（机械电子工程专业论文）基于dsp的滚动轴承故障诊断系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在机械设备中滚动轴承是最常见的机械部件之一，它的运转状态直接影响到整台机 器的运行，因此对滚动轴承进行状态监测和故障诊断就显得格外重要和具有意义。 在国内的企业中，对价格昂贵的大型机械设备往往采用在线式状态监测系统进行实 时的状态监测，而在线式设备故障诊断系统因其昂贵的造价，安装和维护地不便而不适 用于中小型设备故障检测与诊断。针对这种情况研制一种离线式故障诊断设备就具有重 要的应用价值。 本论文研究的对象是滚动轴承，论文从滚动轴承的结构入手，分析了轴承产生故障 的机理，讨论了轴承故障的基本形式及其检测方法，介绍了滚动轴承各部件固有频率和 故障特征频率的计算方法。详细介绍了共振解调器的设计方法，给出了电路设计的原理 图，完成了基于d s p 的硬件电路设计和系统搭建，设计了系统运行的软件代码。 共振解调技术是一种对低频冲击所激起的高频共振波进行包络检波和低通滤波，获 得一个相对于低频冲击放大并展宽了的共振解调波，并通过对此共振解调波的幅值和频 谱分析来判断故障类型和量值的方法，按照其实现的方法可分为硬件共振解调和软件共 振解调。本文采用基于硬件的共振解调技术为理论依据对滚动轴承的故障进行分析和判 断。前端内置i c 加速度传感器采集的振动信号，通过前端的调理模块进行信号放大， 通过共振解调器进行带通滤波、包络检波和低通滤波等一系列的硬件信号处理方法后进 入a d 进行模数转换，最后进入d s p 进行快速傅里叶变换( f f t ) 运算，以便进行频谱分 析。通过对f f t 运算后的数据进行分析就可以很清楚、容易地判断出故障，找出出现故 障部件，进而达到滚动轴承故障诊断的目的。 通过实验证明该系统可以有效地提取故障信号，准确地判断出滚动轴承故障以及出 现故障的具体部位，能够满足设计之初制定的设计要求。 关键词：滚动轴承；故障诊断；共振解调；d s p 基于d s p 的滚动轴承故障诊断系统研究 r e s e a r c ho nf a u l td i a g n o s i ss y s t e mo f r o l l i n gb e a r i n gb a s e d o nd s p 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 a m i l i a rc o m p o n e n t si nt h em a c h i n ee q u i p m e n t s ，i t s o p e r a t i o ns t a t ei n f l u e n c e st h ew h o l er t m n i n go ft h em a c h i n ed i r e c t l y t h e r e f o r e ，c a r r y i n go n t h ec o n d i t i o nm o n i t o ra n df a u l td i a g n o s i sf o rr o l l i n gb e a r i n g sa r es e e m e dt ob ep a r t i c u l a r l y i m p o r t a n ta n dm e a n i n g f u l t ot h ee x p e n s i v el a r g em a c h i n ee q u i p m e n t s ，t h ed o m e s t i ce n t e r p r i s eu s u a l l ya d o p t st h e o n - l i n ec o n d i t i o nm o n i t o rs y s t e mt oc a r r yo i lt h er e a l - t i m ec o n d i t i o nm o n i t o r b u tt h eo n - l i n e f a u l td i a g n o s i ss y s t e md o e s n ta p p l yt ot h em e d i u ma n ds m a l le q u i p m e m sb e c a u s eo fi t s e x p e n s i v ec o s ta n df u s s yi n s t a l l a t i o n i nt h ev i e wo ft h i sc o n d i t i o nt od e v e l o p i n gak i n do f o f f - l i n ef a u l td i a g n o s i se q u i p m e mw i l lh a v ei t sa p p l i e di m p o r t a n c e 。 t h em s e a r c h i n go b j e c to ft h i st h e s i sa r e r o l l i n gb e a r i n g s a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo f t h er o l l i n gb e a r i n g s ，t h em e c h a n i s mo ft h ef a u l ti sa n a l y z e d ，t h eb a s i cm o d a l i t yo ft h ef a u l t a n di t sm o n i t o r i n gm e t h o da r ed i s c u s s e d ，a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h en a t u r a lf r e q u e n c y a n dt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yo fe a c hp a r t sa r ei n t r o d u c e d i nt h et h e s i s ，t h ed e s i g no f t h er e s o n a n c ed e m o d u l a t o ri sa l s oi n t r o d u c e di nd e t a i l t h es c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a mi sg i v e n , t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dt h es y s t e mw h i c hb a s e do nt h ed s pa r ec o m p l e t e d ，a n dt h e s o f t w a r ec o d eo ft h es y s t e mi sc o m p i l e d r e s o n a n c ed e m o d u l a t i o ni sak i n do ft e c h n i q u et h a tt h eh i 幽f r e q u e n c yr e s o n a n c ew a v e w h i c hi sa c t i v i z e db yl o wf r e q u e n c yi m p a c ts h o u l db ee n v e l o p e d e m o d u l a t e da n dl o w - p a s s f i l t e r e d ，a n dw o u l dj u d g et h et y p ea n dv a l u eo ff a u l tb yt h ea n a l y s e so fa m p l i t u d ea n d f r e q u e n c ys p e c t r u mt h a tf r o mt h er e s o n a n c ed e m o d u l a t i o nw a v ew h i c hi sm o r ea m p l i a t i v e t h a nt h el o wf r e q u e n c yi m p a c t r e s o n a n c ed e m o d u l a t i o nc a r lb ed i v i d e di n t ot h eh a r d w a r e r e s o n a n c ed e m o d u l a t i o na n ds o f t w a r er e s o n a n c ed e m o d u l a t i o na c c o r d i n gt ot h er e a l i z e d m e t h o d t h i st h e s i sa d o p t sr e s o n a n c ed e m o d u l a t i o nt e c h n i q u et h a tb a s e do nh a r d w a r ef o rt h e t h e o r i e sb a s i st oa n a l y s e sa n dj u d g et h ef a u l to fr o l l i n gb e a r i n g s t h ev i b r a t i o ns i g n a lt h a t c o l l e c t e db yt h ei ca c c e l e r a t i o ns e n s o rw o u l dg e tt h o u g has e r i e so fh a r d w a r es i g n a l p r o c e s s i n gm e t h o d ，s u c ha ss i g n a la m p l i f i c a t i o n ，b a n d p a s sf i l t e r , e n v e l o p ed e m o d u l a t i o na n d l o w - p a s sf i l t e rt h a tm a d eb yr e s o n a n c ed e m o d u l a t o r ，t h e ne n t e r i n gt h ea dt oc a r r yo na a n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o n ，f i n a l l ye n t e r i n gt h ed s pt oe a r l yo nt h ef f to p e r a t i o n a c c o r d i n g t ot h ed a t at h a t a n a l y z e da f t e rf f to p e r a t i o n ，a d j u s t i n gt h ef a u l ta n df i n d i n gt h ef a u l t c o m p o n e n t sw i l lb e c o m ec l e a ra n de a s y ，t h e na t t a i n i n gt ot h ep u r p o s eo fd i a g n o s i n gt h ef a u l t o fr o l l i n gb e a r i n g s 大连理工大学硕士学位论文 t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h es y s t e mc a l ld r a wt h ef a u l ts i g n a l sa v a i l a b l y ，a d j u s tt h e f a u l ta n dt h ef a u l t sc o n c r e t ep l a c eo ft h er o l l i n gb e a r i n g se x a c t l y ，a n dt h es y s t e mc a ns a t i s f y t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t st h a tf r a m e da tt h eb e g i n n 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 ；r e s o n a n c ed e m o d u l a t i o n ；d s p 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：基王望墨旦鲍速边垫丞这睦途逝丕统盟窒 作者签名： 薹配 日期： 逐年垒月当日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 轴承故障诊断技术的目的和意义 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，它的运行状态是否正 常往往直接影响到整台机器的性能( 包括精度、可靠性及寿命等) 。据统计，在使用滚动 轴承的旋转机械中，由于滚动轴承损坏而引起的故障约占3 0 【l 】。 与别的机械零部件相比，滚动轴承有一个很大的特点，这就是其寿命离散性很大， 即用同样的材料，同样的加工工艺，同样的生产设备，同样的工人加工出一批轴承，其 寿命相差很大。由于轴承的这个特点，在实际使用中就出现这样种情况，即有的轴承 已大大超过设计寿命而依然完好地工作，而有的轴承远未达到设计寿命就出现各种故 障。所以，如果按照设计寿命对轴承进行定期维修，一方面，会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 轴承或者坚持到定期维修时拆下来报废，使得机器在轴承出现故障后和拆下前这段时间 内工作精度下降，或者未到维修时间就出现严重故障，导致整个机器出现严重事故。 由此看来，对重要用途的轴承来说定时维修是很不科学的，要进行工况监视与故障 诊断，改传统的定时维修为视情维修或预知维修，这不但可以防止机械工作精度下降， 减少或杜绝事故发生，而且可以最大限度地发挥轴承的工作潜力，节约开支，具有重要 意义【2 1 。 1 2 轴承故障诊断的研究现状和发展趋势 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 察到轴承刚发生的疲劳剥落与损伤部位，但受主观因素的影响较大。真正意义上的滚动 轴承的监测与诊断开始于2 0 世纪6 0 年代i 引，人们用振动位移、速度或加速度的均方根 值或峰值来判断轴承有无故障，这样减少了对人为经验的依赖。如6 0 年代瑞典一公司 发明了冲击脉冲计( s h o c kp u l s em e t e r ) m e p a 1 0 a 、s p m - 4 3 a ；7 0 年代日本新日铁株式 会社研制了m c v 0 2 1 a 机器检测仪；8 0 年代日本精工公司( n s k ) 研制的轴承监视仪 n b 一1 ，n b 一2 ，n b 一3 ，n b 一4 型。几十年来，故障诊断技术不断吸收各门科学技术发展的 新成果，诊断的理论与应用有了很大的发展和进步，它涉及系统论、控制论、信息论、 检测与估计理论、计算机科学等多方面的内容，成为集许多相关专业学科于一体的新兴 交叉学科。如g k c h a t u r v e d ia n dd w t h o m a s 利用自适应降噪技术( a n c ) 使得统计分 析及谱分析对滚动轴承的故障诊断更加有效【4 j 。j p d r o n 等利用时序分析建立了高分辨 基于d s p 的滚动轴承故障诊断系统研究 率的滚动轴承故障监测方法【5 】。d h o 与r b r a n d a l l 将a n c 技术与包络分析相结合，大 大降低了噪音影响，更加有效地提取出轴承故障特征信号【6 】。 采用什么样的测试手段或方法会直接影响到对设备好坏的评估。在针对滚动轴承故 障诊断技术主要有振动检测技术、铁谱诊断技术、声学诊断技术、温度诊断技术、油膜 电阻诊断技术、光纤检测诊断技术等。目前这几种方法中应用最广泛的是振动测试法。 它利用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( 速度型或加速度型) 来接 收，通过对振动信号的分析就可以实现对滚动轴承运行状态的监测与诊断。 我国工业企业的设备诊断技术自1 9 8 3 年起步，初期主要应用于石化、冶金及电力 等行业，进入2 0 世纪9 0 年代后，迅速渗透到国民经济的各个主要行业。国内的设备故 障诊断技术开发研制单位通过努力研制出一系列国产的冲击脉冲仪器，其中有c m j 1 0 电脑冲击脉冲计；b t 2 0 0 0 智能轴承故障测试仪；b a 2 0 1 0 智能轴承故障分析仪，并已在 国内各行业中广泛应用【。 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 系统是最近2 0 年的主要潮流。例如，文献【8 】介绍对感应电动机轴承进行工况监视与故 障诊断的微机系统，在工作现场的各个轴承座处适当方位布置压电加速度计和电荷放大 器，然后通过长达5 0 0 m 的低噪声同轴电缆把轴承振动信号送往远离现场的中心监控室， 由微机对每个测点的情况巡回监测，若发现某测点有问题，自动转入诊断阶段，根据数 据分析与处理结果判断轴承到底有无故障以及故障的类型和部位，当故障在允许的程度 之内时轴承继续运行，微机继续监视，到达一定严重程度时由微机发出信号停机 2 1 。 目前在轴承故障诊断中应用的时频分析方法主要有短时傅立叶变换( s h o r t t i m e f o u r i e rt r a n s f o m ，s t f t ) 、w i g n e r v i l l e 分布、小波变换( w a v e l e tt r a n s f o m l ，w n 等等。 近年来，又有研究者把一些自适应时频分析方法引进轴承故障诊断领域，例如自适应 s t f t ，经验模态分解( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，e m d ) 等等t 弘1 0 】。 现代人工智能的应用，更是发展了诸如神经网络、专家系统、支持向量机( s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ，s v m ) 等识别方法。随着智能技术的不断发展，轴承智能监测和轴承故 障的智能诊断，将是轴承故障诊断最终目标。 1 3共振解调技术在轴承故障诊断中应用的现状 共振解调技术在有的文献中也称高频共振法或包络分析法，但其基本原理都是一样 的【l 。由于滚动轴承发生的点蚀、断裂等故障都是以冲击形式出现的，冲击持续时间较 短，其能量频率发散，落在轴承正常频率范围内的分量则更加微小，无法与能量较大并 大连理工大学硕士学位论文 集中于低频域的振动分量相比。研究证明：轴承中一个幅值为a 的低频冲击，其一阶频 谱的幅值通常只有a 4 0 0 0 0 ，在振动分析中将被正常振动分量所淹没【1 2 1 ，因此直接对振 动故障冲击信号进行频谱分析难以达到轴承故障诊断的效果。 传统的振动分析技术是直接对振动信号作f f t 分析，得到“振动频谱 ，该频谱中 含有机器转子不平衡、支承对中不良等因素引起的低频振动的多阶频谱、齿轮啮合频率 振动的多阶频谱以及轴承损伤引起故障冲击的若干阶频谱，其中前2 种因素的谱线非常 强大，从中难以识别轴承故障冲击的谱线。 共振解调技术是对低频冲击所激起的高频( 比冲击频率高数十倍) 共振波形进行包络 检波( 即解调) 和低通滤波，获得一个相对于低频冲击放大并展宽了的共振解调波，并通 过对此共振解调波的幅值和频谱分析，判定故障类型和量值。按照实现的手段的不同可 分为用软件实现的共振解调和用硬件实现的共振解调。 从2 0 世纪8 0 年代初期至今，有关学者分别对这2 种分析方法进行了广泛研究和应 用【1 3 1 。随着微机技术的发展和进步，现在共振解调技术和专家系统、人工神经网络等智 能诊断方法进行融合，并逐步的完整和优化( 如：自适应共振解调技术) ，已经能够适应 大多数工况条件下的监测和诊断任务。 1 4 本文的主要研究内容 本文主要从大连理工大学机械工程学院振动工程研究所的实际的项目需求出发，有 机的把实际应用和科学理论相结合，利用d s p 和共振解调技术研制滚动轴承故障诊断 系统，其主要内容安排如下： ( 1 ) 利用硬件实现共振解调技术 设计出高q 值和高中心频率的带通滤波器、包络检波器以及抗混频滤波器，与前端 信号调理模块相结合构成完整的振动信号前端处理系统，并进行实验测试。 ( 2 ) 利用数字信号处理器( d s p ) 完成信号后端处理系统的构架 本文采用t i 公司生产的t m s 3 2 0 系列的d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 作为整个系统的 核心部件，依据d s p 系统所要完成的功能，构架d s p 系统。针对d s p 芯片片上提供的 资源难以满足系统需要以及日后功能模块扩展的问题，外扩了存储器以及通用异步接收 发送装置( u a r t ) 。 ( 3 ) 编写后端信号处理系统的软件代码 针对基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的硬件电路构架编写后端的信号处理系统软件代码。振动 模拟信号经过共振解调处理后，经过模数转换得到数字信号，再对其进行频域分析，提 取特征值，并能够通过特征值判断出轴承是否出现故障，以及是哪个部件出现了故障。 基于d s p 的滚动轴承故障诊断系统研究 ( 4 ) 数据通信 根据所选的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 芯片及扩展的u a r t 芯片，设计其与上位机的数据通讯 程序，上位机中设计相应的数据接收存储模块，d s p 通过u a r t 可以把测得的振动数 据上传到上位机里来进行进一步的故障分析。 ( 5 ) 系统集成 将上面设计的各种功能模块有机的结合在一起，构成一个完整的滚动轴承故障诊断 系统，使其能完成测试诊断的基本功能。 大连理工大学硕士学位论文 2 滚动轴承故障特征分析及检测诊断方法 滚动轴承是旋转机械中应用最为广泛的机械零件，也是最易损坏的元部件之一。旋 转机械的许多故障都与滚动轴承有关，轴承性能与工况的好坏直接影响到与之相关联的 轴以及安装在转轴上的齿轮乃至整台机器设备的性能，其缺陷会导致设备产生异常振动 和噪声，甚至造成设备损坏。因此，开展对轴承的故障诊断具有很现实的意义。 根据其工作原理的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。由于在生产实际 中，滚动轴承应用较广泛，所以在本文中我们只讨论滚动轴承的故障诊断。 2 1 滚动轴承的基本结构及故障机理 2 1 1 滚动轴承的结构 滚动轴承是由内环、外环、滚动体和保持架四种元件组成，如图2 1 所示【1 4 】。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。 i 仅 r 丫 图2 1 滚动轴承的结构 f i g 2 i t h es t r u c t u r eo f r o l l i n g b e a r i n g s 基于d s p 的滚动轴承故障诊断系统研究 2 1 2 滚动轴承的故障机理 机理研究一般从动力学的角度出发，研究故障的原因和发展，以掌握故障的本质特 征。故障机理的研究是设备状态监测与故障诊断的基础。机理研究内容包括机械动态特 性、状态效应、故障动力学特征以及故障的行为过程，零部件故障机理、系统故障机理、 多故障的综合效应、机械的振动性质、摩擦磨损特性、流体振动特性、随机故障特性及 症兆、切削颤振机理、疲劳过程特性、性能劣化机理等。国内外广大学者己对转子一轴 承系统、滚动轴承、齿轮、机床及机械制造过程的典型故障机理进行了大量的理论和实 验研究，得出了许多重要的结论，有效地指导了机器的监测与诊断【1 5 1 。美国b e n t l yn e v a d a 公司的转炉动力学研究所对转子和轴承系统典型故障机理进行了大量实验研究。 在机械运转时，由于滚动轴承本身的结构特点、加工装配误差和运行过程中出现的 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，当传动轴以 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 2 表示。实际诊断中，通过布置在轴承座或外 环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滚动轴承系统的综合 振动。如何从综合振动中把轴承故障引起的振动信号提取出来，从而有效地诊断出轴承 的故障，这是滚动轴承故障诊断技术的关键所在。为了能够有效地把故障特征从综合振 动中提取出来，这就需要研究滚动轴承故障引起振动信号的特征。 图2 2 滚动轴承振动产生原理 f i g 2 2 t h ev i b r a t i o np r i n c i p l eo fr o l l i n gb e a r i n g s 2 2 滚动轴承故障的基本形式和检测方法 2 2 1滚动轴承故障的基本形式 滚动轴承损伤和破坏的形式主要有如下几种【1 6 1 ： ( 1 ) 磨损 大连理工大学硕士学位论文 磨损是滚动轴承最常见的一种失效形式。由于磨料的存在、轴承内进入异物或润滑 不良等，都会使滚动轴承滚道、滚动体、保持架及轴颈表面发生磨损。 ( 2 ) 疲劳 疲劳失效常表现为滚动体或滚道表面产生剥落或脱皮。初期在表面形成不规则的凹 坑，然后逐渐伸成片。造成疲劳的主要原因是疲劳应力，有时由于装配不当或润滑不良 也会引起剥落或脱皮。 ( 3 ) 断裂 轴承零件的破裂或裂纹主要是由磨削、热处理、载荷过大、转速太高、润滑不良、 装配不当等引起。 ( 4 ) 腐蚀 轴承零件腐蚀后表面常出现凹坑、麻点、红色或黑色绣斑等。腐蚀的原因有：润滑 油、水分或湿气的化学腐蚀；电火花而形成的点腐蚀；轴承套圈在轴孔中或轴径上因微 小相对运动而造成的微振腐蚀。 ( 5 ) 压痕 压痕就是在滚道和滚动体表面产生局部变形而出现的凹坑。它通常是由于过载、冲 击或金属粉末等异物落入滚道而形成。 ( 6 ) 胶合 胶合是指滚道和滚动体表面由于受热而局部熔合在起的现象。它通常发生在高 速、高温、润滑不良、起动加速度过大、旋转速度过快、滚道表面不平行等情况。 2 2 2 滚动轴承故障的检测方法 滚动轴承虽然结构简单，但是损伤形态却是多种多样，振动信号的频带非常宽广， 大量机器的噪声使一般检测装置很难直接找出它的故障特征频率。因此，近年来研究了 多种轴承异常状态的检测诊断方法，以便早期发现问题，及早采取措施，防止发生严重 的机器故障【1 7 】。 检测滚动轴承的各种损伤现象，目前使用的主要方法有： ( 1 ) 根据轴承的振动和声音检测： ( 2 ) 根据轴承的温度或润滑油的温度检测； ( 3 ) 根据轴承的磨损颗粒检测； ( 4 ) 根据轴承的间隙变化检测； ( 5 ) 根据轴承中的油膜电阻变化检测。 基于d s p 的滚动轴承故障诊断系统研究 表2 1 滚动轴承的故障形式和检测方法 t a b 2 1t h em o d a l i t yo ft h er o l l i n gb e a r i n gf a u l ta n di t sm o n i t o r i n gm e t h o d 毒 振动和声音温度磨损颗粒轴承间隙油膜电阻 故障形式 剥落o o 裂纹o 压痕o 磨损oooo 腐蚀o ooo 污斑ooo 烧伤oo o 生锈 o 可否在转动中测定可以可以小j 以不j 以可以 注：检测方法的适用性：o 一有效；有可能性；一不适用。 图2 3 几种诊断技术的灵敏度比较 f i g 2 3 t h ec o m p a r eo fs e v e r a ld i a g n o s t i ct e c h n i q u e s s e n s i t i v i t ya n dr e s o l u t i o n 8 一 大连理工大学硕士学位论文 除了上述5 种检测方法之外，近年来也有研究利用声发射信号检测滚动轴承的早期 故障。由于声发射的检测频率很高，它可以避开低频振源和噪声的干扰，因此在提高信 噪比方面具有一定优点。但是现阶段利用声发射技术诊断轴承故障的实际应用尚不多 见。 由表2 1 可见利用检测振动和声音的办法可以有效的检测出轴承的各种故障形式， 其中的振动分析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状态与故障的。早期故障使得轴承在运行过 程中产生异常的振动，基于振动的检测和诊断技术能够实现滚动轴承的早期诊断，是当 前研究和应用最广的诊断方法，由图2 3 1 1 8 】也可以看出采用振动分析法可以在轴承故障 初期就能对故障进行准确的判断，可见振动分析法与其他的诊断方法相比有其不可替代 的优势。本文采用的故障诊断方法也是一种基于振动信号处理的诊断方法。 2 3 滚动轴承的振动类型和故障特征分析 2 3 1滚动轴承的振动类型 滚动轴承在运转过程中，除正常功能运动以外的其他一切偏离理论位置的运动称为 滚动轴承振动【1 9 1 。 滚动轴承振动按振动方向可分为三种类型： ( 1 ) 径向振动：指在轴承套圈径向平面内的振动； ( 2 ) 轴向振动：指沿轴承轴线方向的振动； ( 3 ) 角向振动：指套圈径向平面相对于直径的摆动。 滚动轴承振动按产生机理可分为以下三种类型： ( 1 ) 轴承结构的固有振动主要有三种：一是把外环看作是弹性体引起的固有振动； 二是把外环看作是刚体引起的固有振动；三是把钢球看作是刚体的固有振动。 ( 2 ) 强迫振动是指当轴承运转时滚动体周期通过负荷作用线引起的振动，以及由于 轴承零件制造误差引起的振动。 ( 3 ) 冲击振动套圈滚道表面或滚动体表面上存在划痕、毛刺、锈斑、点蚀、剥落、 凹坑等缺陷或有灰尘等存在时，会激励起轴承脉冲型振动。脉冲的周期和转速成反比， 振幅和缺陷的尺寸大小有关。 滚动轴承的振动往往是以上各类振动共同作用的结果。关于这类故障信号，国内外 都做了大量的研究，按照滚动轴承失效原因和振动信号的特征不同主要分为两类故障： 一类称为表面损伤类故障，包括点蚀、剥落、擦伤等；另一类称为磨损类故障。 基于d s p 的滚动轴承故障诊断系统研究 ( 1 ) 表面损伤类故障滚动轴承在运转时，由于轴的旋转，滚动体便在内、外环之间 滚动。如果滚动表面发生损伤，滚动体在这些表面转动时，便产生一交变的激振力。由 于滚动表面的损伤形状是无规则的，所以激振力产生的振动，将是由多种频率成分组成 的随机振动。研究表明表面损伤类故障产生的最终振动频谱是由轴承滚动表面损伤的形 态和轴的转速以及外壳来共同决定的。通常，轴的旋转速度越高，损伤越严重，其振动 的频率越高，轴承的尺寸越小，其固有频率越高。因此，轴承异常所产生的振动，对所 有的轴承都没有一个共同的特定频率：即使对一个特定的轴承，当产生异常时，也不会 只产生单一频率的振动【1 9 1 。 ( 2 ) 磨损类故障一般正常使用情况下，滚动轴承工作表面磨损经历时间较长，是一 种渐变性故障。正常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。但磨损后振动信号的幅值明显高于正常轴承，这是 磨损类故障引起的振动信号的基本特点。 2 3 2 滚动轴承的固有振动频率和故障特征频率 ( 1 ) 滚动轴承的固有振动频率 滚动轴承造成的振动分为正常振动和异常振动两大类。正常振动与轴承的弹性特性 有关，如，轴承在运转时，滚动体与内环或外环之间可能产生冲击而诱发轴承元件的振 动。异常振动与轴承滚动表面的状况相关，如，当内环、外环、滚子出现点蚀等表面损 伤类故障时，损伤点滚过轴承元件表面时会产生一定频率的冲击力，此冲击力为一宽带 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，从而形成冲击振动。由 于正常振动引起的振动频率我们称之为固有振动频率，它仅取决于元件本身的材料、形 状和质量，与轴的转速无关【2 0 】。 滚动体钢球引起的固有频率为： 五：坐、尝 ( 2 1 )，6 = ，f _( = z j j r 、p 其中厂为钢球的半径( 朋) ，p 为材料密度( ，) ，e 为钢球的弹性模量( z ) 。 内外环的引起的固有频率为： 厶：9 4 0 1 0 5 i h _ 7 n ( n 亍 - 1 ) ( 2 2 ) 以+ 1 其中，h 为圆环的厚度( m m ) ，d 为圆环中性轴的直径( 脚) ，2 为节点数。 如图2 4 所示即为某轴承正常振动得到的时域波形图： 人连理t 大学硕士学侍论文 v i b n ( 1 6 3 8 4 x lr e a l f s = 6 5 5 3 6 ) 图2 4 滚动轴承止常振动信号时域波形 f i g2 4 v i b r a t i o ns i g n a l t i m ed o m a i n w a v e f o r mo f n o r m a lr o l l i n g b e a t i n g s 滚动轴承表面损伤引起的故障特征频率一般在l k h z 以下，它是滚动轴承故障的重 要信息之。在进行故障检测时可以把轴承产生故障时的低频振动从复杂的高频固有振 动中分离m 来，以计算其故障特征频率，从而确定轴承故障发生的部位。 ( 2 ) 滚动轴承的故障特征频率 当内环、外环、滚动体出现表面损伤类赦障时，会产生健特征频率的冲击，而引 起轴承振动，机器运行会出现捌期性脉冲。这种周期性脉冲作用时问短、形状陡峭。根 据轴承产生缺陷部件的不同，滚动轴承的缺陷特征频率为： 外环缺陷： ，。= ；正( 1 一告c o s aj ( 23 ) 内环缺陷： ，= ；正【1 + 面dc 。s a 】 ( 24 ) 滚动体缺陷 保持架不平衡 = 万d f 一了d2 一】“ = ；厶( 1 + 吾c 。s 卢( 碰内环) = i 1 一；c 。s a ) 产( 础州、) ( 25 ) ( 2 6 ) ( 27 ) ljllll州11_ 一i恤 一二mi mm- 一i业|i一 一i忆ff 一 一m 一 一_ 一 一iu 一 一“川 一 一恤僵m 一 一d! 一 rmj l 一j 一 一，j_ 一 一1i_ 一h删一一 一，昕? 一 - 岫胛 _ 1 一liun 一 一i叩一 一f舢哪 一 一胛一 1呲幽哪-1 一呲w 一 一1jm町一丽 基于d s p 的滚动轴承故障跨断系统研究 式中，d 为滚动体直径，d 为轴承节圆直径，a 为接触角，z 为滚动体数最，f 为 吲转频率。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。但台= 实际巾， 谱峰的频率并小总是精确地等于理论计算值。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、轴承安装后变形1 造成的。所以在频谱图上寻找各特征 频牢时，需在计算的频率值的上下找其近似的值米做诊断判断。另外，上面各特征频率 的计算公式都是以一个剥落坑与一个滚动体接触为月口提的。所以在实际廊用叫，在卜述 计算公式上还得乘上滚动体数z 。此外，随着故障程度的增加，经常还会出现些以特 征频率为主频，以轴频为差值的调制边频现象，而当内环、外环和滚子同时出现故障时， 由频谱分析明确诊断故障比较困难口。 本论文轴承故障实验采用的是某2 0 5 圆柱滚子轴承，在试验台转速崮定为2 0 h z 时， 由式( 23 ) 、( 24 ) 、( 25 ) 计算可得某2 0 5 圆柱滚子轴承的外环故障特征频率、内环故障特 征频率和滚动体故障特征频率分别为9 79 h z 、1 4 21 h z 和5 2 4 h z 。 如罔25 所示某轴承发牛表面损伤故障引起的异常振动时域波彤图： v i b o ( 1 8 3 8 4 x 1r e a l f s = 6 6 5 3 6 ) “l lh 忆l 。l l 山 i ul- l。li hl j 。l l 。l ”。r 1 r p7 _r 1 ”7 w 1 。 _ 1 ”r”。p ”。丌r ” 0 口5 0 1 口1 5o2 幽25 滚动轴承外环故障振动信号时域波形 f i g2 5 v i b r a t i o ns i g n a l t l m ed o m a i n w a v e f o r mo f f i n g f a u l tr o i l i n gb e a t i n g s 从如图2 4 与图25 的轴承正常振动和异常振动的波形幽可以看出，轴承的异常振 动波形与正常振动波形比较存在明硅的尖峰和毛刺，而对轴承表面损伤类故障信号的 分析检测就是刘突变点的榆测和定位。 5 0 5 0 5 0 5 大连理工大学硕士学位论文 2 4 滚动轴承的振动分析方法 2 4 1 滚动轴承振动检测的基本流程 一个完整的轴承故障诊断过程通常包括以下五个环节，整个诊断过程如图2 6 所示： 图2 6 滚动轴承故障诊断流程图 f i g 2 6 p r o c e s so fr o l l i n gb e a r i n gf a u l td i a g n o s i s ( 1 ) 信号检测：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。振动检测主要是指对振动的位移、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拉引。 ( 2 ) 特征提取：采用一定的信号分析与处理方法，对振动信号进行维数压缩，去掉 冗余信息，抽取出与轴承状态具有某种对应关系的特征信息。 ( 3 ) 状态识别：根据特征信息，建立判别模型，制定判别准则，以一定的状态识别 方法识别轴承的状态，判断轴承工作是否正常或者有无故障。 基于d s p 的滚动轴承故障诊断系统研究 ( 4 ) 状态分析：根据特征信息，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 ) 决策干预：根据轴承状态及其发展趋势，做出决策，如调整、控制、维修或继 续监视等。 2 4 2 滚动轴承的振动分析方法 振动信号携带了大量的状态信息，不仅能检测运转中轴承的异常，还具有反映轴承 早期故障的能力，因而在轴承监测、诊断中应用较多。此外，还因为振动信号拾取方便， 传感器价格相对低廉，信号处理方法多样，人们对滚动轴承的振动特性掌握得比较多， 诊断诊断技术发展比较成熟等原因，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分析法的原理研制成的，有关轴承监测与诊断方面的文献 8 0 以上讨论的都是振动分析法。从适用、实用、有效的观点看，目前没有比振动分析 法更好的滚动轴承监视与诊断方法了。 在滚动轴承的振动分析法中，较常用的诊断方法有如下几种 2 4 。2 5 】： ( 1 ) 有效值和峰值判断法 滚动轴承振动的瞬时值随着时间在不断的变化，作为表现这种振动变化大小的方法 广泛的使用有效值。有效值是振动幅值的均方根值。 由于有效值是对时间的平均，所以对具有表面皱裂、无规则振动波形的异常，其测 定值的变动小，可给出恰当的评价。但是，对表面剥落或伤痕等具有瞬变冲击振动的异 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。由于这种形态的异常，可用峰值进行判断。 峰值是在某个时间内振幅的最大值。它对瞬时现象也可得出正确的指示值，特别对 初期阶段轴承表面剥落，非常容易由峰值的变化检测出来。它对滚动体对保持架的冲击 及突发性外界干扰、或灰尘等原因引起的瞬时振动比较敏感，所以比起有效值来，测定 值的变化可日- - 匕v , 1 z a k 3 大。 ( 2 ) 峰值指标法 峰值指标是指峰值与有效值的比。如上所述，由表面剥落或伤痕引起的瞬时冲击振 动，峰值比有效值的反应灵敏，使用峰值标正正是利用峰值的该性质。一般来讲，正常 轴承振动的峰值指标约为5 ，当轴承发生伤痕时，峰值指标有时会达到1 0 。所以用该方 法也较容易对滚动轴承的异常做出判断。 该方法的最大特点是：由于峰值指标的值不受轴承尺寸、转速及负荷的影响，所以 正常异常的判断可非常单纯地进行；此外，峰值指标不受振动信号的绝对水平所左右， 大连理工大学硕士学位论文 所以传感器或放大器的灵敏度即使变动，