往复式高压活塞隔膜泵驱动信号的研究

2万 · 2019-9-9 15:16

管道输送是矿物资源输送的主要方式之一，而往复式高压活塞隔膜泵(文中简称:隔
膜泵)是管道输送机构中核心的部分，对它进行实时监测和维护是很有必要的，其中隔膜
泵中的单向阀属于消耗性原件，是整个隔膜泵中最先被损害的部分。为了防止单向阀故障
导致泵体的损坏，则需对其进行实时监测。本文利用振动信号检测技术，采集单向阀运行
全过程的振动信号，再对其进行以故障识别为目的的振动信号处理分析。针对现场工况复
杂不易铺设电缆、且有线信号采集方式移动性差的缺点，本文设计并实现了一种基于
STM32F107VCT6和nRF24L01的无线振动信号采集监测系统，考虑到实际工厂环境恶劣，
不适合人长期现场监视设备，故将采集的数据通过以太网的方式传至服务器，实现远程对
单向阀进行实时监测。

2万 · 2019-9-9 15:17

1)本系统可以实现多通道并行实时信号采集和高速传输。振动信号采集主要由模拟
信号采集调理模块、数据的无线发送和接收模块、核心控制模块等组成。其中核心控制模
块的设计包括对信号放大电路的增益控制、模/数转换的控制和FIFO缓存芯片的时钟控制。
本文以针对性高、传输速度快、传输数据准确为设计原则，以提高系统的监测性能。
2)本文根据振动信号采集硬件电路的功能需求，采用模块化的思路，对驱动程序进
行设计。控制实现振动信号采集、USB2.0接口数据传输、无线数据收发和以太网数据发
送功能的实现。硬件电路在驱动程序的驱动下才能采集到振动信号。
3)本文对采集到的振动信号通过SVD算法进行去噪和特征提取，然后利用BP神经网
络算法对单向阀故障信号进行识别，以判断单向阀的故障。为了提高上位机监测软件对数
据的处理能力和结果的直观显示，使用LABVIEW与MATLAB混合编程的方式，设计上
位机监测软件。该上位机软件可以对采集的数据进行处理、分析和结果显示、故障预警及
保存结果等操作。整个系统可以在不干扰隔膜泵运行的情况下实现对隔膜泵的远程实时监
测。

2万 · 2019-9-9 15:18

众所周知，浆体管道输送是将矿物细颗粒与水按一定比例混合后通过管道运输的形式。
浆体管道线路在建设时一次性投入成本较高，但是在投入生产运行时维护成本是比较低的。
相比陆路、航空、水运来说修建周期短、低能耗、地理因素影响小等优点，可以实现运输
连续、基本不占耕地、少受气候变化影响、没有环境污染、无生态破坏、自动化控制容易、
管理维护方便，因此，受到世界各国的广泛关注。目前，世界各国对浆体管道输送的研究
投入不断加大，使浆体管道输送技术发展非常迅速。

2万 · 2019-9-9 15:18

2万 · 2019-9-9 15:21

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在隔膜泵的工作现场对其机构和工作状况进行仔细研究发现，隔膜泵泵体的损坏主要
是单向阀损坏或隔膜损坏导致的。因此，对隔膜泵的监测可以间接通过对隔膜泵单向阀或
隔膜的监测来反映隔膜泵的运行状况。隔膜泵的吸入和排除阀均为单向的，在实际的工况
环境下单向阀工作时长在1200小时左右，隔膜的工作时长为8700小时左右。表明单向阀
的更换频率是远高于隔膜的，所以只需要对隔膜泵的单向阀进行故障监测便可实现对隔膜
泵的故障监测，从而保证隔膜泵的稳定、可靠运行。

2万 · 2019-9-9 15:22

2万 · 2019-9-9 15:25

1)要准确选择传感器的测量频率范围，保证单向阀的运行频率处于传感器所能测量
的范围之内，并且满足香农采样定理的要求，以保证数据的准确采集。
2)系统是对振动信号进行多通道采集，为了保证数据采集的实时、准确性，这就给
数据的采集和传输带来了很大的压力，所以既要兼顾数据采集也要兼顾数据传输。
3)数据分析需要有大量的数据来建立单向阀的正常和故障工况进行对比，这样才能
提高故障识别率，利于单向阀的故障诊断。
4)工业中的隔膜泵单向阀故障检测没有实际的经验和方法可以借鉴，需要对已展开
的研究方法和实时运行进行改进及在实验中验证。
5)各种故障数据的采集时间周期比较长，一套单向阀的运行周期是1200小时，每一
次开机运行不一定能够同时出现各种故障。因此，需要长期运行才能收集更多的故障信号
种类。

2万 · 2019-9-9 15:26

振动信号采集单元的总体设计思路如图2.1所示。从图中虚线部分围成的框图可以看
出下位机部分有分为振动信号采集与数据传输两大部分组成:振动信号采集单元属于信号
采集部分，信号协调单元和以太网数据发送属于数据传输部分。其中振动采集节点包括;
信号调理单元、数据缓存单元、核心控制单元、USB接口和数据无线收发单元。数据协调
单元和网络数据传输包括;无线数据收发、USB接口、以太网数据发送等电路。离心泵振
动信号经振动传感器采集后经过一系列的数据处理和数据转发后最终由以太网将数据发
往服务器的数据库。

2万 · 2019-9-9 15:26

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2万 · 2019-9-9 15:29

在振动测试系统中振动传感器的选择是比较关键的，而传感器的选择需根据被测对象
的运动特征来确定，隔膜泵机组主要由一台高压电机、一台减速器、一台主泵和输送管道
组成，通过前面的分析，本文确定了机组系统的待监测设备为隔膜泵，因此需对隔膜泵的
参数做一个详细的分析计算，才能选择适合的传感器。
该往复式隔膜泵是由荷兰GEHO泵业公司生产的TZPM1600型往复式隔膜泵，冲程
n=51 spm，流量Q=114.5 m3/h，压强P=23000KPa，功率=905KW;根据项目中隔膜泵的参
数可以算出隔膜泵正常工作时的单向阀冲击频率[[41]为S1Hz}测试时是将一个往复式隔膜
泵的3个进液阀和3个出液阀全部换为新阀，目前更换单向阀主要是根据工人师傅的经验
进行单向阀的更换，一般单向阀工作的时间周期为1200h，到时间后就会被更换。因此，
本次测试记录分析从新阀换上到工作1200h过程中的振动数据，从而确定单向阀运行出现
故障的阀值。

2万 · 2019-9-9 15:29

在机械振动故障诊断研究中，主要研究的是机械部件的运动量，即机械部件在空间上
的位移、速度或加速度量。这些运动量的存在会直接影响机械部件的强度、使用寿命、生
产效率和操作人员操作的舒适性等，当机械出现磨损和故障时，就会通过这些运动信息反
映出来。从理论上说，位移、速度和加速度之间存在着简单而明确的关系，测量哪一个量
是可以任意选择的。但在实际测量中，往往有许多因素是必须考虑的。
在工况环境中，如果设备是低频运动时都是采用位移传感器而不使用速度或者加速度
传感器，使用速度或者加速度传感器测量的量需要通过积分才能得到位移，这时测量所产
生的误差比直接使用位移传感器测量的数据误差大，所以选用位移传感器比较合适。与低
频相反，当机械振动频率较高时选用加速度传感器所测量的量比较准确。速度计因为有较
高的灵敏度和便于信号放大而受到重视，它在测量中频振动时，有很高的精度，但近年来
己逐渐被加速度计所代替。其原因是加速度计要比速度计轻得多，而且它有更大的动态范
围和频率范围。传感器选择时，它的频率范围和动态范围是首先要被考虑的因素。特别是
在机械运行工况监测中，其振动信息存在于较广的频段内，其振动大小则在较大的范围内
变动。运用加速度传感器测量时，对测量值进行积分可较容易得到速度量或者位移量。若
从速度计或位移计的信号经过微分来求得加速度，则要复杂得多，而且往往是不可靠的，
因此本课题中选用加速度传感器。

2万 · 2019-9-9 15:30

美国PCB公司(PCB Piezotronics Inc.美国压电有限公司)位于美国纽约州布法罗市，
是世界著名的传感器制造公司，成立于1967年，一直致力于压电测量技术的研究、开发
和产品制造。其出品的加速度、压力、力等传感器及相应的测量仪器，广泛应用于航空、
航天、船舶、兵器、核工业、石化、水力、电力、轻工、交通、车辆和科研等领域。其首
创的ICP型传感器，即内装集成电路电荷放大器，在世界享有盛誉。
虽然ICP型传感器频率响应相对较窄，但是其灵敏度高、价格便宜而被广泛应用。综
合考虑本项目的参数要求，选用美国PCB公司生产的单轴向、高灵敏度ICP型传感器
PCB352C33，该传感器是将传统的压电传感器内部加置一个电荷放大的微型IC，能够直接
与记录、显示、采集设备相连，简化了系统复杂度，使系统更加精确和稳定，传感器实物
如图2.2所示。该传感器具有以下特点;
1)结构合理，电路优化，主要元器精度高、噪音低、漂移小，确保产品质量稳定可靠。
2)输出使用长电缆线不影响系统测量精度。
3)输出可以直接用数字万用表、示波器或输出给数据采集器。
4)传感器为全封闭结构有效防尘、防潮、防有害气体。

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2万 · 2019-9-9 15:40

模拟信号采集电路用于采集来自隔膜泵单向阀的振动信号，由于ICP型加速度传感器
内置放大电路，所以需要设计一个直流激励源电路。模拟信号采集部分还需要VERF基准、
信号滤波电路、增益放大和模数转换等电路的设计。

2万 · 2019-9-9 15:40

传统的压电式传感器采用的信号传输电缆线的长度是固定的，且必须在信号传输电缆
与信号调理电路之间添加电荷放大器。这种系统设计成本较高、信号传输电缆对信号的影
响较大。为此，采用ICP加速度传感器，该种传感器是内置信号放大IC的，所以传感器工
作时必须为它提供一个恒流源作为激励。根据系统设计的需求，传感器需要DC一24V 4mA
的恒流激励源。
本文选用LM334H作为恒流源控制芯片，其产生的电流与温度依赖性、零漂移可以通
过二个额外的电阻和一个二极管解决。LM334H拥有浪涌保护、功耗低、斜坡生成等特性。
工作电压为1V口40V . 0.02% / V电流调节、电流范围为1叭可编程至1 OmA调节、士3%的
初始精度等特性。
使用LM334H与两个电阻、一个二极管构成的一个恒流激励源产生电路，电路如图2.5
所以。

2万 · 2019-9-9 15:41

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