多參數(shù)軸承振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制

黃文濤, 陳 芳

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室管理與教學(xué)條件保障處, 黑龍江 哈爾濱 150001； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的常用件,軸承出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生故障特征信號(hào),通過(guò)各種傳感器對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,并用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,就能及時(shí)對(duì)軸承故障進(jìn)行檢測(cè)[1-2]。

市場(chǎng)上有滿足不同需求的軸承測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái),其中,以科學(xué)研究為目的軸承實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1-6],多以研究軸承特定性能為主,而教學(xué)用途的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則具有多種類型。在教學(xué)用途的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中,有的在現(xiàn)有基礎(chǔ)上通過(guò)改進(jìn)提高了性能[7-8]；有的以仿真為主,能夠進(jìn)行滾動(dòng)軸承組的模擬實(shí)驗(yàn)[9]；更多的則是為了滿足軸承故障診斷的教學(xué)演示需求,能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào),同時(shí)進(jìn)行信號(hào)分析和處理[10-12]。

但這些設(shè)備很少考慮到溫度變化和軸承安裝過(guò)程對(duì)實(shí)驗(yàn)本身的影響。軸承長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)引起的溫升,使得金屬材料膨脹,從而改變軸承間隙和軸承振動(dòng)響應(yīng)；安裝軸承時(shí),軸承座與軸承外圈之間不同的預(yù)緊力會(huì)使軸承外圈產(chǎn)生不同的變形,間接改變了軸承尺寸,影響了測(cè)量結(jié)果。這兩種影響的后果,就是同一故障軸承多次安裝和多次測(cè)量的結(jié)果會(huì)有很大不同。因此,研發(fā)一種能記錄軸承運(yùn)行時(shí)的溫度及軸承座預(yù)緊力的多參數(shù)軸承振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)尤為重要。

本文所提出的多參數(shù)軸承振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái),不僅解決了上述問(wèn)題,而且在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上,為學(xué)生提供了多種實(shí)驗(yàn)方案選擇,有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力,有利于鍛煉學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體方案

以LabVIEW軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái),針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子的常見(jiàn)故障,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多參數(shù)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)融合了傳感技術(shù)課程中3類典型的傳感器(加速度傳感器、電渦流傳感器和溫度傳感器),是一個(gè)綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)于軸承系統(tǒng)的各種常見(jiàn)故障,可根據(jù)故障信號(hào)特征判斷出故障類型和故障位置。把采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),通過(guò)LabVIEW軟件進(jìn)行計(jì)算處理,并結(jié)合Matlab軟件進(jìn)行分析。

圖1 多參數(shù)軸承振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的動(dòng)態(tài)加載,主要硬件結(jié)構(gòu)包括底座平臺(tái)、加載機(jī)構(gòu)、軸承系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及信號(hào)采集系統(tǒng),如圖2所示。

圖2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

底座平臺(tái)由一個(gè)T型槽平臺(tái)及支架構(gòu)成；軸承系統(tǒng)由一對(duì)上下剖分式的軸承座和轉(zhuǎn)軸組成,軸承座固定外圈,轉(zhuǎn)軸和內(nèi)圈連接；加載機(jī)構(gòu)由支架和電動(dòng)缸組成,電動(dòng)缸固定在支架上豎直放置,對(duì)軸承座進(jìn)行加載；驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)和皮帶組成,電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過(guò)皮帶使轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；信號(hào)采集系統(tǒng)主要測(cè)量安裝軸承時(shí)的預(yù)緊力、軸承工作時(shí)的振動(dòng)信號(hào),并實(shí)時(shí)檢測(cè)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度。各組成部分的性能和作用如下。

(1) 底座平臺(tái)為T型槽平臺(tái),包括電機(jī)底座平臺(tái)和軸承系統(tǒng)底座平臺(tái),兩平臺(tái)分開(kāi)放置,防止電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)傳到軸承系統(tǒng),影響傳感器的測(cè)量結(jié)果。

(2) 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中,皮帶將動(dòng)力從電機(jī)傳給軸承轉(zhuǎn)軸,減小電機(jī)振動(dòng)對(duì)軸承系統(tǒng)的影響,電機(jī)采用2.2 kW三相異步電動(dòng)機(jī)。

(3) 加載機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)缸和電動(dòng)缸支架,電動(dòng)缸支架安裝在軸承系統(tǒng)底座平臺(tái)上,對(duì)電動(dòng)缸起到支撐作用。電動(dòng)缸可實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的動(dòng)態(tài)加載,加載范圍0～2 000 N。

(4) 軸承系統(tǒng)由1對(duì)固定軸承和1個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)軸承組成,測(cè)試軸承受到來(lái)自加載機(jī)構(gòu)中電動(dòng)缸加載的壓力。

2.2 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信號(hào)采集系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖3所示,軸承振動(dòng)信號(hào)采集的硬件設(shè)備通常是由傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)及專用線路等模塊構(gòu)成。硬件設(shè)備的選擇主要取決于系統(tǒng)的可靠性、擴(kuò)展性、通道數(shù)、采樣頻率和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等。

圖3 信號(hào)采集系統(tǒng)

(1) 傳感器：壓電式加速度傳感器(ICP)利用壓電材料的特性,通過(guò)材料受力與電荷的比值測(cè)出振動(dòng)信號(hào)的加速度。電渦流位移傳感器利用電渦流效應(yīng),檢測(cè)被測(cè)金屬導(dǎo)體和探頭之間的相對(duì)位移。溫度傳感器利用材料的溫度變化會(huì)引起材料電阻值線性變化的特性,計(jì)算軸承的工作溫度。

(2) 放大電路：壓電式加速度傳感器和溫度傳感器工作時(shí)的輸出電壓可能過(guò)低，導(dǎo)致采集卡無(wú)法識(shí)別，因此通過(guò)放大電路連接采集卡放大信號(hào)，同時(shí)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成用于數(shù)據(jù)采集計(jì)算的數(shù)字信號(hào)。

(3) 前置電路：前置電路主要有2個(gè)功能,一是為電渦流傳感器探頭的交流電流；二是對(duì)振動(dòng)信號(hào)起到放大電流及降噪作用,產(chǎn)生與振動(dòng)信號(hào)成線性變化的電流或電壓信號(hào)。

(4) 數(shù)據(jù)采集卡：數(shù)據(jù)采集卡的主要作用是把傳感器和其他設(shè)備測(cè)量到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成用于數(shù)據(jù)分析的數(shù)字信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用研華PCI-1710總線多功能數(shù)據(jù)采集卡,主要功能包括：A/D和D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入和輸出及計(jì)數(shù)器和定時(shí)器等。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

本軸承振動(dòng)實(shí)驗(yàn)以LabVIEW軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái),并結(jié)合Matlab軟件,進(jìn)行軸承系統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷軟件設(shè)計(jì)。該軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軸承系統(tǒng)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)信號(hào)的處理、分析、存儲(chǔ)、回放,以及對(duì)振動(dòng)幅值的超標(biāo)報(bào)警等功能。同時(shí)還能對(duì)電動(dòng)缸加載的壓力、軸承運(yùn)行時(shí)的溫度、電渦流傳感器數(shù)據(jù)及軸承座安裝時(shí)的預(yù)緊力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),測(cè)量平臺(tái)軟件的主界面如圖4所示。

圖4 測(cè)量平臺(tái)軟件界面

同時(shí),還可通過(guò)軟件對(duì)軸承檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理計(jì)算。圖5為軸承測(cè)量平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案,軟件每隔一段時(shí)間對(duì)軸承振動(dòng)幅值進(jìn)行計(jì)算,如果超過(guò)設(shè)定閥值則報(bào)警,以上參數(shù)均可人為設(shè)定。

圖5 平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)方案

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)及功能

本軸承測(cè)量平臺(tái)的特點(diǎn)是能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)軸承的多種參數(shù),包括工況參數(shù)及安裝參數(shù)。本軸承測(cè)量平臺(tái)與國(guó)外SpectraQuest機(jī)械故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要性能指標(biāo)對(duì)比如表1。

表1 產(chǎn)品性能比較

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)國(guó)內(nèi)同類設(shè)備。作為一種教學(xué)自制設(shè)備,其配置、性能完全能夠滿足日常的教學(xué)需求。特別是本設(shè)備能夠模擬出旋轉(zhuǎn)機(jī)械的多種常見(jiàn)故障,并以LabVIEW軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái),結(jié)合Matlab實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了集對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)信號(hào)的處理、分析、存儲(chǔ)、回放,以及對(duì)振動(dòng)幅值的超標(biāo)報(bào)警等功能于一體的軟件系統(tǒng)平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)還考慮了性價(jià)比的影響,通過(guò)合理選擇傳感器、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)等配件,研制費(fèi)用較市場(chǎng)上同類產(chǎn)品大幅降低。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要功能如下：

(1) 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)軸承負(fù)載大??；

(2) 實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),同時(shí)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析,可設(shè)置振幅超標(biāo)報(bào)警信號(hào)；

(3) 如果振幅超標(biāo)報(bào)警,系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子的工作狀態(tài)進(jìn)行判別,進(jìn)行故障診斷；

(4) 能夠保存歷史數(shù)據(jù),并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)；

(5) 記錄每次實(shí)驗(yàn)時(shí)的軸承安裝預(yù)緊力及軸承所受負(fù)載；

(6) 實(shí)時(shí)記錄軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度；

(7) 采集到的數(shù)據(jù)可導(dǎo)入Matlab軟件,進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為展示本平臺(tái)檢測(cè)軸承缺陷的效果,準(zhǔn)備2種軸承故障類型,一為軸承外圈局部缺陷,二為軸承外圈局部缺陷及轉(zhuǎn)軸偏心。2種故障類型的實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)條件

如圖6的故障時(shí)域圖所示,這2種故障類型都含有明顯的沖擊,據(jù)此判斷出此2種故障都是軸承局部缺陷故障,且故障類型1的振動(dòng)幅值高于故障類型2,但是并不能判斷出哪個(gè)存在轉(zhuǎn)軸偏心故障。對(duì)它們進(jìn)行包絡(luò)分析,得到圖7所示的頻域圖,從圖中可以看出,故障類型1的1倍頻最高,其他倍頻依次降低,是典型的軸承外圈局部缺陷,故障類型2的2倍和3倍頻相對(duì)1倍頻更高,說(shuō)明存在轉(zhuǎn)軸偏心情況。

圖6 故障時(shí)域圖

圖7 故障頻域圖

6 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷是一門綜合性很強(qiáng)的技術(shù),涉及到傳感器技術(shù)、信號(hào)分析處理、在線監(jiān)測(cè)控制和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等諸多學(xué)科。針對(duì)軸承系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)的研究,在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用多知識(shí)點(diǎn)解決實(shí)際問(wèn)題能力方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。多參數(shù)軸承振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái),就是針對(duì)傳感技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求而研制的。該平臺(tái)可使學(xué)生了解傳感元件的工作原理,學(xué)習(xí)如何應(yīng)用傳感元件來(lái)實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)的測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建,并且能夠綜合多門課程的知識(shí)點(diǎn),完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的自主創(chuàng)新部分設(shè)計(jì),目的是培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的自主性和創(chuàng)新性。隨著該平臺(tái)測(cè)試功能的不斷豐富和完善,將會(huì)在傳感技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮更大的作用。