基于虚拟仪器技术的滚动轴承故障诊断的包络分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３３卷第４期　２００７年７月　中国测试技术　ＣＨＩＮＡ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＩＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　Ｖｏｌ－３３　Ｎｏ．４　Ｊｕｌｙ．２００７　基于虚拟仪器技术的滚动轴承故障诊断的包络分析　潘　飞　，秦树人　，柏　林　（１．重庆交通科研设计院，重庆４０００６７；２．重庆大学测试中心，重庆４０００４４）　摘要：分析了滚动轴承典型故障产生机理及其故障特征频率，利用Ｈｉｌｅｒｂｔ变换的包络分析法分析滚动轴承故障特　征的思想，并且结合现代虚拟仪器技术设计并开发出实用的齿轮箱滚动轴承故障诊断系统。该诊断系统是我们自主　开发的ＶＭＩＤＳ系统基础上开发出的智能控件化虚拟式滚动轴承故障诊断系统，在成功完成故障信息提取的同时，能　降低系统的成本。　关键词：虚拟仪器；故障诊断；包络；滚动轴承　中图分类号：ＴＰ３ＩＩ．５２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－－４９８４（２００７）０４—０００９－－０４　Ｅｎｖｅｌｏｐｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇｓ　ｆａｕｌｔｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＰＡＮ　Ｆｅｉ　，ＱＩＮ　Ｓｈｕ－ｒｅｎ。，ＢＯ　Ｌｉｎ。　（１．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００６７，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｔｅｓｔ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｆａｕｌｔｓ　ｏｆ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｒｏｌｈｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇｓ　ｆａｕｌｓ　ｗｈｉｔｃｈ　ｃｏｍｂｉｎｅ　ｍｏｄｅｒｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｈｏｕｇｈｔ　ｏｆ　ａｎａｔｌｙｚｉｎｇ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇｓ　ｆａｕｌｔｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｈｉ／ｂｅｒｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｅｎｖｅｌｏｐ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＶＭＩＤＳ，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂｙ　Ｔｅｓｔ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｅｘｔｒａｃｔ　ｆａｕｌｓｔ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａ８　ｗｅｌｌ　ａ８　ｃｕｔ　ｏｆｆ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｖｉｔｕａｒｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；Ｅｎｖｅｌｏｐｅ；Ｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｅａｔｉｎｇ　１　引　言　用性等优点。　如何将待诊断的滚动轴承故障引起的振动信号　从很强的齿轮啮合振动和背景噪声中分离出来，是　齿轮箱中滚动轴承故障诊断的关键所在。滚动轴承　故障诊断方法有很多，常用的是振动诊断法，因为振　２滚动轴承典型故障及产生机理ｌ　Ｉ２】　滚动轴承的常见失效形式有：内圈、外圈和滚动　体的点蚀、疲劳剥落以及保持架损坏等。根据大量的　实际应用表明，一般滚动轴承外环与轴承轴的配合　有过度配合和较松的过盈配合，而齿轮箱中滚动轴　承内环与轴的配合是过度配合或较紧的过盈配合，　所以当轴承长期工作在较恶劣的条件下以及故障发　生在一定程度时，滚动轴承外环松动的现象也就会　常发生，此时不管滚动轴承是内环、外环或是滚动体　动信号所反映的故障信息较多。捕获故障信息的关　键是如何提高信噪比。理论分析和实验结果表明，对　有故障的轴承的振动信号若不加任何预先处理而直　接进行频谱分析，很难诊断出轴承故障。包络分析法　可以获得极好的信噪比，不仅可以诊断轴承故障发　生的部位、类型，而且可实现计算机对轴承的故障诊　断。　本文将虚拟仪器技术引入到滚动轴承故障诊断　系统的设计开发中，可以充分发挥虚拟仪器技术的　功能模块化的特征，使滚动轴承故障诊断系统具有　更好的灵活性、更高精度、更低成本、以及更好的易　收稿日期：２００６—１２—２０；收到修改稿日期：２００７－０２—２７　基金项目：国家８６３高新技术项目（２００５ＡＡ４２０３５０）　作者简介：潘飞（１９８０一），男，四川达州市人，硕士研究生，　图ｌ滚动轴承示意图　主要从事虚拟仪器及智能测试方面的研究工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com １０　中国测试技术　２０ｏ７年７月　发生故障，都会激励起外环的固有频率而产生调制　现象。　所以故障信号经加速度传感器后变成了调制信号。　因为冲击性故障信号具有宽频带特性，故障信号经　加速度传感后在共振频率处被放大数十倍，而在其　它频段内相对抑制减小。常规噪声信号只在低频段　内存在，经过传感器后仍然只在低频段有值。由此可　见，加速度传感器拾取的轴承振动调制信号包含高　如果在滚动轴承外圈由于上述的某一种机理　而产生的一种类型的失效，每一次当滚动体滚过　这个失效点时，一个高强度短时压力（脉冲）就会　导致轴承振动，并且迅速衰减。每当滚动体滚过失　效点一次，激励和响应就会发生一次，因此响应的　基频就是滚动体滚过失效点的频率。这个基频正　频冲击性故障信号和常规干扰噪声低频平稳信号两　部分内容。分离出这些冲击成分是轴承故障故障诊　是我们感兴趣的轴承故障频率，而对轴承振动的　谐波频率我们并不感兴趣，此频率可以从轴承的　几何尺寸和内、外环运动速度来计算。在内、外环、　滚动体或保持架上裂纹的不同的故障频率可以通　过计算得出。　对于一个角接触滚动轴承，假定内环旋转而外　环是固定不动的，这四个特征频率的计算公式如（１）　（２）（３）（４）（设轴承外圈固定即轴的旋转频率为．７：，　轴承的节径为Ｄ，滚动体直径为ｄ，接触角为　，滚动　体个数为Ⅳ，并且假定滚动体与内外环之间为纯滚　动接触）。　Ａ－－ｆ，×告１一（軎）　ｃｏｓ　】　（１）　×　Ｎ（１一　ｄ　ｃ０ｓ　）　（２）　×下Ｎ（１十　ｄ　ｃｏｓ　）　（３）　×　１《１＋ＤＣＯＳＯ／｝　（４）　３包络分析法原理［３１４１　３．１含有故障的轴承信号模型　当轴承的某一个部分有故障发生时，则在时域　内振动信号为周期性冲击信号。由振动理论可知，用　来采集振动信号的加速传感器相当于一个单自由度　振动的机械系统，固有频率与无阻尼时的固有频率　几乎相等，所以加速度传感器的单位脉冲响应函数　为：　ｈ（ｃ）＝ｅ－￣＂％ｉｎ（ｍｔ）　（５）　式中　为传感器谐振频率；ｍ为振子质量。　由振动理论可知，滚动轴承故障信号通过加速　度传感器时其冲击特性仍然存在，相当于给加速度　传感器这个机械系统一个冲击激励ｘ（ｔ），传感器的　输出响应为输入与系统单位脉冲响应函数的卷积，　即：　，，（ｔ）＝　（ｔ）　（ｆ）　（６）　其中＿ｙ（ｔ）加上噪声部分即为轴承信号的模型。　根据卷积性质，时域中的卷积在频域中为乘积，　断的关键所在。　３．２包络分析法原理　Ｈｉｌｂｅｒｔ变换是一种将时域实信号变为时域解　析信号的方法，公式（７）称为Ｈｉｌｂｅｒｔ变换，公式（８）　便是Ｈｉｌｂｅｒｔ反变换。包络分析法就是利用Ｈｉｌｂｅｒｔ　变换对实信号ｘ（ｔ）进行Ｈｉｌｂｅｒｔ变换得到；（ｔ）。然后　构造解析信号　（ｔ）＋　（ｔ）＋；（ｔ），其实部是实信号本　身，虚部是实信号的Ｈｉｌｂｅｒｔ变换，而解析信号的幅　值ｌｚ（ｔ）ｌ便是实信号的包络，如图１所示。　，∞　／、　．　互（ｔ）：　ｌ丛　打　７ｒ　Ｊ一＊ｔ－　（７）　ｒ∞　＾／、　．　（ｔ）：一　ｌ丛　打　（８）　信号　（￡）　ｌ睦　　Ａ（　）　（￡）＋互（￡）『　｛……一ｊ　……　…　　。ｔ　包络信号ＩＡ（ｔ）Ｉ　图２包络分析示意图　３．３应用包络分析法步骤　采用包络分析法提取故障信号的步骤：　３－３．１带通滤波　由故障引起的冲击信号在经过加速度传感器共　振频率处得到了很大幅度的加强，因此需要中心频　率等于加速度传感器共振频率的带通滤波器将冲击　性故障信号保留下来，而常规干扰噪声由于其频率　低于共振频率所以得以消除。　３．３．２包络峰值检波　故障信号在经过带通滤波后，通过包络检波器　后得到一个与故障冲击频率相一致的脉冲串。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３３卷第４期　潘飞等：基于虚拟仪器技术的滚动轴承故障诊断的包络分析　１１　高　Ｈｉｌｂｅｒｔ变拶　ｌ有故障　带通滤波　频　包络检波　『的信号　振　—．、　分离出　’　。。。‘＿～　动　故　包　障　／诊　＼Ｌｒ—一　频　—一　络　包络信三　断　谱　图３包络分析中信号处理过程示意图　３．３．３低通频滤波　通过此低通滤波器可以消除残余的高于故障频　率的干扰成分。包络分析法在滚动轴承故障诊断中　的应用过程如图３所示。　４故障诊断系统的实现［５１　基于虚拟仪器技术的滚动轴承诊断系统由两部　分硬件和软件两部分组成，如图４所示。　传感器夹具　虚　集模块Ｈ　！ｆ卜＿ｆ＿　慈磊磊百石　竺　苎竺！　拟　Ｈ数据采集卡　仪　器　数据预处　传感器　理模块　图４测试系统框图　网５软件界面　硬件部分主要有数据采集模块和数据预处理模　块构成。数据采集模块的功能是负责将现场的各种　非电的物理量按照某种对应关系转换为模拟电信　号，再由数据采集卡将模拟的电信号离散并量化成　计算机可以直接处理的数字信号。数据预处理的主　要作用是对有数据采集模块得到的数据进行软件处　理前的数据预处理。　软件是由ＶＭＩＤＳ虚拟仪器系统拼搭而成，其　主要功能是对经过预处理的信号进行分析和处　理，并且根据用户需要显示必要的波形，并且为用　户提供一个有好的操作界面，图５为虚拟仪器软　件界面。　５应用实例　现以５Ｔ一８５型变速箱为例来进行系统的测试　诊断，５Ｔ－８５型变速箱为三轴式定轴传动变速器。它　有五个前进档和一个倒档，变速器采用拉杆式换档　机构。其结构简图如图６所示。测试平台为某厂的变　速箱封闭实验台，其简图如图７所示。整个齿轮箱测　试诊断系统由变速箱、传感器、调理器、汽车变速箱　测试诊断虚拟仪器构成，如图８所示。电动机额定转　速为：１５００转／ａｒｉｎ；当变速箱为Ｉ档时其传动比为：　２．４７２。轴承１的型号为２２ＮＵ１５ＥＣ，内径ｄ＝１５ｍｍ，　外径Ｄ＝１０４ｍｍ，滚动体数量Ｎ＝１８，接触角ａ＝０。当　输入转速为１５００转／ｍｉｎ，变速箱挂为Ｉ档时轴承１　的故障频率如表１所示。　表１轴承故障频率　输入轴　测点①ｊ　轴承１　斟　Ｚｉ８￣Ｉｌ　ＺＩｉ４　测　ＺＩ３７　轴承３点出②轴　　副轴　１７Ｉ测点④　测点＠　轴承　图６　５Ｔ－８５型变速器结构及测点布置图　图７实验装置图　维普资讯 http://www.cqvip.com １２　中国测试技术　２Ｏｏ７年７月　采用ＹＤ一３７加速度传感器，根据测点布置原　则，在整个变速箱箱体上面对于容易发生故障的部　位分别布置了５个测点，实验中选择轴承座附近刚　性较好的部位，在两端轴承座沿水平、垂直、轴向布　置一个传感器。传感器采用磁铁吸盘式安装方式，用　磁座固定在箱体上，具体布置图如图６所示。　通过采样并分析数据，我们得到在测点１处的　时域波形如图９（ａ）所示，从时域波形图可以看出有　周期冲击频率成分存在，但是我们并不能定量确定　此冲击是由什么所引起的。于是进一步分析其幅值　谱图９（ｂ）以及功率谱图９（ｏ），可以观察到在（１３００—　２５０ｏ）Ｈｚ范围内２１００Ｈｚ附近，以及在（４０００～４５００）　Ｈｚ范围内４２０ｏＨｚ附近出现了含有１９１．３５Ｈｚ的调　■一　一一　（ａ）时域波形　（ｂ）幅值谱　（ｃ）功率谱　（ｄ）包络谱　制峰群，而实测自由态下轴承外圈一阶固有频率为　２１１３．０３７Ｈｚ，二阶为４２２６．０７４Ｈｚ。而轴承的外圈故障　频率基频为１９２．８５Ｈｚ，所以基本可以判定为轴承外　圈故障。　图８测试系统结构示意图　为了更进一步清晰的观察出故障，我们继续使用　包络分析法，对调制波进行解调分析，其包络波形如　图９（ｄ）所示。图中在０　８００Ｈｚ范围内在１８８．５９９Ｈｚ、　３９８．６９０Ｈｚ、５７５．８６７Ｈｚ、７６５．３８１Ｈｚ处出现了４条谱　线，与计算所得轴承外圈故障频率１　４倍频值　１９２．８５、３８５．７１、５７８．５６、７６５．３８１基本吻合。最后经确　认该轴承的外圈上发现有一剥落坑出现，与仪器预　测相一致。　６结　论　．　基于虚拟仪器技术的滚动轴承故障诊断系统是　网９某变速箱时域波形和频谱网　虚拟仪器技术在滚动轴承诊断测试方面的一个新的　尝试，它大大简化了系统的设计，并极大地提高了系　统的灵活性和功能的扩展性。　本滚动轴承故障诊断系统与传统设计相比具有　研制周期短、容易组建、开发成本低、性能可靠、界面　友好、易于功能扩展等优点。因此，本系统的研制具　有很大的现实意义。　参考文献　［１］Ｓ　Ａ　ＭｃＩｎｅｍｙ，Ｙ　Ｄａｉ．Ｂａｓｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｆｏｒ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｆａｌｕｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，２００３，４６（１）：１４９—１５６．　【２　丁２］康，李魏华，朱小勇．齿轮及齿轮箱故障诊断实用技　术［Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００５．　［３］秦树人，等．智能控件化虚拟仪器系统原理与实现［Ｍ］．北　京：科学出版社，２００５．　［４］秦树人，张思复，汤宝平．集成测试技术与虚拟仪器【Ｊ］．中　国机械工程，１９９９，１０（１）：７７—８Ｏ．　【５】马波，魏强，徐春林．基于Ｈｉｌｂｅｒｔ变换的包络分析及　其在滚动轴承故障诊断中的应用［Ｊ］．北京化工大学学报，　２００４，３１（６）：９５—９７．　［６］马晓建，陈瑞棋，吴文英．机械故障诊断中常用解调方法　的比较及应用［Ｊ］．东华大学学报，２００　１，２７（５）：１０５—１０８．　【７］朱利民，钟秉林，黄仁．齿轮故障振动信号检波解调分析　中的混频效应［Ｊ］．振动工程学报，１９９９，１２（３）：３３１－３３．