1、東 北 大 學研 究 生 考 試 試 卷評分考試科目： 動態信號分析與處理 課程編號： 閱 卷 人： 考試日期： 2015.1 姓 名： 王萬振 學 號： 1400494 注 意 事 項1考 前 研 究 生 將 上 述 項 目 填 寫 清 楚2字 跡 要 清 楚，保 持 卷 面 清 潔3交 卷 時 請 將 本 試 卷 和 題 簽 一 起 上 交東北大學研究生院基于LabVIEW的滾動軸承故障診斷系統實現 摘要 滾動軸承是機械設備旋轉機械中最常用的部件，在生產中起著關鍵性作用，因此其運行狀態是否正常往往直接影響整臺機器的性能。據統計旋轉機械中由于滾動軸承損傷而引起的故障占到大約30%，因此對滾動

2、軸承故障診斷的研究有很大的實際意義。本文先對滾動軸承的故障診斷技術按發展階段進行了概述。接著介紹了本診斷系統是如何搭建的，同時介紹了軸承診斷的一些方法以及它們的優缺點。第三部分是基于LabVIEW的滾動軸承故障診斷系統的實現，也是本文的重點。最后通過對測量數據和處理數據的分析，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軸承故障診斷系統，并對實踐起到一定的指導作用。關鍵詞：滾動軸承；故障診斷；LabVIEW；診斷系統目錄1引言32滾動軸承障診斷技術概述33診斷系統的總體設計53.1 滾動軸承的振動機理53.2 滾動軸承的故障類型53.3 LabVIEW的主

3、要特點53.4 本課題的分析方法63.5軸承診斷經驗公式73.6 系統的搭建84軸承故障診斷分析94.1時域分析94.2頻域分析115結論13參考文獻131引言滾動軸承是旋轉機械中應用最廣泛的機械部件，在旋轉機械中起著關鍵的作用，同時也是機械設備中最易損故障零件之一，其結構如圖1所示。滾動軸承運行狀態是否正常直接影響整機的性能。所以正確診斷軸承故障，對延長旋轉機械的使用壽命、節省維修費用、保證機器設備正常運行、避免事故有很大的實際意義。本文將實驗數據讀入到在LabVIEW中搭建的系統中，通過時域分析、倒頻分析、功率譜分析、FFT分析、短時FFT分析、Hilbet分析、小波分析等方法對滾動軸承進

4、行了故障診斷，并確定了滾動軸承的故障類型。2滾動軸承故障診斷技術概述最原始的方法是將聽音棒(或螺絲刀)接觸軸承座部，靠聽覺來判斷有無故障。雖然訓練有素的人能覺察到軸承剛發生的疲勞剝落與損傷部位，但受主觀因素的影響較大。后來出現了各種測振儀，可用振動位移、速度或加速度的均方根值和峰值來判斷軸承有無故障，這可以減少對人為經驗的依賴，但仍很難發現早期故障隨著對滾動軸承的運動學、動力學的深入研究，加之，快速傅立葉變換技術的發展，開創了用頻域分析方法來檢測和診斷軸承的故障。（就技術手段而言，故障診斷已逐步形成以振動測試、油樣分析、溫度監測等為主，其他技術或方法為輔的局面。這其中又以振動診斷涉及的領域最為

5、廣泛，理論基礎最為雄厚、研究最為充分。振動監測方法分為時域分析和頻域分析，時域分析方法比較簡便，適宜于噪聲干擾小的場合，是簡易診斷的好方法；頻域診斷方法中，共振解調方法最為可靠，而且非常成熟，適宜于軸承故障的精密診斷）隨著滾動軸承信號處理技術的發展，現已有多種信號處理技術應用于滾動軸承的故障診斷和監測。如頻率細化技術、倒頻譜等，在信號預處理上采用了各種濾波技術，如相干波，自適應濾波等，提高了診斷靈敏度。但是先進的理論需要先進的監測技術和儀器儀表的支持，否則其研究、設計、應用都很難發展。目前，用于診斷軸承故障的儀器設備采用的故障診斷信號識別主要是模擬檢測系統，如FFT分析儀、幅值分析儀、電平記錄

6、儀等。但是，這些傳統的診斷儀器儀器功能單一、價格昂貴。隨著計算機技術的發展，以軟件為核心的虛擬儀器彌補了傳統測試儀器的不足，虛擬儀器是計算機系統與儀器系統有機結合的產物。虛擬儀器利用計算機系統的強大功能和突出的性價比，結合相應的硬件，大大突破了傳統儀器在數據處理、顯示、傳輸和存儲等方面的限制。虛擬儀器技術在國外發展很快，以美國Nl公司為代表的一批廠商己經在市場上推出了基于虛擬儀器技術而設計的商業化儀器產品。在國內已有部分院校的實驗室引入了虛擬儀器系統,如清華大學汽車系利用虛擬儀器技術構建了汽車發動機檢測裝置等。國內有幾十家企業在研制PC虛擬儀器，如哈工大儀器王電子有限責任公司就是其中之一。3診

7、斷系統的總體設計3.1 滾動軸承的振動機理 當滾動軸承在運轉時，一般是外圈與軸承座或機殼相連接，固定或相對固定，內圈與機械的傳動軸相連接，隨軸一起轉動。當軸以一定速度并在一定荷載下運轉時，軸承滾動表面損傷的形式和軸承軸的旋轉速度，決定了激振力的頻率，軸承和外殼決定了振動系統的傳遞特性。因此，振動系統的最終頻率，由以上二者共同決定。引起滾動軸承振動的因素很多，有本身軸承轉動引起的振動，有由于人為因素引起的振動，也有由于軸承產生故障以后引起的故障。3.2 滾動軸承的故障類型 磨損失效。磨損是滾動軸承中最常見的一種失效形式，在滾動軸承運轉過程中，滾動體和套圈之間存在滑動，這些滑動會引起零件接觸面的磨

8、損。當磨損量較大時，軸承便產生游隙噪聲，振動增大。疲勞失效。在滾動軸承中，滾動體或套圈滾動表面由于接觸負荷的反復作用，從表面下形成細小裂紋，隨著以后的持續負荷運轉，裂紋逐步發展到表面，致使材料像巖塊一樣裂開，直至金屬表面層產生片狀或點坑狀剝落。軸承的這種失效形式叫疲勞失效。軸承運轉時，一旦發現疲勞剝落，其振動和噪聲都將急劇惡化。腐蝕失效。腐蝕失效包括化學腐蝕和電腐蝕。壓痕失效。壓痕失效也稱為塑性失效，這種失效會在軸承的表面形成凹坑。 斷裂失效。這種失效形式是比較嚴重的失效類型，不僅是軸承自身不能再使用，而且會對其他零部件造成損壞。膠合失效。這種失效形式一般產生在高速運轉中。點蝕失效。這種失效比

9、較常見，而且軸承外圈、內圈、滾動體都會產生點蝕失效。3.3 LabVIEW的主要特點 （1）人機界面友好，操作簡單（基于G語言），能夠直觀的顯示軸承振動信號的時頻域波形、參數值、頻域波形和診斷結論，完成檢測波形的存儲和查詢。（2）利用第三方軟件，實現系統的遠程監測，體現虛擬儀器和PC機結合的優勢。（3）能同時采用多種手段進行診斷，可以提高診斷的準確性。另外，虛擬儀器相比硬件分析設備，節省的經濟成本。3.4 本課題的分析方法本課題分析的方法主要有時域法、倒頻分析、功率譜分析、FFT分析、短時FFT分析、Hilbet分析、小波分析。時域分析法。時域波形反映信號的幅值隨著時間變化而變化的關系，時域波

10、形直觀、易于觀察，可以通過對時域波形特征參數的監測實現滾動軸承早期故障的診斷。使用的數字特征有：峰 值、均方根植、方差等有量綱特征參量和自相關函數、互相關函數以及峰值因子、波形因子、脈沖因子、峭度系數等無量綱特征參量。峰值反映的是某時刻振幅的最大值，因而它適用于像表面點蝕損傷之類的具有瞬時沖擊的診斷。另外，對于轉速較低(如300r/min以下)的情況也采用峰值進行診斷。均值在工程測試中描述的是靜態物理量，如靜力等，其優點是檢測較峰值穩定，但一般用于轉速較高的情況(如300r/min)。均方根值應用于像磨損之類的振幅值隨時間緩慢變化的故障診斷。峭度系數對滾動軸承的點蝕很敏感，是滾動軸承診斷的重要

11、參數。比如：滾動軸承的振動信號是正態分布的，其峭度值約為3，當軸承出現故障時，其峭度值大于3。頻域分析法。頻域分析法是把復雜的振動信號分解為多個不同頻率的簡諧振動信號，以頻率為變量來描述信號的方法。軸承的振動頻譜分為低頻、中頻和高頻三個頻段。低頻信號是指頻率低于IKHz的振動，由于實際工作中的滾動軸承的故障頻率通常都在IKHz以下，因此，可以直接通過振動信號的波形圖或根據頻譜圖上相應的特征譜線狀況對可能的故障原因加以確定；中頻信號的頻率范圍為IKHz一ZOKHz，在此頻段可采用共振解調方法進行故障診斷；高頻信號的頻率范圍是20KHz一80KHz，可利用加速度傳感器的諧振或專門設計諧振電路來放大

12、由于沖擊而形成的衰減振動信號，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采樣所得的時域信號進行傅立葉變換，求得關于該時域信號的頻率構成信息，在各種分析方法中，傅立葉變換是頻譜分析的基礎；另一種以能量形式表示，稱為功率譜。這里重點介紹一下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，如果輸入是平穩的，那么輸出信號也應該是平穩的；Hilbert變換強調局地屬性，用它可以得到瞬時頻率，這就避免了用Fourier變換時為了擬合原序列而產生的多余的、事實上并不存在的高、底頻成分。Hilbert變換

13、有自身的優勢，比如對于軸承的外圈的點蝕，如果用FFT變換是發現不了它的故障的，但用Hilbert變換就可以清楚的診斷出軸承外圈的點蝕故障。3.5軸承診斷經驗公式當內圈、外圈、滾珠出現點蝕故障時,會產生一定(特征)頻率的沖擊,引起軸承振動,機器運行會出現周期性脈沖。這種周期性脈沖作用時間短,形狀陡峭。根據軸承產生缺陷零件的不同,元件的故障特征頻率也不相同。滾動軸承的故障缺陷頻率為:內滾道有缺陷時： (1)外滾道有缺陷時: (2) 滾動體有缺陷時: （3） 式中:d為滾動體直徑;D為中徑;fr為主軸旋轉頻率，z為滾動體個數。通過測量滾動軸承尺寸就可計算出滾珠、內圈、外圈故障的特征頻率。該軸承為62

14、07深溝球軸承，內徑35mm，外徑72mm，寬度17mm，中徑53.5mm，d=18.5mm，z=9，n=1450r/min，經計算，內滾道的故障頻率（特征頻率）為39.12HZ，外滾到的故障頻率為146.35HZ，滾動體的故障頻率為71.12HZ。3.6 系統的搭建本系統選用型號為 CA-YD189的加速度傳感器，其具體參數為：靈敏度 1 000 mv/(m/s2)，頻率范圍 0.23 kHz，量程 20 ，抗沖擊 500 。因為加速度傳感器是用于旋轉機器的最常用的傳感器。這種傳感器堅固耐用，結構緊湊，重量輕頻率響應范圍寬。加速度計廣泛的用于很多狀態監測的工作。滾動軸承在檢測時殘生很高的振動

15、頻率。安裝法采用磁性安裝法，安裝在軸承座上。信號調理設備為 NI 公司的便攜式信號調理模塊（SCC），通過 SC-2345 屏蔽盒與數據采集卡相連。數據采集卡選用了 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計思路是先將采集到的數據輸入測試系統，同時進行切比雪夫濾波，這里設計了三種濾波方式，進行了比較，最后覺得切比雪夫進行濾波比較理想。將原始波形濾波后，相應的進行功率譜、互功率譜、倒譜、FFT、STFT、Hilbert變換和分析，將相應波形

16、圖與軸承內圈、外圈、滾動體相應的特征頻率結合在一起進行軸承的故障診斷。因為還需要時域的一些參數進行輔助診斷（比如最大最小值、均值、峰峰值、均方根值），所以有對過濾后的信號進行了時域參數的程序編制。該系統在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時域分析 采集數據的原始信號和經過濾波后的信號如下圖：圖4.1 原始信號和經過濾波后的信號時域分析中的一些參數如下：圖4.2 時域分析參數信號的均值反映信號振幅的總體水平有效值反映信號總體能量大小。而信號的峰值反映信號沖擊的最大值。滾動軸承在故障狀態下振動信號的均值、有效值以及峰值

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

18、振動信號的標準差N振動信號的強度經計算，該軸承的峭度大于10，而峭度系數對滾動軸承的點蝕很敏感，是滾動軸承診斷的重要參數。當滾動軸承不存在故障時，其峭度值約為3，當軸承出現故障時，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，要根據頻域分析進行判斷。4.2頻域分析該軸承信號的功率譜如下：圖4.3 信號功率譜 由功率譜可以看出，在70到80HZ之間，有尖峰值出現，對比軸承內圈、外圈、滾動體的特征頻率，發現該頻率和滾動體的特征頻率71.1HZ很接近，所以可以判斷出該故障是滾動體出現點蝕。該軸承信號的自功率譜如下：圖4.4 信號自功率譜自功率譜的圖像與橫軸圍成的面積表示信號的平

19、均功率，在一定程度上表示該信號能量的大小，從自功率譜中可以看出，在某些特定的頻率處，能量比較大，也就預示著振幅比較大，可以初步判定該軸承內圈表面可能有表面脫落等故障。該軸承信號的倒譜如下：圖4.5 信號的倒譜倒頻譜分析可把邊帶信號分離出來使在功率譜中難以分辨的周期分量在倒頻譜圖中變為離散的線譜。倒頻譜的定義為式中經變換得到的倒頻譜；原信號的自功率譜;倒譜是用來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圈磨損。該軸承信號的Hilbert圖如下：圖4.6 信號的Hilbert圖Hilbert包絡譜是一種常用于分析具有調制特性的齒輪故障信號和滾動軸承故障信號是旋轉機械振動信號分析的一種常用方法。在滾動軸承故障診斷中，通常利用滾動軸承故障信號的包絡譜來確定滾