（机械设计及理论专业论文）基于虚拟仪器技术的滚动轴承振动特性测试及分析研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 滚动轴承是当代机械设备中一种非常重要的零部件，广泛应用于工业、农业、 汽车、火车、飞机等运输设备中。各类主机的工作精度、性能、寿命、可靠性和 各项经济指标，都与滚动轴承有着密切的关系。尤其是随着科学技术的发展，滚 动轴承在国民经济和国防建设中正起着越来越突出的作用。为确保滚动轴承正常 运行，及时发现滚动轴承的故障，因此对滚动轴承的出厂质量和在线运行状况进 行测量和分析是十分必要的。 本文根据滚动轴承的振动机理，确定了滚动轴承监测分析模型。同时设计并 开发了基于虚拟仪器技术的整个滚动轴承振动监测及故障诊断分析仪器系统。文 中对系统的工作原理、组成结构、实验结果以及仪器运行过程中出现的误差都进 行了比较详细的描述。 本论文主要包含了以下内容： 1 根据滚动轴承振动机理，建立了滚动轴承的监测分析模型。根据滚动轴承振 动的时域图和频谱图，辅助以振动参数：峰值、峰值因子、峭度、各个频段 的振动分贝数，对滚动轴承的性能进行分析，并对轴承进行故障诊断。 2 利用虚拟仪器软件l a b v i e w 编写了整个滚动轴承振动监测及故障诊断系统的 软件程序部分。包括数据卡采集子模块、数字滤波器、振动参数计算分析显 示子模块、数据存储和读取子模块、故障诊断子模块等。实现了l a b v i e w 与 v c + + 、m a t l a b 程序包的互相调用以及对大批量测试数据进行操作的数据库功 能。 3 对整个滚动轴承振动监测系统进行系统标定工作。分析了系统工作中可能出 现的一些误差，并提出了一些减小误差的方法。 该设备已经投入到轴承生产厂进行现场作业，从运行结果和完成的测试实验 可以看出，整个系统的使用效果十分令人满意。设备功能完备，测量结果和诊断 结果相当准确，并且使用方便，效率高，升级快捷，应用前景十分看好。 关键词：滚动轴承虚拟仪器( v i )故障诊断振动信号 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o l l i n gb e a r i n g sa l ev e r yi m p o r t a n tp a r t si nt h em e c h a n i c a le q u i p m e n tn o w a d a y s ， w h i c ha r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i e sa n da g r i c u l t u r e s ，m o t o r s ，t r a i n s ，p l a n e sa n do t h e r t r a n s p o r te q u i p m e n t w o r k i n gp r e c i s i o n , c h a r a c t e r i s t i c s ，s e r v i c el i f e ，r e l i a b i l i t ya n d e c o n o m i c a li n d e x e so fv a r i o u sm a c h i n e sa l lh a v ec l o s er e l a t i o n s h i pw i t hr o l l i n g b e a r i n g s e s p e c i a l l yw i t l lt h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g y , t h ei n f l u e n c eo f r o l l i n gb e a r i n g so nc o n s t r u c t i o nf o rb o t hn a t i o n a le c o n o m ya n dn a t i o n a ld e f e n s ea l e g e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t oi n s u r et h a tb e a r i n g sc a l lw o r kn o r m a l l ya n df i n d n l e i rf a u l t si nt i m e ，i t se s s e n t i a lt om o n i t o ra n da n a l y z et h eq u a l i t yo fr o l l i n gb e a r i n g s a n dt h e i ro n l i n ew o r k i n gs t a t e s t h em o d e lf o rm o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gr o l l i n gb e a r i n g sa c c o r d i n gt o v i b r a t i o n m e c h a n i s mo fr o l l i n gb e a r i n g s i sp u tf o r w a r di nt h ep a p e r m e a n w h i l e ，ac o m p l e t e s y s t e mf o rm o n i t o r i n gv i b r a t i o na n dd i a g n o s i n gf a u l t so fr o l l i n gb e a r i n g si sd e s i g n e d a n dd e v e l o p e d a n dt h es y s t e m so p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ，c o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r e ， e x p e r i m e n tr e s u l ta n de r r o rd u r i n gw o r k i n ga l ed e s c r i b e di nd e t a i lf i t sw e l l t h ep a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： 1 p u tf o r w a r dt h em o d e lf o rm o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gr o l l i n gb e a r i n g sa c c o r d i n gt o v i b r a t i o nm e c h a n i s mo fr o l l i n gb e a r i n g s a n a l y z et h er o l l i n gb e a r i n g sv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n dd i a g n o s et h eb e a r i n g sf a u l t sa c c o r d i n gt ot h et i m ed o m a i n g r a p ha n df r e q u e n c yd o m a i ng r a p h ，w i t ht h eh e l po fv i b r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha s p e a kv a l u e ，p e a kf a c t o r , k u r t o s i sa n dv i b r a t i o nd e c i b e lv a l u ei ne a c hf r e q u e n c y b a n de t c 2 c o m p l e t et h ew h o l ep r o g r a mo ft h es y s t e mf o rm o n i t o r i n gv i b r a t i o n sa n df a u l t s d i a g n o s i n go fr o l l i n gb e a r i n g s w i t hv is o f t w a r e l a b v i e w , i n c l u d i n g s u b m o d u l eo fd a t aa c q u i s i t i o n ，d i g i t a lf i l t e r s ，s u b - v if o rc a l c u l a t i n g , a n a l y z i n g a n ds h o w i n gv i b r a t i o np a r a m e t e r s ，s u b v if o rs a v i n ga n dr e a d i n gd a t a , s u b v if o r f a u l t sd i a g n o s i n ga n ds oo n a l s or e a l i z et h em u t u a lc a l lo fp r o g r a mp a c k a g e so f l a b v i e w , v c + + a n dm a t l a ba n dd a t a b a s ef u n c t i o n 3 c a l i b r a t et h es y s t e mf o rm o n i t o r i n gv i b r a t i o n sa n df a u l t sd i a g n o s i n go fr o l l i n g b e a r i n g s ，a n a l y z et h ee r r o rt h a tm a yb ec a u s e di nt h es y s t e ma n dp r o p o s es o m e v i 上海大学硕士学位论文 m e t h o d sf o re l i m i n a t i n go rr e d u c i n gt h ee l t o r t h ee q u i p m e n th a sb e e np u ti n t ou s ei ns o m eb e a r i n gm a n u f a c t u r e r s t h ee f f e c to f w h o l es y s t e mi ss a t i s f a c t o r ya c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l ta n do p e r a t i o n a lc o n d i t i o n r c a nr e p l a c et h ee q u i p m e n tf o rm o n i t o r i n gr o l l i n gb e a r i n g sw h i c ha g ec o m m o n l yu s e d a tp r e s e n t i th a sc o m p l e t ef u n c t i o n sa n dh i g he f f i c i e n c y a l s o ，i ti sa c c u r a t ef o r m e a s u r e m e n ta n df a u l t sd i a g n o s i n g , c o n v e n i e n tf o ro p e r a t i n g , a n de a s yf o ru p g r a d i n g , s oi th a sag o o df u t u r ef o ra p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：r o l l i n gb e a r i n g v i r t u a li n s t r u m e n t ( v df a u l td i a g n o s i s v i b r a t i o ns i g n a l v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 。除了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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：茗食 导师签名：辱鳖缝日期：趔难缉胡 n 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件。全世界大约有8 0 的轴承应 用于工业、农业、汽车、火车、飞机等运输设备中。各类主机的工作精度、性能、 寿命、可靠性和各项经济指标，都与轴承有着密切的关系。尤其是随着科学技术 的发展，轴承在国民经济和国防建设中正起着越来越突出的作用。因此，可以毫 不夸张地说，轴承技术代表着世界整个工业地发展水平。 轴承整体技术水平，在近几十年来取得了令人瞩目的进步。高精度、高转速、 高可靠性、长寿命、免维护保养以及标准化、单元化、通用化已成为轴承的基本 技术标志。特别在轴承基础技术进步、通用产品的结构改进、专用轴承单元化和 陶瓷轴承的开发等方面成效最为显著。到目前为止，全世界已生产轴承品种5 万 种以上，规格多达1 5 万种以上。美国、日本、德国已形成世界三大轴承市场u 1 。 滚动轴承是目前轴承中应用最广泛，尤其在旋转机械中的应用十分广泛。目 前国内主要研究的滚动轴承包括：陶瓷轴承、机器人精密薄壁轴承、高速铁路客 车轴承、航空航天轴承、纳米级轴承、风力发电机轴承、自润滑( 无油) 轴承、 超越离合器和单向轴承、直线运动支承组件、特大型关节轴承、汽车空调器涡旋 压缩机轴承、转盘轴承、精密机床主轴轴承及智能化轴承。 滚动轴承作为转动件的支承元件，由于自身结构、工作环境等原因，运转起 来噪声和振动较为严重。振动和噪声不但影响工作环境，影响人的身心健康，而 且也是影响滚动轴承运转精度和使用寿命的主要因素。因此，对滚动轴承的振动 进行分析是相当有必要的。 同时，滚动轴承是旋转机械中应用最为广泛的机械零件，也是最容易损坏的 元件之一。旋转机械的许多故障都与滚动轴承有关，据统计，在使用滚动轴承的 旋转机械中，大约7 0 的机械故障是由于滚动轴承而引起的h 。可见，滚动轴承 的好坏往往直接影响到整台机器的性能。滚动轴承在实际使用中往往会出现以下 情况，有的轴承已大大超过设计寿命而依然j 下常工作；有的轴承未达到设计寿命 九出现故障。因此，对重要用途的轴承进行故障诊断是必要的，可以减少或杜绝 第1 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 事故发生，充分发挥轴承的工作潜力。该领域一直是近年来国内外机械故障诊断 技术发展的重点，并且这些年在检测技术上已取得很大的进步。 通常，滚动轴承的失效形式有以下几种：磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、 断裂失效、压痕失效和胶合失效旧1 。产生各种滚动轴承失效的原因和程度各有不 同，但是各种滚动轴承的缺陷都会导致机器产生振动和噪声，甚至会引起机器的 损坏和造成事故。在精密机械中，对滚动轴承的要求就更高，哪怕是滚动轴承有 微米级的缺陷，都会导致整个机器系统的精度遭到破坏。 滚动轴承的监测方法主要有三种。一种是直接测量轴承损坏出现的脉动频 率。由于这种方法受流体动力噪声和其他干扰源的影响很大，因此通常只在简单 的机械中应用，被称为低频信号接收法。另一种是谐振信号接收法。这种方法是 以3 0 4 0 k h z 作为监测频带，所选用的压电晶体加速度传感器的基座、机壳以及 邻近零件的的谐振频率均远离3 0 4 0 k h z 。这样，当被检测的滚动轴承正常运行 时，在此监测频带内不会出现共振脉冲。一旦轴承损坏出现脉冲时，在此监测频 带内的谐振信号由传感器接收，经放大和滤波器滤波，即获得较强的监测信号。 第三种方法包络法是选择传感器的一阶谐振频率区作为监测频带，而将其他低频 分量虑除。在包络法中，将经调制的高频分量拾取，经放大，滤波后送入峰值跟 踪器解调，即可得到原来的低频脉动信号，再经谱分析获得要求的功率谱旧。 另外，由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技 术领域中的应用，新的测试理论、方法、新的仪器结构的不断出现，电子测量仪 器的功能和作用也发生了质的变化。2 0 世纪8 0 年代末，美国成功研制了虚拟仪 器( v i ) 。所谓虚拟仪器，就是在通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计 定义，具有虚拟仪器面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其 实质是利用计算机显示器的功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输 出监测结果，利用计算机强大的软件功能来模拟传统仪器的信号数据的计算、分 析和处理，利用i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试 功能的一种计算机仪器系统。 对滚动轴承的监测和诊断可由两种途径实现：硬件方面，目前已经有多种信 号分析仪可用于对轴承的故障诊断，在信号预处理上采用各种现代滤波技术，提 第2 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 高了诊断的灵敏度，但大多是采用嵌入式硬件系统实现的，硬件系统便于携带， 速度快，但是可调试性差，可扩展性差。而采用基于p c 机的虚拟仪器系统，即 软件系统可扩展性好，便于调试升级和试验分析，为最终模块化和制作嵌入式平 台奠定基础。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究发展概况 最初的轴承故障诊断是利用听棒，靠听觉来判断。这种方法至今仍在沿用， 其中的一部分已改进为电子听诊器，例如用电子听诊器来检查、判断轴承的疲劳 损伤。训练有素的人员凭经验能诊断出刚刚发生的疲劳剥落，有时甚至能辨别出 损伤的位置，但毕竟影响因素较多，可靠性较差哺。 继听棒、电子听诊器之后，在滚动轴承的状态监测与故障诊断工作中又引入 了各种测振仪，用振动位移、速度和加速度的均方根值或峰值来判断轴承有无故 障，这样减少了监测人员对经验的依赖性，提高了监测诊断的准确性，但仍很难 在故障初期及时做出诊断。 1 9 6 6 年，全球主要滚动轴承生产商之一，瑞典s p m 公司在多年对轴承故障 机理研究的基础上，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发明了用冲击脉冲仪( s h o c kp u l s e m e t e r ) 检测轴承损伤，将滚动轴承的故障诊断水平提高了一个档次。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发展和 完善，s p m 公司及世界上其他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 技术产生于4 0 多年前，但现在仍然被广泛使用。这主要是因为s p m 计是一种便 携式测量仪器，现在一套新型s p m 仪器配有好几种类型的传感器，有探头式的， 有螺纹快速联接式的等等。有的s p m 计还配有便携式微机以便进行数据处理，并 给出监测结果，用起来非常灵活和方便。 1 9 7 6 年，日本新日铁株式会社研制了m c v 系列机器检测仪( m a c h i n e c h e c k e r ) ，可分别在低频、中频和高频段检测轴承的异常信号。同时推出的还有 第3 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 油膜检查仪，利用超声波或高频电流对轴承的润滑状态进行监测，探测油膜是否 破裂，发生金属间直接接触。1 9 7 6 - 1 9 8 3 年，日本精工公司( n s k ) 相继研制出 了n b 系列轴承监测仪，利用l 一- - 1 5 k h z 范围内的轴承振动信号测量其r m s 值和峰 值来检测轴承故障。由于滤除了低频干扰，灵敏度有所提高，其中有些型号的仪 器仪表还具有报警、自动停机功能。 随着对滚动轴承的运动学、动力学的深入研究，对于轴承振动信号中的频率 成分和轴承零件的几何尺寸及缺陷类型的关系有了比较清楚的了解，加之快速傅 里叶变换技术的发展，开创了用频域分析方法来检测和诊断轴承故障的新领域。 其中最具代表性的有对钢球共振频率的研究，对轴承圈自由共振频率的研究，对 滚动轴承振动和缺陷、尺寸不均匀及磨损之间关系的研究。1 9 6 9 年，h l b a l d e r s t o n 根据滚动轴承的运动分析得出了滚动轴承的滚动体在内外滚道上的 通过频率和滚动体及保持架的旋转频率的计算公式，以上研究奠定了这方面的理 论基础。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u 。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， 极大得提高了信噪比，所以能比较容易得诊断出故障来。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监视与故障诊断系 统引起了国内外研究者的重视。当前，滚动轴承微机自动监测仪器以瑞典s k f 公司生产的s k f - - m v h 9 0 c 型滚动轴承性能分析仪为代表，它代表着目前国际先进 水平。该型机器已经实现了利用计算机技术进行数字化显示的功能，并可以判断 滚动轴承不合格产品的产生原因和部位，对轴承的设计和生产有一定的指导意 义。随着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 用了多种其他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 滚动轴承进行工况监视，刚开始人们用均方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作为指标，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 数一一峭度来判断轴承的工况。使用结果表明，利用峭度指标对滚动轴承进行工 第4 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 况监视是一种比较简单而有效的方法u u 。美国恩泰克公司根据滚动轴承振动时 域波形的冲击情况推出的“波尖能量”法及相应仪器，对滚动轴承的故障诊断非 常有效。还有多种信号分析处理技术用于滚动轴承的状态监测与故障诊断，如频 率细化技术、倒频谱、包络线分析等。在信号预处理上也采用了各种滤波技术， 如相干滤波、自适应滤波等，提高了诊断灵敏度。 1 2 2 国内研究发展概况 我国在滚动轴承监测与故障诊断技术方面的研究经历了2 个阶段：第一阶段 是从7 0 年代末到8 0 年代初，在这个阶段内主要是吸收国外先进技术，并对一些 故障机理和诊断方法展开研究；第二阶段是从8 0 年代初期到现在，在这一阶段， 全方位开展了对滚动轴承的故障诊断新理论及其应用的研究工作，引入计算机测 控等先进技术，大大推动了诊断系统的研究和实施，并取得了丰硕的研究成果。 ( 1 ) 信号分析与处理方面 。 1 1 9 9 9 年，杨江天等人采用1 圭谱分析方法，提取滚动轴承振动信号中由于二 z 次相位耦合产生的非线性特征，定量描述轴承故障，可以有效地诊断滚动轴承故 障，且对初期故障很敏感。吕志民等将分形维数用于刻划滚动轴承在不同故障 状态下表现的非线性行为，进而对故障分类u 引。何晓霞等人采用连续小波分析 的方法对滚动轴承振动加速度信号进行处理，提取滚动轴承故障特征，并通过试 验验证了其有效性u 引。2 0 0 2 年，任国全等人提出了基于正交变换的滚动轴承故 障诊断新方法，利用正交小波基将滚动轴承故障信号变换到时间一频率域，通过 小波重构信号的希尔波特变换解调和包络谱分析，对轴承的故障进行了有效的诊 断。刘华等人对小波变换的理论进行了研究，并介绍t 4 , 波包理论，指出了 在强噪声的背景下小波包变换的算法对于瞬态信号提取的有效性，表明了小波包 变换在信号的去噪声、滤波等方面具有广泛的前景1 8 3 。王太勇等人分析了前向 型神经网络动力系统模型，根据该模型的特点提出了能够克服传统b p 算法学习 速度慢、容易陷入局部极小的新算法，改进后的算法用于滚动轴承故障诊断，该 算法可以有效缩短网络在训练过程中滞留于局部极小区域的时间，大大提高网络 的学习速度u 引。秦恺等人针对滚动轴承故障信号含有调幅成分的特点，提出并 第5 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 讨论了利用谱相关密度来提取滚动轴承故障特征的方法，验证了谱相关密度在提 取信号特征方面的有效性2 例。汪世益等人采用二次f f i - 分析法对高频谱峰群进 行分析，成功地诊断出产生疲劳剥落的轴承元件瞄。傅勤毅等人在联合时一频 分析的基础上提出一种短样本分析方法，是一种在滚动轴承检测过程中有效、准 rn1 确的分析工具u “。张文苑等人提出基于具有不同故障缺陷的滚动轴承实测振动 信号及功率谱图的特点，借助倒频谱分析，可以在复杂的干扰信号中，准确地确定 轴承的故障部分瞄引。 滚动轴承故障诊断系统设计和系统实现方面 ( 2 ) 在故障诊断系统设计与实现方面 国内许多大学和科研单位都在进行开发和研究，并且取得了一定的成效，其 中，上海市轴承技术研究所、洛阳轴承研究所、杭州轴承研究所、浙江大学、武 汉大学、上海交通大学、西安交通大学、上海大学、吉林大学等在该领域走在国 内的前列。吉林大学在2 0 0 1 年开发的滚动轴承的振动监测与故障诊断系统采用 了振动监测系统对滚动轴承进行巡回在线监测，发现故障后发出声光警告，然后 则自动转入诊断模块，用共振解调法进一步判断故障发生部位及其趋势等瞄引。 吉林工学院开发的滚动轴承的状态监测系统，采用了振动监测和温度监测系统对 轴承进行在线监测，发现故障后，则采用共振解调法诊断出故障的部位及其趋势 等矧。浙江大学开发的滚动轴承故障诊断虚拟仪器系统是一套基于计算机数据 采集的虚拟仪器系统，具有比较全面的功能，除了能在线计算和显示轴承的各种 运行参数以外，还具有相当全面的频谱分析的功能，并配有扬声器，但其故障诊 r 一1 断功能较差，不能确定滚动轴承的故障位置，不能实现自动分辨轴承等级“。 华侨大学开发的滚动轴承在线监测与故障诊断专家系统可用于对轴承的运行情 况进行在线监测，能及时预报轴承在运行中出现的异常现象并对故障进行诊断， 分析故障原因和提出相应的处理对策，但该系统缺乏轴承幅域参数计算，工业现 场的实际应用性不强2 9 1 。 1 3 课题来源和研究的目的及意义 第6 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 1 3 1 课题来源 本课题来源于上海市教委青年基金资助项目“多平行轴齿轮一轴承一转子系 统耦合振动的有限元分析 和上海市轴承技术研究所、上海市安德机电科技有限 公司与上海大学合作项目“滚动轴承振动性能诊断分析仪研制”。 1 3 2 课题研究的目的及意义 本课题的目的是建立一个合理的滚动轴承的振动模型，然后在此基础上，建 立一套完整的的基于虚拟仪器技术的滚动轴承振动性能测试、监测分析及故障诊 断系统，同时建立与系统相搭配的数据库。该系统能够动态地准确监测滚动轴承 的振动性能指标，从振动信号中能够准确分析滚动轴承的故障信息，并将信息归 入数据库，以便管理。 由于目前国内相应的测试仪器具有精度不高、对轴承缺陷判断和分析、“异 音特征分析能力不足等缺陷，国外虽有类似功能的仪器，但价格比较昂贵，由 于属于高、精、尖技术，相关国家已就相关技术对我国进行封锁，难以实现大规 模引进。因此，研制具有自主知识产权的高性能、多功能的先进滚动轴承动态性 能分析仪具有重要的现实意义，它将对轴承行业以及国民经济相关的行业产品质 量的提高产生重要的影响。 研发的基于虚拟仪器技术的滚动轴承振动性能测试、监测分析及故障诊断系 统可以完全取代目前国内流行的s 0 9 1 0 型轴承振动测量仪等一些测试装备，实现 该产品的更新换代。由于具有更完善的检测和分析功能，可以为生产高性能轴承 提供检测手段和指导。本系统智能化程度较高，可以直观给出轴承的级别、振动 是否超标以及轴承发生故障的位置等一系列有效信息，若该产品在轴承行业和相 关行业得到推广使用，其经济效益将是巨大的。从另一个角度讲，可以避免由于 技术封锁对我国轴承行业的发展所产生的不利影响。 1 4 本文研究的主要内容 1 根据滚动轴承振动机理，建立了一套完善的滚动轴承故障检测模型，全 方位地实时监测滚动轴承的运动参数，查看滚动轴承的运行状态，以此 为依据，建立了滚动轴承故障诊断模型，利用幅域、频域分析理论对滚 动轴承进行故障诊断，如峰值因子的应用、包络检波、频谱细化的应用 矗盘 口。 第7 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 2 编写了相关的驱动程序，采用双缓存中断采集技术搭建高速数据采集系 统，并与前置信号调理模块进行连接，确保信号采集的实时性和准确性。 并且实现了硬件电路和后续软件系统的连接和整合。 3 采用l a b v i e w 7 1 虚拟仪器开发环境，编写了滚动轴承智能化测试分析系 统的虚拟仪器软件，设计了符合行业测试标准的数字滤波器，编写了各 种幅域参数计算的子v i ，实现了对大批量测试数据进行操作的数据库功 能。 4 对滚动轴承测试分析系统进行标定，分析了系统工作的稳定性，并对测 试系统进行了误差分析，提出了一些消除误差的方法。 第8 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 第二章滚动轴承的故障特征及振动机理 滚动轴承在使用过程中，由于本身质量和外部条件的原因，其承载能力、旋 转精度和减磨性等会发生变化，当轴承的性能指标低于使用要求而不能正常工作 时，称之为轴承损坏或失效。 2 1 滚动轴承的失效形式 滚动轴承损坏的情况比一般机械零件的损坏要复杂得多，大部分是由于使用 维护不当，如选型不适合、支承设计不合理、安装不当、润滑不良、密封不好等 外部因素引起的3 引。下面分别介绍滚动轴承的常见失效形式。 1 轴承零件接触表面的划伤、擦伤 在工作中，我们发现轴承零件的工作表面有时会出现一些细小或有一定深度、 宽度、长度不同的划痕或沟槽，这种损伤称之为划伤或擦伤。由于润滑油过滤不 净，存有被磨损下来的金属颗粒，或者在安装过程中有一些杂质混入，又由于轴 承零件接触面间存在滑动现象，此时存在于两接触表面间的硬质微小颗粒将会划 伤工作表面。此外，在安装过程中，由于轴承零件与其他带尖角部位的硬性物接 触，而将轴承零件的工作区刻划出一定深度、宽度、长度不同的沟槽，产生了擦 伤。 2 磨损 处于临界润滑状态下，两相互接触的物体存在相对运动时，将会产生表面损 伤，如果这种损伤继续不断地进行下去，就会引起剥蚀，即为磨损。磨损又分为 粘附磨损和磨粒磨损。 3 锈蚀 金属和周围环境介质发生化学作用或电化学作用而引起地损坏称为锈蚀或腐 蚀。在轴承中，还会出现一种磨擦腐蚀现象，在接触表面伤出现一些斑蚀坑。锈 蚀发生时，在表面形成带褐色或黑色的锈斑或锈坑，有腐蚀产物出现，破坏了金 属的光泽，在使用过程中还会造成轴承的早期失效。 4 疲劳剥落 轴承零件的工作表面在交变接触应力的作用下发生的有一定深度和面积的基 体金属剥落，叫做疲劳剥落。在交变接触应力的作用下，疲劳剥落现象不仅发生 第9 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 在表面下，而且也发生于表面伤。产生于表面下的疲劳剥落，在交变应力的作用 下，首先从材料的最薄弱点形成第一条微小裂纹，又在交变应力的反复作用下， 裂纹不断扩大，最后导致金属剥落。 5 裂纹 当轴承材料所受应力超过材料的强度极限时，其内部或表面便产生断裂或局 部断裂现象，其宏观缺陷便称为裂纹。裂纹产生的原因较为复杂，影响因素很多。 6 尺寸胀大或缩小 轴承运转一定时间以后，出现游隙减小现象( 反映在内圈或滚动体直径方向 尺寸的增大或减小) ，如果尺寸改变幅度较大，则会出现轴承的抱轴现象。轴承 零件中的应力松弛现象是引起尺寸改变的原因之一。 7 保持架变形 在外力作用下，保持架的形状与原形状相比存在较大的差异，称之为保持架 变形。保持架的材料通常采用强度较低的轻质材料，加之隔离滚动体的梁尺寸_ 般较小，所以在外力作用下，容易使保持架产生塑性变形矧。 2 2 滚动轴承的振动机理 滚动轴承在工作时，一般是外圈与轴承座或机壳相联接，固定或相对固定； 内圈与机械的传动轴相联接，随轴一起转动。在机械运转时，由于轴承本身的结 构特点、加工装配误差及运行过程中出现的故障等内部因素，以及传动轴上其他 零部件的运动和力的作用等外部因素，当轴以一定的速度并在一定载荷下运转时 对轴承和轴承座或外壳组成的振动系统产生激励，使该系统振动，其振动产生的 机理可用图2 一l 表示3 4 1 。 图2 - 1 滚动轴承振动产生机理 第l o 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 在实际诊断中，人们通过布置在轴承座或外壳适当位置的传感器拾取的振动 信号是上述各种内部和外部激励源施加于轴承座和外壳组成的振动系统的综合 振动。如果不考虑轴承加工和装配误差，在这一综合振动中，我们重点研究的是 运行故障这一内部因素所引起的振动信号。那么，如何从综合振动中把运行故障 引起的振动信号突出出来，从而有效地把故障特征从综合振动中提取出来，首先 需要研究轴承内部三种因素引起的振动信号的各自特征。 1 轴承本身结构特点及加工装配误差引起的振动 滚动轴承是由有限个滚动体来承受负荷的，由于滚道与滚动体的接触部分产 生弹性变形，在径向载荷的作用下，各滚动体的受力情况是不一样的，且随着滚 动体上的某一点的运动位置不同受力情况不同亦不一样m 1 。滚动体的受力情况 如图2 - - 2 所示。由于轴的转动，轴心位置将产生周期性变化，旋转轴将产生与 滚动体通过径向负荷作用线的周期振动。由于转动座圈接触处的弹性变形，可将 轴承视为具有非线性特定曲线的弹簧。这样，在轴承滚动过程中，就会产生滚动 体行程节拍一致的轴承转线的运动( 如图2 3 所示) 。这样的振动，转速越低， 径向游隙越大，载荷角1 3 越小时，表现越明显。 l t 图2 - 2 滚动轴承中径向载荷的分布 第1 i 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 暑 豹耐闷 瓣对冀 图2 - 3 滚动体上一点的载荷及应力变化 同时轴承元件加工时留下的表面波纹度、粗糙度、形位误差以及装配误差等 原因产生的交变激振力也会使轴承系统振动，虽然这些加工装配因素造成的激振 力都具有周期性的特点，但由于实际构成因素十分复杂，各因素之间也不存在特 定的关系，所以，总体上说这些激振力随机性较强，含有多种频率成份，那么轴 承系统在这些激振力的作用下所产生的振动当然也具有多种频率成份并有较强 的随机性k 。 2 轴承运行故障引起的振动 滚动轴承在运行过程中出现的故障按其振动信号的特征不同可分为两大类： 一类称为磨损类故障；另一类称为表面损伤类故障，包括点蚀、剥落、擦伤等1 。 ( 1 ) 磨损 一般来说，在正常使用情况下，滚动轴承工作表面磨损故障经历时间较长， 是一种渐变性故障。轴承表面磨损后产生的振动同正常轴承的振动具有相同的性 质，即两者的波形都是无规则的，随机性较强。但磨损后振动水平( 幅值) 明显 高于正常轴承。这就是磨损类故障引起的振动信号的基本特点。 由于磨损故障引起的振动信号除了振动水平高于正常轴承外，没有别的特征 差别，所以诊断这类故障就找不到一种很好的信号处理方法。通常做法是检测振 动的有效值和峰值，如果明显高于正常轴承，即判定为磨损。 由于磨损不会马上引起轴承破坏，其危害程度远小于表面损伤类故障，所以 通常人们最为重视的还是下面要讨论的表面损伤类故障。 ( 2 ) 表面损伤 第1 2 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 对于表面损伤类故障，当损伤点通过轴承元件表面时要产生突变的冲击脉冲 力，该脉冲力是一宽带信号，所以必然会覆盖轴承系统的高频固有振动频率引起 谐振，从而产生冲击振动。这就是损伤类故障引起的振动信号的基本特点。 损伤类故障产生的冲击振动成份从性质上可分为两类： 其一，是由于轴承元件的工作表面损伤点在运行中反复撞击与之相接触的其 他元件表面而产生的低频振动成份，有些文献上称之为轴承的“通过振动”。其 发生周期t c 是有规律的，可以从转速和轴承的几何尺寸求得。并且，损伤发生 在内外圈或滚动体上时，该频率f c ( = l t o ) 不同，可进行计算。这一轴承“通 过振动 发生的频率称为故障特征频率。利用频率分析诊断轴承故障时，其基本 原理就是查看轴承振动信号中有无这些故障特征频率成份，若有，则可根据这些 频率成份的大小进一步确定故障发生的部位( 是内、外圈或是滚动体上) 。滚动 轴承故障特征频率一般在1 k h z 以下，是滚动轴承故障的重要特征信息之一。 其二，是由于损伤冲击作用而诱发的轴承系统的高频固有振动成份。这里所 说的“高 是相对故障特征频率而言的。轴承系统的高频固有振动很复杂，如轴 承内、外圈的径向弯曲固有振动、滚动体的固有振动、甚至测振传感器的固有振 动等都可由于损伤冲击而产生并反映在轴承的振动信号中。在这些固有振动中， 因为通常测轴承振动时往往把传感器布置在轴承座上测外圈的振动，所以轴承外 圈的径向弯曲固有振动是我们比较感兴趣的。 2 3 滚动轴承故障特征频率计算 从以上可知滚动轴承常见的失效方式有磨损、疲劳、锈蚀等。当轴承元件的 工作表面出现局部缺陷时，会以定的通过频率( 取决于转频、轴承型号) 产生 一系列的宽带冲击，称为轴承的“通过频率 或“故障频率 ，实际中滚动轴承 故障振动监测就是检测这个频率。 下面以角接触轴承为例，通过分析轴承各元件之间的相对运动关系来推出轴 承故障特征频率的计算公式。图2 - 4 所示为滚动轴承各元件之间运动关系示意 图。为简单起见，设轴承外圈固定，内圈( 即轴) 的旋转频率为疋，轴承节径 为d ，滚动体直径为d ，接触角为a ，滚动体个数为z ；并假定滚动体与内外圈之 间纯滚动接触。由于外圈固定，所以滚动体上b 点的速度为零，而a 点的速度 ，= 2 v 。= 矾( d - dc o s a ) = 2 n f c d ，由此可以得到 第1 3 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 正= 手( 1 一吾c o s 口) ( 2 1 ) 其中以为滚动体的公转频率，即保持架的转动频率。 图2 - 4 轴承各元件之间的运动关系 设滚动体的自转频率为以，则以可以这样求得：给整个轴承加一转动角速 度“一丘( 相当于站在保持器上看轴承运动) ，则此时保持器固定不动，外圈 以一：转动，滚动体只硐目转角速度：，根据纯滚动关系，此时b 点的速度( 注 意此时滚动体上的a 点绕其中心c 转动) = 碱= 刀( d + a c o s a ) l ( 2 - - 2 ) 由此可得 五= 昙 1 一( d a - - - ) 2 c o s 2a f ,( 2 3 ) 进而推得： ( 1 ) z 个滚动体与外圈上某一固定点接触的频率为 以= 玩= 主 1 - 丢c o s 口i f , ( 2 _ 4 ) ( 2 ) z 个滚动体与内圈上某一固定点接触的频率为 z = z ( 六一无) = 主【l + 旦d c 。s 口】 ( 2 5 ) ( 3 ) 滚动体上某一固定点与外圈或内圈接触的频率为 ，= 以= 昙卜( d ) 2 c 。s 2a f ，( 2 _ 6 ) 上海大学硕士学位论文 、z 、和z 分别称为外圈、内圈和滚动体的通过频率。当上述的“某一固定 点 是局部损伤点( 例如点蚀点、剥落点、烧伤点等) 时，、z 、和f 分别 成为局部损伤点撞击滚动轴承元件的频率，所以又分别称为外圈、内圈和滚动体 的故障特征频率。 2 4 轴承元件固有频率 滚动轴承在运行时，当工作表面发生局部损伤类故障时要产生冲击而诱发轴 承的各阶固有振动。其中轴承元件的固有频率如下： ( 1 ) 轴承套圈径向弯曲振动的固有频率计算公式： 正：9 4 1 0 5 i h n 帚( n 2 - 1 ) ( 勉) ( 2 7 ) b 2 4 n 2 - i - 1 式2 7 中：n 一一固有频率的阶数( n - 1 ) ，n = 2 ，3 ，4 ，； b 一一套圈宽度( 硼) ； h 一一套圈厚度( 咖) ； 以上公式是假定套圈为钢材而得出的。 ( 2 ) 钢球的固有频率的计算公式： 厶= 4 8 1 0 4 r ( h z ) ( 2 8 ) 式中：r 一一球的半径( 舳) ； 一般测量轴承振动时是把传感器布置在轴承上测外圈的振动捌，所以外圈 的径向弯曲固有频率比较重要，按公式计算得到的固有频率只是理论值，它实际 上是按照弹性力学中薄壁圆环在自由状态下的固有振动的计算方法而导出的，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，所以按公式的计算往往与实测值有出入，此公式只能作 为外圈固有频率的一个估算公式。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。 第1 5 页共9 8 页 上海大学硕士学位论文 第三章滚动轴承的振动信号分析及故障诊断的基本方法 3 1 滚动轴承的诊断方法 由于滚动轴承的应用十分广泛，应此对滚动轴承的故障诊断也是不断发展。 目前世界轴承公司对滚动轴承的故障诊断方法主要有以下几种： 1 ) 振动信号监测法： 根据轴承的振动情况，利用传感器发出的信号，进行频谱分析，对轴承进行 故障识别。是目前通常采用的监测方法。 2 ) 光纤维监测诊断法 精密轴承对轴的回转精度要求极高，如果回转运动误差过大，系统就无法正 常运行，即认为出现了故障，而此时振动信号并不一定很强，而且由于振动监测 法是在轴承座或机器外壳表面拾取信号，因此这样故障诊断的灵敏度就受到了限 制，因此可采取直接监测回转轴心位置的变化。故引出光纤维监测诊断法。