王晶晶，谷玉海，王夏偉

(北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京,100192)

0　引言

風(fēng)電機(jī)組首先通過(guò)風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，然后通過(guò)主軸、齒輪箱等傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電。主軸在風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械傳動(dòng)鏈中傳遞著動(dòng)力和各種負(fù)荷，在高速、高加速度和大載荷等工況下，振動(dòng)沖擊等因素常常會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的主軸產(chǎn)生重大影響，并且容易導(dǎo)致軸承等部件發(fā)生故障，造成風(fēng)力機(jī)的意外停機(jī)、壽命縮短甚至報(bào)廢，主軸的運(yùn)行狀態(tài)影響整個(gè)機(jī)組的性能[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)的風(fēng)電行業(yè)對(duì)主軸的參數(shù)監(jiān)測(cè)基本只是對(duì)靜態(tài)參數(shù)的測(cè)定，監(jiān)測(cè)的方法也較原始，缺乏對(duì)主軸整體性能的評(píng)估，主軸的監(jiān)測(cè)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外同行業(yè)的水平，這是制約主軸發(fā)展的重要原因。

加速度、速度和位移是3種常用的機(jī)械故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的參數(shù)，知道其中1個(gè)參量便可以通過(guò)積分或者微分求出其他兩個(gè)參量。在這3個(gè)參量中，通常選用加速度傳感器來(lái)獲得加速度信號(hào)，進(jìn)而得出主軸的振動(dòng)情況，這是因?yàn)榧铀俣葌鞲衅飨鄬?duì)于位移和速度傳感器來(lái)說(shuō)測(cè)量時(shí)較方便和經(jīng)濟(jì)。因此，對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分變換求測(cè)點(diǎn)的位移和速度是振動(dòng)信號(hào)處理方法中最常用的方法。設(shè)計(jì)了主軸振動(dòng)信號(hào)采集儀，通過(guò)加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，來(lái)判斷主軸運(yùn)行狀態(tài)是否正常[3]。

1　振動(dòng)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主軸振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的總體構(gòu)成包括：傳感器供電電路，ICP加速度傳感器，信號(hào)調(diào)理電路，USB數(shù)據(jù)采集卡，計(jì)算機(jī)。首先給加速度傳感器提供4 mA的恒流電流，然后將加速度傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波放大，最后將處理后的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)中。

振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的調(diào)理電路包括4個(gè)部分，如圖1所示：恒流源電路設(shè)計(jì)；二階有源帶通濾波電路設(shè)計(jì)；放大電路設(shè)計(jì)；狀態(tài)指示電路設(shè)計(jì)[4]。

圖1　調(diào)理電路設(shè)計(jì)流程圖

1．1恒流源電路設(shè)計(jì)

此振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)中用的是4mA的恒流源，選用的芯片是LM234[5]，電路如圖2所示。

圖2　恒流源電路

流過(guò)LM234的總電流ISET是流過(guò)設(shè)置電阻R1和R2的電流和LM234偏置電流IBAS的總和，

ISET=I1+I2+IBAS

(1)

LM234為正溫度系數(shù)(約+0.227 mV/℃)器件，而硅二極管的正向偏壓為負(fù)溫度系數(shù)(約為-2.5 mV/℃)，要想恒流源的溫度系數(shù)為0，即：

(2)

所以

(3)

(4)

所以

(5)

要提供4 mA的恒流，即：

1．2二階有源帶通濾波電路設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)床主軸的振動(dòng)特性，有用的振動(dòng)頻率一般在2～20 kHz之間，用Filterlab軟件計(jì)算出截止頻率為2～20 kHz的二階有源巴特沃斯帶通濾波電路，如圖3所示，選用的芯片是OP07超低失調(diào)電壓雙路運(yùn)算放大器[6]。

圖3　2-20 kHz二階有源帶通濾波電路

左半部分是二階有源高通濾波電路，截止頻率是2 Hz，右半部分是二階有源低通濾波電路，截止頻率是20 kHz，為了驗(yàn)證此電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，用Multisim軟件仿真模擬，如圖4和圖5所示。

圖4　幅頻圖

圖5　仿真結(jié)果圖

1．3放大電路設(shè)計(jì)

通過(guò)二階帶通濾波電路采集的電壓信號(hào)過(guò)弱，一般才幾百mV左右，需要適當(dāng)?shù)姆糯髞?lái)減小誤差。圖6是放大電路，選用

圖6　放大電路

OP27運(yùn)算放大器同相放大，根據(jù)虛短、虛斷的概念可得放大系數(shù)為(1+R15/R14)，此電路電壓放大了20倍。選用同相比例運(yùn)算電路的優(yōu)點(diǎn)是：輸入電阻很高，輸出電阻很低，帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸出電壓穩(wěn)定[7]。

1．4狀態(tài)指示電路設(shè)計(jì)

由于傳感器可能會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有接入電路的情況，所以設(shè)計(jì)狀態(tài)指示電路來(lái)判斷傳感器有沒(méi)有接入電路。圖7為狀態(tài)指示電路，選用LM393雙比較器，R12為上拉電阻，輸入端2接傳感器，由分壓定理知輸入端3的電壓為11.25 V．

(1)當(dāng)傳感器沒(méi)有接入電路時(shí)，輸入端2的電壓為11.58 V，因?yàn)?1.58 V>11.25 V，輸出端6輸出低電平0 V，LED燈不亮。

(2)當(dāng)傳感器接入電路時(shí)，輸入端2的電壓為11 V，因?yàn)?1 V<11.25 V，輸出端6輸出高電平，LED燈亮。

由以上可知此狀態(tài)指示電路可以顯示傳感器是否接入電路。當(dāng)傳感器接入電路時(shí)，LED燈亮；當(dāng)傳感器沒(méi)有接入電路時(shí)，LED燈滅[8]。

圖7　狀態(tài)指示電路

2　數(shù)據(jù)采集與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖8　波形圖

用振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)儀對(duì)所設(shè)計(jì)的振動(dòng)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選用不同的輸入頻率依次實(shí)驗(yàn)，用示波器進(jìn)行采集，不同頻率所對(duì)應(yīng)的波形基本都為正弦，且失真較少，圖8為輸入頻率為80 Hz時(shí)的輸出波形。最后使用阿爾泰公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)采集到電腦上。所以，設(shè)計(jì)的振動(dòng)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的反映振動(dòng)情況，能應(yīng)用于主軸信號(hào)振動(dòng)采集，進(jìn)而判斷主軸的運(yùn)行狀況[9]。

3　結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力機(jī)主軸振動(dòng)信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)采用了模塊化和層次化的設(shè)計(jì)方法，不僅使儀器的體系結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)化，而且使復(fù)雜系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單和快捷，同時(shí)還有利于后續(xù)的修改和升級(jí)。此調(diào)理系統(tǒng)對(duì)主軸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集分析，可以判斷主軸的運(yùn)行是否正常，從而更好的監(jiān)測(cè)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，具有很高的性價(jià)比。

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