基于共振解調(diào)技術(shù)的滾動軸承故障自動診斷系統(tǒng)

1、收稿日期:2002年8月基于共振解調(diào)技術(shù)的滾動軸承故障自動診斷系統(tǒng)王青松1彭東林1郭小渝21重慶大學(xué)2重慶工學(xué)院摘要:介紹了基于共振解調(diào)技術(shù)的滾動軸承故障診斷原理、特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法, 開發(fā)了可在線自動檢測和診斷滾動軸承故障的軟件系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:滾動軸承, 故障診斷, 共振解調(diào), 自動診斷R esonance 2demodulation 2based Automatic Diagnosis System for R olling B earing s F aultsWang Qings ong Peng Donglin G uo X iaoyuAbstract :The principle , fe

2、atures and realizing method of the fault diagnosis of rolling bearings based on the res onance de 2m odulation technology are introduced , and a s oftware system which can automatically detect and bearing s faults online is developed.K eyw ords :rolling bearing , fault diagnosis , res onance , 1件。機(jī)器

3、正常運(yùn)行的重要手段。近二十多年來, 隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展, 滾動軸承故障診斷技術(shù)也在不斷發(fā)展與完善。當(dāng)滾動軸承出現(xiàn)故障時, 通常很難直接檢測出故障信號, 一般是以軸承故障引發(fā)的二次效應(yīng)(振動和噪聲 的變化作為故障診斷依據(jù)。因此, 滾動軸承故障檢測方法可根據(jù)二次效應(yīng)的不同特性分為振動檢測法和噪聲檢測法兩大類。在各種振動檢測方法中, 時域診斷法發(fā)展較早, 它是通過時域信號圖象分析, 根據(jù)振動信號的基本數(shù)字特征及概率分布特征來診斷滾動軸承故障。目前較常用的特征參量有平均值、峰值、均方根值(或均方值 、方差、概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)以及峰值因子、波形因子、脈沖因子、峭度因子

4、等無量綱特征參量。頻域診斷法則是通過對軸承振動信號進(jìn)行頻譜分析, 結(jié)合頻譜圖的頻率結(jié)構(gòu)以及特征頻率的和頻與差頻分析對滾動軸承故障進(jìn)行診斷。頻域分析方法一般主要用于對軸承早期故障進(jìn)行精密診斷, 共振解調(diào)技術(shù)是頻域診斷中一種最有效的手段。此外, 隨著小波分析技術(shù)的推廣應(yīng)用, 時間頻率分析方法也得到了有效應(yīng)用。噪聲檢測方法主要是利用AE 信號進(jìn)行故障診斷, 但由于易受軸承噪聲之外其它聲源的干擾影響, 。滾兩種途徑實(shí)現(xiàn)。聲強(qiáng)檢測法是一種較新的技術(shù), 研究表明, 它對軸承故障的診斷較聲壓檢測法更為有效1。2共振解調(diào)法故障診斷原理滾動軸承的內(nèi)、外圈、滾動體等元件表面在運(yùn)行過程中易發(fā)生局部損傷(如點(diǎn)蝕、剝落

5、、裂紋、擦傷等 , 此類損傷與缺陷故障必然會引起運(yùn)動沖擊。但由于沖擊持續(xù)時間短, 能量發(fā)散的頻域范圍廣, 落在振動頻率范圍內(nèi)的能量分量很小, 因此, 若直接對包含故障沖擊的振動信號進(jìn)行頻譜分析并據(jù)此診斷軸承故障, 就可能出現(xiàn)雖已發(fā)生故障但頻譜圖上卻反映不出來的現(xiàn)象。共振是一種常見物理現(xiàn)象, 即當(dāng)外加激振力等于系統(tǒng)固有頻率時, 系統(tǒng)振動的振幅將達(dá)到最大值。采用共振解調(diào)技術(shù)診斷軸承損傷類故障的基本原理(見圖1 可描述如下:當(dāng)軸承某一元件表面出現(xiàn)局部損傷時, 在受載運(yùn)行過程中將與其它元件表面發(fā)生撞擊, 從而產(chǎn)生能量集中的沖擊脈沖力。由于沖擊脈沖力的頻帶較寬, 其中必然包含軸承外圈、傳感器、 附加諧振

6、器等各自固有頻率激發(fā)的相應(yīng)的高頻固有振動?？筛鶕?jù)實(shí)際需要選擇某一高頻固有振動作為研究對象, 利用其中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器將該固有振動分離出來, 然后通過包絡(luò)檢波器去除高頻衰減振動的頻率成分, 得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號, 通過對這一包絡(luò)信號進(jìn)行頻譜分析即可診斷出軸承故障。542003年第37卷2 圖1共振解調(diào)故障診斷原理示意圖3共振解調(diào)法故障診斷技術(shù)特點(diǎn)共振解調(diào)故障診斷技術(shù)又稱為早期故障檢測(Incipient Failure Detection , IFD 技術(shù), 它是利用共振解調(diào)原理對沖擊故障進(jìn)行檢測診斷。由于可有效利用滾動軸承的特有信息, 因此具有很高的靈敏度和可靠

7、性。該技術(shù)具有以下特點(diǎn): 共振解調(diào)波與故障沖擊存在一一對應(yīng)關(guān)系, 有故障才有譜線, 無故障則無譜線。共振解調(diào)幅值與故障沖擊強(qiáng)度成正比, 因此可度量故障大小。信噪比高。, , 成分使共振解調(diào)沖擊故障頻率呈現(xiàn)多階性。實(shí)施共振解調(diào)故障診斷的主要手段是對共振解調(diào)信號進(jìn)行傅立葉變換。共振解調(diào)技術(shù)“無故障即無譜線”、“故障頻率呈多階性”等特點(diǎn)為簡化故障診斷步驟以及自動診斷軟件的設(shè)計提供了理論依據(jù)。采用共振解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)滾動軸承故障診斷的基本環(huán)節(jié)如圖2所示。圖2共振解調(diào)法故障診斷的基本環(huán)節(jié)4滾動軸承故障的自動診斷當(dāng)滾動軸承發(fā)生損傷類故障時, 必然產(chǎn)生低頻沖擊和振動, 并引起高頻共振波。利用軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中因故障引起

8、低頻沖擊所產(chǎn)生的高頻分量, 激起高頻諧振器(傳感器 的共振, 再對高頻共振波進(jìn)行解調(diào)處理, 即可獲得一個剔除了低頻振動干擾、但富含故障信息的共振解調(diào)波。通過對此共振解調(diào)波進(jìn)行幅值和頻譜分析, 即可在故障特征頻率及其倍頻處觀察到清晰的譜峰, 而不含故障沖擊信息的信號卻不會在共振解調(diào)波的頻譜圖中出現(xiàn)譜峰, 據(jù)此很容易確定故障發(fā)生部位。由于滾動軸承的種類和型號不同, 其典型故障的特征頻率也不相同, 故障診斷時不可能通過大量故障實(shí)驗來確定每種滾動軸承的特征頻率。因此, 應(yīng)采用主動診斷法來實(shí)現(xiàn)滾動軸承故障的自動診斷, 即以理論公式為依據(jù)計算出故障的特征頻率, 并通過與頻譜分析結(jié)果進(jìn)行對照以診斷出故障。設(shè)

9、軸承外圈固定不動, 軸的轉(zhuǎn)動頻率為f (H z , 軸承節(jié)徑為D (mm , 滾動體直徑為d (mm , 滾動體個數(shù)為z , 并假定滾動體與內(nèi)、外圈之間作純滾動接觸, 則滾動軸承各元件故障的特征頻率計算公式分別為2:內(nèi)圈故障:f i =2(1+Dcos f ; 外圈故障:f o =2(1-D cos f ; :f r =2d 1-f ; :f c =2(1-D, 此外由于頻譜分析分辨率的原因也可能引起診斷誤差, 因此在實(shí)際診斷時可設(shè)定一個頻率誤差范圍f 。采用共振解調(diào)技術(shù)的滾動軸承故障自動診斷方法的具體實(shí)施步驟如下:輸入被檢測滾動軸承的型號及相關(guān)參數(shù); 系統(tǒng)自動計算各滾動軸承的故障特征頻率,

10、并生成故障頻率表; 布置傳感器, 檢測故障信號; 系統(tǒng)對測得信號自動進(jìn)行解調(diào)處理和頻譜分析; 系統(tǒng)對故障頻率表與頻譜圖中的特征譜峰自動進(jìn)行比較, 診斷出發(fā)生故障的軸承; 根據(jù)進(jìn)一步的頻譜分析, 診斷出發(fā)生故障的軸承元件以及損傷程度; 系統(tǒng)自動輸出診斷結(jié)果。5滾動軸承故障自動診斷系統(tǒng)的開發(fā)根據(jù)上述滾動軸承故障診斷原理及方法, 我們應(yīng)某軸承制造廠的要求, 開發(fā)了滾動軸承故障自動診斷軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有良好兼容性, 可與現(xiàn)有的各種通用軸承檢測儀配套使用。該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于它不是簡單給出整個被測軸承合格或不合格的定性結(jié)論, 而是根據(jù)滾動軸承的本征動力學(xué)特性構(gòu)造出數(shù)理模型, 從而準(zhǔn)確診斷出軸承外圈、內(nèi)圈、

11、鋼球、保持架等元件各自的碰傷程度以及粗糙度、清潔度等故障類型及其具體量值。該系統(tǒng)的在線檢測和診斷界面如圖3所示。6結(jié)語將共振解調(diào)技術(shù)應(yīng)用于滾動軸承故障的自動診斷具有操作簡便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn), 尤其當(dāng)滾動軸承的多個元件同時存在隨機(jī)故障時, 應(yīng)用一般的振動64工具技術(shù) 圖3系統(tǒng)在線檢測和診斷界面分析方法很難診斷, 而利用共振解調(diào)法卻可以對此類復(fù)雜故障作出精確診斷。該方法的缺點(diǎn)是信號處理過程較復(fù)雜。此外, 應(yīng)用共振解調(diào)法診斷軸承故障時, 監(jiān)測頻帶的選擇對診斷結(jié)果的正確性具有決定性影響, 因此必須予以高度重視。參考文獻(xiàn)1沈壕. 聲學(xué)測量. 北京:科學(xué)出版社,19862梅宏斌等. 用包絡(luò)分析法診斷滾動軸

12、承故障. 軸承,1993(83王肇琪等. 滾動軸承故障的振動檢測方法. 有色礦山,1999(14高興. 滾動軸承故障的精密診斷技術(shù). 有色設(shè)備,1994(35梅宏斌. 滾動軸承振動監(jiān)測與診斷. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19966謝志江. 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù). 重慶:重慶大學(xué)出版社,1998第一作者:王青松, 在讀碩士研究生, 重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗室,400044重慶市收稿日期:2002年5月螺桿鉆具、螺桿泵性能計算機(jī)輔助測試系統(tǒng)的設(shè)計朱振杰1宋欽聚1馬金奎1劉延俊1趙峰21山東大學(xué)2山東電力建設(shè)第二公司摘要:開發(fā)了螺桿鉆具、螺桿泵性能計算機(jī)輔助測試(C AT 系統(tǒng), 介紹了該系統(tǒng)

13、的硬件構(gòu)成以及數(shù)據(jù)采集處理軟件的模塊功能及設(shè)計方法。關(guān)鍵詞:螺桿鉆具, 螺桿泵, 計算機(jī)輔助測試, 動態(tài)數(shù)據(jù)交換Design of CAT System for Scre w Drilling Tools and Scre w Drilling MotorsZhu Zhenjie 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 acquisition &process s oftware are introduced.K eyw ords :screw drilling tool , screw drilling m otor , C AT , 1引言作業(yè)機(jī)具, 率。在交付用戶使用前, 需要對螺桿鉆具、螺桿泵