基于虚拟仪器滚动轴承故障分析系统开发_学士学位论文.doc
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1、哈尔滨理工大学学士学位论文 -I- 基于虚拟仪器滚动轴承故障分析系统开发 摘 要 滚动轴承是在旋转机械中应用最广泛的部件,是机械动力传动部件, 旋转机械的故障约有 30是因滚动轴承引起的。由于工作条件恶劣,长期 承受载荷和传递载荷,轴承极易疲劳、裂纹、腐蚀、磨损等,导致其断裂, 造成事故。这种故障信号是一种典型的宽频带脉冲调制信号, 从含有噪声 的振动信号中有效地提取出冲击脉冲信号是振动轴承故障诊断的关键。通 过对滚动轴承工作特性及其故障研究,分析了滚动轴承振动机理与失效形 式,设计了故障模拟实验台,搭建了测量装置,运用共振解调分析与希尔 伯特变换作为滚动轴承故障诊断的方法,开发了基于 Lab
2、view 软件的滚动 轴承故障诊断系统,通过对振动信号的采集和故障频率的自动识别,实现 了在线检测故障的目的。为了确保分析数据的正确性,本文当中引入了小 波函数,通过对不同频段的信号进行包络谱分析,确保故障诊断的准确性。 通过实验台模拟内圈故障现象以及轴承故障诊断程序的运行,故障结论是 一致的,证明了该轴承故障诊断系统的准确性。 关键词关键词: 滚动轴承;故障诊断;Labview;希尔伯特变换;共振解调 哈尔滨理工大学学士学位论文 -II- Development of fault analysis system for rolling bearing based on virtual ins
3、trument Abstract Rolling bearing is the most widely used components in rotating machinery, mechanical power transmission components, about 30% of rotating machinery fault is caused by rolling bearings. Because of the bad working conditions, load for a long time and load, bearing easily fatigue, crac
4、k, corrosion, wear, etc., lead to the rupture and cause an accident. The fault signal is a typical broadband pulse modulation signals, from vibration signal containing noise effectively extract the shock pulse signal is the key to the vibration of bearing fault diagnosis. Through the study of rollin
5、g bearing working characteristic and its failure, analyzes the rolling bearing vibration mechanism and failure modes, fault simulation test bench was designed and set up a measuring device, using resonance demodulation analysis and Hilbert transform as the rolling bearing fault diagnosis methods, th
6、e development of rolling bearing fault diagnosis system based on LabVIEW software, through the collection of vibration signal and fault frequency automatic identification, realized the purpose of online detection fault. In order to ensure the accuracy of the data analysis, this paper introduces the
7、wavelet function, based on the different frequency band of signal envelope spectrum analysis, ensure the accuracy of fault diagnosis. Through simulation test bench and bearing inner ring malfunctions fault diagnosis program is running, the fault conclusion is consistent, proved that the accuracy of
8、bearing fault diagnosis system. Key words: Rolling bearing, Fault diagnosis, Hilbert change,Labview,Resonance demodulation 哈尔滨理工大学学士学位论文 -III- 目录目录 摘 要 .I Abstract.II 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题研究的目的与意义 .1 1.2 国内外研究现状 .2 1.3 研究的主要内容 .4 第 2 章 滚动轴承及故障的基本理论 .5 2.1 轴承的分类和基本结构 .5 2.2 滚动轴承的损伤分析 .6 2.3.1 滚动轴承故障类型9
9、2.3.2 滚动轴承的固有振动频率9 2.3.3 滚动轴承特征频率.10 2.4 轴承振动信号处理 11 2.4.1 低通滤波包络解调法.12 2.4.2 希尔伯特变换及包络谱算法.12 2.5 本章小结 14 第 3 章 滚动轴承故障模拟试验台 .15 3.1 滚动轴承故障模拟试验台方案 15 3.2 滚动轴承试验台结构设计 15 3.3 控制系统和数据采集系统设计 17 3.3.1 控制系统.17 3.3.2 数据采集系统.18 3.4 本章小结 20 第 4 章 轴承故障诊断软件设计 .21 4.1 虚拟仪器概述 21 4.2 Labview 的含义.22 4.3 基于虚拟仪器轴承故障诊
10、断程序开发 22 4.4 本章小结 28 第 5 章 轴承故障诊断实验 .29 5.1 轴承实验台参数设置 29 5.2 轴承故障模拟与分析 29 5.2 本章小结 32 结论 33 致谢 34 参考文献 35 附录 A.36 哈尔滨理工大学学士学位论文 -1- 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的目的与意义 轴承一直是各种机械中应用最广泛的通用部件,其运行状态直接影响 整台机器的性能、寿命、功能和效率,机械设备诊断中的重点是旋转机械 的故障检测,而滚动轴承是旋转机械的重要组成部件,许多的故障都是滚 动轴承的故障引起的。滚动轴承比较容易受损,并且由于滚动轴承的使用 环境不同导致使用寿命也有很大
11、的差别。据统计旋转机械的故障有 30%是 由轴承引起的,由于工作条件恶劣,长期承受载荷和传递载荷,轴承极易 疲劳、裂纹、腐蚀、磨损等,导致其断裂,造成事故。滚动轴承的寿命离 散性很大,对其进行定期维修是不可取的,因此,滚动轴承故障诊断工作 十分重要。滚动轴承能否正常工作对机器的工作状况有很大的影响。在精 密机械中对轴承的要求更高,轴承滚道上极微小的故障都是不能容忍的, 在故障发生之前通过一些方法对其监控,把故障在初期消除做到预知维护, 不仅提高了生产效率而且大大的节省了维修费用,所以滚动轴承的故障检 测有着非常重要的意义。 一旦由于轴承的疲劳损伤、磨损、腐蚀及操作不当而产生的故障,就 会导致轻
12、则影响机械设备的正常运行,重则带来人民生命和财产的巨大损 失。因此随着工业社会的高速发展和进步,及时的发现并排除轴承故障责 任重大。在过去,轴承作为关键部件往往需要定时维修以免发生严重事故, 但实际使用过程中,一些超过使用寿命但完好的轴承被报废,而有些未达 到设计寿命的轴承却已经出现故障,这样势必造成浪费或严重的机械故障。 因此,对于具有重要用途的轴承仅是定时维修时是十分不科学的,开展轴 承的状态监测和故障诊断,改变传统的定期为预知维修,不但可以防止机 械系统的性能下降,减少事故发生,而且还能避免浪费可用部件,对于最 大限度地发挥轴承的工作能力,具有重要的意义。 开展轴承故障诊断研究除了具有实
13、际意义之外,还具有深刻的理论意 义。通过实施故障诊断技术,带动与故障诊断有关的一系列相关理论,如 信号采集、信号分析、模式识别等相关科学的发展,在实际中检验理论, 寻找最佳故障诊断方法,进一步完善机械设备故障诊断学,同时也为下一 代产品的优化设计、正确制造提供反馈信息及理论依据。在经济方面,正 确地对各类轴承的异常或故障进行分析以便确定最佳维修决策,发挥大型 机械系统最大的运行能力和使用效率,可明显提高运营经济效益。 机械设备诊断在工业高度自动化方面具有重要意义,由于机械设备越 哈尔滨理工大学学士学位论文 -2- 来越精密,各个部分之间关系越来越紧密,工作强度不断增大,任何一处 危险的故障就会
14、产生一系列的连锁反应,导致设备损坏,与此同时影响其 他设备的工作进度,整个系统处于瘫痪中,造成巨大的经济损失,甚至危 及人身安全,后果非常严重。 综上所述,旋转机械的安全、正常运转可以避免重大的经济损失、严 重事故和人员伤亡。滚动轴承是选装机械的重要组成部分。 本文主要针 对滚动轴承机械故障进行试验台模拟实验及理论分析,获取相关故障的振 动信号的产生机理及故障特征提取和诊断方法,探讨滚动轴承故障的分析 方法和识别方法,这对于轴承制造行业和其他机械行业非常重要,在经济 和社会方面都有一定的意义。 滚动轴承最大的特点就是寿命离散性很大,因此对其进行定时维修是 不可取的,要进行工况监控和故障诊断。随
15、着计算机和相关技术的发展,笔 者利用虚拟仪器技术开发滚动轴承的测试诊断系统,以实现快速可靠检测。 成虚拟仪器的实质是,利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控 制面板,以多种形式表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现 信号数据的运算、分析和处理;利用 I/O 接口设备完成信号的采集测量与 调理,从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。使用者用鼠标或键 盘操作虚拟面板, 就如同使仪器一样。 1.2 国内外研究现状 目前,轴承故障诊断技术仍以时频分析为主,如时频分析中常用的均 方根值(RMS) 、峰值和峭度值等、频域基于周期信号的倒谱分析及高频 响应技术(HFRT)等,这些轴承诊断都
16、受到多方面的限制,如诊断面不 能大于 6.25mm,这边造成了很多状态检测的漏检从而导致发生严重的事 故。在诊断与生产的协调方面,当监测到一个致命故障时,往往被迫停机, 也带来了许多不方便和生成效率低下的问题,因此,轴承故障诊断更重要 的是要着眼于预测寿命和故障发展状况,以便提前做好生产维修安排和计 划。只有具备可靠的预兆检测功能,轴承维修和更换才能做到有的放矢。 滚动轴承的状态检测与故障诊断开始于 20 世纪 60 年代。在其后 20 多年的时间里,随着科学技术的不断发展,各种方法和技巧不断产生、发 展和完善,使应用领域不断扩大。一般认为,轴承工况检测与故障诊断技 术的发展可分为四个阶段。
17、第一阶段:利用通过的频谱分析仪诊断轴承故障。20 世纪 60 年代中 期,由于快速傅里叶变换技术的出现和发展,使振动信号的频谱分析技术 得到了很大的发展。人们根据故障的滚动轴承元件所产生的振动信号特征 频率的计算和采用频谱分析仪实际分析得到的结果来判断轴承的故障。 第二阶段:利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。20 世纪 60 年代末,瑞 哈尔滨理工大学学士学位论文 -3- 典仪器公司根据各个钢制轴承元件表面损伤后在受载情况下接触时要产生 冲击引起高频压缩波的现象开发了一种称为冲击脉冲的仪器来检测轴承故 障,并且不需要进行频谱分析,所以他一经发明便很快被美国、英国等工 业发达国家所采用的。早期的脉冲
18、冲击只用来检测轴承的局部损伤类故障, 后来,随着这一技术的不断发展和完善,世界上其他一些国家的公司和厂 家相继开发出各种更新代换产品,这些仪器不但用于检测轴承局部损伤类 故障,而且用来检测轴承的润滑情况甚至油膜的厚度等。 第三个阶段:利用共振解调技术诊断轴承故障,1974 年,美国波音公 司的 DR. Harting 发明了一项叫做“共振解调分析系统”的专利技术,这 就是中国现在统称的“共振解调技术”的雏形。采用共振解调技术由于放 大(谐振)和分离(带通滤波)了故障特征信号,极大地提高了信噪比, 所以比较容易地诊断出故障来。 第四阶段:开发以微机为中心的滚动轴承工况监视与故障诊断系统。 20
19、世纪 80 年代以后,随着微机技术同飞猛进的发展,开发以微机为中心 的波动轴承工况监视与故障诊断系统引起了国外研究者的重视。由于设备 故障诊断理论的发展和新的信号测试与处理方法的出现,人们还使用了多 种其他有效的方法和技巧来诊断滚动轴承的故障。 从 20 世纪 60 年代开始,经过世界各国研究人员近 40 年的努力,滚 动轴承的诊断技术已走向了实际的应用阶段。目前,美、英、日、俄等工 业发达的国家相继开发了以微机为主的滚动轴承状态监测与诊断系统、如 Bently 公司的 REBAM 系统、俄罗斯的 VAST 公司开发的滚动轴承自动诊 断系统 DREAM。国内的起步尽管较晚,但是在轴承诊断技术的
20、研究和开 发上也取得了令人瞩目的成绩,如航空航天部 608 研究所唐德尧等人开发 的 JK8342 齿轮轴承故障分析仪和铁路货车的 JK86411 滚动轴承自动试验 诊断系统,以及南京航空航天大学诊断所的赵淳生等人开发的 MDS 系列 轴承故障诊断系统等。 小波变换是一种有利的工具,在轴承诊断领域中应用最多的还是其降 噪功能,Martin 已证明了使用傅里叶变换诊断轴承故障会受限制,Hitherto 时频分析是最普遍的非静态振动信号的分析方法。小波变换(WT)可以弥 补傅里叶变换的不足。国内多数研究侧重于对故障信息提取算法的研究, 包括基于小波变换、遗传算法与神经网络算法的故障信息识别方法等,
21、这 些研究虽能够提高故障诊断的准确性,但是分析过程复杂,计算量较大, 难以实现在线诊断1。 而国外因起步较早,无论从硬件还是软件上,故障诊断技术都发展较 快。但是基于 Labview 软件的故障诊断研究,无论国内还是国外只是处于 起步阶段,目前还只是用 Labview 软件实现简单的数据采集、显示、滤波 和频谱分析等。 因此,研究基于虚拟仪器滚动轴承故障分析技术与方法是非常有意义 哈尔滨理工大学学士学位论文 -4- 的。 1.3 研究的主要内容 该课题主要是开发基于虚拟仪器的轴承故障检测分析系统。所以对于 轴承的故障特征对于我们完成该系统是非常重要的,因为使轴承失效的原 因很多,比如点蚀、化学
22、腐蚀、干摩擦等等,都会引起轴承的产生故障, 所以很难确认是什么原因导致轴承产生故障。本文根据轴承的故障特征, 主要要完成的任务有下面几个方面 1.搭建滚动轴承故障模拟实验台,组建振动信号测量硬件系统; 2.研究多故障信息提取技术。用 Labview 8.5 应用程序开发多故障信 息提取程序模块,该模块能够同时对振动信号的时域特征参数、幅值域特 征参数、频域特征参数等进行计算,并将计算结果实时显示出来; 3.开发时频分析系统。该系统能将轴承振动信号的数据进行保存和回 放,也可将振动信号波形、相关曲线、幅频谱、功率谱等曲线实时显示出 来,便于用户分析、观测,和诊断; 4.开发滚动轴承故障信号仿真与
23、分析程序。该程序能够实现 Labview 与 Matlab 软件交互式访问功能,充分利用二者各自的编程优势,实现故障 信号的仿真与分析。 哈尔滨理工大学学士学位论文 -5- 第 2 章 滚动轴承及故障的基本理论 2.1 轴承的分类和基本结构 1.滑动轴承的分类和基本结构 滑动轴承根据摩擦状态和润滑方式可以分为: (1)下摩擦轴承,又分为无润滑轴承和固体润滑轴承,采用固体润 滑,为固体摩擦方式。 (2)含油轴承,浸渍润滑方式,固体、边界、流体混合摩擦。 (3)不完全油膜轴承,摩擦方式同(2) ,但润滑采用了滴油、油绳、 油垫方式。 (4)动压轴承,为流体摩擦,备有循环润滑系统。 (5)静压轴承,
24、同(4) 。 滑动轴承一般由轴承座、轴瓦和润滑系统组成,工作时轴颈在轴承中 旋转带动润滑油形成动压油膜,考油膜压力与外载荷相抵来实现支撑并保 证轴颈灵活转动。动压油膜不仅是载荷的传递体,而且也是避免轴颈有轴 承直接接触的中介物质。油压模的性质和工作状态将严重影响润滑轴承的 工作品质。由于油压模的形成和性质不仅与轴承结构本身有关,还与工作 条件、供油系统及环境因素等相关,这一点决定了滑动轴承故障的特殊性 和复杂性1。 2.滚动轴承的分类 (1)按承受载荷的方向分 向心轴承:主要承受径向载荷,公称接触角 045;推力轴承: 主要承受轴向载荷,公称接触角 4590。 (2)按滚动体的形状分 按滚动题
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