（机械电子工程专业论文）滚动轴承故障巡检系统的研制与开发.pdf

i _ # 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 滚动轴承故障巡检系统的研制与开 发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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：呈茭重垒 e l 期：2 型垒：至：显 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： 日期：垫! q ! 墨：星 导师签名： e l期：塑! ! ：兰：坌 ， i 域参数趋势分析用于滚动轴承故障诊断；最后在对滚动轴承振动信号进行滤波、f f r 交换的基础上，综合时域参数趋势分析、冲击脉冲和包络解调，研制了基于l a b v l e w 的滚动轴承故障巡检系统，并对该系统的运用作了详细的说明，通过分析滚动轴承 的振动信号，有效地诊断出滚动轴承故障。 关键词：滚动轴承，故障诊断，巡检系统，时域参数趋势分析，虚拟仪器 a b s t r a c t r o l l i n gb e a r i n gi so n eo ft h em o s tf r e q u e n t l yu s e dr o t a t i n gm a c h i n e r ya n dp l a y sa k e yr o l ei nt h ep r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，t h ef a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yf o rr o l l i n gb e a r i n g i so fg r e a ts i g n i f i c a n c e f i r s t l y , t h ev i b r a t i o np r i n c i p l ea n dt h ef a u l tv i b r a t i o np r o p e r t y a r ea n a l y z e d s e c o n d l y , t h et r e n da n a l y s i so ft i m ed o m a i np a r a m e t e r si su s e di nt h ef a u l t d i a g n o s i so ft h er o l l i n gb e a r i n gf o rt h ec h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h et i m ed o m a i n p a r a m e t e r sd u r i n gt h er u n t i m eo fr o l l i n gb e a r i n g f i n a l l y , t h es o f t w a r ef o rt h ef a u l t i n s p e c t i o ns y s t e mo ft h er o l l i n gb e a r i n gw i t ht h em e t h o d so ft i m ed o m a i np a r a m e t e r t r e n da n a l y s i s ，s h o c kp u l s em e t h o d ( s p m ) a n de n v e l o p ed e m o d u l a t i o nb a s e do nf i l t e r a n dh 叮i sd e s i g n e db yl a b v i e w , t h eu s eo ft h es y s t e mi se x p l a i n e di nd e t a i l ，a n dt h e s y s t e mc a nd i a g n o s et h ef a u l to ft h er o l l i n gb e a r i n ge f f e c t i v e l yb ya n a l y z i n gt h e v i b r a t i o ns i g n a lo ft h er o l l i n gb e a r i n g w u m e i l i n g ( m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a ns h u t i n g 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 ，i n s p e c t i o ns y s t e m ，t i m ed o m a i n p a r a m e t e rt r e n da n a l y s i s ，v i r t u a li n s t r u m e n t s 夏 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 滚动轴承故障诊断研究的意义，l 1 2 滚动轴承故障诊断技术发展概况i 1 1 3 本论文的内容：4 第二章滚动轴承振动信号分析与故障诊断5 2 1 滚动轴承振动特征分析5 2 1 1 滚动轴承的振动机理一5 2 1 2 滚动轴承的固有振动频率6 ，2 1 3 滚动轴承的故障缺陷频率7 2 2 时域参数趋势分析8 2 2 1 常用时域参数指标8 2 2 2 设备状态趋势分析：1 0 2 2 3 时域参数趋势分析实现1 2 2 3 冲击脉冲分析1 6 2 3 1 冲击脉冲法基本原理1 6 2 3 2 滚动轴承的评定参数1 6 2 4 包络解调分析1 7 2 4 1 包络解调的基本原理1 7 2 4 2 希尔伯特( h i l b e r t ) 变换检波原理1 8 2 5 本章小结1 9 第三章滚动轴承故障巡检系统实现2 0 3 1 系统基本思路2 0 3 2 系统开发平台2 1 3 3 数据库2 l 3 4 系统功能分析与实现2 2 华北电力大学硕士学位论文目录 3 4 1 系统整体介绍2 2 3 4 2 系统各功能模块设计确定2 4 3 5 本章小结2 8 第四章滚动轴承故障巡检系统软件说明2 9 4 1 数据采集模块3 0 4 2 轴承参数设置模块3 3 4 3 频率分析模块：3 6 4 4 趋势分析模块3 8 4 5 滤波分析模块j 4 0 4 6 冲击脉冲模块4 2 4 7 包络解调模块4 3 4 8 帮助。4 6 4 9 本章小结4 6 第五章结论一4 7 参考文献4 8 致谢5 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 l i i ， 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 滚动轴承故障诊断研究的意义 滚动轴承是各种旋转机械中应用最广泛的一种通用机械部件。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，滚动轴承状态的 好坏将直接影响旋转设备的运行状态。尤其在连续性大生产企业中，滚动轴承大量 应用于大型旋转设备重要部位。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。据有关资料统计，在使用滚动轴承 的旋转机械中，大约3 0 的机械故障是由于滚动轴承而引起的【。 滚动轴承是高度标准化的机械元件，有着多种尺寸规格和精度等级的系列型 号，可以满足广大用户对轴承的基本要求。与其他机械零件相比，滚动轴承有一个 很大的特点，其寿命离散性很大。所以，如果按照设计寿命对轴承进行定时维修， 则出现以下情形：一方面，对超过设计寿命而完好工作的轴承拆下来作为报废处理， 造成浪费；另一方面，未达到设计寿命而出现故障的轴承或者坚持到定时维修时拆 下来报废，使得机械在轴承出现故障后和拆下来这段时间内工作精度下降，后者未 到维修时间就出现严重故障，导致整个机械出现严重事故。所以滚动轴承的故障诊 断方法，一直是机械故障诊断中重点发展的技术之一。滚动轴承故障诊断可以减少 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。因此，实际生产 中，作好滚动轴承故障巡检是搞好设备维修与管理的重要环节，具有重大意义【2 3 l 。 1 2 滚动轴承故障诊断技术发展概况 目前对滚动轴承故障的检测和诊断有多种不同的方法，大致可以分为：温度测量法、 油样分析法、振动测量法、声学测量法和声发射法。温度测量法通过监测轴承座( 或箱 体) 处的温度来判断轴承上作是否正常，对轴承负荷、速度和润滑情况的变化反映比较 敏感，尤其是对润滑不良而引起的轴承过热现象很敏感，但不适用于点蚀、局部剥落等 所谓的局部操作类故障1 4 j 。油样分析法是一种从轴承所使用的润滑油中提取出油样，通 过收集和分析油样中金属颗粒的大小和形状来判断轴承工况和故障的方法，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下的颗粒的影 响1 5 j 。振动测量法是通过安装在轴承座或箱体适当方位的振动传感器监测轴承振动信 号，并对此信号进行分析与处理来判断轴承工况与故障，目前国内外开发生产的各种滚 动轴承监测与诊断仪器和系统中大都是根据振动法的原理制成的，有关滚动轴承监测与 诊断方面的文献8 0 以上讨论的是振动法【6 ，7 l 。声学测量法通常有两种途径：声压和声 强，t a n d o n 和n a k r a 证实了声强测量法作为一种轴承诊断技术的有效性，并且得出结 华北电力大学硕士学位论文 论：对滚动轴承进行诊断，声强比声压测量法更有效，优点是不必接触受测轴承即可得 到检测信号，其弊端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陟l o j 。 声发射法就是运用声发射原理对轴承故障进行检查和预测的方法，它是一种非常重要的 无破坏性的检测方法，可以检测到表面下裂纹的生成和扩展【1 l 】。从适用、实用、有效的 观点来看，目前没有比振动法更好的滚动轴承监视方法，因此，振动测量法得到了最为 广泛的应用。 基于振动的滚动轴承故障诊断在国外大概开始于2 0 世纪6 0 年代。在其后几十 年的发展时间里，各种方法与技巧不断产生、发展和完善，应用的领域不断扩大， 诊断的有效性不断提高，总得来说，滚动轴承故障诊断的发展已经经历了以下几个 阶段【1 1 5 1 。 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，出于 快速傅立叶变换( 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 年代末期，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 r t i n g 发明了一项叫做“共振解调分析系统”的专利。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。共振解调技术不仅能诊断出轴承是否 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至严重程 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。 随着信号检测技术、计算机技术、数字信号处理技术、人工智能技术的迅速发 展，轴承故障诊断已经成为荣获数学、物理、力学等自然科学和计算机技术、数字 信号处理技术、人工智能技术的综合学科。与传统的诊断方法相比，目前的研究方 向主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 小波变换 从8 0 年代后期开始，作为应用数学的一个分支，小波变换得到了迅速的发展。 由于小波变换在时、频域的局部化和可变时频窗的特点，与传统的傅立叶变换相比， 2 j 簟 华北电力大学硕士学位论文 小波变换更适合分析非稳态信号【1 6 l 。因为滚动轴承的损伤故障信号是典型非稳态信 号，所以用小波变换处理轴承振动信号，可更为有效地获得故障特征信息。 ( 2 ) 参数辨识诊断 常用的参数辨识方法有极大似然法、最小二乘法、互相关法、辅助变量法、随 机逼近法和自适应算法等。参数辨识法的优点在于能在线跟踪参数变化、检测快而 准、诊断实时性强，但对于非线性系统和时变系统有一定的困难，应用受到限制f 1 7 1 。 ( 3 ) 模糊诊断 模糊诊断根据征兆空间与故障状态空间的映射关系，由征兆诊断故障。由于滚 动轴承振动信号种故障特征振动与故障类型不存在绝对的对应关系，一种故障可能 引起多种特征，而一种故障特征可能对应多类故障，因此近年来，模糊理论被引进 到轴承故障诊断领域1 1 8 】。轴承故障模糊诊断中的概念是模糊概念，可以用模糊集合 来表示，而模糊变换运算是用来讨论模糊判断和推理的。 ( 4 ) 模式识别 模式识别就是根据相互关联的特征将事物分类的过程，它包括对事物的描述、 理解和综合。每个样本的特征数组对应着特征空间的一点，这个空间叫做模式空间， 通过定量计算样本在空间的距离，制定出错误率最小的特征提取方法和分类准则加 以分类。 ( 5 ) 专家系统 近年来随着人工智能技术的发展，专家系统技术得到了迅速的推广。所谓的专 家系统就是一个智能的计算机程序，它能模拟专家处理问题时的一些推理方法，利 用已有的知识和经验建立模型，解决问题。专家系统诊断结论的可信度和精确性依 赖于所拥有的知识，比较适合于具有层次结构的复杂机械设备的故障诊断问题【1 9 】。 将基于知识的专家系统技术应用于故障诊断领域可以使滚动轴承诊断分析和决策 分析更加准确可靠。 ( 6 ) 神经网络 轴承故障诊断的目的，是从故障定位到确定故障性质，进而确定故障发生的程 度，由于神经网络具有处理复杂模式及进行联想、推测和记忆的功能，因而近年来 在故障诊断领域引起了广泛的研究。 ( 7 ) 信息融合 信息融合方法实现了综合诊断。多传感器形成了不同通道的信号，同一信号形 成了不同的特征信息，不同的诊断途径得出了有偏差的诊断结论。由单维信息融合 成的多维信息可以克服单维信息的局限性，提高诊断的准确性。进行信息融合的方 法主要有b a y e s 推理、k a l m a n 滤波、d s 推理等。其中前两种方法需要先验信息， 3 华北电力大学硕士学位论文 但所需计算量较大【删。近年来，利用神经网络进行信息融合显示了较大的优势。 在实际的诊断过程中，为了提高诊断的准确性，不能以任何单一方法来解决诊 断问题，如果将各种方法结合起来，将会极大地提高诊断效果。 1 3 本论文的内容 本论文以机械中应用最广泛的滚动轴承为研究对象，根据滚动轴承故障诊断的 研究现状，在对滚动轴承故障机理和诊断方法进行分析的基础上，选用时域分析、 冲击脉冲分析和包络解调分析，用l a b v i e w 软件平台实现滚动轴承故障巡检系统 的研制与开发。本论文的研究内容如下： 第一章：概述滚动轴承故障诊断技术研究的意义、研究现状及发展趋势； 第二章：介绍了滚动轴承的振动机理、固有振动频率和故障缺陷频率的计算， 详细的阐述了时域参数趋势分析在滚动轴承故障诊断中的应用，简单介绍了冲击脉 冲法和包络解调法的基本原理； 第三章：详细阐述了滚动轴承故障巡检系统实现的基本思路、开发平台、数据 库和各功能模块的设计开发； 第四章：系统的介绍了滚动轴承故障巡检系统各模块的功能、使用方法和注意 事项，实现了时域参数、频率分析、趋势分析、冲击脉冲和包络解调的滚动轴承故 障诊断。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章滚动轴承振动信号分析与故障诊断 滚动轴承在运转时，由于受到载荷、安装、润滑状态、异物侵入等因素的影响， 会产生各种类型的故障，即使在安装、润滑和使用维护良好的情况下，经过一段时 间的运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而不能正常工作。滚动轴承故障诊断的方 法很多，包括振动信号分析法、油样分析法、噪声分析法等，它们各有特点。振动 分析法的优点有：可以检测运转中轴承的异常；具有检测轴承早期异常的能力；振 动信号发自滚动轴承本身，不需要特别的信号源；信号检测和处理方法比较简单。 因此，利用滚动轴承的随机振动信号对其工作状态进行诊断是目前最常用的方法。 基于振动分析的诊断方法是对轴承座上测得的振动信号，运用适当的信号处理方法 提取可能出现的故障特征信息，判断轴承故障。本论文分析的方法主要有时域参数 趋势分析、冲击脉冲分析和包络解调分析， 2 1 滚动轴承振动特征分析 2 1 1 滚动轴承的振动机理 滚动轴承是由内圈、外圈、滚动体和保持架四种元件组成的。通常，外圈装在 轴承座上；内圈与机械中传动轴的轴颈过盈配合联接，工作时随轴一起转动。在机 械运转时，由于轴承本身的结构特点、加上装配误差及运行过程中出现的故障等内 部因素，以及传动轴上其它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 1 表示。 广 i ! 内 i 都 ；因 ：索 i i i 图2 1 滚动轴承的振动机理 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 滚动轴承的固有振动频率 滚动轴承工作时，滚动体与内圈或外圈之间可能产生冲击，诱发滚动轴承振动， 当振动频率与轴承元件固有频率相等时振动加剧。固有频率仅取决于元件本身的材 料，形状和质量，与转速无关，可按下式计算【2 1 l ： 滚动体钢球的固有频率为： 厶一半一拷 ( 2 1 ) 厂vz p 式中： ，一钢球半径，肌； p 一材料密度，k z m3 ； e 一材料弹性模量，n l m2 。 滚动轴承套圈在圈平面内的固有频率： j，一鬟口。2 璧 仫2 ， 式中： 。j 一套圈截面绕中性轴的惯性矩，胁4 ； n 一回转轴线到中性轴的半径，小； m 一套圈单位长度的质量，k g m ； 一节点数； e 一材料的弹性模量，n l m2 。 当滚动轴承为钢材时，其内、外圈固有频率可用下式计算： f = 9 4 0 x 1 0 sx 矿h 舒 ( 2 _ 3 ) 式中： 日一圆环的厚度，肼朋； d 一圆环中性轴的直径，m m ； 一节点数。 轴承元件固有频率的范围大致在2 2 0 肼拓，人们往往利用此段频率作为诊断频 带，因为轴承元件的缺陷或其不规则表面在运转中产生的脉冲冲击能激发轴承某个 元件以其固有频率振动，从而使故障信号在此频带中得到放大，提高了故障信号的 6 华北电力大学硕士学位论文 信噪比。 ， 2 1 3 滚动轴承的故障缺陷频率 当内圈、外圈、滚动体出现点蚀等故障时，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： k 一篇( 1 _ 警) 4 ) 2 ) 内环缺陷： k ；盖( 1 + 警) 浯5 ) 3 ) 滚子缺陷： = 嚣( 1 一警) 一6 ， 4 ) 保持架缺陷： 岛= 嵩( 1 一警) 浯7 ) 式中： d 一滚动体直径，m m5 d 一轴承节径，m m ； 口一接触角； z 一滚动体数量； 一工作转速，r m i n 。 轴承出现故障后，振动频谱中会出现其特征频率的谱峰。但实际谱峰的频率并 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诊断故障。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。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 时域参数趋势分析 利用时域参数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。文献【2 2 】对有效值、 峰值、峭度和峰值因子的应用作了说明，指出时域分析方法比较简单，是简易诊断 的好方法。文献【2 3 】指出对于零件表面损伤类故障，用峰值判断比较敏感；对磨损 类故障，用均方根值比较有效；而峰值因子对两类故障都可以判断。文献f 2 4 】指出 特征参数法的优点在于仅有少数指标用于解释轴承的状态，结果分析简单方便。文 献【2 5 】指出当设备参数不全，无法计算特征频率时，在复杂工况时，频谱分析方法 不太适用的情况下，利用时域波形和峭度指标来初步判断设备是否存在故障是可信 的。文献 2 6 、2 7 采用振动加速度的趋势图判断滚动轴承所处的工作状态，能及时 发现故障隐患并及时排除。 在实际生产中，滚动轴承损坏后，一般直接采用更换新的轴承来排除故障。因 此，采用时域参数的简易诊断方法就可以满足日常设备维护的需要。有资料统计表 明，使用峭度和有效值共同监测滚动轴承振动情况，对判断滚动轴承故障的准确率 达9 5 以上【2 引。本文利用振动信号时域参数的趋势图对滚动轴承进行监测，既考虑 对早期故障的敏感性，又兼顾其稳定性，经验证能有效的预报轴承的早期故障，并 能反映故障的发展变化趋势。 2 2 1 常用时域参数指标 ( 1 ) 有效值( r m s ) 信号仇 ( i = i - n ，为采样点数) 的振幅瞬时值随着时间不断变化，作为表现 这种振动变化大小的方法广泛地使用有效值，其表达式为： x 懈i 瓣 ( 2 8 ) 滚动轴承振动信号的有效值反映了振动的能量大小，当轴承产生异常后，其振 动必然增大。因而可以用有效值作为轴承异常的判断标准。有效值是对时间的平均， 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。用有效值来表示故障特征不明显，对于这种形态的异常，可用峰值进 行判断。 ( 2 ) 峰值峰值因子 通常峰值是指振动波形的单峰最大值，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。由于它是一个时不稳 8 华北电力大学硕士学位论文 参数，不同的时刻变动很大。在机械故障诊断中，为提高峰值指标的稳定性，在一 个信号样本的总长中，找出绝对值最大的1 0 个数，用这1 0 个数的算术平均值作为 峰值x 脚。 峰值因子c ( c r e s tf a c t o r ) ： c 。墨丝 x 邮 ( 2 9 ) 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。 ( 3 ) 峭度 峭度k ( k u r t o s i s ) 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，反映振动信号中的冲击特征，是轴承振动信号进行时域处理 最常用的无量纲参数指标。定义如下： k 。趋沼k 。丝鱼：( 2 a v 嬲4 1 0 ) 振幅满足正态分布规律的无故障轴承，其峭度约为3 ，如果峭度接近4 或超过 4 ，则说明轴承的运动状况中存在冲击性振动。当轴承出现初期故障时，有效值变 化不大，但峭度已经明显增加，达到数十甚至上百，非常明显。它的优势在于能提 供早期的故障预报。当轴承故障进入晚期，由于剥落斑点充满整个滚道，峭度反而 下降，对晚期故障不适应。 ( 4 ) 其他时域参数 滚动轴承故障诊断中，常用的参数指标还有脉冲因子、裕度因子、波形因子等， 其表达式如下： 脉冲因子i ( i m p u l s ef a c t o r ) ： i 。2 避( 2 1 1 ) v 五卵 裕度因子l ( c l e a r a n c ef a c t o r ) ： l 。垒丝丝( 2 1 2 ) 工， 9 华北电力大学硕士学位论文 波形因子s ( s h a p ef a c t o r ) ： s 墨塑 x 脚 式中：x 盯- 专薹k i 即【二1 善m 侗】2 无量纲参数指标的i 城t 2 9 表2 1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较好一般 4裕度因子l 好一般 5峭度指标k 好好 ( 2 1 3 ) 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；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。 有效值、峰值、峰值因子、峭度、脉冲因子、裕度因子和波形因子是对滚动轴 承的振动信号进行时域统计分析最常用的参数指标。这些指标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；更重要的一点是这些指标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，对早期的故障有很好的诊断能力。 2 2 2 设备状态趋势分析 设备诊断的实质就是设备运行状态识别。工业现场有两类设备诊断模式：一类 是在线故障监测诊断系统；另一类是采用便携式仪器，对设备进行定期的巡检，记 录所测定的参数，根据时间历程的数据进行故障判断、劣化趋势分析，称为点巡检 华北电力大学硕士学位论文 制度。趋势分析属于预测技术，其目标是从过去和现在的已知情况出发，利用一定 技术手段，去分析设备的正常、异常和故障三种状态，推测故障的发展过程。设备 劣化趋势分析的作用有：检查设备状态是否处于控制范围以内；观测设备状态的变 化趋向或现实状况；预测设备状态发展到危险水平的时间；早期发现设备异常，及 时采取对策；及时找出有问题的设备( 提交精密诊断) 。 对滚动轴承的故障诊断一般采用第二种诊断模式，根据点巡检制度所获的记录 数据，计算各项时域参数，作出各参数指标的趋势曲线。由于峭度对轴承缺陷十分 敏感，不易受型号参数、转速、负荷、温度等影响，且其在正常状态下的标准直为 3 ，因而适合作为滚动轴承故障诊断趋势分析的一项指标。 峭度在滚动轴承的使用过程中表现出很强的规律性：轴承开始使用至稳定工作 期间，峭度保持在3 左右；轴承进入使用后期，峭度开始突然增大到达一定值，可 以认为此时轴承出现了初期故障，这时要对轴承进行严密监测，密切注意其变化； 之后，峭度会开始快速下降并接近正常值，而振动和噪声开始显著增大；振动超过 标准时，峭度也开始快速增大，超过正常值，可认为轴承已进入晚期故障，需及时 检修设备，更换滚动轴承【3 0 1 。 在趋势图中，即便总体的测量值都位于注意范围之内，也必须经常注意有无任 何特殊的趋势。设备正常状态下的测点值是中间多两端少，在标准线的上下均等， 并且随机分布。趋势图中连续出现在标准值某一侧的测点值构成链，连续出现在标 准值一侧测点值的个数为链的长度。根据丰田利夫的报告，利用“链 进行判断时， 可以有以下几种情况1 3 1 j ： 1 ) 测点值是否在标准值中心线的一侧连续出现，其判定式是： 当测点值的链在5 点以上时，需要注意； 当测点值的链在7 点以上视为异常。 2 ) 测点值是否偏向标准值中心线的一侧有数值偏多现象，其判定式是： 在连续的1 1 点中有1 0 点以上偏向标准值中心线的一侧时，视为异常； 在连续的2 0 点中有1 6 点以上偏向标准值中心线的一侧时，视为异常。 3 ) 测点值的链是否表示出时而上升，时而下降的倾向，其判定式是： 在连续的5 个点以上升降时，需要注意； 在连续的7 个点以上升降时，视为异常。 4 ) 测点值的链是否具有周期行变化，其判定式是需要注意周期长度和振幅变 化。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 时域参数趋势分析实现 图2 2 是使用的实验台。实验台由一可调速电动机通过皮带带动主轴旋转，轴 的另一端是轴承的位置，轴承箱上有加载弹簧。测点的布置如图2 3 所示，在轴承 座的正上方布置了一个振动测点。安装一激光传感器，以实现转速同步测量。利用 数据采集仪分别对正常、外圈故障、内圈故障和滚动体故障轴承分时段进行振动加 速度数据采集，将采集的振动波形数据上传至计算机进行数据分析。轴承参数：型 号n u 2 0 5 ，节圆直径e 3 8 5 m m ，滚动体直径d 一8 m m ，滚动体个数z 一1 2 ，接触 角口0 。 图2 2 实验台 图2 3 测点布置 1 2 轴承 位置 测点名嗣n u 奎c ；吝磐 图2 4 前面板 夔辫露? 暴甥翻，鞠c 援焘喂确，i 峰德 j一峰胤跫剽? 联砖固焉霪籀度唰7 波形酬 缀：磐二：鱼 6 1 58 0 60 6 42 6 94 2 36 5 28 6 51 5 4 。萎。j 6 1 58 0 80 1 60 7 14 4 26 2 07 6 51 4 0 瀛爱 6 1 89 3 40 t o3 2 b4 7 1 99 2 51 融 幽 6 1 89 o 2 l1 0 34 8 26 6 07 粥1 3 7 缀铡 6 2 19 7 7o 5 l2 6 15 7 1 08 鹄1 4 0 貔蒯 6 2 18 9 30 6 53 4 7 r 6 7 78 1 4 2 涨名黼丕簿鬻 图2 5 外圈故障轴承各时域参数 籀彩疆景黝，麟i燎徽：巍嗍黝熙躐? 腿瑚瑟瑚。溉蹶灌蒸嬲剽 貔；茏。l 72 7 4 28 6 55 7 0 96 6 01 7 2 43 4 8 42 6 1 纛霉i 72 5 9 27 4 6 9 56 衡1 5 2 6 3 0 0 72 4 4 缓影习 8 3 02 9 6 79 1 86 2 1 36 7 71 8 2 21 82 纛惑j 8 3 02 5 6 49 田6 3 5 46 4 31 6 3 3 8 32 鹃 豫露，i 9 1 0 2 5 9 85 2 l3 0 2 l5 1 1 4 r1 7 5 71 粥 二。6 ，嗣 9 1 0约7 44 4 92 9 1 36 4 81 3 8 42 2 6 62 1 3 斟磁缓戮溯戮骝绂翰翰驻碰隧籀翰翰隧趱蕊箍麟黼黼麓戮糊缀磁幽隧缓琵缴缓酗瞄麓幽燃魏磁缓期燃控 图2 6内圈故障轴承各时域参数 测点名 图2 7 滚动体故障轴承各时域参数 貅名猢觥 划；簇杰易昆翻属黝蕊蒸阙：溺踢黝溯搦翮灞潺黝攥麟劂满霪劂灞 麓蜊 6 1 5 2 9 80 1 40 4 l2 8 83 6 44 3 71 2 7 貔 ，蚕，i 6 1 5 3 0 20 1 40 4 12 3 8 l4 5 51 2 8 缨 j 3 一i6 2 l 3 0 3o 2 50 t o2 3 5 24 1 51 铂 缪 磁黝 6 2 12 馆o 帕o 5 22 7 33 3 1 2 4 溺 貔黝 8 2 42 9 7o 2 6o 7 72 9 l3 6 54 3 41 2 6 黝 8 2 t3 0 3 o 嚣o 8 32 3 7 34 4 0l2 5 瀚 缘黝 8 2 o 2 6o 7 1 2 7 53 4 4t 1 2 5 黝 8 3 0 6o 1 7o 4 7 2 8 23 田 4 3 0 1 镐 豹 麓翅 9 1 02 o o 2 9 23 明4 3 31 2 5 缆 鬟魈 9 l o3 o 3 3o 9 62 9 53 7 34 4 21 铂 葱茏测缓缀鳓黼磁缴黝缓磁缓缴溯缀翰黝缵豳翻嘲黝缓璇戮缓黝幽翰籀缓黼戮瀚麴疆黻 图2 8 正常轴承各时域参数 由图2 5 、2 6 、2 7 、2 8 可知：外圈故障轴承的各参数指标值偏小，但峭度指 标能明显的反映出故障，峰值因子比峰值能更明显的反映故障：内圈和滚动体故障 轴承的各参数指标都能直观的反映出故障。 1 0 9 峭度一 8 t 6 5 螺值因子 3 3 2 l j - j - h z l1 r 1 i o j ：e 图2 9 外圈故障轴承峭度、峰值因子、有效值趋势图 1 4 华北电力大学硕士学位论文 趋势圈 一 3 0 ， 一 lt一、 2 t s 、一r 2 s 趁s i t s l s 1 2 5 r 德值 1 0 _ ip ， 值因子 、 t s 、 3 2 一 j le 图2 1 0内圈故障轴承峭度、峰值因子、有效值趋势图 趋绷 4 5 一曹度 3 5 萏 2 0 1 5 1 0 峰值因子 5 ， 一 均方恨值：， 一 f 。 3 i 一 i 12： 4ee 趋势图 图2 1 1滚动体故障轴承峭度、峰值因子、有效值趋势图 3 s 一 3 鸣瘦 3 卜”p 一一q ! - _ 舞谚嚣。一、i = = “叶、 2 s 峰值因子 2 1 s l 0 5 均方提值 _ 十一 o l i j：3 ；6 1le1 1) 图2 1 2 正常轴承峭度、峰值因子、有效值趋势图 由图2 - 9 、2 1 0 、2 1 1 、2 1 2 可知：正常轴承的峭度、峰值因子约为3 ，有效值 很小；故障轴承的峭度和峰值因子都远大于3 ，有效值也有明显的增加。 华北电力大学硕士学位论文 峭度对轴承缺陷敏感，不易受型号参数、转速、负荷、温度等的影响，综合运 用峭度、峰值因子和有效值进行监测分析，能可靠的反映滚动轴承工作状态。滚动 轴承正常工作期间，峭度值约为3 ；在轴承出现初期故障时，峭度突然增大，之后 又快速下降；轴承进入晚期故障时，峭度快速增大，并远超过正常值。利用趋势分 析曲线可以推测故障的发展过程，及时发现早期故障，采取对策；预测轴承发展到 危险水平的时间，检修设备，更换轴承。 2 3 冲击脉冲分析 滚动轴承振动信号的冲击脉冲法是把冲击信号从原始振动信号中提取出来，根 据冲击信号的幅值来判断轴承的损坏情况。轴承故障时所产生的冲击脉冲信号会激 起谐振体( 轴承或传感器检测系统) 的共振，共振的高频波包含了低频冲击和随机 干扰的幅值调制波，经过窄带滤波和包络检波后的信号幅值大小就反映了冲击力的 大小，也就反映了滚动轴承工作表面的故障状况。 2 3 1 冲击脉冲法基本原理 冲击脉冲的理论依据：在一个滚动轴承内，当内圈、外圈或滚动体损伤时，在 其受载相接触时要产生冲击，该冲击在轴承内外圈滚道上产生压力波，并且以不连 续的冲击脉冲波形式传递到轴承座上。在这个冲击力作用下，轴承元件或结构的某 一部分的固有频率可能被激发。尽管冲击脉冲的重复率远低于轴承的固有频率，但 只要这个冲击产生的高阶频率落在轴承固有频率的通带内，也会激起轴承系统的共 振现象。冲击脉冲法正是通过检测冲击点处的冲击波幅值来判断轴承内滚动体与滚 道间的碰撞程度，从而有效识别出轴承的工作状态与故障类型【3 1 1 。 轴承的冲击振动激起其固有频率的减幅振荡，经轴承座传播到加速度传感器 上，这个振动的幅度与轴承故障的严重程度成正比。对此加速度信号进行采集，经 过带通滤波器，滤除轴承附近的中低频的机械干扰，只让反映冲击脉冲振动的高频 成分通过，其高频信号经过可调衰减器和放大器，再经包络检波得到解调后的信号， 对此信号进行分析处理，最终显示出冲击脉冲值来确定轴承的运行状态。 采用冲击脉冲诊断滚动轴承，只能判明其总体的状态，不可确定其中哪个元件 损坏，这在生产现场设备中已经足够，因为对于滚动轴承来说只要其中任何一个元 件损坏，都得进行总体更换，无需将故障定位到某个元件。 2 3 2 滚动轴承的评定参数 冲击脉冲技术中用的参数与冲击值衄，包含一个初始值叫背景分贝值皿。 背景分贝由轴承内径和转速确定，它相当于一个没有任何损伤的良好轴承所具有的 1 6 华北电力大学硕士学位论文 冲击值，该值是从大量新轴承试验中所取得的平均值。 r i b , 一2 0 ( 1 9 n4 - 0 6 1 9 d 一1 9 2 1 5 0 ) ( 2 1 4 ) 轴承工作状态好坏的冲击值是慨y 和d b , 之间的相对差值，称为标准分贝d b ， 三者之间的关系是：碱i l l 枥0 一蛾 冲击脉冲法是根据标准分贝皿来评判的，评判标准如图2 1 3 所示： 底部灰色区域卜2 0 衄：滚动轴承处于正常良好状态。 中间白色区域2 0 - - 3 5 d b ：滚动轴承己出现轻微的失效或表示滚动轴承有降低 工作状态的趋势存在。 顶部黑色区域3 5 - - 6 0 d b ：滚动轴承已出现较重或严重缺陷。 2 4 包络解调分析 图2 - 1 3 冲击脉冲的评判标准 2 4 1 包络解调的基本原理 包络解调分析法综合利用信号包络检波和频谱分析，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 1 7 熬瓣 华北电力大学硕士学位论文 调法是最实用的一种方法，其具体原理如图2 - 1 4 所示【3 2 】： 轴承振动信号 频谱分析 数字带通滤波 低频包络信号 图2 - 1 4 包络解调原理图 高频振动 包络检波 如图2 一1 4 所示：由于信号的低频分量被滤除，仅剩下被调制的高频分量，因 此包络解调法可以有效地排除各种低频分量的干扰，而带通滤波是包络解调的关 键，能否将包含缺陷的固有振动分离出来十分重要。 2 4 2 希尔伯特( h i 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 ) 的希尔伯特变换x h ( t ) 定义为： 啪m k ) 】一妻磬( t ) 丢( 2 - 1 5 ) 瓦j 。l tm x h ( t ) 可以看成是z 1 0 f ) 通过滤波器的输出，该滤波器的单位冲击响应为h ( t ) 一枷 z 的解析信号为： g o ) 一z 0 ) + 玩1 9 f ) ( 2 1 6 ) g o ) 的幅值彳o ) 和相位m o ) 的表达式为 g ( t ) 一a ( t ) e 弦( f ) ( 2 1 7 ) 式中： 彳o ) 一x 2 0 ) + o ) 喇- t a n 以吲 幅值彳o ) 就是信号z ( f ) 的包络信号，这样经过希尔伯特变换检波，除去高频的 振动分量，然后用含有缺陷激振分量的a ( 0 代替原始信号x ( 0 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 1 8 伯特变换检波后 频的激振频率， 2 5 本章小结 本章主要介 分析做了简单说明。时域参数趋势分析主要是用来预测轴承状态的发展趋势；冲击 脉冲主要用于滚动轴承的早期故障诊断；包络解调主要用来对滚动轴承进行精密诊 断，判断轴承的故障部位。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 第三章滚动轴承故障巡检系统实现 3 1 系统基本思路 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，轴承故障诊断就要通过对能够反映轴承 工作状态的信号进行观测、分