滚动轴承在线检测与故障诊断系统设计

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The Roling Bearing on-Line Test and Fault Diagnosis System DesignZHANG Hua，YANG He-li，WANG Heng-di，DENG Si-er(Mechnical＆Electrical Engineering School of Henan University of Science&Technology，Henan Luoyang 471003，China)Abstract：It describes the system hardware composition and software design method，etc.Signal processing is based on thedesign of Labview inteCace，programming with Matlab Labview mixed thought，and Matlab Script cal/s to the node Matlabvibration signal analysis and processing，and through the u3er interface shows processing resuhs.Tokiong signal singularitydetection and reconstruction as example，it designs the bearings on-line test andfault diagnosis system.Research shows thatthe system has a strongpracticoland versatile。

Key W ords：Labview；M atlab；SignalProcessing；FaultDetection；FaultDiagn osisl I西当今社会，在工业 、军事领域等行业中，要求许许多多的系统进行周期性的维护保养和故障检测诊断，是否能够对系统做出有无故障以及对故障位置做出精确定位的诊断，对提高系统的可靠性、精度等具有相当重要的意义。滚动轴承是关系到货车运输过程是否安全的关键部件之-，也是货车上最容易损坏的零部件之-。正常轴承由于承载结构周期性变化、制造误差等原因在运行中会引起复杂的振动和噪声J2I。

近几年，由于轴承出现故障而引起的热轴、切轴事故等已经成为威胁到货车行车安全的重要因素之-，为避免发生重大交通事故相关部门对轴承的检修非常重视。因此，开展货车滚动轴承故障诊断的研究对货车行车安全有着重大意义¤助 Labview面相用户的图形化编程语言来设计人机交互界面，利用 Matlab对信号进行处理并产生仿真信号，详细设计了硬件和软件的具体实现方法。

2系统总体设计概述整个测试系统采用了虚拟仪器技术，它是-种基于计算机的仪器，仪器发展的-个重要方向就是计算机和仪器的紧密结合。它给出了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径，用它进行理论方面的研究和测试能够大大提高工作效率。虚拟仪器的组成，如图 1所示。

图 1虚拟仪器的组成框图Fig.1 Viaual Instrument Composition Block Diagram整个虚拟仪器由硬件平台和应用软件组成。硬件部分包括传感器、数据采集设备、A/D转化器等。应用软件采用了拈化的程序设计思想。

2.1硬件系统2.1.1传感器选用传感器是信号输入通道的第-个重要环节，也是决定整个测试系统性能好坏的关键环节之-。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件、灵敏度、分辨力等情况下，应重点考虑经济成本、相配电路是否简单、可靠性等因素进行选择，旧能选择性价比高的传感器。

由于数据采集的工作现撤境温度较高、试验环境也比较恶劣、要求精度高、抗外界干扰能力强等因素，又由于滚动轴承振动的故障信号频率成分很丰富，频带也很宽，并且故障信息常常反映在中频段和高频段，所以现有的测量轴承振动信号所用的传感器大都是加速度传感器，所用传感器-般为压电加速度传感器。选用压电加速度传感器主要是看谐振频率的大校来稿日期：2012-07-05基金项 目：河南侍育厅自然科学研究项目(2011460071)作者简介：杨贺丽，(1984-)，女，河南洛阳人，硕士研究生，主要研究方向：轴承故障检测；邓四二，(1963-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向：滚动轴承仿真技术研究，滚动轴承测试技术和滚动轴承特种加工工艺技术研究张 华等：滚动轴承在线检测与故障诊断系统设计 第5期2.1.2信号采集设备信号采集设备是将经过信号调理系统的模拟量进行采集然后转换成计算机能够识别处理的数字量，即A/D转换，本系统选用 USB2810A数据采集卡，它是-种基于 USB总线的数据采集卡，可直接插在计算机的 USB接口上 ，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。也可构成工业生产过程监控系统。

USB2810A数据采集卡的技术参数：模拟输入通道数：32路(单端)或 16路(差分)模拟输入：A/D转化器分辨率 12位模拟输入采样率：1 00ks以微机为中枢的货车滚动轴承振动监测与诊断系统的硬件结构框图，如图2所示。-般来说，被监测的机器设备中的滚动轴承有多个 ，而每个滚动轴承需要布置-到两个测量点，分别测量径向振动和轴向振动，每个测量点位置需要安装-个压电加速度传感器以用来拾取滚动轴承的振动信号，加速度传感器后接电荷放大器以用于把振动信号转换和放大，电荷放大器后连接共振解调器，把振动信号进行谐波检波等的处理后经A/D进入计算机。

数据 贝采 车滚 集动 装轴 置承 A/n 图2硬件结构框图Fig.2 Hardware Structure Diagram2.2软件设计系统软件分为 I/O接口软件 、仪器驱动软件、应用软件开发环境三个组成部分3I。LABVIEW的基本单位是 .。通过分层次和拈化的设计，我们可以事先设计出不同功能的子 ，再根据需要进行功能组合，从而完成大型复杂测试任务H。软件平台是整个测试系统的核心，labview语言是-种具有各种仪器驱动程序和高频信号分析子函数。软件系统的设计采取了拈化的编程思想，通过 Labview和 Matlab的共同编程方式，依据系统的需求，设计了数据采集 、数据处理、数据存储 、结果显示等几个拈 ，同时也进行了调试和集成。软件系统拈，如图3所示。

图3软件系统拈图Fig.3 Software System Module Chart数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统，整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件。它是采集传感器输出的模拟信号并将其转换成计算机能识别的数字信号，然后送人计算机，根据不同的需要计算机进行相应的计算和处理，得 所需要的数据。与此同时将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中-部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集软件流程，如网4所示。

图4数据采集软件流程图Fig.4 Data Acquisition Software Flow Chart3故障诊断如果滚动轴承元件表面有麻点、擦伤 、压痕等，则滚动轴承整个系统在工作时就会产生周期性的脉冲激励，因为脉冲响应的是宽频带信号，所以在其高频区内必然会包含有压电加速度传感器或某些机械结构的谐振频率，激起较大的响应 ，而这些响应频率与滚动轴承的故障频率产生调制。因此，利用高频解调的方法可以将轴承故障诊断的频率信号从高频带信号中解调出来，从而有效的提高滚动轴承故障信号的信噪比。对于滚动轴承振动的频谱结构，可分为三个部 51。

(1)低频段的频谱(1kHz以下)此频段包含有轴承的故障特征频率和加工、装配误差引起的振动特征频率等。通过对低频段的谱线进行分析能够诊断出是否有故障以及轴承故障的类型等，但是因为机械中其他的零部件及结构极易影响到此频段，并且由于在故障初期能够反映出局部损伤类故障的信息特征频率成分的信号能量弱，往往被其背景噪声所掩盖，因此利用低频段的频谱判断轴承初期的故障比较困难，但是根据低频段的分析可以将轴承装配不对中、不平衡等故障诊断出来。

(2)中频段的频谱(1～20)kHz此频段主要是轴承元件表面损伤引起的轴承外圈的固有振动信息。根据对此频段内的振动频谱的分析准确的诊断出轴承的局部损伤类故障。此频段通常采用高通滤波器滤去低频段的信号，消除由于振动所引起的干扰等，然后再对滤波后信号进行分析处理，从而判断出轴承故障以及共振解调技术，获得信噪比较高的振动信号 ，进而分析轴承故障和故障位置、严重程度等。

(3)高频段的频谱(20kHz以上)如果测量用的加速度传感器谐振频率较高即其谐振频率在 40kHz以上，那么由于轴承表面损伤而引起的冲击在 20kHz以上的频率也有能量分布，所以测得的轴承信号中含有20kHz以上的高频成分。对此高频信号No.5Mav.20l3 机械设计与制造 45进行频谱分析也能够诊断出轴承的相应故障。

4实例分析实验是基于 Matlab软件，以353 1 30X2-2RZ型轴承为例对其故障进行了仿真分析。原始信号是带有奇异点的故障信号，如图5所示。采用 db4小波对故障信号进行检测分析，由图 5可以看出信号的不连续是因为低频特征的正弦信号在后半部分突然有高频特征的正弦信号加入而引起的。db4小波进行2层分解示意图，如图 6所示。

0 100 200 300 4O0 500 60O 700 800 900 1000图5原始信号Fig.5 The Original Signal广--------T--------]0---------------------------- - j - - - -靠- - 。

百 二 二 二 二 二 二 m - - - - - - - - - 图6 db4小波进行2层分解示意图Fig.6 db4 Wavelet Layer 2 Decomposition Schematic Diagram由图6可以看出，此信号的-阶微分曲线在t500点处，有非常明显的不连续～其信号进行db4小波分解之后，第-层的高频部分 d1将振动信号的不连续点显示得非常明显，也即是说该振动信号的不连续点发生在信号的中部。同时也可以看出利用小波分析进行振动信号的不连续点定位是非常精确的。

5结束语系统基于Labview设计用户界面，具有高精度 、运行稳、实时性好、抗干扰能力强、性价比高等特点，可以在各种工业诚中广泛应用。运用模极大值理论的信号奇异性检测，算法简单，结果可靠、稳定，此信号处理方法不会减少信号的长度，特别适合于信号的奇异性检测研究。设计的滚动轴承在线监测与故障诊断系统将Labview与Matlab相结合.对相关硬件及拈进行了软件设计，实现了数据的采集、分析与处理、显示、诊断等功能。最后利用采集的数据进行测试.结果表明，此系统设计的总体思路适用于滚动轴承的故障诊断，实现了故障部件快速、准确检测，达到了预期的设计效果。