基于共振解调的滚动轴承状态监测及故障诊断系统

基于共振解调的滚动轴承状态监测及故障诊断系统

万瑞军1刘博2沈继忱2

万瑞军1刘博2沈继忱2（1.东北电力大学化学工程学院；2.东北电力大学自动化工程学院）

摘要：介绍了基于共振解调技术的滚动轴承故障诊断原理，利用LabVIEW软件设计并搭建了滚动轴承振动测试及故障诊断系统。通过对滚动轴承振动信号采集及处理，系统能够根据振动的时域图以及频谱图，对轴承状态进行准确判断。

关键词：滚动轴承共振解调故障诊断振动信号

0引言

大型旋转机械，如压缩机、汽轮机、发电机、风机等是生产企业的关键设备，它们一旦事故停机，就会影响整个生产过程，造成巨大的经济损失和严重的后果。滚动轴承是在旋转机械中应用极广泛的一种通用机械零件，其运行状态是否正常往往直接影响整台机器的性能。资料表明，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约30%的故障是由于滚动轴承而引起的。因此，以滚动轴承为研究对象，不但可以减少或杜绝事故发生，节约开支，对于搞好整个机械设备维修也有着现实的意义。

传统的测控仪器由于费用高、技术更新周期长等原因，越来越不能满足科技进步的要求。而以计算机为核心的虚拟仪器，由于其功能可由用户自己定义，技术更新快，价格和软件开发维护费用低等优点，在故障诊断领域越来越得到重视和欢迎。本文利用LabVIEW软件开发出来的监测和诊断系统，实现了对滚动轴承状态的监测和早期故障的诊断。

1共振解调技术原理

共振解调轴承诊断的工作原理是：当轴承某一元件表面出现局部损伤时，在受载运行过程中要撞击与之相互作用的其它元件表面，产生冲击脉冲力，由于冲击脉冲力的频带很宽，必然包含轴承外圈、传感器甚至附加的谐振器等的固有频率而激起这个测振系统的高频固有振动。根据实际情况可以选择某一高频固有振动作为研究对象，通过中心频率等于该固有频率的带通滤波器把该固有振动分离出来。然后进行包络解调，去除高频衰减振动的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络信号，对这一包络信号进行频谱分析便可以容易地诊断出轴承的故障来。

2滚动轴承故障测试诊断系统

整个轴承测试诊断系统运用LabVIEW开发平台，采用PCI总线仪器结构体系开发设计，其结构如图3所示。轴承的振动信号由加速度传感器采集后，经过预处理模块，由数据采集卡将调理过的信号输入到计算机中，并在虚拟仪器平台开发的软件中完成对振动信号的采集控制、处理、分析和显示等功能，虚拟仪器开发平台提供了友好的人机交互界面。系统数据采集部分的主要任务是振动信号的采集和信号的预处理。本实验采用压电式加速度传感器拾取轴承的振动信号，采用电荷放大器对信号进行放大和滤波。

状态监测部分的任务是在数据采集的基础上，对滚动轴承的状态进行判断和分类，给出状态报告。具体内容包括：各种特征参数的计算和显示，如峰值因子和峭度指标等；各种检测图形的显示，如时域波形图，频谱分析图等。

故障诊断部分的主要任务是根据测得的信号与数据记录诊断出故障发生的部位，用来分析故障的原因及对策。具体包括：数据回放与管理、特征频率计算与显示等。

3故障诊断实例

本文以GB6204滚动轴承为对象，模拟出两种状态：正常轴承和外圈故障。故障是在与滚珠相接触的外圈内侧通过激光线切割来实现，故障尺寸为1×1mm。轴承的参数为滚动体直径d=7.94mm，滚动体个数z=8mm，轴承直径D=33.5mm，接触角α=0°，电机转速1450rpm。根据上述基本参数，经系统中特征频率计算模块得出GB6204滚动轴承的各种特征频率：内圈转频fs=24.17HZ，内圈故障频率fi=119.69HZ，外圈故障频率f0=73.67HZ，滚动体自转频率fb=48.11HZ。

对轴承以20kHz采样频率采样，采样点数1024点。图4和图5分别为正常轴承和故障轴承的时域波形图和频谱图。

对比时域波形的两个图，有故障的轴承的振幅要比正常轴承的振幅大，并且故障轴承的时域波形呈现明显的周期性，表明轴承有磨损，但具体位置不好确定。为了确定位置，对故障轴承利用共振解调法分析

从包络频谱中可以看到在75Hz及其倍频处有峰值，幅值随着频率的升高而递减，规律性很明显。75Hz与外圈故障特征频率73.67Hz相近，所以可以判断该轴承外圈存在故障，与实际情况正相符，实现了故障诊断。

4结束语

采用LabVIEW设计的滚动轴承故障诊断系统，通过以软件为核心的虚拟仪器弥补了传统测试仪器的不足。实验结果表明，在LabVIEW环境中使用共振解调法能够有效地确定轴承的故障部位，为滚动轴承的诊断提供了一个有效手段。

参考文献：

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[3]杨乐平等.LabVIEW程序设计与应用，北京：电子工业出版社，2001.

[4]王卓，田振华.滚动轴承的振动监测与故障诊断系统[J].轴承，2002（3）:22-24.