滾動軸承故障診斷虛擬儀器系統(tǒng)

1、軸承2002年第12期3439CN41-1148THBearing2002,No.12!檢測與儀器#滾動軸承故障診斷虛擬儀器系統(tǒng)武和雷,朱善安,林瑞仲,鄭劍鋒(浙江大學(xué)杭州310027)電氣工程學(xué)院,浙江摘要:針對目前國內(nèi)軸承振動測量儀不能識別軸承異常聲的問題,設(shè)計了一種新的軸承故障診斷儀器系統(tǒng)。該系統(tǒng)除集成了現(xiàn)有軸承振動測量儀的所有功能,并進行了功能擴展。介紹了噪聲與振動之間的關(guān)系、儀器系統(tǒng)的設(shè)計方案和系統(tǒng)的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:振動;信號;處理;故障;診斷;儀器中圖分類號:TH825文獻標識碼:B文章編號:1000-3762(2002)12-0034-06VirtualInstrumentSy

2、stemforRollingBearingFailureDiagnosisWUHe-lei,ZHUShan-an,LINRui-zhong,ZHENGJian-feng(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:Aimingatthatthebearingvibrationmeasureinstrumentinourcountrycantindentifytheabmomalsoundsofthebearing,thenewinstrumentsystemhasbeendesi

3、gnedforbearingfailurediagnosis.Thesystemnotonlyhasfunctions,whichholdbyvariousbearingvibrationinstrumentsatpresent,butalsohasotherfunctions.Therelationofnoiseandvibra2tionanddesignschemeoftheinstrumentsystemareintroduced.Thepracticalexampleofthesystemisgiven.Theresultsshowthatthissystemhashighpracti

4、calvalueandapplicableforeground.Keyword:vibration;signal;process;failure;diagnosis;instrument目前國內(nèi)廣泛使用的軸承故障測量儀都是用模擬電路來實現(xiàn)對軸承的振動信號處理,功能簡單,精度不高,易受各種外來因素的影響,尤其是靈活性很差,更新?lián)Q代困難。虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器的概念,是計算機系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)有機結(jié)合的產(chǎn)物。利用計算機系統(tǒng)的強大功能和突出的性價比,結(jié)合相應(yīng)的硬件,大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸和存儲1、2等方面的限制,其特點是經(jīng)濟靈活,維護、擴展、升級方便。由于評價軸承質(zhì)量的指標很多,我們研制

5、了一種以計算機為核心的虛擬儀器系統(tǒng)。該系統(tǒng)用多種信號處理方法,最大限度獲取軸承狀態(tài)特征值。針對軸承“異常聲”這一突出問題,探討用分析振動信號來評價噪聲水平的方法。整個系統(tǒng)除能完成傳統(tǒng)振動測量儀的功能外,還增加了其他的特征參數(shù)分析和頻域分析功能,并提收稿日期:2002-03-18作者簡介:武和雷,男,電氣工程學(xué)院博士研究生。供友好的人機界面,有效地提高了測試儀器的靈活性。1識別異常聲的振動參數(shù)1.1軸承振動與噪聲的關(guān)系軸承運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的徑向、軸向和彎曲振動輻射到空間,引起空氣振動,就形成了噪聲。即使軸承滾動表面、潔凈度和所用潤滑油(脂)十分理想,但由于滾動體的運動和滾動體與滾道接觸區(qū)域的彈性變形

6、,使軸承運轉(zhuǎn)時仍會發(fā)出一種連續(xù)、輕微、柔和的聲音,這種聲音稱為軸承的基礎(chǔ)噪聲。這種基礎(chǔ)噪聲是軸承固有的,不能消除。疊加在軸承基礎(chǔ)噪聲之中的其他各種異常的聲音,稱為異常聲。滾動軸承異常聲種類繁多,形成機理較復(fù)雜,而且各種異常聲加在一起,難以分辨。我國目前使用的軸承振動測量儀的測量值(有效值)與“異常聲”相關(guān)性不大,必須增加其他的測量值來反映軸承的噪聲水平。因為測量噪聲要求的條件很© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.武和雷等:滾動軸承故障診斷虛擬儀器系統(tǒng)35高,所以國內(nèi)外大都通過

7、測量軸承振動信號來反映噪聲水平以控制軸承質(zhì)量。為此,有必要分析軸承振動和噪聲信號的關(guān)系。圖1是1998年洛陽軸承研究所與日本NSK技術(shù)交流時,NSK基礎(chǔ)技術(shù)研究所提供的電機噪聲惡化振動值與安德魯值之間的關(guān)系圖。從以上資料可以清楚地看出,軸承振動和噪聲的相關(guān)性相當好,也就是說,為了評價軸承的動態(tài)特性,用測量振動的方法和測量噪聲的方法都可以。但是正如前面分析所知:噪聲測量需要特殊條件,適用性和經(jīng)濟性都不如振動測量。因此,對于通用軸承,可以在分析軸承振動噪聲關(guān)系的基礎(chǔ)上,通過檢測軸承振動信號,達到同時評價軸承振動和噪聲的效果。目前軸承行業(yè)開展的各種有關(guān)低噪聲軸承控制的討論,基本上以這種觀點為主。賴歷

8、史數(shù)據(jù)并且對載荷轉(zhuǎn)速等變化比較敏感。為了克服這個缺點,可采用一些無量綱的參數(shù)指標。在軸承故障診斷中,最常用的無量綱參數(shù)指標有:(1)峰值因子CrestFactorCrestFactor=RMS(3)(2)峭度Kurtosis對于零均值的振動信號x(t),峭度K定義為K=xp(x)dx4+-2N-xp(x)dx(4)其中p(x)為x(t)的概率密度分布函數(shù)。對于離散序列的軸承振動信號xi,峭度K的計算式為K=N(xi-x)44RMS(5)如果x(t)滿足正態(tài)分布,則由(4)式計算可得K=3,不論方差為多大。對于零件表面損傷類故障,用峰值指標判斷比較敏感,對磨損類故障,用均方根指標比較有效,而峰值

9、因子既考慮了峰值,又考慮了均方根,所以,對兩類故障都可以判斷,同時用來判別軸承是否有異常聲。又因為正常軸承的振動信號近似服從正態(tài)分布,所以由(4)式可得其峭度值約為3,當軸承出現(xiàn)故障時,其峭度值將大于3,據(jù)此可圖1軸承安德魯值與電機噪聲1.2軸承振動信號的統(tǒng)計特性參數(shù)軸承振動信號處理可以大致分為時域、頻域和時-頻域三種。目前常用的有時域特性分析和頻域特性分析。1.2.1時域統(tǒng)計特征參數(shù)以判斷軸承是否發(fā)生了異常。(3)脈沖因子ImpulseFactorImpulseFactor=NN(6)xi|通常在時域中有以下特征參數(shù)被用于分析軸承振動信號:(1)均方根值RMS信號xi(i=1N,N為采樣點數(shù)

10、)的均方根值為RMS=Ni=1|9(4)波形因子ShapeFactorShapeFactor=NN(7)xi|i=1|1.2.2頻域統(tǒng)計特征參數(shù)i=1(xi-x)(1)時域參數(shù)指標判斷滾動軸承故障基本上不受軸承型號、轉(zhuǎn)速、載荷、信號絕對水平和測點等的影響,但只能判斷是否有故障。而要判斷到底是什么類型的故障,故障發(fā)生在哪個零件上,就必須根據(jù)頻譜圖中的頻率成分以及各有關(guān)頻率成分處的幅值的大小進行精確的診斷。常用的頻域參數(shù)指標主要有以下幾個:(1)重心頻率FC(2)峰值Peak峰值的定義為信號xi中最大值與最小值之差的一半,即Peak=0.5max(xi)-min(xi)(2)以上是有量綱參數(shù)指標,

11、利用有量綱參數(shù)指標判斷軸承故障有一個很大的缺點,就是它要依© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.36軸承2002.12FC=s(f)df0+0+2+fs(f)df(2)均方頻率MSFMSF=s(f)dffs(f)df計算機信號處理,如圖2所示。該系統(tǒng)的核心部分是計算機,振動測試臺嚴格按照國家標準來設(shè)計,達到機械行業(yè)標準JBT53131991滾動3軸承振動(速度)測量方法中對測量系統(tǒng)的機械裝置的要求。信號采集模塊將傳感器輸出的模擬信號放大,并對其作一些初始處理,然后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換為

12、數(shù)字信號,傳入計算機,然后由計算機完成對振動信號的采集控制、處理、分析和顯示等功能,提供人機交互界面。(3)均方根頻率RMSFRMSF=MSF(4)頻率方差VFVF=+(f-FC)2s(f)dfs(f)df+(5)頻率標準差RVFRVF=VF圖2硬件系統(tǒng)由于實際計算時,頻譜要離散化,分析頻率又受采樣頻率fs的限制。為了能實現(xiàn)對滾動軸承工況的在線監(jiān)視與診斷,快速算出以上參數(shù),利用傅立葉變換性質(zhì),可得出MSF、FC、VF的時域快速算式N2.2軟件設(shè)計MSF=x(i)2N振動信號分析處理軟件是本系統(tǒng)的關(guān)鍵,它由三個主要模塊組成,其功能模型如圖3所示。該軟件提供了當前軸承振動測量儀所能實現(xiàn)的功能,還擴

13、充了其他功能,如數(shù)據(jù)存儲;軸承振動信號的峰值因數(shù)、峭度等其他特征參數(shù)計算;頻域信號處理。2.2.1友好的儀器化界面設(shè)計系統(tǒng)的各種設(shè)置和數(shù)據(jù)分析顯示均在通用計4N2i=1Nx(i)2FC=i=2x(i)x(i)2i=1x(i)22VF=MSF-(FC)式中 x(i)=N采樣間隔采樣點數(shù)算機上完成,取代了傳統(tǒng)的軸承振動測量儀的面板。在設(shè)計計算機顯示人機界面時,采用大量的按鍵、選擇按鈕、數(shù)據(jù)波形顯示框、滾動條控件和編輯控件等,用戶操作通用計算機時非常方便。2.2.2提供特征參數(shù)提取的數(shù)字信號處理函數(shù)根據(jù)軸承旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下振動信號狀態(tài)特征提取的要求,提供了豐富的信號分析處理函數(shù),以便對采集的振動信號進行各

14、種處理。系統(tǒng)對振動信號的各種特征參數(shù)的計算函數(shù)包括:有效值、峰值、峭度、峰值因數(shù)、脈沖因數(shù)和安德魯值的計算;提供的信號分析函數(shù)有:基于FFT頻譜分析、相關(guān)分析、功率譜分析、倒頻譜分析、頻譜細化、包絡(luò)譜分析和基于FFT變換的微分新方法等。采用面向?qū)ο蠓治龇椒ㄟM行軟件設(shè)計分析,然后利用面向?qū)ο缶幊谭椒?Object-OrientedProgramming,簡稱OOP),在Windows98環(huán)境下,用利用頻域參數(shù)指標可以對滾動軸承的故障進行粗略判斷。當軸承無故障時,頻率成分主要集中在低頻,FC較小;出現(xiàn)局部損傷類故障時,由于沖擊引起的共振,所以主頻區(qū)右移,FC增加。上述參數(shù)與軸承異常聲有某種相關(guān),可

15、以用來綜合評判軸承質(zhì)量。2系統(tǒng)設(shè)計方案2.1硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計本系統(tǒng)分三部分:振動測試臺、數(shù)據(jù)采集塊和© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.武和雷等:滾動軸承故障診斷虛擬儀器系統(tǒng)37VisualC+編程語言編程設(shè)計。(2)數(shù)據(jù)分析模塊模塊分別用不同的類實現(xiàn),其中幾個主要的模塊實現(xiàn)為:(1)數(shù)據(jù)采集模塊輸入通道。1個通道的傳感器信號輸入,可以增加到8個通道,還有2個通道的模擬信號輸出。采樣頻率:本系統(tǒng)中選取的采樣板最高采樣頻率為60kHz,滿足軸承行業(yè)標準?？梢酝瑫r采集3個通道而且滿足

16、標準的要求。輸入信號要求:一般速度傳感器的輸出信號很小,直接采集很困難。為此設(shè)計了信號放大電路,將傳感器輸出信號放大到幾百mV級。同時為了滿足不同傳感器的需要,信號放大系統(tǒng)的放大倍數(shù)可調(diào)。硬件驅(qū)動程序。因Windows操作系統(tǒng)是一多任務(wù)式操作系統(tǒng),要高速實時采集數(shù)據(jù),必需編寫底層的驅(qū)動程序。本系統(tǒng)針對相應(yīng)的采樣板編寫了基于DMA方式的驅(qū)動程序。數(shù)據(jù)讀取保存。數(shù)據(jù)文件以16位二進制的格式存放所采集到的數(shù)據(jù),同時,數(shù)據(jù)文件中還保存了采樣板的各種信息,如采樣頻率、采樣數(shù)據(jù)點數(shù)、采樣通道和采樣增益等。這部分是整個軟件的主體。該模塊包含四部分:數(shù)據(jù)預(yù)處理、在線特征參數(shù)計算、在線頻譜分析和離線數(shù)據(jù)分析。信

17、號預(yù)處理。采集的信號可能會有明顯的錯點出現(xiàn),這種信號會嚴重影響峰值因數(shù)的計算,為此編寫錯點剔除子程序,同時預(yù)處理函數(shù)還有零均值處理,趨勢項消除等。各種特征參數(shù)計算。各種特征參數(shù)包括有效值、峰值因數(shù)、脈沖因數(shù)、峭度等。無缺陷的軸承振動信號是服從正態(tài)分布的零均值隨機信號,信號的均方根值能反映軸承振動的烈度,鑒別產(chǎn)6品質(zhì)量水平。對有故障的軸承,振動信號中出現(xiàn)脈沖衰減振蕩波形,均方根值顯著增大,信號偏離正態(tài)分布。本系統(tǒng)也提供了該指標參數(shù)。但軸承振動信號的均方根值不能完全反映軸承的噪聲水平,尤其是對軸承的“異常聲”很不敏感。軸承“異常聲”為突變脈沖信號,噪聲應(yīng)該與軸承的峰值因數(shù)和脈沖因數(shù)有較強相關(guān)。本系

18、統(tǒng)提供該二因數(shù)的檢測計算結(jié)果。首次將峭度引入軸承故障檢測,文獻8、9研究了峭度在軸承故障診斷中的應(yīng)用。本系統(tǒng)增加了峭度參數(shù)的計算。Dyer和Stewart7圖3軸承振動信號分析軟件頻域處理函數(shù)。包括功率譜、相關(guān)函數(shù)、倒頻譜和包絡(luò)譜等頻域處理。利用時域參數(shù)指標可以快速實現(xiàn)對滾動軸承的簡易診斷,即判斷軸承是否有故障,但是卻很難分析出故障的類型。為© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.38軸承2002.12了兼顧在線快速檢測軸承的要求,本系統(tǒng)提供了頻譜圖、相關(guān)函數(shù)、倒頻譜或功率譜分析

19、功能,使用者可選其中任一種進行實時分析顯示。數(shù)字濾波。系統(tǒng)可以很方便地設(shè)計各種數(shù)字濾波器,包括IIR、FIR型的四類常用濾波器。(3)界面管理模塊界面管理部分是系統(tǒng)的人機界面,也是體現(xiàn)系統(tǒng)的方便性和友好性之處。建立良好的人機界面,使用者在不了解每一個功能模塊具體實現(xiàn)過程的情況下也能運用自如。具體實現(xiàn)的功能有:振動信號時域波形實時顯示;頻域分析結(jié)果波形顯示;特征參數(shù)值實時顯示;報警功能的可視聽化。據(jù)檢測出來,同時還必須補上一個合適的數(shù)據(jù)?；谡龖B(tài)分布的W.Chaubenent法,假設(shè)錯點5是小概率事件,則數(shù)據(jù)的概率分布為(8)P|<=1-2N式中N數(shù)據(jù)總數(shù)最大誤差數(shù)據(jù)隨機變量根據(jù)正態(tài)分布規(guī)

20、律,W.Chaubenent建立了判據(jù)(9),數(shù)據(jù)最大誤差滿足(9)式時,即認為是錯點。判別式為>K式中K(9)3主要技術(shù)問題及解決方法3.1數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)中最大誤差W.Chaubenent判據(jù)的統(tǒng)計量由于系統(tǒng)的輸入信號為軸承旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動信號,具有較寬的頻率范圍。軸承行業(yè)標準中要求電子測量系統(tǒng)具有5010000Hz的頻率響3應(yīng),而采樣定理又規(guī)定采樣頻率應(yīng)至少大于信號最高頻率的2倍。通過編寫VxD驅(qū)動程序來實現(xiàn)Windows操作系統(tǒng)下DMA數(shù)據(jù)采樣方式。3.2數(shù)據(jù)預(yù)處理由于傳感器的零點漂移,經(jīng)過放大電路后會造成信號很大的漂移,對后面的數(shù)據(jù)處理有很大的影響。例如,這種零漂會造成信號有效值的

21、增大。故要對采樣的信號先做零均值處理。采樣得到的原始數(shù)據(jù)常常會出現(xiàn)一些過高或過低的數(shù)據(jù),使虛假的數(shù)據(jù)摻入正常數(shù)據(jù)之中,它們可能是由于噪聲、信號失真、傳感器失靈等各種原因造成,這種虛假數(shù)據(jù)給分析或處理帶來很多麻煩。例如,計算軸承振動信號的峰值時會因為錯點的出現(xiàn)而完全失去意義,也會使單邊功率譜密度嚴重偏置。因此在分析之前,必須把虛假數(shù)由于機械旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的低頻周期信號會疊加在軸承的振動信號中,造成軸承振動信號的失真,尤其是會掩蓋故障沖擊響應(yīng)信號。一般情況下,軸承振動測量儀系統(tǒng)的主軸旋轉(zhuǎn)頻率為1800rmin,其頻率為30Hz,相對軸承的振動信號,這種信號的頻率較低,為了提高軸承振動信號的信噪比,需要

22、通過初始低通濾波器,濾除這種低頻干擾。在軟件設(shè)計時,考慮到系統(tǒng)的靈活性,對于初始濾波器的參數(shù),可以由用戶自行設(shè)置。4系統(tǒng)應(yīng)用舉例圖4是該儀器系統(tǒng)的虛擬測試面板,顯示的是608-2ZP5軸承的各種特征參數(shù)的界面。圖中顯示的軸承各種特征參數(shù)基本滿足要求,為一合格產(chǎn)品。對于有缺陷的軸承,數(shù)據(jù)下的虛擬按鈕就會閃爍。對于沒有經(jīng)驗的用戶只需從屏幕上觀察有無閃爍,就能斷定軸承有無故障,而且可以根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)再結(jié)合顯示的頻譜圖判斷屬于哪類故障。圖4系統(tǒng)測試面板© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserve

23、d.軸承2002年第12期3941CN41-1148THBearing2002,No.12DPH-C便攜式動平衡儀高冰,李志遠,鐘小濱,王希舜1122(1.合肥工業(yè)大學(xué),安徽合肥230009;2.洛陽軸承研究所,河南洛陽471039)摘要:介紹DPH-C便攜式動平衡儀的測量原理、工作性能及應(yīng)用場合。關(guān)鍵詞:動平衡儀;振動;位移;測量;性能中圖分類號:TH823文獻標識碼:B文章編號:1000-3762(2002)12-0039-03幾乎所有的旋轉(zhuǎn)體都存在不平衡問題。對于加工設(shè)備而言,這種現(xiàn)象影響軸系的旋轉(zhuǎn)精度,導(dǎo)致加工質(zhì)量劣化,甚至?xí)档驮O(shè)備的使用壽命,在高速加工的場合尤為嚴重。為了解決上述問

24、題,通常要對旋轉(zhuǎn)體進行平衡。對磨床砂輪的平衡就是一個典型范例。便攜式動平衡儀是針對解決盤狀旋轉(zhuǎn)體動平衡問題而開發(fā)的產(chǎn)品。因其精度收稿日期:2002-04-25作者簡介:高冰,女,合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生。高、價格便宜、使用方便等特點深受用戶歡迎?，F(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用在機械工業(yè)的各個領(lǐng)域,如軸承加工、高速主軸卡盤試驗機和鼓風(fēng)機葉片等旋轉(zhuǎn)體的平衡。1儀器的測量原理一個盤狀的旋轉(zhuǎn)體,如果質(zhì)量分布不均勻,其重心就可能會偏離旋轉(zhuǎn)中心即產(chǎn)生不平衡量。當物體旋轉(zhuǎn)時,不平衡量將引起呈現(xiàn)正弦規(guī)5結(jié)束語本文研制的評價軸承質(zhì)量的新型虛擬儀器系統(tǒng)具有以下幾個顯著特點:(1)采用模塊化設(shè)計,便于維修和功能擴展,以滿足用戶的多

25、樣化需要。(2)提供了目前國內(nèi)廣泛使用的軸承振動測量儀的幾乎所有功能,并擴充了許多功能。(3)軟件操作簡單,功能強大,界面友好。用戶只需輕松點擊,就可在計算機終端,觀察到各種特征參數(shù)、波形和頻譜分析情況等。(4)由于采用單個傳感器測試,處理數(shù)據(jù)量較少,既可作在線特征參數(shù)計算、在線頻域分析且實時性好,又可作離線數(shù)據(jù)分析。(5)備有揚聲器,可監(jiān)控軸承噪聲。(6)儀器診斷準確率達98.87%。但該儀器對軸承還不能實現(xiàn)自動分辨等級。Windows操作系統(tǒng)下的虛擬儀器技術(shù)給使用者帶來了很大的方便,但當數(shù)據(jù)量較大時,如在采用多傳感器進行測試時,還存在棘手的“實時”問題,有待進一步改進。參考文獻:1王蘭省,李振海.虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)J.測控技設(shè)計J.電子測量與儀器學(xué)報,1999,13(1):51-55.3JBT5313S.4李國徽等.VisualC+6.