（控制理论与控制工程专业论文）基于pc机的滚动轴承自动检测与故障诊断系统.pdf

浙江大学硕士毕、【e 论文 摘要 目前的轴承生产厂家所使用的轴承振动检测仪基本上都是以手动为主，完全通过榆测 丁人用耳机来判断轴承的异音情况，这样，人的主观因素对轴承检测结果的影响就很难消除。 轴承装配作业的趋势是流水线装配，许多厂家都引进了集装球、合套、注脂压盖、清洗为一 体的自动装配线，但轴承的振动检测始终没有实现上线自动操作，市场对轴承自动振动检测 线的需求越来越明显。 本文通过大量的文献资料阅读，在对轴承振动检测以及故障诊断技术的发展、现状和趋 势有一个比较全面了解的基础上，详细分析了轴承振动与噪音之间的关系，提出了通过共振 解调法和小波多尺度分析的方法，对轴承进行损伤类故障的诊断，效果非常明显，能够清楚 地判断出故障的所在。针对目前手动检测的不足，设计了一条基于p c 机的全自动轴承检测 流水线，能够以4 秒钟一个的检测速度对轴承进行双面检测，并针对“异音”问题进行了时 域参数的设计，通过在工厂的实际试验，基本可以满足现在市场对轴承振动“异音”分析的 需要。 本文的主要内容包括： 第一章，阐述了本论文研究的背景与重要意义，对故障诊断技术和国内外轴承振动检测 的发展进行了详细的介绍，并在最后阐述了本论文主要研究的内容和所涉及的领域。 第_ _ 二章，详细分析了轴承振动的机理，在参考大量文献的基础上，论述了轴承的振动和 噪音之间的密切关系，证明了可以通过对振动信号的分析来解决异音问题。最后还提出了可 以用于轴承振动信号分析的时域参数，并应用于全自动振动分析的软件上。 第三章，对滚动轴承故障诊断的理论进行了探讨，主要对目前较为成熟的共振解调法进 行了详细的介绍。在对滚动轴承损伤类的故障诊断理论模型以及共振解调的数学模型进行分 析的基础上，通过基于m a t l a b 的仿真分析，运用经典傅立叶分析和小波分析两种数学手 段对轴承的故障振动信号进行了处理，提取出轴承的故障频率，从而判断出轴承的故障所在。 第四章，对全自动轴承检测线的设计进行了详细介绍。首先介绍了系统的整体结构设计， 然后对系统的硬件以及软件结构进行了阐述，最后对系统的实验运行情况进行了介绍。 第五章，对本论文的研究工作和研究成果进行了总结，并展望了未来的研究工作。 关键词：轴承检测，故障诊断，自动流水线，0 控制，小波分析，共振解调，信号处理 浙江人学硕士毕业论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h er o l l i n gb e a r i n gv i b r a t et e s tm a c h i n e su s i n gi nt h ef a c t o r ya r eb a s e do n h a n d - t e s t i n g w o r k e r sl i s t e nt ot h ev o i c eo f t h e v i b r a t i o no f t h er o l l i n gb e a r i n ga n dt h e nd e c i d et h e q u a l i t y t h et r e n do f t h eb e a r i n gt e s ti s a u t o m a t i o n m a n yf a c t o r i e sh a v ei n t r o d u c e dp i p e l i n i n g t e c l m o l o g y b u t t h ev i b r a t i o nt e s ti ss t i l ls e p a r a t e df r o mt h ep i p e l i n e ，o p e r a t i n gb yt h ew o r k e r t h e a u t o m a t i o no f t h er o l l i n gb e a r i n g t e s t i n gi ss o r e l yn e e d e db y t h em a r k e t b a s e do nw i d e l y r e a d i n go fr e f e r e n c e s a n d u n d e r s t a n d i n go fb e a r i n gv i b r a t i o n t e s t t e c h n o l o g ya n db e a r i n gf a u l ta n a l y s i st h e o r y , t h i st h e s i sa n a l y z e st h er e l a t i o n s h i po ft h ev o i c ea n d t h ev i b r a t i o no f t h e b e a r i n g ，p u t t i n gf o r w a r dt h er o l l i n gb e a r i n gf a u l td i a g n o s i sm e t h o dt h r o u g ht h e r e s o n a n c ed e m o d u l a t i o na n dw a v e l e ta n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ef a u l tf r e q u e n c yo ft h er o l l i n g b e a r i n g ，w ec a l le s t i m a t et h ef a u l ts o u r c eo f t h er o l l i n gb e a r i n g ，a i m i n ga tt h ed e f i c i e n c yo f r o l l i n g b e a r i n gv i b r a t i o nt e s tm a c h i n ea tp r e s e n t , w ed e s i g nt h es y s t e mo fr o l l i n gb e a r i n ga u t o m a t i c t e s t i n gb a s e do np c c o n t r o la n da n a l y s i s t h i ss y s t e mc a nr e s o l v et h ea b n o r m a ln o i s ep r o b l e mb y i n t r o d u c i n g n e w p a r a m e t e r so f t h et i m ed o m a i n t h es y s t e mw o r k sw e l li np r a c t i c e t h em a i nc o n t e n t so f t h e s t u d y a r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a n c eo f t h es t u d ya r es t a t e d t h ed e v e l o p m e n t t r e n da n dt h ec n l t e l l tr e s e a r c hs i t u a t i o n so ff a u l td i a g n o s i s t h e o r ya n dt h er o l l i n gb e a r i n gv i b r a t i o n t e s tt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a n dt h em a i nc o n t e n to f t h ed i s s e r t a t i o ni sp r o p o s e d i nc h a p t e r2 ，t h em e c h a n i s mo ft h er o l l i n gb e a r i n gv i b r a t i o ni sa n a l y z e di nd e t a i l ，b a s e do i l t h ew i d e l y r e a d i n go f r e f e r e n c e s ，a n dt h er e l a t i o n s h i po f t h ev i b r a t i o na n dt h en o i s eo f t h er o l l i n g b e a r i n gi s s t a t e d i tp r o v e st h a tw ec a l ls t u d yt h ev i b r a t i o no ft h er o l l i n gb e a r i n gt os o l v et h e a b n o r m a ln o i s e a tl a s tw ei n t r o d u c et h ep a r a m e t e r si nt h et i m ed o m a i n i n c h a p t e r3 ，w e d i s c u s st h e t h e o r y o ft h e r o u i n gb e a r i n g f a u l t d i a g n o s i s ，m a i n l y d e m o n s t r a t i n gr e s o n a n c ed e m o d u l a t i o nt h e o r y a f t e rd e m o n s t r a t i n gt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h e r o l l i n gb e a r i n gr e s o n a n c ed e m o d u l a t i o nt h e o r y , w eu s em a t l a bt os i m u l a t et h ec l a s s i cf o u r i e r a n a l y s i sa n d t h ew a v e l e ta n a l y s i sb y u s i n gt h ef a u l tb e a r i n gv i b r a t i o ns i g n a l i n c h a p t e r4 ，t h es y s t e mo fa u t o m a t i cr o l l i n gb e a r i n gt e s t i n gi si n t r o d u c e di nd e t a i l ， i n c l u d i n gt h es t r u c t u r eo f t h es y s t e m ，t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e i nc h a p t e r5 ，t h es t u d yc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so ft h ed i s s e r t a t i o nh a v eb e e ns u m m a r i z e d ， a n dt h ef u r t h e rw o r k sh a v eb e e nf o r e c a s t e d k e y w o r d s ：b e a r i n gt e s t i n g ；c o n t r o ls o f t w a r e ；i oc o n t r o l ；f a u l td i a g n o s i s ；r e s o n a n c e d e m o d u l a t i o n ；w a v e l e t a n a l y s i s ； i i 浙江大学硕士毕业论文 1 1 选题意义 第一章绪论 随着现代工业的飞速发展，机器作业已经在很大的范围内取代了手工作业， 在生产过程中基本上实现了自动化，这时品质检测的自动化和智能化引起了人们 的重视。 现在的工业产品很多都是由许许多多的零部件组成，结构越来越复杂，功能 也越来越完善，各部分紧密的耦合，协同工作，一个零件的失效或者故障都可能 引起整个系统的崩溃，造成重大的事故。1 9 8 6 年1 月2 8 日，美国航天飞机“挑 战者”号的空中爆炸事件，导致7 名宇航员全部遇难，总计损失达1 2 亿美元， 故障原因仅仅是由于当时温度较低而导致燃料仓里面的密封圈橡胶材料失效而 导致泄漏，从而造成人类航天史的一大悲剧。众所周知，机械设备在国民经济生 产和人民生活中有非常重要的作用，机器失效和机器停产也就必然会造成巨大的 经济损失和给人民生活带来极大的不便；严重的时候，甚至可能给人类生活环境 带来危害，1 9 8 6 年4 月2 6 日，前苏联切尔诺贝利核电站大量放射性元索外泄事 件，致使2 0 0 0 多人伤亡，数万人疏散，损失达3 0 亿美元，污染波及周边各国。 在生产过程中，保持尽量长时间的机器正常运作、尽可能快地知道故障的发 生以及产生故障的原因、尽量地减短用于停机维修的时间，这些对于提高经济效 益和生产效率的作用是显而易见的。现代工业产品朝着大型化、高自动化方向的 发展，其代价就是一旦出现故障，诊断和排除的时间大大地增加。一般认为电子 设备的故障诊断时间占全部停歇时间的9 0 ，而排除故障只占1 0 ；对液压设 备虽然比例没这么高，但故障诊断的时间仍比排除时间长。这样，研究并应用设 备状态监测、故障诊断、状态预测技术意义的就非常重大。 研究并应用设备状态监测、故障诊断、状态预测技术不仅可以早期发现故障， 避免恶性事故的发生，还可以从根本上解决目前设备定期维修中维修不足和维修 过剩的问题。据美国统计局统计，美国1 9 9 0 年全年税收为7 5 0 0 亿美元，而工业 设备的维修费用就达2 5 0 0 亿美元，专家估计其中约7 5 0 亿美元是“过剩维修” 费用。另据日本统计，在采用诊断预测技术后，事故率减少了7 5 ，维修费降 低2 5 5 0 。英国对于2 0 0 0 个国营工厂的调查表明，采用诊断技术后，每年 节省维修费3 亿英镑。我国每年用于设备维修的费用仅冶金部就达2 5 0 亿元，若 将故障诊断技术推广，每年可减少事故5 0 7 0 ，节约维修费用1 0 3 0 ， 效益相当可观。 浙江大学硕士毕业论文 轴承在国民经济建设中具有极其重要的作用。它足各种旋转机械中应用最广 泛的一种通用机械部件。其中，滚动轴承是高度标准化的机械元件，有着多种尺 寸规格和精度等级的系列型号，可以在相当宽广的范围内满足用户对轴承的基本 要求。轴承在大型机械和小型机械中都有着广泛的应用，而轴承质量的好坏对机 械设备的安全运转有着很重要的影响，在组装机械的时候保证轴承的质量和对工 作中的轴承部件进行实时观测，有非常重要的意义。 国外对滚动轴承降振降噪技术的研究十分重视，除制定轴承振动测量方法和 限值标准外，还制定了滚动轴承噪声测量方法及噪声分级标准，如美国a n s i a f b s t d l 3 1 9 8 7 滚动轴承振动噪声( 测量方法) ，德国t g l 一2 0 9 1 4 滚动轴承噪 声机械声测量装置，日本j i sb1 5 4 8 9 5 滚动轴承噪声的测量方法的标准， 这些标准规范促进了国外轴承技术的发展。国内对轴承噪声的控制起步较晚，这 几年在国内的轴承研究所的努力下，推出了中华人民共和国机械行业标准 j b t 5 3 1 4 9 l 滚动轴承振动( 加速度) 测量方法，j b t5 3 1 3 9 1 滚动轴承振 动( 速度) 测量方法和j b t7 0 7 4 9 3 滚动轴承深沟球轴承振动( 加速度) 技术条件。 本课题以旋转机械中应用最广泛的滚动轴承在线实时状态检测、质量检测以 及智能故障分析为研究方向。目标是开发出一套能够加入到轴承生产后装配线 中，将轴承的注脂压盖机、合套机、装球机等设备连成一体的全自动生产线，从 而可以大大地提高生产效率，减少生产人员，降低生产成本。在自动检测合格的 基础上，进一步增加判断故障原因，即智能故障诊断功能，对轴承质量原因进行 实时的反馈，这有助于生产厂家在最快的时间内发现生产的缺陷，针对故障原冈 改进工艺。 轴承振动噪声性能的检测技术涉及到机械制造、电子技术、计算机技术、 信号处理、信息处理等众多学科和技术的交叉应用。对振动噪声的机理，国内外 都做了大量的研究，可以说基本透彻，但是关于振动和噪声的关系仍有不同的看 法。对轴承的故障检测研究很多，比较成熟的是共振解调法，在工程上已经有所 应用。 1 2 技术发展现状综述 1 1 1 故障诊断技术概述 机械故障诊断技术最早是在六十年代初期由于军工、航天工业发展的需要而 2 浙扛大学硕士毕业论文 发展起来的，以后逐步推广到核能设备、动力设备以及其它一些大型成套设备中 去。随着科学技术的发展，机械设备趋向大型化、高速化、精密化和自动化。为 了提高机器运行的可靠性，进一步提高机器的利用率，就必须对机器的运行状态 或者重要部件的运行状态进行识别、预测和监视，以便做预测性维修。所谓的故 障诊断就是对机器或者工程系统的故障模式进行分类和识别或者根据现有的知 识和一定的推理机制推断出其故障之所在。对重要设备的重要部件，为了保证运 行稳定性，可以采取在线故障监测以及诊断技术，也就是在运行的机器部件上安 装必要的传感器，将检测的信号输入到计算机，采用信号处理技术与诊断理论， 实时判别正在运行的机器是否正常，如果出现故障，实时判断故障的原因。 描述机器症状( s y m p t o m ) 与故障( f a u l t ) 之间的逻辑关系( r e l a t i o n ) 及 规律的理论称为诊断理论。如果某种症状与某种特定故障存在确定的对应关系， 则由症状确定故障就简易可行。现实中，一种故障常常产生多种症状，而同一种 症状更可以由不同的故障所引起。症状本身具有离散性和模糊性，而大多数症状 与故障之间都不是确定的关系。症状与故障间关系的错综复杂导致了诊断的困难 性。如今在诊断理论方面取得了一定的进展，如建立在概率理论上的b a y e s 判别、 f i s h 判别；与数理统计有关的证据理论、以规则性为前提的可能性理论、布尔 逻辑和置信因子模型：还有以隶属关系和关联度为表现形式的模糊诊断和灰色理 论等等。 文献n 】中提出，故障机理指的就是针对某类元件或者机器，症状与故障 之间的具体关系。对零部件而言，研究故障机理要从零部件的物理结构、材料力 学等许多方面入手，进行大量的理论分析和实验观察认证，需要大量的工作。这 是故障诊断的基础，只有对故障的机理进行透彻的分析，才有可能寻找到最合适 有效的诊断方法。 诊断工作从症状的观察和观测入手。由于随机事件的作用，症状信号( 诊断 信息) 经常混入大量的干扰。有时，这种干扰大到淹没主要的症状信号，给症状 的识别带来很大的困难。首先，我们应该判断的是是否出现故障，也就是合格的 界定问题。在选择了合适的分析手段后，对所要分析的信号( 可以是振动信号， 铁谱分析，也可以是超声波反射信号等等) 在某个域得到一些参数或者准则，要 说明的是这些用来判断合格的参数或者准则应该具有明显的界定性。而这个准则 和参数的确定是经过大量的试验，由统计方法得到的。当判断出有故障，下一步 的工作就是要判断故障的类型、部位和严重程度了。前面已经说过，症状和故障 不一定具有一一对应的简单映射关系。如果从症状选择某些特征值，而这些特征 值和故障具有简单的映射关系，那么诊断问题就转化为选择和构造症状特征的问 题。我们研究的课题主要就在于此，即应用不同的信号处理技术选择和构造症状， 浙_ i 工大学硕士毕业论文 来得到特征值。 一般诊断过程如图卜l 所示： 图1 1 故障诊断过程示意图 故障诊断技术的分类方法可以如图1 - 2 所示 图1 2 故障诊断技术分类方法图 4 浙江大学硕上毕业论文 据检测信号不同，文献1 2 1 提出，常用的诊断手段有： 机械检测：包括振动检测、噪声检测、超声波检测、激光检测、转速气压检测和 核磁共振检测等多种检测手段。 油质检测：包括光谱检测、铁谱检测、污染检测和粘度检测等。 温度检测：包括点温检测、红外成像检测等。 电器检测：包括绝缘检测、介质损耗检测等。 本课题研究对象滚动轴承的检测手段根据轴承的失效形式不同而不同，文献 3 中提出主要使用的检测方法有振动及噪音检测法、温度检测法、磨损颗粒检 测法、超声波发射检测法、轴承游隙检测法、油膜电阻检测法以及光纤法等。其 中以振动检测法使用得最为广泛，基本上可以使用于所有的失效形式，本课题的 研究也是基于振动检测法的，振动的机理如下图l - 3 所示： 轴的旋d 轴承表面的损激振力。 轴承+ 外壳的振动 振动与振动信号拾腿 7 i 伤( 凸凹)系统 图1 3 轴承振动检测诊断机理图 1 2 3 轴承故障诊断技术的发展 滚动轴承在整个工业的应用十分广泛，许多设备的正常运行在很大程度上都 取决于轴承的稳定、正常工作。在工业应用中，轴承是设备的关键零件之一，如 果故障轴承不被及时检测出来，将有可能会造成整个设备的瘫痪，甚至造成巨大 损失。轴承故障检测包括生产过程中检测和使用过程中检测，对于轴承生产者来 说，在生产过程中就检测出有故障的轴承予以排除，可以提高产品质量，同时可 发现生产工艺的缺陷；对于轴承使用者来说，时刻监测轴承状态并对故障轴承及 时做出诊断，可以将故障轴承造成的损伤降到最小。所以轴承故障检测是至关重 要的。 目前有很多轴承故障检测方法，大致可以分为：振动法、噪声法、温度法、 油样分析法。其中振动法使用最为广泛。有多种技术已被应用来分析轴承的振动 噪声信号，如：轴承振动信号的时域和频域参数分析，冲击脉冲技术( s h o c kp u l s e m e t h o d ) ，噪声检测法和声发射检测法( a c o u s t i ce m i s s i o nm e t h o d ) 【4 】。预测轴 承异常还有其他方法，如润滑油磨损粉末分析法等。在过去二十年研究轴承异常 的文献中，大部分是采用振动和噪声检测法。t a n d o n 和n a k r a1 5 1 公布了滚动 轴承监测条件下不同振动和噪声检测方法的详细资料，如时域和频域的振动检测 浙江大学硕士毕业论文 法、噪声检测法、冲击脉冲技术和声发射法。 温度法通过监测轴承座( 或箱体) 的温度来判断轴承l 作是否1 卜常。温度监 测对轴承负荷、速度和润滑情况的变化反映比较敏感，尤其是对润滑不良而引起 的轴承过热现象很敏感。所以，用于这种场合比较有效。但是，当轴承出现诸如 早期点蚀、剥落、轻微磨损等比较微小的故障时，温度监测基本上没有效果，只 有当故障达到一定程度时，才能由这种方法监测到。所以，温度监测不适用于点 蚀、局部剥落等所谓的局部损伤类故障。 油样分析法是一种从轴承所使用的润滑油中提取出油样，通过收集和分析油 样中金属颗粒的大小和形状来判断轴承工况和故障的方法。这种方法只适用于油 润滑轴承，而不实用于脂润滑轴承。另外，这种方法易受其它非轴承损坏掉下的 颗粒的影响。所以，这种方法具有很大的局限性。 振动法是通过安装在轴承座或箱体适当方位的振动传感器监测轴承振动信 号，并对此信号进行分析与处理来判断轴承工况与故障的。由于振动法具有： 适用于各种类型各种工况的轴承；可以有效地诊断出早期轻微故障：信号测 试与处理简单、直观；诊断结果可靠等优点，所以在实际中得到了极为广泛的 应用。用振动法进行故障检测，又可分为时间检测法和频率检测法。时间检测法 中有代表性的检测项目有：峰值、有效值、峰值因数、峭度和脉冲因数等。频率 分析法中有代表性的检测项目有：同步均衡、对数倒频谱、可调频率分析法、高 频共振分析法和短时信号处理等。目前，国内外开发生产的各种滚动轴承监测与 诊断仪器和系统大都是根据振动法原理制成的。从适用、实用、有效的观点来看， 目前没有比振动法更好的滚动轴承监视与诊断方法了。 噪声法，即通过滚动轴承在运行过程中的噪声来判断其故障。用噪声法进行 轴承的故障检测，优点是不必接触受测轴承就可得到检测信号；其弊端就是很难 从周围环境的各种杂音中分离出轴承异常的声音信号。所以，噪声法一般很少被 采用。但成功的例子也是有的，就是在方向性强的抛物线型音响器上安装传声器， 收集轴承发出的声音信号，并用反向滤波器排除其它杂音，检测出轴承异音【5 】。 声发射( a e ) 属超声波信号，是一种弹性波，一般在轴承刚开始受损时，随 裂纹扩展而产生。声发射法就是运用声发射原理对轴承故障进行检测的方法，它 是一种非常重要的无破坏性的检测方法。声发射器包括换能器( 多为压电型) ， 前置放大器和信号发生器。换能器的固有频率很高，具有共振特性。声发射法通 过发射频率的时间变化及频率分布来进行分析研究 4 1 。从声发射的产生原理来 看，研究对象多是滚动疲劳，但无法从声发射率上看出剥落的产生，这说明声发 射法有一个使用限度，但通过a e 信号分析也许可能打破这个限度。 随着科学技术的不断发展，一些新的检测技术不断出现并被应用于滚动轴承 6 浙江大学硕士毕业论文 的工况监视与诊断中，例如光纤技术，等等。但是由于种种原因和局限性，这螳 技术真正普及应用于实际的滚动轴承诊断还有一段距离。总的来说，滚动轴承状 态监测与故障诊断技术的发展可分为四个阶段。 第一阶段：利用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。2 0 世纪6 0 年代中期，由 于快速傅立叶变换( f f t ) 技术的出现( 1 9 6 5 年) 和发展，振动信号的频谱分析 技术得到了很大的发展，各种通用的频谱仪纷纷问世。人们根据对滚动轴承元件 有损伤时产生的振动信号特征频率的计算和采用频谱分析仪实际分析得到的结 果的比较来判断滚动轴承是否有故障。但是，把传感器拾取的振动信号经过放大 器放大后直接进行频谱分析得到的频谱图由于背景噪声的影响而变得很复杂，轴 承故障的特征频率很不明显，在故障较小的时候不容易把它们诊断出来。另外， 这时的轴承振动监测与诊断远未走向实用。 第二阶段：利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。2 0 世纪6 0 年代末，瑞典s p m 仪器公司根据各个钢制轴承元件表面损伤后在受载情况下接触时要产生冲击，而 冲击要引起高频压缩波的现象开发了一种称为冲击脉冲计( s h o c kp u l s em e t e r ) 的仪器来监测轴承的故障。冲击脉冲计的理论依据是这样的：当一个钢球落到一 根金属棒上时，在棒内要产生压缩波，压缩波的最大幅值与钢球的冲击速度直接 相关。根据这个道理可以自然联想到，在一个滚动轴承内，当内圈、外圈或滚动 体受损伤时，在有负载的条件下接触时要产生冲击，该冲击同钢球落在金属棒上 引起冲击一样要在轴承内外滚道上产生压缩波。尽管冲击的时间很短，但产生的 压缩波的最大幅值却很大。因为压缩波的频率很高，所以用一个具有高频响应特 性的压电加速度计来监测这一冲击引起的压缩波，然后根据这一压缩波的最大幅 值来判断轴承的工况。后来，人们习惯称此压缩波为冲击脉冲( s h o c kp u l s e ) ， 而把据此原理进行滚动轴承监测与诊断的方法称为冲击脉冲法( s h o c kp u l s e m e t h o d ) 。由于这种方法能比较有效地监测到轴承的早期损伤类故障，并且不需 要进行频谱分析，所以它一经发明便很快被美国、英国等工业发达国家所采用。 早期的冲击脉冲计只用来监测轴承的局部损伤类故障，后来，随着这一技术的不 断完善和发展，s p m 公司及世界上其它一些国家的公司和厂家相继开发了各种更 新换代产品，如s p m 公司的轴承分析仪( b e a r i n ga n a l y s e rb e a 一5 2 ) ，轴承自动 分析系统( b e a r i n ga u t o a n a l y s i ss y s t e mb a s 系列产品) 等，这些仪器不但用 于监测轴承局部损伤类故障，而且用来监测轴承的润滑情况甚至油膜厚度等。尽 管s p m 技术已经有2 0 多年时间了，但现在仍然在广泛使用。这是因为s p m 计是 一种便携式测量仪器，现在一套新型s p m 计还配有好几种类型的传感器，有探头 式的，有螺纹快速连接式的等等，有的s p m 计还配有便携式微机以便进行数据处 理并给出检测结果，用起来非常灵活和方便。 浙江人学硕士毕业论文 第三阶段：利用共振解调技术诊断轴承故障。1 9 7 4 年，美国波音公司的d r h a r t i n g 发明了一项叫做“共振解调分析系统”的专利，这就是我国现在统称的 “共振解调技术”的雏形。它的工作原理是：当轴承元件表面有局部损伤类故障 时，要对轴承系统产生周期性的脉冲激励，由于脉冲力是一宽带信号，其中必有 一部分能量落在压电加速度计的谐振范围内，也就是说该脉冲力的频带宽度必然 包含了加速度计的谐振频率，这就必然引起加速度计的谐振。把传感器拾取的信 号经过放大，然后经过中心频率等于加速度计谐振频率的带通滤波器滤波，再经 过调制器进行包络检波，就得到了与脉冲冲击发生频率( 也就是轴承元件的故障 特征频率) 相同的低频信号，对此信号进行频谱分析，可以很容易地诊断出轴承 中哪一元件发生了故障。这种技术尤其适用于轴承故障的早期诊断，因为早期故 障非常轻微，它引起的冲击脉冲强度非常小，所以其振动响应信号的故障特征很 不明显，用一般的方法很难辨别出来。采用共振解调技术由于放大( 谐振) 和分 离( 带通滤波) 了故障特征信号，极大地提高了信噪比，所以能比较容易地诊断 出故障来。 由于共振解调技术对诊断滚动轴承早期损伤类故障效果很好，并且它根据包 络频谱分析的结果可咀用于精确地诊断出到底是哪一个元件发生了故障，所以该 技术问世后得到了非常广泛的应用。由于这种技术包括了高频共振( 或谐振) 、 带通滤波、解调( 或包络检波) 和频谱分析等基本环节，并且不同人对这一技术 的各个环节重视的程度有所不同，所以这种技术除了共振解调技术( d e m o d u l a t e d r e s o n a n c et e c h n i q u e d r t ) 这一名称外，又名高频共振技术( h i g hf r e q u e n c y r e s o n a n c et e c h n i q u e 一一h f r t ) 或包络分析技术( g n v e l o p ea n a l y s s t e c h n i q u e e a t ) 。关于共振解调技术的高频共振环节可以有多种实现方法。 d r h a r t i n g 利用加速度计的谐振，有的人利用轴承外圈的谐振，也有的人利用 电谐振器实现高频谐振。 比较冲击脉冲技术和共振解调技术可以看出，这两者有类似之处，但s p m 法 只监测滚动轴承损伤引起的冲击信号的幅值，通过对幅值的处理判断轴承的故 障，而共振解调技术不但要把冲击引起的高频谐振的幅值监测出来，而且要进行 幅值包络信号的频谱分析，所以共振解调技术比冲击脉冲技术前进了一步，多了 一个包络信号的频谱处理环节，使得此法不但能够诊断出轴承是否有故障，而且 可以判断出故障发生在那个轴承元件上以及故障的大致严重程度，所以该方法适 用于滚动轴承损伤类故障的早期精密诊断。 第四阶段：开发以微机为中心的滚动轴承工况监视与故障诊断系统。2 0 世纪 8 0 年代以后，随着微机技术突飞猛进的发展，开发以微机为中心的滚动轴承工 况监视与故障诊断系统引起了国外研究者的重视。 浙江大学硕士毕论文 伴随着滚动轴承工况监视与故障诊断发展的四个阶段，由于设备故障诊断理 论的发展和新的信号测试与处理方法的出现，人们还使用了其它多种有效的方法 和技巧来诊断滚动轴承的故障。例如，根据幅域信号对滚动轴承进行工况舱视， 刚开始人们用均方根值和峰值等受轴承转速、载荷、工作条件等影响的有量纲参 数指标，随后又用峰值因子( 峰值均方根值) 这一无量纲参数，再后来英国南 安普斯敦大学与英国钢铁公司首次采用无量纲参数峭度来判断轴承的工况。 l - 2 4 信号处理技术在轴承故障诊断的应用 在故障诊断过程中，对所考察的信号采用合适的信号处理算法来提取所需要 的特征量，对故障诊断工作是非常关键的一步工作。在现代机械故障诊断领域， 也涌现出了很多新的信号处理方法。 ( i ) 傅立叶变换 傅立叶变换的出现，为信号处理提供了强有力的手段，尤其是快速傅立叶变 换( f f t ) 随着计算机技术的发展，已成为信号处理中的一个里程碑。基于f f t 的谱估计早已成为模式识别中的常用方法。常见的分析手段有功率谱分析、倒频 谱分析、自相关函数分析等。 但是，经典的傅立叶分析( 包括f f t ) 只适用于确定性的平稳信号，对于那些 突变信号或非平稳信号，就难以得到希望的结果。同时，它分析的基础是依赖于 整个信号，这在实际应用中有很大的局限性。 ( 2 ) 时频分析 对非平稳信号的分析，用得最广的就是时频分析方法，如g a b o r 变换( 窗厂l 傅立叶变换) 、二次时频表示等。它们都是把一个一维信号x ( t ) 映射到一个两维 的关于时间和频率的函数。但是它也有缺点：g a b o r 变换的时域分辨率和频域分 辨率存在涨消关系，也就是时域和频域不能同时保持良好的集中性。而且，g a b o r 变换的谱图只是信号瞬时频率和群延迟的有偏估计。对于二次时频表示，如 w i g n e r v i l l e 分布和m a r g e n a u h i l l 分布等，它们虽然在信号的时域和频域能 保持良好的集中性，但当信号的支撑区相交叠时，在时域平面上会出现交叉项。 ( 3 ) 小波分析 小波变换是- - i 应用非常广泛的现代信号处理手段，是一种变分辨率的时频 联合分析方法。当分析低频的时候，其时间窗很大，而在分析高频的时候，时问 窗减小，符合高频信号持续时间短，低频信号持续时间长的自然规律。小波变换 通过伸缩和平移运算对信号进行多尺度细化分析，因而能够有效地从信号中提取 时频信息。小波尺度谱常用于非平稳信号分析，在机械故障诊断上也有很多应用。 浙江大学硕士毕业论文 不过，小波分析中一个最大的问题是，如何产生稳定的小波母函数，这也是今后 研究的一个重点。 1 2 5 国内现有的轴承振动测试技术 我国轴承工业6 0 年代初期才丌始对滚动轴承振动、噪音进行研究，但真正 从生产测试、制造方法、制订标准全面重视起来则是从8 0 年代初期开始的。8 0 年代，轴承行业研制开发了加速度型和速度型两大类轴承振动测试仪。除了工序 之间采用两种设备控制质量外，为了方便用户根据不同要求选用不同振动级别的 轴承，我国先后制定了j b t 7 0 7 4 9 3 滚动轴承深沟球轴承振动( 加速度) 技术 条件和j b t 5 0 0 9 9 4 滚动轴承深沟球轴承振动( 速度) 技术条件。加速度 型振动分为四级：z 、z l 、z 2 、z 3 ，速度型振动也分四级，分别是v 、v 1 、v 2 、 v 3 。z ( v ) 级是对通用轴承的一般要求，z l ( v 1 ) 、z 2 ( v 2 ) 、z 3 ( v 3 ) 组适用于用户需 要对振动水平进行控制的轴承，z 4 ( v 4 ) 组接近国外先进水平。 滚动轴承的振动是一个随机过程，测量振动仅仅取某一时间域来表示整个时 间过程 6 1 。振动的度量在数学上可以用位移、速度、加速度来表示，相对来说 可以设计出位移型、速度型和加速度型振动测量仪，位移传感器分为接触式和非 接触式，接触型位移传感器的一般频响都在1 5 k h z 以下，所以很少使用，非接 触式电容传感器虽然频响可以达到3 0 k h z ，但是由于分布电容变化将引起仪器测 量值的变化，所以很少使用。速度型传感器由于其频响达到1 5 k h z ，基本覆盖了 轴承的振动频谱范围，所以应用比较普遍。加速度计型传感器就其本身来说频响 可以大于1 5 k ，但是由于使用中经常要加入弹簧和传振杆构成传感系统，其频响 往往低于6 k h z ，不能覆盖轴承的全部振动频率，但是这种传感器简单，不易损 坏，在实际中使用也比较多。 目前国内轴承振动测试仪的生产厂家主要有杭州轴承研究所、宁波的中策仪 器以及大连的轴承仪器厂。杭州轴承研究所的b v t 系列轴承振动测试仪采用的 是速度传感器，测量轴承振动的速度信号，通过高频、中频、低频三个频段滤波 后，计算时域振动的r m s 值，并结合波形以及振动的噪音对轴承的质量进行综 合判断，可以将质量等级划分为v l 、v 2 、v 3 等三个等级。宁波中策的1 s 0 9 1 0 i 轴承振动测试仪采用的是加速度传感器，采集轴承振动的加速度信号( 加速度型 测量仪只有通频段( 5 0 h z - - 1 0 kh z ) 的有效值) ，通过振动的分贝值对轴承的质 量等级进行划分，具体的划分标准可以参考j b t7 0 7 4 9 3 滚动轴承深沟球轴 承振动( a n 速度) 技术条件。大连的轴承测试仪采用的技术方案基本上与宁波 中策i s 0 9 1 0 类似。 浙江大学硕上毕业论文 需要指出的是，以上的轴承振动测试仪均为单机手工操作，操作工需要机械 地进行轴承的上料、推紧，并对异音监听，查看仪表来进行判断。我们进行的调 查显示，一个操作工在r 一天8 小时工作条件下要对6 0 0 0 个轴承进行测试，劳动 强度非常大。如果能够有一台全自动的轴承振动测试仪能够自动地进行上料、分 级等工作，可以大大降低劳动成本，减轻工人的劳动量。 随着轴承行业的发展和用户对轴承的要求越来越高，我国的轴承振动评价标 准体系越来越显得不够完善。我国的振动分级标准已经修订多次，但市场调查显 示，广大用户对我国当前实施的轴承振动评价标准体系还不够满意。轴承生产厂 家的质量控制体系没有规范，大都是根据客户的需求进行制定，不同的用户制定 不同的评价标准。比如有的用户提出速度振动值的标准，那么就要采用b v t 的振 动测试仪测试，有的用户要求按照z l 、z 2 、z 3 进行分类，这时需要采用i s 0 9 1 0 系列的振动测试仪；比如有的用户希望能增加更高档次的低振动标准；有的用户 提出振动等级不一定高，但需控制轴承异常声，并要求在标准中增加反映异常声 水平的技术参数，如振动峰值或峰值因子；也有用户反映轴承“振动寿命”无法 考核等等【7 】。 目前国内几种普遍使用的轴承振动测试仪主要存在以下的一些不足： 1 基本上全部是单机版，都要通过工人进行上料、看仪表、听异音、看波形等 一系列工作，而且基本上要求在1 0 秒内完成以上的工作，由于工人的重复劳 动强度很大，很容易疲劳，容易出现误判的现象；另一方面，工人的综合素 质普遍不高，也是形成误判的一个重要原因。 2 主要的判断方法仍然是通过有效值来进行判断，对轴承的异音情况也还只能 通过工人用耳机来监听，无法通过直观的数据来反映异音情况。 3 对于广泛使用的加速度型振动测试系统，就其加速度计本身而言，频响可以 大于1 5 k h z ，但具体使用时往往要加弹簧和传振杆构成传感器系统，其系统 频响往往低于6 k h z ，不能覆盖轴承频谱 8 1 。使用速度型传感器的振动测试 系统，由于速度传感器避免了弹簧和传振杆的设计方案，所以频晌范围可以 达到1 0 k ，基本覆盖了轴承振动有效信号的频谱。但是对突发和阵变的高频 信号，速度型传感器的灵敏性不如加速度型传感器。两种传感器型式的具体 参数如下表所示： 型号传感器型式主轴转速( r m )传感器频率响应测值 l s 0 9 1 0加速度计1 5 0 06 k有效值或平均i 值分三个频段i 或者不分 b v t 一1动圈式速度1 8 0 01 0 k有效值或平均 传感器 值分三个频段 浙江人学硕士毕业论文 4 现有的轴承振动测试仪主要采用模拟电路进行数据分析，具有容易受到环境 影响，算法改进不灵活，精度不高等缺陷。在我们的设计方案中，通过使用 工控机或者d s p 系统的方案，对采集的数字信号进行高速计算，更加灵活、 高效。 针对现有的轴承测试振动仪的不足，我们觉得，通过时域或者频域的分析能 够对轴承的各种异常进行判断，这就是我们所要研究的课题的关键。我们所研究 的轴承检测自动流水线控制系统就是希望能够灵活地通过p c 机的界面对用户的 各种要求进行定制，并能够通过时域或者频域的分析对用户的感性要求转化为数 字形式的参数，从而满足客户对轴承质量的要求。 1 2 6 轴承异常音的探讨 由于近几年我国机电产品突飞猛进的发展，客户对轴承的要求越来越高，为 了提高产品的质量，多数客户认为z 3 ( v 3 ) 的产品仍然满足不了要求，尤其是 客户对轴承“异常音”或者“异音”反映更为强烈。 组成滚动轴承的元件在运行时产生振动，其轴和基座也引起振动，从而引起 周围空气振动而产生噪声，通常按照振动频率的高低来区分振动和噪音，当频率 在1 k h z 以下定义为振动，1 k h z 以上命名为噪音【9 】。滚动轴承的异常音是噪 音的一部分，它是客观存在的，但是很难用严格的定义来概括。一般认为异常声 是噪音中刺耳的，听起来感觉不舒服的或者让人感觉难以接受的声音。这些“异 常声”大致可以分为两类：一类就是冲击声，在示波器上是一个很大的脉冲； 类就是有规律的刺耳的声音，也就是说这种“异常声”的轴承是在某个特定频率 下振动幅值比较大的。目前轴承生产厂家对异音的检测主要通过工人听异音的声 音并结合示波器显示的波形来判断异音的程度，不能通过一个确定的数学参数反 映，所以在异音的判断准确程度上受工人素质的限制。 针对轴承“异音”这个问题，有些专家曾经提出为了解决“异音”，首先要 建立耗资巨大、背景噪音低于2 0 d b 的噪音测量室，同时对单个轴承噪音级别制 定出标准加以控制【8 】。建立这样一个实验室需要耗资6 0 7 5 万，但更重要的 是不能将这样的实验室搬到车间和工序过程当中去，所以这个办法是行不通的。 为了控制轴承的异音，必须首先解决轴承“异音”的测量方法问题。异音的 测量用什么物理量来度量，通过怎么样的