（车辆工程专业论文）货车滚动轴承段修在线故障诊断研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文通过对几种典型状态货车滚动轴承的检修工况模拟试验，分析 了故障振动信号的特点，结合生产线上的实际需要，提出将轴承振动信 号幅值域无量纲诊断方法应用在车辆段检修线上，并用裕度因子、峭度 因子两个无量纲参数作为在线检测轴承有否故障的指标。为替代货车滚 动轴承故障的人工经验检测提供了较好手段。按照无量纲诊断方法研制 的检测系统构成简单，提高了故障诊断的实时性和诊断结果的可靠性， 同时不要求操作人员具有专业知识。减少了人为差错，使系统的可接受 性得到了提高。 最后，就诊断参数门限值的确定做了一些探讨。编制了专用故障检 测软件。软件使用面向对象的开发语言v i s u a i c + + 6 0 编制，操作简单， 便于使用；可配合数据采集电路板及其它仪器，组成专用检测系统，供 生产现场使用。 关键词滚动轴承：故障诊断：幅值域：无量纲参数 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h ea u t h o rh a se x p e r i m e n t e ds o m ek i n d so ft y p i c a ls t a t e b e a r i n g s o ft h ea x l e si n f r e i g h t t r a i n n o n - d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r s d i a g n o s i s ( n d p d ) h a s b e e nu s e dt od e t e c t d a m a g e i nt h e e x p e r i m e n t s a c c o r d i n g t ot h er e s u l t s ，t h ea u t h o rh a su s e dt w o d i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r si nt h ed e t e c t i n ge q u i p m e n t t h e d e t e c t i n gs y s t e m s s t r u c t u r ei s s i m p l e a n di tc a n i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t y o ft h e d e t e c t i n gr e s u l t s o i tc a nf r e ew o r k e r sf r o mh e a v i l y l a b o r s ，a n dt h ew o r k e r sc a nu s et h ee q u i p m e n tw i t h o u ts p e c i a lk n o w l e d g e o nf a u l t d i a g n o s i st h e o r y o nt h eo t h e rh a n d ，t h es y s t e mi sm o r e a c c e p t a b l e a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h ea u t h o rh a sd i s c u s s e dh o wt os e tt h ev a l u eo f t h et w op a r a m e t e r s ，a n du s ev i s u a lc + + 6 0t o c o m p i l es o f t w a r ej u s tf o r d i a g n o s i n gf a u l t so ff r e i g h tt r a i n sb e a r i n g si nt h ee q u i p m e n t k e yw o r d s ：r o i l i n gb e a r i n g ；f a u l td i a g n o s i s ；d o m a i n o f a m p l i t u d e ； n d p d 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题的意义 第1 章绪论 铁路车辆的安全运行一直是人们和铁路系统关心的焦点。滚动轴承是铁路 运输车辆走行部的重要组成部分n 】，也是最容易损坏的部件之一。它的运行状 态是否正常直接影响到车辆的运行安全。高速重载下运行的滚动轴承，其故障 往往会迅速扩大，在短时间内会造成热轴、燃轴、切轴而最终导致列车颠覆等 重大行车事故“。，为了彻底排除因滚动轴承故障引起的行车事故，需要两个方 面进行保证，一方面是对运行的列车进行动态监测，及时发现运行列车的安全 隐患；另一方面，在列车进行段修或定期检修时，检查每个轴承的状态，发现 故障轴承，使其不再投入运行。当前，段修或定期检修时主要靠转动轴承外圈 凭手感检查这样的人工经验。1 。这种检测方式因操作强度大、生产效率低、诊断 的准确性差，极易使漏检轴承继续投入运行而危机车辆行车安全，造成严重后 果。特别是近年来铁路运输车辆的运行速度一再提高，货车车辆的构造速度将 达到1 2 0 1 6 0 k m h ，而且货车载重吨位也向7 0 吨以上发展”3 ，这对滚动轴承 的工作状态要求将更加严格。显然，传统的人工经验型轴承检测方式己不能满 足安全运行的需要。各路局、车辆段迫切需要一种现代化的货车滚动轴承在线 ( 段修时) 故障诊断方法来替代人工经验检修，以防止损伤轴承的误检、漏检， 减少或杜绝事故发生9 。 本文根据几种典型状态的3 5 2 2 2 6 x 2 - - 2 z ( 1 9 7 7 2 6 ) 型轴承，在模拟检测现场 工况的基础上进行了试验。遵循以最简单的方法、最小的代价诊断出较为复杂 的问题的“简易诊断”原则”1 ，提出一种实用性较强的诊断方法供车辆段使用， 保证了检测系统的有效性和经济性。 1 2 本文的研究内容 本课题通过对几种典型状态货车滚动轴承的模拟工况的试验，结合铁路货 车滚动轴承段修检测的特点，将轴承振动信号幅值域无量纲数诊断方法应用在 车辆段检修线上。在编制的专用故障诊断程序中使用裕度因子、峭度因子两个 无量纲参数作为在线检测轴承有否故障的指标。并就诊断参数门限值的确定做 了一些探讨。具体来说可分为以下几方面： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 1 建立货车滚动轴承的模拟工况试验系统。 2 通过研究当前先进的故障诊断技术，对几种典型工作状态货车滚动轴承 进行了试验。分析轴承故障信号的特点，再结合生产线上的实际需要，采用一 种简便有效的方法来对轴承进行检测。 3 设计检测硬件系统。 4 编制界面良好、操作简便的供段修线操作工人使用的故障检测软件。软 件主要有以下功能： ( 1 ) 轴承振动信号的实时采集与处理： ( 2 ) 根据分析处理结果给出诊断结论； ( 3 ) 检测时间、诊断结论的存储、打印。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 第2 章货车滚动轴承故障在线检测的 现状与发展 2 1 铁路货车滚动轴承的在线故障诊断现状 在不分解轴承的前提下，对其进行在线故障诊断，一直是重点研究课题。 国外在这方面以美国领先。美国已从传统的红外轴温探测发展到采用车载系统、 声发射系统和综合检测系统。由于受当前的经济、技术和设备现状的限制， 我国在现阶段只能对客车滚动轴承用安装轴温报警器的方法进行在线运行状态 监测“1 ，而对处在运行状态轴承的故障诊断方面目前不能在线进行。铁路部门 规定轮对轴承的检修是按每运行一年( 不论运行里程) 检修一次的段修频率来对 其进行运行状态质量控制。在各路局、车辆段的检测线上，对滚动轴承的状态 检测时主要靠转动轴承外圈凭手感检查这样的人工经验。随着微机技术高速的 发展，融合现代传感技术、信号分析与处理技术及微机处理技术为一体的机械 设备诊断技术近年来应起了国内外研究者的重视。国内普遍采用共振解调技术 诊断轴承故障1 ，但现有的解调分析方法存在某些局限性1 。调研中据使用 单位反映，采用这种技术原理研制的诊断系统对某些故障的诊断准确性较差， 且系统结构复杂，稳定性差，维修保养不便。所以不能很好推广应用。 滚动轴承的工况监视与故障诊断在国外大概开始于2 0 世纪6 0 年代“”，在 其后的2 0 多年的时间里，随着科学技术的不断发展，特别是1 9 6 5 年f f t 方法 取得突破性进展后出现了数字信号处理和分析技术的新分支，为故障诊断和检 测技术的发展奠定了重要的技术基础。各种方法和技巧不断产生、发展和完善， 应用的领域不断扩大，监视与诊断的有效性也不断提高。现在工业发达国家， 滚动轴承工况监视与故障诊断技术已经实用化和商品化“。世界著名厂商s k f 公司已经将圆锥滚子轴承安装了速度和温度传感器进行运输在线监测。如果我 国能跟上此研究方向，必能把轮对轴承故障由段修检测推向运输线的在线监测， 为铁路运输安全作出巨大贡献。 2 2 我国目前常采用的货车滚动轴承故障检测的方法与存在 的问题 轴承故障诊断方法，主要是根据监测与诊断所采用的状态量来分类的，即 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 按照测取信号的性质来分类。按照这一分类方法滚动轴承工况监视与故障诊 断的方法有：温度法、分析磨损微粒法、振动( 噪声) 分析法等“”。 温度法通过监测轴承座( 或箱体) 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，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 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。也就是说， 温度检测不适于点蚀、局部剥落等所谓的局部损伤类故障。 分析磨损微粒法是通过分析混入润滑剂中磨损微粒的成分、形态和数量， 来判断轴承各零件的磨损情况和轴承的工作状态。它包括光谱分析、铁谱分析 和磁性塞。不管是哪种方法，都需要精密的仪器，实验环境也有很高的要求， 取样时不能受污染，所以不能用于在线测量。 振动法是通过安装在轴承座或箱体适当地方的加速度传感器测取轴承振动 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。振动检测按测量 原理分为相对式与绝对式( 惯性式) 两类；按测量方法可分为接触式与非接触式 两类。振动检测主要是指振动的位移、速度、加速度、频率、相位等参数的测 量。由于被测信号振动强度近似与被测体的振动加速度成正比，所以现行的测 量滚动轴承振动所用的参数基本上是加速度o “。 由于振动法具有：适用于各种类型各种工况的轴承；可以有效的诊断 出早期微小故障；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。目前，国内外开发生产的各种滚动轴承检 测与诊断仪器和系统中大都是根据振动法的原理制成的，有关轴承检测与诊断 方面的文献8 0 以上讨论的是振动法“8 1 i t ) o 从使用、适用、有效的观点看，轴 承检测与诊断方法密切相关的是噪声法，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诊断。优点是不必接触轴承就可以得 到检测信号，但由于所检测到的噪声中混有大量的非轴承原因产生的噪声，因 而要把轴承噪声与其它噪声分开来十分困难，所以这种方法用得较少。 随着现代传感技术与信号分析方法的发展，一些新的检测技术不断出现并 应用于滚动轴承的工况监视与诊断中，例如模式识别、故障树分析、模糊诊断、 智能诊断专家系统等等“。但由于种种原因与局限，这些技术并不适用于 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 3 5 2 2 2 6 x ：- - 2 z 轴承在段修线上的故障诊断。 2 3 滚动轴承故障信号处理技术 在检测到的动态信号中，蕴含着轴承状态变化和故障特征的丰富信息，信 号处理则是提取故障特征的主要手段，而故障特征信息则是进一步诊断设备故 障原因并采取对策的依据。振动( 动态) 信号的分析处理方法有很多，诸如时域 处理、频域处理、幅值域处理、时差域处理以及近年来备受关注的时频域处 理等。 振动检测方法中的时域诊断方法是发展最早的一种检测方法。如果单从时 域波形上直接观察分析，往往很难看出轴承状态是否正常，有无故障及故障的 性质部位等。为此，在时域诊断中，普遍采用振动信号的基本数字特征及其概 率分布特征来进行分析和诊断。应用比较广泛的有：振动信号的平均值、均方 根值、方差、概率密度函数、概率分布函数、自相关函数、互相关函数以及峰 值因子、波形因子、峭度系数等无量纲特征参数”。 频域分析方法可以对轴承早期故障进行精密诊断。直接对轴承信号进行频 谱分析，结合频谱图的频率结构和特征频率的和频及差频分析，也可以判别出 轴承的好坏。由于流体动力噪声及其旋转部件振动的干扰，仅适宜于简单机械 的简单诊断。共振解调法被认为是频域分析法中最有效的一种方法。该方法以 轴承系统的共振频率区为监测频带，振动信号经放大、滤波和解调，获得脉动 冲击的低频脉动信号。以此作为分析的依据。但信号经过滤波等处理后信号能 量泄漏，如若处理不当的话，则产生信号的畸变，影响分析结果。另外频率分 析法受工况的影响很大，如转速、轴承的润滑脂的粘度在不同温度下的变化等。 段修现场的工况差，由于靠近车辆运输线，因此来往的车辆引起的振动对频率 分析也有着影响。 时间一频率分析由于小波分析理论的推广应用，在滚动轴承故障诊断中也 得到了一定运用。特别是近年来国内在理论研究，仿真计算和实验分析方面作 了大量工作。但是要有效地推广到工程实际中还需要做大量工作啪，。 幅值域中的无量纲参数作为一种诊断参数被用于旋转机械的故障诊断中。 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况变化的影响( 在段修段检时主要表现为轴承润滑脂的 粘度在不同温度下的变化) ，以及对早期的故障有很好的诊断能力。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 在振动分析时，时域上常采用振动有效值来作为简易诊断指标；频域分析 需要知道滚动轴承的结构参数，来计算其故障特征频率；从幅值域所得到的是 概率密度函数和概率分布函数。振动有效值虽然会随着故障的发展而上升，但 也会因工作条件( 如负荷、转速、仪器灵敏度等) 的改变而改变，特别是其对速 度变化很敏感，实际上很难加以区分：频谱分析适用于稳态，而对变工况与非 线性是其弱点，而且当得不到滚动轴承的结构参数或者其结构比较复杂时，就 难以利用频谱分析的方法来进行故障诊断；无量纲幅值参数只取决于概率密度 函数影响，这些优点使之可以较好地完成轴承的疲劳诊断。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 第3 章故障信号无量纲诊断的机理 在滚动轴承工况监视与故障诊断的各种方法中，振动法由于其适应性强、 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。但必须对其特征进行认真的分析 和研究，不然不能成功和有效地诊断出轴承的故障。 3 1 3 5 2 2 2 6 x ：一2 z 轴承的故障机理及其研究 3 5 2 2 2 6 x 2 _ 2 z 轴承在工作时，一般是外圈与承载鞍相接触；内圈与车轴相联 接，随轴一起转动。轴承振动的主要原因有轴承本身的结构特点、精加工表面 的波纹度及轴承运行故障等。具有早期故障的滚动轴承在运转时，每当缺陷部 位与其它工作表面接触时，都将产生一次冲击力的作用。这种冲击力将激起轴 承系统的振动，并通过适当的振动传递通道以振动和声音的形式传出。其信号 传递过程如图3 1 所示。 辅拍回箨 i 轴囊元僻长艟i 激摄盘l 轴承鼻性l 盘督随机l 雉杓内船的 捏动 囊蕊的痛部强伤i 扳动索统f 再i i i 振动传递i 。声音 图3 1 轴承振动信号传递过程 3 5 2 2 2 6 x z - - 2 z 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 磨损：一般来说，滚动轴承工作表面磨损故障是一种渐交性故障。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，两者的波形都是无 规则的，且随机性较强。磨损故障引起的振动信号除了振动水平( 幅值) 高于正 常轴承外没有别的特征差别，如图3 2 所示。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第8 页 图3 2 正常轴承与磨损轴承的振动波形 诊断这类故障的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。 2 表面损伤类故障：当表面损伤点滚过轴承其它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，所以必然覆盖轴承系统的高频固有振动 频率而引起谐振，从而产生如图3 3 所示的冲击振动。这就是损伤类故障引起 的振动信号的基本特点。”。 i i 骘 忖州 m 蜘呻删h批咿 一 i 图3 3 外圈损伤轴承的振动信号 对多套3 5 2 2 2 6 x 2 _ 2 z 典型状态( 外圈、滚子、保持架损伤和正常) 轴承进行 模拟试验：在转速为3 0 0 转分、外圈固定的条件下。用加速度计、电荷放大 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 器、数据采集卡( a d 板) 、p c 机组成的系统对轴承振动信号在幅值域、频率域 进行分析。 图3 4 、3 5 分别为具有典型特征的3 5 2 2 2 6 x2 2 z 轴承的自功率谱。 1 4 0i ，ts oi ” 频率h 图3 4 正常轴承的自功率谱 1 351 4 5i55 1 6 0 频率hz 图3 5 外圈损伤的轴承自功率谱 从图3 4 可看出，正常轴承的自功率谱的谱峰比较集中，在1 4 0 1 5 5 h z 范围内幅值较大。而图3 5 所示的外圈坏的轴承，其自功率谱的谱峰也集中于 1 5 0 h z 附近。又由于3 5 2 2 2 6 x 2 - - 2 z 型轴承结构复杂，依据现有滚动轴承故障特 征频率的计算方法，其结果只能是参考值。因此，若用频谱分析方法，提取其 内圈、外圈保持架及滚子的故障频率作为故障特征信息无疑是比较困难的。如 果采用应用较广的共振解调方法根据文献“”中研究，由于轴承故障的严重程度 和冲击能量不是线性关系，当故障较严重时冲击能量有时反而会减少而出现漏 诊。因此，对于3 5 2 2 2 6 x 厂2 z 这样的低速重载轴承在段修检测时这些诊断方法 都受到了限制。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第10 页 2 故障信号的数据统计特性 如第一节所述，具有故障的滚动轴承的振动信号往往是随机信号，所以不 能用确切的数学关系式来描述这种信号的数据。但随机数据有其重要特征：相 同条件下的一系列重复试验其每次试验的可能结果虽不一样，试验前也不可能 确切预知。但是，如果进行大量重复试验，其结果就会出现某种统计规律性。 随机数据处理的目的，就是根据随机过程理论，用概率统计的方法揭示随机过程 的统计规律。”。 1 时域分析的主要统计特征为： ( 1 ) 均值：均值；表示随机过程的中心趋势，随机过程一切可能实现都 围绕着它聚集和波动，是随机过程的静态分量。其定义为 ，= j 1 霉。 r zo ( 3 - 1 ) 其中，t 为样本长度，单位为秒。 ( 2 ) 方值：均方值虬是描述随机过程强度的一个数字量。其定义 少；= ，l i + r a 。上t r x2 ( f ) 撕( 3 _ 2 ) 均方值的正平方根y ，称为均方根值 ( 3 ) 方差：方差描述了随机过程在均值周围的散布程度，是随机过程的 动态分量。其定义为 仃：= 甄r b ( f ) 一，】2 出( 3 - 3 ) 方差的正平方根盯，称为标准差。 均值、方差、均方值刻划了随机过程在各个孤立时刻的统计特征，但他们 不能反映随机过程在不同时间的相互依从程度，且；= ；+ 盯：。 2 幅值域分析的统计特征 考察试验数据量值的概率分布规律，工程上称为对试验数据进行幅值域分 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第11 页 析。通常用概率密度函数、概率分布函数等表不随机数据幅值域分析的统计特 征1 。 ( 1 ) 概率密度函数：随机数据的概率密度函数表示瞬时数据落在某指定范 围内的概率，定义为 p g ) = 溉盟譬型 净t ) 式中 p g ) 和p g + x ) 一概率分布函数 ( 2 ) 概率分布函数：随机数据的概率分布函数定义为 尸g ) = l p ( x ) a , ( 3 5 ) 其中p ( x ) 为概率密度函数。可见概率分布函数表示随机数据的幅值不大于 某值的累积概率，还可以写成 p ( x ) = 圪。0 耳) ( 3 6 ) 其中x 为随机数据的幅值，砟为某值，为概率。 3 幅值概率密度分布分析 对轴承振动信号的幅值进行统计，其四种状态轴承的振动幅值的分布规律图 图3 6 正常轴承幅值分布规律 当0 1 9 5 x o 3 9 1 时，y = 1 2 2 8 ，方差盯：= 0 6 2 ： 图3 7 外圈坏轴承幅值分布规律 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第12 页 当0 1 9 5 x o 3 9 1 时，y = 6 7 5 ，：y 差o - ：= 1 9 5 、p g j 图3 8 滚子坏轴承幅值分布规律 当0 1 9 5 x 0 3 9 1 时，y = 5 0 6 ，方差2 = 3 0 4 ； hp v j l 一 。 一 图3 9 保持架坏轴承幅值分布规律 当0 1 9 5 x 0 3 9 1 时，y = 5 2 5 8 n 。方差盯；= 4 1 8 ； 由图3 7 到3 - - 1 0 可看出，3 5 2 2 2 6 x ，一2 z 型轴承状态正常时振动信号的 概率密度分布图形陡峭、峰尖、底窄，说明其振动是由大量的、无规则的、量 值较小的随机冲击的结果；代表冲击能量的方差较小，如相对幅值x 在0 1 9 5 0 3 9 1 出现的概率达1 2 ，方差仅为0 6 2 。而有局部损伤( 缺陷) 的轴承，其振 动幅值概率密度分布图形扁而宽以保持架损坏的轴承为例，x 同样在0 1 9 5 0 3 9 1 范围内，其概率为y = 5 2 5 ，不到正常轴承的值的= 分之一，但方差竟 达4 1 8 ，为正常轴承方差的6 7 倍。其它如外圈、滚予损伤( 缺陷) 轴承的方差 与正常轴承相比，分别为正常轴承的3 1 4 和4 9 倍。可见有损伤轴承的冲击， 其量值比随机冲击大得多。特别指出的是：分布函数或概率密度虽然完善地刻 划了随机过程的统计特性，但在实际应用中要确定它们并加以分析往往比较困 难。其它数字特征虽然不能完整地代表整个随机过程的统计规律，但确实刻划 了过程的主要统计特性，而且远较分布规律易于观测和计算，因而在解决实际 问题中。可以起到重要作用“”。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第13 页 3 3 故障信号的无量纲处理 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 ) 是种将“无量纲 参数”( 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况变化的影响( 在段修段检时主要表现为轴承润 滑脂的粘度在不同温度下的变化) ，以及对早期的故障有很好的诊断能力”。无 量纲幅值参数只取决于概率密度函数影响，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。 1 无量纲诊断在我国的发展 我国在无量纲诊断技术上的研究早在1 9 8 6 年就已开始。当年6 月，李川奇、 陈克兴等在沈阳召开的机械设备故障诊断技术国际会议c s m d t 8 6 上，曾发表 了“用峰值采样法计算峭度系数诊断滚动轴承和齿轮”的论文。分析了无量纲 幅值诊断参数峭度系数的特性，指出峭度系数对早期故障很敏感，适合现 现场监测。 雷继尧在1 9 9 0 年5 月编著的工程信号处理技术中指出，从对故障和缺 陷有足够的敏感性这一要求出发，脉冲因子和裕度因子性能最好，这从表3 1 上可看出。 表3 一i不同波形信号的无量纲因子 因子 波形因子峰值因子脉冲因子裕度因子 波形种妾 k 正弦波形 1 1 1 11 4 1 41 5 7 11 7 3 2 三角波、锯齿波 1 。5 5 5l 。7 3 22 0 0 02 2 5 0 1 9 9 4 年4 月，鞍山钢院平鹏等及大连钢厂王希民等在第四届全国机械设备诊断 学术年会上发表了“摆线行星针轮减速器点蚀故障的诊断”论文，介绍了他们 通过实验研究证明，脉冲因子、裕度因子、峭度因子及六阶矩因子等无量纲特 征参数不受振动信号绝对水平的影响，与检振器、放大器的灵敏度和整个测试 系统的放大倍数无关，故系统无需进行标定。 韩捷、张瑞林等在1 9 9 7 年8 月所著的旋转机械故障机理及诊断技术 一书的信号幅域分析一节中，介绍了有量纲幅域诊断参数及量纲为1 的幅域诊 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 断参数，指出有量纲幅域诊断参数的值常因负载、转速等条件的变化而改变， 但可通过引入量纲为1 的幅域参数予以改善。常用的有波形、峰值、脉冲、裕 度及峭度五个指标，它们的敏感性与稳定性分则如表2 2 所示。 上海铁路局顾振国在1 9 9 7 年1 0 月第九届全国设各诊断学术会议上发表了 “设备诊断工程在水泥企业中的应用”的论文，介绍了他们采用速度或加速度 有效值与无量纲参数歪度届或峭度屈，同时作判断标准，兼顾了对故障信号 的敏感性和稳定性。 表3 - - 2 量纲为l 的幅域参数指标比较 序号幅域参数敏感性稳定性 1波形指标s ，差好 2峰值指标c ，一般一般 3脉冲指标i ，较好一般 4裕度指标c l ，好一般 5峭度指标k v好好 6 均方根值x r m s较差较好 无量纲诊断属于“简易诊断”方法中的一种，尽管简易诊断说来简单，但 即使是在一些高新技术如设备诊断的遗传算法上也予以采用。2 0 0 0 年6 月陈鹏 先生在西安的一次设备诊断技术讲座上所展示的以遗传算法为核心的基因诊断 仪，也是以无量纲参数为基础的。 2 无量纲诊断参数的理论基础 由前面的叙述可知，“无量纲参数”指对于某一量，当它们所有的量纲指数 都为零时，即称为无量纲量，其量纲为l 。由此可知，无量纲量应该是由两个具 有相同量纲的量的比值组成，当它描述某一特定体系时具有一定的物理意义啪1 。 对轴承振动信号进行幅域处理最常用的有量纲指标是均方根值、峰值、均 值及方差等。而无量纲指标( 因子) 由信号的幅值参数演化而来，无量纲振幅诊 断参数定义为如下的形式。”： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第15 页 4 - ，= 其中，x 幅值：p ( x ) 幅值的概率密度函数。 由上式的一般定义，可得如下些指标汹1 ： 波形指标：i = 2 ，m = 1 ，k ：兰婴= 均方幅制平均幅值 峰值指标：1 斗。，m _ 2 ，c ；二l ：峰值均方幅值 x f 脉冲指标：1 峥，m = l ，j ：耋：峰值平均幅值 z 裕度指标：1 斗o 。，r e = i 2 ，l ：x , v ：峰值方根幅值 峭度指标的定义为： 置；垃竺生堕： ( x 2 p g 皿) 2 ( 3 - ? ) ( 3 - 8 ) ，( ，一_ ) 2 其中文x ) 2 了杀8 2 ” ，一。口 x + 。o 。把p ( 曲带入k 的表达式，得 根据上式计算，峭度因子的理论值在3 左右，当信号幅值是标准正态分 布时。k = 3 。 当滚动轴承处于正常技术状态时，振动信号的概率密度函数接近正态分 布。而当轴承表面损伤时，必然会出现冲击脉冲，但因在k 的表达式中，分 子包含x 的四次方，故分子增加很多，而分母是x 的二次方，则增加较少， 所以必然使k 值上升。也就可以根据它的变化值相对于i = 3 的情况，把正常 轴承和损伤轴承区分开来。由于公式中包含x 的四次方，所以峭度是向着概 7 + 驴7 小譬 一已 上压 p 等 一e 上瓜 p ，1 茁 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 率密度分布曲线的尾部加权，即峭度值与分布的散布情况有关1 。 对于离散序列的轴承振动信号f 置 ( i = l ，2 ，n ) ，峭度k 的计算式为 k 一 善b 一习 ( 3 - k9 ) ：i 一 0 一，j i l 羔k 一对i l f _ l j 从上述计算式中可见k 值的p ( x ) 已减去了x ( t ) 的均值，并除以x ( t ) 的标准 差，从而实现了数值的标准化。当转速与负荷增大时振动幅值也随之增大， 但每个x ( t ) 均值要除以x ( t ) 的标准差，由于均值及标准差也相应增大，所以标 准化后的概率密度函数的形状与工况不变时没有大的差别。 无量纲诊断参数不受振动信号绝对水平的影响的数学证明如下： 用c = x 代表过程的均方幅值，然后计算过程y = a x 的无量纲诊断参数孝。 由式3 7 知： 岳= 点 其中，p ( r x ) = ( 1 x ) p ( x ) ，d ( a x ) = a d x 。 这就是说，无量纲诊断参数不随过程的幅值而变化，对于机器中运行( 或载 荷) 的变化是时不变的，它只对概率密度函数p ( x ) 的形状变化敏感。转速的变化 可以用过程x ( t ) 的时间标尺变化近似。这意味着另外一个过程y ( t ) = x ( r t ) 。设 x ( t ) 过程是许多独立分量薯( r ) 。i = l ，2 ，n 之和，则有 y ( t ) ：x ( r t ) 2 葺( ，f ) = m ( f ) ( 3 1 0 ) ，z 1i - i 独立分量之和的概率密度应该满足下述卷积关系： p g ) ；p l “) + p ：k ) + p 。k ) 由上可知，如果满足如下条件： a m p l x ，( r t ) a m p l y 。( r t ) = c o n s t 其中a m p l 一幅值的缩写，c o n s t 一常数，则可保p ( x ) = p ( y ) ，善，= 量。这样， 无因次诊断参数对机器的速度变化是时不变的。当然，这里讲运行条件变化， 不能改变系统中力的相互作用状况。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第17 页 第4 章货车滚动轴承故障在线诊断系统的研制 4 1 滚动轴承故障诊断的基本环节 滚动轴承故障诊断的目的是保证轴承在一定的工作环境( 承受一定的载荷， 以一定的转速运转等) 下和一定的工作期间( 一定寿命) 内有效可靠地运行，以保 证整个机械( 系统) 的工作精度同此目的相适应，轴承故障诊断就是要通过对 能够反映轴承工作状态信号的观测、分析与处理来识别轴承的状态。所以，从 一定程度上来说，轴承故障诊断就是轴承状态识别。具体来说，完整的轴承故 障诊断过程应包含以下五个环节o “。 1 信号测取根据轴承的工作环境和性质，选择并测取能够反映轴承工作 情况或状态的信号： 2 ( 征兆) 抽取从测取的信号中以一定的信号分析与处理方法抽取能够反 映轴承状态的有用信息( 征兆) ； 3 监视( 状态识别)根据征兆，以一定的状态识别方法识别轴承的状态， 即简单判断轴承工作是否正常或者说有无故障： 4 诊断( 状态分析)根据征兆，进一步分析有关状态的情况，及其发展趋 势：当轴承有故障时，详细分析故障的类型、性质、部位、产生原因与趋势等； 5 决策千预根据轴承状态及其发展趋势，作出决策，如调整、控制、维 修或继续监视等。轴承故障诊断的全过程如图4 一l 所示。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 8 页 图4 1 轴承故障诊断 4 2 段修在线故障诊断试验系统 4 2 1 实验系统 为了开发出一套专用故障检测系统应用在段修线上，需要对几种典型工作 状态3 5 2 2 2 6x2 2 z 型轴承进行试验，了解轴承故障振动信号的特点，结合 生产线上的实际需要，采用一种简便有效的方法来对轴承进行检测。图3 - 2 是 以工控机为核心的3 5 2 2 2 6 x 2 _ 一2 z 轴承故障诊断试验系统的结构框图。采用优质 工控机而不是普通的p c 机是因为段修生产线大都在铁路运输线旁，检测系统工 作环境恶劣，需要有很强的抗干扰能力和稳定的工作性能。检测时轴承外圈固 定，内圈随轴旋转。每个轴承布置一个测点( 测径向振动) ，测点处安装一个压 电加速度计用来拾取轴承的振动信号，加速度计后接电荷放大器用于把振动信 号转换和放大，再经a d ( 模数) 板进入微机。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第19 页 技 宠拓 检 - i 加速度l _ j 由赫捕士妊l p c 7 4 2 9 涮 轴 传感器i o _ j 承 a ，d 板 图4 2 试验系统结构框图 3 5 2 2 2 6x2 - - 2 z 型轴承结构复杂：具有两个保持架、两列滚动体，中间 有一个内隔套，在轴承两端面还有密封圈。其结构示意图如4 3 所示。 内圈疆筘桶l 苴 冀 芷4 ：制 ! 内隔套 i i 保持架 i 密封总成 、 ， 、 、 蕊 外圈演 粥 一l l ilj 即 羹旁甥易另翼 图4 3 3 5 2 2 2 6 x ：一2 z 型轴承结构示意图 一般来说，测点选择应以尽可能获得轴承外圈本身的振动信号为原则。传 递通道的中间界面越多，对信号的歪曲就越大，所以应尽量减少传递通道的中 间界面数目o ”。根据以往经验，应在一个轴承的不同滚动体列对应外圈处各放 一个传感器来测取对应的振动信号。但根据对同一轴承的外圈处两个测点的振 动信号进行的互相关函数的计算，发现两个测点的波形相似程度较强，如图4 4 所示。所以在试验中只用一个传感器在某列滚动体对应外圈处测取轴承的振 动信号，如图4 - - 5 所示。这样不仅可以降低设备成本，更重要的是可以减少传 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 0 页 感器间的相互干扰，使信号处理的复杂性降低，提高系统稳定性。 m - j i d_ l i i “_ 嗍洲m 州 i “- u i j - -州 哪r ” t i - 口。 - - - - “- - - 一 图4 - 4 两测点信号的互相关函数图 说明：互相关函数描述了两个随机波形在相差时间f 时的相似程度。”。 其函数表达式为 只，( r ) = l 殛争i x o h ( f + r ) d r ( 3 1 ) 图4 - 4 中的尖峰表示测点l 信号x ( f ) 和测点2 信号y o ) 在时存在r = 0 相互 联系，其峰值表示它们之间的相关函数值已经达到0 6 3 0 3 。 图4 5 试验系统结构图 4 2 2 传感器 压电式加速度传感器由于体积小、质量小，传感器附加质量对被测物体的 影响也小，频响范围宽，因而在振动测量中得到了广泛应用。选用压电加速度 计时主要看其谐振频率的大小，固定时应尽量牢固，这样传感器的谐振频率基 本接近标定单上的数值。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 1 页 试验用y 卜6 l 压电式加速度传感器的主要特征参数如下： 电荷灵敏度：5 0 9 p c m 一 横向灵敏度：1 谐振频率：2 6 k h z ，峰值3 6 d b 4 2 3 电荷放大器 由于压电式传感器的输出阻抗非常高，而输出信号却很小，因此必须用特 殊的前置放大器进行阻抗变换及放大，然后用测量放大器或示波器等得出测量 结果。目前，常用的放大器主要有两种，一种是电压放大器，另一种是电荷放 大器。由于电压放大器的电缆分布电容对测量结果影响较大，在设计时常常把 电缆长度定为一常值。在实际使用时，如果电缆长度需要改变，必须重新校正 灵敏度。这显然限制了它的适用范围。电荷放大器对电缆分布电容不敏感，可 允许采用长电缆线。此外，采用电荷放大器后，加速度计的低频响应仅取决于 放大器的低频响应，而不是用放大器r c 输入的时间常数来计算，因此可用于低 频或超低频的振动测量m 1 。所以目前普遍采用电荷放大器与压电加速度传感器 配合使用。 试验时采用的电荷放大器为北戴河实用电子技术研究所生产的s d 一5 型双 通道电荷放大器。这种电荷放大器原器件集成度高，电路结构简化，性能稳定 可靠；输入阻抗高，输出电压不受压电式加速度传感器自身电容和电缆电容的 影响：在电荷量测试中，被测信号受电缆长度变化的影响很小，对长电缆无明 显衰减。最后一点在检修生产线现场特别有利，满足了生产需要。 4 2 4 模数转换板( a d ) 板 为了利用微机实现对滚动轴承的振动监视与诊断，必须首先把传感器测取 的反映滚动轴承工作情况的模拟振动信号通过模数转换( a d ) 板转换为计算 机可以接收和处理的数字信号。a d 接口板的型号很多，结构、功能也各异。 为有效实现对滚动轴承振动信号的采集，在选择a d 板时，需要考虑以下几个 主要性能参数： 1 分辨率( 位数) 。分辨率是指转换卡( a d ) 板对输出的数字量与输入的模 拟量的分辨能力。它由转换卡能够输出的位数决定。例如，对于采用的1 2 位的 a d 板，其输入信号电压范围为5 v ，则与一5 v + 5 v 电压范围相对应的数字量 1 21 2 在一2 2 0 4 8 一+ 2 = 2 0 4 8 之间，即离散数据最多能分辨出原来连续数据 5 一( 一5 ) 2 0 4 8 - ( - 2 0 4 8 ) = 0 0 0 2 5 v = 2 5 m v 大小的变化。显然a d 板位数 越高，分辨率越高。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 2 最高转换频率( 转换时间) 。最高转换频率，即单位时间内的最高采样点 数，也就是相邻采样点最短时间间隔的倒数。例如，如果a d 板转换时间为 1 0 z s ，则最高采样频率为1 0 0k h z 。采样时，只能低于这个频率，否则采得 的数据是不对的。 3 输入通道数。输入通道数指a d 板可同时对几路输入信号采样。一般 为1 6 ，有的可达3 2 ，可根据需要选择。 4 要考虑a d 板与所使用的微机相匹配。例如，只适用于p c 工业控制计 算机的a d 板就不能用于i b m _ p c 系列微机。 5 要注意输入电压。输入到a d 板的模拟信号的峰值电压不能超过a d 板的输入电压范围，否则，不仅得不到正确的采样数据，严重时还可能损坏a d 板。反之，如果输入信号电压远远小于a d 板的电压范围，也难以充分利 用a d 板高分辨率的优点。 另外，在生产现场特别要求a d 板的抗干扰能力强，这一点在选用时需要 给予足够重视。 根据实际的试验条件和在选择a d 板时需要考虑的性能参数，在这次课题 里选用了北京宏拓控制技术有限责任公司生产的p c 一7 4 2 9 型a d 板。p c 一7 4 2 9 是一种高性能价格比的高速存储a d 板，符合p c 总线标准。 1 p o 一7 4 2 9 a d 板主要性能参数如下： 1 6 路输入( 带输入过压保护，d b 3 7 f 孔式连接器) 1 6 路输入可设置为单通道或自动通道扫描( 须从“0 ”通道起) 1 2 位1 棚z 转换速率a d ( 单路最大可以到1 2 5 m h 2 ) ，1 m h z 多通道 采样速率 a d 内置采样保持器，空径延迟时间 l o m q 最大输入电压 1 2 v 1 6 位i s a 总线 板上带1 2 8 k b 的s r a m ，提供最大6 4 k 采样长度， 存储式a d 板，可脱机采样，数据存储在板上不占用p c 内存 中断占用：p c 的i r q i o ，l l ，1 2 通道，跳线器选择其一 输入量程：单极性：o 一5 v ，双极性5 v 由跳线器选择 a d 结束方式：齐询，中断 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 3 页 d 起动方式：软件起动，外触发，支持外时钟操作 1 6 位定时器，2 0 0 n s 时基，可精确设定a d 的采样速度 采样速度定时选则范围：l , u s l o m s a d 外触发启动电平：t l l 电平，高电平3 1 5 v 上升沿启动，驱动电 流 0 2 m a ( 注意触发输入的电压如果超过5 v ，将烧毁p c 7 4 2 9 ) 外时钟；t t l 电平， 最大频率 i m h z ，外时钟上升边沿启动转换。 占用连续1 6 个f o 地址可由跳线器在1 0 0 h 一3 f f h 间选择。 出厂地址：2 1 0 _ 吨i f h 2 p c 7 4 2 9 原理说明 p c 7 4 2 9 由输入1 6 选一模拟开关( a d s 0 6 ) ，a d 转换器( a d l 6 7 1 ) ，定时及 采样控制等电路构成。输入信号由l6 路多路转换器输入到a d 转换器，转换 数据在定时器的控制下存贮到板上r a m 中。采样长度由一个1 6 位计数器控制， 采样长度可以程控选择1 6 5 5 3 5 点。当采样到预定长度时，计数器将自动停止 a d 转换，并将终断计数寄存器置位，通知p c 机采样结果。采样的启动可以由 p c 软件控制或由外部触发信号控制( 上升边沿有效) ，外触发电平为t t l 电平， 最大输入电压o 一5 v 。 ( 1 ) 地址设置 板上占用4 条她址线a 卜a 3 。参与g a l 译码，余下的6 条i 0 译码地址 ( a 4 a 9 ) ，参与l s 6 8 8 比较器，由x f 36 位跳线器开关选择，其定