應用共振解調技術檢測機車走行部滾動軸承的LabVIEW實現(xiàn)

【摘要】本論文對實現(xiàn)軸承狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方法的研究：對機車走行部滾動軸承的振動信號的主要分析方法進行了說明；介紹了機車走行部滾動軸承的故障類型并開發(fā)了一套以labview為開發(fā)平臺，基于共振解調技術的故障信號分析處理技術的故障診斷系統(tǒng)，能夠準確判斷滾動軸承的故障及其發(fā)生的位置。本文的研究內容主要包括振動信號的采集、信號分析與處理、故障診斷三個內容。

【關鍵詞】滾動軸承；共振解調；故障診斷；labview

機車長時間運行在惡劣的環(huán)境中，走行部載重軸承的滾動工作面會出現(xiàn)裂紋、凹痕、碰傷、剝離、電蝕、銹蝕，甚至出現(xiàn)破碎和缺損等故障， 從而引起機械的劇烈振動和頻繁沖擊。這些軸承故障的擴大，可能造成機車破損事故，嚴重危及行車安全。為此，根據(jù)滾動軸承的運行規(guī)律及其振動機理分析故障產(chǎn)生的根源，找出軸承故障診斷的方法，對機車走行部的軸承實行狀態(tài)監(jiān)測，確保機車安全可靠運行意義重大。在振動信號的診斷方法中，信號處理技術是診斷的關鍵。診斷設備的流程可以分為數(shù)據(jù)采集、信號處理和故障診斷三個階段。在了解研究對象故障特點的基礎上，設計系統(tǒng)的整體方案。

1.機車滾動軸承故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)基本思路

當滾動軸承出現(xiàn)不同類型和部位的故障時，采用振動分析法，在頻譜分析中可以看出其振動頻率的結構組成不同點，通過監(jiān)測滾動軸承振動時域信號可以達到實時監(jiān)測得目的，通過振動信號的頻譜圖的分析可以診斷出故障的部位，最終達到在線監(jiān)測和故障診斷的目的。

本系統(tǒng)的基本思路為：利用傳感器采集軸承的振動信號，把真實的振動信號轉換成電信號，由于傳感器輸出的電信號通常很微弱，并伴有噪聲，因此需要經(jīng)過信號調理裝置對其進行必要的調理。信號調理裝置的功能一般有：放大、隔離、多路復用、濾波、激勵和線性化等。然后通過信號采集設備將信號傳送到個人計算機，再通過計算機上的故障診斷系統(tǒng)對振動信號進行分析處理，以達到監(jiān)測和診斷的目的。

2.基于LabVIEW的系統(tǒng)軟件實現(xiàn)部分

本文利用LABVIEW實現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。整個系統(tǒng)分為五個功能模塊，它們分別是數(shù)據(jù)采集模塊、時域分析模塊、共振解調模塊和故障特征頻率模塊。

2.1數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要用于滾動軸承振動信號的采集，波形的存儲和回放，同時還可以產(chǎn)生仿真信號，在不連接硬件的情況下也可以操作本系統(tǒng)。筆者設計的系統(tǒng)可以完成多通道數(shù)據(jù)采集及存儲，分析某一通道的信號時只需根據(jù)系統(tǒng)的通道選擇即可。本模塊功能的實現(xiàn)應用的是LABVIEW中的tdms文件的存儲及讀取，此外在信號回放時，還可以進行播放速度的選擇。

2.2時域分析模塊。時域波形反映信號的幅值隨著時間變化而變化的關系。時域波形直觀、易于觀察，軸承故障的時域診斷的最大優(yōu)勢是不依賴設備轉速與軸承的技術參數(shù)。時域分析模塊包括各個時域統(tǒng)計指標，還有各種濾波后的信號，自相關分析。

2.3共振解調模塊。共振解調信號處理模塊：原始時域振動信號首先經(jīng)過一個去均值處理后再經(jīng)過一個帶通濾波函數(shù)進入包絡檢波；包絡檢波模塊使用Hilbert解調，包括兩個函數(shù)，一個Hilbert變化函數(shù)和一個直角坐標至極坐標變換函數(shù)，完成的運算是實信號和其Hilbert變換構成解調信號；接著經(jīng)過一個低通濾波器進行信號分離；最后作自功率譜分析。帶通和低通濾波器的參數(shù)、功率譜參數(shù)等都可以通過前面板進行調整。

2.4時頻分析模塊。時頻分析模塊采用的是希爾伯特黃變換，編寫此程序的過程包括求解局部均值、求解信號包絡、求解IMF、終止條件判斷、求出所有的IMF。

2.5故障特征頻率模塊。為了方便用戶進行故障診斷，本系統(tǒng)設置了故障特征頻率模塊，省去了用戶手動計算的麻煩，能夠快速得出故障特征頻率。故障特征頻率計算模塊還采用了屬性節(jié)點，選定軸承類型以后，接觸角就已經(jīng)固定，不能進行修改，可以避免誤操作。

3.系統(tǒng)測試實驗

本系統(tǒng)的軟件調試基本完成，但是它的實際運行情況和診斷故障的能力還有待驗證，因此我們按照規(guī)范的步驟對系統(tǒng)進行了測試。

3.1測試實驗系統(tǒng)組成。我們采用試驗臺提供的振動信號來進行測試，本次測試實驗的測試對象選用轉子振動試驗臺，傳感器采用IEPE壓電式加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集與信號調理模塊采用cDAQ9172機箱和NI9233加速度模塊，并結合筆記本電腦，組成一套完整的信號采集與信號分析系統(tǒng)。

3.2實驗過程與結論。轉子振動試驗臺能夠提供振動信號，測試系統(tǒng)共安裝2個加速度傳感器，利用磁鐵吸合在振動臺上，分別測量水平和垂直兩個方向的加速度信號。經(jīng)過傳感器采集的加速度傳感器信號與NI9233模塊的a2和a3通道相連。經(jīng)過分析，我們可以得出該振動信號包含的主要頻率為100Hz和1000Hz，雖然可能結果不夠精確，但是還是能大致判斷信號的頻率范圍，能夠實現(xiàn)信號的分析，診斷軸承故障。

4.結論和展望

4.1結論。（1）研究分析了軸承的故障機理和常見軸承故障分析技術的相關理論知識，對常見的故障診斷方法進行了總結，并經(jīng)過介紹對比發(fā)現(xiàn)共振解調技術對于分析滾動軸承的故障起到了較好的效果。（2）根據(jù)滾動軸承故障診斷的特點，配置了相關的硬件，包括傳感器，數(shù)據(jù)采集卡的選用。（3）利用LABVIEW開發(fā)出了機車走行部滾動軸承的故障診斷平臺，不僅能夠進行共振解調分析，還設計了時域分析和時頻分析，使得故障診斷更加精確。此外還包括數(shù)據(jù)采集模塊和故障特征頻率模塊。

4.2展望。本文在研究了機車走行部滾動軸承振動機理和故障特征的基礎上，運用共振解調技術，成功地診斷了滾動軸承故障，取得了一些階段性的成果，但是還有很多問題有待進一步的研究解決，主要包括：（1）建立數(shù)據(jù)庫如果用于工程上的軸承的故障診斷，每日需要大量數(shù)據(jù)存儲，需要建立專門數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的整理是非常必要的。（2）提供更多的信號分析方法如小波變換等都可用于軸承故障診斷，豐富監(jiān)測和診斷的手段。（3）滾動軸承發(fā)生故障，往往會引發(fā)多種故障同時發(fā)生，因此研究多種故障并存的故障診斷具有更好的現(xiàn)實意義。