基于虚拟仪器滚动轴承故障分析系统开发_学士学位论文.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文 -i- 基于虚拟仪器滚动轴承故障分析系统开发 摘 要 滚动轴承是在旋转机械中应用最广泛的部件，是机械动力传动部件， 旋转机械的故障约有 30是因滚动轴承引起的。由于工作条件恶劣，长期 承受载荷和传递载荷，轴承极易疲劳、裂纹、腐蚀、磨损等，导致其断裂， 造成事故。这种故障信号是一种典型的宽频带脉冲调制信号, 从含有噪声 的振动信号中有效地提取出冲击脉冲信号是振动轴承故障诊断的关键。通 过对滚动轴承工作特性及其故障研究，分析了滚动轴承振动机理与失效形 式，设计了故障模拟实验台，搭建了测量装置，运用共振解调分析与希尔 伯特变换作为滚动轴承故障诊断的方法，开发了基于 labview 软件的滚动 轴承故障诊断系统，通过对振动信号的采集和故障频率的自动识别，实现 了在线检测故障的目的。为了确保分析数据的正确性，本文当中引入了小 波函数，通过对不同频段的信号进行包络谱分析，确保故障诊断的准确性。 通过实验台模拟内圈故障现象以及轴承故障诊断程序的运行，故障结论是 一致的，证明了该轴承故障诊断系统的准确性。 关键词关键词： 滚动轴承；故障诊断；labview；希尔伯特变换；共振解调 哈尔滨理工大学学士学位论文 -ii- development of fault analysis system for rolling bearing based on virtual instrument abstract rolling bearing is the most widely used components in rotating machinery, mechanical power transmission components, about 30% of rotating machinery fault is caused by rolling bearings. because of the bad working conditions, load for a long time and load, bearing easily fatigue, crack, corrosion, wear, etc., lead to the rupture and cause an accident. the fault signal is a typical broadband pulse modulation signals, from vibration signal containing noise effectively extract the shock pulse signal is the key to the vibration of bearing fault diagnosis. through the study of rolling bearing working characteristic and its failure, analyzes the rolling bearing vibration mechanism and failure modes, fault simulation test bench was designed and set up a measuring device, using resonance demodulation analysis and hilbert transform as the rolling bearing fault diagnosis methods, the development of rolling bearing fault diagnosis system based on labview software, through the collection of vibration signal and fault frequency automatic identification, realized the purpose of online detection fault. in order to ensure the accuracy of the data analysis, this paper introduces the wavelet function, based on the different frequency band of signal envelope spectrum analysis, ensure the accuracy of fault diagnosis. through simulation test bench and bearing inner ring malfunctions fault diagnosis program is running, the fault conclusion is consistent, proved that the accuracy of bearing fault diagnosis system. key words: rolling bearing, fault diagnosis, hilbert change,labview,resonance demodulation 哈尔滨理工大学学士学位论文 -iii- 目录目录 摘 要 .i abstract.ii 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题研究的目的与意义 .1 1.2 国内外研究现状 .2 1.3 研究的主要内容 .4 第 2 章 滚动轴承及故障的基本理论 .5 2.1 轴承的分类和基本结构 .5 2.2 滚动轴承的损伤分析 .6 2.3.1 滚动轴承故障类型9 2.3.2 滚动轴承的固有振动频率9 2.3.3 滚动轴承特征频率.10 2.4 轴承振动信号处理 11 2.4.1 低通滤波包络解调法.12 2.4.2 希尔伯特变换及包络谱算法.12 2.5 本章小结 14 第 3 章 滚动轴承故障模拟试验台 .15 3.1 滚动轴承故障模拟试验台方案 15 3.2 滚动轴承试验台结构设计 15 3.3 控制系统和数据采集系统设计 17 3.3.1 控制系统.17 3.3.2 数据采集系统.18 3.4 本章小结 20 第 4 章 轴承故障诊断软件设计 .21 4.1 虚拟仪器概述 21 4.2 labview 的含义.22 4.3 基于虚拟仪器轴承故障诊断程序开发 22 4.4 本章小结 28 第 5 章 轴承故障诊断实验 .29 5.1 轴承实验台参数设置 29 5.2 轴承故障模拟与分析 29 5.2 本章小结 32 结论 33 致谢 34 参考文献 35 附录 a.36 哈尔滨理工大学学士学位论文 -1- 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的目的与意义 轴承一直是各种机械中应用最广泛的通用部件，其运行状态直接影响 整台机器的性能、寿命、功能和效率，机械设备诊断中的重点是旋转机械 的故障检测，而滚动轴承是旋转机械的重要组成部件，许多的故障都是滚 动轴承的故障引起的。滚动轴承比较容易受损，并且由于滚动轴承的使用 环境不同导致使用寿命也有很大的差别。据统计旋转机械的故障有 30%是 由轴承引起的，由于工作条件恶劣，长期承受载荷和传递载荷，轴承极易 疲劳、裂纹、腐蚀、磨损等，导致其断裂，造成事故。滚动轴承的寿命离 散性很大，对其进行定期维修是不可取的，因此，滚动轴承故障诊断工作 十分重要。滚动轴承能否正常工作对机器的工作状况有很大的影响。在精 密机械中对轴承的要求更高，轴承滚道上极微小的故障都是不能容忍的， 在故障发生之前通过一些方法对其监控，把故障在初期消除做到预知维护， 不仅提高了生产效率而且大大的节省了维修费用，所以滚动轴承的故障检 测有着非常重要的意义。 一旦由于轴承的疲劳损伤、磨损、腐蚀及操作不当而产生的故障，就 会导致轻则影响机械设备的正常运行，重则带来人民生命和财产的巨大损 失。因此随着工业社会的高速发展和进步，及时的发现并排除轴承故障责 任重大。在过去，轴承作为关键部件往往需要定时维修以免发生严重事故， 但实际使用过程中，一些超过使用寿命但完好的轴承被报废，而有些未达 到设计寿命的轴承却已经出现故障，这样势必造成浪费或严重的机械故障。 因此，对于具有重要用途的轴承仅是定时维修时是十分不科学的，开展轴 承的状态监测和故障诊断，改变传统的定期为预知维修，不但可以防止机 械系统的性能下降，减少事故发生，而且还能避免浪费可用部件，对于最 大限度地发挥轴承的工作能力，具有重要的意义。 开展轴承故障诊断研究除了具有实际意义之外，还具有深刻的理论意 义。通过实施故障诊断技术，带动与故障诊断有关的一系列相关理论，如 信号采集、信号分析、模式识别等相关科学的发展，在实际中检验理论， 寻找最佳故障诊断方法，进一步完善机械设备故障诊断学，同时也为下一 代产品的优化设计、正确制造提供反馈信息及理论依据。在经济方面，正 确地对各类轴承的异常或故障进行分析以便确定最佳维修决策，发挥大型 机械系统最大的运行能力和使用效率，可明显提高运营经济效益。 机械设备诊断在工业高度自动化方面具有重要意义，由于机械设备越 哈尔滨理工大学学士学位论文 -2- 来越精密，各个部分之间关系越来越紧密，工作强度不断增大，任何一处 危险的故障就会产生一系列的连锁反应，导致设备损坏，与此同时影响其 他设备的工作进度，整个系统处于瘫痪中，造成巨大的经济损失，甚至危 及人身安全，后果非常严重。 综上所述，旋转机械的安全、正常运转可以避免重大的经济损失、严 重事故和人员伤亡。滚动轴承是选装机械的重要组成部分。 本文主要针 对滚动轴承机械故障进行试验台模拟实验及理论分析，获取相关故障的振 动信号的产生机理及故障特征提取和诊断方法，探讨滚动轴承故障的分析 方法和识别方法，这对于轴承制造行业和其他机械行业非常重要，在经济 和社会方面都有一定的意义。 滚动轴承最大的特点就是寿命离散性很大,因此对其进行定时维修是 不可取的,要进行工况监控和故障诊断。随着计算机和相关技术的发展,笔 者利用虚拟仪器技术开发滚动轴承的测试诊断系统,以实现快速可靠检测。 成虚拟仪器的实质是,利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控 制面板，以多种形式表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现 信号数据的运算、分析和处理;利用 i/o 接口设备完成信号的采集测量与 调理,从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。使用者用鼠标或键 盘操作虚拟面板, 就如同使仪器一样。 1.2 国内外研究现状 目前，轴承故障诊断技术仍以时频分析为主，如时频分析中常用的均 方根值（rms） 、峰值和峭度值等、频域基于周期信号的倒谱分析及高频 响应技术（hfrt）等，这些轴承诊断都受到多方面的限制，如诊断面不 能大于 6.25mm，这边造成了很多状态检测的漏检从而导致发生严重的事 故。在诊断与生产的协调方面，当监测到一个致命故障时，往往被迫停机， 也带来了许多不方便和生成效率低下的问题，因此，轴承故障诊断更重要 的是要着眼于预测寿命和故障发展状况，以便提前做好生产维修安排和计 划。只有具备可靠的预兆检测功能，轴承维修和更换才能做到有的放矢。 滚动轴承的状态检测与故障诊断开始于 20 世纪 60 年代。在其后 20 多年的时间里，随着科学技术的不断发展，各种方法和技巧不断产生、发 展和完善，使应用领域不断扩大。一般认为，轴承工况检测与故障诊断技 术的发展可分为四个阶段。 第一阶段：利用通过的频谱分析仪诊断轴承故障。20 世纪 60 年代中 期，由于快速傅里叶变换技术的出现和发展，使振动信号的频谱分析技术 得到了很大的发展。人们根据故障的滚动轴承元件所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来判断轴承的故障。 第二阶段：利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。20 世纪 60 年代末，瑞 哈尔滨理工大学学士学位论文 -3- 典仪器公司根据各个钢制轴承元件表面损伤后在受载情况下接触时要产生 冲击引起高频压缩波的现象开发了一种称为冲击脉冲的仪器来检测轴承故 障，并且不需要进行频谱分析，所以他一经发明便很快被美国、英国等工 业发达国家所采用的。早期的脉冲冲击只用来检测轴承的局部损伤类故障， 后来，随着这一技术的不断发展和完善，世界上其他一些国家的公司和厂 家相继开发出各种更新代换产品，这些仪器不但用于检测轴承局部损伤类 故障，而且用来检测轴承的润滑情况甚至油膜的厚度等。 第三个阶段:利用共振解调技术诊断轴承故障，1974 年，美国波音公 司的 dr. harting 发明了一项叫做“共振解调分析系统”的专利技术，这 就是中国现在统称的“共振解调技术”的雏形。采用共振解调技术由于放 大（谐振）和分离（带通滤波）了故障特征信号，极大地提高了信噪比， 所以比较容易地诊断出故障来。 第四阶段：开发以微机为中心的滚动轴承工况监视与故障诊断系统。 20 世纪 80 年代以后，随着微机技术同飞猛进的发展，开发以微机为中心 的波动轴承工况监视与故障诊断系统引起了国外研究者的重视。由于设备 故障诊断理论的发展和新的信号测试与处理方法的出现，人们还使用了多 种其他有效的方法和技巧来诊断滚动轴承的故障。 从 20 世纪 60 年代开始，经过世界各国研究人员近 40 年的努力，滚 动轴承的诊断技术已走向了实际的应用阶段。目前，美、英、日、俄等工 业发达的国家相继开发了以微机为主的滚动轴承状态监测与诊断系统、如 bently 公司的 rebam 系统、俄罗斯的 vast 公司开发的滚动轴承自动诊 断系统 dream。国内的起步尽管较晚，但是在轴承诊断技术的研究和开 发上也取得了令人瞩目的成绩，如航空航天部 608 研究所唐德尧等人开发 的 jk8342 齿轮轴承故障分析仪和铁路货车的 jk86411 滚动轴承自动试验 诊断系统，以及南京航空航天大学诊断所的赵淳生等人开发的 mds 系列 轴承故障诊断系统等。 小波变换是一种有利的工具，在轴承诊断领域中应用最多的还是其降 噪功能，martin 已证明了使用傅里叶变换诊断轴承故障会受限制，hitherto 时频分析是最普遍的非静态振动信号的分析方法。小波变换（wt）可以弥 补傅里叶变换的不足。国内多数研究侧重于对故障信息提取算法的研究， 包括基于小波变换、遗传算法与神经网络算法的故障信息识别方法等，这 些研究虽能够提高故障诊断的准确性，但是分析过程复杂，计算量较大， 难以实现在线诊断1。 而国外因起步较早，无论从硬件还是软件上，故障诊断技术都发展较 快。但是基于 labview 软件的故障诊断研究，无论国内还是国外只是处于 起步阶段，目前还只是用 labview 软件实现简单的数据采集、显示、滤波 和频谱分析等。 因此，研究基于虚拟仪器滚动轴承故障分析技术与方法是非常有意义 哈尔滨理工大学学士学位论文 -4- 的。 1.3 研究的主要内容 该课题主要是开发基于虚拟仪器的轴承故障检测分析系统。所以对于 轴承的故障特征对于我们完成该系统是非常重要的，因为使轴承失效的原 因很多，比如点蚀、化学腐蚀、干摩擦等等，都会引起轴承的产生故障， 所以很难确认是什么原因导致轴承产生故障。本文根据轴承的故障特征， 主要要完成的任务有下面几个方面 1.搭建滚动轴承故障模拟实验台，组建振动信号测量硬件系统； 2.研究多故障信息提取技术。用 labview 8.5 应用程序开发多故障信 息提取程序模块，该模块能够同时对振动信号的时域特征参数、幅值域特 征参数、频域特征参数等进行计算，并将计算结果实时显示出来； 3.开发时频分析系统。该系统能将轴承振动信号的数据进行保存和回 放，也可将振动信号波形、相关曲线、幅频谱、功率谱等曲线实时显示出 来，便于用户分析、观测，和诊断; 4.开发滚动轴承故障信号仿真与分析程序。该程序能够实现 labview 与 matlab 软件交互式访问功能，充分利用二者各自的编程优势，实现故障 信号的仿真与分析。 哈尔滨理工大学学士学位论文 -5- 第 2 章 滚动轴承及故障的基本理论 2.1 轴承的分类和基本结构 1.滑动轴承的分类和基本结构 滑动轴承根据摩擦状态和润滑方式可以分为： （1）下摩擦轴承，又分为无润滑轴承和固体润滑轴承，采用固体润 滑，为固体摩擦方式。 （2）含油轴承，浸渍润滑方式，固体、边界、流体混合摩擦。 （3）不完全油膜轴承，摩擦方式同（2） ，但润滑采用了滴油、油绳、 油垫方式。 （4）动压轴承，为流体摩擦，备有循环润滑系统。 （5）静压轴承，同（4） 。 滑动轴承一般由轴承座、轴瓦和润滑系统组成，工作时轴颈在轴承中 旋转带动润滑油形成动压油膜，考油膜压力与外载荷相抵来实现支撑并保 证轴颈灵活转动。动压油膜不仅是载荷的传递体，而且也是避免轴颈有轴 承直接接触的中介物质。油压模的性质和工作状态将严重影响润滑轴承的 工作品质。由于油压模的形成和性质不仅与轴承结构本身有关，还与工作 条件、供油系统及环境因素等相关，这一点决定了滑动轴承故障的特殊性 和复杂性1。 2.滚动轴承的分类 （1）按承受载荷的方向分 向心轴承：主要承受径向载荷，公称接触角 045；推力轴承： 主要承受轴向载荷，公称接触角 4590。 （2）按滚动体的形状分 按滚动题的形状可分为球轴承和滚子轴承，滚子轴承又分为圆柱滚子 轴承、针滚子轴承、圆锥滚子轴承和调心滚子轴承 （3）按是否具有调心性分 调心轴承：滚道为球面，能适应两滚道轴心线间的角位移；非调心轴 承：能阻抗两滚道轴心线间的角位移。 （4）按滚动体的列数分 按滚动体的列数可分为单列、双列、多列轴承。 （5）按滚动体是否分离分 按滚动体是否分离可分为可分离轴承和不可分离轴承。 （6）按轴承公称外径 d 的大小分 微型轴承：d26mm； 哈尔滨理工大学学士学位论文 -6- 小型轴承：28mmd55mm； 中、小型轴承：60mmd115mm； 中、大型轴承：120mmd190mm； 大型轴承：220d430mm； 特大型轴承:d440mm。 3.滚动轴承的基本结构 滚动轴承，在支承负荷和彼此相对运动的零件间做滚动运动的轴承， 一般是有内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成，如下图 2-1 所示 图 2-1 深沟球轴承 （1）内圈。通常装配在轴上，在多数情况下，内圈是与轴一起旋转 的。内圈外表面上有供钢球和滚子的沟槽，称内沟或内滚道。 （2）外圈。通常装配在轴承座或壳体上，起支承钢球和滚子的作用。 有些轴承是外圈旋转，内圈固定起支承作用。外圈内表面上也有供钢球或 滚子滚动的和沟槽，称为外沟或外滚道。 （3）滚动体。在内圈和外圈的滚道之间滚动，他的大小和数量决定 着轴承的承载能力。 （4）保持架。把轴承中的一组滚动体均等地相互隔开，以免互相碰 撞，并使每个滚动体均匀地并且轮流地承受相等的负荷。在推力轴承中与 轴紧配的套圈叫紧圈，与轴承座或机械壳体相配的叫活圈。 此外，根据机械部件对轴承性能要求的不同，轴承的结构有所差异。 有的轴承无内圈或无外圈或内、外圈都没有，有的轴承中海油铆钉、防尘 盖、密封盖以及安装调整时用的止动垫圈、紧定套和螺母等零件。 2.2 滚动轴承的损伤分析 滚动轴承虽然不如滑动轴承在一般机械中的广泛应用，但是由于本身 具备的一些独特的优点，使得它在高速、高精度、重载、结构上要求剖分、 径向尺寸受限等场合下忍占有重要的地位。再实际工作中，由于各方面的 的原因，滑动轴承却不能达到其应有的寿命，过早地出现了损伤，从而影 响了正常生产，人们所说的的轴承失效是指在负荷超标或工作条件恶劣的 哈尔滨理工大学学士学位论文 -7- 情况下，轴承未能达到设计的寿命的提前失效，滑动轴承的失效形式机理 错综复杂，下面就对其主要失效形式和机理进行简要的分析。 1. 擦伤 如果缺油，轴承与轴颈表面的金属就会直接接触，导致工作表面产生 擦痕而出现损伤。如果不添加润滑油，残油可能被完全挤出，轴与轴承的 干摩擦是温度剧增，使轴承材料变软、熔化、产生黏连迁移，导致滑动轴 承严重损坏。产生擦伤的主要原因是过度超负荷使用、局部才和集中、油 道不畅或堵塞、过滤器失效，以及由于油温过高、间隙配合过大、油稀释 等原因造成油膜难以形成；或者是润焕油中的杂质嵌入减摩层中形成应质 点，经过一定时间后，其高度打与轴承间隙时，也会在工作表面磨出沟来。 此外，还有一种微振磨损。当轴承不旋转而仅受到振动时，由于滚动 体和滚道接触面有微小的反复的滑动而产生了磨损，在滚道表面上形成振 纹状的磨痕，轴承运行时将增加磨损。 2. 磨损 磨损是一种表面损伤等现象，也是滑动轴承工作时不可避免的一种损 伤，按照磨损的机理的不同，磨损失效主要包括黏附磨损和磨粒磨损。黏 附磨损产生于边界润滑条件下，油膜破坏或是异物嵌入轴承金属表面，导 致轴和轴承的金属表面在局部直接接触，摩擦发热使油温升高，黏度降低， 有时发热导致表面金属流动产生黏连，严重时使机械顷刻间无法运转。如 果周与轴承出现瞬间干摩擦，或润滑油中的杂质进入轴与轴承之间，常常 会发生魔粒磨损，润滑不良及磨屑得不到有效的滤清，滑动轴承磨损及加 剧，影响正常的工作，导致提前失效。 3.疲劳 滑动轴承往往工作在交变载荷下，若应力超过了材料的疲劳强度，经 过一的应力循环，轴承的表面便会产生裂纹，且裂纹会沿着最大应力方向 由表面、向内部扩展。除此之外，油膜层的破裂使轴承发生咬黏，由此造 成的伤痕亦可产生新的疲劳。一般情况下，疲劳裂纹由表面向里扩展至结 合面附近，当这些裂纹沿结合面彼此相遇时，就会引起轴承合金材料和镀 层的脱落，轴承表面出现不规则的伤痕，即出现疲劳损伤，最后导致轴承 失效。 4.腐蚀 使用没有防腐涂层的金属表面往往会发生腐蚀，这是因为润滑油中残 留有少量的水或者是其他酸性物质，经长期高温工作后，氧化生成了有机 酸，从而轴承合金造成了腐蚀，产生凹坑和溃烂，减少了轴承的支撑面积， 并妨碍油膜的形成。 5.汽蚀 重载、高速运转的情况下，滑动轴承工作表面与轴颈表面间的油膜压 哈尔滨理工大学学士学位论文 -8- 力低于润滑油在该温度的饱和蒸汽压力以下时，会形成小的气泡，若随后 润滑油压力升高或气泡跑到压力较高的区域使气泡消失，气泡周围的润滑 油迅速地补充到原气泡出，使轴承表面受到强烈冲击，该压力波的作用面 积很小但量值很高，会引起表面塑性变形而是工作应力升高，最后导致轴 承表面局部剥落，这种现象称为汽蚀。 6.油膜涡动 利用动压油膜工作的滑动轴承虽有许多优点，但同时也带来了由于动 力失效而产生的油膜涡动和油膜振筋问题，它是造成回转机械亚同步振动 的重要因素之一。亚同步振动又称自激振动，其振动频率低于转子的回转 频率，由于这种差异而在转子和定子中产生交变应力，并且这种振动常常 在某个转速下突然发生，因而对回转机械具有极大的危害性。 7.烧瓦 当轴承长时间缺乏润滑、装配间隙过大或过小、局部偏大或偏小、超 载运转，以及轴承间存在着杂质或异物，使轴承间压力油膜不易形成，破 坏了油膜的承载能力，这些都将使轴承产生“过热” ，引起轴瓦材料软化， 甚至发生局部熔化黏结在一起，最后导致烧瓦。这是最为严重的损伤之一， 往往会立即造成事故。 8.过热 对于一个正常的滑动轴承来说，其油温或轴表面温度应该有一定的分 布规律，而当轴承的任何环节发生变化时，都可能引起油温或轴承温度的 变化，如承载能力不足、供油不充分、油脂劣化、涡动剧烈、超载运行等， 因此油温不仅滑动轴承工作状态的综合指标，也是滑动轴承故障消息的一 个重要载体。 2.3 滚动轴承的故障特征 滚动轴承的损伤失效形式很多，其基本形式主要介绍如下 1.磨损失效。磨损失效是轴承滚道、滚动体、保持架、孔座或安装轴 承的轴颈，由于机械原因引起的表面磨损。磨料的存在是产生轴承磨损的 基本原因。 2.疲劳失效。表现为滚动体或滚道表面剥落或脱落，主要是由于疲劳 应力造成的。 3.腐蚀失效。轴承零件表面的腐蚀是有下面三种原因造成的：润滑油、 水分或湿气的化学腐蚀；轴承表面间有较大的电流通过造成的电腐蚀；轴 承套圈在座孔中或轴颈上产生微小相对运动而造成的微振动。 4.断裂失效。轴承零件的破断或裂纹主要由磨削、热处理、运行载荷 过大、转速过高、润滑不良、装配不善、产生过大的热应力而引起的。 5.压痕失效。压痕是在滚道或滚动体表面上产生局部变形而出现的凹 坑，他既可能是由于过载、撞击，也可能是由于装配敲击或异物落入滚道 哈尔滨理工大学学士学位论文 -9- 而形成。 6.胶合失效。胶合指滚道和滚动体表面由于受热而局部融合在一起的 现象。常见出现在高速、高温、重载、润滑不良、启动加速度过大等情况。 在工作的过程中，滚动轴承造成的振动通常分为两类：其一为与轴承 的弹性有关的振动；其二是与轴承滚动表面的状况（波纹、伤痕）有关的 振动。前者不论轴承正常或异常，振动都要发生，他虽与滚动轴承的异常 状态无关，但却决定了振动系统的传递性，后者则反映了轴承的损伤情况。 2.3.1 滚动轴承故障类型 本文指出滚动轴承的几何结构如图 2-2 所示，滚动轴承主要有内圈、 外圈、滚动体和保持架组成，保持架用于确保滚动体的间距相等。滚动体 数目被记为 n，滚子直径为 d，滚动体的滚动范围或保持架的直径为 d。 球与滚道之间的接触点的特点是由接触角 决定。 轴承故障可分为分布式故障和局部式故障。分布式故障影响整个区域 并且通过检测不同频率很难提出其特征。相反，单点故障是局部故障并且 可以根据以下影响因素进行归类： 外圈故障； 内圈故障； 滚动体故障。 其它类型故障本文暂不讨论，例如：保持架故障。 图 2-2 滚动轴承的几何形状示意图 2.3.2 滚动轴承的固有振动频率 轴承工作时，滚动体与内圈外圈之间可能产生冲击而诱发轴承元件的 振动，这种振动是一种强迫振动，当振动频率与轴承元件固有频率相等时 滚动轴承外圈 滚动体 滚动轴承内圈 哈尔滨理工大学学士学位论文 -10- 振动加剧。固有频率仅取决于元件本身的材料、形状和质量，而与轴的转 速无关。钢球的固有频率为，计算公式如下式 2-1。 （2- 0.24 2 ba e f r 1） 式中 钢球的半径，m；r 材料密度，kg/m； 钢球的弹性模量，n/m。e 当滚动轴承为钢材时，其内、外圈固有频率可用式 2-2 计算即 （2- 2 5 ( , ) 2 2 (1) 9.40 10 +1 i o hn n f d n 2） 式中 圆圈的厚度，mm；h 圆圈中性轴的直径，m；d 节点数。 n 一般滚动轴承元件固有频率有数千赫到数十千赫23，是频率非常高的振 动。 2.3.3 滚动轴承特征频率 滚动轴承是旋转机械中重要元件，他支撑着机械设备中的旋转结构， 设备运行中的大部分能量都要传递到轴承上。轴承失效很容易导致设备中 其他元件的损坏。滚动轴承发生的故障，一般包括磨损故障和损伤性故障。 磨损故障是由于轴承零件的磨损造成间隙间隙逐渐变大，振动增强。这是 一种渐变性的故障，振动波形变化无一定规律，随机性较强，但通频带振 动幅值变化往往能明显反映其严重程度。损伤性故障是指轴承元件表面出 现损伤，包括滚珠、滚道等表面点蚀、金属剥落或擦伤等。当轴承元件滚 过表面损伤点时，即会产生突变的冲击脉冲力，引起轴承和设备的共振， 这是损伤类故障的基本特点。磨损类故障一般有较长的发展过程，可以通 过定期的轴承振动总量检测，作趋势分析进行预测预报。而损伤类故障是 一种突发性突发性较强又比较危险，早期症状较难识别的一类故障，也是 进行故障诊断时需要重点研究的。 滚动轴承在运行过程中，轴承元件表面的损伤点反复撞击与之相接触 的其他元件表面而产生周期性冲击振动成分，冲击振动的频率一般在 1khz 以下，该频率称为轴承故障特征频率。对于外圈固定，内圈旋转轴承，特 哈尔滨理工大学学士学位论文 -11- 征频率可用以下公式计算： 内圈故障频率： （2- 1 (1cos) 2 icr d fnf d 3） 外圈故障频率： （2- 1 (1cos) 2 ocr d fnf d 4） 滚动体故障频率： （2- 2 1 (cos) bcr dd ff dd 5） 保持架故障频率： （2- 1 (1cos) 2 cer d ff d 6） 式中：fr 为轴旋转频率；n 为滚子个数；d 为滚子直径；d 为轴承节 径；为轴承的压力角。轴承故障诊断的关键就是获取这些特征信息。如果 无法得到所测轴承的几何尺寸，可按轴承滚子数 n 来估算其内、外圈的故 障频率。其中内圈故障特征频率约为 0.6nfr，外圈故障特征频率约为 0.4nfr。 2.4 轴承振动信号处理 当轴承元件表面产生局部损伤时，轴承系统在运转时就会产生周期性 的脉冲激励，而脉冲响应是一宽频带信号，在其高频区必然会包含加速度 计或某些机械结构的谐振频率，激起较大的响应。这些响应频率作为载波 频率与滚动轴承的故障频率会发生调制。因此通过高频解调方法可以将轴 承故障频率信号从高频信号中解调出来，从而有效提高滚动轴承故障信号 的信噪比4。 共振解调法主要利用轴承或轴承座结构的共振频率，对获取的冲击响 应信号还要进行解调处理，剔除结构共振成份，也就是将无用的信息成分 去掉，将故障信息提取出来，最后对解调后的信号作详细的频谱分析，可 以诊断出故障发生的具体部位。通过对信号进行 hilbert 变换求出包络谱可 以很好的实现这一效果。常见的有采用 hilbert 变换求包络方法。该文根据 通信信号中的调制与解调原理，并利用 hilbert 变换求包络谱技术，最后给 哈尔滨理工大学学士学位论文 -12- 出了该算法在滚动轴承故障诊断中的应用。 包络解调法是故障诊断技术中较常用的一种方法，他可非常有效地识 别弄些冲击震动，从而找到该冲击振动的振源。例如，当轴承和齿轮表面 因疲劳或应力集中而产生剥落和损伤时，会产生周期性的冲击振动信号， 振动信号包括两部分分别为载频信号和调制信号，载频信号频率成分较高 是各种随机干扰信号的频率和系统的自由震荡信号的频率，调制信号是被 包络线所包围、频率较低的信号，多为故障信号。 因此，若要进行故障分析，就必须把低频信号（或调制信号）从高频 信号（或载频信号）中分离出来。这种处理方法称为信号的包络解调。对 分离出来的包络信号进行特征频率和幅值分析，就能准确可靠地诊断出如 轴承和齿轮的疲劳、切齿、剥落等故障。 常用的包络解调法有如下两种方法：低通滤波包络解调法和希尔伯特 变换解调法。 2.4.1 低通滤波包络解调法 低通滤波包络法的步骤是： 1.将信号低通滤波，从而得到的低频脉冲信号； 2.将信号进行绝对值处理； 3.平滑信号； 4.功率谱分析，分析脉冲信号的周期。 低通滤波包络法解调法用于轴承诊断时，不仅可以根据某种高频固有 振动的是否出现，判断轴承是否异常；而且还可以根据包络信号的频率成 分识别产生缺陷的轴承元件（如内圈、外圈和滚动体） 。 低通滤波包络法解调可以避免其他成分的干扰，从高频调制信号中将 故障相关信号提取出来，诊断的可靠性和灵敏度都非常高。其主要缺点以 一是信号的幅值量发生了变化，二是对于信号的起始和末尾部分有较大的 误差，并且信号相位滞后。 2.4.2 希尔伯特变换及包络谱算法 将希尔伯特变换（hilbert）应用到机械故障诊断中效果十分明显，很 容易证明调幅和调频表现为总合成矢量与载波矢量在幅值与频率上的相对 变化。因此，只要能设法求出总矢量的变化过程，解调就有可能。总合成 矢量分为实部和虚部，实部通常就是已知的待解调的时域信号，而虚部因 频谱的偶对称性，所以各谱线相互抵销57。 1.希尔伯特变换的基本原理 设 x(t)为一个实时域信号，其 hilbert 变换定义为： 哈尔滨理工大学学士学位论文 -13- (2-7) 1( )1 ( )( ) x h tdx t tt 则原始信号 x(t)与它的 hilbert 变换信号能够组成一个新的解析信号 z(t)：( )h t (3-8)( )( )( )( ) j t z tx tjh ta t e 其幅值 (2-9) 22 ( )( )( )( )a tz tx th t 便为原始信号 x(t)的幅值解调信号。 (2-10) ( ) ( )arctan ( ) h t t x t 为相位信号。相位信号的导数即为瞬时频率，即频率解调信号： (2-11) ( ) ( ) dt t dt 或 (2-12) 1( ) ( ) 2 dt f t dt 2.hilbert 变换计算原理 根据傅立叶变换原理知 (2-13) 0 1 ()sin ( )0 00 jf fjg fjf t f 则信号x(t)的 hilbert 变换在频域中的表达式为 (2-14) ( )0 ( )( )0 00 j x ff h fj x ff f 能够看出，hilbert 变换相当于一个幅频特性为 1 的全通滤波器，信号 x(t) 通过 hilbert 变换后，幅值不变，只是对负频率做了+90 相移，正频率做 了-90 相移。根据式(2-14)，采用 hilbert 变换的包络解调计算流程的如下： （1）将待分析信号x(n)通过傅里叶变换得到它的频域函数 x(k)。 （2） 将正频率相移，负频率相移，得到经过相移的频域/2/2 函数 x(k)。 （3）对 x(k)进行傅里叶逆变换得到时域信号 x(n)，它即是 x(n)的 hilbert 变换 h(n)。 （4） 根据式 x(n)和 h(n)，结合公式(2-13)求得信号 x(n)的包络信号 哈尔滨理工大学学士学位论文 -14- a(n)51。 根据式(2-14)可以看出，hilbert 变换可以采用 fft 来计算，采用 fft 的 hilbert 变换求包络谱的具体流程如图 2-3 所示。 逆fft |z(n)| fftj x(n) h (n) 移相 fft |xa(k)| x(n) 图2-3 hilbert变换求包络谱流程示意图 2.5 本章小结 本章主要介绍轴承的结构，轴承的失效机理和轴承的主要失效形式。 并且通过介绍轴承的失效，介绍了轴承的故障频率的计算及以及对检测到 的复制信号的处理方法。 哈尔滨理工大学学士学位论文 -15- 第 3 章 滚动轴承故障模拟试验台 滚动轴承的运行环境比较复杂，许多因素干扰滚动轴承的运行，例如： 装配不当、润滑不、水分和异物侵入、腐蚀和过载等。考虑到实验环境， 试验台仅模拟滚动轴承内外圈故障的情况。 3.1 滚动轴承故障模拟试验台方案 试验台用于检测滚动轴承的内外圈故障，我们是以轴承的振动信号作 为研究对象。振动检测法发展多年并得到多方面的验证，技术和理论都已 经非常成熟，所以我们只要选对对应的传感器及其他部件，实现该测量过 程还是比较方便的。 在实验过程中，需要分别采集滚动轴承在正常情况下的信号、滚动轴 承内圈故障信号和外圈故障信号，所以轴承座可以更换轴承。电动机带动 滚动轴承运行时，需要提供负载并且负载可以改变，这样实验的效果会更 好，本文中使用直流发电机作为负载。实验需要设计一根主轴，主轴两端 分别连接电动机和直流发电机，主轴与滚动轴承过盈配合，使主轴和滚动 轴承成为一体。 试验台要选择平稳的位置进行安置，这样的实验的效果会更好，要尽 量减小试验环境带来的各种误差。 3.2 滚动轴承试验台结构设计 试验台对轴承采取径向实验，主结构为卧式结构，轴承套在主轴上在 轴承座中只做旋转运动，不受径向、轴向载荷，仅承受扭矩载荷。主轴与 电动机、发电机用柔性联轴器连接，减小了由于轴中心不对称的影响。振 动传感安装在轴承座上，可分式轴承座可以更换实验所用的轴承。 滚动轴承故障试验台的主体结构如图 3-1 所示，实物照片如图 3-2 所 示。主要由电动机、柔性联轴器、主轴、滚动轴承、轴承座、负载发电机、 传感器等组成。电动机、轴承座和发电机固定在底座的滑轨上，调节彼此 之间的距离使达到最好的传动效果。 哈尔滨理工大学学士学位论文 -16- 试验台由动力部分、故障模拟部分和负载组成，直接由该实验室的供 电网络提供电源。 1.动力部分：由 0.25kw 三相异步电动机驱动滚动轴承和直流发电机 旋转。柔性联轴器在轴与电动机、轴与发电机起到了连接的作用，实现扭 矩传递。 2.故障模拟部分：试验台只针对滚动轴承外圈故障和内圈故障，在理 想环境下模拟单一故障，忽略复杂情况。在轴承内外圈分别制造了一个小 凹槽，最后与主轴配合上用卡簧固定，如图 3-3 所示。被测试轴承放在轴 承座中，轴承座通过一个圆环将轴承固定，可以更换故障轴承，轴承座如 图 3-4 所示。 3.负载部分:这里为了模拟轴承在不同情况下的故障，采用了直流大 电机作为负载，来检测轴承在不同转速、不同负载下的振动情况。以便于 我们对轴承的故障作进一步的研究。 1-试验台底座、2-电动机、3、8-柔性联轴器、4-主轴、5-滚动轴承、6-可分式轴承 座、7-振动传感器、9-负载发电机 图 3-1 滚动轴承故障试验台结构示意图 哈尔滨理工大学学士学位论文 -17- 图 3-2 滚动轴承故障模拟试验台图片 图 3-3 内圈故障、外圈故障和组合后实物图 哈尔滨理工大学学士学位论文 -18- 图 3-4 轴承座结构图 3.3 控制系统和数据采集系统设计 3.3.1 控制系统 滚动轴承故障时振动效果是比较微小的，对我们的检测十分不利，我 们设计了控制系统改变负载的大小，将故障信号放大。 直流发电机作为负载使用。自耦调压变压器（tdg2/250）中间通过整 流器整流、电容滤波对其供电，负载发电机发出的电能供外接电阻(r=500 欧姆)消耗。改变负载电阻可以改变负载电流的大小，使故障信息更加明 显以便检测准确。 图 3-6 直流发电机励磁和负载回路实物图 3.3.2 数据采集系统 数据采集系统主要由工业控制计算机、数据采集卡、接线端子扩展卡、 哈尔滨理工大学学士学位论文 -19- 电流互感器、电压互感器、振动传感器、高低通滤波器、电荷放大器等组 成，振动信号接在端子板的 0 通道，电流信号和电压信号分别接在 4 通道 和 8 通道，可以单独采集每个信号也可以同时采集三种信号，整个采集系 统结构如图 3-7 所示。 图 3-7 数据采集系统框图 图 3-8 数据采集系统图片 图 3-8 为数据采集系统的实物照片，数据采集中本文采用单独采集的 方式，分别对每种信号采集以便对每一种信号做简单处理再做分析处理。 工业控制计算机通过研华数据采集卡（pci-1710hg）如图 3-9 所示。 进行采集信号进行分析处理。pci-1710hg 是一款 pci 总线的多功能数据 哈尔滨理工大学学士学位论文 -20- 采集卡，其中包含 12 位 a/d 转换、d/a 转换、数字量输出及计数器/定时 器功能，能够满足用户对测量和控制的要求。数据采集卡连接在螺丝接线 端子扩展板，信号线全部连接在扩展板上，其型号为（pcld-8710） 。 图 3-9 数据采集卡 pci-1710hg 振动加速度传感器安放在轴承座上方，来测量机械振动信号，并且将 振动分析和电信号的分析比较。振动信号经过电荷放大器（ts5862）和高 /低通滤波器（ts3795）处理。其中振动加速度传感器（ts1100）：电荷 灵敏度 sc=7.99 pc/m.s-2。 3.4 本章小结 本章主要介绍轴承故障模拟系统的设计和数据检测系统的的搭建，这 是检测该系统的关键，在本章中介绍的故障模拟是分别对轴承的外圈、内 圈、滚子进行了处理，以一个小的凹坑作为相应的故障。 哈尔滨理工大学学士学位论文 -21- 第 4 章 轴承故障诊断软件设计 4.1 虚拟仪器概述 虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的 密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式， 一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计 算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大， 目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以 通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要 是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。 哈尔滨理工大学学士学位论文 -22- 图 4-1 虚拟仪器方案 虚拟仪器的主要特点有： 1.尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 2.可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功 能更强的仪器。 3.用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器 的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在 这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国 ni 公司的 labview。 虚拟仪器的起源可以追朔到 20 世纪 70 年代，那时计算机测控系统在 国防、航天等领域已经有了相当的发展。pc 机出现以后，仪器级的计算 机化成为可能，甚至在 microsoft 公司的 windows 诞生之前，ni 公司已经 在 macintosh 计算机上推出了 labview2.0 以前的版本。对虚拟仪器和 labview 长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。 普通的 pc 有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测 试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制 定了 vxi 标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保 证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板， 其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的 vxi 机 箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。vxi 仪器价格昂贵，目前 又推出了一种较为便宜的 pxi 标准仪器。 虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。 目前使用较多的是 ieee 488 或 gpib 协议。未来的仪器也应当是网络化的。 4.2 labview 的含义 labview（laboratory virtual instrument engineering）是一种图形化的 编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标 准的数据采集和仪器控制软件。labview 集成了与满足 gpib、vxi、rs- 232 和 rs-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于 应用 tcp/ip、activex 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的 哈尔滨理工大学学士学位论文 -23- 软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程 及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言，又称为“g”语言。使用这种语言编程时，基本 上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人 员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，labview 是一个 面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的