一种小型双转子故障模拟实验台及故障诊断模拟方法

摘要

本发明提供一种小型双转子故障模拟实验台及故障诊断模拟方法，实验台包括两个主要组成部分。第一部分为上方机械部分，第二部分为下方嵌入式控制部分。机械部分主要由独立转动的双转子和模拟故障的机匣构成，嵌入式控制部分由振动加速度传感器、转速传感器、及各个模块构成。其中，下方嵌入式控制部分可以实现与配套上位机通讯，采用基于变分嵌入多尺度排列熵(veMPE)的故障诊断方法实现数据处理和分析。

说明书

技术领域

本发明属于碰摩故障模拟实验技术领域，具体涉及一种小型双转子故障模拟实验台及故障诊断模拟方法。

背景技术

双转子结构普遍存在于各种机械中，叶片-机匣碰摩是航空发动机常见的机械故障之一，影响发动机的运行稳定性及安全性。当叶尖间隙较大时，叶片-机匣碰摩可能为局部碰摩，故障特征频率为叶片通过频率及其倍频，并在叶片通过频率两侧存在高低压转轴频率的调制边频带；当叶尖间隙较小时，叶片-机匣碰摩可能发生全周碰摩，呈现出由干摩擦引起的强烈自激振动。

随着现代机械设备结构和复杂度的提高，呈现出拆卸困难，维修不便的特点。现代机械设备的健康监测对于监测设备的稳定运行和设备的保护具有很重要的意义；而在故障诊断的教学过程中，学生通常对抽象的故障监测和诊断概念接受程度较低，因而，有必要设计一种小型双转子故障诊断系统及故障模拟实验台，对于故障发生的过程以及故障发生后系统的保护以及系统的实时状态监测具有很好的呈现效果，有助于提升教学效果，同时为双转子航空发动机叶片-机匣碰摩故障诊断及叶尖间隙设计提供一定参考。

发明内容

本发明提供一种小型双转子故障模拟实验台及故障诊断模拟方法，旨在实现双转子系统在运行过程中健康状况的实时监测，故障模拟和诊断保护。也可以实现在故障诊断教学过程中的演示和实验。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种小型双转子故障模拟实验台，其特殊之处在于：包括实验台基座、机械模拟模块，信号采集模块、数据传输模块、数据处理模块、交互显示模块、控制模块、以及电源和开关模块；

所述机械模拟单元安装在实验台基座上，包括转轴(即刚性轴)、以及由一侧向另一侧依次设置的第一电机、第一轴承座、第一转子、第一机匣、第二转子、第二机匣、第二轴承座以及第二电机；

所述转轴的一端通过轴承(即转轴与轴承内圈固连)安装在第一轴承座上，另一端通过套筒安装在第二轴承座上；所述套筒与转轴之间通过两端的轴承安装，两端的轴承对套筒进行支撑，套筒通过轴承(即套筒与轴承内圈固连)安装在第二轴承座上；

所述第一电机通过第一联轴器与转轴的一端连接；第一转子固定安装在转轴上，在第一电机的带动下随转轴转动；第一机匣套设在转轴外，与第一转子配合构成第一碰摩模拟组件；

所述第二电机通过第二联轴器与转轴另一端上的套筒端部连接；所述第二转子固定安装在套筒上，在第二电机的带动下随套筒转动；第二机匣套设在套筒外，与第二转子配合构成第二碰摩模拟组件；

如此，两个转子可分别进行独立运转；

第一电机和第二电机上均设置有霍尔编码器，可检测转速；

所述第一机匣和第二机匣均安装在实验台基座的滑轨上，可沿滑轨往复运动，运动方向与转轴轴向平行；第一机匣和第二机匣自下而上均包括传感器仓和带锥度内表面的机匣本体；所述传感器仓内安装有振动加速度传感器；所述机匣本体最大圈直径大于转子的最大直径，最小圈直径小于转子直径；

所述信号采集模块、数据传输模块、数据处理模块、控制模块均设置在实验台基座内；所述交互显示模块、电源和开关模块均设置在实验台基座上；

所述信号采集模块用于采集电流信号(由芯片自带的功能便可计算电压，用电压除以电路板上的电阻，便可得到电流大小)、转速信号、以及振动加速度信号，并通过数据传输模块实时将转速信号传输给交互显示模块(交互显示模块还可显示设备运行状态，即正常或故障)，将转速信号、电流信号及振动加速度信号传输给数据处理模块；所述数据处理模块实时将接收到的信号与该信号对应设置的初始阈值进行比较，并将比较结果传输给控制模块；

所述控制模块与交互显示模块连接，用于控制两个电机的运行(包括启动、停止、根据比较结果进行的制停、转速转向的变化)，以及信号采集模块、数据传输模块、数据处理模块(包括在电机运行稳定时对各个模块的唤醒以及检测到故障时各个模块的停止，即模块的工作频次及工作时间处理指令、执行操作、控制时间、处理数据)；

所述交互显示模块用于显示两个转子的转速、运行状态(即正常或故障)、并配合控制模块进行参数设定(包括设置参数和改变参数)；

所述电源和开关模块为整个实验台提供恒流源和恒压源，进行电源管理，负责电源通断，控制实验台的开始与停止。

进一步地，为了使模拟结果的精度更高，还包括与控制模块通信的上位机；

所述数据传输模块还将转速信号、电流信号以及振动加速度信号传输给上位机，上位机对故障类型进行诊断分类并生成外部指令，并将诊断结果和外部指令传输给控制模块。

进一步地，所述数据传输模块包括SPI通信、串口通信和以太网通信；其中，SPI通信用于传输转速信号和设备运行状态给交互显示模块(比如显示屏)；串口通信和以太网通信用于传输转速信号、电流信号、振动加速度信号给上位机和数据处理模块。

进一步地，所述第一电机和第二电机均通过电机座和电机壳安装在实验台基座上；所述电机座采用三自由度结构，包括电机固定扣、电机升降调节座、电机前后调节座；其中，电机固定扣可通过长条孔与紧固件在水平面垂直于转轴轴向的方向上对电机与转轴的同轴度进行微调；同样，电机升降调节座和电机前后调节座也是通过长条孔和紧固件进行调节。

进一步地，所述滑轨设置有两条，两条滑轨之间的实验台基座台面上在第一机匣和第二机匣所处区域均预留有走线孔，便于安装在机匣下方的震动加速度传感器走线。

进一步地，所述第一机匣和第二机匣上均安装有丝杠螺母，通过旋转丝杠，使得机匣沿滑轨滑动，从而施加故障，具体可根据螺距调节第一机匣和第二机匣在滑轨上的移动距离。

同时，本发明还提供了一种小型双转子故障模拟实验台进行故障诊断模拟方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)通过电源和开关模块启动小型双转子故障模拟实验台，并通过交互显示模块开始初始化；

初始化的内容包括：两个电机的转速和转向，设定初始制停方式，设定两个电机电流、两个电机转速和两个机匣振动加速度信号的初始阈值；

2)使能电机，两个电机开始旋转分别带动两个转子转动，利用PID算法使直流电机转速稳定达到初始设定值；

3)信号采集模块开始采样振动加速度信号、电流信号以及当前转子的转速信号，并通过数据传输模块实时向数据处理模块发送当前小型双转子故障模拟实验台的振动加速度、转速信号和电流信号；在采样过程中，可随时根据实验需求调节第一机匣与第一转子间和/或第二机匣与第二转子间的相对位置，进行故障模拟；

4)数据处理模块根据设定初始制停方式，判断小型双转子故障模拟实验台是否发生故障：

若发生故障，则制停电机；

若未发生故障，则进入步骤5)；

5)等待外部指令，并判断是否接收到外部指令：

若接到外部指令，则解析外部指令，进入步骤6)；

若没有接收到外部指令，则返回步骤3)，直至故障模拟成功，制停电机；

6)解析外部指令，并根据外部指令修改对应的参数，返回步骤3)。

进一步地，步骤1)中，设定初始制定方式具体如下，满足其一即可制停：

A.通过转速有效值进行判定

当转子系统发生碰摩时，系统检测到转速信号发生下降，当其中一个转子转速下降到初始阈值时，系统则判定其发生故障，通过控制程序对其进行制停保护；

B.通过电流有效值进行判定

当转子系统发生碰摩时，转子转动摩擦力增大，为维持恒定转速，系统会增大电流，当检测到电流信号超出初始阈值时，系统则判定其发生故障，通过控制程序对其进行制停保护；

C.通过振动加速度有效值进行判定

当转子系统发生碰摩时，机匣振动加剧，当系统检测到振动加速度信号超出初始阈值时，系统则判定其发生故障，通过控制程序对其进行制停保护。

进一步地，步骤3)中，信号采集模块同时也通过数据传输模块实时向上位机发送当前小型双转子故障模拟实验台的振动加速度、转速信号和电流信号；

上位机采用基于变分嵌入多尺度排列熵(veMPE)的故障诊断方法对故障进行分类诊断，并向控制模块输出诊断结果以及外部指令；该方法具体如下：

对于任意多元时间序列，数据长度为N，共有p个通道；

多元时间序列写作：

S1.将每个通道分割成多尺度时间序列

S2.构建各个时间序列的变分嵌入相空间

相空间Y

S3.计算在通道c中，尺度τ以及嵌入维度为m+c-1下的相空间

公式中分子表示在通道c中具有相同排序π的数量，计算可得到排列的相对频率；

S4.重复S2和S3可以得到所有的p个通道内排列的相对频率

p(π)＝[p

则可以得到尺度τ下的变分嵌入排列熵值；

S5.重复以上步骤，得到所有尺度下的变分嵌入排列熵值，即变分嵌入多尺度排列熵，

S6.用变分嵌入多尺度排列熵对不同健康状态的时间序列进行特征提取；将计算得到的特征作为KNN分类器的输入识别不同的健康状态。

进一步地，所述诊断结果包括第一转子正常、第一转子轻度碰磨、第一转子重度碰磨、第二转子正常、第二转子轻度碰磨、第二转子重度碰磨；

所述外部指令包括改变电机转速、改变电机转向以及改变制停方式。

本发明的优点是：

1.本发明提供了小型双转子故障模拟实验台，有效实现了双转子运行中全周碰摩故障的模拟，通过实时监测系统的电流，转速和振动加速度实现了系统的健康监测，在故障发生时，可以实现制停，保护系统，具有很高的实用价值；而且该实验台尺寸微小便于携带，操作简单，界面人性化程度高，亦可用做教学任务，有效提高授课质量。

2.本发明实验台包括两个主要组成部分。第一部分为上方机械部分，第二部分为下方嵌入式控制部分。机械部分主要由独立转动的双转子和模拟故障的机匣构成，嵌入式控制部分由振动加速度传感器、转速传感器、及各个模块构成。其中，下方嵌入式控制部分可以实现与配套上位机通讯，采用基于变分嵌入多尺度排列熵(veMPE)的故障诊断方法实现数据处理和分析。

3.本发明旨在实现双转子系统在运行过程中健康状况的实时监测，故障模拟和诊断保护；也可以实现在故障诊断教学过程中的演示和实验。

4.本发明实现了双转子独立运动，独立碰摩，可以在任何时间，对任何一个转子施加故障并对故障类型分类的功能，对于实际中该类系统运行具有极高的还原程度。

5.本发明实验台结构紧凑，功能完全，能够实现双转子碰摩的故障监测与健康管理PHM(Prognostics Health Management)，可以进行设备状态感知，监控设备健康状况，故障发生时机与周期，通过数据监控与分析，预测故障的发生，极大的提高了运维效率。

附图说明

图1为本发明小型双转子故障模拟实验台的结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为实验台中机匣的结构示意图；

图4为实验台中电机座结构示意图；

图5为实验台控制模块流程图；

图6为嵌入式系统示意图；

图7为变分嵌入排列熵计算步骤；

图8为变分嵌入多尺度排列熵计算步骤；

图9为分类识别结果；

图10为混淆矩阵；

附图标记如下：

1、交互显示模块；2、电机壳；3、第一电机；4、第一联轴器；5、转轴；6、第一转子；7、第一机匣；7-1、带锥度内表面；7-2、振动加速度传感器；8、套筒；9、第二轴承座；10、第二联轴器；11、滑轨；12、第二机匣；13、实验台基座；14-1、电机固定扣；14-2、电机升降调节；14-3、电机前后调节座；15-第一轴承座；16-第二转子；17-第二电机；18-电源和开关模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

如图1-图4、图6所示，一种小型双转子故障模拟实验台，包括实验台基座以及其他两个主要组成部分。其中，第一部分为上方机械部分，即机械模拟模块；第二部分为下方嵌入式控制部分。

机械模拟模块中包括两个三自由度可调节的电机座、安装电机座上的带编码器的电机、两个同轴的转子(其中一个转子直接安装在转轴上，通过联轴器和电机连接，其中一个电机固结于套筒上，套筒内部由两个轴承安装在转轴上，套筒的一端由一个联轴器和另一个电机相连，此结构可以使两个转子实现独立转动)、两个内置传感器的机匣(机匣安装在滑道上，可以沿滑道向前移动，机匣内部有一定锥度，最大圈直径大于转子的最大直径，最小圈直径小于转子直径，在沿滑道移动时可以逐渐靠近转子，直到与转子相接触，实现和碰摩引起转子故障，机匣上安装有丝杠螺母(图中未示出)，通过旋转丝杠，使得机匣沿滑轨滑动，从而施加故障，具体可根据螺距调节第一机匣和第二机匣在滑轨上的移动距离；其中，机匣内部的传感器用于采集转子的振动加速度)；还有两个轴承座，用于支撑整体结构。

嵌入式控制部分主要有以下部分：基于stm32的微控制器用于整个系统任务的处理，脉宽调制(PWM，Pulse Width Modulation)利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，实现了转子稳定工况转速的调节，触摸式显示屏安装在实验台基座上表面，实时显示了转子转动的转速和系统的运行状态，可编码式电机实时获取电机转速，各个模块实时采集、传输、和判断机匣的加速度和电流，并与阈值进行比较，若机匣移动与转子相撞，实现碰摩，电机自动制停，实现系统保护。

各个模块具体是信号采集模块、数据传输模块、数据处理模块、控制模块；信号采集模块用于采集电流信号、转速信号、以及振动加速度信号，并通过数据传输模块实时将转速信号传输给交互显示模块，将转速信号、电流信号及振动加速度信号传输给上位机和数据处理模块；数据处理模块实时将接收到的信号与该信号对应设置的初始阈值进行比较，并将比较结果传输给控制模块；

控制模块与交互显示模块连接，用于控制两个电机的运行，以及信号采集模块、数据传输模块、数据处理模块；交互显示模块用于显示两个转子的转速、运行状态、并配合控制模块进行参数设定；电源和开关模块为整个实验台提供恒流源和恒压源，进行电源管理，负责电源通断，控制实验台的开始与停止。

上位机与控制模块通信，对故障类型进行诊断分类并生成外部指令，并将诊断结果和外部指令传输给控制模块。

如图5所示，采用上述小型双转子故障模拟实验台进行故障诊断模拟方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)通过电源和开关模块启动小型双转子故障模拟实验台，并通过交互显示模块开始初始化；

初始化的内容包括：两个电机的转速和转向，设定初始制停方式，设定两个电机电流、两个电机转速和两个机匣振动加速度信号的初始阈值；

设定初始制定方式具体如下，满足其一即可制停：

A.通过转速有效值进行判定

当转子系统发生碰摩时，系统检测到转速信号发生下降，当其中一个转子转速下降到初始阈值时，系统则判定其发生故障，通过控制程序对其进行制停保护；

B.通过电流有效值进行判定

当转子系统发生碰摩时，转子转动摩擦力增大，为维持恒定转速，系统会增大电流，当检测到电流信号超出初始阈值时，系统则判定其发生故障，通过控制程序对其进行制停保护；

C.通过振动加速度有效值进行判定

当转子系统发生碰摩时，机匣振动加剧，当系统检测到振动加速度信号超出初始阈值时，系统则判定其发生故障，通过控制程序对其进行制停保护。

2)使能电机，两个电机开始旋转分别带动两个转子转动，利用PID算法使直流电机转速稳定达到初始设定值；

3)信号采集模块开始采样振动加速度信号、电流信号以及当前转子的转速信号，并通过数据传输模块实时向数据处理模块发送当前小型双转子故障模拟实验台的振动加速度、转速信号和电流信号；在采样过程中，可随时根据实验需求调节第一机匣与第一转子间和/或第二机匣与第二转子间的相对位置，进行故障模拟；

信号采集模块同时也通过数据传输模块实时向上位机发送当前小型双转子故障模拟实验台的振动加速度、转速信号和电流信号；

上位机采用基于变分嵌入多尺度排列熵(veMPE)的故障诊断方法对故障进行分类诊断，并向控制模块输出诊断结果以及外部指令；该方法具体如下：

对于任意多元时间序列，数据长度为N，共有p个通道；

多元时间序列写作：

S1.将每个通道分割成多尺度时间序列

S2.构建各个时间序列的变分嵌入相空间

相空间Y

S3.计算在通道c中，尺度τ以及嵌入维度为m+c-1下的相空间

公式中分子表示在通道c中具有相同排序π的数量，计算可得到排列的相对频率；

S4.重复S2和S3可以得到所有的p个通道内排列的相对频率

p(π)＝[p

则可以得到尺度τ下的变分嵌入排列熵值，如图7所示

S5.重复以上步骤，得到所有尺度下的变分嵌入排列熵值，即变分嵌入多尺度排列熵，如图8所示

S6.用变分嵌入多尺度排列熵对不同健康状态的时间序列进行特征提取；将计算得到的特征作为KNN分类器的输入识别不同的健康状态；

上述算法可对电流、转速、振动加速度进行处理分类，分类结束后，可以通过上位机给控制模块发送命令来使得转速，转向，制停方式改变，也可以不发送，根据需求设定；

如图9所示，所述诊断结果包括第一转子正常、第一转子轻度碰磨、第一转子重度碰磨、第二转子正常、第二转子轻度碰磨、第二转子重度碰磨；

4)数据处理模块根据设定初始制停方式，判断小型双转子故障模拟实验台是否发生故障：

若发生故障，则制停电机；

若未发生故障，则进入步骤5)；

5)等待外部指令，并判断是否接收到外部指令：

若接到外部指令，则解析外部指令，进入步骤6)；

若没有接收到外部指令，则返回步骤3)，直至故障模拟成功，制停电机；

6)解析外部指令，并根据外部指令修改对应的参数，返回步骤3)，其中，外部指令包括改变电机转速、改变电机转向以及改变制停方式。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。