（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp的滚动轴承振动信号采集系统的研制.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于d s p 的滚动轴承振动信号采集系统的研制 摘要 滚动轴承是机器中的易损零件，许多机械的故障都是与滚动轴承的状态有关。 据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约3 0 的机械故障都是由于滚动轴承引 起的。所以，对滚动轴承的诊断技术国内外都很重视。近年来发展很快，其中最常 用的方法是振动信号分析法。但要想对轴承的状态进行正确的诊断，首先要解决的 问题就是如何采集轴承的振动信号。 本课题以滚动轴承为研究对象，采用t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为核心器件，它与压电式 加速度传感器、微机相结合，组成一个基于d s p 的滚动轴承振动信号采集系统，采 用振动法作为系统测取信号的方法，通过u s b 接口完成系统硬件与微机的通讯功 能。本系统选用精密测量元器件和抗干扰、低温漂的精密电子元件所组成。系统设 计中考虑了e m c ( 电子兼容) 问题。该信号采集系统的特点是：使用方便、可靠。该 系统还可以与笔记本电脑相连接，方便地实现现场轴承振动信号的采集与处理。本 文介绍了该信号采集系统的研制，包括传感器、d s p 系统及部分软件，其主要内容 如下： 首先，介绍了国内外数据采集技术和轴承故障检测的发展现状和d s p 的发展状 况。其次，分析了滚动轴承的各种故障特征以及对这些振动信号进行处理的主要方 法，并确定了采用共振解调技术来实现。接着，根据使用的要求设计了以d s p 为核 心器件的信号采集系统的硬件部分和一些相关的软件。该系统能够实现对振动信号 的采集、分析以及和上位机进行通讯，为开发便携式信号采集和诊断系统打下了基 础。 关键词d s p 压电式加速度传感器共振解调信号采集 一i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fr o l l i n g b e a r i n gv i b r a t i o ns i g n a lc o l l e c t i o n s y s t e mb a s e do nd s p a b s t r a c t r o l l i n gb e a r i n gi st h eb r i t t l ep a r to fam a c h i n e ，al o to f m e c h a n i c a lf a i l u r ei sr e l e v a n t t ot h es t a t eo f r o l l i n gb e a r i n g i ti se s t i m a t e dt h a ta b o u t3 0p e r c e n to f m e c h a n i c a lf a i l u r ei s c a u s e db yi ti nt h er o l l i n gm a c h i n e sw i t l lr o l l i n gb e a r i n g t h e r e f o r e t h et e c h n o l o g yo f t e s t i n gr o l l i n gb e a r i n gi sp a i dag r e a ta t t e n t i o nt oi nh o m ea n da b r o a da n dh a sag r e a t p r o g r e s si nt h er e c e n ty e a r s t h em o s tc o n l l t l o nm e t h o di sm o n i t o r i n gt h ew o r k i n gs t a t i o n o fr o l l i n gb e a t i n gw i t l lt h ea n a l y s i so fv i b r a t i o ns i g n a l s b u tf i r s tw h a ty o um u s td oi st o c o l l e c tt h er o l l i n gb e a r i n gv i b r a t i o ns i g n a l sb e f o r ey o uw a n tt ot e s tr o l l i n gb e a r i n g s t a t u s c o r r e c t l y i nt h i sp a p e r , t h er o l l i n gb e a r i n gw a st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c t t h ev i b r a t i o ns i g n a l c o l l e c t i o ns y s t e mo f r o l l i n gb e a r i n gb a s e do nd s pi n t r o d u c e di nt h et h e s i sw a sd e v e l o p e d b yc o m b i n i n gt il t d t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2a st h ec o r ep a r ta n dw i t l lp i e z o e l e c t r i c i t y a c c e l e r a t i o ns e n s o ra n dm i c r o c o m p u t e ra l t o g e t h e ra st h ew h o l es y s t e mw h i c ht a k e v i b r a t i o nm e t h o da st h ew a yt oa c q u i r es i g n a l sa n dc o m m u n i c a t ew i t hc o m p u t e rb yu s b i nt h ed e s i g no ft h es y s t e m , t h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t sw i t ht h ef e a t u r e so fd i s t u r b a n c e r e s i s t a n c e ，l o wt e m p e r a t u r ed r i f ta n dh i g hp r e c i s i o nw e r eu s e d a n dd u r i n gs y s t e m d e s i g n i n ge m cw a sw e l lr e g a r d e d t h es i g n a lc o l l e c t i o ns y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f s i m p l eo p e m t i o n , a n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e t h es y s t e mc a nb ec o n t r o l l e dc o n v e n i e n t l yt o c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gt h eo n - t h e s p o tv i b r a t i o ns i g n a l so fr o l l i n gb e a r i n gi nt h et h e s i s t h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e mw a si n t r o d u c e d w i t ht h es e n s o r , d s ps y s t e ma n dt h e s o f t w a r ei n e l u d e d t h em a i nc o n t e n ta sf o l l o w s ： f i r s t l yas u m m a r yi sp r e s e n t e da b o u tt h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h et e c h n o l o g yo fs i g n a l c o l l e c t i o ns y s t e ma n do f r o l l i n gb e a r i n gc h e c k a n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so f d s pa l s ob e p r e s e n t e d s e d o n d l y ，t h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c so fr o l i i n gb e a t i n ga n dt h em a i nw a y st od e a l w i t ht h e s ev i b r a t i o ns i g n a l sw e r ea n a l y z e d a n dd e c i d et ou s er e s o x m n c ea n d d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ed e m a n dt h eh a r d w a r ea n ds o m e s o t t w a r eo ft h es i g n a l sc o l l e c t i o ns y s t e mw e r ed e s i g n e d t h es y s t e mc a r lr e a l i z et h e c o l l e c t i o na n dt h ea n a l y s i so ft h ev i b r a t i o ns i g n a l sa n dc a l lc o m m u n i c a t et ot h ec o m p u t e r t h es y s t e mb e c o m et h eb a s eo fd e v e l o p i n gt h ep o r t a b l es i g n a l sc o l l e c t i n ga n dd i a g n o s i n g s y s t e m i i i 东北大学硕士学位论文 k e yw o r d sd s p ，p i e z o e l e c t r i c i t ya c c e l e r a t i o ns e n s o r ， r e s o n a n c ea n dd e m o d u l a t i o n ，s i g n a lc o l l e c t i o n i v 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 设备状态监测的任务【4 】是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测 量、监视、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对设备运行 状态进行评估，判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和记录，对异常 状态做出报警，以便运行人员及时加以处理，并为设备的故障分析、性能评估、合 理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。数据采集属于信息科学的一个重要分 支，它是以传感器技术、信号检测和处理技术、电子技术、计算机等高技术为基础 而形成的一门综合应用技术学科。测量信号和动态数据的处理与分析，是设备故障 诊断和状态监测的前提和基础。它们代表了系统的状态和特征。 滚动轴承是各种旋转机械中应用最广泛的一种通用机械部件，它的工作状况直 接影响机械设备的使用性能。据统计旋转机械的故障有3 0 是由轴承引起的，在滚 动轴承故障中，9 0 的来自内环和外环，1 0 来自滚动体和保持架。因而对滚动轴 承的监测和诊断已引起国内外许多研究人员的重视。一般来说，由于制造误差、装 配原因及其它部件的影响等产生的振动信号一般都是平稳的随机信号。当轴承出现 故障时，振动就会加剧，每当损伤点与轴承元件其它表面发生接触的时候，都会产 生冲击作用，导致轴承系统瞬时高频共振。轴承状态监测和故障诊断的首要任务就 是将这种瞬时非平稳的时变高频信号提取出来。 1 2 国内外数据采集器的发展现状与趋势 数据采集是获取信息的基本手段，数据采集技术研究信息数据的采集、存储、 处理及控制等作业，具有很强的实用性口】。最初的数据采集器由国外厂商推出，采 用8 位单片机为核心，随着微电子技术的不断发展，新的单片机不断问世，十六位、 三十二位单片机的也为数据采集器生产厂家所采用，近日，采用具有d s p 功能的数 据采集器也已投入市场。伴随着高性能单片机的采用和用户技术要求的不断提高， 数据采集器的功能也越来越完善。数据采集器分析仪功能的发展主要体现在以下几 个方面： ( 1 ) 采样通道由单通道发展到双通道、多通道、采样频率、分辨率、精度逐步提 高，为分析功能的加强提供了前提条件。 ( 2 ) 分析功能也由简单的测振发展到较完善的信号分析系统，时域分析、频域分 析、矢量分析、传函分析、相关等分析手段为故障诊断提供了丰富的数据，三维谱、 起停车分析曲线等直接面对旋转机械故障诊断的分析功能的引入使数据采集器进入 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 一个新领域。 ( 3 ) 频率分辨率越来越高，细化功能越来越强，信号分析的结果越来越精确，从 而更准确地判断出故障的原因。 ( 4 ) 显示能力的进一步加强。数据采集器分析仪通常采用液晶显示，液晶显示器 也由单的数字显示过渡到图形显示，液晶显示器的点阵数也不断提高，显示越来 越清晰美观。可以说，数据采集器的发展已进入了一个新阶段。 由于国内的数据采集器生产多采用i n t e l 5 1 系列或i m e l9 6 系列单片机，与国外 同类产品相比，国内数据采集器性能指标有较大的差距，这主要表现在以下几个方 面。 ( 1 ) 运算能力差，速度慢，精度低，尤其是浮点运算能力限制了技术指标的进一 步提高。 ( 2 ) 存储容量小，受c p u 本身特性的限制，对存储容量的增加缺乏有效的手段。 存储容量对数据采集器的功能影响很大，数据存储空间的限制使数据采集器所能记 录的点数、参数个数减少，每次采集的点数也受到限制，从而影响分辨率和精度。 而很小的程序空间，限制了数据采集器分析功能的扩展，影响了数据采集器在故障 诊断中作用的发挥。 ( 3 ) 分辨率低，细化功能差，这主要受采样频率、分析点数等的限制，同时影响 了数据采集器的分析精度。 ( 4 ) 显示功能弱，使用不方便。 ( 5 ) 目前国内较好的数据采集器显示系统多采用了点阵的图形液晶，但点阵较 低，图形粗糙。许多数据采集器只采用数字或字符显示，无法满足频谱分析的要求。 1 3 滚动轴承检测技术的发展过程 轴承的工况监测与故障诊断在国外开始于2 0 世纪6 0 年代，在其后2 0 多年的时 间里，随着科学技术的不断发展，各种方法和技术不断产生、发展和完善，应用领 域不断扩大，监视与诊断的有效性不断提高。最原始的滚动轴承故障诊断方法是听 音棒接触滚动轴承部件，依靠听觉来判断轴承有无故障 6 1 。这种方法仍在使用，不 过已逐步使用电子听诊器来代替听音棒以提高灵敏度。后来逐步使用各种测振仪器 和仪表，并应用测振动位移，速度和加速度的均方值或峰值来判断滚动轴承有无故 障。这可以减少对检修人员的经验的依赖，但很难发现早期故障。目前在工业发达 国家，轴承的工况监测与故障诊断己经实用化和商品化。总的来说，轴承的工况监 测与故障诊断技术的发展可分为四个阶段： 第一阶段：2 0 世纪6 0 年代中期，由于快速富利叶变换技术的出现和发展，振 动信号频谱分析技术得到了很大的发展，人们根据对轴承组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与实际分析得到的结果的比较来判断轴承是否 东北大学硕士学位论文第一章绪论 有故障。 第二阶段：2 0 世纪6 0 年代末，产生了一种冲击脉冲理论，各个钢制轴承组件 表面损伤后在受载情况下接触时要产生冲击，而冲击要在轴承内、外圈滚道上产生 高频压缩波，尽管冲击的时间非常短，但产生的高频压缩波的最大幅值却很大。根 据这一高频压缩波来判断轴承的工况。 第三阶段：2 0 世纪7 0 年代中期，出现了共振解调技术，人们利用这一技术对 轴承进行故障诊断。 第四阶段：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 为中心的轴承工况监测与故障诊断引起了国外研究者的重视。伴随着轴承工况监测 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检测与处理 方法的出现，人们还使用了多种其它有效的方法和技术来诊断轴承的故障。按照测 取信号的性质可分为以下几种： ( 1 ) 温度法：通过检测轴承座处的温度来判断轴承工作是否正常。温度监测对 轴承载荷、速度和润滑情况的变化反映比较敏感。但是，当轴承出现早期点蚀、剥 落、轻微磨损等比较微小的故障时，温度监测基本上没有反应，只有当故障达到一 定的严重程度时，用这种方法才能监测到。 ( 2 ) 油样分析法：从轴承所使用的润滑油中取出油样，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。 ( 3 ) 振动法：是通过安装在轴承座上适当位置的振动传感器拾取轴承振动信号， 并对此信号进行分析和处理来判断轴承工况和故障。振动法具有以下特点： ( 曲适用于各种类型各种工况的轴承。 ( b ) 可以有效地诊断出早期微小故障。 ( c ) 信号测试与处理简单、直观。 ( d ) 诊断结果可靠。 基于以上的特点所以振动法在实际应用中得到极为广泛的应用。从适用、实用、 有效的观点看，目前没有比振动法更好的诊断方法了。与振动法密切相关的是噪声 法，即通过轴承在运动过程中的噪声来判断其故障。由于所监测到的噪声信号中混 有大量的非轴承原因产生的噪声，要把轴承噪声与其它噪声分离开来十分困难，所 以这种方用的较少。随着科学技术的不断发展，一些新的监测技术不断出现并应用 于轴承工况监测与诊断中，例如声发射技术，光纤技术，等等。但是由于各种原因 和局限性，这些技术真正普及应用于实际中还有一段距离。 目前，国内对滚动轴承进行监测和诊断常用两种方法：一是采用专用的监测分 析仪器系统；二是采用微机监测系统。专用仪器系统硬件所占比例大，处理速度快， 但这类仪器价格较高，专用性强，处理功能固定，不易作进一步的开发，对分析结 果的判定需要工程技术人员具有丰富的经验。近年来，随着微型计算机的普及和应 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 用，以微机和微处理器为核心的信号分析与故障诊断系统得到了很大的发展。微机 信号分析与故障诊断系统不但具有灵活性高、适应能力强、易于维护和升级的特点， 而且易于推广应用，是高质量、高效率、低成本地发展机械设备故障诊断的新途径。 1 4d s p 的发展及其主要结构特点 d s p 是数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的简称。8 0 年代初在美国最先 进入市场，二十年来发展迅速，世界上很多大公司都争先恐后地研究了各种不同类 型的芯片【7 1 。自从2 0 世纪7 0 年代微处理器产生以来，就一直沿着通用c p u ( 即我 们在微机里使用的最多的以奔腾为代表的c p u ) 、微控制器m c u ( 目i 通常所说得单片 机) 、和d s p 三个方向在发展。这三类微处理器各有其特点，虽然在技术上不断地 相互借鉴和交融，但又有各自不同的应用领域。随着数字化的急剧进程，d s p 技术 的地位突显出来。因为数字化的基础技术就是数字信号处理，而数字信号处理的任 务，特别是实时处理( r e a l - t i m ep r o c e s s i n g ) 的任务，主要是由通用的或专用的d s p 处理器来完成的。图1 1 就是一个典型的d s p 系统。 输 输 图1 1 典型的d s p 系统 f i g 1 1a t y p i c a l d s ps y s t e m 1 4 1d s p 芯片的主要优点 实时数字信号处理技术的核心是数字信号处理器，自第一个微处理器问世以 来，处理器技术水平得到了十分迅速的提高，而快速傅立叶变换等实用算法的提出 促进了专门实现数字信号处理的一类微处理器的分化和发展。数字信号的处理有别 于普通的科学计算和分析，它强调运算处理的实时性，因此d s p 除了具备普通微处 理器所强调的高速运算和控制功能外，针对实时信号处理，在处理器的结构、指令 系统、指令流程上做了很大的改动。与普通单片机相比较，其结构特点如下削： ( 1 ) 哈佛结构 d s p 普遍采用了数据总线和程序总线相分离的哈佛结构，如图1 2 所示，比传 统处理器的冯诺依曼结构有更高的指令执行速度。从而使数据的吞吐率提高了 倍。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 微处理器的冯诺依曼结构与哈佛结构 f i g 1 2v o n n e u m a n n a r c h i t e c t u r e a n d h a r v a r d a r c h i t e c t u r e o f m i c r o p r o c e s s o r ( 2 ) 多总线结构和多处理单元 d s p 芯片采用多总线结构来支持哈佛结构和并行处理，同时增加了许多硬件处 理单元以减轻c p u 的任务，许多还采用多c p u 的结构来增加并行处理和运算能力， 以提高d s p 芯片的工作速度。 ( 3 ) 流水线技术 采用将程序存储空间和数据存储空间的地址与数据线分开的哈佛结构，为采用 流水线操作提供了方便。流水线技术是将指令的各个步骤重叠起来执行，而不是顺 序执行，大大缩短了指令的平均执行时间。如图1 3 所示。 i 取指译码取数执行 取指译码取数执行 取指译码取数执行 取指译码取数执行 图1 3 流水线技术 f i g 1 3p i p e l i n e ( 4 ) 硬件乘法器和特殊的d s p 指令 在数字信号处理的算法中，乘法和累加是基本的大量的运算。为了更好地满足 数字信号处理的需要，在d s p 中，设计硬件乘法器和一些特殊的d s p 指令。例如 t m s 3 2 0 c 2 5 中的m a c d 指令具有执行传送、寄存、相乘和延迟等4 条指令的功能。 f 5 ) 指令周期短 d s p 广泛采用亚微米c m o s 制造工艺，以t m s 3 2 0 c 5 4 x 为例，其运行速度可 达到1 0 0m i p s ( 百万条指令每秒) ，指令周期为1 0n s 。而c 6 4 x x 的内核其主频可达 到1 1g h z 。最大处理速度达到9 0 0 0m i p s 。 ( 6 1 运算精度高 按照精度来分，d s p 可分为定点型和浮点型，浮点型的比定点型的精度更高， 定点d s p 指的是数据格式用整数和小数来表示。除个别的采用2 0 位，2 4 位格式外， 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 般都采用1 6 位。浮点型指的是数据格式用指数和尾数形式表示其动态范围大，不 用考虑溢出问题。定点d s p 功耗小，价格低廉。实际应用的d s p 处理器绝大多数 是定点d s p 处理器芯片。 ( 7 ) 硬件配置强 新一代的d s p 片内具有多通道缓冲串行( m s b s p ) 、 妒i 、d m a 控制器、定时 器和符合i e e e i1 4 9 1 的标准的j t a g 边界扫描逻辑电路。便于d s p 作片上的在线 仿真。 ( 8 ) 支持实时信号处理 数字信号处理器p s p ) 、通用处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) 三者的区别在于： d s p 面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理；m p u 大量应用于计算机 中；m c u 则适用于以控制为主的处理过程。d s p 本身具有以下功能，支持实时数 字信号处理应用： ( a ) 指令周期的乘法、加法操作。 ( b ) 特殊的高速寻址方式，可以在其他操作进行的同时完成地址寄存器指针的 修改，并具有循环寻址、位反序寻址功能。循环寻址用于f i r 滤波器，可以省去相 当于延迟线功能的大量数据移动、用于f f t 则可以紧凑地存放旋转因子表；位反序 寻址有利于f f t 的快速完成。 ( c ) 针对实时处理所设计的存储器接口，能在单指令时间内完成多次存储器或 u o 设备访问。 f d ) 专门的指令流控制，具有无附加开销的循环功能以及延迟跳转( 相当于预跳 转1 指令。 ( c ) 专门的指令集和较长的指令字，一个指令字同时控制片内多个功能单元的 操作。单片系统，易于小型化设计。可用电池供电，对嵌入式系统很合适，而新型 m p u ，如p e n f i u i i l ，p o w e rp c 等功耗达2 0 。5 0w 。 1 4 2 主要的d s p 芯片 目前世界上有许多公司都在生产d s p 芯片，d s p 芯片的选择应根据实际的应用 系统的需要而定。 n 1 1 1 公司的d s p 芯片 t i ( 德卅i 仪器) 公司在1 9 8 2 年推出了第一个通用可编程d s p 芯片，由最初的只 是一种专门为实时处理大量数据而设计的微处理器发展到现在已成为应用于网络和 互联网、高速调制解调器、无线通信、语音识别、汽车、硬盘驱动器、工业控制及 制造和导航等领域的重要的处理器。1 f 1 公司的d s p 产品全部以t m s 3 2 0 系列命名， 分为浮点和定点两大类。图1 4 为t m s 3 2 0 系列d s p 的发展状况和分类。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 4t m s 3 2 0 系列d s p 的发展状况和分类 f i g 1 4d e v e l o p m e n ta n dc l a s s i f i c a t i o no f t m s 3 2 0s e r i e s ( 2 ) 其他公司的d s p 芯片 除了t i 公司以外，还有美国的a d 公司，m o t o r o l a 公司、l u c e n t 公司等， 都在生产和研制d s p 芯片。每个公司的d s p 芯片都有各自的特点。 1 5 课题来源及本文主要内容 本课题主要目的是研制一种能够检测轴承的振动信号并能初步对轴承的工作状 态进行判定的系统。并且还要考虑至仪器的可扩展性，争取能够扩大仪器的实际应 用范围。 本次设计的数据采集系统就是采用了微机和振动测试方法相结合，并且基于 d s p 技术的数据采集系统。本文主要讲述了基于d s p 的滚动轴承振动信号采集分 析系统的主要原理、实际的硬件电路设计和部分软件设计。第一章介绍了数据采集 器的现状和发展以及滚动轴承故障诊断的主要的应用方法和d s p 的发展状况。第二 章着重介绍滚动轴承的故障特征和失效形式以及故障特征的形成原因。第三章介绍 了滚动轴承振动信号采集系统中所涉及的对振动信号进行处理的一些方法。第四章 讲述了硬件电路的设计过程，主要包括传感器的选择和d s p 系统的设计。整套系统 是由d s p 作为核心器件，由信号预处理模块，信号采集模块、数据处理模块和数据 传输模块构成。该振动信号采集系统利用传感器所测得的模拟信号经过必要的处理 以后得到数字信号，再由d s p 对这些数字信号进行处理，然后将结果传到上位机中 并显示出来使得能够根据显示的结果来进一步确定轴承的工作状态。第五章介绍了 滚动轴承振动信号采集系统的软件设计，并且给出了软件流程图。第六章讲述了通 过本数据采集系统的设计所得到的结论，并对未来的发展提出了展望。 东北大学硕士学位论文第二章滚动轴承故障特征及其频谱分析 第二章滚动轴承故障特征及其频谱分析 2 1 概述 滚动轴承是旋转机械主要的基础部件之一。它具有效率高、摩擦阻力小、装配 较为方便、润滑易实现等优点【9 】。因此，在中、小型旋转机械上应用较为普遍。滚 动轴承在正常工作条件下，由于受到载荷、安装、润滑状态等因素的影响，运转 段时间后将会产生各种类型的失效。因此滚动轴承是旋转机械中较为薄弱的环节。 滚动轴承产生失效的初始阶段，由于失效程度较为轻微，往往不易被人们发现。只 有当失效发展到明显过热、强烈振动或滚动噪声足够大的时候才会被人们发现。由 于发现不及时往往引起设备停机或设备的损坏，造成了生产上不应有的损失。 轴承故障监测与诊断一直是机械故障诊断技术中的重要内容。据统计，大约3 0 的旋转机械故障是由于滚动轴承的损坏引起的。由于设计不当，或零件的加工和安 装工艺不好，或轴承工作状态欠佳，或载荷的冲击，使轴承在承载运行一段时间以 后会产生各种各样的缺陷，并且继续运行的时候其缺陷还会进一步扩大，使轴承的 运转状态逐渐恶化以至完全失效。 滚动轴承的失效形式较多，可能的故障种类有磨损、剥落、压痕、胶合和裂纹 等，其中的典型故障是由于疲劳剥落引起的损伤。从实践中可知，滚动轴承的大部 分故障可以归结于表面的劣化，进而使振动加剧。这些故障引起的振动特征表现在 振动信号中存在着冲击脉冲。在时域中，冲击使信号的均值、方差和高阶矩等发生 变化；在频域中，信号的高频成分明显增多，信号的能量分布发生变化。 2 2 滚动轴承失效的基本形式 2 2 1 滚动轴承的磨损失效 磨损是滚动轴承最常见的一种失效形式，是轴承滚道、滚动体、保持架、座孔 或安装轴承的轴径等，由于机械原因或润滑杂质引起的表面磨损。在工作环境恶劣 的情况下，许多杂质会混在润滑油中。进入轴承，从而就会在滚动体和滚道上产生 膊料磨损，在滚动体和滚道上出现不均匀的划痕。磨料的存在，是轴承磨损的基本 原因。 2 2 2 滚动轴承的疲劳失效 疲劳失效使滚动轴承的另一种失效形式，常表现为滚动体或滚道表面剥落或脱 皮。初期是在表面上形成不规则的凹坑，以后逐渐延伸成片。滚动轴承在工作时由 8 东北大学硕士学位论文 第二章滚动轴承故障特征及其频谱分析 于滚动体与内、外圈接触面积很小，因此接触应力很大。在高速旋转时，由于巨大 交变接触应力多次反复作用，轴承元件金属表面就会发生疲劳，产生剥落，形成小 凹坑。造成剥落的主要原因是载荷引起的交变应力，有时是因为润滑不良或强迫安 装。 2 2 3 滚动轴承的腐蚀失效 由于湿气或水分浸入轴承或由于使用的品质不好的润滑油，就会在轴承表面形 成腐蚀。轴承零件的表面腐蚀是由下面三种原因造成的：第一种是润滑油水分或湿 气的腐蚀；第二种是电腐蚀：第三种是微振腐蚀。 2 2 4 滚动轴承的断裂失效 轴承零件的破断与裂纹主要是由于磨削或热处理引起的，也有的是由于运行时 载荷过大、转速过高、润滑不良或者装配不善，使轴承的某个部位发生应力集中， 产生裂纹，最后导致轴承元件断裂。 2 2 5 滚动轴承的压痕失效 压痕是由于轴承过载、撞击或异物进入滚道内使得滚动体或滚道表面上产生局 部变形而出现的凹坑。其原因主要是由于装配不当，有时候也可能是过载或撞击造 成的。 2 2 6 滚动轴承的胶合失效 胶合发生在滚动接触的两个表面之间，为一个表面上的金属粘附到另一个表面 的现象。当滚子在保持架内卡住，由于润滑不良、速度过高和惯性力的影响，保持 架的材料粘附到滚子端面上形成螺旋形污斑状的胶合。 2 3 滚动轴承的振动类型及其故障特征分析 2 3 1 滚动轴承的旋转机构 滚动轴承是由内圈、外圈、滚动体和保持架等元件组成。内圈、外圈分别与轴 颈及轴承座孔装配在一起。在大多数情况下外圈保持不动，而内圈随轴回转。滚动 体是滚动轴承的核心元件，它使相对运动表面间的滑动摩擦变成滚动摩擦。滚动体 的形式有球形、圆形、锥柱形和鼓形等等。滚动体可以在内、外圈滚道上进行滚动。 图2 1 所示为滚动轴承( 球轴承、滚子轴承) 的旋转机构示意图，图中所用的符号的意 义如下： d 轴承的节径d 滚动体直径口接触角 东北大学硕士学位论文 第二章滚动轴承故障特征及其频谱分析 1 内环滚道的半径乇外环滚道的半径 图2 1 滚动轴承旋转机构示意图 f i g 2 1 s k e t c hm a po f r o l lb e a r i n gr o t a r yf r a m e w o r k 2 3 2 滚动轴承的振动类型 滚动轴承的振动复杂多样，它所造成的振动大致分为以下三类： ( 1 ) 与轴承变形有关的振动。轴承是一种弹性变形体，轴承承受载荷时候，由 于承载滚动体的不断变换使得轴承在运行时候发生弹性振动。它与轴承的异常状态 无关。 ( 2 ) 与轴承加工有关的振动。轴承各元件在加工中不可避免地出现加工误差， 如表面波纹、轻微地擦伤、装配误差等均会引起轴承的振动。 ( 3 ) 轴承载运行的时候发生故障而引起的振动。轴承在实际运行过程中，由于 发生破碎、断裂、剥落等故障而产生振动反映了轴承的损伤情况，所以是我们所感 兴趣的，这类振动所产生的振动信号是我们监测分析的对象。 2 3 3 轴承故障信号频率 滚动轴承载运转时，由于轴的振动，滚动体便在内、外圈之间滚动。当滚动表 面发生损伤的时候，滚动体在这些表面上转动就会产生一种交变的激振力。由于滚 动表面的损伤是无规则的，所以激振力产生的振动将是由多种频率成分组成的随机 振动。从轴承滚动表面状况产生振动的机理可以看出：轴承表面损伤的形态和轴的 旋转速度决定了激振力的频谱；轴承和外壳决定了振动系统的传递特性。最终的频 谱有上述二者共同决定。即轴承异常所引起的振动频率是由轴的旋转速度、损伤部 位的形态及轴承与外壳振动的传递特性所决定的。如图2 2 ( a ) 所示，如在外环上发 生点蚀时，则产生如图2 2 所示的振动。 - 1 0 一 东北大学硕士学位论文 第二章滚动轴承故障特征及其频谱分析 q 扁硅 h ( z f o ) 4 图2 2 外环的点蚀和存在点蚀时的振动 f i g 2 2 v i b r a t i o nc a u s e db yd o te r o d i b i l i t yo f o u t e rr i n g 可以观察信号存在以下规律： ( 1 ) 轴承元件在冲击下产生共振，形成连续的衰减振荡( 图2 2 ( a ) ) ，研究每一个 衰减振荡，其频率是轴承元件的固有频率； ( 2 ) 衰减振荡的幅度与故障的大小有关； ( 3 ) 如果将衰减振荡的轮廓连接成线( 称为信号的包络，图2 2 ( b ) 和图2 2 ( c ) ) ， 那么包络的幅度反映故障的大小，而包络的重复频率取决于故障的位置。 如果保持架产生破损，将造成与其他轴承元件的持续的、没有规律的摩擦，产 生的振动是非周期性的，因此不存在明显的特征谱。 轴承的某个元件的表面出现裂纹时，滚过相邻元件表面时，会产生瞬间的动。 由于轴承元件的运动是周期性的，所以振动也是周期性的，其频率可根据运动学的 规律计算出来。不同轴承元件表面缺陷因其转动的半径与圆心不同，产生周期性振 动的频率也就各不同，它们都是轴承转动频率的函数。如图2 1 可知，当轴承元件 出现故障时，包络信号频率可以通过下面的计算确定。 设轴承中滚子的个数为z ，滚子的直径为d ，轴承内圈和外圈的平均直径( 即 滚子公转轨迹的直径) 为d ，轴承转动的频率为五，假定内圈固定而外圈旋转( 由于 运动是相对的，也可以反过来假设) 。 那么由此可以按下述方法推导出不同轴承元件表面缺陷产生的振动频率 ( 1 ) 轴承外圈任意一点的线速度为石( d + d ) 五； 但) 轴承内圈任意一点的线速度为o ； 1 ( 3 ) 滚子运动的线速度为万( d + d ) f o ； 东北大学硕士学位论文 第二章滚动轴承故障特征及其频谱分析 ( 4 ) 滚子运动的角速度为丢茚( d + d ) f o ； ( 5 ) 当外圈转动一周，滚子相对于内圈转动2 r r ! d 一万( d + d ) 周，而外圈相对于滚 子转动1 一荔荭( d + d ) 周； ( 6 ) 如果内圈有故障，那么在外圈转动一周期间，有z ( 1 + d d ) 2 个滚子与这 个故障位置相接触； ( 7 ) 如果外圈有故障，在外圈转动一周期间，这个故障位置将有z ( 1 一d d ) 2 次 接触滚子； ( 8 ) 如果滚子表面有故障，那么滚子每转动一圈，故障位置将分别与内圈和外 圈各接触一次共计2 次： ( 9 ) 由于滚子的线速度为去石( d + d ) 兀，所以在外圈转动一周期间，每个滚子将 转动丢b 万( d + 印圈，与内外圈接触共计巫罢手尘次。 因此，可以归纳出，当不同的轴承元件出现故障时，可以观察到的信号频率为 内圈故障 石= 圭( “d ) l ( 2 1 ) 外圈故障 五= 圭( 1 一d ) f o ( 2 2 ) 滚子故障 工2 面而d l ( 2 - 3 ) 2 3 3 1 滚动轴承的缺陷特征频率 当内圈、外圈、滚子出现点蚀等故障时，会产生一定( 特征) 频率的冲击，引起 轴承的振动，机器运行会出现周期性脉冲。这种周期性脉冲作用时间短，形状陡峭。 根据轴承产生缺陷零件的不同，滚动轴承的缺陷特征频率为： 外环缺陷 厶= 篡j l 一丁d c o $ o i ( 2 4 ) 一1 2 东北大学硕士学位论文 第二章滚动轴承故障特征及其频谱分析 内环缺陷 滚子缺陷 z = 羔 ，+ 丁d c o $ 口 ( 2 5 ) 矗= 计等 ， 保持架不平衡 厶：旦1 1 一d c o s z ( 2 7 ) 1 2 0ldj 式中，d 为滚动体直径，d 为轴承节径，口为接触角，z 为滚动体数量，为 工作转数。当轴承出现故障以后，在其振动频谱中会出现其特征频率的谱峰。但在 实际中，谱峰的频率并不总是精确地等于理论计算值。这主要是滚动体并非纯滚动 等因素( 如实际轴承的几何尺寸的误差、轴承安装后变形) 造成的。所以在频谱图上 寻找各特征频率时需要在计算的频率值的上下找其近似的值来作为诊断判断。另外 上面各特征频率的计算公式都是以一个剥落坑与一个滚动体接触为前提的。所以在 实际应用时，在上述计算公式上还得乘上滚动体数z 。此外，随着故障程度的增加， 经常还会出现一些以特征频率为主频，以轴频为差值的调制边频现象，而当内圈、 外圈和滚子同时出现故障时，由频谱分析明确诊断故障t b 较困难。 2 3 3 2 滚动轴承的固有振动频率 滚动轴承在运转时候，即使是新的轴承也会产生振动，它主要是由下列两种振 动组合而成的。第一种由于轴承滚动元件的不圆度、凹凸不平的粗糙度和波纹度引 起的振动，这种粗糙起伏的不平是随即的，因此所引起的振动也是随机的，但振级 较小。第二种是由于外力的激励而引起的轴承某个元件在其固有频率上的振动。各 个轴承的固有频率与轴承的外形、材料和质量有关，而与轴的转速无关，对各种轴 承元件，其固有频率有一确定的范围，可以按下式计算求得f 1 ”。 滚动体钢球的圃有频率为 ：塑丝怛) ，、2 p 、 式中，r 为钢球半径；p 为材料密度( k 咖3 ) ；五是材料的弹性模量n2 ) 。 轴承套圈在圈平面内的固有频率为 。1 3 一 口。2 j 詈 ， 拱一2 东北大学硕士学位论文第二章滚动轴承故障特征及其频谱分析 式中，i 为套圈截面绕中性轴的惯性矩( m4 ) ：口为回转轴线到中性轴的半径( m ) m 为套圈单位长度的质量( k g m ) ：”为节点，e 为材料的弹性模量( n m 2 ) 。 当滚动轴承为钢材时，其内、外圈固有频率可用下式计算 厶= o 4 。枷5 寺 ( 2 1 0 ) 式中，h 为圆环的厚度( n u n ) ，d 为圆环中性轴的直径( m m ) ，1 为节点数。 一般测量轴承振动时是把传感器布置在轴承上测量外圈的振动，所以外圈的径 向弯曲固有振动频率比较重要，按公式计算得到的固有频率只是理论值，因为实际 的滚动轴承外圈并非薄壁圆环，并且它的外面与轴承座相联，里面与滚动体接触， 并非自由状态，所以按公式的计算值往往与实测值有出入，只能作为一个估算公式。 一般来说，滚动轴承外圈的一阶径向弯曲固有振动频率为数千赫兹。 一1 4 一 捌 东北大学硕士学位论文第三章滚动轴承震动信号处理的方法 第三章滚动轴承振动信号处理的方法 3 1 时域统计分析方法 3 1 1 有效值和峰值判断法 滚动轴承振动的瞬时值随着时间在不断地进行变化，作为表现这种振动变化大 小的方法广泛地使用有效值。信号x ( t ) 的t g j ；y i g e x 2 ( f ) 】，或称为平均功率定，其 表达式为 乎= 耻2 9 ) = h l i m l 7 1 x 2 ) a t ( 3 1 ) 牟表达了信号的强度，其正平方根称为均方根值，又称为有效值x 。，也是信 号的平均能量的种表达。如石0 ) 经采样后得离散数字信号x ) 、x ( f 2 ) 工( 0 ) ， 其均方根值表示为 霉。专善x 2 ( ) ( 3 2 ) 式中，n 为样本数据个数。 由于有效值是对时间的平均，所以对具有表面裂纹无规则振动波形的异常，可 对其测量值作出恰当的评价。但是对于表面剥落或伤痕等具有瞬变冲击振动的异常 是不适用的。这是由于冲击波峰的振幅大，但持续时间短，如作时问平均，则有无 峰值的差异几乎表现不出来。对于这种形态的异常，可用蜂值进行判断。 峰值是在某个时间内振幅的最大值。其表达式为 宝= m a x l x ( t ) l ( 3 3 ) 它对瞬时现象也可得出正确的指示值。特别对初期阶段轴承表面剥落，非常容易 由峰值的变化检测出来。但它对滚动体对保持架的冲击及突发性外界干扰、或灰尘等 原因引起的瞬时振动比较敏感。所以比起有效值来，测量值的变化可能很大。 3 1 2 峰值指标 峰值指标( 波峰系数) 表示波形是否有冲击的指标，其表达式为 c = 三 ( 3 4 ) x 删3 】5 东北大学硕士学位论文 第三章滚动轴承震动信号处理的方法 般说来，正常轴承振动的峰值指标为扯5 。当滚动轴承出现剥落、裂纹、碎裂 时，峰值指标达到1 0 以上。所以用该方法也较容易对滚动轴承的异常作出判断。 该方法的最大特