基于工件振动相位差的螺栓连结状态监测系统的设计与实现

发布时间：2020-08-11 18:03

【摘要】：螺栓连接是一种非常普遍的工件连接方式,存在而不限于于绝大多数机械、桥梁、铁路轨道工程中。螺栓连接的紧密状况易受工件振动、疲劳腐蚀等因素的影响,从而导致其松动、断裂、丢失等故障,而造成进一步的损失。各地各工程因小小的螺栓松动而导致的重大事故也屡见不鲜。由此可见对螺栓连接状态的检测和评估显得极具重要意义。而传统通过人工判断螺栓是否拧紧来逐个判断其连接是否出现问题,存在受器械工作要求约束、人工无法长时间实时检测、某些工作环境对检测人员有害等缺点,使得人们更为倾向于使用智能系统进行监测,达到实时性高、人员安全的目的。根据基于相位差的螺栓连接状态监测系统需求及相关技术原理,系统由振动信息采集模块、FPGA系统模块、CAN总线收发模块与上位机模块四部分组成。其中,振动信息采集模块由压电陶瓷传感器、模拟运算放大电路与高速AD转换器组成,设计在该模块加入可调节电路放大倍数的功能使得系统适用于更多的应用场合;FPGA系统模块包含对高速AD的驱动、FIR滤波、对CAN控制器的驱动模块以及数据流填装的功能模块,通过设计的AD驱动方式实现以单个AD采样器对两路信号的低间隔准同步采样,通过FIR滤波器的结构优化设计达到对数字滤波器性能的提升。CAN总线收发模块由CAN控制器、CAN收发器及传输总线组成,通过加入分裂终端的形式,提高该传输电路的抗干扰性并实现对信号的高可靠性传输。上位机模块包含数据处理归档、波形显示、数据分析与计算等功能,能够实现对采集数据的相应处理、计算、保存及历史数据查询。针对用于计算相位差的准同步DFT非整数修正算法在实时性方面的不足,结合本系统的数据预处理方式,在该算法基础上提出新的迭代方式以适应本系统对实时性与精度的要求。对该改进算法进行相关的分析及测试后,得出结论:做该改进后的准同步DFT非整数修正算法其运算量更少,实时性更高。在完成了搭建模拟测试装置与实验验证后。检验了该系统的可行性与可靠性。该系统能够有效并清楚反映出受测螺栓连接的当前状况,达到了对于螺栓连接状况监测的目的,相较与之前的监测技术具有实时性高、操作简单、易于应用的特点。而以相位差作为判断螺栓松动的判断切入点亦可作为一种的新的监测手段。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH131.3;TP274
【图文】：

1.1 引言螺纹连接是一种古老而可靠的简单机械机构，其历史可追溯到公元前400年前后，因其制作工序繁琐且复杂，导致价格昂贵，在 15 世纪时，其主要应用于时钟、火枪及士兵装甲等为数不多的领域[1]。目前多数研究者同意的是，工业革命加速了螺栓及螺母的发展，并使其普及到工程、机械和建筑等广泛的领域，成为这些领域中重要的零部件[2]。随后螺栓及螺纹的发展在经历了两次世界大战后由不同标准统一到使用统一标准由不同的原材料发展为使用更为新奇的原材料以满足不同环境下的不同使用需求。使得螺栓连接进一步成为了一种非常普遍常见的工件联接方式。而在近年来随着我国的发展与现代化进程的不断深入，国家的工业化、自动化水平不断提高，使得机械制造技术得到了前所未有的发展，被誉为“工业之米”的螺栓在各机械、汽车、轨道铁路、桥梁、航空航天工程中也是随处可见[3]。

图 1-2：新疆托克逊风场风电机倒塌事故现场列惨痛的教训在造成人员伤亡的同时也带来了巨大的经济损失工程影响，由此可见小小的螺栓连接关系到的是整个系统的稳作人员的安全。据统计称，每年发生在世界各地的因固件松动失达到数十亿美元以上[7]。如果不能及时并准确地发现螺栓连

图 2-1：系统结构框图振动信号采集模块的主要功能是通过压电陶瓷传感器将两被连工件的振动加速度信号转换为电压信号，通过增益可调的运算放大电路，将相对较弱的振动信号放大，以适应后级电路的需要。再通过 12 位的 AD 采样电路对采集信号进行低间隔采样。最后将被连件的振动信号以数字信号的形式发送至后级电路。FPGA 系统模块的主要功能包括：对 AD 芯片进行驱动与控制，以确保采样信号的采样率及采样间隔符合滤波器要求；对振动信号进行数字滤波处理，以达到过滤高阶谐波的目的；对两路信号数据流进行缓存操作，以适应后级发送要求；对 CAN 总线控制器进行相应配置引导与控制，以得到数据传输过程中对数据包的收发功能。CAN 总线系统的主要功能是实现将数据包以 CAN 总线报文的形式进行收发，使该数据传输系统具备 CAN 总线的各项优点与指标。并在接收端将 CAN 发送的报文转换为串口的数据形式发送给 PC 上位机。上位机监测处理中心的主要功能是实现对数据的接收与相应的处理。过程中以改进后的准同步 DFT 非整数修正算法对两信号的一阶振动信号求初始相位，进而得到相

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本文编号：2789387