胡以懷 ,常 勇 ,丘 燁

(上海海事大學商船學院,上海200135)

1 引言

由于船舶分油機工作是處于高速運轉狀態(tài)的,假如分離筒內(nèi)的沉淀物在轉鼓內(nèi)積聚不均勻,分離筒內(nèi)安裝的配件不對,分離筒內(nèi)分離片的壓緊壓力不夠,立軸或者橫軸的軸承損壞,油機立軸頸軸承彈簧老化或損壞都會對分油機的旋轉軸產(chǎn)生不對中、振動,甚至造成裂紋,從而導致分油機工作異常。因此對船舶分油機實施振動檢測和故障診斷是十分有必要的。

2 電路硬件設計

本文是以分油機故障診斷為背景,對其診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及輸入單元做出電路設計和硬件采購,其主要環(huán)節(jié)如圖1。

圖1 診斷系統(tǒng)環(huán)節(jié)

2.1 磁電式速度傳感器

磁電式速度傳感器利用電磁感應原理,將輸入運動速度變換成感應電勢輸出的傳感器。它不需要輔助電源,就能把被測對象的機械能轉換成易于測量的電信號,是一種有源傳感器。磁電式傳感器有時也稱作電動式或感應式傳感器,它只適合進行動態(tài)測量。由于它有較大的輸出功率,故配用電路較簡單,零位及性能穩(wěn)定,工作頻帶一般為10～1 000Hz。其安裝在分油機筒體內(nèi)部來感受分油機的振動,進而采集分油機的信息。

2.2 運算放大電路

運算放大器是一種級間直接耦合的多級高增益放大器。它有2個輸入端好輸出端,其中“+”為同相輸入端,“-”代表反向輸入端。為了解決抑制共模輸入電壓與增益調(diào)節(jié)和阻抗匹配之間的互相牽連和矛盾,采用放大電路解決這個問題,如圖2為典型的放大電路圖。

圖2 放大電路原理

圖2所示放大器的電路可分兩級來進行分析。A1,A2按理想放大器分析,得到U4=U 1,U 5=U 2,R3上電流為：

I=(U1-U 2)/R3.

進一步可得：

U 3=U 1+(U 1-U 2)R1/R3,

U 6=U 2-(U 1-U 2)R2/R3.

假設Udif=U1-U2,則：

U 3-U 6=U dif[1+(R1+R2)/R3].

進而得出：

U 0=U dif[1+(R1+R2)/R3]R5+R4.

令R1=R2,R5=R4,則可得出：

U 0=U dif(1+2R1/R3).

由此可見,調(diào)節(jié)R3即可方便地調(diào)節(jié)電路的增益。以上的電路采用的運放是采用美芯公司的LM 348N運算放大器,四運放,供電電壓為±18V,如圖3。

圖3 LM 348N運算放大器

2.3 低通濾波器

讓某一頻率以下的信號分量通過,而對該頻率以上的信號分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置,其電路圖如圖4。

圖4 二階壓控電壓源低通濾波電路

它是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成,其中同相比例放大電路實際上就是所謂的壓控電壓源,其特點是,輸入阻抗高,輸出阻抗低。同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益,即：

A0=AVF=1+Rf/R1.

考慮到集成運放的同相輸入端電壓為：

而VP(s)與VA(s)的關系為：

對于節(jié)點A,應用KCL可得：

上面式子聯(lián)合求解,可得電路的傳遞函數(shù)為：

2.4 A/D轉換

要使計算機或數(shù)字儀表能識別,處理這些信號,必須首先將這些模擬信號轉換成數(shù)字信號,這樣,就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路——模數(shù)轉換器,簡稱為A/D轉換器。A/D轉換器采用現(xiàn)有的AD574A轉換器,AD574A是常見的逐次逼近式12位轉換器,其轉換時間為25μs,轉換誤差為1LSB,可采用5V、12V、15V電源供電。可以與8位或16位微控制器直接相連。

通過分析看出,取樣信號S(t)的頻率越高,所取得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復現(xiàn)輸入信號。合理的取樣頻率由取樣定理確定。將取樣電路每次取得的模擬信號轉換為數(shù)字信號都需要一定時間,為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定值,每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間,見圖5。

圖5 取樣——保持電路

電路由輸入放大器A 1,輸出放大器A 2,保持電容C和開關驅動電路組成。電路中要求A具有很高的輸入阻抗,以減小輸入信號源的影響。為保持階段C上所存電荷不易泄放,A 2也應具有較高輸入阻抗,A 2還應具有低的輸出阻抗,這樣可以提高電路的帶負能力,一般還要求電路中A1?A2=1。

3 結語

對于分油機故障診斷的資料可以說是少之又少,再加上分油機的工作轉速高,做起實驗來有一定的難度和危險性。筆者通過查閱大量的書籍以及參考眾多電路軟件的設計,以尋求比較合適的方案去探索。分油機振動故障有可能是多方面的,因此需要模擬更多的故障來和正常的狀態(tài)相比較。

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