基于LabVIEW的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)

蘇 敏，王 勇，何惜港，鄧四二，梁曉東

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；3.寧波達(dá)克軸承有限公司，浙江 寧波 315000）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械30%的故障是由滾動(dòng)軸承引起的，滾動(dòng)軸承工作狀態(tài)的好壞直接影響整臺(tái)機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)，因此，對滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障診斷具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。早期的滾動(dòng)軸承故障診斷是利用聽棒、電子聽診器等，依靠人的聽覺來判斷，這種方法過多依賴監(jiān)測人員的經(jīng)驗(yàn)，可靠性不高。隨之又引入了各種振動(dòng)速度、加速度測振儀，采用峰值、有效值或波峰因數(shù)［1］等參數(shù)診斷故障，這樣減少了人為因素的影響，提高了故障診斷的準(zhǔn)確性，但很難在故障初期及時(shí)做出診斷。目前基于計(jì)算機(jī)軟、硬件的測試平臺(tái)的虛擬儀器技術(shù)［2］在測量測試領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其大大簡化了傳統(tǒng)儀器的硬件結(jié)構(gòu)，能夠組建出滿足用戶各種需求的分析或檢測系統(tǒng)。鑒于此，對BVT-1A速度型測振儀［3］加以改進(jìn)，將測振儀的通頻帶模擬信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后傳入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上用LabVIEW編寫的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)測量振動(dòng)速度信號(hào)低、中、高3個(gè)頻帶的有效值R、峭度K、過閾值脈沖數(shù)N等參數(shù)，并在頻域內(nèi)用共振解調(diào)法［4］綜合評價(jià)軸承故障。

1 系統(tǒng)總體方案

基于LabVIEW的滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。檢測系統(tǒng)的測試方法如下：按照J(rèn)B／T5313—2001滾動(dòng)軸承振動(dòng)速度測量方法，用BVT-1A型測振儀進(jìn)行振動(dòng)測試。待測軸承的外圈固定并施加規(guī)定的軸向載荷，內(nèi)圈緊靠芯軸軸肩以1 800 r／min的恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；將傳感器的測頭壓下，選取軸承外圈外圓柱面圓周方向等距的3點(diǎn)測試其徑向振動(dòng)速度，將該徑向振動(dòng)（速度）分量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)并將該電信號(hào)輸入到測量放大系統(tǒng)，對其進(jìn)行信號(hào)處理并同步顯示軸承低、中、高3個(gè)頻段的徑向振動(dòng)速度均方根值（μm／s）。使用某公司的USB6009DAQ板卡和配套的BNC-2120接線盒將BVT-1A型測振儀的通頻帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并采集到計(jì)算機(jī)，然后用LabVIEW開發(fā)的軟件平臺(tái)進(jìn)行采樣信號(hào)的分析處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)保存、打印等功能。其中BNC-2120和USB6009的連接方式如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框架

圖2 振動(dòng)信號(hào)的外接電路

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 BVT-1A型測振儀

由動(dòng)圈式速度型傳感器、傳感器位置調(diào)整裝置、驅(qū)動(dòng)主軸、氣動(dòng)加載裝置和測量放大器等部件組成。傳感器諧振頻率在13 000 Hz左右，能滿足50 Hz～10 000 Hz頻段測試的要求，3塊表頭同時(shí)測量低、中、高3個(gè)頻帶的有效值，3個(gè)頻帶和通頻帶都有輸出接口，可與其他儀器對接。帶有揚(yáng)聲器，可對軸承噪聲進(jìn)行監(jiān)聽，同時(shí)可外接示波器，對振動(dòng)波形進(jìn)行監(jiān)視。

2.2 USB6009DAQ板卡

將軸承振動(dòng)速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。采用USB2.0協(xié)議，可以熱插拔，支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入，信號(hào)輸入范圍分別為0～10 V和-5～5 V；提供8路單端／4路差分輸入通道、2路模擬輸出通道等功能；分辨率16 bit，最高采樣率48 000 Hz（通頻帶），硬件驅(qū)動(dòng)程序?yàn)镹I-DAQmax8.3.1，驅(qū)動(dòng)程序用戶接口為MAX4.0，應(yīng)用軟件為LabVIEW8.2。

2.3 計(jì)算機(jī)

即上位機(jī)，是檢測系統(tǒng)的軟、硬件載體，通過USB數(shù)據(jù)線與USB6009數(shù)據(jù)采集卡相連，通過LabVIEW軟件平臺(tái)進(jìn)行信號(hào)處理，并根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制命令，例如聲光報(bào)警、進(jìn)行軸承分選等。

3 檢測系統(tǒng)的軟件平臺(tái)

3.1 軟件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)規(guī)劃和界面設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)是整個(gè)檢測系統(tǒng)的核心，LabVIEW語言具有各種儀器驅(qū)動(dòng)程序和高級信號(hào)分析子函數(shù)，用戶只需調(diào)出表示輸入控制、輸出顯示的圖標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)配置，然后連接類似數(shù)據(jù)流程圖的程序框圖，即可完成軟件設(shè)計(jì)工作。圖3為按照上述方式設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)。采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，繼承了BVT-1A型測振儀所能測量的參數(shù)，同時(shí)又?jǐn)U充了其他功能，例如：存儲(chǔ)、打印，實(shí)時(shí)測量振動(dòng)信號(hào)低、中、高3頻帶的有效值、峭度和過閾值脈沖數(shù)，并能進(jìn)行共振解調(diào)分析等。

圖3 軟件平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)

總的來說，用LabVIEW語言開發(fā)的軟件平臺(tái)需要完成數(shù)據(jù)采集、分析處理、結(jié)果顯示和輸出3部分功能，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

（1）在MAX中配置NI-DAQmax設(shè)備，包括設(shè)備號(hào)、通道、信號(hào)輸入范圍、采樣模式、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。

（2）按照文獻(xiàn)［5］的規(guī)定，通過LabVIEW自帶的Butterworth 5階帶通濾波器獲取低（50～300 Hz）、中（300～1 800 Hz）、高（1 800～10 000 Hz）3個(gè)頻段的振動(dòng)信號(hào)。利用LabVIEW的“信號(hào)處理”模板中的相關(guān)子函數(shù)求出有效值、峭度和過閾值脈沖數(shù)，并進(jìn)行共振解調(diào)分析。

（3）用布爾指示燈、波形圖顯示控件、滑動(dòng)桿等制作界面，用“文件I／O”、“報(bào)表生成”等模板實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、打印功能。

圖4為使用LabVIEW設(shè)計(jì)的界面，圖中實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)信號(hào)低、中、高3頻帶的振動(dòng)波形，有效值、峭度和過閾值脈沖數(shù)。并能根據(jù)軸承型號(hào)顯示相應(yīng)的振動(dòng)國標(biāo)，診斷結(jié)果用布爾指示燈顯示。“靈敏度調(diào)節(jié)”是為了去除噪聲的干擾而設(shè)置的。測振時(shí)須將“靈敏度調(diào)節(jié)”調(diào)到合適位置，測量振動(dòng)時(shí)電腦顯示器上顯示波形，不測量振動(dòng)時(shí)電腦顯示器上不顯示波形。

圖4 故障診斷軟件平臺(tái)

3.2 故障診斷方法

故障診斷系統(tǒng)在時(shí)域內(nèi)使用低、中、高3頻帶的有效值R（μm／s）、峭度K、過閾值脈沖數(shù)N（文中的脈沖閾值等于4倍有效值）3個(gè)參數(shù)相結(jié)合診斷軸承是否有故障。時(shí)域診斷具體方案如下：

（1）若低、中、高3頻帶的任一R值超過國標(biāo)規(guī)定值［5］，則表示軸承故障。

（2）若任一頻帶的R值均小于國標(biāo)規(guī)定的有效值，且K的實(shí)測值大于門限值（文中的峭度門限值等于4），則判斷相應(yīng)的頻帶內(nèi)N是否超過2個(gè)；若任一個(gè)頻段N超過3個(gè)，則表示軸承故障；反之表示軸承正常。

（3）若任一頻帶R和K都不超標(biāo)，無論N是否超過3個(gè)，均表示軸承正常。

頻域內(nèi)用共振解調(diào)法確定故障發(fā)生在軸承外圈、內(nèi)圈滾道或滾動(dòng)體上。共振解調(diào)常用于提取掩埋在常規(guī)振動(dòng)中的由故障引起的微沖擊信息，輸出一個(gè)與故障沖擊對應(yīng)的剔除了噪聲干擾的解調(diào)信號(hào)，共振解調(diào)法通過把輸出信號(hào)放大，經(jīng)過帶通濾波器（中心頻率為速度型傳感器的諧振頻率，文中為12 000 Hz左右）濾波，然后采用Hilbert變換進(jìn)行包絡(luò)檢波，再由低通濾波器去除殘余的高頻干擾噪聲，最后對比內(nèi)、外圈或滾動(dòng)體的理論故障頻率，通過功率譜分析確定故障發(fā)生的部位。共振解調(diào)法的LabVIEW程序如圖5所示。

圖5 共振解調(diào)的VI程序

4 故障診斷實(shí)例

以已知故障類型的3種軸承6203，6011和6211為例來驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為40 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為5 000，按照上述診斷方法在時(shí)域內(nèi)求出3種軸承樣本的R，K和N值，然后分別取每種型號(hào)的3種故障診斷結(jié)果列于表1。從診斷結(jié)果可以看出：故障軸承低頻帶的R，K和N值與無故障軸承相差不大；而故障軸承中、高頻帶的R，K和N均比無故障軸承的要大。因此，有效值、峭度和過閾值脈沖數(shù)相結(jié)合可在時(shí)域內(nèi)診斷出軸承是否存在故障。

表1 試驗(yàn)軸承的時(shí)域診斷結(jié)果

限于篇幅只對表1中型號(hào)為6211的存在鋼球缺陷的軸承進(jìn)行了共振解調(diào)分析。6211的球組節(jié)圓直徑為85 mm，鋼球直徑為15.081 mm，鋼球個(gè)數(shù)為10個(gè)，接觸角為0°。軸承外圈不轉(zhuǎn)，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為1 800 r／min。圖6是其分析過程，圖6b是Butterworth 5階帶通濾波器獲取的高頻帶（10 500～13 500 Hz）信號(hào)，圖6c是應(yīng)用Hilbert變換得到的包絡(luò)信號(hào)，圖6d是經(jīng)過低通濾波器（低截止頻率為1 000 Hz）之后得到的功率譜圖。從圖6d可以清晰地看見1階（80 Hz）至6階的高階諧波譜峰。通過軸承故障頻率的理論計(jì)算公式得到外圈故障頻率為123.4 Hz，內(nèi)圈故障頻率為176.6 Hz，鋼球故障頻率為81.8 Hz，而圖6 d中6211軸承的1階頻率與鋼球理論故障頻率大致相等，因此可以判斷軸承故障發(fā)生在鋼球上。

圖6 存在鋼球缺陷的6211軸承的共振解調(diào)分析過程

5 結(jié)束語

在虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)了BVT-1A型測振儀，利用計(jì)算機(jī)、USB6009數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW設(shè)計(jì)了一種軸承故障診斷系統(tǒng)。故障診斷系統(tǒng)在時(shí)域內(nèi)通過測量低、中、高3個(gè)頻帶的有效值、峭度、過閾值脈沖數(shù)，在頻域內(nèi)通過共振解調(diào)法來診斷軸承故障。最后對6203，6011和6211 3種型號(hào)軸承進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明了該系統(tǒng)的可靠性。需要注意的是，滾動(dòng)軸承的故障診斷是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)問題，軸承載荷、轉(zhuǎn)速、游隙諸因素都會(huì)給診斷結(jié)果帶來誤差，本故障診斷系統(tǒng)目前仍處于試驗(yàn)階段，還需要不斷地改進(jìn)和完善才能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。