（交通信息工程及控制专业论文）列车滚动轴承故障诊断与监测系统研究.pdf

摘要 在现代化生产中，机械设备的故障诊断技术越来越受到重视，滚动轴承是机 械设备中最常用的部件之一，因此滚动轴承的故障诊断技术具有十分重要的意 义。通过本课题的研究，能及时地、正确地对滚动轴承各种异常状态或故障状态 作出诊断，达到预防或消除故障，提高设备运行的可靠度、安全性和有效性的目 的。 本课题的研究过程中，在硬件设计上结合单片机的控制能力及d s p 的数字处 理能力，设计了d s p + 单片机的方案，使系统具有信号采集、数据处理、信号分 析、故障诊断等主要功能。 本系统主要适用于对滚动轴承振动信号的采集分析和故障诊断。采用高速 a d 进行数据的采集，保证了数据分析所需的数据量，能实现对采集数据的幅值 域、时域和频域分析。软件采用模块化设计思想，使系统的维护、改进和功能扩 展十分方便，还可进一步推广到其它振动信号的采集和分析。 利用神经网络良好的自适应性、自组织性及很强的学习功能，以小波分析 为基础，将小波分析与其结合，从而可以有效地根据训练样本集确定网络结构， 采用自适应正交最小方差( s r 0 s l ) 算法，从根本上消除了样本间相关性的影响， 从而使训练结果能够得以保证，也使r b f 神经网络的在线训练算法更具操作性。 仿真表明，本文所提出的算法是有效的，并在非线性系统的控制中取得了非常好 的结果。 关键词滚动轴承；故障诊断；d s p ；小波分析；神经网络 i nm o d e r n i z e dp r o d u c t i o n , f a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yf o rm e c h a n i c a le q u i p m e n t i si n c f e a s i n g l yv a l u e d , a n dt h er o l l i n gb e a r i n gi st h em o s tf r e q u e n t l yu s e da s s e m b l yo f t h em e c h a n i c a le q u i p m e n t t h e r e f o r e ，t h ef a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yf o rr o l l i n g b e a r i n gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e b yw o r k i n g0 1 1t h i ss u b j e c t ，av a r i e t yo f a b n o r m a l s t a t e so rm a l f u n c t i o n nb et i m e l ya n da c c u r a t e l yd i a g n o s e di no r d e rt op r e v e n to r s h o o tt h ef a u l t sa n dc o n s e q u e n t l yi t sd e p e n d a b i l i t y , s a f e t ya n de f f e c t i v e n e s sc a nb e a c h i e v e d i nt h er e s e a r c ho nt h i ss u b j e c t , h a r d w a r ed e s i g ni sd o n ei nc o m b i n a t i o nw i t ht h e c o n t r o l l i n gc a p a c i t yo fs c m a n dt h ed i g i t a lp r o c e s s i n ga b i l i t yo fd s p 1 ks c h e m eo f d s p + s c mm a k e st h es y s t e mc a p a b l eo fp e r f o r m i n gs u c hm a j o rf u n c t i o n sa ss i g n a l a c q u i s i t i o n , d a t ap r o c e s s i n g , s i g n a la n a l y s i s ，f a u l td i a g n o s i s ，e t c 硼 s y s t e mi nt h e t h e s i sg e n e r a l l ya d a p t st ot h ec o l l e c t i o na n da n a l y s i so f v i b r a t i o ns i g n a lf l o r at h er o l l i n gb e a r i n ga n df a u l td i a g n o s i s d a t ao o l l e e t i o nb y h i g h - s p c o d 们e n 甜麟b o t ht h em o u n to fd a t ar e q u i r e db yd a ma n a l y s i sa n dt h e a n a l y s i so ft h em a g n i t u d ed o m a i n , t i m e - d o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i no ft h ed a t a c o l l e c t e d i ns o f t w a r ed e s i g n , t h ei d e ao f m o d u l a rd e s i g nm a k e ss y s t e mm a i n t e n a n c e , s y s t e mi m p r o v e m e n t , a n di t sf u n c t i o ne x p a n s i o ne a s ya n dc o n v e n i e n li tc a na l s ob e e x t e n d e dt oo t h e rv i b r a t i o ns i g n a lc o l l e c t i o na n da n a l y s i s b yu t i l i z i n g a n n sf a v o r a b l ea d a p t o m e t e r , s e l f - o r g a n i z a t i o na n dp o w e r f u l l e a r n i n gf u n c t i o n , t h en e t w o r ks t r u c t u r e ，b a s e do nw a v e l e ta n a l y s i s , w i t hi ta n d w a v e l e ta n a l y s i sc o m b i n e d , c a nb ee f f e c t i v e l yd e t e r m i n e db yt r a i n i n gs a m p l es e t 耵圮 s e l f - a d a p t a t i o np e r p e n d i c u l a rm i n i n l n l nv a r i a n c ea l g o r i t h m ( s r o s l ) b a s i c a l l ye l i m i n a t e s t h ei n f l u e n c eo fr e l a t i v i t ya m o n gs a m p l e sa n dt h u st h et r a i n i n ge f f e c t sa r cg u a r a n t e e d a n dt h eo n - l i n et r a i n i n ga l g o r i t h mf o rr b fa n ni se x e r c i s a b l e 明豫e m u l a t i o nr e v e a l s t h a tt h ea l g o r i t h mp r o p o s e di nt h et h e s i si se f f e c t i v ea n de x c e l l e n tr e s u l t sa l ea c h i e v e d i nn o n l i n e a rs y s t e mc o n t r o l k e yw o r d s ：r o l l i n gb e a r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，d s p ，w a v e l e ta n a l y s i s ，a n n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：日期：趔年卫月丛日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名墨望二日期：近年l 月丛日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题的背景及意义 随着现代社会的飞速发展，各学科之间相互渗透、相互交叉、相互揉合、相互 促进己成为现代科学技术发展的一大特点。在生产实践中，科学工作者把医学诊断 中的基本思想推广到机械工程应用中，形成了一门具有强大生命力的交叉学科一一 机械故障诊断学。机械设备状态故障诊断与监测是通过掌握设备过去和现在运行中 或基本不拆卸的情况下的状态量，判断有关异常或故障的原因并预测对将来的影响， 从而找出必要对策的技术。它是一门综合性科学，涉及数学、物理、力学、化学， 传感及测试技术、电子学、信号处理、识别理论、计算机技术及人工智能、专家系 统等多门基础学科。是对这些基础理论的综合应用。 铁路是我国国民经济的大动脉。铁路运输在我国交通运输中起着举足轻重的作 用，并在国民经济中占有极其重要的地位。为了追求更高的经济效益，铁道交通运 输的列车提速势在必行，而各种不利因素却制约着列车的提速。滚动轴承作为列车 走行部分的重要元件，是列车上最容易发生故障的零部件之一目前，铁路部门对 滚动轴承采用定期解体检修的模式，造成大量无故障轴承被解体，检修成本居高不 下。这种制约关系要求新的设备维护体制的出现，视情维修或预约维修的方式则应 运而生因此，对于滚动轴承实施有效的故障诊断与监测是铁路装备检修的发展方 向 列车滚动轴承是铁路车辆上最容易危及行车安全的易损件。铁路列车滚动轴承 是工作在高转速重载荷下的轴承，由于工作面( 流动体与内、外圈之间) 的接触应力 反复作用，极易引起疲劳、裂纹、剥蚀、压痕以致断裂胶着、烧伤等现象。在开展 了设备的监测和诊断技术以后，对整个铁路系统产生了巨大的经济和社会效益。在 1 9 7 9 1 9 8 6 的几年间，铁路系统共防止车辆燃轴事故2 9 1 万件，事故减至原来的1 1 4 ( 1 9 8 6 年和1 9 7 6 年相比) ；相当于增加运输投入2 个亿，每年增加运输车辆4 3 万次。其 中，由于列车轴承所引发的车辆的交通故障，就占了1 3 左右。仅就采用铁路列车试 行状态维修和趋势管理较为先进的广州铁路分局为例，自1 9 8 9 年以来，和未采用有 关的诊断技术相比较，平均延长架修3 次以上，最多的达9 次，直接节约维修费用4 9 ， 5 2 9 元“1 因此，开展滚动轴承故障诊断与预报的研究，对避免重大事故变革维修体 制和促进经济发展等都具有重要的现实意义。 ， 硕士学位论文 第一章绪论 研究滚动轴承故障诊断与监测系统就是要达到如下目的： ( 1 ) 能及时、正确地对滚动轴承各种故障状态或异常状态作出诊断或监测，预 防或消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠度、安全性和 有效性，以期把故障损失降低到最低水平 ( 2 ) 保证滚动轴承发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修制度，以便在允 许的条件下延长滚动轴承的服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。 ( 3 ) 通过故障分析、性能评估手段等，为滚动轴承的优化设计、结构修改、合 理制造等生产过程提供数据和信息。 总的说来，滚动轴承故障诊断与监测既要保证设备的安全运行，又要获取更大 的经济效益和社会效益。 1 2 滚动轴承故障诊断研究状况 1 2 1 滚动轴承故障的特点 与其他的机械零部件相比较，滚动轴承具有一个突出的特点，这就是其寿命离 散程度非常大，即便是“四同”产品，即用同样的材料、同样的加工工艺、同样的 生产设备、同样的操作工人加工出的一批轴承，其寿命也是相差悬殊。正是因为滚 动轴承的这个特点，在实际使用中，有的轴承已大大超过设计寿命却依然完好地工 作，而有的轴承远未达到设计寿命却已出现了各种故障。因此若仅呆板地按照设计 寿命对轴承进行定期维修，则势必造成如此一种情况；一方面对超过设计寿命而完 好工作的滚动轴承拆下来作为报废件处理，造成资源浪费；另一方面对达到设计寿 命而未出现故障的轴承或是到定期维修时拆下来报废，使得机器在轴承出现故障后 和拆下前这段时间里工作精度下降，或是未到维修时限就出现了损伤加剧现象，导 致整台机械发生严重故障。由此可见，对重要用途的轴承来说定期维修不是很科学 的，要随时进行工况的监测和故障的判别。对滚动轴承的运行状态进行精确地诊断， 不仅可以防止设备工作精度下降，减少事故发生的机率。而且还可以最大限度地发 挥轴承的工作潜力，节约开支，对国民经济建设具有菲常重要的现实意义因此滚 动轴承的状态监测和故障诊断技术一直以来都是国内外科研工作者的研究重点之 一 精确地诊断出滚动轴承损伤的根源是件非常困难的工作研究早期故障诊断技 术，以预防因轴承损伤而引发的停机、停产和设备损坏等重大经济损失和人员伤亡 事故。轻微损伤的轴承可以从使用情况，特别是轴承工作表面的磨损状况、磨损轨 迹等征兆来推断出其失效的真正原因损伤严重的轴承或是因突发事故而完全报废 2 硕士学位论文第一章绪论 的轴承，最终的破损状况往往早已掩盖了初始损伤的痕迹，暴露出来的只是轴承最 终咬死和烧毁的现象以及己破损的轴承零件的残骸。正是这些原因使得人们容易混 淆轴承损伤的最主要根源只能从轴承的工作条件( 载荷和转速) 润滑状况、支承 的整体结构( 轴承的配置和配合) 以及损伤形式等现象作出推断，并借助其他科学 的分析方法来验证。因此在滚动轴承实际使用过程中，一般情况下是没有必要去追 究其损伤的真正根源，应该立足于轴承损伤状况的监测与识别。 1 2 2 列车滚动轴承故障监测与诊断现状 滚动轴承不解体故障诊断一直是轴承故障诊断与监测重点研究的课题。国外在 这方面的研究工作比我国先进许多，尤其以美国领先。目前，美国已从传统的红外 轴温探测发展到采用车载系统、声发射系统和综合检测体系进行轴承的故障诊断嘲 由于受到当前经济、技术和设备现状的制约，我国现阶段只是对客车滚动轴承采用 安装轴温报警器的方法进行在线运行检测田，而对处在运行状态轴承的故障诊断目 前还不能在线进行。铁路部门规定以每运行一年( 不论运行多少里程) 的周期对轴 承进行检修的方法来保证轴承的工作质量。在实际检修过程中，主要依靠人工经验 来判断轴承是否存在故障。随着微机技术的高速发展，融合现代传感技术、信号分 析与处理技术及微机处理技术为一体的机械设备故障诊断技术引起国内外研究者 的重视国内普遍采用共振解调技术诊断轴承故障陆m ，但现有的解调分析方法存 在某些局限性咐。采用解调分析技术研制的诊断系统对部分故障诊断有一定的准确 性，但由于系统稳定性较差、机构复杂、维护不方便，致使不能很好地推广应用。 现代化的滚动轴承状态故障诊断与监测是通过轴承的劣化损伤以及性能状态参 数，来判断和预测其可靠性和使用性，对异常情况的部位、原因和危险程度进行识 别和诊断，从而决定维修时间、维修方式的综合性技术。这种技术不是单纯的故障 监测或检测，也不是单纯的点检仪表化，而是在正确、迅速和有效地采集信号的基 础上，利用自动识别和辅助的人工判断科学地处理数据的综合性技术。滚动轴承在 运转过程中必然会伴随有振动和噪声现象发生，同时还会出现温度升高、表面材料 剥落等现象。因此，根据分析信号性质的不同，滚动轴承的监测和诊断技术又分为 温度分析法、油样分析法和振动分析法。温度分析法是通过测量轴承座或箱体处的 温度来判别其工作状态是否正常的方法温度分析法操作简单，主要是利用轴承上 的温度对轴承的磨损程度较为敏感的原理进行判断。但是当轴承出现早期点蚀与剥 落、轻微磨损等故障时，温度监测基本上是失去效用。只有当轴承故障累积到一定 的损伤程度后，温度监测法才能够有效地监测到。因此，温度分析法具有很大的应 用局限性。油样分析法是通过从滚动轴承所使用的润滑油中提取油样，收集和分析 其中金属颗粒的大小和形状来判断轴承工作状态的方法，其代表性的分析方法就是 硕士学位论文第一章绪论 铁谱诊断技术油样分析法具有操作简单、效果好的特点，可做轴承磨损机理性的 研究，能够发现早期的疲劳损伤，但是油样分析法的也有很大的缺陷。它只适用于 油润滑的轴承，对于脂润滑轴承检测很困难。另外这种方法还易受到来自其它零部 件损伤、脱落颗粒的干扰，严重影响其分析结果的准确性振动分析法是通过安装 在轴承座和箱体上的振动传感器来监钡4 轴承的振动信号并对其进行分析和处理的方 法振动分析法适合于各种类型各种工况的轴承可有效诊断出轴承的早期故障 信号澳4 试方便、分析简单、直观，诊断结果可信度高因此，在工业生产和科学研 究中，振动分析法得到了极为广泛的重视目前国内外开发生产的各种滚动轴承监 测诊断仪器和系统中。绝大多数都是根据振动原理研制的有关轴承监测和诊断方 面的文献8 0 以上也都是讨论的振动分析法此外，还有一些其他的诊断方法，如 油膜电阻诊断法、光纤诊断法和声发射诊断法等，它们适用的局限性较大，只能针 对特殊工况条件下的滚动轴承进行有效地监测和诊断。 1 2 。3 滚动轴承诊断技术的发展 。 滚动轴承状态监测和故障诊断技术起源于2 0 世纪3 0 年代，现已进入实用化和商 业化的发展阶段从监测方法发展情况来看，滚动轴承诊断技术经历了五个不同的 发展阶段”； r 第一阶段是借助听音棒等简易仪器仪表作为早期检测手段，监测轴承的工作状 态和损伤情况人工经验在诊断中占有主导地位，诊断的准确性和可信度都比较差。 第二阶段是采用频谱分析仪器来诊断轴承故障。1 9 6 5 年快速f o u r i e r 交换技术的 出现，使得频谱分析技术得到长足发展。各种通用的频谱分析仪纷纷出现，将滚动 轴承元件有损伤时产生的振动信号的特征频率与频谱分析仪得到的结果相对照，就 可以获知此轴承是否存在有故障魄”但是由于当时设备价格昂贵、分析精度低、抗 干扰性能差等诸多因素，使得轴承的监测和诊断并未走向实用化 第三阶段是使用冲击脉冲技术诊断轴承故障。2 0 世纪6 0 年代，瑞典s p m r 器公 司开发了一系列称为冲击脉冲计( s h o c k p u l s em e t e r ) 的仪器来监测轴承的工况，如轴 承分析仪( b e a r i n ga n a l y z e rb e a - 5 2 ) 、轴承自动分析系统e a r i n ga u t o a n a l y s i ss y s t e m b a s 系列产品) 等，这些设备具有操作灵活方便的特点现仍在广泛使用 第四阶段是利用共振解调技术诊断轴承故障。1 9 7 4 年砘i n i n g 发明了共振解调 分析系统嗍。共振解调技术采用谐振和带通滤波技术，借助包络频谱分析方法极大地 提高了分析结果的精度，特别是对轴承早期故障的诊断有了一个明显的改善。与s p m 技术相比较，共振解调技术不仅监测到冲击信号引起的高频谐振的幅值，还进行了 幅值包络信号的频谱分析，可诊断出轴承是否存在故障、故障发生的部位以及损伤 的大致严重程度包络解调技术也是一种应用广泛的信号分析与处理方法，可通过 硕士学位论文第一章绪论 硬件和软件两种方案来实现。硬件包络解调需要有包络解调器，成本较高，但效果 非常好。软件包络解调主要是通过希尔伯特变换( h i l b 豇tt r a n s f o r m ) 来实现，成本较 低，但分析效果不如硬件包络解调理想。 第五阶段是以微机为中心的滚动轴承智能诊断系统。将现有的滚动轴承状态监 测技术与神经网络专家系统等非线性信号与信息处理技术相结合，建立拥有大量知 识的滚动轴承故障特征信息库，实现轴承工况的智能分类和诊断，达到实时智能监 控的目的m ， 1 2 4 滚动轴承振动信号处理技术 在检测过程中，采集到的振动信号包含了轴承状态变化及故障特征的丰富信 息信号处理是提取故障特征的重要手段，而故障特征信息则是进行故障诊断的决 策依据。滚动轴承振动信号的分析处理方法有很多，如时域分析、频域分析，对一 频域分析等n ”。 时域分析是振动检测方法中发展最早的一种检测方法。在时域分诊断中，普遍 采用振动信号的基本数字特征及概率分布特征来进行分析和诊断。应用比较广泛的 有振动信号的平均值、均方根值、方差、概率密度函数、概率分布函数、自相关函 数、互相关函数以及峰值因子、波形因子、峭度系数等无量纲特征参数“”。单从时 域波形上直接观察分析，往往很难看出轴承的状态是否正常，更难判断有无故障的 性质、部位。 频域分析法直接对轴承信号进行频谱分析，结合频谱图的结构和特征频率的和 频及差频，可以对轴承的早期故障进行较精密地诊断。共振解调法是频域分析法中 的一种比较有效的方法。该方法以轴承的共振频率区作为监测频带，以经过放大、 滤波、解调后获得低频脉动信号作为分析依据但振动信号经过滤波等处理后，信 号的能量必然有一定的损失，如果处理不当，就会产生信号畸变，影响分析结果。 同时，由于流体动力噪声及旋转部件的振动干扰，工况( 轴承转速、润滑程度以及 现场的振动源) 对振动信号的影响较大，因此频域分析只适用于对简单机械进行简 单地诊断 时一频域分析是基于小波分析理论的一种分析方法，在机械故障诊断中得到了 广泛的应用。小波变换是一种日益获得广泛应用的信号分析方法，已成为国际上非 常活跃的研究领域，在时域和频域中同时具有良好的局域性，能够很好地反映瞬态 信号的特征，为诊断机械故障提供了有效的分析手段。 硕士学位论文 第一章绪论 1 3 论文结构安排及主要内容 第一章主要详细地阐述了论文选题的背景及意义、滚动轴承故障的特点。滚动 轴承状态监测和故障诊断技术的发展，滚动轴承故障诊断研究状况和论文研究的主 要内容。 ” 第二章主要论述了系统硬件设计，系统硬件设计采用了双c p u 的主从处理器的 方法，充分利用了d s p 的快速运算功能和单片机较强的控制功能，提高了系统的运 算速度，利用m c u 的强大的控制功能进行控制，d s p 和m c u 采用h p i 接口进行通信， 具体介绍了系统硬件组成框图、d s p 和8 7 5 1 h 的接口电路、t m s 3 2 0 c 3 2 和a d 5 7 4 的 接口电路、8 7 5 1 h 处理键盘输入和l e d 数码管显示的硬件框图、温度传感器d s l 8 2 0 的原理和接口电路以及d s p 扩展外部存储器原理和电路等。 第三章主要介绍了系统软件的实现从d s p 主程序流程和中断子程序流程、 8 7 5 1 1 1 主程序流程和中断子程序路程、d s p 处理算法中的f f t 和功率谱分析三个方 面进行了阐述，具体介绍了系统软件主程序、d s p 中断子程序、d s p 弓l 导装载子程 序、中断采样子程序、单片机控制程序、温度监测子程序、键盘和l e d 数码管显示 子程序同时给出了它们的算法流程：最后阐述了数据处理( f f r 和功率谱分析) 方面的原理。、 第四章以自适应正交最小方差法( s r 0 s l 法) 为工具，对功率谱分析的结果( 特 征向量) 进行小波分析和神经网络训练，更好地提取数据中的有用信息，提高了系 统的可靠性和精确度。 第五章主要总结了论文撰写过程中的主要工作，收获和对下一步工作的展望。 6 硕士学位论文第二章故障诊断与监测硬件系统 第二章故障诊断与监测硬件系统 。2 1 滚动轴承故障诊断的基本环节 滚动轴承故障诊断的目的是保证轴承在一定的工作环境( 承受一定的载荷下运 转) 和一定的工作期间( 一定的工作寿命) 内有效可靠地运行，以保证整个系统的 工作精度。滚动轴承故障诊断就是通过对轴承工作状态信号的观测、分析和处理来 识别轴承的状态。一般来说，滚动轴承故障诊断过程包含信号采集、特征提取、状 态识别、故障分析和决策干预等五个基本环节。 1 信号采集：根据轴承的工作环境和性质，选择并测取能够反映轴承工作状态 的信号目前已有多种方法，如按信号测取方式不同，可将故障诊断分为振动、声 学、温度、铁谱分析、压力、电参数、表面形貌、污染物和光学振动等。 2 特征提取：主要利用数学工具，如f f t 、z 变换、小波变换、相关函数及功 率谱等信号处理技术，熵谱分析等数学工具进行信号的分析与处理，从而提取能够 反映轴承工作状态的特征信息。 3 状态识别：根据提取的特征信息，通过一定的故障识别方法识别轴承的状态， 简单地判断轴承的工作状态是否正常。目前主要有数学分析、控制论、系统辩识、 人工智能和模式识别多种方法 、 4 故障分析：当轴承出现故障时，详细分析故障的类型、部位、性质、产生原 因及发展趋势等； 5 决策干预：根据轴承状态及发展趋势，作出调整、控制或维修等决策，对轴 承的使用进行干预。 轴承故障诊断过程如下： 图2 - 1 故i 擘诊断过程方框图 7 硕士学位论文 第二章故障诊断与监测硬件系统 2 2 系统设计要点 设备的监测与诊断系统，是- - f 正在形成和高速发展的边缘学科，其诊断功能 的发展速度和诊断方法的更新速度均高得惊人。因此在进行设计时。无论在硬件配 置和软件设计方面，都应充分考虑系统的适应性、灵活性和可扩性，以便根据需要， 不断扩充或更新系统为此，在系统的硬件和软件设计时应考虑： ( a ) 选用的处理结构，必须具备必要的、进一步的开发与扩展功能； ( b ) 硬件配置采用拼装式积木结构，这样可根据需要随时更换和增加必要的部 分； ， ( c ) 软件结构设计上采用模块化的设计方法，模块问的联系应尽可能少，模块可 根据需要进行删除和增加。 一般情况下，故障监测诊断系统应具有下列基本功能“”： ( a ) 实时在线采集功能，实时采样是进行实时分析、自动监测及自动诊断的基础； ( b ) 数据分析处理功能； ( c ) 自动进行状态判别和故障诊断功能，即系统可自动区分故障的有无、故障的 类型、位置、程度、原因及发展趋势等； ( d ) 人机对话功能，即操作人员能利用键盘实现人机对话，提供各种信息，进行 各种分析等。也可向计算机提供更多的信息，帮助计算机进行更好的诊断，不断增 加系统的功能； 。 ( e ) 进行定期巡检、连续监测的能力； ( f ) 分时诊断功能，即可对多个对象进行分时诊断，这些对象的诊断方案可以互 不相同，系统可以根据情况自动选择： ( g ) 多样化的结果图形显示、光标定位、打印输出等，为使用者分析、观察提供 方便。 2 3 系统总体设计 数字信号处理可以根据监测的对象及控制要求，采取不同的方法来实现。一般 情况下有下述5 种方法”： ( 1 ) 在通用计算机上用软件( f o r t r a n 、c 语言、c + + 等) 对d s p 算法进行模拟实 现。 ( 2 ) 在通用计算机上加专用d s p 芯片来实现数字信号处理，专用性强。 0 硕士学位论文第二章故障诊断与监测硬件系统 ( 3 ) 用单片机( 如m c s - 5 1 、9 6 等系列) 来实现这种方法可以用于一些不太复 杂的数字信号处理，如数字控制，适合实现简单的d s p 算法。 ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片来实现。与通用单片机相比，d s p 芯片具有更加适 合与数字信号处理的软件资源和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法。 ( 5 ) 在要求数字信号处理速度极高的特殊场合，用通用的d s p 芯片难以实现， 因此采用专门的d s p 芯片来实现，如专用于f f t 、数字滤波、卷积、相关等算法的 d s p 芯片，这种芯片将相应的算法固化在芯片中，无须进行编程，专用性强。 振动控制系统是一个典型的实时信号处理系统，需要对较复杂的信号进行处理。 但考虑到单片机的控制功能强，其总线位数少，运行速度相对慢一些；而d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 的运算能力强，总线宽度宽，控制功能相对要弱一些。为了提高 系统的信号处理速度，便于对系统的硬件和软件的进一步开发，在第4 种方案的基础 上，结合单片机的控制能力，设计了d s p + m c u 的方案。 轴承故障诊断系统由软件系统和硬件系统组成，具有信号采集、数据处理、信 号分析、故障诊断等主要功能。硬件系统配置如图2 - 2 所示，实现的是一个基于定点 d s p 芯片t l i s 3 2 0 c 3 2 的滚动轴承振动故障诊断系统。从硬件上看，主要分成三部分： 信号采集模块、控制模块和信号处理模块 图2 - 2 系统硬件组成结构框图 滚动轴承的振动信号都属于高频信号，因此应用加速度传感器进行信号的拾 取。但由于加速度传感器所测得的信号较弱，必须经过电荷放大器、抗混滤波等系 9 硕士学位论文 第二章故障诊断与监测硬件系统 列电路处理后才能进入a d 转换电路帆棚。处理后的振动信号和经单片机采集到的温 度数据均送n d s p 处理器进行处理分析，作出故障预报和诊断对已形成的或正在形 成的故障进行分析处理，判断出故障产生的部位及原因，并及时采取有效的措施。 单片机负责执行显示和d s p 子系统的控制功能，包括d s p 的命令解释、数据传输控制、 数据的输入输出等控制功能，使d s 呵以执行高速、实时的d s p 算法存贮器包括程 序储存器和数据储存器，用于储存用户程序( e p r 叫) 和实时数据( r a m ) 本系统主要适用于对滚动轴承振动信号的采集，处理和故障诊断，并通过轴承 温度信号实现对轴承工作状态的监测采用高速a n 进行数据的采集，保证了数据分 析所需的数据量。能实现对采集数据的幅值域、时域和频域分析。软件采用模块化 设计思想，使系统的维护，改进和功能扩展十分方便，还可进一步推广到其它振动 信号的采集和分析。 2 4 信号采集模块 d s p 系统的核心部分是d s p 芯片。但是d s p 芯片能处理的信号必须是数字的，而实 际系统中的信号绝大多数是模拟信号，这就需要通过前向和后向通道将d s p 芯片和实 际系统联系起来。d s p 的前向通道就是将实际系统中的物理信号转化为数字信号的通 道。这一通道包括传感器、信号调理模块、 d 信号转换和多路转换开关等传感器 将滚动轴承的振动信号转化为电信号。信号调理模块主要是将传感器输出的电压或 电流信号进行必要的放大、滤波和运算得到用户需要，而且满足a d 转换芯片要求的 信号。再由a d 转换得到适合c p u 处理的o ，l 数字信号由于滚动轴承的振动信号都 属于高频信号，因此应用加速度传感器进行信号的拾取。但由于加速度传感器所测 得的信号较弱，必须经过电荷放大器、程控放大、抗混滤波等系列电路处理后才能 进入a d 转换器中。 2 4 1 传感器的选用与布置 系统中采用了y d - 1 2 压电式加速度传感器。因为该传感器具有工作频带宽、体积 小、重量轻、寿命长、安装方便、不易损坏等优点。这种传感器的设计与生产在国 际上已趋于标准化，可以方便地与d h f 系列电荷放大器、阻抗变换器( 电压跟随器) 或国内外同类产品配套使用嘲其具体的性能参数如下： 电荷灵敏度：8 - 1 2 p c ls 1 ； 最大灵敏度：3 ； 谐振频率：2 6 k i l z ，峰值1 2mv 扎s 2 ； 电容：1 4 5 1 p f ； 硕士学位论文 第二章故障诊断与监测硬件系统 电缆电容：1 4 0 p f s 加速度范围： 上限频率：2 8 k h zz 加速度非线性： 横向灵敏度：5 ； 绝缘电阻：1 0 5 m q ； 使用温度范围：一4 0 - + 8 0 l 质量：0 2 4 5 k g 传感器安装在轴承座上，与轴承外圆柱面垂直接触( 误差0 5 岫) ，用电缆 线将电荷放大器和传感器连接，在接近振动区域处，用树脂将其固定。以避免由于 轴承的振动所引发的干扰信号造成对有用信号的扭曲。 2 4 2 电荷放大器 由于压电式传感器的输出阻抗非常高，而输出的信号却很小。因此必须用特殊 的前置放大器进行阻抗变换及放大。目前，常用的放大器主要由两种，一种是电压 放大器，另一种是电荷放大器。由于电压放大器的电缆分布电容对测量结果影响较 大，电缆的长度对放大器的灵敏度也由较大的影响。在实际使用中应根据电缆的长 度来重新校正放大器的灵敏度，从而限制了电压放大器的使用范围。而采用电荷放 大器，一方面电荷放大器对电缆分布电容不敏感，可以根据需要使用电缆线的长短； 另一方面，加速度计的低频效应不是采用放大器的r c 时间常数来计算，而仅取决 于放大器的低频效应，因此可用于低频或超低频的振动测量啪1 。 本系统中采用d h f - 7 型电荷放大器。该放大器集成度高、性能稳定，电缆长度 对被测信号影响较小，长电缆对被测信号无明显的衰减作用。其具体的性能参数如 下： 电荷灵敏度：l o m v 1 0 0 m v p c ( 也可根据用户的要求确定) l 工作频率# 0 3 h z 5 0 k l - z ( 3 ，也可根据用户的要求扩展频带) ； 精度：2 ( 1 6 0 h z ) ； 最大输入电荷：l o o p c ( 电荷灵敏为i o m v p c ，使用士1 5 v 电源) ； 最大输出电压：士i o v ( p - p 值) ； 最大输出电流：5 m a l 交流噪声：2 m v ； 直流零漂：5 1 v l v ； 工作电源：外接直流电压( 5 、r 1 5 v ) ； 外型尺寸i 舫x 6 0 x 3 0 b i m 。 硕士学位论文第二章故障诊断与监测硬件系统 2 4 3 抗混滤波电路； 抗混通滤波器的性能指标： 带内噪声应足够低，以保证转换器的动态范围，通常滤波器的带内噪声应 低于- 6 5 d b ； 滤波器的带内波动限制在0 3 d b 以内； 对a d 转换器原有的幅频特性不造成影响 振动信号部具有一定的频率带宽，分为工作频带内、工频带外两个部分。工作 频带以内部分的频率分量是有效的，工作频带以外的频率属于扰信号。按照采样定 理，控制系统的采样频率通常大于设置的最高工作频率的两倍当带外出现频率成 份时采样仍然会出现频率混淆带外频率成份仍将会混淆到带内并叠加在带内频率 成份上，使信号的频谱出现正误差此时控制系统会把由频率混叠产生的这种正误 差误认为是工作频带内谱线超差而进行修正，从而使驱动谱减小，使实际的振动试 验出现欠振动。在实际情况下，滚动轴承特征频率和基频及这些频率合成的高次谐 波频率一般在几h z 到i o k h z 之间，系统中采用的采样频率为2 0 k h z ，基本能满足实 际需要。 本系统采用了m a ) 【i m 公司的m a x 2 9 7 作为抗混低通滤波器嘲，它是8 阶开关电容式 低通椭圆滤波器，采用输入时钟频率控制输出转角频率的方式来实现对模拟信号和 数字信号的滤波。可广泛地应用于小信号数据采集系统滤波，抗混迭滤波、模数变 换后置滤波及声音数据信号滤波等场合它的截止频率设定范围为o 1 h z 一5 0 k h z ，开 关频率与截止频率的比率为5 0 ：l 。开关频率由8 7 5 1 h 的内部定时器控制，因此通过软 件可以很方便地对截止频率进行修改。 2 4 4 v i ) 转换电路 a d 转换的作用就是将传感器检测到的反映滚动轴承工作状态的模拟振动信号 转换为计算机可以识别的数字信号。 a d 5 7 4 a 是美国模拟数字公司( a n a l o g ) 推出的单片高速1 2 位逐次比较型a d 转换器，内部集成有转换时钟，参考电压源和三态输出锁存器，可直接和微机接口， 而且无需外接时钟。具有外接元件少，功耗低，精度高等特点并且具有自动校零 和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的 d 转换器 仰5 7 4 a 主要功能特性如下： 分辨率：1 2 位； 非线性误差：小于l 2 l b s 或士1 l b s ； 硕士学位论文第二章故障诊断与监测硬件系统 转换速率：2 5 t l l s ； 模拟电压输入范围：o - - - i o v 和o _ - 2 0 v ，0 - - - 5 v 和o 一i o v 两档四种； 电源电压l 1 5 v 和5 v ： 数据输出格式：1 2 位8 位； 芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式。 a d 5 7 4 a 为2 8 引脚双列直插式封装，这2 8 个引脚的管脚功能分别为： 表2 1 d 5 7 4 引脚说明表 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 l野电源输入端1 5 d c 数字地端 一 21 2 8 数据模式选择端 1 6咖 数据线 3c s 片选端 1 7胞l 数据线 4a o 字节地址短周期控制端 1 8d b 2 数据线 一 5i l c 读转换数据控制端 1 9d b 3 数据线 6c e 使能端 2 0d b 4 数据线 7 v c c 正电源输入端 2 1 m 1 5 数据线 8r e f 埙r r 内部基准电源电压输出端 2 2d b 6 数据线 9 a c 模拟地端 2 3肺7数据线 1 0m ! fi n 内部基准电源电压输入端 2 4嘲 数据线 l lv 负电源输入端 2 5d b 9 数据线 1 2b i po i 下 补偿调零线 2 6d b l o 数据线 1 3 l o v i o v 量程模拟电压输入端 2 7d b l l数据线 1 42 0 v 埘 2 0 v 量程模拟电压输入端 2 8s t s 工作状态指示信号端 a d 5 7 4 a 的工作状态受c e 、1 2 恧、c s 、r c 和a 0 的控制。在c e _ 1 、c s ：o 同 时满足时a d 5 7 4 a 才会开始工作。在a d 5 7 4 处于工作状态时，当r 虿司时，a d 转 换；当r 虿= l 是进行数据读出。1 2 8 和a o 端用来控制启动转换的方式和数据输 出格式。a o = o 时，启动的是按完整1 2 位数据方式进行的。当a o = i 时，按8 位a d 转换方式进行当r f = l ，也即当a d 5 7 4 a 处于数据状态时，a o 和1 2 8 控制数据 输出状态的格式当1 2 8 = 1 时，数据以1 2 位并行输出，当1 2 i = o 时，数据以8 位分两次输出而当a o = o 时，输出转换数据的高8 位，a o = i 时输出a d 转换数据 硕士学位论文第二章故障诊断与监测硬件系统 的低4 位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零其操作功能如表2 2 所 示 表2 - 2 d 5 7 l 毒毫作功能表 馐蕊 c1 2 8 a o 工作状杏 0x x x x禁止 ilxxx 禁止 lo ox o 启动1 2 位转换 looxl 启动8 位转换 lol接+ 5 vx 1 2 位并行输出有效 lol 接0 v 0 高8 位并行输出有效 lo l接0 v l 低4 位并行输出有效 囝2 - 3a d 5 7 4 a 接口电路 图2 3 是t m s 3 2 0 c 3 2 与a d 5 7 4 a 的接口电路。电路中使用了三态锁存器7 4 l s 3 7 3 和7 4 l s o o 与非门电路，逻辑控制信号由( 西，f 和a o ，s t t i f s ) 由t 嬲3 2 0 c 3 2 的 并行数据口d 7 发出，并由三态锁存器7 4 l s 3 7 3 锁存到输出端q 5 ，q 6 和q 7 上， 用于控制a d 5 7 4 a 的工作过程。a d 转换器的数据输出也通过数据总线连至 1 4 硕士学位论文 第二章故障诊断与监测硬件系统 t i i s 3 2 0 c 3 2 ，由于只使用了8 位数据口，1 2 位数据分两次读进t m s 3 2 0 c 3 2 ，初始化 时r 虿要为低电平，表示进行的是1 2 位的a d 转换。当t m s 3 2 0 c 3 2 有i n t o 中断来 时，表示a d 5 7 4 转换结束，t m $ 3 2 0 c 3 2 进入中断子程序读入采样值，先将1 2 位a d 数据的高8 位读进t m s 3 2 0 c 3 2 ，然后再将低4 位读进t m s 3 2 0 c 3 2 。这里不管a d 5 7 4 a 是处在启动、转换和输出结果，使能端c e 都必须为1 ，因此将t m s 3 2 0 c 3 2 的写控 制线和读控制线通过与非门7 4 l s 0 0 与a d 5 7 4 a 的使能端c e 相连。 2 4 5 温度传感器 d s l 8 2 0 是美国d a l l a s 半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度 传感器。它具有微型化、低功耗、高性能，抗干扰能力强、易配微处理器等优点， 可直接将温度转化成串