（机械电子工程专业论文）车辆滚动轴承故障诊断分析技术的研究.pdf

摘要 摘要 铁路是国民经济的大动脉，它担负着全国大部分的运输任务，而机车车辆是完成 这些任务的运载工具。轴承的工作状况是影响铁路运输安全的重要因素之一。机车车 辆轴承是铁路机车车辆上最容易危及行车安全的易损件。因此，开展机车车辆轴承故 障诊断与预报的研究，对避免重大事故、变革维修体制和促进经济发展等都具有重要 的现实意义。完整的滚动轴承故障诊断过程包含信号测取、特征抽取、故障诊断三部 分。 本文简要介绍了滚动轴承的结构、故障形式及其成因、故障特征频率等。详细研 究了故障诊断领域比较活跃的理论与方法，这些方法包括f f t 变换诊断方法、小波变 换诊断方法、h i l b e r t h u a n g 变换诊断方法。利用噪声法采集滚动轴承的故障信号，并 搭建了现场实验台进行信号采集，同时基于d s p 的高速实时性，既能快速处理大批量 数据，又能对信号进行实时处理。 通过信号处理算法的实时d s p 实现，在理论方法研究的基础上，对车辆轴承的故 障信号进行处理分析和比较，并对结果进行分析以及滚动轴承故障特征频率的计算。 采用传统的f f t 变换对采集的时域信号进行频谱分析，发现f f t 变换并不能有效地识 别轴承故障特征频率。基于此种情况，分别采用小波变换和h i l b e r t h u a n g 变换对信号 进行分析，与理论值相比较，证明判断的正确性，来完成故障诊断。实验结果表明这 两种方法比传统的处理方法能更好地识别轴承的故障特征频率，从而正确的完成轴承 故障诊断。 关键字：车辆滚动轴承；故障诊断；d s p ；h i l b e r t h u a n g 变换 a b s t r a c t j e ! ! = 目目e = 目目目目目目l 自e ! 目目目e = 目自e ! i i l , ! = = = = 目自 = a b s t r a c t t h er a i l w a yi sak e yo ft h en a t i o n a le c o n o m y , i tu n d e r t a k e st h en a t i o n a lm a j o r a t yo f t r a n s p o r t a t i o nt a s k ，a n dt h ev e h i c l e sa r em e a n so fd e l i v e r yt h a tc o m p l e t et h e s et a s k s t h e b e a r i n gq u a l i t yi so n eo fi m p o r t a n ta t t r i b u t e sa f f e c t i n gt h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns e c u r i t y s o i ti so fv i t a lp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h ef a u l td i a g n o s t i co fl o c o m o t i v ev e h i c l eb e a r i n g i no r d e rt oa v o i ds i g n i f i c a n ta c c i d e n t s ，t r a n s f o r ms e r v i c es y s t e m ，p r o m o t ee c o n o m y d e v e l o p m e n t , a n ds oo n i n t e g r i t yo ft h er o l l i n gb e a t i n gf a u l td i a g n o s ep r o c e s si n c l u d e st h r e e p a r t s ：o b s e r v es i s a l 、f e a t u r ee x t r a c t i o n 、f a u l td i a g n o s i s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es t r u c t u r eo ft h er o l l i n gb e a r i n g , o r i g i nc a u s eo ff o r m a t i o no f l o c o m o t i v ev e h i c l eb e a r i n gf a u l ta n di t sc a u s e s ，f a u l tc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c y a n da c t i v ef a u l t d i a g n o s i st h e o r ya n d m e t h o d sa tp r e s e n to fr e s e a r c hf i e l da r es t u d i e dw h i c hi n c l u d ed i a g n o s i s b a s e df f t , d i a g n o s i sb a s e dw a v e l e tt r a n s f o r m ，d i a g n o s i sb yh i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m t h e u s eo fn o i s ec o l l e c t i o no fr o l l i n gb e a t i n gf a u l ts i g n a la n dh i 曲- s p e e dr e a l - t i m ep r o c e s s i n g s y s t e mw i t hd s p c o r en o to n l yh a n d l el a r g eq u a n t i t i e so fd a t aq u i c k l y , b u ta l s op r o c e s ss i g n a l o nr e a l t i m e t h r o u g hp u t t i n gt h er e a l - t i m es i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h mi n t or e a l - t i m ed s p , o nt h e b a s i so ft h e o r yr e s e r c h ，c o n t r a r yn u m b e r so ff a u l tr o l l i n gb e a r i n gs i g n a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t e t h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c sf r e q u e n c yo ft h er o l l i n gb e a r i n g u s i n gt h et r a d i t i o n a lf f tt m n s f r o m t oa n a l y s i st h es i g n a l f f tt r a n s f o r mi sn o ta ne f f e c t i v ew a yt oi d e n t i f yt h ec h a r a c e r i s t i c so f t h ef a u l tb e a r i n gf r e q u e n c y i nt h i sc a s e ，u s i n gw a v e l e tt r a n s f o r ma n dh i l b e r t - h u a n g t r a n s f o r mt oa n a l y s i st h es i g n a l ，c o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e ，p o v e dt h ec o r r e c t n e s so f t h ej u d g e m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tb o t hm e t h o d sc a r li d e n t i f yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef a u l t b e a t i n gb e t t e r , i no r d e rt oc o m p l e t et h ec o r r e c td i a g n o s i so f f a u l tf a i l u r e k e yw o r d s ：r o l l i n gb e a r i n g ；f a u l td i a g n o s i s ；d s p ；h i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m i i 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太董銮通太堂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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：帅因因 日期：7 们苫年月1 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太：整交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太董塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：0 中因因导师签名： 吟钟 日期： 邪年月日 日期：汐尸年夕易月日 学位论文作者毕业后去向：彦、j 艚牟有被锰公司 工作单位：雇山獭牟有限责免众司电话：，芏勺丛髫7 加 通讯地址：唐山币耳泪医厂葡貉弓马 邮编：d 钐口塔 电子信箱：幽州绯护) 7 红伽n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 车辆滚动轴承故障诊断研究的目的及意义 铁路是国民经济的大动脉，它担负着全国大部分运输任务，而机车车辆是完成这 些任务的运载工具，其运行安全性历来受到人们的重视。状态监测与故障诊断技术则 是保障列车安全的一种基本手段，是铁路安全保障体系中的重要内容和环节。诊断技 术在机车车辆中的应用，是现代化运输生产发展的需要，也是科技进步的结果，它可 以用来保障机车车辆的安全性和可靠性，从而提高利用率，降低维修费用。 自2 0 世纪9 0 年代中期，我国交通运输的市场竞争同益加剧，铁路系统实施了一 系列提速工程，全面启动了高速铁路研究开发计划。2 0 0 0 年以后，中国铁路进入了一 个以高速、提速、重载、安全和信息化并重的新时期，开发生产了多种重载、快速和 高速机车、车辆及动车组。随着速度、负荷的不断提高，列车的运行环境发生了变 化，于是大量的新技术、新材料在新车型中得到了应用，以适应这种环境变化，这又 使得机车车辆本身复杂化。因此对机车车辆的可靠性和安全性提出了更高的要求，安 全保障技术成为了非常重要的课题。为满足日益加快的国民经济发展的需要，我国铁 路的改革和发展正通过改良运输设备、完善技术措施、提高管理水平等向着高速重载 的现代化方向发展。 滚动轴承是铁路机车车辆上最容易危及行车安全的易损件，铁路车辆轴承是工作 在高转速重载荷下的轴承，由于工作面( 流动体与内、外圈之间) 的接触应力反复作 用，极易引起疲劳、裂纹、剥蚀、压痕以致断裂胶着、烧伤等现象。轴承故障可引发 多种重大事故，造成人员和财产的重大损失。随着全路提速的进行，列车速度的提高 和站停缩短，给列车的安全运行增加了压力。尽管在故障诊断技术中，轴承诊断的研 究相对开展得比较早，各种类型的轴承诊断仪器也在很多铁路企业得到了应用，但智 能化程度还比较低，诊断的准确性和可靠性仍有待进一步提高。开展车辆轴承故障诊 断与预报的研究，对避免重大事故变革维修体制和促进经济发展等都具有重要的现实 意义【1 1 。 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 是对运行的车辆进行动态监测，及时发现运行车辆的安全隐患；另一方面，在对车辆 进行定期检修时，发现故障轴承，使其不再投入运行。滚动轴承故障的准确诊断可以减 少或杜绝事故的发生，最大限度地发挥轴承的工作潜力，节约开支，具有重大意义。 因此，对滚动轴承的故障诊断和预测已经成为各国研究的热点。本课题的研究目的就 是要及时可靠地对故障轴承进行信号采集检测，利用已有的故障信号分析和处理技术 进行故障的分析，判断出轴承的好坏，并予以安排检修，以便及时更换部件，避免重 大连交通大学下学硕十学位论文 大的事故发生。 1 2 国内外轴承故障诊断分析技术研究现状 早期人们对滚动轴承的故障诊断是依靠听觉来加以判断，虽然熟练的技术员工能 觉察到轴承发生的疲劳剥落与损伤部位，但受主观因素的影响较大。自从2 0 世纪7 0 年代来，工况监测与故障诊断技术不断吸收现代i t 技术发展的新成果，己发展成为集 数学、物理、力学、化学、现代电子技术、自动控制理论、计算机技术、信息理论与 技术、人工智能等各种现代科技于一体的新兴交叉学科，该学科的主要研究内容包括 故障机理、故障信息处理技术、故障诊断方法研究和监测诊断系统的开发等。滚动轴 承的故障诊断在几十年的发展时间里，各种理论和方法不断产生、发展和完善，应用 的领域不断扩大，诊断的有效性和准确性不断提高。总的来说，滚动轴承故障诊断的 发展经历了以下几个阶段1 2 j 。 第一阶段：利用通用的频谱分析仪诊断轴承故障。2 0 世纪6 0 年代中期，由于快速 傅里叶变换( f f t ) 技术的出现和发展，振动信号的频谱分析得到了很大的发展。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 分析得到的结果进行比较来判断滚动轴承是否有故障。 第二阶段：利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。在6 0 年代木期，首先由瑞典s p m 仪器公司开发出冲击脉冲计，根据冲击脉冲的最大幅值来诊断轴承故障。这种方法能 比较有效的检测到轴承的早期损伤类故障。 第三阶段：利用共振解调技术诊断轴承故障。1 9 7 4 年，美国波音公司的 d r h a t t i n g 发明了一项叫做“共振解调分析系统”的专利【3 l 。共振解调技术与冲击脉冲 技术相比，对轴承早期损伤类故障更有效。共振解调技术不但能诊断出轴承是否有故 障，而且可以判断出故障发生在哪个轴承元件上以及故障发生的大致严重程度。 第四阶段：开发以微机为中心的滚动轴承监视与故障诊断系统。2 0 世纪9 0 年代以 来，随着微机技术迅猛发展，开发以微机为中心的滚动轴承故障诊断系统引起了国内 外研究者的重视。微机信号分析和故障诊断系统不但具有灵活性高，适应性强，易于 维护和升级的特点，而且易于推广和应用1 4 j 。 我国的诊断技术起步较晚，但发展迅速，机车轮对轴承的诊断一直受到铁道部、 车辆段的重视。国内有很多高等院校、研究所和工厂对机车轮对轴承的检测和诊断作 了大量的研究和开发。诊断工作主要立足于以机务段、车辆段的现场条件及现场需要 为根本；研制仪器以便携为主，检测工作不对机车或车辆附加条件，包括安装、测试 工况等；并以地面检测为主，随车运行检测为辅，对轴承的故障进行振动诊断；诊断 工作与培训现场人员同时进行。因此要保证机车的安全性，还应继续加强机车故障诊 断技术的开发和应用。许多设备已在许多相关部门得到使用，并取得了较满意的结 果。虽然这些技术方法能够解决一定的问题，但是普遍存在以下几个问题：故障识别 2 第一章绪论 率低，存在较严重的故障漏检，对操作人员的要求较高，使用不便。因此机车轮对轴 承的故障诊断，无论从故障信号的测取方法、故障诊断的正确率和故障诊断的方便性 都需要做深一步的探讨。于是故障诊断研究迫在眉睫。 1 3 车辆滚动轴承故障诊断的内容 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( 一定的寿命) 内可靠有效地运行，以保证整 个机器的工作精度。与此目的相适应，轴承故障诊断就是要通过对能够反映轴承工作 状态的信号的观测、分析与处理来识别轴承的状态。所以，从一定程度上说，轴承故 障诊断就是轴承的状态识别。一个完整的轴承故障诊断系统应包括以下五个环节【5 】： ( 1 ) 信号测取 根据轴承的工作环境和性质，选择并测量能够反映轴承工作情况或状态的信号； ( 2 ) 特征提取 从测量的信号中以一定的信号分析与处理方法抽取出能够反映轴承状态的有用信 息； ( 3 ) 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 常或有无故障； ( 4 ) 诊断分析 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、产生原因及趋势等； ( 5 ) 决策干预 根据状态及发展趋势，做出决策，如调整、维修或监视等。整个诊断过程如图1 1 所示： 设备工 信号一 状态信 特征一 征 故障 一故 _ |故障趋势l 一 况测取一号提取一 兆 诊断 一 障 百l _ l l 故障状况 图1 1 机械故障诊断过程【4 1 f i g 1 1c o n f i g u r a t i o no fr o l l i n gb e a r i n g 大连交通大学下学硕十学位论文 1 4d s p 的发展及其主要结构特点 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是- f - j 涉及许多学科而又广 泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发 展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展，数字信号处理已经在通信等领域 得到极为广泛的应用1 6 。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变 换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 数字 信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信 号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信号处理的应 用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的 桥梁。 虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在2 0 世纪8 0 年代以前，由于实现方法的 限制，数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初世 界上第一片单片可编程d s p 芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际 系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地说，d s p 芯片的诞 生及发展对近2 0 年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。 数字信号处理的实现可以分成软件实现和硬件实现。 用软件实现的方法就是用户通过编写软件或使用现成的软件包在p c 机上实现数字 信号的处理。这种方法的优点是费用低、易调试；缺点是速度慢、不能用于实时系 统。这种方法适用于仿真研究。比如m a t l a b 就是一个比较好的仿真软件。用硬件实 现的方法比较适用于实际的工程中，而且实现的方法有很多。 1 4 1d s p 芯片的特点 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。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 ( 即通常所说得单片机) 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。随着数字化的急速进 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1 7 j 。图1 2 就是一个典型的d s p 系统。 4 第一章绪论 入 抗混d s p 平滑 叠滤 a d 芯片 d | 入 滤波 波 图1 2 典型的d s p 系统 f i g 1 2t y p i c a ld s ps y s t e m 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 除了具有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【8 】： ( 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 3 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一倍。 数据存储 c p u 数据存储 器 器 图1 3 微处理器的冯诺依曼结构与哈佛结构 f i 9 1 3v o nn e u m a n na r c h i t e c t u r ea n dh a r v a r da r c h i t e c t u r eo fm i c r o p r o c e s s o r 改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总 线。其特点如下： 允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据，使这些数据可以由算术运算指令 直接调用，增强了芯片的灵活性；提供了存储指令的高速缓冲器( c a c h e ) 和相应的指 令，当重复执行这些指令时，只需读入一次就可连续使用，不需要再次从程序存储器 中读出，从而减少了指令执行所需要的时间。 ( 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，可同时进行取指令和多个 数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使c p u 在一个机器周期内可 多次对程序空间和数据空间进行访问，大大提高了d s p 的运行速度。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 5 人连交通大学t 学硕十学何论文 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 4 所示。 i取值 译码 取数执行 取值译码取数执行 取值译码取数执行 取值译码取数执行 图1 4 流水线技术 f i 9 1 4p i p e l i n e ( 4 ) 硬件乘法器和特殊的d s p 指令 为了适应数字信号处理的需要，当前的d s p 芯片都配有专用的硬件乘法累加器， 可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而可实现数据的乘法累加操作。为 了实现f f t 、卷积等运算，当前的d s p 大多在指令系统中设置了“循环寻址 及“位 码倒置”指令和其他特殊指令，使得在进行这些运算时，其寻址、排序及计算速度大 大地提高。 ( 5 ) 指令周期短 由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的指令及集成电路的 优化设计，使指令周期可在2 0 n s 。c 6 4 x x 的内核其主频可达到1 1 g h z 。最大处理速度 达到9 0 0 0 m i p s 。 ( 6 ) 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，一 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1 9 1 。 ( 7 ) 硬件配置强 新一代的d s p 芯片具有较强的接e l 功能，除了具有串行口、定时器、主机接口 ( h p i ) 、d m a 控制器、软件可编程等待状态发射器等片内外设，还配有中断处理器、 片内存储器、测试接口等单元电路，可方便地构成一个嵌入式自封闭控制的处理系 6 第一章绪论 统。 高速数据传输能力是d s p 进行高速实时处理的关键之一。新型的d s p 大多设置了 单独的d m a 总线及其控制器，在不影响或基本不影响d s p 处理速度的情况下，进行 并行的数据传送【l 。 ( 8 ) 支持多处理器结构 尽管当前的d s p 芯片已达到较高的水平，但在一些实时性要求很高的场合，单片 d s p 的处理能力还不能满足要求。如在图像压缩、雷达定位等应用中，若采用单处理 器将无法胜任。因此，支持多处理器系统就成为提高d s p 应用性能的重要途径之一。 为了满足多处理器系统的设计，许多d s p 芯片都采用支持多处理器的结构。 1 4 2d s p 的主要结构特点 w t 6 7 0 1 p a 板是d s p 2 0 0 0 高速信号处理板家族中的一员，尤其适用于雷达、通 信、图像处理系统。它采用t i 公司最新的d s p 器件( t m s 3 2 0 c 6 7 0 1 ) ，最高运行速度 可达1 6 0 0 m i p s 。板上配置了高速同步存储器s b s r a m ( 1 2 8 * 3 2 b i t ) 和s d r a m ( 4 * 3 2 b i t ) 。两路a d 可同时采集，每路最高采样频率可达4 0 m h z ，a d 采样数据可 直接存储在双口r a m 中，或者由用户通过硬件( f p g a 逻辑) 作预处理后再存储在双 口r a m 中，再通过d m a 方式传送到d s p 片内或片外存储器中。 t m s 3 2 0 c 6 7 0 1 是一种高性能的浮点数字信号处理器，工作频率为1 5 0 m h z ，它们 同属于c 6 0 0 0 系列。具有v l i w 体系结构，每个周期8 个3 2 - b i t 乘法器和6 个算术逻 辑单元( 3 2 b “、4 0 b i t ) 。它采用加载存储( 1 0 a d s t o r e ) 体系结构，数据在多处理单元之 间的传输依靠3 2 个3 2 b i t 通用寄存器。 滚动轴承故障诊断结果受到多种因素影响，数据处理工作量大，计算复杂，而且 逐渐要求实时性。目前国内在滚动轴承故障诊断方面作了很多的研究和试验工作，但 是对于诊断方法、实时性、硬件和软件设计、试验和计算等方面还有很多的工作要 做。所以在前人的研究基础上，采用了高速信号处理器，基于d s p 芯片进行了滚动轴 承故障诊断系统的研究与开发，与传统的故障诊断系统比较，具有信号的不失真采 集、数据传输的高速性、实时传输性、设备简单、数字信号处理速度快等优点。 1 4 3 中断 ( 1 ) 中断类型和中断信号 t m s 3 2 0 c 6 7 0 1 d s p 的c p u 中有三种中断类型：复位中断( r e s e t ) 、不可屏蔽中 断( i ) 、可屏蔽中断( i n t 4 i n t l 5 ) 。中断的优先级由高到低排列为r e s e t 、 n m i 、i n t 4 i n t l 5 。这些中断部分信号映射到c 6 7 0 1 d s p 芯片的管脚上，有些中断信 号被片内外设所使用，有些则不可以用，或者在软件控制下使用【l 。 ( 2 ) 中断服务表( i s t ) 7 人连交通大学t 学硕十学位论文 中断服务表i s t ( i n t e r r u p ts e r v i c et a b l e ) 是包含中断服务代码取指令包的一个地 址表。当c p u 开始处理一个中断时，一般要参照中断服务表进行。i s t 包含1 6 个连续 取指令包，每个中断服务取指令包都含有8 条指令，每个单独的取指令包恰好对应一 个中断服务程序。 ( 3 ) 中断服务表指针寄存器( i s t p ) 中断服务表指针寄存器i s t p ( i n t e r r u p ts e r v i c et a b l ep o i n t e r ) 用于确定中断服务程 序在中断服务表中的地址。i s t p 中的字段i s t b 确定i s t 的地址的基值，另一字段 h p e l n t 确定特定的中断，并给出这一特定中断取指令包在i s t 中的位置【l 引。 ( 4 ) 中断服务取指令包( i s f p ) 中断服务取指令包i s f p ( i n t e r r u p ts e r v i c ef e t c hp a c k e t ) 是用于服务中断的取指令 包。为了使中断结束后能够返回主程序，取指令包中包含有一条跳转到中断返回指针 所指地址的指令。因为跳转指令有5 个延迟间隙，所以在跳转指令后需加上一条 “n o p 5 指令，否则c p u 将会在跳转之前开始执行下一个i s f p 中的5 个执行包。 ( 5 ) 中断控制寄存器 中断控制寄存器在t m s 3 2 0 c 6 7 0 1 d s p 中有8 个中断控制寄存器。控制状态寄存器 ( c s r ) 和中断使能寄存器( i e r ) 用于使能或禁止中断处理；中断标志寄存器 ( i f r ) 用于指示中断状态或指出挂起的中断；中断设置寄存器( i s r ) 和中断清除寄 存器( i c r ) 被用来人工设置或清除i f r 中的标志位。同时，还有3 个指针寄存器。中 断服务表指针( i s t p ) 通常指向中断服务表的起始地址：不可屏蔽中断返回指针 ( n r p ) 和可屏蔽中断返回指针( i r p ) 分别包含从不可屏蔽中断和可屏蔽中断返回的 地址。 1 5 本文研究内容 ( 1 ) 详细地阐述了车辆滚动轴承故障诊断意义与目的及研究现状，介绍了车辆滚动 轴承故障诊断的内容。 ( 2 ) 分别介绍了车辆滚动轴承的结构，失效的基本形式及故障成因，故障特征频 率。接着介绍了车辆滚动轴承故障信号的采集过程及其注意事项。 ( 3 ) 在诊断分析法中，详细分析了快速傅里叶变换( f f t ) 诊断方法、基于小波变 换的轴承故障诊断方法、h i l b e r t h u a n g 变换诊断方法的原理和轴承故障的智能诊断方 法的原理和发展。 ( 4 ) 论述了车辆滚动轴承信号采集及处理系统的软件设计。介绍了d s p 开发编程 的特点和软件编程的特点及方法。说明了d s p 的软件开发平台c c s 的功能及开发流 程。最后具体介绍了信号采集程序的实现与中断编程。 ( 5 ) 对采集到的车辆实验台的实验数据进行处理和分析，采用传统的f f t 变换对 8 第一章绪论 采集的时域信号进行频谱分析，发现并不能有效地识别轴承故障特征频率。基于此种 情况，分别采用小波变换和h i l b e r t h u a n g 变换对信号进行分析，与理论值相比较，证 明判断的正确性，来完成故障诊断。 本章小结 本章对滚动轴承故障诊断的目的及意义、内容研究现状进行了简要介绍；综合论 述了现代数字信号处理；并把课题研究的主要内容分为几部分，在接下来的几章再逐 一介绍。 9 大连交通大学t 学硕十学位论文 第二章车辆滚动轴承故障特征分析 滚动轴承是机械系统中重要的支撑部件，其性能与工况的好坏直接影响到与之相 连的转轴以及安装在转轴上的齿轮乃至整个机器设备的性能。据统计，在使用轴承的旋 转机械中，大约有3 0 的故障都是由于轴承引起的，因此，开展对轴承的故障诊断很有 现实意义。 滚动轴承在使用过程中常常由于疲劳、磨损、变形过大、腐蚀、断裂、胶合等各 种原因造成机器性能异常，以至无法工作。这些故障形式各种各样，但大体上可区分 为疲劳剥落损伤、磨损、胶合等有代表性的三种类型。其中疲劳剥落损伤包括剥落、 裂纹、压痕等滚动面发生局部损伤的异常状态，是滚动轴承故障中最常见的一种。 滚动轴承由于损伤而产生故障后，在工作过程中可能反映在温升、噪声、振动等 各个方面。从理论上讲，以上几个方面的症兆都可以作为滚动轴承故障的诊断依据。 本文采集的滚动轴承故障信号就是噪声信号。车辆轴承噪声信号中带有大量设备运动 状态的信息，通过对噪声信号进行分析，可以了解设备运行状态。 2 1 滚动轴承的结构 图2 1 为滚动轴承的典型结构。滚动轴承是由内环、外环、滚动体和保持架四种元 件组成。通常，其内环与机械传动轴的轴颈过盈配合联接，工作时随轴一起转动；而 外环安装在轴承座、箱体或其它支撑物上，工作时一般固定或相对固定。但也有外环 回转、内环不动或内、外环分别按不同转速回转的使用情况。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为滚动摩擦。滚动体的形式有球形、圆柱 形、锥柱形、鼓形等。在滚动轴承内、外环上都有凹槽滚道，它们起着降低接触应力 和限制滚动轴承轴向移动的作用。保持架使滚动体等距离分布并减少滚动体间的摩擦 和磨损。如果没有保持架，相邻滚动体将直接接触，且相对摩擦速度是表面速度的两 倍，发热和磨损都较大1 1 3 j 。 1 0 第二章车辆滚动轴承故障特征分析 图2 1 滚动轴承结构 f i g 2 1c o n f i g u r a t i o no fr o l l i n gb e a t i n g 其中：1 为外圈；2 为滚动体；3 为内圈；4 为保持架；d 为轴承节径；d - 滚动体 直径；r 1 为内圈滚道半径；仅为接触角。 2 2 滚动轴承失效的基本形式 滚动轴承在运行过程中，由于装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过 载等都可能视轴承过早损坏。即使不出现上述情况，经过一段时间后，轴承也会出现 疲劳剥落和磨损而不能正常工作。总之，滚动轴承的损伤形式是十分复杂的。下面将 1 1 大连交通大学t 学硕十学位论文 列出滚动轴承的主要损伤形式及原因等【l 4 1 。 ( 1 ) 磨损失效 这是滚动轴承常见的一种失效形式。由于滚道和滚动体的相对运动( 包括滚动和 滑动) 和尘埃异物的侵入等都会引起表面磨损，而当润滑不良时更会加剧表面磨损。 磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低运转精度。 ( 2 ) 疲劳失效 这是滚动轴承另一种常见的失效形式，滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既承受 载荷又相对滚动，由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处( 最大剪应力处) 形成裂纹，继而扩展到接触表面使表层发生剥落或脱皮。其原因有：轴向载荷过大； 安装时冲击载荷过大，圆柱滚子轴承的装配过盈量太大；间隙过小，载荷过大，润滑 不良，预压过大等等。 ( 3 ) 腐蚀失效 滚动轴承的腐蚀失效损伤结果是：表面由于电流、化学和机械作用产生损伤，丧 失精度而不能继续工作。轴承零件表面的腐蚀是由下面三种原因造成的：润滑油、水 分或湿气的化学腐蚀；轴承表面间有较大电流通过造成电腐蚀；轴承套环在座孔中或 轴颈上产生微小相对运动而造成的微振腐蚀。 ( 4 ) 断裂失效 当载荷超过轴承滚道或滚动体的强度极限时会引起轴承零件的断裂。磨削、热处 理、装配不当会引起残余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。另外，装 配方法、装配工艺不当，也可能造成轴承套环挡边和滚子倒角处掉块。 ( 5 ) 压痕失效 压痕是在滚道或滚动体表面上产生局部变形而出现的凹坑，它既可能是由于过 载、撞击，也可能是由于装配敲击或异物落入滚道而形成。滚动轴承的压痕失效损伤 原因有：静载荷过大，冲击载荷过大，异物进入；装配不当，滚道承受载荷不均匀 笙 寸o ( 6 ) 胶合失效 胶合指滚道和滚动体表面由于受热而局部熔合在一起的现象。常出现在高速、高 温、重载、润滑不良、起动加速度过大等情况下。失效损伤原因有：润滑不良，润滑 脂过硬，启动时加速度太大；滚动面不平行，转速过高；润滑不良，装配不当，轴向 载荷过大等。 ( 7 ) 保持架损坏 由于装配或使用不当可能会引起保持架变形，增加它与滚动体之间的摩擦，甚至 使某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外环发生摩擦等。这一损伤会 进一步使振动噪声与发热加剧导致轴承损坏i l5 。 1 2 第二章车辆滚动轴承故障特征分析 2 3 噪声诊断技术 当滚动轴承出现局部损伤时，在受载运转过程中，轴承的其他零件会周期地撞击 损伤点，产生的冲击力激励轴承座及其支撑结构，形成一系列由冲击激励产生的减幅 振荡，减幅振荡体现在噪声中，发生的频率称为故障特征频率，它由轴的转速、轴承 几何尺寸及损伤点位置( 外圈、内圈、滚动体) 确定，根据故障特征频率可以检测轴 承是否出现故障并确定故障的位置。 噪声诊断技术是近几年兴起的新型诊断技术，是和振动法密切相关的。噪声信号 是轴承故障的载体，理论上可通过对轴承噪声信号的分析与处理诊断出轴承的所有类 型的故障。轴承外圈、内圈、滚动体或者保持架发生故障时，都会在轴承运行中产生 噪声信号。这种周期性的信号可由声音拾取设备来接收，通过对噪声信号的分析来诊 断轴承的故障6 1 。 它的特点有：非接触测量；噪声诊断技术应用广泛；可实现在线监测；诊断快； 设备简单等。 2 3 1 噪声法测量的过程 本文中以d s p 芯片为核心的故障检测系统的硬件方框图如下： 图2 2 滚动轴承故障诊断系统硬件结构图 f i g 2 2h a r d w a r ec h a r to fr o l l i n gb e a t i n gf a u l td i a g n o s i ss y s t e m 图2 2 为噪声法测量滚动轴承信号的系统硬件图。主要是利用传声器、声级计拾取 滚动轴承工况信号，经d s p 控制a d 9 0 4 2 进行信号采样，a d 转换器接收拾取的模拟 信号后，经过采样量化处理使之转变为数字信号，通过中断和直接存储器访问方式把 转换后的数字信号值存入d s p 的存储器中；d s p 按一定的算法对信号处理后，如果轴 承存在故障，则分析故障的类型、部位、产生原因等。 大连交通大学下学硕+ 学位论文 2 3 2 数据采集系统的硬件介绍 ( 1 ) 声级计 声级计是最基本、最常用的测量噪声的一种轻便携带式仪器。可测量环境噪声、 机器噪声、车辆噪声的声压级和计权声级。如果把电容传声器换成加速度计，还可用 来测量振动。 声级计主要由放大器、衰减器、计权网络、检波器和指示电表组成。线路内加上 积分设备则成为积分声级计。如输入端接拾振器则成为振动计，可用来测量振动的加 速度、速度和振幅。还可测量频带声压级，接上计权网络，一般能测量a 、b 、c 声 级，有的还能测量反映航空噪声的d 声级。时间计权特性有三种：快、慢、和脉冲， 它们的时间常数分别为1 2 5 毫秒、1 0 0 毫秒和3 5 毫秒。 本课题采用适合微电机噪声测量的h s 5 6 6 0 b 型声级计，它是一种低测量下限、中 文键面、便携式声学测量仪器。其低测量下限特性尤其适用于各类产品的低噪声检测 与评价。如冰箱、空调、洗衣机等家用电器及微电机噪声测量。并可作为一般消声室 本底噪声的定量测试验收等。h s 5 6 6 0 b 不仅可测量各类瞬时值噪声，而且它的脉冲特 性可以精确地测量冲击声和短持续时间的噪声，如枪炮声、机械冲击、爆炸声等。其 峰值保持功能可测出并保持噪声信号的峰值大小。由电表及液晶显示器同时读出测量 结果，过载指示器能准确指出测量过程中的过载信号。设有交流信号输出接口，可配 合w t 6 7 0 1 p a 评估板作进一步信号处理。 h s 5 6 6 0 b 型声级计的测量范围：2 2 1 3 5 d b ( a ) ：3 2 1 3 5 d b ( c ) ；4 0 1 3 5 d b ( 线 性) 。 频率范围：1 0 h z 1 3 5 k h z 。 ( 2 ) 传声器 传声器是声音采集的一个重要组成部分，依靠电容的充放电来实现声音信号到电 信号的转变。在综合考虑了性能、价格和服务等因素后，课题选用了国营三八零厂嘉 兴分厂h s l 4 4 1 7 a 型测试电容传声器，它的主要性能指标如下： 极化电压：1 1 0 v 灵敏度级：2 6 d b 灵敏度修正值k - 1 d b 平均温度系数：灵敏度级变化- 1 - 0 0 2 d b 1 0 0 m m h g 等效容积：1 0 m m 2 极化电容量：1 6 p f ( 典型值) 动态范围：2 0 d b ( a ) 1 4 0 d b 由于传声器的容性结构，其输出阻抗很大，不能直接与a d 转换器相连接，在传 声器后面必须加入一个前置放大器。前置放大器起到一个阻抗变换的作用。 1 4 第二二章车辆滚动轴承故障特征分析 ( 3 ) a d 9 0 4 2 a d 9 0 4 2 是一种高速，高性能，低功耗的模数转换器，带有跟踪保持放大器和基 准电源。只需+ 5 v 电源即能工作，最大采样频率达4 1 m h z ，而且为满足带宽要求， a d 9 0 4 2 设计保证在2 0 m h z 带宽上具有8 0 d b 的无失真动态范围。a d 的采样频率由 c 6 7 0 1 d s p 片内控制寄存器( 0 x 3 3 8 0 0 0 0 ) 控制。采样后的数据存储到i d t 7 0 2 4 双口 r a m 中，容量为4 k 宰3 2 b i t 。 需要注意的是a d 9 0 4 2 容易受开关