仿真技术在机械故障诊断中的应用.docx

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仿真技术在机械故障诊断中的应用

仿真技术在机械故障诊断

中的应用

摘要

随着科技的发展计算机在应用的领域日益广泛，而计算机也在机械方面的应用也是无可替代的，其中仿真技术是计算机在机械领域的具体应用。

计算机仿真技术是现代科学研究中一种非常重要的方法和工具，已经产生了很多成熟的技术和产品，在理论上形成了一套完整的体系。

本论文就是针对仿真技术在机械故障诊断中的应用解决了很多棘手的问题或者使问题的解决方法更加的简单和操作方便，机械故障诊断有很多种，但是此论文只是针对其中几个方面的实例突出仿真技术的应用：

船舶柴油机故障在线诊断仿真技术的应用；计算机仿真技术在汽车修理中的应用；共解调和小波分析在机械故障诊断中的应用;

基于连续小波变换的故障诊断的仿真应用；虚拟现实技术在机械故障诊断中的应用。

有以上实例可以看出计算机仿真技术能将机械故障解决的方法更加的简单和准确，大大的降低了系统的误差而且所产生的作用也是显著的、有效的、可靠的。

关键字：

仿真技术，机械，故障诊断

.船舶柴油机故障在线诊断仿真技术的应用

船用柴油机故障在线诊断原理框图

如前所述，实船使用中由于使用条件的变化、操作维修不当，柴油机及其增压系统的污阻、损坏等均会使发动机性能恶化，严重时会发生故障，从而影响船舶营运的正常进行•为了及时处理消除故障，必须准确判断出柴油机性能恶化的原因，当采用人工神经网络方法时，要求给出发动机症状与故障样本集，作为专家知识库•根据航区的不同和船舶航行过程中的实际状况，在不同的环境温度及不同的柴油机负荷条件下，采用该程序对给定故障状态下的柴油机运行工况性能参数的模拟计算，建立船舶柴油机症状与故障样本集，作为神经网络故障诊断系统的专家知识库•根据船用低速增压柴油机工作过程的理论分析和实际运行经验，可以确定各个子系统主要部件可能出现故障的原因，作为故障变量即输出变量；同时确定用于区别各种故障的征兆变量作为网络输入变量•因

此,采用船舶二冲程增压柴油机运行性能预测程序,对装船量最多MAN2B&WL2MC型柴油机工作过程进行数值模拟计算，对其涡轮增压系统各部件故障进行模拟计算，获得各征兆变量偏离基准值的偏差•仿真实验结果可以得出故障原因与故障征兆之间的相互关系，以此建立涡轮增压系统的征兆/故障样本集•用于模拟计算增压系统故障的变量有：

空气滤清器堵塞、增压器效率下降、中冷器传热恶化、透平保护格栅堵塞、透平通流部分堵塞、废热锅炉流阻增大或气缸进排气道堵塞等•征兆/故障样本集的正确确定是神经网络进行准确故障诊断的关键.涡轮增压系统一种故障对应一个样本，为进一步诊断故障的严重程度，对每一个故障变量取2个样本，其目标值分别为0.5和1.0为了反映机组运行负荷范围的征兆与故障的对应关系,对额定负荷（100%MCR）、部分负荷（90%MCR75%MCR）和半负荷（50%MCR）四种工况给出样本.因此这部分的样本数为36个.考虑到远洋船舶的航行范围属于无限航区，因此把大气环境温度分为三段，即283〜294K、294〜306K、306〜318K.并分别以288K300K、312K为样本中心,通过大量的仿真计算，得出相应的样本集（总的样本数为108个）,用于训练径向基函数RBF神经网络诊断模型，从而可以实现船舶柴油机运行故障的诊断.

网络测试结果与分析表明，给定故障分别为I级（严重故障），U级（中等故障）的输入征兆量，用训练过的RBF网络测试：

1）发动机负荷变化，大气环境温度不变；2）环境温度变化，如船舶航行在不同的海区，柴油机负荷不变;3）柴油机负荷改变,同时环境温度也改变.网络对给定故障所在工况的诊断识率很高,几乎达到100%,可见采用这种诊断方法是成功而且快捷有效的,不仅对柴油机故障模式有很高的识别率,并能对故障严重程度进行定量的预测.同时,对各输入变量偏离样本值±10%或其中某个变量偏离样本值较大时（例如个别传感器有故障或数据处理有误）进行仿真实验,它们的输出向量与目标向量很接近,不会影响总的输出模式,即对征兆信号的噪声不敏感,表明这样的网络有较强的容错和抗干扰能力.

二.计算机仿真技术在汽车修理中的应用

2.1一般的仿真方法实际维修工作中，可根据故障特征，凭经验选定几处怀疑点.这些怀疑点，可能属于传感器、执行器或ECU中的某一类.对于执行器怀疑点可直接用电信号的测试来判断比较，对于传感器或ECU的怀疑点，可采用仿真替换法•通过用仿真传感器信号替代原传感器并向ECU发送信号来检验传感器，或用仿真ECU替代原ECU来处理传感器信号和控制执行器来检验ECU.

2.2仿真替代式EFI检测仪的测试逻辑

仿真替代式EFI检测仪将仿真对象分解为10类传感器和一个ECU.10类传感器包括空气流量传感器、曲轴位置传感器、曲轴（或凸轮轴）转速传感器、氧传感器、水温（气温）传感器、节气门位置传感器、车速传感器、爆震传感器、手动模拟量传感器、手动开关量传感器.其中有些类型传感器还根据信号方式不同再细分为若干种，例如：

空气流量传感器分为频率输出型和电压输出型（电压输出型又分为正斜率系数和负斜率系数2种）.节气门位置传感器分为开关信号型和连续电压型等.可根据需要，程控选择某一种传感器仿真信号输出供替代比较.ECU的仿真十分复杂，它是一个通用型的“万能”ECU它必须与各种传感

器和执行器适配才能进行可靠的替代•应当指出：

这种ECU替代仅仅是为了判定原车ECU是否损坏，而并非实际的使用替代•因此，在其控制参数的优化方面并无要求，即只要求ECU替代后能起动并正常运转，而不追求动力性、经济性及排放等性能的最优•尽管如此，这种“万能”ECU的设计仍是非常复杂的，但它的效果也是任何其他方法都不能达到的.

2.3仿真式EFI检测仪的设计及试验

试验用的EFI检测仪由内含8kB程序存储器的89C52单片机及A/D、D/A、F/V、V/F转换器及键盘、显示器等外围器件构成.它有2种工作模式—传感器仿真模式和ECU仿真模式.当处于传感器仿真模式时可提供各种类型的传感器仿真信号，由键盘和显示器完成传感器类型及参数的选择•当处于ECU仿真模

式时，系统充当一台简易ECU由键盘及一些跳线选择不同的传感器类型匹配，为了提高系统自身的工作可靠性，硬件上采用了watchdog，软件上也特

别注意了抗干扰的问题.

三.共振解调和小波分析在机械故障诊断中的应用由于冲击是周期性的强迫振动，用F盯对轴承的振动信号进行频谱分析。

能否提取出微小冲击的频谱呢?

例如，数控机床加工模拟装置采用了型号为6307的轴承，在轴承外圈有故障时，采用ICP型加速度传感器进行测量，实测轴的转速为

1450rpm，选择8kHz的采样频率，对轴承座的振动信号采样1024个点，，振

动信号的时域波形如图1所示。

对图1的信号进行FI丌的频谱分析如图2所示

图2抵动WFFTWiff

从图2的谱图可以看出，基本上不包含0Hz〜200Hz范围内的频谱。

由此可见用FFT提取出微小冲击的频谱是困难的。

共振解调技术是采用硬件提取微小脉冲冲击的有效方法。

设微小冲击脉冲是周期性的脉冲列，周期为1/f，脉冲宽度为t

S。

由于冲击脉冲含有丰富的高频分量，一般都在20kHz以上。

因此，选取滤波器拉氏变换的数学模型为

hO'

G（j）=~~~

r+石$+屿

式中：

K――滤波器的放大倍数，可根据调试效果进行选

择，3o滤波器的中心频率，选coo=2nfo=2n•20kHz，

共振解调技术其主要目标是检测机械设备出现故障时的微冲击。

利用加速度传感器监测机械设备的振动来获取轴承、齿轮及其它旋转机械因故障碰撞而产生的微冲击信息。

由于冲击信号自身是包含无限次谐波的脉冲，高频分量尤其丰富，利用冲击信号的这一特点，采用高频谐振器剔除信号中难以区分正常与否的低频振动信息，获取信号中由碰撞冲击而产生的高频成分，由谐振器转换成一种高频自由衰减振荡的共振波形，再由解调电路转换为低频信号，这样就可以从幅值和频率两方面实现高信噪比的故障诊断。

齿轮箱、轴承等大型机械设备出现故障的明显特征是振动信号中含有冲击信息。

共振解调和小波分析分别采用硬件和软件的方式对冲击信息进行提取，它们之间有着密切的内在联系。

四•基于连续小波变换的故障诊断的仿真应用

在分析电气设备故障时，首先要进行信号采集，由于现场大的电磁干扰较大，并且在信号采集过程中也易产生各种干扰，这就造成被检测的信号中包含有大量的各种噪声，例如白噪声等。

[4]因此对采集到的信号应首先进行消噪处理，利用小波变换良好的时一频特性进行有效消噪并提取出有用的信号，[3]

进行故障点的检测和诊断。

仿真实例：

设含噪声和干扰信号模型为:

其中，为随机噪声

图原信号波形和含噪音信号波形

现在利用MATLA提供的连续小波GUI分析工具进行分析：

1）分别选择Haar小

波、Daubechies小波和Meyer小波进行分析，比较结果，其中Daubechies小波

选择的是DB4；比较结果见图2；

图2选取的基函数依次为Haar函数，Meyer函数，DB函数

从图2可以看出基函数为DB4是与原信号波形最接近，而其它分析所得的波形与

原信号波形差别很大。

2）选取Daubechies小波为基函数时，不同的尺度下所获得的分析信号波形见图

图3含噪信号分别在DB2DB4DB6DB8尺度下分析还原的波形从图3中可以看出：

尺度因子s=2时，没有完全将噪声处理掉，波形轮廓大致可以看出；s二6,8时，虽然将噪声消除的比较好，但是与原信号的相位有比较大得差别。

五.虚拟现实技术在机械故障诊断中的应用

5.1三维实体能够完整地表达物体几何形状和物理特性的空间模型。

三维实体不仅可以更加形象和逼真地表达物体的几何形状，并且可以用作实物模型进行物理特性分析，获得质量和体积等数据。

特别重要的是三维实体为计算机辅助制造奠定了基础，可以提取制造使用的数据，生成数控代码，实现CAD和CA啲集成。

除此之外，实体模型还有许多用处，可将三维实体作于CAE例如可以直接对实体模型进行有限元分析和机构运动仿真等，所以实体造型是CAD和CA啲发展方向，许多功能强大的CAD系统都具有实体造型功能。

我们主要是采AutoCAD^行机床主轴箱实体造型。

当进行简单的立体图绘制时，用

单纯的AutoCA［即可。

但是，当绘制复杂的曲面实体（如渐开线齿廓）时，单

纯的AutoCAD已经不能胜任，此时就需要用到AutoCA［的二次开发工具。

我们

利用VisuaLISP生成斜齿轮的渐开线齿廓。

实体造型部分主要的作用是生成模拟输出部分所需用的图象。

模拟输出部分对图象有着特殊要求，即所生成的一系列图片，必须是统一的规格。

这样就要求生成图象过程是一个流水线作业。

此过程的实现最好是通过程序来实现。

本文是用VisuaLISP调用Render命令，修改viewpoint作为输出文件，再进行一系列的属性设置，然后，再进行编辑修改，反复调用此过程，就可以实现图象的流水线作业。

5.2虚拟图象输出的程序设计

Visualc++（VC）是Window编程的强有力的工具。

既能直接访问CPU勺各个寄存器，又能访问内存的相关单元，尤其注重于编程技术细节的应用和代码的优化，我们选用Visualc++（VC）作为虚拟图象输出程序设计的开发工具。

对简易故障诊断，可直接从MIC输入信号，将其保存为WA格式，将此用于单台机械故障的特征提取，这样可以应用于在线简易实时故障诊