機械故障診斷虛擬仿真教學(xué)實驗系統(tǒng)

1、機械故障診斷虛擬仿真教學(xué)實驗系統(tǒng)一、實驗教學(xué)系統(tǒng)簡介機械故障診斷技術(shù)具有保障生產(chǎn)正常進行，防止突發(fā)事故，節(jié)約維修費用等特點，在現(xiàn)代化大生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械設(shè)備的故障診斷技術(shù)越來越受到重視。因此，許多高校都開設(shè)了相應(yīng)的研究方向和課程。然而，目前的“機械故障診斷”教學(xué)主要是采用理論教學(xué)的方式將機械系統(tǒng)的故障機理、故障類型和相應(yīng)的故障診斷方法灌輸給學(xué)生，因為沒有相應(yīng)的實驗課程，學(xué)生很難將理論知識和實際工程相結(jié)合起來，很多學(xué)生學(xué)習(xí)了這門課程后并沒有真正地掌握相關(guān)的故障診斷方法，因而更談不上將所學(xué)的理論方法應(yīng)用于實際工程。實際上可以開設(shè)實驗課程，使學(xué)生在使用機械故障診斷系統(tǒng)

2、的同時理解消化相關(guān)的理論方法。雖然目前很多高校和科研院所都開發(fā)了各種各樣的機械故障診斷系統(tǒng)，但是，這些故障診斷系統(tǒng)除傳感器和信號調(diào)理器之外，還需多種、多臺測試儀器，以及個人計算機及其外設(shè)等，這使得整個診斷系統(tǒng)不但體積、重量龐大，價格昂貴，操作復(fù)雜，最主要的是這些機械故障診斷系統(tǒng)都是針對企業(yè)開發(fā)的，不適合用于教學(xué)，因此迫切需要一套能適用于教學(xué)的機械故障診斷系統(tǒng)。本項目開發(fā)一套用于教學(xué)的機械故障診斷虛擬仿真教學(xué)實驗系統(tǒng)。所有的測量儀器主要功能可由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測試和分析、結(jié)果輸出顯示等三大部分組成，其中數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出完全可由基于計算機的軟件系統(tǒng)來完成。本系統(tǒng)充分利用虛擬儀器的“軟件集成測試”功

3、能，將多種測試儀器功能、多種故障診斷方法集成于一個“診斷功能軟件庫”中，使得學(xué)生能從理論到實踐全面地掌握相關(guān)的機械系統(tǒng)的故障機理和故障診斷方法。同時該系統(tǒng)還具有開放性，學(xué)生可以自己修改、補充程序，使得故障診斷系統(tǒng)的功能更加完善。二、實驗教學(xué)系統(tǒng)功能該實驗教學(xué)系統(tǒng)主要分為五大模塊：故障信號仿真模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、故障狀態(tài)識別模塊，系統(tǒng)主界面如圖1、圖2所示。下面分別對其進行介紹：口回岡*間遲出分析文件M綁笹啞世看迪項目疋淡作CL）工具痢口血閒肋M口回岡*間遲出分析文件M綁笹啞世看迪項目疋淡作CL）工具痢口血閒肋M陌|矽|料|L2pt血甬程序手蒔用戶權(quán)限鍛斥登眾吋何時何來篥:機械故障

4、塗斷血擬仿箕毅學(xué)實驗糜統(tǒng)牡|十|f|辿眄|單f卜3B耒|轡|EJ.dI十11圖1系統(tǒng)登錄界面圖2系統(tǒng)登錄界面（1）故障信號仿真模塊主要根據(jù)機械系統(tǒng)的故障機理，在各種不同的故障狀態(tài)下，仿真產(chǎn)生相應(yīng)的故障振動仿真信號以便于采用相應(yīng)的信號處理方法提取故障特征，再與理論的故障特征進行對比，使學(xué)生掌握各種故障機理和相應(yīng)的故障診斷方法。故障狀態(tài)包括：齒輪磨損、裂紋、斷齒等，滾動軸承外圈、內(nèi)圈、滾動體等故障，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡、不對中、碰摩、油膜振蕩等。（2）信號采集模塊主要是采用合適的傳感器來采集最能代表旋轉(zhuǎn)機械運行狀態(tài)的信號（如振動噪聲、溫度、壓力等）作為狀態(tài)信號初始模式，并實現(xiàn)對被測信號放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換，供

5、計算機進一步分析處理，如圖3所示。ad口機）r用館館號1is.-豹LIR1$禪1rM%_)ad口機）r用館館號1is.-豹LIR1$禪1rM%_)n211舞-1-ii*1111油MUlL回QBUSS紳n號OwFfflBKFEFIMltnBrt-?JTK00-保密斗神Ii:M.kr.tta.M丈片ftIN伽低壽人埠叵至K詒錄Jf.l空_蘭|痔二呆境|3樣止I鬼出杲羲|用出|圖3信號采集模塊界面（3）信號處理模塊包含了各種故障特征提取方法，采用相應(yīng)的信號處理方法將采集得到的原始數(shù)據(jù)進行加工、處理，從而去掉冗余信息，提取出故障特征信息。該模塊包括時域分析子模板、頻域分析子模塊、時頻分析子模塊、加窗子

6、模板、濾波子模板等。除此之外，還擬針對不同的故障類型開發(fā)相應(yīng)的故障診斷方法，如包絡(luò)分析法、倒譜分析法，如圖4所示。同時可實現(xiàn)小波分析、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解及分形幾何等現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法。1Q伽;左件(EiSffld)Miv；IB目妙*fE4DIfllD坦口型ffthdi號匾jIB麗施無幼11年01月1Q伽;左件(EiSffld)Miv；IB目妙*fE4DIfllD坦口型ffthdi號匾jIB麗施無幼11年01月P?日時1審咧包躋譜“加IMOlinoMCGirio*加Ljm；IWSLM魚出匸I叵図系統(tǒng)當(dāng)前時閏查錨方丈詞用文件歿置程序;t怦設(shè)童掘目衛(wèi)件arnztt叭蝕?価針HiiKiiJP*:amfe&AISE

7、iJ：；_%?,伽rfwt嗖史ltrail_JSSift*孟運11日舟+事軟r#UtiLdt!申；_呂it止瞬;Jttlfrii；_r實時分析r笳翹|包箱tHiwffitts|包再轄號鮭cI.+BI7I圖4信號處理模塊界面（4）狀態(tài)識別模塊將經(jīng)過信號處理和特征提取后獲得的待檢模式與數(shù)據(jù)庫中原有樣板模式（故障檔案）按一定準(zhǔn)則和診斷策略，進行對比分析，以確定診斷對象當(dāng)前所處的狀態(tài)。設(shè)計兩類基于知識的狀態(tài)識別方法：模糊診斷方法，其中，在樣本的征兆與故障的關(guān)系未知時，采用模糊聚類的方法進行診斷，若樣本的征兆與故障的關(guān)系已知時，則采用模糊模式識別方法進行診斷；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法，即基于淺知識的專家診斷推理

8、方法，擬采用BP網(wǎng)從輸入（故障征兆）直接推出輸出（故障原因）。本系統(tǒng)還將模糊診斷與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷、小波分析等方法相結(jié)合進行故障診斷。三、考核模塊實驗考核模塊包括知識問答、故障診斷過程分析、故障診斷算法的編制及驗證。知識問答對學(xué)生在故障機理、故障特征提取與診斷、信號處理、狀態(tài)識別等方面的理論知識進行考核。故障診斷過程分析對學(xué)生是否掌握故障診斷的流程和知識體系進行考核。故障診斷算法的編制及驗證主要考核學(xué)生是否能針對一具體的研究對象（齒輪、軸承、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)），都能編制相應(yīng)的故障診斷算法，并通過實驗驗證。四、實驗步驟與要求（1）旋轉(zhuǎn)機械或風(fēng)力發(fā)電機組虛擬展示，了解研究對象的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。（2）針對某

9、一故障，采用信號仿真模塊進行故障信號和正常信號仿真，進行故障機理及其振動信號特征的學(xué)習(xí)。（3）針對該故障，選擇合適的信號處理方法，進行故障特征提取虛擬實驗，掌握相應(yīng)的故障特征提取方法。（4）針對該故障，運用相應(yīng)的故障機理及其振動信號特征進行故障識別，進行故障識別方法的學(xué)習(xí)。（5）利用狀態(tài)識別模塊對歷史數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，然后對工作狀態(tài)進行識別，進行基于人工智能的狀態(tài)識別方法的學(xué)習(xí)。（6）考核。實驗針對某旋轉(zhuǎn)機械進行實驗，圖5、圖6、圖7分別為滾動軸承、轉(zhuǎn)子、此輪的時域信號。圖5（a）正常狀態(tài)下滾動軸承振動信號時域波形圖5（b）內(nèi)圈故障狀態(tài)下滾動軸承振動信號時域波形圖5（c）外圈故障狀態(tài)下滾動軸承振動信號時域波形圖6（b）不對中故障的轉(zhuǎn)子徑向位移振動信號時域波形圖6（c）碰摩故障的轉(zhuǎn)子徑向位移振動信號圖6（d）油膜渦動故障的轉(zhuǎn)子徑向位移振動信號時域波形圖7（a）正常齒輪振動信號的時域波形圖7（b）斷齒齒輪振動信號的時域波形五、實驗設(shè)備與配置計算機40臺，最低配置：CPU四核13、內(nèi)存4G、硬盤500G、獨顯512M、19寸液晶顯示器。六、實驗項目設(shè)置與學(xué)時分配本實驗系統(tǒng)總學(xué)時12個，實驗項目如下表。序號實驗項目學(xué)時實驗對象