点检检测装置，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 �？椋蝗�个所述计算器的输入端分别连接所述数据库管理�？槭涑龆耍�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�？榱�接；所述数据库管理�？槭涑龅恼穸�频率幅值信号和声发射频谱信号输入 所述调制音频�？槟凇�
6.如权利要求1或2或3所述的一种注水机组振动状态的点检检测装置，其特征在于 所述在线状态检测分析�？椴捎眯秃盼狽I USB-6251 BNC的采集器。
7.如权利要求1所述的一种注水机组振动状态的点检检测装置，其特征在于所述声 发射检测�？椴捎眯秃盼狿XR系列的谐振式声发射传感器。
专利摘要本实用新型涉及一种注水机组振动状态的点检检测装置，它包括被测注水机组、振动检测�？�、设备负载检测�？�、转速检测�？�、声发射检测�？�、在线状态检测分析�？�、数据库管理模块、多信号调制�？楹褪涑瞿？椋徽穸�测量模块、设备负载检测�？�、转速检测�？楹蜕�发射检测模块分别将检测到被测注水机组上的各种信号送入在线状态检测分析�？槟冢�处理后的信号送入数据库管理模块内进行数据归类整理后，输入多信号调制�？椋�同时检测设备的技术指标输入多信号调制模块内，调制成音频信号后送入输出模块；整个检测装置由一供电�？楣┑纾�并由一控制系统控制整个装置工作；在线状态检测分析模块的输出端连接一图形显示�？�。本实用新型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G01P3/42GK201583341SQ20102010406
公开日2010年9月15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, 徐小力, 王少红, 王红军 申请人:北京信息科技大学