基于ZigBee無線通信技術(shù)的機械主軸軸承振動檢測

徐 艷

(西安交通大學城市學院電氣與信息工程系，陜西 西安 710018)

0 引言

機械設(shè)備在運行過程中不可避免地會發(fā)生一定頻率振動，振動加速度是衡量設(shè)備是否正常運轉(zhuǎn)的重要指標。若設(shè)備出現(xiàn)故障加速度就會發(fā)生改變，導(dǎo)致設(shè)備振動幅度加大，振動頻率也會隨之升高。如果能實時測量機械運行中的振動加速度幅值，就可以更好地掌握設(shè)備的工作狀態(tài)，第一時間檢測出故障部位，及時停止設(shè)備進行檢修，消除人員工作中的威脅。由于加速度頻率變化區(qū)間較大，無法進行物理布線，導(dǎo)致有線數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量較差。如果采用藍牙等傳統(tǒng)的無線通信方式，存在通信距離短和能效耗費高問題。同時在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是石油化工方面的無線通信工作，需格外重視無線頻率防爆安全，必須限制網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的頻率傳送功率，節(jié)點間的無線通信距離也被縮短，加大了機械振動加速度信號的全頻域采集難度，提高了振動檢測的實時要求。

為提高機械主軸軸承檢測的可信度，本文使用ZigBee的新型無線傳輸技術(shù)進行短距離、高效數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點與節(jié)點間信息交換更加安全和穩(wěn)定，且具備高容量性的特點。

1 ZigBee無線通信結(jié)構(gòu)原理

無線通信技術(shù)的工作原理，就是將收集的現(xiàn)場信號通過傳感器形成電信號，經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換器取得樣本，量化處理后進行編碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。將形成的電信號和數(shù)字信號儲存到數(shù)據(jù)庫中，再傳輸至尾端接收器。該技術(shù)采用基于802.15.4規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，工作頻率在2.405～2.480 GHz之間，將直接序列擴頻作為通信方式，傳輸速度為220 kbit/s。ZigBee通信技術(shù)的工作運行結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee無線通信結(jié)構(gòu)

本文在ZigBee基礎(chǔ)站上增加嵌入式系統(tǒng)，用于整合各傳感器通信設(shè)備，使彼此間能夠獲得聯(lián)系。嵌入式系統(tǒng)由多個ZigBee節(jié)點組成，各節(jié)點均可采集機械主軸軸承的振動數(shù)據(jù)，與其他節(jié)點和外部通信設(shè)備交互信息。ZigBee無線通信結(jié)構(gòu)采用低速、短距離傳輸特性的無線網(wǎng)上協(xié)議，使得多個傳感器能夠互相協(xié)作，以獲得高品質(zhì)、高容錯率的采集信息。

開放系統(tǒng)的直連式存儲模塊主要用于收集信號并與外界保持通信，將得到的數(shù)據(jù)傳送至各節(jié)點形成的通信基站。ZigBee無線通信技術(shù)能夠完成收集、計算、傳輸數(shù)據(jù)等工作，傳感器節(jié)點主要由接收發(fā)送、數(shù)據(jù)處理、傳感器、存儲和電源模塊構(gòu)成。

2 基于ZigBee無線通信技術(shù)的振動數(shù)據(jù)傳輸

為提高軟件性能和開發(fā)效果，結(jié)合C語言設(shè)計通信程序，主要分為2部分：一部分是使用CC2430異步串行端口，方便數(shù)據(jù)傳送至主機；另一部分是利用串口整合接收到的數(shù)據(jù)，隨后傳送至主機。功能主要包括：調(diào)試發(fā)生中斷的服務(wù)程序、處理和傳輸接收到的數(shù)據(jù)。

完整的數(shù)據(jù)是串口子程序運行的基礎(chǔ)，子程序傳輸至ZigBee基站緩存器中，由C語言通信將數(shù)據(jù)再傳送至各ZigBee節(jié)點中，確定待運行串口，便于傳輸時不需要再考慮其他因素，節(jié)省決策時間。由于CC2430內(nèi)核型號是51，因此，本文利用逐字傳輸方式對軸承信號進行檢測。

通信時需等待中斷提醒，即每當用緩沖器傳輸1個字節(jié)，等待出現(xiàn)中斷標志才能繼續(xù)進行操作。發(fā)生中斷時，表示ZigBee串口節(jié)點中的數(shù)據(jù)已完成發(fā)送，在繼續(xù)發(fā)送之前，必須清除中斷標志。如果需要接收或傳輸1組數(shù)據(jù)，則必須一直調(diào)用中斷函數(shù)，直到整個陣列中的數(shù)據(jù)傳輸完成為止，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊主要工作是采集區(qū)域內(nèi)的信號，計算實時數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點在完成處理、定位后，在節(jié)點間進行無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過常用的串行通信接口，傳輸主軸軸承的振動信號。

傳輸主軸軸承振動信號過程中，首先傳送函數(shù)字符組，隨后刪除已完成數(shù)據(jù)，再對等待字符組行進傳輸處理，具體傳輸流程如圖2所示。

圖2 基于ZigBee通信技術(shù)的振動信號傳輸流程

通信系統(tǒng)的另一部分，利用串口在中斷模式中接收字符并進行相關(guān)處理，如果收到的字符長度大于28，或收到結(jié)束符，則停止無線傳輸，將得到的字符串反向傳輸至客戶端。

3 機械主軸軸承振動數(shù)據(jù)檢測方法

主軸是機械器件的關(guān)鍵組成部分，承擔載荷和扭矩作用，故障生成多由軸承引起。面向普通標準的滾動軸承，當滾動體內(nèi)圈或外圈發(fā)生磨損、銹蝕、斷裂和扭曲等現(xiàn)象時，均會產(chǎn)生較大的摩擦力，出現(xiàn)異常振動信號，降低設(shè)備安全[1]。

3.1 機械主軸軸承振動時域指標

當機械發(fā)動機運行狀態(tài)異常時，因存在周期性沖撞振動信號，原始周期振動信號的振幅和信號的能量分布將發(fā)生明顯變化。所以可直接檢測采集的振動信號時域指標，來判定機械主軸軸承振動頻率是否正常。

將選取部分時域指標與正常振動頻率對比，通過對比結(jié)果查看是否超過正常值[2]。一般情況下，有量綱的時域指標會伴隨著無線傳輸數(shù)據(jù)或軸承轉(zhuǎn)速的變化而改變，造成時域指標參數(shù)不準確。無量綱指標可以通過頻率感應(yīng)找出，具有較高的識別性，所以面對密度較高的字符時，通常采用無量綱指標來判別軸承狀態(tài)。針對已知的離散振動信號{xi|i=1,2,…,m}，參數(shù)計算式為：

(1)

(2)

(3)

上述所提指標均對振動脈沖較為敏感，若剛開始出現(xiàn)異常時，主軸脈沖振動感不是很強，有效值改變也并不顯著，但峭度、裕度以及脈沖等指標已經(jīng)發(fā)生明顯變化，并且會呈持續(xù)增長的狀態(tài)，直至出現(xiàn)最大值后才會下降，而其他有效值參數(shù)則會一直提升，因此，有效值的穩(wěn)定性高于其他參數(shù)[3]。

機械主軸軸承損壞原因主要是磨損、裂紋、腐蝕或壓痕等，其誘因可總結(jié)為表面龜裂、腐蝕脫落和軸承燒損。

a.表面龜裂主要是因為主軸軸承工作時間較長，長時間磨損后導(dǎo)致軸承表面逐漸劣化，此時軸承振動頻率仍處于正常，但振幅逐漸變高。

b.腐蝕脫落是裂紋、壓痕等原因造成的軸承面轉(zhuǎn)動狀態(tài)異常，振動頻率為沖擊振動，振動中心存在含軸承的傳輸振動和軸承零部件的零件振動。

c.軸承燒損是因軸承潤滑狀態(tài)變化產(chǎn)生的，當潤滑度為0時，軸承快速轉(zhuǎn)動便會導(dǎo)致零部件表面達到燒損程度，此時軸承的振動值將會快速增大[4]。

機械軸承在運行中，突發(fā)的任何狀況都會改變主軸軸承振動頻率，軸承元件一旦受損，破壞點與其他元件接觸撞擊會產(chǎn)生異頻振動，這種頻率可稱之為特征頻率。軸承主要由4個零部件構(gòu)成，分別為軸承內(nèi)圈、軸承外圈、軸承轉(zhuǎn)動面和承重架，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何模型可計算出特征頻率。

軸承不同零部件特征頻率計算式為：

a.內(nèi)圈特征頻率Pv。內(nèi)圈軸承上的某一破壞點與轉(zhuǎn)動面相撞產(chǎn)生的振動頻率，即

(4)

b.外圈特征頻率Po。外圈中損傷點與轉(zhuǎn)動面接觸后造成的頻率，即

(5)

c.轉(zhuǎn)動面特征頻率Pb。轉(zhuǎn)動面在軸承轉(zhuǎn)動運行時，會同時與內(nèi)圈、外圈產(chǎn)生接觸，所以該振動頻率為

(6)

d.保持架特征頻率Pc。

(7)

Pr為軸承內(nèi)圈的回轉(zhuǎn)頻率，便有Pr=n/60,n為內(nèi)圈轉(zhuǎn)速；d、D、z、a分別為轉(zhuǎn)動面直徑、軸承節(jié)徑、轉(zhuǎn)動面數(shù)量以及壓力角[5]。

3.2 主軸軸承異常振動信號檢測

小波分組由小波分解擴展而成，相比變換計算，小波分組在變換信號時，可以針對信號低頻和高頻部分同時進行分解，穩(wěn)定計算出不同頻率信號，完成局部及全局分析[6]。

設(shè)子空間R1是數(shù)據(jù)集ri(t)的閉包關(guān)系，而R2是數(shù)據(jù)集r2i(t)的閉包關(guān)系，令ri(t)符合雙尺度公式為

(8)

t為時間；k為平移時間的因子。根據(jù)式(8)可知低通濾波器系數(shù)h和g均具有正交關(guān)系。

通過式(8)可構(gòu)建出序列{ri(t)}，得到r0(t)=φ(t)，確定正交小波數(shù)據(jù)集。當i=0時，r0和r1可被描述為尺度函數(shù)φ(t)和φ(t)的小波基函數(shù)，即可進一步得出

(9)

(10)

通過上述可得到小波包分組及小波重構(gòu)計算方程為

(11)

根據(jù)上述方程可知，小波分組首先要確定頻帶樣本，將無關(guān)樣本系數(shù)設(shè)置為0，僅將信號的有用組件和干擾分量劃分至不同頻帶，即可形成去除冗余噪聲的可用分量[7]。

當軸承的內(nèi)環(huán)、外輪、滾輪發(fā)生孔蝕或其他故障時，會產(chǎn)生特定的頻率脈動，在機械操作期間產(chǎn)生重復(fù)性脈沖，這種重復(fù)性脈沖動作時間短，形狀陡。此外，伴隨故障難度加大，往往會出現(xiàn)以關(guān)鍵頻譜為中心、以軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動頻率為差的調(diào)制側(cè)頻率現(xiàn)象。軸承狀態(tài)監(jiān)視和故障修復(fù)中，可以分析軸承振動強弱，通過識別問題主要頻率來判定需修復(fù)的位置。

信號經(jīng)e層小波分組后，將初始信號能劃分為2e正交頻帶，各頻帶內(nèi)信號能值等于初始信號能值，同樣也是初始信號在頻率周圍的振動數(shù)據(jù)集。當軸承運行故障時，小波分組分解與正常狀態(tài)不同，各頻帶滾動軸承振動信號的映射變化也會很大[8-9]。因此，可以將振動信號在每個頻帶中的幀序列能值，與對應(yīng)的值用作特征函數(shù)，基于頻帶運行能值的提取特征方法可概述為：

a.對工作中的振動信號進行e層小波分組，獲取到2e正交頻帶序列pj(j=1,2,…,2e)。

b.計算各頻帶能值，拆分序列pj相對的能值Epj為

(12)

pj為分解函數(shù)序列中的第j個離散點值；n為分解系函數(shù)中的離散點集合。

c.計算分解序列系數(shù)能量的模Npj為

(13)

d.建立特征向量方程組。將全部振動信號小波分組后，計算出不同頻率下的字符串模型，得到信號序列取值Npj(j=1,2,…,2e)，據(jù)此得到與能量字符對應(yīng)的特征向量Z為

Z={Np1,Np2,…,Np2e}

(14)

運行軸承在正常工作狀態(tài)和故障狀態(tài)下的特征向量有很大差異[10]，所以可通過式(13)和式(14)得出當前時刻下主軸振動信號，與歷史正常信號進行對比，若存在較大差距，檢測結(jié)果為異常故障，反之則為正常。

4 實驗分析

4.1 實驗樣本的主軸狀態(tài)描述

機械主軸能加工強度和硬度比較高的材料，具備低速和高扭矩特性，本次實驗使用的樣本主軸旋轉(zhuǎn)面因端面軸磨損較大，已經(jīng)部分脫落，維修后定期檢測主軸軸承的振動頻率，監(jiān)視其振幅狀態(tài)，關(guān)注軸承的服務(wù)狀態(tài)。機械主軸參數(shù)如表1所示。

表1 機械主軸參數(shù)信息

4.2 振動數(shù)據(jù)采集質(zhì)量評估

選取機械正常工作1 d的數(shù)據(jù)，對振動數(shù)據(jù)進行歸一化處理，限于[0，1]間，樣本數(shù)設(shè)為150，小波分解機械主軸功率值與采集振動樣本間殘差曲線，驗證ZigBee無線通信技術(shù)下振動信號質(zhì)量。圖3為機械主軸軸承輸出功率與通過ZigBee無線通信得到功率之間對比，圖4為二者的殘差值結(jié)果。

圖3 主軸軸承輸出與ZigBee無線采集功率對比

圖4 主軸軸承輸出與ZigBee無線采集功率的殘差曲線

通過圖3能夠看出，ZigBee無線通信獲得的功率曲線和實際主軸軸承輸出走勢基本一致，僅在變化幅度上有些許不同，而圖4中的二者殘差值在[7，26]區(qū)間內(nèi)。綜合來看，ZigBee無線通信方法能夠有效獲取到最接近真實值的主軸振動，為后期檢測提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.3 主軸軸承異常振動位置檢測

分析1 d的持續(xù)性檢測結(jié)果，該主軸的振速均值超過0.03 mm/s，不在安全振動限值范圍內(nèi)。為此從主軸振動頻譜入手，繪制內(nèi)圈和外圈的頻率如圖5所示。

根據(jù)圖5a的加速度幅值頻率分布可以看出，軸承頻率范圍在0～800 Hz內(nèi)，振動幅值波動明顯，從幅值波動可看出主軸軸承內(nèi)圈故障率主要處于580 Hz位置，軸承內(nèi)圈已出現(xiàn)明顯故障。

從圖5b可看出，軸承外圈故障頻率變化趨勢明顯，故障峰值為260 Hz，在700～800 Hz間出現(xiàn)高頻持續(xù)譜，冗雜干擾明顯增多，證明外圈故障持續(xù)增加，機械軸承運行過程中產(chǎn)生摩擦嚴重，會影響機械正常使用。綜合來看，本文方法的可視化圖像描述清楚，能夠直觀地看出主軸是否存在異常振動行為，方便及時找出故障位置。

圖5 振動信號頻譜檢測

5 結(jié)束語

ZigBee無線通信技術(shù)不僅能實現(xiàn)最基本的近距離通信，而且能源耗費相對于更低。為此，本文提出了基于ZigBee無線通信技術(shù)的機械主軸軸承振動檢測方法。通過對ZigBee無線通信技術(shù)工作原理的分析，運用小波分組方程判斷故障位置，證明本文方法可適用于主軸軸承的動態(tài)檢測及故障定位。實驗結(jié)果表明，本文方法可準確傳達出主軸軸承振動異常原因，具有一定可行性和適用性。