基于LabVIEW的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1、東 北 大 學(xué)研 究 生 考 試 試 卷評(píng)分考試科目： 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析與處理 課程編號(hào)： 閱 卷 人： 考試日期： 2015.1 姓 名： 王萬(wàn)振 學(xué) 號(hào)： 1400494 注 意 事 項(xiàng)1考 前 研 究 生 將 上 述 項(xiàng) 目 填 寫 清 楚2字 跡 要 清 楚，保 持 卷 面 清 潔3交 卷 時(shí) 請(qǐng) 將 本 試 卷 和 題 簽 一 起 上 交東北大學(xué)研究生院基于LabVIEW的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 摘要 滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最常用的部件，在生產(chǎn)中起著關(guān)鍵性作用，因此其運(yùn)行狀態(tài)是否正常往往直接影響整臺(tái)機(jī)器的性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械中由于滾動(dòng)軸承損傷而引起的故障占到大約30%，因此對(duì)滾動(dòng)

2、軸承故障診斷的研究有很大的實(shí)際意義。本文先對(duì)滾動(dòng)軸承的故障診斷技術(shù)按發(fā)展階段進(jìn)行了概述。接著介紹了本診斷系統(tǒng)是如何搭建的，同時(shí)介紹了軸承診斷的一些方法以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。第三部分是基于LabVIEW的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，也是本文的重點(diǎn)。最后通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的分析，判斷出軸承的故障類型。本文的目的是建立一套基于LabVIEW的比較完整和可行的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)，并對(duì)實(shí)踐起到一定的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；故障診斷；LabVIEW；診斷系統(tǒng)目錄1引言32滾動(dòng)軸承障診斷技術(shù)概述33診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)53.1 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理53.2 滾動(dòng)軸承的故障類型53.3 LabVIEW的主

3、要特點(diǎn)53.4 本課題的分析方法63.5軸承診斷經(jīng)驗(yàn)公式73.6 系統(tǒng)的搭建84軸承故障診斷分析94.1時(shí)域分析94.2頻域分析115結(jié)論13參考文獻(xiàn)131引言滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的機(jī)械部件，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中起著關(guān)鍵的作用，同時(shí)也是機(jī)械設(shè)備中最易損故障零件之一，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)是否正常直接影響整機(jī)的性能。所以正確診斷軸承故障，對(duì)延長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的使用壽命、節(jié)省維修費(fèi)用、保證機(jī)器設(shè)備正常運(yùn)行、避免事故有很大的實(shí)際意義。本文將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讀入到在LabVIEW中搭建的系統(tǒng)中，通過時(shí)域分析、倒頻分析、功率譜分析、FFT分析、短時(shí)FFT分析、Hilbet分析、小波分析等方法對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)

4、行了故障診斷，并確定了滾動(dòng)軸承的故障類型。2滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)概述最原始的方法是將聽音棒(或螺絲刀)接觸軸承座部，靠聽覺來(lái)判斷有無(wú)故障。雖然訓(xùn)練有素的人能覺察到軸承剛發(fā)生的疲勞剝落與損傷部位，但受主觀因素的影響較大。后來(lái)出現(xiàn)了各種測(cè)振儀，可用振動(dòng)位移、速度或加速度的均方根值和峰值來(lái)判斷軸承有無(wú)故障，這可以減少對(duì)人為經(jīng)驗(yàn)的依賴，但仍很難發(fā)現(xiàn)早期故障隨著對(duì)滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的深入研究，加之，快速傅立葉變換技術(shù)的發(fā)展，開創(chuàng)了用頻域分析方法來(lái)檢測(cè)和診斷軸承的故障。（就技術(shù)手段而言，故障診斷已逐步形成以振動(dòng)測(cè)試、油樣分析、溫度監(jiān)測(cè)等為主，其他技術(shù)或方法為輔的局面。這其中又以振動(dòng)診斷涉及的領(lǐng)域最為

5、廣泛，理論基礎(chǔ)最為雄厚、研究最為充分。振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法分為時(shí)域分析和頻域分析，時(shí)域分析方法比較簡(jiǎn)便，適宜于噪聲干擾小的場(chǎng)合，是簡(jiǎn)易診斷的好方法；頻域診斷方法中，共振解調(diào)方法最為可靠，而且非常成熟，適宜于軸承故障的精密診斷）隨著滾動(dòng)軸承信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已有多種信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于滾動(dòng)軸承的故障診斷和監(jiān)測(cè)。如頻率細(xì)化技術(shù)、倒頻譜等，在信號(hào)預(yù)處理上采用了各種濾波技術(shù)，如相干波，自適應(yīng)濾波等，提高了診斷靈敏度。但是先進(jìn)的理論需要先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和儀器儀表的支持，否則其研究、設(shè)計(jì)、應(yīng)用都很難發(fā)展。目前，用于診斷軸承故障的儀器設(shè)備采用的故障診斷信號(hào)識(shí)別主要是模擬檢測(cè)系統(tǒng)，如FFT分析儀、幅值分析儀、電平記錄

6、儀等。但是，這些傳統(tǒng)的診斷儀器儀器功能單一、價(jià)格昂貴。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以軟件為核心的虛擬儀器彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)試儀器的不足，虛擬儀器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能和突出的性價(jià)比，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸和存儲(chǔ)等方面的限制。虛擬儀器技術(shù)在國(guó)外發(fā)展很快，以美國(guó)Nl公司為代表的一批廠商己經(jīng)在市場(chǎng)上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商業(yè)化儀器產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng),如清華大學(xué)汽車系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)裝置等。國(guó)內(nèi)有幾十家企業(yè)在研制PC虛擬儀器，如哈工大儀器王電子有限責(zé)任公司就是其中之一。3診

7、斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)機(jī)理 當(dāng)滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，一般是外圈與軸承座或機(jī)殼相連接，固定或相對(duì)固定，內(nèi)圈與機(jī)械的傳動(dòng)軸相連接，隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)軸以一定速度并在一定荷載下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承滾動(dòng)表面損傷的形式和軸承軸的旋轉(zhuǎn)速度，決定了激振力的頻率，軸承和外殼決定了振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞特性。因此，振動(dòng)系統(tǒng)的最終頻率，由以上二者共同決定。引起滾動(dòng)軸承振動(dòng)的因素很多，有本身軸承轉(zhuǎn)動(dòng)引起的振動(dòng)，有由于人為因素引起的振動(dòng)，也有由于軸承產(chǎn)生故障以后引起的故障。3.2 滾動(dòng)軸承的故障類型 磨損失效。磨損是滾動(dòng)軸承中最常見的一種失效形式，在滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，滾動(dòng)體和套圈之間存在滑動(dòng)，這些滑動(dòng)會(huì)引起零件接觸面的磨

8、損。當(dāng)磨損量較大時(shí)，軸承便產(chǎn)生游隙噪聲，振動(dòng)增大。疲勞失效。在滾動(dòng)軸承中，滾動(dòng)體或套圈滾動(dòng)表面由于接觸負(fù)荷的反復(fù)作用，從表面下形成細(xì)小裂紋，隨著以后的持續(xù)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，裂紋逐步發(fā)展到表面，致使材料像巖塊一樣裂開，直至金屬表面層產(chǎn)生片狀或點(diǎn)坑狀剝落。軸承的這種失效形式叫疲勞失效。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)疲勞剝落，其振動(dòng)和噪聲都將急劇惡化。腐蝕失效。腐蝕失效包括化學(xué)腐蝕和電腐蝕。壓痕失效。壓痕失效也稱為塑性失效，這種失效會(huì)在軸承的表面形成凹坑。 斷裂失效。這種失效形式是比較嚴(yán)重的失效類型，不僅是軸承自身不能再使用，而且會(huì)對(duì)其他零部件造成損壞。膠合失效。這種失效形式一般產(chǎn)生在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中。點(diǎn)蝕失效。這種失效比

9、較常見，而且軸承外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體都會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕失效。3.3 LabVIEW的主要特點(diǎn) （1）人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單（基于G語(yǔ)言），能夠直觀的顯示軸承振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻域波形、參數(shù)值、頻域波形和診斷結(jié)論，完成檢測(cè)波形的存儲(chǔ)和查詢。（2）利用第三方軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，體現(xiàn)虛擬儀器和PC機(jī)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)。（3）能同時(shí)采用多種手段進(jìn)行診斷，可以提高診斷的準(zhǔn)確性。另外，虛擬儀器相比硬件分析設(shè)備，節(jié)省的經(jīng)濟(jì)成本。3.4 本課題的分析方法本課題分析的方法主要有時(shí)域法、倒頻分析、功率譜分析、FFT分析、短時(shí)FFT分析、Hilbet分析、小波分析。時(shí)域分析法。時(shí)域波形反映信號(hào)的幅值隨著時(shí)間變化而變化的關(guān)系，時(shí)域波

10、形直觀、易于觀察，可以通過對(duì)時(shí)域波形特征參數(shù)的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承早期故障的診斷。使用的數(shù)字特征有：峰 值、均方根植、方差等有量綱特征參量和自相關(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、峭度系數(shù)等無(wú)量綱特征參量。峰值反映的是某時(shí)刻振幅的最大值，因而它適用于像表面點(diǎn)蝕損傷之類的具有瞬時(shí)沖擊的診斷。另外，對(duì)于轉(zhuǎn)速較低(如300r/min以下)的情況也采用峰值進(jìn)行診斷。均值在工程測(cè)試中描述的是靜態(tài)物理量，如靜力等，其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)較峰值穩(wěn)定，但一般用于轉(zhuǎn)速較高的情況(如300r/min)。均方根值應(yīng)用于像磨損之類的振幅值隨時(shí)間緩慢變化的故障診斷。峭度系數(shù)對(duì)滾動(dòng)軸承的點(diǎn)蝕很敏感，是滾動(dòng)軸承診斷的重要

11、參數(shù)。比如：滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)是正態(tài)分布的，其峭度值約為3，當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，其峭度值大于3。頻域分析法。頻域分析法是把復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)分解為多個(gè)不同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)信號(hào)，以頻率為變量來(lái)描述信號(hào)的方法。軸承的振動(dòng)頻譜分為低頻、中頻和高頻三個(gè)頻段。低頻信號(hào)是指頻率低于IKHz的振動(dòng)，由于實(shí)際工作中的滾動(dòng)軸承的故障頻率通常都在IKHz以下，因此，可以直接通過振動(dòng)信號(hào)的波形圖或根據(jù)頻譜圖上相應(yīng)的特征譜線狀況對(duì)可能的故障原因加以確定；中頻信號(hào)的頻率范圍為IKHz一ZOKHz，在此頻段可采用共振解調(diào)方法進(jìn)行故障診斷；高頻信號(hào)的頻率范圍是20KHz一80KHz，可利用加速度傳感器的諧振或?qū)ｉT設(shè)計(jì)諧振電路來(lái)放大

12、由于沖擊而形成的衰減振動(dòng)信號(hào)，以獲得早期診斷信息。頻譜圖的幅值有兩種表示法：一種以振幅(均方根值或峰值)形式表示，稱為幅值譜。幅值譜分析是直接對(duì)采樣所得的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，求得關(guān)于該時(shí)域信號(hào)的頻率構(gòu)成信息，在各種分析方法中，傅立葉變換是頻譜分析的基礎(chǔ)；另一種以能量形式表示，稱為功率譜。這里重點(diǎn)介紹一下Hilbert變換和小波分析方法。Hilbert變換是一種線性變換，代表線性系統(tǒng)，如果輸入是平穩(wěn)的，那么輸出信號(hào)也應(yīng)該是平穩(wěn)的；Hilbert變換強(qiáng)調(diào)局地屬性，用它可以得到瞬時(shí)頻率，這就避免了用Fourier變換時(shí)為了擬合原序列而產(chǎn)生的多余的、事實(shí)上并不存在的高、底頻成分。Hilbert變換

13、有自身的優(yōu)勢(shì)，比如對(duì)于軸承的外圈的點(diǎn)蝕，如果用FFT變換是發(fā)現(xiàn)不了它的故障的，但用Hilbert變換就可以清楚的診斷出軸承外圈的點(diǎn)蝕故障。3.5軸承診斷經(jīng)驗(yàn)公式當(dāng)內(nèi)圈、外圈、滾珠出現(xiàn)點(diǎn)蝕故障時(shí),會(huì)產(chǎn)生一定(特征)頻率的沖擊,引起軸承振動(dòng),機(jī)器運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)周期性脈沖。這種周期性脈沖作用時(shí)間短,形狀陡峭。根據(jù)軸承產(chǎn)生缺陷零件的不同,元件的故障特征頻率也不相同。滾動(dòng)軸承的故障缺陷頻率為:內(nèi)滾道有缺陷時(shí)： (1)外滾道有缺陷時(shí): (2) 滾動(dòng)體有缺陷時(shí): （3） 式中:d為滾動(dòng)體直徑;D為中徑;fr為主軸旋轉(zhuǎn)頻率，z為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)。通過測(cè)量滾動(dòng)軸承尺寸就可計(jì)算出滾珠、內(nèi)圈、外圈故障的特征頻率。該軸承為62

14、07深溝球軸承，內(nèi)徑35mm，外徑72mm，寬度17mm，中徑53.5mm，d=18.5mm，z=9，n=1450r/min，經(jīng)計(jì)算，內(nèi)滾道的故障頻率（特征頻率）為39.12HZ，外滾到的故障頻率為146.35HZ，滾動(dòng)體的故障頻率為71.12HZ。3.6 系統(tǒng)的搭建本系統(tǒng)選用型號(hào)為 CA-YD189的加速度傳感器，其具體參數(shù)為：靈敏度 1 000 mv/(m/s2)，頻率范圍 0.23 kHz，量程 20 ，抗沖擊 500 。因?yàn)榧铀俣葌鞲衅魇怯糜谛D(zhuǎn)機(jī)器的最常用的傳感器。這種傳感器堅(jiān)固耐用，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕頻率響應(yīng)范圍寬。加速度計(jì)廣泛的用于很多狀態(tài)監(jiān)測(cè)的工作。滾動(dòng)軸承在檢測(cè)時(shí)殘生很高的振動(dòng)

15、頻率。安裝法采用磁性安裝法，安裝在軸承座上。信號(hào)調(diào)理設(shè)備為 NI 公司的便攜式信號(hào)調(diào)理模塊（SCC），通過 SC-2345 屏蔽盒與數(shù)據(jù)采集卡相連。數(shù)據(jù)采集卡選用了 NI 公司的 PCIe-6251，24 位的模擬輸入分辨率，最高 1.25 MS/s 的采樣率，24 通道的模擬輸入。該系統(tǒng)在LabVIEW中的程序框圖如下：圖3.1 軸承故障診斷程序框圖該程序的設(shè)計(jì)思路是先將采集到的數(shù)據(jù)輸入測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)行切比雪夫?yàn)V波，這里設(shè)計(jì)了三種濾波方式，進(jìn)行了比較，最后覺得切比雪夫進(jìn)行濾波比較理想。將原始波形濾波后，相應(yīng)的進(jìn)行功率譜、互功率譜、倒譜、FFT、STFT、Hilbert變換和分析，將相應(yīng)波形

16、圖與軸承內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體相應(yīng)的特征頻率結(jié)合在一起進(jìn)行軸承的故障診斷。因?yàn)檫€需要時(shí)域的一些參數(shù)進(jìn)行輔助診斷（比如最大最小值、均值、峰峰值、均方根值），所以有對(duì)過濾后的信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域參數(shù)的程序編制。該系統(tǒng)在LabVIEW中的顯界面如下：圖3.2 軸承故障診斷程序框圖圖3.3 軸承故障診斷程序框圖4軸承故障診斷分析4.1時(shí)域分析 采集數(shù)據(jù)的原始信號(hào)和經(jīng)過濾波后的信號(hào)如下圖：圖4.1 原始信號(hào)和經(jīng)過濾波后的信號(hào)時(shí)域分析中的一些參數(shù)如下：圖4.2 時(shí)域分析參數(shù)信號(hào)的均值反映信號(hào)振幅的總體水平有效值反映信號(hào)總體能量大小。而信號(hào)的峰值反映信號(hào)沖擊的最大值。滾動(dòng)軸承在故障狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)的均值、有效值以及峰值

17、都將發(fā)生變化。尤其是有效值和峰值會(huì)顯著增大。通過觀測(cè)滾動(dòng)軸承的均值、有效值以及峰值的變化可判斷滾動(dòng)軸承是否存在故障。由時(shí)域圖可以看出該信號(hào)在一些特點(diǎn)的時(shí)間，也就是特定的位置有較大幅值。較大的幅值預(yù)示著滾動(dòng)軸承可能會(huì)有故障。該信號(hào)的峰峰值相比正常故障較大，而峰值反映的是某時(shí)刻振幅的最大值，因而它適用于像表面點(diǎn)蝕損傷之類的具有瞬時(shí)沖擊的診斷，但該軸承主軸的轉(zhuǎn)速是1450r/min，由于轉(zhuǎn)速較大，所以不適用于用峰峰值來(lái)判斷軸承的故障。峭度值是滾動(dòng)軸承故障診斷的一個(gè)重要參數(shù)峭度值對(duì)沖擊信號(hào)特別敏感通常用于滾動(dòng)軸承的早期故障診斷。對(duì)于一個(gè)給定的滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)峭度值的定義為式中 振動(dòng)信號(hào)x振動(dòng)信號(hào)的均值

18、振動(dòng)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差N振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度經(jīng)計(jì)算，該軸承的峭度大于10，而峭度系數(shù)對(duì)滾動(dòng)軸承的點(diǎn)蝕很敏感，是滾動(dòng)軸承診斷的重要參數(shù)。當(dāng)滾動(dòng)軸承不存在故障時(shí)，其峭度值約為3，當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，其峭度值大于3。所以可以判斷，該軸承很可能存在故障。具體的故障類型，要根據(jù)頻域分析進(jìn)行判斷。4.2頻域分析該軸承信號(hào)的功率譜如下：圖4.3 信號(hào)功率譜 由功率譜可以看出，在70到80HZ之間，有尖峰值出現(xiàn)，對(duì)比軸承內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體的特征頻率，發(fā)現(xiàn)該頻率和滾動(dòng)體的特征頻率71.1HZ很接近，所以可以判斷出該故障是滾動(dòng)體出現(xiàn)點(diǎn)蝕。該軸承信號(hào)的自功率譜如下：圖4.4 信號(hào)自功率譜自功率譜的圖像與橫軸圍成的面積表示信號(hào)的平

19、均功率，在一定程度上表示該信號(hào)能量的大小，從自功率譜中可以看出，在某些特定的頻率處，能量比較大，也就預(yù)示著振幅比較大，可以初步判定該軸承內(nèi)圈表面可能有表面脫落等故障。該軸承信號(hào)的倒譜如下：圖4.5 信號(hào)的倒譜倒頻譜分析可把邊帶信號(hào)分離出來(lái)使在功率譜中難以分辨的周期分量在倒頻譜圖中變?yōu)殡x散的線譜。倒頻譜的定義為式中經(jīng)變換得到的倒頻譜；原信號(hào)的自功率譜;倒譜是用來(lái)診斷軸承的磨損故障。由該倒譜圖中可以看出在30HZ到40HZ之間幅值較大，而內(nèi)圈的故障頻率是39.12HZ，所以可以診斷出存在故障為軸承的內(nèi)圈磨損。該軸承信號(hào)的Hilbert圖如下：圖4.6 信號(hào)的Hilbert圖Hilbert包絡(luò)譜是一種常用于分析具有調(diào)制特性的齒輪故障信號(hào)和滾動(dòng)軸承故障信號(hào)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析的一種常用方法。在滾動(dòng)軸承故障診斷中，通常利用滾動(dòng)軸承故障信號(hào)的包絡(luò)譜來(lái)確定滾