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电机轴承故障诊断 工学硕士学位论文 论文题目：电机轴承故障诊断 学科、专业名称： 控制理论与控制工程 论文编号： 分类号：TP206+.3 密级： ：621.39 编号： 工学硕士学位论文 电机轴承故障诊断 硕士研究生：朱美臣 指导教师 ：张景异 教授、杨青 教授 学科、专业：控制理论与控制工程 沈阳理工大学 2013 年3 月 分类号：TP206+.3 密级： ：621.39 编号： 工学硕士学位论文 电机轴承故障诊断 硕士研究生 ：朱美臣 指导教师 ：张景异 教授、杨青 教授 学位级别 ：工学硕士 专业领域 ：控制理论与控制工程 所在单位 ：信息科学与工程学院 论文提交日期： 2012 年 12 月13 日 论文答辩日期： 2013 年03 月06 日 学位授予单位：沈阳理工大学 Classification Index: TP206+.3 U.D.C: 621.39 A Thesis for the Master Degree of Engineering The fault diagnosis of Motor bearing Candidate : Zhu Meichen Supervisor : Prof.Zhang Jingyi 、Prof.Yang Qing Academic Degree Applied for : Master of Engineering Speciality : Control Theory and Control Engineering Date of Submission : December 13,2012 Date of Examination: March 6,2013 University: Shenyang Ligong University 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字）： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将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、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 电机是矿山最重要的设备之一，它的可靠运行直接关系到矿厂的安全生产和经 济效益，对其进行监控与故障诊断能给电机提供可靠保证，所以设计一种可靠性 能优良的状态监控与故障诊断系统具有重要的理论和现实意义。 滚动轴承是电机的最重要部件之一，有关统计表明，30% 的故障都是由滚动轴 承的故障引起的。本文主要通过对滚动轴承振动状态的监控，进而达到故障诊断 的目的。论文中对滚动轴承的故障形式、故障原因、常用诊断方法等诊断基础和 滚动轴承故障的振动机理作了研究。利用研华公司生产的PCI-1710HG 作为数据采 集卡，结合加速度计LC0159 和信号调理电路等进行了硬件设计。利用虚拟仪器仿 真软件LabVIEW 设计了相应的数据采集软件和故障检测软件。 通过对滚动轴承振动信号的研究，提出了一种基于小波包熵和聚类分析的故障 诊断方法，为了证明方法的有效性，将小波包熵和聚类分析的方法应用于美国西 储大学轴承实验进行故障诊断。研究结果表明该方法在进行滚动轴承故障识别时， 其识别率比采用 K-means 进行识别的识别率要大的多。结合故障诊断的特点，利 用虚拟仪器软件LabVIEW 和MATLAB 工具箱设计实现了一个远程电机轴承故障 诊断系统。 关键词：小波包熵；减法聚类；K-means ；故障诊断；滚动轴承 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract Motor is the most important equipment of mine, and its reliable operation is directly related with the refinerys safety and economic efficiency. The reliability of motor can be improved by monitoring and fault diagnosis. So it is significant to design a reliable monitoring and fault diagnosis system. Rolling bearing is one of the most important components of mine motor . The relevant statistics shows that 30% of the motor faults are caused by the rolling bearing. In this paper, it is main to monitor the rolling bearing vibration condition to reach the purpose of fault diagnosis. So the mechanism of rolling bearing fault vibration and some diagnostic basis which includes the form of rolling bearing fault, fault reasons, common diagnostic methods are studied in the thesis. The hardware was designed by the data collection card PCI-1710HG produced by Yanhua company, combining with the accelerometer LC0159 and the signal disposal. The corresponding data collection software and fault detection software were designed through the virtual instruments LabVIEW. An ensemble approach based on wavelet packet entropy and clustering analysis is presented to diagnose faults in the rolling bearing vibration signal research. In order to certify the validity of the proposed method, the wavelet packet entropy and clustering analysis approach were applied in bearing fault diagnosis experiment of West Reserve University. The experimental results show that the recognition rate of the proposed approach is much higher than the K-means in rolling bearing fault recognition . Combined with the characteristics of fault diagnosis, a remote Rolling bearing fault diagnosis system was designed by the virtual instrument software LabVIEW and MATLAB toolbox. Key words: Wavelet packet entropy; Subtractive clustering; K-means; Fault diagnosis; Rolling bearing 目录 目录 第1 章 绪论.1 1.1 课题背景和研究意义.1 1.2 电机轴承故障诊断技术国内外现状.2 1.3 本文所涉及的工作和章节安排.6 第2 章 电机轴承故障机理研究和振动特性分析.9 2.1 引言.9 2.2 电机轴承分类和结构.9 2.3.轴承失效形式及主要原因.10 2.3.1 滚动轴承失效的基本形式.10 2.3.2 滚动轴承失效的原因. 11 2.4 电机轴承振动信号产生机理.12 2.5 电机振动特性分析.13 2.5.1 主轴的振动特性.14 2.5.2 减速箱的振动特性.14 2.5.3 滚动轴承振动特性.15 2.6 小结.16 第3 章 基于小波包熵的电机轴承振动信号特征提取与实验研究. 18 3.1 引言.18 3.2 常用预处理方法.18 3.2.1 电机轴承振动信号的时域分析.18 3.2.2 电机轴承振动信号的频域分析.21 3.3 基于小波包熵的特征提取方法.23 3.3.1 小波包理论基础.23 3.3.1.1 小波包树和小波包的定义.23 沈阳理工大学硕士学位论文 3.3.1.2 小波包能量谱. 25 3.3.2 信息熵. 26 3.3.3 小波包熵特征提取原理. 26 3.3.4 小波包熵特征提取实现和实验研究. 28 3.4 小结. 31 第4 章 基于聚类的故障诊断方法. 错误!未定义书签。 4.1 引言. 32 4.2 减法聚类分析. 32 4.3 K-MEANS 聚类. 33 4.4 减法聚类与K-MEANS 相结合的聚类算法. 34 4.5 实验研究. 35 4.6 小结. 39 第5 章 电机轴承故障诊断研究平台设计与实现.40 5.1 引言. 40 5.2 电机轴承故障诊断系统整体方案. 40 5.3 电机轴承故障平台硬件实现. 41 5.3.1 电机运动控制平台搭建. 42 5.3.2 电机轴承振动信号检测系统设计. 43 5.4 电机轴承故障诊断平台测测试点的选择. 48 5.5 小结. 49 第6 章 基于LABVIEW 的电机轴承故障诊断系统实现.50 6.1 系统软件架构. 50 6.2 用户认证系统设计. 51 6.3 振动信号数据采集. 53 6.3.1 振动信号数据采集. 54 6.3.2 振动信号数据存储. 55 6.4 数据处理与分析实现. 56 目录 6.4.1 振动信号数据预处理.56 6.4.2 振动信号时域分析.58 6.4.3 振动信号频域分析.61 6.4.4 基于聚类的故障诊断方法.62 6.5 B/S 结构实现.64 6.6 小结.68 结 论.69 参考文献.70 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果.75 致 谢.76 第1 章 绪论 第1 章 绪论 1.1 课题背景和研究意义 随着时代的发展和科学技术的进步，机械设备不断向大型化、连续化、高速 化和自动化方向发展。于此同时机械设备也变的更加复杂，在各部分之间、在不 同设备之间的耦合程度不断加强，所有的生产设备形成一个统一的整体。因此， 一处故障就有可能导致整个系统瘫痪。这不仅会造成巨大的经济损失，而且会危 及人身安全。1960 年 10 月24 日，苏联拜科努尔航天中心火箭发射爆炸事故造成 地面100 多人死亡。1974 年月19 日，美国用德尔塔火箭发射英国“天网2” 卫星，由于火箭电子装置中一块印刷电路板上的一个小焊点附近剥落了一小块绝 缘层，引起短路，发射失败。1986 年1 月28 日，美国“挑战者”号航天飞机由于 火箭系统故障在空中爆炸解体，7 名航天员全部不幸遇难，经济损失达12 亿美元； 同年4 月26 日，前苏联切诺贝利核电站机组发生故障导致大量发射性物质泄漏事 故，导致2000 多人死亡，经济损失高达30 多亿美元。1996 年2 月15 日，中国西 昌卫星发射中心用新研制的长征三号乙运载火箭发射国际通信 708 卫星，火箭起 1 飞后飞行姿态出现异常，飞行22 秒后，火箭坠地发生爆炸，星箭俱毁 。由此可 见，对机械设备、特别是关键设备部件进行故障诊断的必要性和迫切性。 故障诊断的思想源于医学，机械设备和人一样，由于天然的或人为的因素， 使得生产设备在某种程度上出现这样或那样的问题。自 20 世纪 60 年代开始，机 械设备故障诊断技术与前沿科学技术相结合，形成了一门新的学科机械故障 2 诊断学 。 电机是一种重要的旋转机械设备，它覆盖着石油、化工、冶金、煤炭、汽车、 航天等众多工程领域。电机运行的高速性，使其对电机系统的可靠性要求很高。 滚动轴承是电机设备最重要的部件之一，它也是电机设备中最易损坏的部件之一。 因此，滚动轴承的运行状态直接影响到整台电机的工作性能。据统计，旋转机械 故障中30%的故障都是由滚动轴承引起的，而发电机故障中的滚动轴承故障约占电 3 机故障的40%左右，定子的故障占38%，转子故障10%，其他故障12% 。据有关资 -1- 沈阳理工大学硕士学位论文 料表明，我国现有的机车用滚动轴承，每年有40%要经过下车检验，而其中的33% 4 左右被更换。由此可见，滚动轴承的好坏对电机设备的影响很大 。 滚动轴承的寿命离散行很大，有可能同样生产的滚动轴承寿命相差很大。此外， 从滚动轴承开车运行到滚动轴承寿命殆尽的整个过程中，其发生故障的概率也是 不一样的。如图1.1 所示，可见定期检查更换是很不科学的。对重要用途的 早期故障 正常使用寿命 磨损和失效 故 障 发 生 的 概 率 时间段 图1.1 滚动轴承故障率的时间分布 轴承来说定时维修更是很不科学的。因而要进行工况监测与故障诊断，采用预知 维修或者酌情维修的方法代替传统的定时维修，这样不仅可以最大限度的发挥轴 承的工作潜力，而且可以减少或杜绝事故的发生，使得生产合理有序进行。因而， 对滚动轴承进行检测和故障诊断技术的研究和应用越来越受到人们的重视，成为 当下故障诊断领域研究的热点，也成为了保障旋转机械良好状况的重要措施。 1.2 电机轴承故障诊断技术国内外现状 滚动轴承的故障诊断技术在国外发展的比较早，各种诊断方法和技术手段不 断产生、发展和完善，应用领域不断扩大，故障诊断的可靠性得到不断提高。总 5 的来说，滚动轴承的故障诊断经历了一下几个阶段 。 第一阶段：利用频谱分析诊断滚动轴承故障。20 世纪60 年代中期，快速傅里 6 叶变换（FFT ）技术的出现和发展，使得人们对振动信号的研究有了很大的突破 。 利用 FFT 变换来计算滚动轴承出现故障时振动信号的频率，将计算结果与频谱分 - 2 - 第1 章 绪论 析仪分析结果进行比较，进而分析出故障原因。 第二阶段：使用冲击脉冲技术进行轴承故障诊断。上世纪60 年代末期，瑞典 SPM 仪器公司最先开发出冲击脉冲计，利用这种方法可以根据冲击脉冲的最大幅 值进行断滚动轴承的故障故障。这种方法有效的检测到滚动轴承早期的损伤类故 7 障 。 第三阶段：采用共振解调技术来诊断轴承故障。1974 年，美国波音公司的 D.R.Hrating 发明了一项叫做“共振协调分析系统”的专利。与之前瑞典SPM 公司 的冲击脉冲技术相比，该方法更为有效。它不但能够判断是否有故障发生，同时 8 还可以判断出发生轴承故障的原件以及故障的程度 。 第四阶段：开发一计算机为中心的滚动轴承监视和故障诊断系统。20 世纪90 年代以来，随着电子科技的高速发展，计算机技术也迅猛发展起来，开发以计算 机为中心的滚动轴承故障诊断系统是各国技术人员的研究重点与热点。1999 年新 西兰况得实 （commtest ）公司开发出以以振动监测和动平衡为主的vbSeries?系列 仪表。进过对仪器仪表的不断改进，2008 年况得实公司开发出全新系列的便携式 9 振动分析仪，像高端的 vb8 等 。还有美国福禄克公司推出的FLUKE810 手持振 10 动仪针对轴承问题、不对中、不平衡、松动等故障给出 4 个级别的故障诊断 。 此外，还有美国本特利内华达公司的ADRE 、DDM 等。 国内滚动轴承故障诊断技术的研究发展的比较晚，基本上是从 20 世纪 80 年 代开始的。1984 年，航空航天部608 所的唐德尧教授等人开发成功基于共振协调 原理的JK8241 齿轮轴承故障分析仪。自 1985 年以来，全国性故障诊断学术会议 多次召开，极大的推动了我国故障诊断技术的发展。1990 年开发成功专用于铁路 货车轮对轴承故障诊断的 JK86411 自动诊断系统。南京航空航天大学振动所赵淳 生教授等人针对轧钢机系统轴承的特殊性相继开发了 MDS 系列轴承故障诊断系 11 统，也成功的应用于轧钢机系列轴承的在线故障诊断 。北京万博振动采用振动 信号监测技术开发了 BVM-100-2S 等一系列的机械故障分析仪。我国故障诊断技 术经过几十年的发展， 从简易诊断到精密诊断，从一般诊断到智能诊断，逐步走 出了一条适合我国国情的发展道路，不论是从理论上和方法上，还是工程实践及 监测诊断产品的研发中，都有了一定的基础。 就目前来讲，依据采用的状态量不同可以分为以下几种： -3- 沈阳理工大学硕士学位论文 1 基于轴承的温度进行故障诊断：轴承系统温度的变化关键取决于轴承摩擦 的自身发热和系统的散热能力。滚动轴承运行过程中，滚动体与内外滚道之间的 滚动摩擦和滑动摩擦、保持架套圈引导面之间的摩擦、润滑剂黏性摩擦等都会产 生热。但是当轴承元件如果发生某种损伤，在滚动轴承运行过程中，损伤元件之 间以及损伤元件与完好的元件之间的摩擦会加剧，温度便会快速升高。因而可以 12 通过对轴承温度的检测进行故障诊断 。可以通过轴承瓦温的变化趋势、轴承进 出口处的油液温度和基座处温度场的分布情况等对轴承的运行状况进行分析。合 13 肥机务段的丁伯奇等 通过设定报警阈值的方法实现对机车轴承的监视。韩凤琴 等采用奇异值谱分析方法得到轴承温度的变化趋势特征，进而对轴承进行故障预 14 测 。华北电力大学的宋光雄通过对电机组轴承瓦温的检测，求取轴承瓦温度的 递增趋势参数、轴瓦温度变化偏度参数和轴瓦温度变化偏度，进而对轴承运行状 15 态进行监控 。三菱重工业株式会社和大同轴瓦工业株式会社采用一种热传导率 比轴承部件大的材料作为温度传感部件，对轴承的温度进行了监视，提高了监控 16 的可靠性 。范家庆设计了一种新型的装船机滚筒轴承温度检测系统，该系统利 用温度传感器检测轴承的温度信号，然后利用无线传输技术将检测的温度信号传 17 输到终端进行分析，实现了实时性 。洛阳轴研科技股份有限公司通过多个传感 18 器对轴承内圈的多点进行了检测 。宁练等在摩擦学和传热学理论的基础上，通 过建立的滚动轴承温度场数值仿真模型研究了滚动轴承的温度分布，建立了状态 19 检测系统 。此外，基于温度的方法还有很多，但是基于温度的方法容易受环境 温度的影响，并且大多只是实现对轴承的监视，不能给出详细的故障原因。 2 基于油样进行故障诊断：油样分析法士对润滑油本身以及油中微小颗粒所 进行的理化分析，也是大型旋转机械状态检测与故障诊断中的一个重要方法。油 样分析法还可以分为两大类：一类是润滑油本身的常规的理化分析，像油液的粘 度、闪点、酸值、水分等。一类是通过对油样中固体颗粒等不容物资进行铁谱分 析、光谱分析、颗粒计数。不仅可以定性的分析，还可以定量的测定磨损颗粒的 元素成分及含量，以及固体颗粒的大小及各自所占的浓度。可以根据元素成分来 判断是哪些零部件发生了磨损，通过颗粒大小和浓度判断磨损的程度。王立采用 20 铁谱分析技术对进口的电炉设备进行了分析，确保了设备的安全投产 。尹延国 等应用铁谱技术，对滚动轴承在疲劳寿命实验中的润滑状态、磨损过程及疲劳失 - 4 - 第1 章 绪论 效机理进行了研究，讨论了铁谱技术应用于滚动轴承的工作状态监控及故障诊断 21 的可行性与可靠性 。徐华等研究了含水润滑油对滑动轴承寿命的影响，为润滑 22 油的选择提供了参考 。菅瑞雄等利用光谱、铁谱技术对合金锯齿轮减速机进行