（控制理论与控制工程专业论文）滚动轴承故障监测系统的研究.pdf

江苏大学硕 士 学位论文 摘要 在现代化生产中，机械设备的故障诊断问题越来越受到重视。它 不仅可以保证产品质量、提高经济效益，而且可以及早发现故障隐患、 避免事故的发生。目前故障诊断技术已经获得了飞速发展，但在我国 油田钻井设备中，滚动轴承故障监测方式还比较落后。为了彻底排除 因滚动轴承故障而引起的事故，研究开发一种经济、有效的轴承故障 监测系统对钻井设备的保护至关重要。 本论文以滚动轴承作为研究对象，在总结前人多年来的研究成果 的基础上，结合实际情况，对现有研究方法进行改进，提出一种利用 共振解调技术对滚动轴承的运行状态进行监测，首先对振动量这一非 常复杂的信号进行预处理，使之简单化，然后利用频谱分析的方法对 振动信号进行分析。大大减轻后续处理的复杂程度，使信号处理过程 简单化。 为了使监控中心能够随时得知每个滚动轴承的故障信息，并根据 故障信息做出相应的处理。本文也对监测系统的通讯进行了研究。 论文主要内容包括以下几个方面： 1 通过对滚动轴承故障机理、滚动轴承故障信息检测技术的研究， 采用共振解调技术和振动信号频谱分析法，对其检测原理和检测 效果进行了深入研究； 2 研究设计了监测系统的体系结构，包括硬件电路设计、软件设计： 江 苏大学 硕士学位论文 3 采用微控制芯片实现快速傅立叶变换，提高了系统的实时性； 4 对监控系统与p c 机之间的通讯方式进行了研究。主要通过无线传 输方式实现监测系统与p c 之间的信息传输。 关键词：轴承故障诊断，共振解调，频谱分析，无线传输，数据采集 n 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nm o d e ms o c i e t y , f a u l td i a g n o s i so f m e c h a n i c a le q u i p m e n th a sb e i n gp a i dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o nt o i tc a l le n s u r et h eq i l a l i t yo ft h ep r o d u c t sa n da l s oc a l le n h a n c e e c o n o m i ce f f i c i e n c y , e l i m i n a t eh i d d e nf a u l t sa n da c c i d e n t i nt h e s ed a y s ，f a u l t d i a g n o s i st e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dr a p i d l y , b u ti no u rc o n n t r y , m o n i t o r i n gw a y so f t h eb e a r i n gf a l lb e h i n d i ti sa l s oi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt od e v e l o pa ne c o n o m i c a l a n da v a i l a b l es y s t e mt om o n i t o rt h ee x p l o i t a t i o no f p e t r o l e u m o nt h eb a s i so fm a n yr e s e a r c hr e s u l t so ft h ep a s tp e o p l ea n dt h ea c t u a ls i t u a t i o n ， t h er e s e a r c ho ft h er o l l i n gb e a r i n gi si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e rt oi m p r o v et h em e t h o d s o ft h er e s e a r c h ，a n dam e t h o do fu s i n gt h et e c h n o l o g yo fr e s o n a n td e m o d u l a t i o nf o r m a k i n go b s e r v a t i o no f t h eo p e r a t i n gs l a t eo f t h er o l l i n gb e a r i n gw a sp r e s e n t e d f i r s t l y , t h ev i b r a t i o nl e v e lw a ss i m p l i f i e db yt h ep r e t r e a u n e n t s t h e n , t h es i g n a l so ft h e v i b r a t i o nw e l ea n a l y s i s e db yu s i n gt h em e t h o do ff r e q u e n c ys p e c t r u m t h i sc a l l l a r g e l yd e c r e a s et h ec o m p l i c a t i o no ft h es u c c e e d i n gt r e a t m e n ta n ds i m p l i f yt h e c o u r s e o f t h es i g n a lp r o c e s s i n g f o rd e t e c t i n gt h ef a u l t so ft h er o l l i n gb e a r i n ga n dm a k i n gt h et r e a t m e n t s e o r r e s p o n d e n t l y , t h er e s e a r c ho ft h ec o m m u n i c a t i o no ft h es u p e r v i s i n gs y s t e mh a s b e e n d o n ei nt h i st e x t 啊l ec o n t e n t so f t h et e x ti n c l u d et h a t ： 1 t h ed c 印r e s e a r c ho f t h ei n s p e c t i o nt h e o r ya n di n s p e c t i o na f f e c t i o nh a sb e e nd o n e b yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fr e s o n a n td e m o d u l a t i o na n dt h ef r e q u e n c ys p e c t r u m t h r o u g ht h er e s e a r c ho f t h ef a u l tm e c h a n i s ma n d t h ei n s p e c t i o nt e c h n i q u e 2 t h ea r c h i t e c t u r eo ft h ei n s p e c t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，i n c l u d i n gh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n i n g 3 a d o p ta d v a n c e dm c u t or u nt h ep r o g r a mo ff f t , a n di m p r o v er e a l - t i m er e s p o n d o f t h es y s t e m 4 t h em e t h o d so ft h ec o m m u n i c a t i o nb e t w c c at h ei n s p e c t i o ns y s t e ma n dt h e n l 江苏大学硕士学位论文 p e r s o n a lc o m p u t e rh a v eb e e ns t u d i e da n df i n a l l yt h em e t h o do ft h ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o nh a sb e e nu s e di 1 1t h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nb e t w c e r it h e i n s p e c t i o ns y s t e ma n dt h ep e r s o n a lc o m p u t e r k e yw o r d s ：b e a r i n gf a u l td i a g n o s i s , r e s o n a n td e m o d u l a t i o n , f r e q u e n c ys p e c t r u m a n a l y s i s ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n , d a t aa c q u i s i t i o n i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口 在 年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名旃投隽 一j 叼年细扣 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：截池磊 日期司“月、飞日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题来源与背景 第一章绪论 机械故障诊断技术是了解和掌握设备的运行状态，识别设备的异常表现，早 期发现设备潜在故障并预报故障发展趋势的技术。通过对设备进行状态监测和故 障诊断，可以确定合理的检修时间和方案，达到减少事故停机损失、提高设备运 行可靠性、降低维修费用的目的，同时也是解决复杂系统的安全性、可靠性的关 键技术之一。在保障机器设备的安全运行、预防事故发生以及实现设备维修制度 由定期预防维修向基于设备运行状态的预知维修的变革等方面起到了关键性的 指导作用。工况监测与诊断任务是由以计算机为中心的监测诊断系统来具体实现 的，工况监视不仅成为一个设备维护计划的工具，而且是整个企业性能管理的一 部分m 嘲蜘嘲嘲。 现今，滚动轴承的故障一直是我国油田钻井设备的难点问题，同时也成为影 响石油正常开采的重要因素之一。随着钻井行业科学技术的提高，对安全性提出 了更高的要求，必须对绞车关键设备及系统进行实时监测及故障诊断与记录。滚 动轴承是油田钻井设备的重要组成部分，也是最容易损坏的部件之一。由于检测 手段落后，还不能准确地判断轴承故障程度，特别是在绞车运行中出现的瞬间故 障，不能进行实时监测和报警，严重地影响并威胁绞车安全。高速运行下的滚动 轴承，其故障往往会迅速扩大，在短时闻内造成热轴、燃轴、断轴，最终导致整 个钻井设备瘫痪。造成极大的经济损失。为了彻底排除因滚动轴承故障引起的事 故，目前普遍采用的是“状态预先维修”的设备维修体制，即对轴承的“健康” 状态进行在线监测，及时发现轴承的闯题并采取相应的措施，保证石油生产顺利 安全进行。因此开展轴承的在线监测和故障诊断的研究是非常重要的嘲”“5 “。 1 2 滚动轴承故障信息检测技术 目酊对轴承故障的检测方法有很多种，主要包括： 1 、振动分析法：一台正常的设备，运转起来由于各运动部件的相互作用，会产 生一定的振动，但是这种振动比较小，而且较平稳。当机械内部产生异常时， 江 苏 大 学硕 士 学位论文 会振动增大、振动性质改变等现象。振动分析法就是通过分析采集来的振动 信号进行检测和诊断的。这种方法可以在不停机的情况下，了解设备是否异 常、判定异常部位、异常原因、异常程度儿。 2 、油液分析法：滚动轴承失效的主要方式是磨损、断裂和腐蚀等，其原因主要 是润滑不当，因此对正在运行时使用的润滑油进行系统分析，即可了解轴承 的润滑与磨损状态，并对各种故障隐患进行早期预报，查明产生故障的原因 和部位，及时采取措施扼制恶性事故的发生。“”。 3 、油膜电阻法：滚动轴承在旋转过程中，如果在滚道面和滚道体之间形成了较 好的油膜，则内圈和外圈之间的电阻值很大，可达上亿兆欧以上：当油膜破坏 时，则内圈和外圈之间的电阻可以降至0 欧左右，利用这一特性，便对滚动 轴承和润滑状态及有关的磨损，腐蚀之类的损伤进行诊断，但不适用于点蚀 类故障”1 。 4 、光纤检测法：光纤检测是一种直接从轴承套圈表面提取信号的诊断技术。 用光导纤维制成的位移传感器包含有发送光纤束和接受光纤束。光线由发送 光纤束经过传感器端面与轴承圈表面的间隙反射回来，再由接收光纤接收并 经过光电元件转换为电压输出。 5 、声发射法“：金属材料由于内部晶格的错位，晶界滑移、或者由于内部裂纹 的发生和发展，均会释放应变能量和短暂性的弹性应力波，这种现象被称为 声发射现象( a e - a c o u s t i ce m i s s i o n ) 。例如，轴承的疲劳断裂是由于轴承经 常受到冲击的交变载荷作用，使金属产生位错运动和塑性变形，首先产生疲 劳裂纹，然后沿着最大切应力方向向金属内部扩展，当扩展到某一临界尺寸 时就会发生瞬时断裂。这种故障经常发生在滚动轴承的外圈。而疲劳磨损是 由于循环接触压应力周期性地作用在摩擦表面上，使表面材料疲劳而产生微 粒脱落的现象。这种故障的发生过程是在初期阶段，金属内晶格发生弹性扭 曲。当晶格的弹性应力达到临界值后。开始出现微观裂纹，微观裂纹再进一 步扩展，将会在滚动轴承的内、外圈滚道上出现麻点、剥落等疲劳损坏故障。 这些故障的发生与发展，都伴随着声发射信号的产生。各种材料声发射的频 率范围很宽，从次声频、声频到超声频，金属材料声发射频率可达几十到几 百兆赫，其信号的强度差异一般只有几微伏。由于声发射诊断方法对滚动轴 2 扛苏大学硕士学位论文 承的故障信息能有效地进行识别，近年来在生产中有了很大发展，但它需要 较昂贵的专用设备，在生产中应用受到一定影响。 由于振动分析法适用于各种类型、各种工况的轴承，并且可以有效的诊断早 期微小故障，而且信号测试与处理简单、直观，诊断结果可靠，所以在实际中得 到了极为广泛的应用。目前，国内外开发生产的各种滚动轴承检测与诊断仪器和 系统一般都是根据振动分析法的原理。 1 3 轴承故障诊断方法 诊断方法研究是设备诊断技术的核心，其实质在于寻找征兆与故障之间的有 效对应关系，而最终目标是实现诊断的自动化和智能化。人工智能在故障诊断上 的应用，实现了基于人类专家经验的设备故障诊断，将故障诊断技术提高到一个 新的水平。目前常用的诊断方法有： i 、参数辨识诊断：常用的参数辨识方法有极大似然法、最小二乘法、互相关法、 辅助变量法、随机逼近法和自适应算法等。参数辨识法的优点在于能在线跟踪参 数的变化、检测快而准、诊断实时性强，但对于非线性系统和时变系统有一定的 困难，应用受到限制嘲嘲。 2 、模糊诊断法：模糊诊断根据征兆空间与故障状态空白j 的映射关系，由征兆诊断 故障。但模糊集合论在许多方面尚未成熟，如元素隶属度和两模糊集合之间映射 关系规律的确定都没有明确统一的方法可循，而是人为确定。 3 、模式识别：模式识别就是根据相互关联的特征将事物分类的过程，它包括对事 物的描述、理解和综合。每个样本的特征数组对应着特征空间的一点，这个空间 叫做模式空间，通过定量计算样本在空间的距离，制定出错误率最小的特征提取 方法和分类准则加以分类。儿町。 4 、信息融合：信息融合方法实现了综合诊断。多传感器形成了不同通道的信号， 同一信号形成了不同的特征信息，不同的诊断途径得出了有偏差的诊断结论。而 由单维信息融合成的多维信息可以克服单维信息的局限性，提高诊断的准确性。 进行信息融合的方法主要有b a y e s 推理，k a l m a n 滤波，d - s 推理等。其中前两种 方法需要先验信息，但所需计算量较大。近年来，利用神经网络进行信息融合显 示了较大的优势。 江苏大学硕 士 学位 论文 5 、专家系统：专家系统能够模拟领域专家的工作方式，是人工智能领域当中最活 跃和实用的分支之一。专家系统诊断结论的可信度和精确性依赖于所拥有的知 识，比较适合于具有层次结构的复杂机械设备( 如发动机、压缩机) 的故障诊断问 题，但目前专家系统存在知识获取的“瓶颈效应”等问题。 6 、人工神经网络：人工神经网络是对生物神经系统的不同组织层次和抽象层次的 模拟，具有处理复杂多模式及进行联想、推理和记忆功能。将神经网络和专家系 统相结合，能克服一般专家系统的知识组合爆炸、推理复杂等困难，可提高专家 系统的智能水平和实时处理能力。但神经网络不能进行深层次推理。若要有效上 作，在训练阶段就需要足够的样本数，而对大型复杂设备来说，故障样本比较难 获得，且一旦因大修等使得设备工作条件改变，则训练样本就失去作用。 由于实际诊断问题的复杂性，不能寄希望于任何单一方法来解决诊断问题。 如果能将各种方法结合起来，将会极大提高诊断效果。 1 4 状态监测和故障诊断系统中信号处理方法 一、轴承故障判定标准嗍 1 、绝对判定标准是用于判断实测特征值是否超限的绝对量值。 2 、相对判定标准是对轴承的同一部位定期进行振动检测，并按时间先后进行 比较，以轴承无故障情况下的振值为基准，根据实测振值与该基准振僮之 比进行判断的标准。 3 、类比判定标准是对若干同一型号的轴承在相同的条件下在同一部位进行振 动检测，并将特征值相互比较进行判断的标准。 绝对判定标准是在规定的检测方法基础上制定的，因此应用时必须注意其适 用频率范围，而且必须按规定的标准方法测试。适用于所有轴承的绝对标准是不 存在的，因此，一般都是兼用绝对判定标准、相对判定标准和类比判定标准，这 样才能获得准确、可靠的诊断结果。 故障信号诊断分析方法有许多种 l 、振动信号简易诊断法“” ( 1 ) 振幅值诊断法 峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于像表面点蚀损伤之类的具 4 扛 苏 大 学硪 士学位 论文 有瞬时冲击的故障诊断。另外，对于转速较低的情况，常采用峰值进行诊断。均 值用于诊断的效果与峰值基本一样，其优点是检测值较峰值稳定，但一般用于转 速较高的情况，均方根值是对时间平均的，因而它适用于像磨损之类的振幅值随 时问缓慢变化的故障诊断。 ( 2 ) 波形因数诊断法 波形因数定义为峰值与均值之比。该值也是用于滚动轴承简易诊断的有效指 标之一。当该值过大时，表明轴承可能有点蚀；而该值过小时，则有可能发生了 磨损。 ( 3 ) 概率密度法州 无故障滚动轴承的振动的概率密度曲线是典型的正态分布曲线，而一旦出现 故障，则概率密度曲线可能出现偏斜或分散的现象。 2 、冲击脉冲法1 冲击脉冲法的原理：滚动轴承运动中有缺陷( 如疲劳、裂纹、磨损和混入杂物) 时，就会发生冲击，引起脉冲性的振动。由于阻尼的作用，脉冲性振动是一种衰 减性振动，因而冲击脉冲的强弱反映了故障的程度。 当滚动轴承无损伤或有微小损伤时，脉冲值很小。随着故障的发展，脉冲值 逐渐增大。当冲击能量达到初始值的1 0 0 0 倍时，就认为该轴承的寿命已经结束。 当轴承表面出现损伤时，所产生的脉冲值用d b s v 表示，它与初始脉冲值d b i 之 差为标准冲击能量d b n ： d b n = d b s v - - d b i 根据d b n 值可以将轴承的工作状态分别为三个区域进行诊断： o d b n 2 0 d b 绿区：轴承工作状态良好，为正常状态。 2 0 d b d b n 3 5 d b 黄区；轴承有轻微损伤，为警告状态。 3 5 d b d 8 n ( c 。+ c 。+ c ，) 毗可得 “2 煮* 号 即理想状态下电荷放大器输出电压u o 与输入电荷成正比，与反馈电容c ，成反 比。所以这种理想状态要求运算放大器的输入电阻和反馈电阻足够大。 2 、电荷放大器的开环电压增益影响 电荷放大器是一种具有电容反馈的运算放大器，运算放大器的运算误差与其开环 电压增益成正比，当c ，很小时， j ：里塑皇笪整盔矍笪堕二壅堕皇垄塑奎墨塑堂 。 理想电荷放大器输出 即庐竺竺! 竺x 1 0 0 。 c ，+ c 。+ ( 1 + a d ) c f 当( 1 + a d ) c f c