專利名稱：軸承故障診斷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器，具體地講，涉及一種應(yīng)用在高速鐵路車輛(高速客車 等)的輪軸和高級(jí)轎車、大型卡車的輪軸、變速箱以及其它一些采用軸承支撐 方式的旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
軸承，作為機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵零件之一，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞，將直接影響 設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和使用性能。對(duì)軸承，特別是大型機(jī)電裝備主軸系統(tǒng)和高速車 輛上的軸承運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和故障檢測已經(jīng)成為故障診斷技術(shù)的一個(gè)重要研究 內(nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)實(shí)踐證明，軸承診斷系統(tǒng)性能的好壞取決于它對(duì)軸承早期 運(yùn)行中故障的檢測能力，即在災(zāi)難性事故發(fā)生之前檢測到異常情況。大量事實(shí) 證明許多重大事故都是由于機(jī)器故障在預(yù)期的壽命之前就出現(xiàn)而引起的。這些 事故說明了難以預(yù)測的軸承故障所帶來的潛在危險(xiǎn)，發(fā)展智能軸承技術(shù)，創(chuàng)建 在線的軸承診斷及預(yù)警系統(tǒng)是當(dāng)今軸承故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
智能軸承技術(shù)也可以說是在機(jī)械、電子、通訊等技術(shù)飛速發(fā)展的背景下而 產(chǎn)生的。由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械的精密程度和自動(dòng)化程度的不斷提高， 早期的軸承故障檢測方法己經(jīng)落后，而融現(xiàn)代傳感技術(shù)、信號(hào)傳輸與處理技術(shù) 及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的"智能化"診斷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。因此，作為機(jī)械系統(tǒng)中 廣泛應(yīng)用的提供自由旋轉(zhuǎn)的基本元件——軸承的性能監(jiān)測及故障診斷方法也朝 著"智能化"的方向發(fā)展。對(duì)于"智能軸承"的定義，當(dāng)前一種具有代表性的 說法是，在傳統(tǒng)軸承的基礎(chǔ)上集成不同用途的傳感裝置，使其結(jié)合成為一體而 形成獨(dú)特的結(jié)構(gòu)單元，再通過微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理，達(dá)到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的 目的。
與傳統(tǒng)的軸承相比，集成有微傳感器的智能軸承的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是能夠 實(shí)時(shí)監(jiān)測自己的工作性能，且信噪比高。其次，由于智能軸承中軸承和傳感器 結(jié)合為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，從而可作為一個(gè)獨(dú)立完整的產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)和購買，方便 用戶實(shí)際應(yīng)用。
目前軸承和傳感器的結(jié)合包括外掛式和嵌入式兩種結(jié)構(gòu)形式。外掛式是指 傳感器不是嵌入到軸承的內(nèi)圈、外圈或滾動(dòng)體內(nèi)，而是附加在軸承上的。這個(gè) 結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞軸承的完整性(即軸承允許的最大應(yīng)力和變形不發(fā)生變化)。傳統(tǒng) 的外掛式將傳感組件附加在軸承周圍，監(jiān)測的對(duì)象和范圍很有限。在實(shí)際中較 難廣泛應(yīng)用。而不改變軸承外廓尺寸，且能夠進(jìn)行多種參數(shù)測試的嵌入式智能 軸承是智能軸承的一個(gè)較好發(fā)展方向。嵌入式智能軸承單元?jiǎng)t是將傳感器嵌入 到軸承體內(nèi)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是傳感裝置能夠很接近被測信號(hào)的發(fā)生源。信號(hào) 傳輸?shù)闹虚g界面減少，采集的信號(hào)更能真實(shí)地反映軸承的實(shí)際工作狀況，信噪 比高。
但由于傳感元件究竟嵌入到軸承的什么位置，以及傳感裝置在復(fù)合傳感器 上的合理布置等這些關(guān)鍵問題，使得嵌入式的應(yīng)用受到了限制。目前所采用的 嵌入式結(jié)構(gòu)，是將傳感裝置集中在軸承上，這會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且導(dǎo)線不好 布置，給裝配帶來困難。另外，現(xiàn)有的智能軸承的傳感裝置大多只采用一種， 最常見的是帶有加速度(振動(dòng))傳感裝置的智能軸承單元和帶有速度傳感裝置的 智能軸承單元。針對(duì)高速列車、高速客車等高速車輛，由于車速過高，軸承的 振動(dòng)加劇，必須對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測，以預(yù)防將會(huì)造成的巨大的人身和經(jīng)濟(jì)損 失。為防止高速車輛抱死現(xiàn)象的發(fā)生，需實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)速信號(hào)。另外，為了防止 發(fā)生由于軸承故障引起的切軸事故，以及由于軸承自身發(fā)熱而造成的磨損、燒 傷需同時(shí)檢測軸承內(nèi)圈(軸)、外圈的溫度信號(hào)。這樣就必須設(shè)計(jì)出將振動(dòng)加速 度傳感裝置、溫度傳感裝置、轉(zhuǎn)速傳感裝置集成一體的智能軸承單元。
本發(fā)明人開發(fā)了一種帶復(fù)合傳感器的智能軸承(申請(qǐng)?zhí)?007100925746)， 該智能軸承設(shè)置有六路輸出口，其中第一、二路輸出口AIO、 AI1各輸出一組振 動(dòng)加速度信號(hào)，第三、四路輸出口AI2、 AI3各輸出一組轉(zhuǎn)速信號(hào)，第五、六路 輸出口AI4、 AI5各輸出一組溫度信號(hào)。將振動(dòng)加速度傳感裝置、溫度傳感裝置、 轉(zhuǎn)速傳感裝置與軸承集成一體，能有效地提取軸承的故障信號(hào)。
但還缺乏如何根據(jù)振動(dòng)加速度信號(hào)、溫度信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)對(duì)軸承的狀態(tài)進(jìn) 行在線監(jiān)測，對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別的具體技術(shù)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種軸承故障診斷系統(tǒng)，能夠在現(xiàn)有帶復(fù)合傳感器的 智能軸承的基礎(chǔ)上，根據(jù)智能軸承的振動(dòng)加速度信號(hào)、溫度信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)對(duì) 軸承的狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的一種軸承故障診斷系統(tǒng)，包括智能軸承， 該智能軸承設(shè)置有六路輸出口，其中第一、二路輸出口各輸出一組振動(dòng)加速度 信號(hào)，第三、四路輸出口各輸出一組轉(zhuǎn)速信號(hào)，第五、六路輸出口各輸出一組
溫度信號(hào)，其關(guān)鍵在于所述智能軸承輸出的六組信號(hào)發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換模塊的
輸入口，該A/D轉(zhuǎn)換模塊將六組信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的六組 數(shù)字信號(hào)發(fā)送給處理器，該處理器內(nèi)設(shè)置有狀態(tài)監(jiān)測器和故障識(shí)別器，其中狀 態(tài)監(jiān)測器根據(jù)所述第一、二組振動(dòng)加速度數(shù)字信號(hào)、第三、四組轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào) 以及第五、六組溫度數(shù)字信號(hào)對(duì)軸承的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并生成故障報(bào)警信號(hào)， 狀態(tài)監(jiān)測器輸出該報(bào)警信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述故障識(shí)別器，該故障識(shí)別器利用信號(hào)處理 工具，綜合所述的振動(dòng)加速度數(shù)字信號(hào)和轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào)，得出故障判斷結(jié)果。本診斷系統(tǒng)利用智能軸承技術(shù)，采集高速列車輪轂軸承的振動(dòng)加速度、速 度和溫度信號(hào)，通過智能軸承內(nèi)部的處理電路將振動(dòng)加速度信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)
行放大，溫度信號(hào)進(jìn)行放大及補(bǔ)償。預(yù)處理后的6路模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換進(jìn) 入監(jiān)測軟件進(jìn)行分析。依靠溫度值、速度值和振動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測， 當(dāng)監(jiān)測量超過設(shè)定的閾值時(shí)，證明軸承已發(fā)生故障，這時(shí)狀態(tài)監(jiān)測器故障報(bào)警， 同時(shí)啟動(dòng)故障識(shí)別器的故障識(shí)別功能，判斷故障發(fā)生在軸承的哪個(gè)零部件上。 故障識(shí)別功能是依靠信號(hào)處理的方法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析和處理而實(shí)現(xiàn)的。
需要說明的是智能軸承數(shù)據(jù)的采集是一批一批完成的，每一批數(shù)據(jù)所容納的采樣點(diǎn)的數(shù)目與A/D轉(zhuǎn)換模塊的緩存大小有關(guān)。當(dāng)一批數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換 模塊讀入后要進(jìn)行多種操作，比如對(duì)包含8192個(gè)采樣點(diǎn)信息的一批數(shù)據(jù)，要進(jìn) 行數(shù)字顯示、圖形顯示、還要通過計(jì)算來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測和故障識(shí)別等多種功能。 只有完成了所有的操作，A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入下一批數(shù)據(jù)做重復(fù)操作。
所述狀態(tài)監(jiān)測器內(nèi)設(shè)置有
用于開始信號(hào)采集的裝置；
用于獲取振動(dòng)加速度信號(hào)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參量閾值SR、 Sk的裝置； 用于將通道號(hào)CH、第一變量N1、第二變量N2置零的裝置； 用于計(jì)算AIO通道振動(dòng)加速度的均方根值RMS、峭度系數(shù)Kf和溫度數(shù)據(jù)信W 的裝置；
由于無法直接獲取振動(dòng)特征，使用振動(dòng)加速度時(shí)域統(tǒng)計(jì)量來反映振動(dòng)能量 的大小。RMS值反映了整體振動(dòng)能量，它能夠評(píng)價(jià)軸承的健康狀況并且比較穩(wěn)定， 但是這個(gè)參數(shù)對(duì)軸承的早期故障不夠敏感。峭度系數(shù)Kp是無量綱參數(shù)，反映了 沖擊振動(dòng)的大小，可以用于早期故障診斷，但它會(huì)隨著故障的加深而逐漸降低。 本診斷系統(tǒng)采用兩時(shí)域參數(shù)綜合評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測。 用于判斷溫度數(shù)據(jù)值W是否大于120的裝置；
如果溫度數(shù)據(jù)值W大于120，則先進(jìn)入用于生成溫度報(bào)警信號(hào)的裝置； 再進(jìn)入用于判斷RMS是否超過其閾值SR的裝置；
如果溫度數(shù)據(jù)值W不大于120，則直接進(jìn)入所述用于判斷RMS是否超過其閾
惶Sb的裝置；
如果RMS沒超過其閾值SR，則直接進(jìn)入用于判斷峭度系數(shù)Kp是否超過其閾
但Sk的裝置；
如果RMS超過其閾值SR，則進(jìn)入用于對(duì)第一變量Nl加1的裝置；
用于判斷第一變量Nl是否大于5的裝置；
如果第一變量N1大于5，則進(jìn)入用于生成第一報(bào)警信號(hào)，并對(duì)第一變量Nl 清零的裝置；
再進(jìn)入所述用于判斷峭度系數(shù)Kp是否超過其閾值Sk的裝置；
如果第一變量Nl不大于5，則直接進(jìn)入所述用于判斷峭度系數(shù)Kp是否超過
其閾值SK的裝置；
如果Kp沒超過其閾值SK，則直接進(jìn)入用于對(duì)通道號(hào)CH加1的裝置； 如果Kp超過其閾值SK，則進(jìn)入用于對(duì)第二變量N2加1的裝置； 用于判斷第二變量N2是否大于5的裝置；
如果第二變量N2大于5，則進(jìn)入用于生成第二報(bào)警信號(hào)，并對(duì)第二變量N2 清零的裝置；
再進(jìn)入所述用于對(duì)通道號(hào)CH加1的裝置；
如果第二變量N2不大于5，則直接進(jìn)入所述用于對(duì)通道號(hào)CH加1的裝置； 再進(jìn)入用于判斷通道號(hào)CH是否大于1的裝置；
如果CH不大于1 ，則直接進(jìn)入用于計(jì)算AI 1通道振動(dòng)加速度的均方根值RMS、
峭度系數(shù)KP以及溫度數(shù)據(jù)值W的裝置；
如果CH大于1，則先進(jìn)入用于對(duì)通道號(hào)CH置零的裝置； 再返回所述用于計(jì)算AIO通道振動(dòng)加速度的均方根值RMS、峭度系數(shù)KF以及
溫度數(shù)據(jù)值W的裝置；
其中所述<formula>formula see original document page 12</formula>所述智能軸承輸出的振動(dòng)加速度信號(hào)是以模擬電壓的形式存在，單位是mv; 經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字電壓信號(hào)，單位是mv;在處理器內(nèi)將數(shù)字電壓信號(hào)再 進(jìn)行變換，，到采樣點(diǎn)的振動(dòng)加速度值Xi，單位為g，其轉(zhuǎn)換公式為
X:=
sm
數(shù)字電壓信號(hào)，單位為mv; S:振動(dòng)傳感裝置的靈敏度系數(shù)，單位為mv/g;
m:智能軸承振動(dòng)加速度信號(hào)的放大倍數(shù)；
N:軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)2圈所采集到的點(diǎn)數(shù)，是以轉(zhuǎn)速信號(hào)為基礎(chǔ)計(jì)算得出
120f
nk
f:每批數(shù)據(jù)的采樣頻率，單位為HZ; k:通道數(shù)；
n:轉(zhuǎn)速，單位是r/min;
廣
所述溫度數(shù)據(jù)值W為:
<formula>formula see original document page 12</formula>Nz:每批數(shù)據(jù)的總采樣點(diǎn)數(shù)； k:通道數(shù)；
yi:經(jīng)放大及補(bǔ)償后的溫度數(shù)字信號(hào)采樣點(diǎn)的值，單位是mv;
t:智能軸承溫度信號(hào)的放大倍數(shù)；
Sw:智能軸承的溫度敏感系數(shù)，單位是mv廣C。
所述故障識(shí)別器內(nèi)設(shè)置有
用于開始故障識(shí)別的裝置；
用于獲得滾動(dòng)體在外圈滾道上的通過頻率f。p的裝置； 用于獲得滾動(dòng)體在內(nèi)圈滾道上的通過頻率"的裝置； 用于獲得滾動(dòng)體相對(duì)保持架的回轉(zhuǎn)頻率fb。的裝置； 用于讀取振動(dòng)加速度值&的裝置；
用于利用傅立葉變換器，得出振動(dòng)加速度信號(hào)值Xi頻譜的裝置； 數(shù)據(jù)的分析功能包括倒譜、濾波、相關(guān)、包絡(luò)等多種信號(hào)處理方法，可根據(jù)
信號(hào)的特性選取適合的分析方法，其中振動(dòng)加速度的頻譜是通過傅立葉變換的
方法得到的。
用于在大于3000而小于f/2k的頻率范圍內(nèi)選取第1個(gè)共振峰P=l的裝置;
用于確定濾波器帶寬B=500的裝置；
用于帶通濾波，獲得濾波后振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)的裝置；
用于獲得濾波后信號(hào)包絡(luò)譜的裝置；
用于找出包絡(luò)譜中最大幅值Y 的裝置；
用于判斷Y「f。p的值是否在-5 5之間的裝置；
如果在-5 5之間，則進(jìn)入用于生成外圈故障信號(hào)的裝置；
如果在-5 5之外，則進(jìn)入用于判斷Y「"的值是否在-5 5之間的裝置；如果在-5 5之間，則進(jìn)入用于生成內(nèi)圈故障信號(hào)的裝置； 如果在-5 5之外，則進(jìn)入用于判斷L-fb。的值是否在-5 5之間的裝置；
如果在-5 5之間，則進(jìn)入用于生成滾動(dòng)體故障信號(hào)的裝置；
如果在-5 5之外，則進(jìn)入用于濾波器帶寬B加100的裝置； 對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行窄帶帶通濾波處理，然后作Hilbert變換，變換后 的信號(hào)與濾波后的振動(dòng)加速度信號(hào)構(gòu)成的解析信號(hào)Q(t)為
Q(t) = q(t)+jq!(t)
q(t):濾波后的信號(hào)；
qi(t): Hilbert變換后的信號(hào)。
對(duì)lQ(t)l再作傅立葉變換得到包絡(luò)譜，找出包絡(luò)譜的最大幅值Ym，首先與軸 承外圈的故障特征頻率作對(duì)比，如果滿足-5<Y -f。P<5的條件，診斷為軸承外圈 發(fā)生故障，如果不滿足條件再依次進(jìn)行內(nèi)圈、滾動(dòng)體的故障判斷，判斷條件分 別為-5〈Ym-fip〈5、 -5〈Y -fb。<5。如果三個(gè)條件都不滿足，說明對(duì)濾波參數(shù)的選 擇不合適，程序跳轉(zhuǎn)以便重新選擇相關(guān)的濾波參數(shù)，在將同一共振峰作為分析 對(duì)象的前提下以100Hz的濾波帶寬遞增，即B加100。
再進(jìn)入用于判斷B是否大于1000的裝置；
如果B小于或等于1000，則返回所述用于帶通濾波，獲得濾波后振動(dòng)加速
度時(shí)域信號(hào)的裝置；
如果B大于1000，則進(jìn)入用于在頻譜中選取下1個(gè)共振峰P=P+1的裝置； 如果帶寬超過1000Hz時(shí)仍無法識(shí)別故障的發(fā)生，那么將頻率更高的下一共
振峰作為分析對(duì)象重新進(jìn)行判斷，即P二P+1。
用于判斷P是否大于頻率最高共振峰的序號(hào)Pn的裝置；
如果P小于或等于Pn，則返回所述用于確定濾波器帶寬B=500的裝置；
如果P大于P"則進(jìn)入用于輸出安全信號(hào)的裝置；
如果對(duì)大于3000而小于f/2k的頻率范圍內(nèi)所有共振峰都進(jìn)行了分析還無 法識(shí)別故障的發(fā)生，即P〉Pn，那么判斷軸承無故障。
其中
fn"d 、fn丄d D^"d22、
式中，D為軸承的節(jié)徑，即滾動(dòng)體中心所在的圓，d為滾動(dòng)體的直徑，a為 接觸角，f^fi-f。為內(nèi)外圈的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，當(dāng)外圈固定時(shí)，t即為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻 率。
本系統(tǒng)采用共振解調(diào)的方法進(jìn)行軸承的故障識(shí)別，從而判斷故障發(fā)生在哪 個(gè)零部件上。共振解調(diào)技術(shù)是對(duì)低頻沖擊所激起的高頻共振波進(jìn)行包絡(luò)檢波， 獲得一個(gè)對(duì)應(yīng)于低頻沖擊的、而又放大并展寬了的共振解調(diào)波。通過對(duì)此共振 解調(diào)波進(jìn)行頻譜分析，判定故障的量值和類型。
本發(fā)明的顯著效果是利用智能軸承技術(shù)，采集軸承的振動(dòng)加速度、轉(zhuǎn)速 和溫度信號(hào)，通過智能軸承內(nèi)部的處理電路將振動(dòng)加速度信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行 放大，溫度信號(hào)進(jìn)行放大及補(bǔ)償。預(yù)處理后的6路模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入 監(jiān)測軟件進(jìn)行分析。依靠溫度值、速度值和振動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測， 當(dāng)監(jiān)測量超過設(shè)定的閾值時(shí)，證明軸承已發(fā)生故障，這時(shí)狀態(tài)監(jiān)測器故障報(bào)警， 同時(shí)啟動(dòng)故障識(shí)別器的故障識(shí)別功能，故障識(shí)別器采用共振解調(diào)的方法進(jìn)行軸 承的故障識(shí)別，從而判斷故障發(fā)生在哪個(gè)零部件上。


附圖l為本發(fā)明的連接框附圖2為狀態(tài)監(jiān)測器的工作流程附圖3為故障識(shí)別器的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 如圖1所示， 一種軸承故障診斷系統(tǒng)，由智能軸承l(wèi)、 A/D轉(zhuǎn)換模塊2、處 理器、狀態(tài)監(jiān)測器和故障識(shí)別器組成，其中智能軸承1設(shè)置有六路輸出口，其 中第一、二路輸出口AIO、 All各輸出一組振動(dòng)加速度信號(hào)，第三、四路輸出口 AI2、 AI3各輸出一組轉(zhuǎn)速信號(hào)，第五、六路輸出口AI4、 AI5各輸出一組溫度信 號(hào)，所述智能軸承1輸出的六組信號(hào)發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換模塊2的輸入口，該A/D 轉(zhuǎn)換模塊2將六組信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換模塊2輸出的六組數(shù)字信號(hào)發(fā) 送給處理器，該處理器內(nèi)設(shè)置有狀態(tài)監(jiān)測器和故障識(shí)別器，其中狀態(tài)監(jiān)測器根 據(jù)所述第一、二組振動(dòng)加速度數(shù)字信號(hào)、第三、四組轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào)以及第五、 六組溫度數(shù)字信號(hào)對(duì)軸承的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并生成故障報(bào)警信號(hào)，狀態(tài)監(jiān)測器 輸出該報(bào)警信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述故障識(shí)別器，該故障識(shí)別器利用信號(hào)處理工具，綜合 所述的振動(dòng)加速度數(shù)字信號(hào)和轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào)，得出故障判斷結(jié)果。
本診斷系統(tǒng)利用智能軸承技術(shù)，采集高速列車輪轂軸承的振動(dòng)加速度、速 度和溫度信號(hào)，通過智能軸承內(nèi)部的處理電路將振動(dòng)加速度信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn) 行放大，溫度信號(hào)進(jìn)行放大及補(bǔ)償。預(yù)處理后的6路模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換進(jìn) 入監(jiān)測軟件進(jìn)行分析。依靠溫度值、速度值和振動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測， 當(dāng)監(jiān)測量超過設(shè)定的閾值時(shí)，證明軸承已發(fā)生故障，這時(shí)狀態(tài)監(jiān)測器故障報(bào)警， 同時(shí)啟動(dòng)故障識(shí)別器的故障識(shí)別功能，判斷故障發(fā)生在軸承的哪個(gè)零部件上。 故障識(shí)別功能是依靠信號(hào)處理的方法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析和處理而實(shí)現(xiàn)的。
需要說明的是智能軸承數(shù)據(jù)的采集是一批一批完成的，每一批數(shù)據(jù)所容 納的采樣點(diǎn)的數(shù)目與A/D轉(zhuǎn)換模塊2的緩存大小有關(guān)。當(dāng)一批數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn) 換模塊2讀入后要進(jìn)行多種操作，比如對(duì)包含8192個(gè)采樣點(diǎn)信息的一批數(shù)據(jù)， 要進(jìn)行數(shù)字顯示、圖形顯示、還要通過計(jì)算來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測和故障識(shí)別等多種 功能。只有完成了所有的操作，A/D轉(zhuǎn)換模塊2才能讀入下一批數(shù)據(jù)做重復(fù)操作。
如圖2所示所述狀態(tài)監(jiān)測器內(nèi)設(shè)置有 用于開始信號(hào)采集的裝置；
用于獲取振動(dòng)加速度信號(hào)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參量閾值SB、 Sk的裝置；Sk、 SK作為預(yù)
定值，存儲(chǔ)在處理器中的存儲(chǔ)器內(nèi)。
用于將通道號(hào)CH、第一變量N1、第二變量N2置零的裝置；
用于計(jì)算AIO通道振動(dòng)加速度的均方根值RMS、峭度系數(shù)Kp和溫度數(shù)據(jù)值W
的裝置；
由于無法直接獲取振動(dòng)特征，使用振動(dòng)加速度時(shí)域統(tǒng)計(jì)量來反映振動(dòng)能量 的大小。RMS值反映了整體振動(dòng)能量，它能夠評(píng)價(jià)軸承的健康狀況并且比較穩(wěn)定， 但是這個(gè)參數(shù)對(duì)軸承的早期故障不夠敏感。峭度系數(shù)Kp是無量綱參數(shù)，反映了 沖擊振動(dòng)的大小，可以用于早期故障診斷，但它會(huì)隨著故障的加深而逐漸降低。 本診斷系統(tǒng)采用兩時(shí)域參數(shù)綜合評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測。
其中所述rms^^Ix,2 , k,^lx《i:xi2)2
JN i=i JN i=iJN i=i
所述智能軸承輸出的振動(dòng)加速度信號(hào)是以模擬電壓的形式存在，單位是mv; 經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字電壓信號(hào)，單位是mv;在處理器內(nèi)將數(shù)字電壓信號(hào)再
進(jìn)行變換，得到采樣點(diǎn)的振動(dòng)加速度值Xi，單位為g，其轉(zhuǎn)換公式為<formula>formula see original document page 17</formula>
Xi':數(shù)字電壓信號(hào)，單位為mv;
S:振動(dòng)傳感裝置的靈敏度系數(shù)，單位為mv/g;
m:智能軸承1振動(dòng)加速度信號(hào)的放大倍數(shù)；
N:軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)2圈所采集到的點(diǎn)數(shù)，是以轉(zhuǎn)速信號(hào)為基礎(chǔ)計(jì)算得出:
120f
N =.
nk
f:每批數(shù)據(jù)的采樣頻率，單位為HZ; k:通道數(shù)；
n:轉(zhuǎn)速，單位是r/min; 用于判斷溫度數(shù)據(jù)值W是否大于120的裝置；
如果溫度數(shù)據(jù)值W大于120，則先進(jìn)入用于生成溫度報(bào)警信號(hào)的裝置； 12(TC作為軸承是否處于安全工作狀態(tài)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，成為溫度報(bào)警的閾值。
再進(jìn)入用于判斷RMS是否超過其閾值Sk的裝置；
如果溫度數(shù)據(jù)值W不大于120,則直接進(jìn)入所述用于判斷RMS是否超過其閾
僮Sb的裝置；
、
所述溫度數(shù)據(jù)值W為:
w<formula>formula see original document page 18</formula>Nz:每批數(shù)據(jù)的總采樣點(diǎn)數(shù)； k:通道數(shù)；
yi:經(jīng)放大及補(bǔ)償后的溫度數(shù)字信號(hào)采樣點(diǎn)的值，單位是IW; t:智能軸承l(wèi)溫度信號(hào)的放大倍數(shù)；
Sw :智能軸承1的溫度敏感系數(shù)，單位是mv/°C 。
如果RMS沒超過其閾值SR，則直接進(jìn)入用于判斷峭度系數(shù)Kp是否超過其閾
値Sk的裝置；
如果RMS超過其閾值SR，則進(jìn)入用于對(duì)第一變量Nl加1的裝置； 用于判斷第一變量Nl是否大于5的裝置；
如果第一變量N1大于5，則進(jìn)入用于生成第一報(bào)警信號(hào)，并對(duì)第一變量M 清零的裝置；
再進(jìn)入所述用于判斷峭度系數(shù)&是否超過其閾值&的裝置；
如果第一變量Nl不大于5，則直接進(jìn)入所述用于判斷峭度系數(shù)Kp是否超過
其閾值SK的裝置；
如果fc沒超過其閾值SK，則直接進(jìn)入用于對(duì)通道號(hào)CH加1的裝置；
如果Kp超過其閾值SK，則進(jìn)入用于對(duì)第二變量N2加1的裝置； 用于判斷第二變量N2是否大于5的裝置；
如果第二變量N2大于5，則進(jìn)入用于生成第二報(bào)警信號(hào)，并對(duì)第二變量N2 清零的裝置；
再進(jìn)入所述用于對(duì)通道號(hào)CH加1的裝置；
如果第二變量N2不大于5，則直接進(jìn)入所述用于對(duì)通道號(hào)CH加1的裝置； 再進(jìn)入用于判斷通道號(hào)CH是否大于1的裝置；
如果CH不大于1 ，則直接進(jìn)入用于計(jì)算All通道振動(dòng)加速度的均方根值RMS、
峭度系數(shù)KF以及溫度數(shù)據(jù)值W的裝置；
如果CH大于1，則先進(jìn)入用于對(duì)通道號(hào)CH置零的裝置； 再返回所述用于計(jì)算AIO通道振動(dòng)加速度的均方根值RMS、峭度系數(shù)KF以及
溫度數(shù)據(jù)值W的裝置；
如圖3所示所述故障識(shí)別器內(nèi)設(shè)置有 用于開始故障識(shí)別的裝置；
用于獲得滾動(dòng)體在外圈滾道上的通過頻率f。p的裝置； 用于獲得滾動(dòng)體在內(nèi)圈滾道上的通過頻率fip的裝置； 用于獲得滾動(dòng)體相對(duì)保持架的回轉(zhuǎn)頻率fb。的裝置；
滾動(dòng)軸承有n個(gè)滾動(dòng)體，則滾動(dòng)體在外圈及內(nèi)圈滾道上的通過頻率f。p及fip， 以及滾動(dòng)體相對(duì)保持架的回轉(zhuǎn)頻率fb。分別表示為
pnd ^n"i丄d Dd22、
D為軸承的節(jié)徑，即滾動(dòng)體中心所在的圓，d為滾動(dòng)體的直徑，oc為接觸角， f^fi-f。為內(nèi)外圈的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，當(dāng)外圈固定時(shí)，t即為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；
用于讀取振動(dòng)加速度值Xi的裝置；
用于利用傅立葉變換器，得出振動(dòng)加速度值Xi頻譜的裝置； 數(shù)據(jù)的分析功能包括倒譜、濾波、相關(guān)、包絡(luò)等多種信號(hào)處理方法，可根
據(jù)信號(hào)的特性選取適合的分析方法，其中振動(dòng)加速度的頻譜是通過傅立葉變換
的方法得到的。
用于在大于3000而小于f/2k的頻率范圍內(nèi)選取第1個(gè)共振峰P=l的裝置; 用于確定濾波器帶寬B=500的裝置；
用于帶通濾波，獲得濾波后振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)的裝置；
用于獲得濾波后信號(hào)包絡(luò)譜的裝置；
用于找出包絡(luò)譜中最大幅值Y 的裝置；
用于判斷Y「f。p的值是否在-5 5之間的裝置；
如果在-5 5之間，則進(jìn)入用于生成外圈故障信號(hào)的裝置；
如果在-5 5之外，則進(jìn)入用于判斷Y「fip的值是否在-5 5之間的裝置；
如果在-5 5之間，則進(jìn)入用于生成內(nèi)圈故障信號(hào)的裝置；
如果在-5 5之外，則進(jìn)入用于判斷Y「fb。的值是否在-5 5之間的裝置；
如果在-5 5之間，則進(jìn)入用于生成滾動(dòng)體故障信號(hào)的裝置；
如果在-5 5之外，則進(jìn)入用于為濾波器帶寬B加100的裝置；
對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行窄帶帶通濾波處理，然后作Hilbert變換，變換后
的信號(hào)與濾波后的振動(dòng)加速度信號(hào)構(gòu)成的解析信號(hào)Q(t)為
Q(t) = q(t)+jq!(t)
q(t):濾波后的信號(hào)；
qi(t): Hilbert變換后的信號(hào)。
對(duì)lQ(t)l再作傅立葉變換得到包絡(luò)譜，找出包絡(luò)譜的最大幅值Ym，首先與軸 承外圈的故障特征頻率作對(duì)比，如果滿足-5〈Y「f。p〈5的條件，診斷為軸承外圈 發(fā)生故障，如果不滿足條件再依次進(jìn)行內(nèi)圈、滾動(dòng)體的故障判斷，判斷條件分 別為-5〈Yn-fip〈5、 -5〈Yra-fb。<5。如果三個(gè)條件都不滿足，說明對(duì)濾波參數(shù)的選 擇不合適，程序跳轉(zhuǎn)以便重新選擇相關(guān)的濾波參數(shù)，在將同一共振峰作為分析 對(duì)象的前提下以100Hz的濾波帶寬遞增，即B加100。
再進(jìn)入用于判斷B是否大于1000的裝置；
如果B小于或等于1000,則返回所述用于帶通濾波，獲得濾波后振動(dòng)加速 度時(shí)域信號(hào)的裝置；
如果B大于1000，則進(jìn)入用于在頻譜中選取下1個(gè)共振峰P二P+1的裝置；
如果帶寬超過1000Hz時(shí)仍無法識(shí)別故障的發(fā)生，那么將頻率更高的下一共 振峰作為分析對(duì)象重新進(jìn)行判斷，即P二P+1。
用于判斷P是否大于頻率最高共振峰的序號(hào)Pn的裝置； 如果P小于或等于P ，則返回所述用于確定濾波器帶寬B=500的裝置； 如果P大于Pn，則進(jìn)入用于輸出安全信號(hào)的裝置；
如果對(duì)大于3000而小于f/2k的頻率范圍內(nèi)所有共振峰都進(jìn)行了分析還無 法識(shí)別故障的發(fā)生，即P〉Pn，那么判斷軸承安全，無故障。
權(quán)利要求
1、一種軸承故障診斷系統(tǒng)，包括智能軸承(1)，該智能軸承(1)設(shè)置有六路輸出口，其中第一、二路輸出口(AI0、AI1)各輸出一組振動(dòng)加速度信號(hào)，第三、四路輸出口(AI2、AI3)各輸出一組轉(zhuǎn)速信號(hào)，第五、六路輸出口(AI4、AI5)各輸出一組溫度信號(hào)，其特征在于所述智能軸承(1)輸出的六組信號(hào)發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換模塊(2)的輸入口，該A/D轉(zhuǎn)換模塊(2)將六組信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換模塊(2)輸出的六組數(shù)字信號(hào)發(fā)送給處理器(3)，該處理器(3)內(nèi)設(shè)置有狀態(tài)監(jiān)測器(4)和故障識(shí)別器(5)，其中狀態(tài)監(jiān)測器(4)根據(jù)所述第一、二組振動(dòng)加速度數(shù)字信號(hào)、第三、四組轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào)以及第五、六組溫度數(shù)字信號(hào)對(duì)軸承的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并生成故障報(bào)警信號(hào)，狀態(tài)監(jiān)測器(4)輸出該報(bào)警信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述故障識(shí)別器(5)，該故障識(shí)別器(5)利用信號(hào)處理工具，綜合所述的振動(dòng)加速度數(shù)字信號(hào)和轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào)，得出故障判斷結(jié)果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸承故障診斷系統(tǒng)，其特征在于所述狀態(tài)監(jiān)測器(4)內(nèi)設(shè)置有用于開始信號(hào)采集的裝置；用于獲取振動(dòng)加速度信號(hào)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)參量閾值SK、 Sk的裝置；用于將通道號(hào)CH、第一變量N1、第二變量N2置零的裝置； 用于計(jì)算AIO通道振動(dòng)加速度的均方根值RMS、峭度系數(shù)Kf和溫度數(shù)據(jù)値W 的裝置；用于判斷溫度數(shù)據(jù)值W是否大于120的裝置；如果溫度數(shù)據(jù)值W大于120，則先進(jìn)入用于生成溫度報(bào)警信號(hào)的裝置； 再進(jìn)入用于判斷RMS是否超過其閾值Sb的裝置；如果溫度數(shù)據(jù)值W不大于120，則直接進(jìn)入所述用于判斷RMS是否超過其閾 值&的裝置；如果RMS沒超過其閾值SR,則直接進(jìn)入用于判斷峭度系數(shù)Kp是否超過其閾植Sk的裝置；如果RMS超過其閾值SK，則進(jìn)入用于對(duì)第一變量Nl加1的裝置；用于判斷第一變量N1是否大于5的裝置；如果第一變量N1大于5，則進(jìn)入用于生成第一報(bào)警信號(hào)，并對(duì)第一變量Nl 清零的裝置；再進(jìn)入所述用于判斷峭度系數(shù)Kp是否超過其閾值Sk的裝置；如果第一變量Nl不大于5,則直接進(jìn)入所述用于判斷峭度系數(shù)Kp是否超過其閾值SK的裝置；如果Kf沒超過其閾值SK，則直接進(jìn)入用于對(duì)通道號(hào)CH加1的裝置； 如果Kp超過其閾值SK，則進(jìn)入用于對(duì)第二變量N2加1的裝置； 用于判斷第二變量N2是否大于5的裝置；如果第二變量N2大于5，則進(jìn)入用于生成第二報(bào)警信號(hào)，并對(duì)第二變量N2 清零的裝置；再進(jìn)入所述用于對(duì)通道號(hào)CH加1的裝置；如果第二變量N2不大于5，則直接進(jìn)入所述用于對(duì)通道號(hào)CH加1的裝置； 再進(jìn)入用于判斷通道號(hào)CH是否大于1的裝置；如果CH不大于1 ，則直接進(jìn)入用于計(jì)算AI1通道振動(dòng)加速度的均方根值RMS、 峭度系數(shù)KF以及溫度數(shù)據(jù)值W的裝置；如果CH大于1，則先進(jìn)入用于對(duì)通道號(hào)CH置零的裝置；再返回所述用于計(jì)算AIO通道振動(dòng)加速度的均方根值RMS、峭度系數(shù)KF以及溫度數(shù)據(jù)值W的裝置；其中所述rms^去Ix)"2 , Kf^4Ix《Ix)2N所述智能軸承輸出的振動(dòng)加速度信號(hào)是以模擬電壓的形式存在，單位是mv; 經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字電壓信號(hào)，單位是mv;在處理器(3)內(nèi)將數(shù)字電壓信號(hào)再進(jìn)行變，，得到采樣點(diǎn)的振動(dòng)加速度值Xi，單位為g，其轉(zhuǎn)換公式為-smx/:數(shù)字電壓信號(hào)，單位為mv;s-振動(dòng)傳感裝置的靈敏度系數(shù)，單位為mv/g;m:智能軸承(1)振動(dòng)加速度信號(hào)的放大倍數(shù)；N:軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)2圈所采集到的點(diǎn)數(shù)，是以轉(zhuǎn)速信號(hào)為基礎(chǔ)計(jì)算得出:120fnkf:每批數(shù)據(jù)的采樣頻率，單位為Hz; k:通道數(shù)；n:轉(zhuǎn)速，單位是r/min;所述溫度數(shù)據(jù)值W為<formula>formula see original document page 4</formula>Nz:每批數(shù)據(jù)的總采樣點(diǎn)數(shù);k:通道數(shù)；yi:經(jīng)放大及補(bǔ)償后的溫度數(shù)字信號(hào)采樣點(diǎn)的值，單位是mv; t:智能軸承(1)溫度信號(hào)的放大倍數(shù)；Sw:智能軸承(1)的溫度敏感系數(shù)，單位是mv廣C。 3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸承故障診斷系統(tǒng)，其特征在于 所述故障識(shí)別器(5)內(nèi)設(shè)置有 用于開始故障識(shí)別的裝置；用于獲得滾動(dòng)體在外圈滾道上的通過頻率f。p的裝置； 用于獲得滾動(dòng)體在內(nèi)圈滾道上的通過頻率fip的裝置； 用于獲得滾動(dòng)體相對(duì)保持架的回轉(zhuǎn)頻率fb。的裝置； 用于讀取振動(dòng)加速度值Xi的裝置；用于利用傅立葉變換器，得出振動(dòng)加速度信號(hào)值Xi頻譜的裝置；用于在大于3000而小于f/2k的頻率范圍內(nèi)選取第1個(gè)共振峰P=l的裝置;用于確定濾波器帶寬B=500的裝置；用于帶通濾波，獲得濾波后振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)的裝置；用于獲得濾波后信號(hào)包絡(luò)譜的裝置；用于找出包絡(luò)譜中最大幅值Y 的裝置；用于判斷Y「f。p的值是否在-5 5之間的裝置；如果在-5 5之間，則進(jìn)入用于生成外圈故障信號(hào)的裝置；如果在-5 5之外，則進(jìn)入用于判斷L-fip的值是否在-5 5之間的裝置；如果在-5 5之間，則進(jìn)入用于生成內(nèi)圈故障信號(hào)的裝置；如果在-5 5之外，則進(jìn)入用于判斷Y「fb。的值是否在-5 5之間的裝置；如果在-5 5之間，則進(jìn)入用于生成滾動(dòng)體故障信號(hào)的裝置；如果在-5 5之外，則進(jìn)入用于濾波器帶寬B加100的裝置；再進(jìn)入用于判斷B是否大于1000的裝置； 如果B小于或等于1000，則返回所述用于帶通濾波，獲得濾波后振動(dòng)加速 度時(shí)域信號(hào)的裝置；如果B大于1000,則進(jìn)入用于在頻譜中選取下1個(gè)共振峰P二P+1的裝置；用于判斷P是否大于頻率最高共振峰的序號(hào)Pn的裝置；如果P小于或等于Pn，則返回所述用于確定濾波器帶寬B=500的裝置；如果P大于P"則進(jìn)入用于輸出安全信號(hào)的裝置；其中式中，D為軸承的節(jié)徑(滾動(dòng)體中心所在的圓)，d為滾動(dòng)體的直徑，a為接觸角，f,fi-f。為內(nèi)外圈的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，當(dāng)外圈固定時(shí)，t即為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻 率；對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行窄帶帶通濾波處理，然后作Hilbert變換，變換后 的信號(hào)與濾波后的振動(dòng)加速度信號(hào)構(gòu)成的解析信號(hào)Q(t)為Q(t) = q(t)+jqi(t)q(t):濾波后的信號(hào)；qi(t): Hilbert變換后的信號(hào)；其中包絡(luò)譜是通過對(duì)解析信號(hào)Q(t)各點(diǎn)求模后再作傅立葉變換所得到的。
全文摘要
一種軸承故障診斷系統(tǒng)，包括智能軸承，智能軸承設(shè)置有六路輸出口，其中第一、二路輸出口輸出振動(dòng)加速度信號(hào)，第三、四路輸出口輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)，第五、六路輸出口輸出溫度信號(hào)，其特征在于智能軸承輸出的六組信號(hào)發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入口，A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的六組數(shù)字信號(hào)發(fā)送給處理器，處理器內(nèi)設(shè)置有狀態(tài)監(jiān)測器和故障識(shí)別器，其中狀態(tài)監(jiān)測器根據(jù)振動(dòng)加速度數(shù)字信號(hào)、轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào)和溫度數(shù)字信號(hào)對(duì)軸承的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，故障識(shí)別器利用信號(hào)處理工具，得出故障判斷結(jié)果。本發(fā)明的顯著效果是能夠在現(xiàn)有帶復(fù)合傳感器的智能軸承的基礎(chǔ)上，根據(jù)智能軸承的三類信號(hào)對(duì)軸承的狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，判斷故障發(fā)生在軸承的哪個(gè)零部件上。
文檔編號(hào)G01M13/04GK101354312SQ20081007023
公開日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者方杰平, 亮 葛, 邵毅敏 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)