本發明專利技術公開了一種結合壓電效應與靜電感應的旋轉設備故障診斷裝置，若干個壓電轉換元件，若干個靜電傳感器、信號調理單元以及一個PC機，壓電轉換元件固定在旋轉物體上，靜電傳感器安裝在距離壓電轉換元件2?6mm位置，靜電傳感器的輸出接信號調理單元，經模數轉換后送入PC機進行信號分析。本發明專利技術具有結構簡單、成本低、適用性廣等優點，實現了轉動信號的采集。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及機械、電氣領域，特別涉及旋轉機械的故障診斷領域。
技術介紹
當前，旋轉機械設備廣泛存在于石油、化工、電力、能源、航空等諸多領域，由于其運行中的物理現象推斷機器內部隱含的故障是一種反向過程，具有很大的難度，同時故障數據搜集難度大，如何準確地實時地對旋轉設備的工作狀態進行監測成為一個難題。狀態監測目前主要通過設備運行過程中的現象如振動、聲音、熱現象等進行信號采集用于狀態監測，同時為故障診斷提供必要的數據和信息。目前應用最廣泛的是振動傳感器，如壓電式、壓阻式、電容式等振動傳感器，聲學診斷法也在機械設備監測中有所應用，如超聲波診斷法、聲發射診斷法，熱現象利用設備工作過程中的發熱情況進行監控，如紅外測溫。近年，靜電方法在故障監測與診斷領域有所應用，主要針對軸承內部工作時產生的碎屑所帶電荷進行測量從而進行故障監測。目前尚未有將壓電感應與靜電方法相結合的監測方法，本專利提出一種結合壓電效應與靜電感應的旋轉設備狀態監測裝置，利用壓電轉換元件在轉動時離心力的作用使壓電材料表面帶電，然后利用靜電傳感器對材料表面帶電情況進行測量，從而對設備工作狀態進行監測。此裝置屬于非接觸式測量，具有結構簡單、成本低、易維護等優點。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種旋轉設備故障診斷裝置，用于工業現場旋轉設備的故障診斷。本專利技術采用如下技術方案：包括若干個壓電轉換元件，若干個靜電傳感器、信號調理單元以及一個PC機，壓電轉換元件固定在旋轉物體上，靜電傳感器安裝在距離壓電轉換元件2-6mm位置，靜電傳感器的輸出接信號調理單元，經模數轉換后送入PC機進行信號分析。壓電轉換元件包含基座、壓電材料、質量件和預緊彈簧。壓電轉換元件壓電材料為長度30-40mm寬度3-6mm厚度2-4mm的陶瓷片，陶瓷片為采Z方向極化的鋯鈦酸鉛，其極化方向垂直于厚度方向。所述質量件為鉛材料。所述壓電轉換元件的個數4-12個。所述靜電傳感器包含感應電極、屏蔽罩、電荷電壓轉換電路，感應電極與屏蔽罩之間由絕緣材料連接，感應電極接電荷電壓轉換電路，電荷電壓轉換電路位于屏蔽罩內部，屏蔽罩接地形成靜電屏蔽。所述靜電傳感器感應電極為細條行電極，電極材料為銅，根據測量對象的尺寸，長度取20mm-30mm,寬度去2mm-5mm，電極個數4-12個。本專利技術有益效果是：采用非接觸式測量，將轉動量轉化為電荷量在通過靜電傳感器采集信號，具有結構簡單、成本低、適用性廣等優點，與傳統壓電傳感器安裝在軸承上不同，該裝置將壓電轉換元件安裝在轉軸上，故障發生時會影響轉軸的轉動狀態，使得壓電轉換元件的表面電荷量與正常態有所差異，通過靜電傳感器采集電荷信號，實現了轉動信號的采集，提供了一種旋轉設備故障診斷的新方法。附圖說明圖1是本專利技術電場源元件圖；圖2是本專利技術靜電傳感器圖；圖3是本專利技術靜電旋轉設備故障診斷裝置示意圖；圖4是本專利技術旋轉時壓電轉換元件質量塊受力分析圖；圖5是本專利技術旋轉時壓電轉換元件壓電材料受力分析圖。具體實施方式本專利技術提出了一種旋轉設備故障診斷裝置，該裝置利用壓電效應與靜電感應相結合，將旋轉時的轉動反映在壓電材料的表面電荷上，當出現故障時，由于故障的不同特點會使材料表面產生不同的電荷量，利用靜電傳感器對電荷信號進行采集能夠獲取實時的轉動信息，從而輸入PC機進行故障診斷。該裝置包含若干個壓電轉換元件、靜電傳感器、信號調理單元以及用于故障識別的PC機。該裝置在旋轉物體上固定若干個壓電轉換元件，然后通過靜電傳感器進行非接觸測量，最后利用信號調理單元對信號進行放大濾波，最后送入PC機進行故障診斷。壓電轉換元件利用旋轉時的離心力將轉動信息轉化為電荷信息，利用靜電傳感器感應電荷信息，由信號處理單元對信號進行處理后由PC機進行故障診斷。本裝置的實施步驟主要如下：1)壓電轉換元件如附圖1所示，金屬底座1用于將整個元件固定在轉軸上，金屬底座內部包含壓電材料2，質量件3，預緊彈簧4，預緊彈簧使質量件在靜態時對壓電材料保持一定的作用力，壓電材料為“凸”字形，一面與質量塊接觸，另一面與底座外圍卡緊，使壓電材料一面與裸露與外界空氣中，根據壓電感應元的個數將壓電轉換元件通過基座均勻地環型分布固定在待測轉軸上。2)傳感器結構如附圖2所示，傳感器由屏蔽罩5包圍，感應電極6與屏蔽罩之間由絕緣材料連接，感應電極接電荷電壓轉換電路7，電路輸出由屏蔽線8與外界連接，電路位于屏蔽罩內部，屏蔽罩接地形成靜電屏蔽，將若干個靜電傳感器均勻地環形安裝在轉軸外圍，并使傳感器與壓電轉換元件在同一平面，根據被測轉軸的尺寸以及測量環境等要求使傳感器與壓電轉換元件的距離在2-6mm之間選擇。3)旋轉設備故障診斷系統框圖如附圖3所示，安裝好壓電轉換元件9與靜電傳感器10后，將傳感器輸出接信號調理電路，調理電路主要實現信號放大與
濾波，調理電路輸出信號經AD采集卡后傳輸到PC機上實現對信號的分析處理，從而實現旋轉機械的故障診斷。所述壓電轉換元件，其特征在于轉動敏感元件壓電材料采用Z方向極化壓電陶瓷材料鋯鈦酸鉛，為長度30mm寬度4mm，厚度3mm的陶瓷片，質量件為鉛材料，壓電轉換元件的個數可以根據測量對象、環境等要求取4-12個。所述靜電傳感器，感應電極為細條行電極，根據測量對象的尺寸，長度取20mm-30mm,寬度去2mm-5mm，電極材料為銅，其個數可以根據測量精度、環境等要求取4-12個。如圖4所示，對壓電轉換元件進行受力分析，當轉速為ω壓電轉換元件位于角度θ時，首選對質量件進行受力分析可得到如下表達式：F支＝F0+mω2R-mg sin(θ)式中F支是質量件受到的由壓電材料提供的支撐力，F0為預緊力，m為質量件質量，R為質量件質心的旋轉半徑。如圖5所示，對壓電材料進行受力分析可知：F支1＝F1+m1ω2R1-m1g sin(θ)式中F支1是由底座外殼提供的支撐力即壓電材料外表面所受壓力，F1為質量件對壓電材料的壓力即壓電材料內表面所受壓力，m1為壓電材料質量，R1為壓電材料質心所在旋轉半徑。由于F1等于F支，壓電材料內外兩表面所受壓力如下式：F內＝F0+mω2R-mg sin(θ)F外＝F內+m1ω2R1-m1g sin(θ)由于壓電材料的質量相對于質量塊的質量可忽略不計，內外表面所受壓力近似相等。則壓電材料表面所帶電荷為：Q＝d33(F0+mω2R-mg sin(θ))同時，考慮設備的振動會作用在質量件上，則壓電材料表面所帶電荷為：Q＝d33(F0+mω2R-mg sin(θ)+Fv)式中，Fv為設備振動時通過質量件作用于壓電材料表面上的力，d33為壓電陶瓷的壓電系數。當設備發生故障時，若故障能較為明顯的影響旋轉半徑，則會影響壓力中的mω2R分量從而改變電荷量，如轉子不平衡、轉軸彎曲、軸承松動、軸系不對中；若故障影響旋轉速度，也會影響壓力中的mω2R分量從而改變電荷量，如旋轉失速；當設備發生喘振、結構共振等故障時會影響Fv分量，從而改變電荷量。由于壓電轉換元件旋轉時依次經過靜電傳感器附近使靜電信號呈現一定的周期性，可用于轉速計算。當設備發生故障時，會反映在壓電材料的表面電荷上，通過安裝在附近的靜電傳感器則可采集到相關信號，從而用于旋轉設備的故障診斷。本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種結合壓電效應與靜電感應的旋轉設備故障診斷裝置，其特征在于，包括若干個壓電轉換元件，若干個靜電傳感器、信號調理單元以及一個PC機，壓電轉換元件固定在旋轉物體上，靜電傳感器安裝在距離壓電轉換元件2?6mm位置，靜電傳感器的輸出接信號調理單元，經模數轉換后送入PC機進行信號分析。
【技術特征摘要】
1.一種結合壓電效應與靜電感應的旋轉設備故障診斷裝置，其特征在于，包括若干個壓電轉換元件，若干個靜電傳感器、信號調理單元以及一個PC機，壓電轉換元件固定在旋轉物體上，靜電傳感器安裝在距離壓電轉換元件2-6mm位置，靜電傳感器的輸出接信號調理單元，經模數轉換后送入PC機進行信號分析。2.根據權利要求1所述的一種結合壓電效應與靜電感應的旋轉設備故障診斷裝置，其特征在于，壓電轉換元件包含基座、壓電材料、質量件和預緊彈簧。3.根據權利要求2所述的一種結合壓電效應與靜電感應的旋轉設備故障診斷裝置，其特征在于，壓電轉換元件壓電材料為長度30-40mm寬度3-6mm厚度2-4mm的陶瓷片，陶瓷片為采Z方向極化的鋯鈦酸鉛，其極化方向垂直于厚度方向。4.根據權利要求3所述的一種結合壓...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李林，胡紅利，唐凱豪，李思瑤，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61
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