基于共振解調(diào)技術(shù)的滾動(dòng)軸承故障自動(dòng)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(dòng)軸承故障自動(dòng)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(dòng)軸承故障診斷原理、特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法, 開(kāi)發(fā)了可在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和診斷滾動(dòng)軸承故障的軟件系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:滾動(dòng)軸承, 故障診斷, 共振解調(diào), 自動(dòng)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(lái), 隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展, 滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)也在不斷發(fā)展與完善。當(dāng)滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障時(shí), 通常很難直接檢測(cè)出故障信號(hào), 一般是以軸承故障引發(fā)的二次效應(yīng)(振動(dòng)和噪聲 的變化作為故障診斷依據(jù)。因此, 滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)方法可根據(jù)二次效應(yīng)的不同特性分為振動(dòng)檢測(cè)法和噪聲檢測(cè)法兩大類(lèi)。在各種振動(dòng)檢測(cè)方法中, 時(shí)域診斷法發(fā)展較早, 它是通過(guò)時(shí)域信號(hào)圖象分析, 根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的基本數(shù)字特征及概率分布特征來(lái)診斷滾動(dòng)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(wú)量綱特征參量。頻域診斷法則是通過(guò)對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)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(duì)滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行診斷。頻域分析方法一般主要用于對(duì)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(shí)間頻率分析方法也得到了有效應(yīng)用。噪聲檢測(cè)方法主要是利用AE 信號(hào)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(cè)法是一種較新的技術(shù), 研究表明, 它對(duì)軸承故障的診斷較聲壓檢測(cè)法更為有效1。2共振解調(diào)法故障診斷原理滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外圈、滾動(dòng)體等元件表面在運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生局部損傷(如點(diǎn)蝕、剝落

5、、裂紋、擦傷等 , 此類(lèi)損傷與缺陷故障必然會(huì)引起運(yùn)動(dòng)沖擊。但由于沖擊持續(xù)時(shí)間短, 能量發(fā)散的頻域范圍廣, 落在振動(dòng)頻率范圍內(nèi)的能量分量很小, 因此, 若直接對(duì)包含故障沖擊的振動(dòng)信號(hào)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(lái)的現(xiàn)象。共振是一種常見(jiàn)物理現(xiàn)象, 即當(dāng)外加激振力等于系統(tǒng)固有頻率時(shí), 系統(tǒng)振動(dòng)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(lèi)故障的基本原理(見(jiàn)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(shí), 在受載運(yùn)行過(guò)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(dòng)?？筛鶕?jù)實(shí)際需要選擇某一高頻固有振動(dòng)作為研究對(duì)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(dòng)分離出來(lái), 然后通過(guò)包絡(luò)檢波器去除高頻衰減振動(dòng)的頻率成分, 得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號(hào), 通過(guò)對(duì)這一包絡(luò)信號(hào)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(chēng)為早期故障檢測(cè)(Incipient Failure Detection , IFD 技術(shù), 它是利用共振解調(diào)原理對(duì)沖擊故障進(jìn)行檢測(cè)診斷。由于可有效利用滾動(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系, 有故障才有譜線(xiàn), 無(wú)故障則無(wú)譜線(xiàn)。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(duì)共振解調(diào)信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換。共振解調(diào)技術(shù)“無(wú)故障即無(wú)譜線(xiàn)”、“故障頻率呈多階性”等特點(diǎn)為簡(jiǎn)化故障診斷步驟以及自動(dòng)診斷軟件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。采用共振解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)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(dòng)軸承故障的自動(dòng)診斷當(dāng)滾動(dòng)軸承發(fā)生損傷類(lèi)故障時(shí), 必然產(chǎn)生低頻沖擊和振動(dòng), 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(duì)高頻共振波進(jìn)行解調(diào)處理, 即可獲得一個(gè)剔除了低頻振動(dòng)干擾、但富含故障信息的共振解調(diào)波。通過(guò)對(duì)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(guān)察到清晰的譜峰, 而不含故障沖擊信息的信號(hào)卻不會(huì)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(dòng)軸承的種類(lèi)和型號(hào)不同, 其典型故障的特征頻率也不相同, 故障診斷時(shí)不可能通過(guò)大量故障實(shí)驗(yàn)來(lái)確定每種滾動(dòng)軸承的特征頻率。因此, 應(yīng)采用主動(dòng)診斷法來(lái)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承故障的自動(dòng)診斷, 即以理論公式為依據(jù)計(jì)算出故障的特征頻率, 并通過(guò)與頻譜分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)照以診斷出故障。設(shè)

9、軸承外圈固定不動(dòng), 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為f (H z , 軸承節(jié)徑為D (mm , 滾動(dòng)體直徑為d (mm , 滾動(dòng)體個(gè)數(shù)為z , 并假定滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈之間作純滾動(dòng)接觸, 則滾動(dòng)軸承各元件故障的特征頻率計(jì)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(shí)可設(shè)定一個(gè)頻率誤差范圍f 。采用共振解調(diào)技術(shù)的滾動(dòng)軸承故障自動(dòng)診斷方法的具體實(shí)施步驟如下:輸入被檢測(cè)滾動(dòng)軸承的型號(hào)及相關(guān)參數(shù); 系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算各滾動(dòng)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(cè)故障信號(hào); 系統(tǒng)對(duì)測(cè)得信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行解調(diào)處理和頻譜分析; 系統(tǒng)對(duì)故障頻率表與頻譜圖中的特征譜峰自動(dòng)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(dòng)輸出診斷結(jié)果。5滾動(dòng)軸承故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)根據(jù)上述滾動(dòng)軸承故障診斷原理及方法, 我們應(yīng)某軸承制造廠(chǎng)的要求, 開(kāi)發(fā)了滾動(dòng)軸承故障自動(dòng)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(cè)儀配套使用。該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于它不是簡(jiǎn)單給出整個(gè)被測(cè)軸承合格或不合格的定性結(jié)論, 而是根據(jù)滾動(dòng)軸承的本征動(dòng)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(lèi)型及其具體量值。該系統(tǒng)的在線(xiàn)檢測(cè)和診斷界面如圖3所示。6結(jié)語(yǔ)將共振解調(diào)技術(shù)應(yīng)用于滾動(dòng)軸承故障的自動(dòng)診斷具有操作簡(jiǎn)便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn), 尤其當(dāng)滾動(dòng)軸承的多個(gè)元件同時(shí)存在隨機(jī)故障時(shí), 應(yīng)用一般的振動(dòng)64工具技術(shù) 圖3系統(tǒng)在線(xiàn)檢測(cè)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(duì)此類(lèi)復(fù)雜故障作出精確診斷。該方法的缺點(diǎn)是信號(hào)處理過(guò)程較復(fù)雜。此外, 應(yīng)用共振解調(diào)法診斷軸承故障時(shí), 監(jiān)測(cè)頻帶的選擇對(duì)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(cè)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(dòng)軸

12、承故障. 軸承,1993(83王肇琪等. 滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)檢測(cè)方法. 有色礦山,1999(14高興. 滾動(dòng)軸承故障的精密診斷技術(shù). 有色設(shè)備,1994(35梅宏斌. 滾動(dòng)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)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(cè)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(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,400044重慶市收稿日期:2002年5月螺桿鉆具、螺桿泵性能計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)了螺桿鉆具、螺桿泵性能計(jì)算機(jī)輔助測(cè)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(jì)方法。關(guān)鍵詞:螺桿鉆具, 螺桿泵, 計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試, 動(dòng)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(hù)使用前, 需要對(duì)螺桿鉆具、螺桿泵