基于共振解调技术的滚动轴承故障自动诊断系统

1、基于共振解调技术的滚动轴承故障自动诊断系统王青松1彭东林1郭小渝21重庆大学2重庆工学院摘要:介绍了基于共振解调技术的滚动轴承故障诊断原理、特点及实现方法,开发了可在线自动检测和诊断滚动轴承故障的软件系统。关键词:滚动轴承,故障诊断,共振解调,自动诊断R esonance2demodulation2based Automatic Diagnosis System for R olling B earings F aultsWang Qings ongPeng DonglinG uo X iaoyuAbstract:The principle,features and realizing met

2、hod of the fault diagnosis of rolling bearings based on the res onance de2 m odulation technology are introduced,and a s oftware system which can automatically detect and diagnose the rolling bearings faults online is developed.K eyw ords:rolling bearing,fault diagnosis,res onance dem odulation,auto

3、matic diagnosis1滚动轴承故障诊断方法概述滚动轴承是旋转机械中应用最为广泛的转动部件。对滚动轴承运转状况的监测与诊断是保证整台机器正常运行的重要手段。近二十多年来,随着相关技术的快速发展,滚动轴承故障诊断技术也在不断发展与完善。当滚动轴承出现故障时,通常很难直接检测出故障信号,一般是以轴承故障引发的二次效应(振动和噪声的变化作为故障诊断依据。因此,滚动轴承故障检测方法可根据二次效应的不同特性分为振动检测法和噪声检测法两大类。在各种振动检测方法中,时域诊断法发展较早,它是通过时域信号图象分析,根据振动信号的基本数字特征及概率分布特征来诊断滚动轴承故障。目前较常用的特征参量有平均值、

4、峰值、均方根值(或均方值、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、脉冲因子、峭度因子等无量纲特征参量。频域诊断法则是通过对轴承振动信号进行频谱分析,结合频谱图的频率结构以及特征频率的和频与差频分析对滚动轴承故障进行诊断。频域分析方法一般主要用于对轴承早期故障进行精密诊断,共振解调技术是频域诊断中一种最有效的手段。此外,随着小波分析技术的推广应用,时间频率分析方法也得到了有效应用。噪声检测方法主要是利用AE信号进行故障诊断,但由于易受轴承噪声之外其它声源的干扰影响,且隔音设备昂贵,因此在生产实践中应用较少。滚动轴承故障的噪声检测诊断可通过检测声压和声强两种

5、途径实现。声强检测法是一种较新的技术,研究表明,它对轴承故障的诊断较声压检测法更为有效1。2共振解调法故障诊断原理滚动轴承的内、外圈、滚动体等元件表面在运行过程中易发生局部损伤(如点蚀、剥落、裂纹、擦伤等,此类损伤与缺陷故障必然会引起运动冲击。但由于冲击持续时间短,能量发散的频域范围广,落在振动频率范围内的能量分量很小,因此,若直接对包含故障冲击的振动信号进行频谱分析并据此诊断轴承故障,就可能出现虽已发生故障但频谱图上却反映不出来的现象。共振是一种常见物理现象,即当外加激振力等于系统固有频率时,系统振动的振幅将达到最大值。采用共振解调技术诊断轴承损伤类故障的基本原理(见图1可描述如下:当轴承某

6、一元件表面出现局部损伤时,在受载运行过程中将与其它元件表面发生撞击,从而产生能量集中的冲击脉冲力。由于冲击脉冲力的频带较宽,其中必然包含轴承外圈、传感器、附加谐振器等各自固有频率激发的相应的高频固有振动。可根据实际需要选择某一高频固有振动作为研究对象,利用其中心频率等于该固有频率的带通滤波器将该固有振动分离出来,然后通过包络检波器去除高频衰减振动的频率成分,得到只包含故障特征信息的低频包络信号,通过对这一包络信号进行频谱分析即可诊断出轴承故障。542003年第37卷2收稿日期:2002年8月 图1共振解调故障诊断原理示意图3共振解调法故障诊断技术特点共振解调故障诊断技术又称为早期故障检测(In

7、cipient Failure Detection ,IFD 技术,它是利用共振解调原理对冲击故障进行检测诊断。由于可有效利用滚动轴承的特有信息,因此具有很高的灵敏度和可靠性。该技术具有以下特点: 共振解调波与故障冲击存在一一对应关系,有故障才有谱线,无故障则无谱线。共振解调幅值与故障冲击强度成正比,因此可度量故障大小。抗低频振动干扰性好,信噪比高。由于选用了高频谐振器,使时域共振波频率远高于振动频率及其有限的高频谐波频率,从而可方便地分离出强大的“低频”成分,使共振解调具有良好的信噪比。冲击故障频率呈现多阶性。实施共振解调故障诊断的主要手段是对共振解调信号进行傅立叶变换。共振解调技术“无故障

8、即无谱线”、“故障频率呈多阶性”等特点为简化故障诊断步骤以及自动诊断软件的设计提供了理论依据。采用共振解调技术实现滚动轴承故障诊断的基本环节如图2所示。图2共振解调法故障诊断的基本环节4滚动轴承故障的自动诊断当滚动轴承发生损伤类故障时,必然产生低频冲击和振动,并引起高频共振波。利用轴承运转中因故障引起低频冲击所产生的高频分量,激起高频谐振器(传感器的共振,再对高频共振波进行解调处理,即可获得一个剔除了低频振动干扰、但富含故障信息的共振解调波。通过对此共振解调波进行幅值和频谱分析,即可在故障特征频率及其倍频处观察到清晰的谱峰,而不含故障冲击信息的信号却不会在共振解调波的频谱图中出现谱峰,据此很容

9、易确定故障发生部位。由于滚动轴承的种类和型号不同,其典型故障的特征频率也不相同,故障诊断时不可能通过大量故障实验来确定每种滚动轴承的特征频率。因此,应采用主动诊断法来实现滚动轴承故障的自动诊断,即以理论公式为依据计算出故障的特征频率,并通过与频谱分析结果进行对照以诊断出故障。设轴承外圈固定不动,轴的转动频率为f (H z ,轴承节径为D (mm ,滚动体直径为d (mm ,滚动体个数为z ,并假定滚动体与内、外圈之间作纯滚动接触,则滚动轴承各元件故障的特征频率计算公式分别为2:内圈故障:f i =z2(1+dDcos f ;外圈故障:f o =z 2(1-d D cos f ;滚动体故障:f

10、r =D 2d 1-(d D 2cos 2f ;保持架故障:f c =12(1-dDcos f 。考虑到理论值是在理想状态下计算得出的,而实际生产中不可能达到理想工况,此外由于频谱分析分辨率的原因也可能引起诊断误差,因此在实际诊断时可设定一个频率误差范围f 。采用共振解调技术的滚动轴承故障自动诊断方法的具体实施步骤如下:输入被检测滚动轴承的型号及相关参数;系统自动计算各滚动轴承的故障特征频率,并生成故障频率表;布置传感器,检测故障信号;系统对测得信号自动进行解调处理和频谱分析;系统对故障频率表与频谱图中的特征谱峰自动进行比较,诊断出发生故障的轴承;根据进一步的频谱分析,诊断出发生故障的轴承元件

11、以及损伤程度;系统自动输出诊断结果。5滚动轴承故障自动诊断系统的开发根据上述滚动轴承故障诊断原理及方法,我们应某轴承制造厂的要求,开发了滚动轴承故障自动诊断软件系统。该系统具有良好兼容性,可与现有的各种通用轴承检测仪配套使用。该系统的特点在于它不是简单给出整个被测轴承合格或不合格的定性结论,而是根据滚动轴承的本征动力学特性构造出数理模型,从而准确诊断出轴承外圈、内圈、钢球、保持架等元件各自的碰伤程度以及粗糙度、清洁度等故障类型及其具体量值。该系统的在线检测和诊断界面如图3所示。6结语将共振解调技术应用于滚动轴承故障的自动诊断具有操作简便、可靠性高等优点,尤其当滚动轴承的多个元件同时存在随机故障

12、时,应用一般的振动64工具技术 图3系统在线检测和诊断界面分析方法很难诊断,而利用共振解调法却可以对此类复杂故障作出精确诊断。该方法的缺点是信号处理过程较复杂。此外,应用共振解调法诊断轴承故障时,监测频带的选择对诊断结果的正确性具有决定性影响,因此必须予以高度重视。参考文献1沈壕.声学测量.北京:科学出版社,19862梅宏斌等.用包络分析法诊断滚动轴承故障.轴承,1993(83王肇琪等.滚动轴承故障的振动检测方法.有色矿山,1999(14高兴.滚动轴承故障的精密诊断技术.有色设备,1994(35梅宏斌.滚动轴承振动监测与诊断.北京:机械工业出版社,19966谢志江.设备状态监测与故障诊断技术.

13、重庆:重庆大学出版社,1998第一作者:王青松,在读硕士研究生,重庆大学机械传动国家重点实验室,400044重庆市收稿日期:2002年5月螺杆钻具、螺杆泵性能计算机辅助测试系统的设计朱振杰1宋钦聚1马金奎1刘延俊1赵峰21山东大学2山东电力建设第二公司摘要:开发了螺杆钻具、螺杆泵性能计算机辅助测试(C AT 系统,介绍了该系统的硬件构成以及数据采集处理软件的模块功能及设计方法。关键词:螺杆钻具,螺杆泵,计算机辅助测试,动态数据交换Design of CAT System for Scre w Drilling Tools and Scre w Drilling MotorsZhu Zhenji

14、e S ong Qinju Ma Jinkui et alAbstract :A computer aided test (C AT system for testing the performance of screw drilling tools and screw drilling m otors are developed.The hardware construction of the C AT system and the m odule functions and design method of the data acquisition &process s oftware are introduced.K eyw ords :screw drilling tool ,screw drilling m otor ,C AT ,DDE1引言螺杆钻具和螺杆泵是石油钻井行业广泛使用的作业机具,其性能直接影响现场钻井作业的生产效率。在交付用户