（机械工程专业论文）离心泵滚动轴承故障诊断方法研究及应用.pdf

摘要 通过对滚动轴承故障特征的分拼研究，提毒采用振动测试方式获取轴承振动 的有效值和峰值，壶戴判龋滚动辅承的运行状态。通过分耩推导，获得了计算轴 承故障特征频率的方法，并借助频谱来确定故障位置( 轴承铃圈、杰鬻鞠滚珠) 。 在以上研究工作的基础上研制出了以8 0 c 1 9 6 单片机作必主控器的滚动轴承故障 诊断仪，采用便携方式，现场安装简单、测试方便，且具有数据预处理功能并可 通过r s 2 3 2 接口与计算机进行通讯进行精确的诊断分析。利用该仪器对油田采油 厂输漓离心泵进行了大量振动测试，测试结果得到了实践验证。 关键运：滚动辘承；振动测试；故障诊断 s t u d ya n da p p l i c a t i o no f f a u l t sd i a g n o s i n g m e t h o d sf o rr o l l i n gb e a r i n g so f c e n t r i f u g a l p u m p s y uh o n g ( m a c h i n e r ye n g i n e e r i n g ) d i r e c tb yp r o f w a n gh a n x i a n g a b s t r a c t w i t ht h eh e l po fa n a l y s e s i n gt h ef a u l tf e a t u r e so fr o l l i n g b e a r i n g s ，w ep u tf o r w a r d t h a tw ec a l lj u d g et h eb e a r i n g s w o r k i n gs t a t e sb ya d o p t i n gt h ev i b r a t i n gt s e t 。t h r o u g h a n a l y s e s i n gt h ef e a t u r e s ，w ed e d u c e dt h ef a u l t 一厅e q u e c y - c a l c u l a t i n gf o r m u l a so ft h e b e a i n g s ，a n da l s ow ef o u n dh o wt od e t e r m i n ew h e r et h ef a u l t st o o kp l a c e ( t h eo u t e r r i n g ，t h ei n n e rr i n go rt h er o l l e r s ) b ya n a l y s e s i n gi t sf f e g u e n c yd o m a i n b a s e do nt h e s t u d yw em a d ea l lf a u l t sd i a g n o s i n ge q u i p m e tu s i n gf o rr o l l i n gb e a r i n g s 。i ti sm a i n l y f o r m e db ya8 0 c19 6s y s t e mb o a r dw h i c hm a k ei th a sd a t ap r e - a n a l y s i sa b i l i t y i ta l s o c a r ll i n kw i t ht h ec o m p u t e rt h r o u g hr s 2 3 2s oa st om a k i n gu so b t a i nm o r ep r e c i s e d i a g n o s i n ga n a l y s i s w i t ht h ee q u i p m e n t ，w e v ed o n eal o to fv i b r a t i n gt e s t st ot h e p e t r o l e u mp u m p si no n eo ft h eo i le x t r a c t i o nf a c t o r y a n dt h er e s u l to ft h et e s t sa r e c o r r e c tw h i c hp r o v e db yt h ep r a c t i c e k e y w o r d s ：r o l l i n gc o n t a c tb e a r i n g s ；v i b r a t i n gt e s t ；f a u l t sd i a g n o s i s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所里交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成聚，论文中有关资料和数据愚实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其德入邑经发表或撰写的研究威采，也不毽含本人或他人为获褥中国疆漆 大学( 华东或其它教育搬椽的学彼或学历迁书嚣使嗣过的材料。与我一阉工作黧同志 对研究所微粒任趔贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担楣关法律责任。 学位论文作者签名：幺虽。 日期：年, e l同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括儇不限于：傈留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为鬻麴赠送和交换学位论文，允许学位论文被套游、 借阕和复印，将学位论文麴全部或部分蠹容编入有关数据痒进行检索，采雳影印、 缩印或其纯复铡手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使黑授权劂上。 学位论文作者签名：二芰鱼一一 一) 指导教师签名： 同期： 同期： 年月r 年月 r 中国石油火学( 华东) - t 程倾i - 学位论文 第一章前言 滚动轴承在油田设备中的应用非常广泛，滚动轴承状态直接影响到旋转设备的运行 质量，尤其是在采油生产企业，大量应用于大型泵类设备的重要部位，如联合站的输油 泵、污水泵、脱水泵等。因此，实际生产中做好滚动轴承状态监测与故障诊断是搞好设 备维修与管理的关键环节。 输油泵( 污水泵、脱水泵) 是管道输油( 水) 生产中的重要设备。它的特点是，大 体型、高能耗、高造价，一旦发生故障，导致生产事故，直接影响输油( 水) 设备的正 常生产。输油泵两端的滚动轴承是最关键的部位，也是输油泵( 污水泵、脱水泵) 一个 主要的故障源之一，在运行过程中由于腐蚀、重载或使用不当等经常发生轴承点蚀、剥 落、压痕和断裂、跑内圈等故障，从而导致轴承在运转过程中出现剧烈的振动、灵活性 降低、旋转精度下降、泵效降低、能耗增大、轴承温度升高和噪音增大。目前，对该设 备还缺乏有效的动态监测与保护措施，为保证输油泵( 污水泵、脱水泵) 正常工作，预 防和避免机械事故，迫切需要有一种操作简单的智能化监测诊断系统，来加强对输油泵 滚动轴承的监测诊断，以期达到对该设备的预知维修的目的。 1 1 故障诊断技术的现状及发展趋势 设备故障诊断技术在石油矿场设备中的应用大约起始于8 0 年代末期，当时主要是为 了解决油井井下设备的故障问题。9 0 年代初期，从国外陆续引进的一些设备，其本身带有 故障诊断系统( 或传感器接口) ，但这些设备价格昂贵，对事故影响大，这就促使设备管理 人员尽快研究、学习和掌握设备的故障诊断技术。9 0 年代中期，故障诊断技术的效益同 益明显，中国石油天然气总公司和所属油田的设备管理部门，迫切要求解决一些生产实 际中重大设备的维修问题，目前有些监控系统已经完成并在油田推广使用，取得了一定 的效果，如注水泵站的自动监测与控制、抽油机工况诊断、钻机柴油机的故障诊断等， 主要针对采油厂、机械厂等油气开发、动力方面的主体重点设备。 这些监控系统在使用过程也存在一些问题： ( 1 ) 监控系统装配不全； ( 2 ) 由于传感器等多方面因素导致数据采集不准； ( 3 ) 没有现成、灵活的故障诊断技术，只有报警临界值； 第一章前言 ( 4 ) 故障诊断与维修没有有机地结合起来。 目前，油田设备现场诊断技术是通过对设备运行状态参数的监测，判定设备运行状 态正常与否；异常时，还可应用故障诊断技术对故障的原因、部位以及严重程度进行分 析，并做出判断。由于有不同的设备和设备的不同部位以及要监测、诊断的性质不同，因 而有不同的诊断技术。就输油泵( 污水泵、脱水泵) 滚动轴承来说，根据其结构特点和 运行特性，通常采用的主要故障诊断方法有峰值系统法、振动监测法、直接判断法、温 度监测法、强制润滑时的油样铁谱分析法。振动监测是诊断滚动轴承故障的主要手段， 滚动轴承的各种故障几乎都在振动信号中有所反映。在滚动轴承故障振动监测中，故障 特征的提取是最重要、最关键、最困难的环节。现场测试提取的信号常常受到噪声污染， 信噪比很低，如何抑制噪声是获得故障特征的一个非常关键的问题。当输油泵轴承产生 故障时，其振动信号常常被其它振动信号和大量的随机噪声所淹没，特别是当输油泵滚 动轴承零部件的早期故障时，它的故障特征信息在故障发生初期很微弱，更容易被其它 零部件运行中引起的振动信号和大量的随机噪声淹没，采用常规时域分析和频谱分析等 信号处理带来很大困难，这也是故障诊断率不是很高的一个重要原因。目前随着信号分 析技术的发展，有一些先进的分析技术如功率谱分析、倒谱分析、小波分析、相关分析 等技术来解决这一问题，但针对输油泵的工况和其滚动轴承的具体故障特征，采用何种 分析技术来提高故障诊断率还有待深入的研究和开发。 1 2 孤岛采油厂泵类设备运行及维护情况 输油泵( 污水泵、脱水泵) 两端的滚动轴承是输油泵主要的故障源之一，目前采油 厂还缺乏对该设备进行有效的动态监测和故障预知。孤岛采油厂现有联合站8 座，共有 输油泵、污水泵、脱水泵1 1 5 台。自去年初到1 1 月份，我们调查了7 座联合站带有滚 动轴承的输油泵、脱水泵、污水泵共5 6 台，近三年大修和故障次数共有4 9 次，维护修 保次数达1 2 4 3 次( 见附表1 ：孤岛采油厂联合站泵运行的调查记录) ，尽管有4 座联合 站已经装配了运行状态监测系统，但这些监测系统的监控效果并不理想，即便是对压力、 流量、泵效、温度等关键参数的采集上大多也存在严重失真，因此，故障诊断技术的研 究和应用在采油厂有极大的发展空间。对于设备的运行和维护，由于受计划维修的影响， 一直沿用一、二、三级定期维护保养和大修制度，用眼看、耳听、手摸、鼻闻等传统的 方法判断泵的运行状态，甚至在不能准确判定故障原因的情况下，因为泵的排量和泵效 2 中国石油人学( 华东) - t 程硕上学位论文 都非常低而不得不进行被动维修，存在着“维修不足和“维修过剩 的不合理因素： 有些设备带“病”运行，因没有正确判别泵的工作状况，没有及时发现故障征兆和隐患， 出现“维修不足”；有些设备尽管已经到了计划维修时间，由于日常操作、维护、管理 科学得当，还能正常工作，一定程度上延长其使用寿命，然而随着泵的计划维修( 大修) 而导致提前更换了大量可应用部件，造成部件浪费和使用寿命浪费的“过剩维修”。因 此，为保证输油泵( 污水泵) 正常运行和避免出现事故，同时尽可能延长轴承的使用寿 命，节约成本，迫切需要有一种操作简单的智能化监测诊断系统，来加强对输油泵滚动 轴承的监测诊断，以期达到对该设备的预知维修和更换的目的。 第二章滚动轴承故障诊断方法研究 第二章滚动轴承故障诊断方法研究 滚动轴承对于输油泵( 污水泵、脱水泵) 来说，是必不可少的标准部件，输 油泵的性能以及运行状态往往也取决于滚动轴承的好坏。因此针对滚动轴承开展 故障诊断工作是十分必要的。 2 1 滚动轴承异常的基本形式 大家知道轴承一般由外座圈、内座圈、滚动体和保持架等几部分组成，当轴 承在工作中由于异物的进入、保养不当造成的润滑不良，以及安装的不正确或受 过载的冲击，都可使滚动轴承出现磨损、压痕、胶合、点蚀剥离及裂纹等损伤， 常常不可能修复，其被称之为轴承故障。 2 1 1 滚动轴承故障形式 滚动轴承在使用过程中的故障形式主要有以下几种： ( 1 ) 疲劳剥落 这是滚动轴承常见的一种异常形式。在滚动轴承中，滚道与滚动体表面既承 受载荷，又相对滚动。由于交变载荷的作用，首先在表面一定深度处形成裂纹， 继而扩展到使表层形成剥落坑，最后发展到大片剥落。这种疲劳剥落现象造成了 运行时的冲击载荷，使振动和噪声加剧。造成疲劳剥落的主要原因是疲劳应力。 ( 2 ) 磨损 这是滚动轴承另一种常见的异常形式。轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或 安装轴承的轴颈，由于机械原因及杂质异物的侵入引起表面磨损。磨粒的存在是 轴承磨损的基本原因，润滑不良会使磨损加剧。造成导致轴承游隙增大，表面粗 糙，降低机器运行精度，增大振动和噪声。 ( 3 ) 塑性变形 轴承因受到过大的冲击载荷、静载荷、落入硬质异物等在滚道表面上形成凹 痕或划痕，而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步使邻近表面剥落， 这样，载荷的累积作用或短时超载就有可能引起轴承塑性变形。 ( 4 ) 腐蚀 润滑油、水或空气水分引起表面锈蚀、轴承内部有较大电流通过造成的电腐 4 中围石油人学( 华东) t 程硕十学位论文 蚀、以及轴承套圈在座孔中或轴颈上微小相对运动造成的微振腐蚀等造成了轴承 零件表面的腐蚀。 ( 5 ) 断裂 载荷过大或疲劳常引起轴承零件破裂。热处理、装配引起的残余应力，运行 时的热应力过大也会引起轴承零件的裂纹或破裂。 ( 6 ) 胶合 胶合是指滚道和滚动体表面由于受热而局部融合在一起的现象。常发生在润 滑不良、高速、重载、高温、起动加速度过大等情况下。由于摩擦发热，轴承零 件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面烧伤，或某处表面上的金属粘附 到另一表面上。 2 1 2 滚动轴承失效原因 据西安西北工业大学王江萍教授编写的“机械设备故障诊断技术及其应用” 一书，认为轴承失效的原因主要表现在以下四个方面【1 】： ( 1 ) 润滑不良造成的损伤 当润滑剂不足，或者润滑剂和润滑方法与使用条件不相适应时，滚动轴承会 在很短的时间内损伤。特别是当处在高速旋转、高温、重载、瞬间载荷等繁重的 使用条件下时，往往会产生点蚀( 微小烧损点，成片) 、胶着( 表面受热导致局 部熔合在一起) 、烧损等。 这一原因造成的损伤在轴承失效中所占的比例约为4 3 。 ( 2 ) 安装不当 将轴承装配到轴上和轴承座中时，如果处理不当( 锤砸、焊接等) ，轴承将 受到较大的损伤，有时甚至不能使用。在轴承的外环滚道面的滚子转动面产生沟 形剥蚀，严重时在沟形剥蚀处的边缘隆起，表面被刮而发生异常的刮削声。也有 发展成为表面剥离和裂纹的。 这一原因造成的轴承失效约占2 7 。 ( 3 ) 其他它原因的损伤 如操作不当，产品质量缺陷等造成的失效约占2 l 。 ( 4 ) 正常磨损 这种失效所占的比例约为9 。 第二章滚动轴承故障诊断方法研究 此外，轴承的故障一般并不是突发性故障，其故障的程度是有4 , n 大的，需 要有一个过程，滚动轴承表现出晚期故障特征到出现严重故障( 一般为轴承损坏 如抱轴、烧伤、沙架散裂、滚道、珠粒磨损等) 时间大都不超过一周，设备容量 越大，转速越快，其间隔时间越短。因此，在实际滚动轴承故障诊断中，一旦发 现晚期故障特征，应果断判断轴承存在故障，尽快安排检修。 2 2 滚动轴承的振动类型 当轴承的内座圈、外座圈和滚动体出现剥落、裂纹或疵点等损伤时，由于滚 动体周期性地滚过这些部位而引起冲击，进而引起轴承的振动。虽然从几何观点 看，滚动轴承结构十分简单又是一个标准化的外购件，但其振动时的振源相当复 杂，除轴承由于本身损伤引起的振动外，还要承担轴系不平衡、弯曲、不对中和 扭振等的传递作用，使得振动问题更为复杂。 2 2 1 滚动轴承振动形式 一般来说，可将轴承振动归结以下四种形式： ( 1 ) 由于设计、安装、润滑等原因产生的随机振动，它在所有的轴承中都存 在。 ( 2 ) 由滚珠通过负荷产生的振动，这种情况有时是一个滚珠通过负荷区，有 时是二个滚珠通过负荷区，这样上下有一位移跳动，产生振动。但它是一简谐激 励，在各种轴承中普遍存在。 ( 3 ) 由于滚珠通过有故障和坡度的滚道( 内圈或外圈) 、光洁度不合格的表面、 滚珠本身有缺陷或故障以及有故障的保持架等原因引起的振动。这些振动都是周 期性脉冲激励，这也是我们要诊断的对象。 ( 4 ) 由轴承外部传来的振动，轴系不平衡、弯曲、不对中和扭振等。这些振 动可能是周期的，稳定的，也可能是非周期的，非稳态的任意激励。 2 2 2 滚动轴承运行特点 不管何种情况，滚动轴承运行时具有以下的特点： ( 1 ) 具有明显的不同峰值的谐波成分 ( 2 ) 在能量上会出现宽带波峰 ( 3 ) 时域波形可以看出有明显的冲击波形，即出现一个一个的脉冲信号 6 中固石油人学( 华东) 丁程硕十学位论文 ( 4 ) 早期的故障表现为低幅值的振动，其振动信号和时域波形可以帮助我们 来发现轴承的早期故障。 2 3 滚动轴承故障信息的提取 因损伤而引起的轴承的振动，从时域上看这些冲击是一个一个的脉冲信号。 如果把这些脉冲信号进行频谱分析，从频域上可看出其频率成分相当宽广，并在 很大范围内是等幅的，其中包含了丰富的高频成分，仔细分析一下所产生的一个 个脉冲的频率，将其称为轴承损伤冲击重复脉冲，会发现存在着一定的规律性。 当轴承的某个部分出现损伤时，可根据某损伤冲击重复脉冲来判断轴承的故障状 况，因此可通过测量轴承的振动参数( 速度和加速度) 的方法来进行。 但通过测试可以发现，由测试系统所测出的信号十分复杂，由损伤所引起的 冲击脉冲值非常小，往往被强大的低频振动信号所淹没。如果直接对所测的信号 进行频谱分析，会发现对应许多频率有较大的谱值，所以很难从频谱图上找出轴 承的损伤部位及损伤程度。通过分析知道，由于轴承的损伤所产生的冲击脉冲的 高频成分十分丰富，所以可首先采用高通滤波器对测试信号进行预处理，把强大 的与轴承无关的低频振动信号滤除。当所选的加速度计的一阶谐振频率与冲击脉 冲的高频成分的某部分一致时，产生共振，这时就会将冲击脉冲放大。由于在较 宽的频率范围内冲击脉冲的幅值为等幅，因此就得到了仅与加速度计共振频带一 致的高频振动时域波形。 通过研究说明，当轴承无损伤而正常运转时，因不产生冲击就不会存在共振 波，而如出现了冲击共振波就说明轴承出现了故障。通过分析共振解调波的大小 及频率成分，就可找出轴承故障的信息。 2 4 滚动轴承故障诊断方法 故障诊断的任务是根据状态监测所获得的信息，结合已知的结构特性和参数 以及环境条件，结合该设备的运行历史记录和设备技术档案( 包括运行记录和曾 发生过的故障及维修记录等) ，对设备可能发生的故障进行预报和分析、判断， 确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势及其后 果，指出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修、治理的对策措施，并加以 7 第二章滚动轴承故障诊断方法研究 实施，最终使设备复员到正常状态。 目前用于滚动轴承监测和诊断的方法很多，主要有振动监测技术、光纤监测 技术和接触电阻诊断法。滚动轴承在工作过程中会产生各种各样的异常和损伤， 多数故障都会使轴承的振动加剧，这样，将振动信号作为诊断轴承故障的主要信 息，通过对各种异常所特有的频率进行分析便可探明异常原因，所以我们采用较 为成熟的利用振动信号对其进行监测的方法进行故障诊断。 2 4 1 振动诊断法优点 采用振动诊断法主要有以下优点： ( 1 ) 可以检测出各类型轴承的异常现象； ( 2 ) 在故障初期就可发现异常，并可在旋转中测定； ( 3 ) 由于振动信号发自轴承本身，所以不需要特别的信号源； ( 4 ) 信号检测和处理比较简单。 在滚动轴承的振动诊断中，有效值和峰值判断法是一种较为有效的诊断办 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。有效值是振动速度的均方根值。 由于有效值是对时间的平均，所以对具有表面皱裂无规则振动波形的异常， 其测定的变动小，可给出较好的评价。但是对表面剥落或伤痕等具有瞬时冲击振 动的异常不十分的敏感。这是由于冲击波峰的振幅大，但持续时间短，如作时间 平均，则有无峰值的差异几乎表现不出来，由于这种形态的异常，可用峰值进行 判断。 2 4 2 振动报警和故障值设置 为了判定滚动轴承是否正常，要以所测定的振动的振幅为根据；而为了作出 判定，又必须有标准加以对照。有了判定标准，才能知道测定值是表示滚动轴承 状态良好，还是必须对其注意监测。作为判定方法，可以将同型号轴承在相同条 件下的测定值作比较的互相判定法，和在同一位置定期进行测定，以测得值同正 常值( 初始值) 对比的倍数作为判定依据的相对判定法。 另外，根据i s 0 2 3 7 2 标准，通常在设备的转速超过1 0 0 0 r p m 、功率小于 3 0 0 k w 的情况下，给出了滚动轴承上测点的报警线设置的参考值。 中国油大学( 1 # 东) 工程顾。t = 学位论文 表2 - i滚动轴承振动值报警线设置参考值( 振动速度均方根值) t a b l e2 - it h el o c a t e dr e f e r e n c ep a r a m e t e r so fa l a r m i n gf o rr o l lb e a r i n g 轴承状态 正常 报警故障 振动参数 7 11 3 2 1 t 1 s 正常认为轴承( 或机器) 可以不受限制的长时间有效工作； 警告不适合于长期持续运行，已有故障倾向，在这种状态下只能运行有 限时间； 故障轴承已出现明显的缺陷，已不适合于继续运行，应停泵检查并更换 部件。 2 5 滚动轴承故障特征频率 图2 1 为向心推力滚动轴承的结构图和运动分析简图，中间为滚珠轴承的轴 向剖面图，右边为滚锥轴承的轴向剖面图。分析的外环固定而内环随轴转动的情 况，轴承故障引起振动，它的特征频率是诊断中必须要识别提取的，为便于推导 轴承旋转时运动元件缺陷的特征频率，作如下假设： ( 1 ) 滚动体与滚道之间无滑动接触； ( 2 ) 每个滚动体直径相同，且均匀分布在内外滚道之间； ( 3 ) 径向、轴向受载荷时各部分无变形。 图2 - 1 向心推力轴承 f i g2 - 1c e n t r i ct h r u s tb e a r i n g 9 第二章滚动轴承故障诊断方法研究 设外圈转频为t o ，内圈转频为z ，保持架转频为正，轴承节径为d ，滚动 体直径为d ，接触角为口。通过滚动轴承运动学的分析，可以求得滚动体通过内、 外圈滚道的频率，以及滚动体相对保持架的回转频率等。这些频率与故障密切相 关的。 滚动体与内环接触点的速度为 v f = 2 m j , = 砚( d d c o s )( 2 - 1 ) 滚动体与外环接触点的速度为 ，。= 2 r t r o 工= 7 无( d + d c o s )( 2 - 2 ) 滚动体的速度为 1 ，。：i 1 ( 1 ，+ ) ：硝d ( 2 - 3 ) 由此可得 厶= 等= 牝知口+ 扣口f o 陋4 ， 单个滚动体在外圈滚道上的通过频率，即为保持架相对外圈的回转频率，可 由上式求得，即 厶= 厶一厶= j 1 眈一z ) ( 1 一吾c 。s 口) ( 2 - 5 ) 同理，单个滚动体在内圈滚道上的通过频率厶为 厶= z 一厶= 三一无) ( + 吾c 。s 口) ( 2 - 6 ) 滚动体相对保持架的回转频率( 即自转频率) 厶也可求得，即 小舡无心) 2c o s 2 卅 亿7 ， 考虑到滚动轴承有n 个滚动体，则滚动体在外圈及内圈滚道上通过频率f o 、 厶及兀。可表示为： l o 中国石油人学( 华东) t 程硕l 学位论文 ( 2 - 8 ) 式中f r = z - - f o 为内外圈的相对转动频率，当外圈固定时，f r 即为轴的转频 率，即f r = z ，= n 6 0 ，n 为轴的转速。 如果在外圈滚道上有故障时，则产生以y o , 为频率的脉冲激励，所以称o , 为 外圈的故障频率，同理厶为内圈的故障频率。若滚动体上有故障时，因其自转 一周通过内外圈各一次，故滚动体的故障频率为兀= 2 厶。一般径向滚珠轴承 口= 0 ，一般外圈固定，即f o = 0 ，则f = f i ，其故障频率如表2 2 所示( 其中n 为滚动体个数) 。 表2 - 2 径向滚珠轴承故障频率 t a b l e2 - 2f a u l tf r e q u e n c yo fr a d i a lr o l lb e a r i n g 元件故障频率公式 内圈 l(，if,2d 外圈 学( 一扣口) z d 一( 舒o s z 口 l 滚珠 d 上述公式可以算出故障激励的基频，但根据公式计算的结果和响应分析，在 具体诊断中应注意以下情形： ( 1 ) 滚珠通过故障激起的是周期冲击，它不是单一的谐波，而是展开的渐 减无穷付氏级数，它在振动频谱图上呈现为具有一定结构形式谐波族的离散谱 线。 ( 2 ) 不同故障的谐波族衰减速度不一样，平缓故障的谐波族比尖锐故障的 一)、_、口 口 口，矿 s s 0 啷 啷 一 d q d d叫d一 一 + 一 ，、：、 ， f f 一2一2 d d = = 1 2 厶 矗 = 。兀 第二章滚动轴承故障诊断方法研究 衰减得快，由此可在频谱图上区别故障的性质； 质。 ( 3 ) 在振动频谱图上某频率谐波幅值的变化可帮助区分故障的部位和性 ( 4 ) 相同元件的同类故障，由于面积伤害的大小不同，使某些频率分量产 生变化，而这个频率不一定等于故障数目乘故障频率。 1 2 中国石油人学( 华东) t 程硕上学位论文 第三章滚动轴承故障诊断仪研制 离线监测与诊断系统中的动态数据采集器是可用于现场数据采集、存储、分 析并能与计算机通讯的智能化仪器，是设备管理与维修现代化中常用的一种极其 重要的技术手段。动态数据采集器集测量仪、磁带机和频谱分析仪的多项功能于 一体，小巧便携、操作简单。既可记录特征量值，又可记录时间波形和进行频谱 分析，与之联接的计算机端的分析软件则可完成数据库建立、巡检路径组态，并 可针对各个不同设备进行分析诊断和趋势分析。 3 1 技术思路及工作原理 滚动轴承在工作过程中会产生各种异常和损伤，这些故障都会使轴承振动加 剧，这样振动信号可以作为轴承故障的主要信息源。振动信号的采集可采用如下 的技术方案： 图3 - 1 故障诊断原理框图 f i g3 - 1f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo ff a u l td i a g n o s i s 利用加速度计获取运行轴承的振动参数，经调制后拾取高频分量，经放大器 放大后进入现场采集分析仪，进行数据的预处理，经r s 2 3 2 接口把数据发送到 p c 机处理，判断轴承的运行情况。 现场采集分析仪采用的是v i b 3 0 动态数据采集器，它利用国际先进的 8 0 c 1 9 6 单片机作为主控器，借助大规模集成电路将电荷放大器、积分器、程控 放大器、抗混滤波器、a d 转换器、随机存储器( r a m ) 、液晶显示器、大容量 内存和单片机集中在一个便携式机箱中。在现场无需借用其它设备及电源，便可 方便地采集和分析信号，并在现场直接显示信号的时域波形及谱图，同时保存现 场所采集的数据并在关机后能保存半年之久，另外这些数据可以通过r s 2 3 2 串 行通讯口传送到计算机上作进一步的、详尽的分析与处理。 第三章滚动轴承故障诊断仪研制 v i b 3 0 动态数据采集器采用双通道无相移采样，不但可实现一般的振动信 号数据的采集，还可采集供进行设备结构传递函数分析所用的数据。当需要采集 转速时，仪器还应兼有转速表功能，联结光电转速传感器后，转速数据可随采集 的振动数据一起存入文件中，为故障诊断提供一个重要的分析参数。另外采集器 本身的大屏幕高反差液晶显示器( 带背光) 可直接供用户观测信号的时域波形、 频谱图、轴心轨迹、信号的有效值、峰一峰值等。v i b 3 0 动态数据采集器的最 高分析频率为1 0 k h z ( 单通道) ，7 0 d b 动态范围，2 m 内存量( 可有效存储2 0 0 个振值、4 0 0 个波形) 。 v i b 3 0 动态数据采集器具有很强的中文人机对话功能，全中文的屏幕菜单 提示和少量控制键，便能引导操作者方便地设置参数和选择测试项目。信号预处 理方式为不检波和包络检波两种，其中包络检波对于幅值调制信号的检测极为有 效，v i b 3 0 动态数据采集器配有多种信号输入插座，可配接不同的传感器。功 能丰富的数据文件管理方式，能显示出现有的存储量，并在w i n d o w s 平台下运行， 与计算机联机通讯。v i b 3 0 动态数据采集器与机械故障诊断软件相配即构成了 一个完整的机械故障监测、诊断及预测维修系统。 3 1 1 系统硬件结构 v i b 3 0 动态数据采集器共有五个输入口( a 通道电荷输入、a 通道电压输 入、b 通道电荷输入、b 通道电压输入、转速输入) ，两路测量通道( a 通道与b 通道) ，既可做单通道输入，也可做双通道输入。通过3 2 0 x 2 4 0 点阵式液晶显示 器和四个方向键、一个确认键、一个复位键、一个返回键与十个数字键进行参数 设置和选择测试项目。 系统硬件结构框图如图3 2 。 信号输入经电荷放大器积分器程控放大及抗混滤波包络检波或不 检波( 由用户选择) 后送到滤波器再经采样保持电路a ，d 转换器转换， 最后送入8 0 c 1 9 6 单片机作存贮分析处理、显示等，并可通过r s _ 3 2 串行接口与p c 机联接通讯。 1 4 中国石油人学( 华东) 工程硕士学位论文 厂电荷 i 输入 l al 剖 道1 l i 电压 l 输入 厂电荷 划输入 道1 l 电压 l 输入 转速 外触 发输 入 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图3 - 2 系统硬件结构框图 f i g3 - 2s t r u c t u r eo f t h es y s t e m v i b 3 0 动态数据采集器还设有独立的转速测量通道，可配用转速传感器作 为现场转速表使用，转速数据与振动信号一起存贮。便于用户正确判断故障。随 机配置的v i b 3 0 通讯软件，主要用于与计算机通讯，把数采器内容送入计算机 中。 3 1 2 硬件各主要部分简介 ( 1 ) 电荷放大器：将由加速度传感器拾取的振动信号( 微弱、阻抗高) 变换 成合适的电压信号，以便进行后续处理。 ( 2 ) 积分器：用于将加速度信号转换成速度信号或位移信号( 二次积分) 。 ( 3 ) 程控放大及抗混滤波：对模拟电压信号进行适调放大和电平匹配，然后 第= 帝滚自轴m 故障诊断倥研制 进行采样离散化前的抗混选滤波目的是为了提高动态范围和去除信号中的高频 成分，以避免信号频谱分析时的频率混选现象。 ( 4 ) 滤波器：控制讯号的通频带，可保留感兴趣的振动信号并去掉高低频两 端的干扰信号。 ( 5 ) 采样保持：为保证模数转换过程的精度，需维持a d 转换时输入电压的 稳定而采用的电路。 ( 6 ) a d 转换器：模拟信号处理成数字信号必须经过时间信号合理的离散化。 ( 7 ) 控制、处理单元：控制工作流程及内部管理，包括数据处理、f f t 谱等。 ( 8 ) 存储单元( r a m ) ：暂存现场所采集的数据。 ( 9 ) 显示单元：点阵液晶显示器，点阵尺寸为3 2 0 2 4 0 32 结构特征 v i b 一3 0 动态数据采集器是用电池推动的便携式结构，液晶显示器及所有的 大规模集成电路都集中安装在一个a b s 材质的箱体内，体积小、重量轻，便于 现场使用：采用带背光的大屏幕显示使观察极为方便；少量的触摸按键简化了操 作过程( 见图3 3 、图3 - 4 诊断仪实物照片) 。另外，仪器可在低温环境下运行( 根 据用户的需要) 。 圈3 - 3 诊断仪和便携箱 f i 9 3 - 3 d i a g n o s t i ce q u i p m e n ta n dp o r t a b l eb o x 中目 学( 。# 东) t 程日ll 。学位论i 图诊断仪、传癣器和r s 2 3 2 接口 f i 9 3 4 d i a g n o s t i ce q u i p m e n t ，s e n s o ra n dr s 2 3 2i n t e r f a c e 仪器与外部的联系及各操作键设置如下： 右剥面板设置 固3 - 5 前面板设置 壁些业型型燮 觚献觚鼽 上剥面板设置 圈3 石仪器外接功能囝 f 电3 西c i r c u m s c r i b e f u n c t i o no f t h ee q u i p m e n t 第三章滚动轴承故障诊断仪研制 3 3 技术性能及特点 ( 1 ) 测量通道数：双通道 ( 2 ) 输入电荷灵敏度：1 - 1 0 p c r n s 2 输入电压：1 0 m v - 5 v ( 3 ) 联接传感器类型：加速度传感器 光电转速传感器 或其它输出物理量为电荷或电压的传感器 ( 4 ) 电荷输入端阻抗：i o o m o 电压输入端阻抗：l m q ( 5 ) 输入动态范围：7 0 d b ( 6 ) 分析频率：1 0 - - - 1 0 k h z ( 7 ) 信号处理方式：包络检波、不检波 ( 8 ) 抗混滤波器通带波动：0 2 d b ( 9 ) 过渡带特性：1 0 0 d b o c t ( 1 0 ) 采样数据量：1 0 2 4 点 ( 1 1 ) 测量方式：单通道( 分析频宽o 1 k 、0 2 k 、0 5 k 、1 k 、2 k 、5 k 、1 0 k h z ， 分段可选) 双通道( 无相移，分析频宽0 1 k 、0 2 k 、o 5 k 、1 k 、2 k 、 5 k h z ，分段可选) 测转速：范围1 0 - - 一6 0 0 0 0 r m i n ( 需外接转速触发信号) 1 0 - - 3 0 0 0 0 r m i n ( 轴心轨迹时) ( 1 2 ) 触发方式：不触发 a 通道触发( 触发电平为0 - - 5 v ) 外触发( 上跳沿触发) ( 1 3 ) 图形显示：3 2 0 x 2 4 0 点阵高反差液晶显示器( 带背光) 各种中文菜单( 目录) 时域波形( 带游标) 频谱图( 带游标) 轴心轨迹 中国石油人学( 告东) 工程硕十学位论文 ( 1 4 ) 控制键：2 0 个 ( 1 5 ) 测量值：有效值、峰一峰值、峰值、转速 ( 1 6 ) 谱分析：2 0 0 线( 显示时) 频谱平均 ( 1 7 ) 内存量：2 m b ( 1 8 ) 最大存储量：4 0 0 个( 波形) ；2 0 0 个( 振值) ( 1 9 ) 机内数据保存时间：大于半年 ( 2 0 ) 通讯接口：r s 2 3 2 c ( 2 1 ) 电源：9 v 镍氢可充电电池，满充电可连续工作8 小时 ( 2 2 ) 重量：2 k g ( 包括电池) ( 2 3 ) 尺寸：2 6 0 x 15 0 x 5 4 m m ( 2 4 ) 整体a b s 结构具抗强电干扰的能力 ( 2 5 ) t 作环境 环境湿度：0 4 0 相对湿度：不大于8 0 使用与储存仪器应无腐蚀性气体 3 4 使用方法 3 4 1 键盘说明 v i b 一3 0 动态数据采集器有一个电源键、一个复位键、一个背光键、一个确 认键、一个返回键、四个方向键和十个数字键。 电源键：打开电源。 复位键( 关机键) ：关机复位。 背光键：液晶背光功能开关，开机时处于关闭状态，按一次打开，再按一次 关闭。 确认键：用于选择菜单功能或启动数据采集。具体见各菜单描述。 返回键：退出各子功能菜单或特定状态。具体见各菜单描述。 方向键：选择菜单的内容或控制光标、游标。 数字键：输入数据。 3 4 2 各功能菜单 开机后显示主菜单( 主目录) ：共六项。 1 9 第三章滚动轴承故障诊断仪研制 ( 1 ) 主菜单 图3 7 为仪器主菜单显示。 f i g3 - 7m a i nm e n uo ft h ee q u i p m e n t 主菜单反显处( 字色和底色与其它项相反) 为当前选项，可通过四个方向键 改变选择项，选好后按“确认 键进入功能子菜单，按下“返回”键可返回主菜 单。各功能子菜单具体内容如下： ( 2 ) 测振表 完成各振动参量值的选择( 数字显示) 。每次进入后，有效项总位于功能子 菜单的第一项，即图3 - 8 中通道a 的a c c 处，可通过上下方向键变换有效项的位 置( 上、下内容项) ，左右方向键可变换有效项内容( 如通道a 的a c c 、v e l 、d i s p 的改变) 。 转速监测： 通道a ：a c c 6 0 0 0 0r p m 增益a ：1 1 0 0 0i - i z 方式a ：p e a k 通道b：a c c 通道a ： 增益b：1 方式b：p e a k 分析频率：2 0 0 0 2 0 0m s 木s 保存 通道b ： 1 0 0m | s 卑s 图3 - 8 仪器子菜单测振表 f i g3 - 8s u bm e n uo ft h ee q u i p m e n t 2 0 中困石油人学( 华东) t 程硕1 ：学位论文 通道a ( b ) 选择两通道欲采集的振动参量，可选：a c e ( 加速度) 、v e l ( 速度) 、d i s p ( 位移) 、h a l ( 高频加速度，只有a 通道可选) 、v o l ( 电压) 。注 意：选择“v o l ( 电压) 时，请选用电压传感器，并接入电压输入口；其它振动 参量均选用加速度传感器，并接入电荷输入口。 增益a ( b ) 调节两通道程控放大器的放大倍数( 1 、1 0 、5 0 ) ，使被测 信号幅度落在合适的测量范围内。 方式a ( b ) 选择两通道振动参量值的显示方式，可选：p e a k ( 峰值) 、 r m s ( 有效值) 、p p ( 峰一峰值) 。 分析频率( 频宽) 选择采集频率的带宽，带宽的起始点为1 0 h z 。可选： l o 1 0 0 、1 0 - , 2 0 0 、1 0 - - - 5 0 0 、1 0 1 0 0 0 、1 0 - - - - 2 0 0 0 、1 0 - - 5 0 0 0h z ，另外单通道 时还可选1 0 1 0 0 0 0h z 。 保存该菜单项被反显( 有效) 时，按下“确认 键可保存此次测量数据。 参数选择完毕，可以按“确认 键开始采集，采集开始后菜单有效项不再反 显。开始采集时首先会检测一次转速通道，若有转速信号输入，数据会显示在上 图数字“6 0 0 0 0 ”处，单位为“r p m ”( 转分) ；转速频率值显示在上图数字“1 0 0 0 ” 处，单位为“h z ”。若未发现转速信号，则两项都显示“0 ”。转速信号采集后， 开始连续采集振动参量，a 通道采集结果显示于数字“2 0 0 ”位置，b 通道采集 结果显示于数字“1 0 0 ”位置。采集过程中按任意数字键即停止采集。采集停止 后，上一次选择的菜单有效项反显，进入菜单选择状态。 ( 3 ) 示波器 该子菜单的功能是完成各振动参量值的波形显示。每次进入后，有效项总位 于子菜单的第一项，即图3 - 9 中波形序号后的“1 处，可通过上下方向键变换 有效项的位置( 上、下内容项) ，左右方向键可变换有效项内容( 如1 、2 、3 ) 。 参数选择完毕后，按“确认”键即开始连续采集振动参量，采集开始后菜单 有效项不再反显。采集过程中按任意数字键即停止采集。采集停止后，将进入波 形浏览状态，在波形窗口中央出现游标，并在屏幕右下分别显示两个通道游标所 在处的振值。游标的移动可通过四个方向键移动( 左右键步长为1 ，上下键步长 为1 0 ) 、按数字键“4 ”向前翻一屏、按数字键“6 ”向后翻一屏( 每屏显示同波 形的2 2 0 个采样点) 。按“返回”键退出波形浏览状态，上一次选择的菜单有效 2 l 第三章滚动轴承故障诊断仪研制 项反显，进入菜单选项状态。 图3 - 9 示波器显示图形 f i g3 - 9d i s p l a yi m a g eo fo n d o s c o p e 波形序号显示当前采集处理的编号，不可调整。其值为：保存的波形数 量+ 1 ( 例，采集第一个波形时为1 ，因为保存波形数量为0 ，所以0 + 1 = 1 ) 。 触发选择采集的触发方式。可选：内c a 通道信号触发) 、外( 转速触 发) 、无( 不进行触发检测) 。 分析方式波形显示的方式。可选：x y ( 两通道信号分别在两个坐标轴 上显示于一幅图中，可做轴心轨迹) 、y t ( 两通道信号以时间为横向坐标轴分别 显示于两幅图中) 。注意：以x y ( 轴心轨迹) 方式测振动时，需首先连接转速 探头并待转速稳定后方可进行。 保存该菜单项有效时，按下“确认 键可保存此次测量波形，同时“波 形序号”加一。 其余菜单项功能说明同“测振表”。 ( 4 ) 测频仪 完成各振动参量值的频谱分析显示功能见图3 1 0 。使用基本上与“示波器 子菜单相同，不同处在于：游标移动时，屏幕右下方分别显示各通道的频谱值和 游标所在处的频率。 另外，“分析方式菜单项不再可用。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 图3 1 0 频谱分析显示功能 f i g3 - 1 0d i s p l a yf u n c t i o no fs p e c t r u ma n a l y s i s ( 5 ) 忆波形 用于回显已保存的波形数据。屏幕显示同“示波器”和“测频仪”类似。此 时，“波形序号和“分析方式”菜单项可用。每次进入后，有效项总位于“波 形序号”项，并以波形方式回显已保存的第一个波形。然后可通过上下方向键与 “分析方式”菜单项进行切换，左右方向键变换有效项内容。当光标选中“波形 序号菜单项时，左