基于LabVIEW的軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

彭婭楠，劉麗冉（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

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基于LabVIEW的軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

彭婭楠，劉麗冉
（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

摘要：軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中一個重要的支撐部件，其惡劣的工作環(huán)境使得軸承成為最容易損壞的部件之一。旋轉(zhuǎn)機(jī)械是否能夠安全穩(wěn)定的運行起決定性作用的就是軸承的運行狀態(tài)。同時由于軸承在汽車的傳動系、行駛系中也具有極其重要的作用，對軸承工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測以保證車輛的穩(wěn)定運行、保障駕駛員的安全性是非常重要的。文章利用虛擬儀器LabVIEW技術(shù)開發(fā)了一個軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)傳感器采集的軸承狀態(tài)信息，實時準(zhǔn)確地診斷軸承潤滑狀態(tài)，是提高汽車運行安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要保障措施。

關(guān)鍵字：軸承；潤滑狀態(tài)；虛擬儀器；LabVIEW；傳感器

CLC NO.: U463.3Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-149-03

1、綜述

1.1研究背景及意義

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中，軸承是一個不可缺少的零件，由它來承受整個系統(tǒng)的負(fù)載，保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能夠抵抗來自外界的包括靜態(tài)和動態(tài)的力[1]。正常工作軸承具有使用壽命長、承載力高、能量損耗小等優(yōu)點，在機(jī)械設(shè)備和公共設(shè)施中廣泛應(yīng)用。所以對軸承潤滑狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測以確保其良好的運行狀況是很有必要的。而摩擦是導(dǎo)致功率損耗的主要原因，磨損會導(dǎo)致機(jī)械零部件發(fā)生損傷，嚴(yán)重時會導(dǎo)致機(jī)械零件失效。就目前而言，降低摩擦和磨損最有效的方法就是潤滑[2]。

本文采用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測試儀器缺陷的LabVIEW軸承虛擬儀器故障診斷系統(tǒng)。在LabVIEW故障診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提取分析了軸承的振動、溫度信號，為后期試驗數(shù)據(jù)的獲得及處理提供有力的支持，同時這對于分析潤滑特性具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

軸承處的干摩擦將會導(dǎo)致軸承溫度升高、承載能力降低以及潤滑油溫度升高、粘度下降等惡性事故[3]。因此，對軸承工作狀態(tài)、運行故障進(jìn)行實時監(jiān)測診斷等，得到了廣泛的重視。

在機(jī)械故障診斷系統(tǒng)開發(fā)方面，很多國家已經(jīng)推出了對于機(jī)械設(shè)備故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)，如美國Rockwell Automation Entek公司的機(jī)器故障診斷系統(tǒng)；荷蘭philips公司的R3000狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；丹麥B&K公司的B&K3450-CONPASS狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)；日本的Mitsubishi公司的NHMS設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷專家系統(tǒng)等[4,5]。我國在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方面的研究和應(yīng)用相對較晚。自90年代以來，我國開始研究推出自己的故障診斷產(chǎn)品，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的ETHYLENE系統(tǒng)、MMD-2系統(tǒng)與MMD-3系統(tǒng)，西安交通大學(xué)的Rb-20系統(tǒng)和RNDS系統(tǒng)等。雖然我們在理論上一直緊跟國際先進(jìn)水平，但是跟發(fā)達(dá)國家還是有一定距離的。

2、軸承潤滑狀態(tài)檢測及傳感器

2.1溫度傳感器的監(jiān)測原理及參數(shù)

2.1.1檢測原理

本文選用的是Pt100正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器。它的阻值在0℃時為100Ω，-200℃時為18.52Ω，200℃時為175.86Ω，800℃時為375.70Ω。它的阻值在0℃時為100Ω，-200℃時為18.52Ω，200℃時為175.86Ω，800℃時為375.70Ω。

Pt100溫度傳感器在實際應(yīng)用中有兩種形式：一種是只有一塊Pt100的集成電路采集不用顯示出來的模擬信號，Pt100的集成電路直接把采集到的電阻變?yōu)?-5VDC輸入，簡單運算之后就可以得到相應(yīng)的溫度值。

2.1.2參數(shù)選擇

本試驗裝置的溫度信號由3個Pt100正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器測量的，該溫度傳感器的技術(shù)指標(biāo)如下：

表1　Pt100主要技術(shù)參數(shù)

2.2振動信號傳感器

表2　CA-YD-103主要技術(shù)參數(shù)

本文選用的是型號為CA-YD-103的雙壓電加速度傳感器，在可聽范圍內(nèi)可作為高靈敏度的聲音傳感器，該傳感器在彎曲時它的一側(cè)進(jìn)入緊張和壓縮狀態(tài)。該振動傳感器的技術(shù)指標(biāo)如表2。

3、基于LabVIEW系統(tǒng)平臺的潤滑狀態(tài)信號監(jiān)測

數(shù)據(jù)采集簡稱 DAQ(Data Acquisition)，是指將諸如溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行采樣、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、顯示打印的過程[6]。

3.1模擬軸承溫度傳感器采集的溫度信號顯示報警界面

如圖1所示，主界面包括一個溫度信號波形圖，當(dāng)設(shè)置軸承溫度上限時，點擊開始采集信號，溫度計會顯示出響應(yīng)的模擬信號的溫度，報警器采集報警次數(shù)，波形圖開始顯示出當(dāng)時的軸承潤滑狀態(tài)。報警記錄是信號采集采集系統(tǒng)中一個非常關(guān)鍵的功能。由于該系統(tǒng)采用的溫度傳感器有一定的量程限制，因此，在數(shù)據(jù)采集過程中，需對超過量程或是既定臨界值的溫度信號進(jìn)行計算機(jī)報警，以提醒操人員做出相應(yīng)的判斷。當(dāng)系統(tǒng)收集到的采樣值大于預(yù)設(shè)的臨界值時，溫度報警器將被觸發(fā)引起報警事件發(fā)生，同時記錄大于臨界值的數(shù)據(jù)和傳感器的類型，以供用戶進(jìn)行查看。這部分的實時記錄數(shù)據(jù)不會被保存，每次系統(tǒng)重啟時，數(shù)據(jù)都會被清空。

圖1　溫度信號采集前面板

本文將0~1的隨機(jī)數(shù)作為模擬信號輸入，當(dāng)軸承工作時溫度在80℃以下為正常溫度，當(dāng)軸承溫度達(dá)到80℃或者更高，則報警器將產(chǎn)生報警信號，采集次數(shù)達(dá)到100次時停止采集。

3.2模擬軸承振動信號傳感器采集信號

隨著振動幅度的改變振動信號波形圖在不斷的變化。如圖2所示，根據(jù)振動信號、頻率的不同可以顯示出其振動幅度的最大值、最小值和算術(shù)平均值。軸承的工作狀態(tài)和故障主要是利用安裝在軸承處的傳感器采集的振動信號，然后將該信號與正常信號進(jìn)行對比和分析來反映的。隨著軸承的運轉(zhuǎn)，存在磨損的軸承產(chǎn)生的振動信號是隨機(jī)的，且周期信號不明顯[5]。一般情況下，通過對振動信號的振動幅值大小來判斷磨損故障的情況。軸承的損傷型故障是檢測的重點，

由于軸承的缺陷使其表面在運行過程中引起金屬疲勞的小塊脫落。

圖2　振動信號采集前面板

把添加均勻白噪聲的仿真信號作為模擬傳感器采集到的軸承振動信號，根據(jù)采集到的波形和后期的數(shù)據(jù)處理可以判斷軸承的潤滑狀態(tài)。為了使系統(tǒng)提供更多的信號源，我們提供了正弦信號、三角波信號和方波信號等常用信號。另外，我們也了設(shè)定信號參數(shù)，包括頻率、相位、幅值以及采樣數(shù)和采樣頻率。另外還可以根據(jù)實際情況，添加一定的噪聲，如均勻白噪聲、高斯白噪聲和周期性噪聲等。當(dāng)信號的參數(shù)設(shè)定完畢后，可以根據(jù)系統(tǒng)實際情況，生成一個連續(xù)時域信號，實現(xiàn)信號動態(tài)顯示。

4、結(jié)論

本文是在試驗的基礎(chǔ)上完成的。以軸承為研究對象，以多種傳感器為硬件條件，對軸承的潤滑狀態(tài)采用LabVIEW測試試驗平臺。實現(xiàn)了對軸承潤滑狀態(tài)的多種數(shù)據(jù)的采集、分析和診斷等功能。

該系統(tǒng)可以對溫度傳感器、振動傳感器發(fā)出的信號高速采集、實時顯示和數(shù)據(jù)保存、查詢等，顯示出軸承溫度的分布以及變化的趨勢，振動信號隨振幅和頻率的變化情況，并且有一定的精確度和可靠性，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計的目標(biāo)，同時還為下步的數(shù)據(jù)存儲和軸承故障診斷提供了一定的技術(shù)支持和儲備。

參考文獻(xiàn)

[1]王炳軒.基于LabVIEW的潤滑狀態(tài)聲發(fā)射信號分析[D]:大連:大連海事大學(xué).2013.

[2]徐敏,黃昭毅等. 設(shè)備故障診斷手冊[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1998.

[3]度和濟(jì),韓慶大等. 設(shè)備故障診斷工程[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2001.

[4]Wilson, Bary W, et al. Development of a modular in-situ oil analysis prognostic system[C]. International Society of Logistics (SOLE) 1999 Symposium. Las Vegas, .Nevada.

[5]楊國安. 機(jī)械設(shè)備故障診斷實用技術(shù)[M]. 北京:中國石化出版社,2007.

[6]張有忱,孟惠榮,范迅等.用接觸電阻法判斷蝸桿傳動潤滑狀態(tài)的研究[M].煤炭科學(xué)技術(shù).1999,27(9):26-27.

使用維修

Development of bearing lubrication condition monitoring system based on LabVIEW

Peng Yanan, Liu Liran
( automobile college, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

Abstract:Bearing plays an important support role in rotating machinery, but the poor working environment makes the bearing become one of the most easily damaged parts. Whether the rotating machinery can be safe and stable is decided by the bearing running. At the same time, the bearings which are in the car also play an extremely important role in the drive train and running gear , it is very important for working status real-time monitoring to ensure stable operation of the vehicle and to protect the safety of the driver. In this paper, LabVIEW virtual instrument technology has developed a bearing lubrication condition monitoring system, according to the bearing status information collected by sensors in real time to accurately diagnose the bearing lubrication is a important safeguard to improve vehicle operation safety and economy.

Keywords:Bearing; Lubrication; Virtual Instruments; LabVIEW; Sensor

中圖分類號：U463.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編碼： 1671-7988 （2016）05-149-03

作者簡介：彭婭楠，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033