（电气工程专业论文）基于虚拟仪器技术的滚动轴承故障检测系统的研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 滚动轴承是发电企业设备中应用最广泛的零部件之一，它的运行状态直接影 响到整台机器的功能，所以正确检测轴承故障，对延长其使用寿命、节省使用费 用有很大的实际意义。本文首先分析了滚动轴承典型故障的故障机理及其振动特 征，详细介绍了滚动轴承振动信号分析与故障诊断的方法；然后针对滚动轴承故 障缺陷的特点，分别设计了基于包络解调分析的滚动轴承故障诊断方法、基于振 动幅域参数指标的诊断方法和基于冲击脉冲法的滚动轴承故障诊断方法。最后， 采用l a b v i e w 7 1 语言，设计研发了基于虚拟仪器技术的滚动轴承故障诊断系统， 融合了包络解调分析、振动幅域参数指标、冲击脉冲三种方法，该系统有效地提 取了滚动轴承的故障特征，诊断识别出了滚动轴承的故障缺陷。 关键词：滚动轴承，故障诊断，虚拟仪器，包络解调，冲击脉冲 a b s t r a c t r o l l 证gb e a r i n gi so n eo ft t 心m o s tf 砌l i a u rc o m p o n e n t si np o w e rp l a n t ，t h e m n l l i n gs t a t e sw i l l 甜f e c t 也e 、h o l em a c h i n e s 劬c t i o n sd i r e c t l y d i a g n o s i i l ge a r l y f a u l t so fr o l l i n gb e a r i n gi sm 蛐g 觚t 0e x t e n d e di t sl i f ea n dr e d u c c 砥c o s t s 1 k s p 印e r 觚a l y z e sm ep r i n c i p l ea n dv i b r a t i o n 蛐t e t i s t i cf o rt ) r 1 ) i c a l 洲to fb e a 血l g t h e n e x p l a i n i n g t h e p r i n c i p l e o fa n a l y s i n ga n dd i a g n o s i i 培 b e a r i n g f 吡l t s i n f 0 衄a t i o ni nd e t a i l ，t h em e t h o d sb 硒e do ne n v e l o p ed e m o 枷a t i 鸭b 枷o n a m p l i 伽ep 卸陷k ：t e 墙a n ds h o c kp i l l s em 劬o da i l ep r i ) p o s e d f i n a l l yt h es o n w 盯e f o rm ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nt l l o m e t h o di sd e s i g n e db yl a b v i e w j a n dt h es y s t e mc a j le x t r a c tt h ef a u l tc h a u r a c t e r i s t i c s 姐dd i a g n o s et h ef a u l to ft h e r o l l i n gb e 撕n ge f f e c t i v e l y ba i w e n g u a n g ( e l e c 虹c a le n g i i l e e 血g ) d i r e c t e db yp r 0 l iy 0 n g g a l l g k e y w o r d s ：r o l l i n gb e a r i n g ， f a u l t d i a 印o s i s ， m l a l i n s t n 髓e n t ，e n v e l o p e d e m o d u l a t i o n ，s h o c kp u l s em e m o d 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 滚动轴承是发电企业设备中应用最广泛的零部件之一，它的运行状态直接影 响到整台机器的功能，所以正确检测轴承故障，对延长其使用寿命、节省使用费 用有很大的实际意义。本文首先分析了滚动轴承典型故障的故障机理及其振动特 征，详细介绍了滚动轴承振动信号分析与故障诊断的方法；然后针对滚动轴承故 障缺陷的特点，分别设计了基于包络解调分析的滚动轴承故障诊断方法、基于振 动幅域参数指标的诊断方法和基于冲击脉冲法的滚动轴承故障诊断方法。最后， 采用l a b v i e w 7 1 语言，设计研发了基于虚拟仪器技术的滚动轴承故障诊断系统， 融合了包络解调分析、振动幅域参数指标、冲击脉冲三种方法，该系统有效地提 取了滚动轴承的故障特征，诊断识别出了滚动轴承的故障缺陷。 关键词：滚动轴承，故障诊断，虚拟仪器，包络解调，冲击脉冲 a b s t r a c t r o l l 证gb e a r i n gi so n eo ft t 心m o s tf 砌l i a u rc o m p o n e n t si np o w e rp l a n t ，t h e m n l l i n gs t a t e sw i l l 甜f e c t 也e 、h o l em a c h i n e s 劬c t i o n sd i r e c t l y d i a g n o s i i l ge a r l y f a u l t so fr o l l i n gb e a r i n gi sm 蛐g 觚t 0e x t e n d e di t sl i f ea n dr e d u c c 砥c o s t s 1 k s p 印e r 觚a l y z e sm ep r i n c i p l ea n dv i b r a t i o n 蛐t e t i s t i cf o rt ) r 1 ) i c a l 洲to fb e a 血l g t h e n e x p l a i n i n g t h e p r i n c i p l e o fa n a l y s i n ga n dd i a g n o s i i 培 b e a r i n g f 吡l t s i n f 0 衄a t i o ni nd e t a i l ，t h em e t h o d sb 硒e do ne n v e l o p ed e m o 枷a t i 鸭b 枷o n a m p l i 伽ep 卸陷k ：t e 墙a n ds h o c kp i l l s em 劬o da i l ep r i ) p o s e d f i n a l l yt h es o n w 盯e f o rm ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nt l l o m e t h o di sd e s i g n e db yl a b v i e w j a n dt h es y s t e mc a j le x t r a c tt h ef a u l tc h a u r a c t e r i s t i c s 姐dd i a g n o s et h ef a u l to ft h e r o l l i n gb e 撕n ge f f e c t i v e l y ba i w e n g u a n g ( e l e c 虹c a le n g i i l e e 血g ) d i r e c t e db yp r 0 l iy 0 n g g a l l g k e y w o r d s ：r o l l i n gb e a r i n g ， f a u l t d i a 印o s i s ， m l a l i n s t n 髓e n t ，e n v e l o p e d e m o d u l a t i o n ，s h o c kp u l s em e m o d 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于虚拟仪器技术的滚动轴承 故障检测系统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 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。 学位论文作者签名：日期：坦璺：! ：! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 翮虢一日期：趔：莎f 华北电力大学：r j 鼙硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 。 众所周知，发电企业设备的运行状态监测和故障诊断对保证设备的安全有效运 行至关重要，国内外曾发生了不少因设备故障而引发的空难、海难、断裂、倒塌、 泄露等恶性事故，不仅造成了人员伤亡，而且造成了巨大的经济损失。如1 9 7 2 年 日本关西电力公司南海电厂3 号机组一6 0 0 m w 汽轮发电机组因振动引起严重的断轴 毁机事件；1 9 8 5 年山西大同电厂2 号机组联轴器断裂；1 9 8 8 年秦岭电厂的2 0 0 姗 汽轮发电机组因振动引起的严重的断轴毁机事故，都造成了巨大的经济损失n 】。因 此，为了保证设备的安全运行，消除事故，需要大力开展设备故障诊断的研究，提 高故障信号的分析与处理能力。 滚动轴承具有效率高，摩擦阻力小，装配方便，润滑容易等特点，因而在旋转 机械中得到广泛的应用。滚动轴承是大部分旋转机械的组成部件，但滚动轴承却是 易损元件，许多旋转机械的故障都与滚动轴承有关瞳1 。有关资料统计，机械故障的 7 0 是振动故障，而振动故障中有3 0 是由滚动轴承引起的口刈。这是因为滚动轴承 在机械设备中起着承受载荷，传递载荷的作用，而且工作条件比较恶劣。滚动轴承 引起的直接后果轻则降低和失去系统的某些功能，重则造成严重的甚至是灾难性的 事故，因此滚动轴承故障诊断技术是机械设备故障诊断技术的重要组成部分，分析 研究滚动轴承故障诊断技术具有重大的科学意义和实际意义啼制。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 滚动轴承的故障诊断方法评述 滚动轴承是旋转机械转子系统的重要支承部件，广泛应用于发电厂的电动机、 水泵、风机、输煤、输灰等旋转机械中，是发电厂点检员日常点检工作中重点检查 的对象。其基本结构包括外圈、内圈、滚动体、保持架等元件，结构如图1 所示： 1 一外罔2 一滚动体3 一内圈 4 一保持架 图1 滚动轴承结构 华北电力大学工程硕士学位论文 滚动轴承故障诊断的方法很多，根据检测与诊断所采用的状态分量来分类，即 按照测取信号的性质来分类，其诊断方法主要有铁谱检测法，温度检测法、油膜电 阻诊断法、油样分析法、声学测量法和振动检测分析法等口_ 副。 铁谱检测法：轴承磨损颗粒与其工作状况有密切的联系。将带有磨损颗粒的润 滑油通过一强磁场，在强磁场的作用下，磨粒按一定的规律沉淀在铁谱片上，铁谱 片可在铁谱显微镜上做定性观察或在定量仪器上测试，据此判断轴承的工作状况。 铁谱诊断法具有机器无需解体，投资低，效果好，能发现轴承的早期疲劳失效，可 作磨损机理研究等特点。这种方法适用于用润滑油润滑的轴承的故障诊断，对于脂 润滑轴承较困难。另外，这种方法易受其它非轴承损坏掉下来的颗粒的影响。所以， 这种方法具有很大的局限性。 温度检测法：温度检测法是通过监测轴承座( 或箱体处) 来判断轴承工作是否 正常。轴承若产生某种异常，轴承的温度会发生变化。因此，根据温度的变化，可 以对轴承故障进行诊断，但对异常判断的能力只能给予很低的评价。温度监测对轴 承载荷，速度和润滑情况的反映比较敏感，尤其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反映，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。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。 油膜电阻诊断法：润滑良好的轴承，由于油膜的作用，内，外圈之间有很大的 电阻。故通过测量轴承内、外圈之间的电阻，可以对轴承的异常做出判断。其特点 是对不同的工况条件可使用同一评判标准；适用于旋转轴外露场合，对表面剥落、 压痕、裂纹等异常的诊断效果比较差。 油样分析法：油样分析法是一种从轴承所使用的润滑油中取出油样，通过分析 和收集油样中金属颗粒的大小和形状来判断轴承工况和故障诊断的方法。这种方法 只适用于油润滑轴承，而不适用于脂润滑轴承。另外，这种方法易受其它非轴承损 坏掉下的颗粒的影响。所以这种方法有很大的局限性。 声学测量法：与振动法有着密切的关系，即通过滚动轴承在运行过程中的噪声 来判断其故障，通常有两种途径：声压和声强。用声学法进行轴承的故障检测，优 点是不必接触受测轴承即可得到检测信号；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。因此，噪声法一般很少被采用。 振动检测法：轴承元件的工作表面出现疲劳剥落，压痕或局部腐蚀时，轴承运 行中会出现周期性的脉冲信号。这种周期性信号可由安装在轴承座上的传感器( 加 速度型或速度型) 来接收，通过对振动信号的分析来诊断轴承的故障。这也是现今 2 华北电力大学工程硕士学位论文 采用最广泛的方法。 此外，新的监测技术不断出现并应用于滚动轴承的工况监视与诊断中，例如声 发射技术，光纤技术等等n 3 叫引。但是由于种种原因和局限性，这些技术真正普及应 用于实际的滚动轴承工况监测和故障诊断还有一段距离。 1 2 2 滚动轴承的故障诊断检测系统的发展 利用振动信号对滚动轴承故障进行诊断，是设备故障诊断方法中最有效、最常 用的方法。发展可以分为四个阶段啼1 5 1 。 第一阶段：利用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。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，当时的频谱分析 仪都比较昂贵，并且需要比较熟练的技术人员来操作。所以，这时的轴承振动监测 与诊断远未走向实用。 第二阶段：利用冲击脉冲技术轴承故障诊断。在一个滚动轴承内，当内圈、外 圈或滚动体损伤时，当其受载相接触时要产生冲击，该冲击同钢球落在金属棒上引 起的冲击一样要在轴承内外圈滚道上产生压缩波。尽管冲击的时间非常短，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检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。 第三阶段：利用共振解调技术轴承故障诊断。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，这就必然引起滚动轴承元件的共振。 把传感器拾取的信号经过放大，然后经过中心频率等于滚动轴承元件的共振频率的 带通滤波器滤波。再经解调器进行包络检波，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个元件发生了故障。 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。 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 了多种其它有效的方法和技巧来诊断滚动轴承的故障。例如，利用幅域参数指标对 滚动轴承早期故障进行监测和诊断是轴承故障的简易诊断法，其目的是初步判断被 华北电力入学j j ：程硕士学位论文 列为诊断对象的滚动轴承是否出现了故障。对信号的幅域进行统计分析可以得到的 参数指标有：均方根值、峰值、峰值因子、峭度、脉冲因子、裕度因子和波形因子 等。这些指标的特点是：对故障和缺陷足够敏感，依赖于信号的幅值概率密度函数。 这些参数的变化，能直观的反应出机械设备的故障特征n 8 2 引。 1 2 3 虚拟仪器技术的发展概述 电子测量仪器是电力系统一种重要的二次设备，它的发展主要经历了模拟仪 器、分立元件式仪器、数字化仪器、智能仪器、虚拟仪器五个阶段乜卜船1 。 模拟仪器：这类仪器是以电磁感应定律为基础的指针式仪器，借助指针来显示 最终结果。 分立元件式仪器：这类仪器是以电子管或晶体管电路为基础。 数字化仪器：集成电路的出现是数字化仪器产生的基础，这类仪器将模拟信号 的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较 高准确度的测量。 智能仪器：这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处 理功能，可取代部分脑力劳动，但其缺点是功能块全部都以硬件( 或固化的软件) 形 式存在，无论对开发还是针对应用，都缺乏灵活性。 目前，随着微电子技术和计算机技术飞速发展，出现了现代计算机技术、通信 技术和测量技术相结合的产物虚拟仪器，它是仪器产业发展的一个重要方向。 它的出现使得人类的测试技术进入一个新的发展纪元。 虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过 软件将计算机硬件与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理功 能和仪器硬件的测量、控制功能结合在一起，大大减小了仪器硬件的成本和体积， 并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理瞳3 吨引。 虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能和想象力的空间，用户可以根据 自己的需求设计自己的仪器系统，从而满足多种多样的应用需求。其实质是利用计 算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结 果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和显示；利用i o 接口 设备完成发电机信号的采集、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。计算机的显示器类似传统仪器的操作面板，输入设备( 如鼠标，键盘) 相 当于传统仪器的功能按钮。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专 用测量仪器一样。 4 华北电力人学 j 程硕士学位论文 综上所述，结合滚动轴承振动检测方法， 断系统是一项展新的课题，正在进一步研究， 1 3 课题研究内容 采用虚拟仪器来设计滚动轴承故障诊 并逐步应用到工程实践中。 1 分析滚动轴承的故障特征。 2 掌握冲击脉冲方法、共振解调方法、幅域参数指标分析方法识别滚动轴承故 障的原理和步骤。 3 在前面分析的基础上，采用l a b v i e w 软件编写基于虚拟仪器的滚动轴承故障 诊断系统。该系统可以实现滚动轴承参数的设置、信号的时域和频域分析，信号的 故障特征提取与诊断等功能。 华北电力大学： 程硕士学位论文 第二章滚动轴承结构故障机理 在滚动轴承工况监测与故障诊断的各种方法中，振动法由于其适用效果好、测 试及信号处理简单直观等优点而被广泛采用，振动信号作为预知滚动轴承故障的信 息载体，具有很优良的性质，但盲目的测定振动信号，对其特征不进行认真地分析 和研究，仍然不能成功且有效的诊断出故障，本章详细阐述讨论滚动轴承结构的失 效形式、振动类型及发生故障的原因。 2 1 滚动轴承失效表现形式 根据振动信号的特征可以把滚动轴承在运行过程中出现的故障分为两大类：一 类为损伤类故障，包括轴承元件表面点蚀、裂纹、剥落及擦伤等；一类为磨损类故 障，包括异物落入造成的磨料磨损以及由于润滑不良引起的元件表面直接接触造成 的磨损。 当轴承出现磨损类故障时，振动信号的特征是随机性很强，无明显的周期信号 存在，可通过分析轴承的振动水平来诊断这类故障。滚动轴承失效的传统模式是局 部缺陷，即损伤类故障。在这种失效中，一块相当大的接触表面在运行中脱落，其 主要原因是循环接触应力作用下轴承金属的疲劳裂纹和剥落。c 2 盯 2 2 滚动轴承的故障缺陷频率 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，元件的故障特征频率也不相同。滚动轴承的故障缺 陷频率为： 1 ) 外环缺陷： 扁= 篙( 一警) 浯， 2 ) 内环缺陷： = 蔫( ，+ 警) 浯2 ， 3 ) 滚子缺陷： = 高( ，+ 学) 浯3 ， 华北电力大学j 程硕士学位论文 4 ) 保持架缺陷： 岛= 嵩( 卜警) 浯4 ， 式中： d 一滚动体直径( m m ) ； d 一轴承节径( 舢m ) ； 口一接触角； z 一滚动体数量； 一工作转速( r m i l l ) 。 当轴承出现故障后，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的等于理论计算值。这主要是因为滚动体并非纯滚动等因素 ( 如实际轴承的几何尺寸的误差、轴承安装后的变形) 造成的。所以在频谱图上寻找 各特征频率时，需在计算的频率值的上下找其近似的值来做诊断判断。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比较困难。 2 3 滚动轴承振动的故障原因 滚动轴承不同类型的故障会引起轴承系统不同性质的振动，如图2 1 所示： 1 ) 滚动轴承构造故障 当滚动轴承加上一定的载荷时，旋转轴的中心( 轴心) 随着滚动体的位置变动， 这是因为载荷使内、外环和滚动体产生了弹性变形。随着轴心的变动，同时产生振 动。这时的振动称为滚动体的传输振动，它由滚动体的公转而产生。这个振动的主 要频率成分为矾( 其中z 一滚动体数；厶一滚动体频率) 。 对于旋转轴弯曲或轴承与轴装歪的情形，此时将发生具有玩厂( 其中厂一轴 的旋转频率) 频率成分的振动。 当滚动体直径不一致，一个滚动体的直径比其它滚动体大时，轴心随滚动体的 频率五而变动；另外，厶因轴向的刚性不同而产生差别，发生包括厶及矾厂( 其 中n = l ，2 。) 两种频率成分的振动。这些振动的频率一般在一千赫兹以下，没有 固有振动频率那样的频率成分。 2 ) 滚动轴承表面损伤 损伤类故障是滚动轴承最常见的一种故障形式，常表现为元件表面疲劳剥落、 压痕、裂纹、烧伤、划伤等，当轴承存在局部损伤时，损伤点通过轴承元件表面时 7 华北电力大学工程硕+ 学位论文 图2 1 滚动轴承故障框图 要产生突变的冲击脉冲力，该脉冲力是一个宽带信号，所以必然覆盖轴承系统的高 频固有振动频率而引起谐振，从而产生冲击振动。由于滚动轴承的均匀回转，使冲 击具有周期性。对发生在不同位置的损伤，冲击具有不同的频率。通常称为特征频 率，故障特征频率一般在lk h z 以下。滚动体不同元件损伤故障特征频率各不相同， 如表2 1 所示。 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 1 损伤故障引起的振动 异常原因发生频率备注 外圈损伤能引起高频衰减振动、 ，嗣一1 2 0 1 d ， 能引起高频衰减振动内圈损伤 - ，删一面l 1 r 万一， 滚动体损伤 = 器( 1 一乌孛) 能引起高频衰减振动 保持架损伤能引起高频衰减振动 岛= 茜( 1 一等) 3 ) 滚动轴承表面磨损 磨损是滚动轴承常见的一种故障形式，是轴承滚道、滚动体、保持架、座孔或 安装轴承的轴颈，由于机械原因或润滑杂质引起的表面磨损，磨损故障经历的时间 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诊断具有相同 的性质，随机性较强，但磨损后震动水平明显高于正常轴承。 4 ) 滚动轴承偏心 当轴承有偏心时，轴的内圈中心d 。便以外圈中心d 为中心作振摆，这时会产生 振动频率矿( 厂一轴的旋转频率，以= l ，2 ，3 ) ，如图2 2 所示。 2 4 本章小结 图2 2 滚动轴承偏心 本章详细阐述了滚动轴承结构的失效形式、振动频率及发生故障的原因，为以 后几章的滚动轴承振动信号的故障分析提供了理论依据。 9 华北电力大学丁：程硕士学位论文 第三章基于包络解调法的滚动轴承故障诊断 本章根据滚动轴承缺陷信号的特点，提出了基于希尔伯特变换包络解调的滚动 轴承故障诊断方法。首先将采集的轴承振动信号进行滤波，并经希尔伯特变换得到 包络信号，然后经包络谱细化得到振动频谱图，最后通过试验分析了滚动轴承的故 障。 3 1 基本原理 3 1 1 包络解调的基本原理 包络解调分析法是利用信号包络检波和包络功率谱的分析，根据包络谱的谱峰 来识别故障的。对于高频冲击振动而言，包络分析法更是一项重要而有效的基于传 统功率谱分析的技术。 当轴承局部存在损伤或缺陷时，在受载过程中将产生突变的衰减冲击脉冲力， 从而激起轴承的高频固有振动，这种高频固有振动作为轴承振动的载波，其幅值将 受到这些缺陷引起的脉冲激振力的调制，从而使轴承的最终振动波形表现为复杂的 幅值调制波，由于这种调制波的调制频率为与缺陷相对应的通过频率，因此调制波 的频率成分中含有与缺陷对应的故障频率。通过一定的解调技术，能将轴承的缺陷 信息从复杂的调幅振动的信号中分离出来。针对滚动轴承振动信号的特点，包络解 调法是最实用的一种方法，其具体原理如图3 1 ： 轴承振动信号 频谱分析 数字带通滤波 低频包络信号 高频振动 包络检波 图3 一l 包络解调原理图 3 1 2 希尔伯特( h ii b e r t ) 变换检波原理 为了完成整个解调过程，在进行小波包变换滤波后，还要进行幅值解调，使用 希尔伯特( h i l b e r t ) 变换，去除高频固有振动成分，实现信号的解包络。 利用希尔伯特( h i1 b e r t ) 变换进行信号包络时的原理是让测试信号产生一个 9 0 。的相移，从而与原信号构成一个解析信号，此解析信号即构成包络信号。 一个实信号x ( f ) 的希尔伯特( h i1 b e r t ) 变换o ) 定义为： o ) ：何) 】：算尊忙彳( f ) 三 ( 3 _ 1 ) l o 华北电力人学r 挫硕士学位论文 一o ) 可以看成是m ) 通过滤波器的输出，该滤波器的单位冲击响应为 o ) = v 耐 x “1 的解柝信号为 g o ) = d r ) + p o ) ( 3 2 ) g o ) 的幅值“o ) 和相位中o ) 的表达式为 g o ) = 爿o k ，。 ( 3 3 ) 式中： l o ) = 2 0 ) + o ) 耐嘲 。4 幅值4 0 ) 就是信号如) 的包络信号，这样经过希尔伯特( h i lb e r t ) 变换检波，除 去高频的振动分量，然后用含有缺陷激振分量的4 扛) 代替原始信号m ) 进行频谱分 析，便可以进行缺陷的故障诊断。把存在缺陷的轴承振动信号，经过小波包变换滤 波和希尔伯特( 眦1 b e r t ) 变换检波后变成包络信号，再对此包络信号进行频谱分析， 则在频谱中含有低频的激振频率，即缺陷频率。 32 包络解调和希尔伯特变换在滚动轴承故障诊断中的应用 321 滚动轴承试验设备 在专用滚动轴承试验台上，模拟生成滚动轴承典型故障，测量分析滚动轴承在 无故障和各种典型故障下运行时的振动信号，为滚动轴承故障珍断提供依据。 图32 是轴承故障试验台结构，试验轴承安装在电机输出轴e ，由电机直接带 动轴承转动，参数如下： 幽32 滚动轴承故障实验台 1 ) 电机参数：犁号a d b e5 6 一n 4 型交流电机，额定功率00 9 k w ，额定转速花 = 1 3 5 0 r m l n 2 ) 轴承参数型号6 3 0 5 ，节圆直径e 24 36 m m ，滚动体直径d = 1 18 m m ，滚 覆 。摹、 华北电力大学工程硕士学位论文 动体个数z = 7 ，接触角口= 旷。 表3 一l 轴承参数和特征频率 几何尺寸特征频率( h z ) b 外圈通过频率b p f o 5 7 4 4 d ：4 3 8 么琢丝 d ：1 1 8 d a = 6 2内圈通过频率b p f i 1 0 0 0 6 司 l d i = 2 5 b ：1 7 滚动体故障频率b s f 3 8 5 2 口弦搋 口 n ：7 司 百：0 保持器冲击频率f 1 f 8 2 测量系统由传感器、信号调理、计算机数据采集分析系统等几部分组成，如图 3 3 所示。测量系统由软件控制实现测量和数据分析，首先将传感器测量的振动信 号经过放大滤波处理后送到采集板进行模数转换，得到的数字信号存入计算机进行 分析处理。 蕾合，佟， 一毫计算瓤井鼻鼍鲁 - 。飞- ，、_ 、- ，- _ 一量冀曩处i 图3 3 测量系统 试验台上安装四个振动加速度传感器( 丹麦b k 公司4 3 7 1 型) ，两个传感器安 装在支承座上垂直和水平方向，两个传感器安装在轴承室上垂直和水平方向，安装 位置和传感器编号如图3 2 所示。在电机轴自由端安装一个红外传感器，利用其每 转输出的脉冲信号进行数据采集板的外触发测量控制，实现转速同步测量。 选用四个轴承进行试验，其中一个轴承为无故障轴承，另外三个轴承为故障轴 承，利用电刻笔在金属表面人为制作点蚀和凹坑的方法，分别模拟生成外圈故障、 内圈故障和滚动体故障，如图3 4 所示： 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 4 滚动轴承模拟故障 3 2 2 滚动轴承振动信号分析 设置采样频率5 7 6 0 h z ，分析频率为2 8 8 0 h z ，采样点数1 0 2 4 。 图3 5 是滚动轴承发生外圈故障时传感器a 2 所采集的时域振动信号( 即加速度 信号) 。 图3 5 外圈原始信号 图3 6 是直接对原始信号进行频率谱分析的结果，低频信号的幅值比较小，并 且由于干扰的存在，低频信号基本被淹没，不利于进行缺陷诊断。 图3 6 外圈原始信号频谱 图3 7 是经希尔伯特( h i l b e r t ) 变换检波后所得到的包络信号 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 7 外圈重构包络信号 图3 8 是包络谱的频谱图，可以明显的看出：在滚动轴承外圈缺陷频率附近 ( 5 8 h z ) 存在峰谱，并在二倍频( 1 1 6 h z ) ，三倍频( 1 7 4 h z ) 的分量处也存在峰谱，同外 圈故障缺陷频率( 5 7 4 4 h z ) 基本吻合。 图3 8 外圈包络谱频谱图 图3 9 是滚动轴承发生内圈故障时传感器a 1 所采集的时域振动信号( 即加速度 信号) 。 采样点数n 图3 9 内圈原始信号 图3 1 0 是直接对原始信号进行频率谱分析的结果，低频信号的幅值比较小，并 且由于干扰的存在，低频信号基本被淹没，不利于进行缺陷诊断。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 1 0 内圈原始信号频谱 图3 1 1 是经希尔伯特( h il b e r t ) 变换检波后所得到的包络信号。 图3 1 l 内圈包络信号 图3 一1 2 是包络谱频谱图，可以明显地看出：在滚动轴承内圈缺陷频率附近 ( 1 0 0 h z ) 存在峰谱，并在半倍频( 5 0 h z ) ，二倍频( 2 0 0 h z ) 的分量处也存在峰谱，同上 内圈故障缺陷频率( 1 0 0 0 6 h z ) 基本吻合。 3 3 本章小结 图3 1 2 内圈包络谱频谱图 通过以上分析和比较，本章可以得出：对重构后的信号进行希尔伯特( h il b e r t ) 变换得到包络信号，再对包络信号进行频谱分析，提取所需要的缺陷信息，有效地 诊断出了轴承元件的故障缺陷，并且通过试验分析验证了该理论方法的正确性。 华北电力大学工程硕士学位论文 第四章基于振动幅域参数指标的滚动轴承故障诊断 4 1 振动信号的幅域参数指标 利用幅域参数指标对滚动轴承早期故障进行监测和诊断是轴承故障的简易诊 断法，其目的是初步判断被列为诊断对象的滚动轴承是否出现了故障。对信号的幅 域进行统计分析可以得到的参数指标有：均方根值、峰值、峰值因子、峭度、脉冲 因子、裕度因子和波形因子等。这些指标的特点是：对故障和缺陷足够敏感，对信 号的幅值和频率不敏感，即与机器的运行工况无关，只依赖于信号的幅值概率密度 函数。这些参数的变化，能直观的反应出机械设备的故障特征。 4 1 1 有量纲参数指标 滚动轴承发生故障时，信号的时域和频率也会跟着故障的损伤程度发生改变。 可见，轴承信号的时域特征参数是表征信号运行状态的重要数据。特征参数包括峰 值、均值、最大值、最小值、峰峰值、均方根值驯下面分别叙述他们的各自定义 与意义，若轴承信号x ( f ) 采样后的时域数字序列为顶刀) ，则有： 1 ) 峰峰值：波形上最高点和最低点的差，计算公式如下： z ，= 蚴 j o ) 一m i n j 七) ( 4 一1 ) 具体算法实现时，采用轴承时域信号的数字序列峰峰值作为其峰峰值的估计。 石p ，= m a ) 【b ( 万) 一曲b ( 以) ( 4 2 ) 2 ) 峰值：指波形上与零线的最大偏离量，计算公式如下： = ) l 一 ( 4 3 ) 具体算法实现时，采用轴承时域信号的数字序列峰值作为其峰值的估计。 舷= 黑； 洚4 ) 简单的方法还可以把“) 的n 个采样点分成若干段，在每一段中找出一个绝对 值最大的采样点作为该段的峰值，然后再对各段的峰值取平均值作为总的峰值指 标。 它对瞬时现象也可得出正确的指示值。特别对早期轴承表面损伤，非常容易由 峰值的变化检测出来。但它对滚动体和保持架的冲击及突发性外界干扰等原因引起 的瞬时振动比较敏感。比起均方根值来，峰值的变化可能很大。测量滚动轴承振动 华北电力火学 。：程硕士学位论文 峰值的实际意义在于它表示轴承振动某一时刻的最大值。当检查一个轴承的好坏 时，表面损伤类故障与峰值大小有直接的关系。 3 ) 均值：一段时间内或一个周期内信号量的均值，计算公式如下： 驴舰；j c r 工( r 砂 具体算法实现时，采用轴承时域信号的数字序列均值作为其均值的估计， 了轴承信号的静态分量。 ”工= 吉x ( 刀) 篇 5 ) 均方根值：均方根值即为信号的有效值，其计算公式如下： = 厮 ( 4 5 ) 均值描述 ( 4 6 ) ( 4 7 ) 具体算法实现时，采用时域信号的数字序列均方根值作为其有效值的估计。 1 函广一 工。一寺驴8 ) 用均方根值度量滚动轴承的振动量是一种有效的方法。因为它既考虑到振动时 间变化的经历过程，同时又表示机械振动能量的大小，如速度有效值与动能有关， 加速度有效值的大小，将自接关系到惯性力的大小。国内主要轴承振动测量仪都是 以有效值为测量值。由于均方根值是对时间的平均，所以对具有表面裂纹无规则振 动波形的异常，可对其测量值作为恰当的评价。但是对于表面剥落或伤痕等具有瞬 时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 时间平均，则有无峰值的差异几乎表现不出来。对于这种形态的异常，可用峰值进 行判断。 4 1 2 无量纲参数指标 无量纲诊断( n o n d i m e n s i o np a r a m e t e r sd i a g n o s i s ) 是一种将“无量纲参数” ( n o n d i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r s ) 用于设备故障诊断的技术方法。无量纲诊断的主 要优点之一，就是它能直接使用实时检测到的振动信号，而不需要通过各种信号处 理与交换，因而不致出现信号畸变和泄漏等缺陷。而且更重要的一点就是不会受工 作状况变化的影响，以及对早期的故障有很好的诊断能力。 无量纲幅值参数只受概率密度函数的影响，不受轴承的结构参数和运转速度影 响，这些优点使之可以较好地完成轴承的疲劳诊断。对于某一物理量，当它所有的 量纲指数都为零时，即称为无量纲量参数。 1 7 华北电力人学| t 程硕士学位论文 由此可知，无量纲量参数应该是由两个具有相同量纲的量的比值组成，当它描 述某一特定体系时就具有一定的物理意义。对轴承振动信号进行幅值域处理最常用 的有量纲指标有均方根值、峰值、均值等。而无量纲指标由信号的幅值参数演化而 来。在滚动轴承故障诊断中，最常用的无量纲参数指标有： 1 ) 峰值因子c ( c r e s tf a c t o r )峰值因子定义为峰值与均方根值之比，表示 波形是否有冲击的指标，其表达式为： c = x 啄嬲 件9 ) 从理论上可知，正常轴承的振动信号的峰值因子大约为2 5 3 5 ，而损伤类轴 承的峰值因子大于3 5 ，一般来说，高于3 5 的峰值因子即预示着损伤。但在失效 之前，有时可记录到高达7 左右的峰值因子，所以峰值因子只是在信号有明显的脉 动性时才可靠。 由于波峰的值不受轴承尺寸、转速及载荷的影响，所以正常异常的判断可非常 单纯地进行；此外，峰值因子不受振动信号的绝对水平所左右，所以传感器或放大 器的灵敏度即使变动，也不会出现测量误差。通过对波峰因数值随时间变化趋势的 监测，可以有效地对滚动轴承故障进行早期预报，并能反映故障的发展变化趋势。 2 ) 峭度k ( k u r t o s i s )峭度是概率密度分布尖峭程度的度量，表示振动波形 中是否有冲击或尖峭程度的值。定义如下： t k = 芒- ( 4 1 0 ) n x 矗 、j 利用有量纲指标可以通过趋势分析简单直接地反映振动信号地幅值和能量变 化情况，判断故障。但是，这些特征值对于故障早期情况反映不敏感，因为引发的 附加振动呈轻微冲击特点，信号振幅和能量增加不明显，只有当故障发展到一定程 度，对振动产生一定程度影响才有效果。相比之下用信号的高阶偶次矩构成的特征 量对于信号中存在的微小冲击成分比较敏感，峭度指标是信号的四次矩，反映信号 概率密度函数的不对称程度和陡峭程度，反映振动信号中大幅值成分的影响。 振幅满足正态分布规律的无故障轴承，其峭度值约为3 。随着故障的出现和发 展，峭度值具有与波峰因子类似的变化趋势。此方法的优点在于与轴承的转速、尺 寸和载荷无关，主要适用于点蚀类故障的诊断。峭度是不够敏感的低阶矩与较敏感 的高阶矩之间的一个折中特征量，如果轴承圈出现裂纹，滚动体或轴承边缘剥裂等 在时域波形中都可能引起相当大的脉冲度，用峭度作为故障诊断特征量是有效的。 以下三个无量纲指标要用到另外两个有量纲指标： 华北电力大学工程硕士学位论文 绝对平均值 l ：吉扎i v b l ( 4 1 1 ) 均根方值 z = 畴善丽】2 件2 ) 3 ) 脉冲因子i ( i m p u l s ef a c t o r ) 脉冲因子定义为峰值与绝对平均值之比。脉 冲因子的表达式为： i = e 吆m ( 4 - 1 3 ) 当脉冲因子值较大时，表明滚动轴承可能有点蚀；而其值过小时，则有可能发 生了磨损。 4 ) 裕度因子l ( c l e a r a n c ef a c t o r ) 裕度因子定义为为峰值与均根方值之比， 其表达式为： 厶吲， 件1 4 ) a ， 裕度指标和峭度指标对于冲击脉冲类故障比较敏感，特别是故障早期时，它们 有明显的增加；但上升到一定程度后，随着故障的逐渐发展，反而会下降，表明它 们对早期故障有较高的敏感性，但稳定性不好。 5 ) 波形因子s ( s h a p ef a c t o r )波形因子定义为均方根值与绝对平均值之比。 该值也是用于滚动轴承简易诊断的有效指标之一，其表达式为： s ：x 件1 5 ) ，。、甜 下表是无量纲参数指标的比较 表4 - l 无量纲参数指标的比较 序号 幅域参数敏感度 稳定性 1 波形因子s 差 好 2峰值因子c一般一般 3 脉冲因子i较好 般 4 裕度因子l好般 5峭度指标k好好 6 均方根值较差较好 1 9 华北电力大学工程硕士学位论文 用无量纲参数指标判断滚动轴承故障基本上不受轴承型号、转速和载荷等因素 的影响，无需考虑相对标准值或与以前的数据进行比较；另外，它们不受信号绝对 水平的影响，所以即使测点较以往的地方略有变动，也不至于对诊断产生太大的影 响。 4 2 滚动轴承故障诊断分析实例 在专用滚动轴承试验台上，模拟生成滚动轴承典型故障，测量分析滚动轴承在 无故障和各种典型故障下运行时的振动信号，为滚动轴承故障诊断提供依据。 ( 1 ) 试验台 电机参数：a d b e 一5 6 一n 4 型交流电机，额定功率0 0 9k w ，额定转速1 3 5 0 转 分( 2 2 5 转秒) 。 轴承参数：型号6 3 0 5 ( 2 ) 利用幅域参数指标分析 1 ) 运用m a t l a b 软件对幅域参数指标( 均方根值、峰值、峰值因子、峭度、脉 冲因子、裕度因子和波形因子) 编程。程序如下： c l e 岱= 5 7 6 0 ： n = 1 0 2 4 ； t 町：l 凰：( n l ； 【丘如螂s a 鲥= f o p e l l ( - e ：z e r i 、z e 玎- b 、i 。a h f e z l 瑚k t 蛾 t 1 2 = 丘e 础f i d ，n o a t3 2 ) ； f c l o s e ( f i d ) ； c l e 盯懿： t 1 2 = t 1 2 ：提取数据 a = t 1 2 2 ： s = o ： f 0 r m = l ：n ； s = s + a ( m ) ； e n d r s q r t ( s n ) ；求得均方根值r b = t 12 4 ； g = 0 ： f o rm = l ：n