賀成柱，呂鳳玉，馮作全

（甘肅省機械科學(xué)研究院 甘肅省先進設(shè)計與制造技術(shù)工程實驗室，蘭州 730030）

0 引言

長期以來，在石油、冶煉、化工等復(fù)雜工業(yè)背景環(huán)境下，大型設(shè)備的重要部位多安裝低速重載滾動軸承。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，由于高溫和大量強電磁干擾等因素的存在，低速滾動軸承的故障率明顯高于其他組成部件。在工作運行中這些軸承承受著較大的沖擊載荷，一旦發(fā)生故障會嚴重影響生產(chǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場可用噪聲儀、振動儀、紅外點溫等測量儀器對軸承狀態(tài)進行檢測，但是這些儀器采集的運行參數(shù)是離散的、靜態(tài)的，不具備綜合實時診斷功能，不能對軸承運行故障進行提前預(yù)防。

基于此，文獻[1]研究并提出一套針對低速重載軸承故障診斷的詳細方案，但是沒有考慮工業(yè)現(xiàn)場的高頻噪聲，它會淹沒低速軸承振動產(chǎn)生的微弱低頻信號。為了排除高頻噪聲的干擾，文獻[2]采用傅里葉濾波方式來處理，工業(yè)現(xiàn)場噪聲源、干擾信號的頻率范圍廣，這種方式處理得到的信號不夠準確。文獻[3]在引入小波分析后，提高了系統(tǒng)的抗干擾性，但是小波分析的基函數(shù)與分解尺度的選擇無統(tǒng)一的標準，很難應(yīng)用到其他設(shè)備上。近年來，有學(xué)者將改進的混沌振子法應(yīng)用到微弱低頻信號的檢測中，但其缺點是不易在工程應(yīng)用中實現(xiàn)。文獻[4]提出一種全新的循環(huán)混沌檢測方法，盡管該方法的普適性很好，但是對數(shù)據(jù)連續(xù)性與整體性的要求較高，這一點傳統(tǒng)檢測設(shè)備是無法滿足的。

本文針對低速重載軸承長期缺乏有效故障診斷方法的問題，研究開發(fā)出一套集數(shù)據(jù)采集、分析處理、故障診斷與維護提示功能于一身的虛擬儀器系統(tǒng)，實現(xiàn)了低速軸承的早期故障診斷和現(xiàn)場維護功能的一體化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)針對低速重載高溫環(huán)境下運行設(shè)備的滾動軸承進行檢測，在系統(tǒng)硬件組成上做了特殊的選擇與處理。系統(tǒng)終端設(shè)備采用適合于任何惡劣工業(yè)環(huán)境的工控機，內(nèi)置多塊高速數(shù)據(jù)采集卡，PCI總線連接，通過端子排接入信號調(diào)理模塊處理完的前端采集信號。系統(tǒng)前端采集裝置采用多元傳感器，有低速霍爾傳感器、高溫?zé)犭娕紓鞲衅?、低頻振動傳感器及紅外傳感器。在高溫環(huán)境下，如果直接將傳感器的探頭與高溫設(shè)備連接，傳感器內(nèi)置的智能變送卡會被擊穿損壞。解決辦法是：先將傳感器前端探頭與變送器分開，再用高溫導(dǎo)線連接，然后在探頭與測量設(shè)備之間加入四氟隔熱墊。系統(tǒng)總體硬件組成框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體硬件組成框架

1.2 系統(tǒng)總體功能設(shè)計

本系統(tǒng)除了實現(xiàn)測控系統(tǒng)要求的所有功能外，還增加了故障診斷與維護功能，包括用戶登錄、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲和故障維護七個功能模塊，系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。系統(tǒng)實時記錄并顯示軸承運行的轉(zhuǎn)速、軸溫、振動位移等數(shù)據(jù)，并與軸承正常運行的預(yù)設(shè)參數(shù)進行比較，如果超過報警值，則點亮報警燈。然后系統(tǒng)自動進入分析診斷模塊，采用現(xiàn)代信號處理方法對信號進行濾波分解，根據(jù)測量值超過報警值的百分比與時域有量綱和無量綱參數(shù)來判斷軸承的故障情況。如果軸承出現(xiàn)故障特征的話，進一步采用傳統(tǒng)信號分析方法提取特征頻率參數(shù)，最后綜合診斷出軸承的運行狀況，并將故障信息和維護建議告知用戶。

圖2 系統(tǒng)功能框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在低速軸承故障診斷系統(tǒng)設(shè)計過程中，作者同時采用LabWindowsCVI、 MATLAB與 SQL Server三種工具對系統(tǒng)進行混合編程。本系統(tǒng)是基于事件觸發(fā)結(jié)構(gòu)的多線程應(yīng)用軟件，其主要完成兩部分任務(wù)，前臺進行軸承運行參數(shù)的實時圖形化顯示、各種數(shù)據(jù)庫查詢操作、時頻參數(shù)分析和故障類型診斷等工作，后臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理、實時報警和數(shù)據(jù)庫存儲等功能。

系統(tǒng)主要劃分了四個線程，分別是數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)處理線程、實時顯示線程和數(shù)據(jù)存儲線程。系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速與溫度信號的采樣頻率要求不高，采用定時器軟件采樣方式即可實現(xiàn)連續(xù)采集，位移振動信號的參數(shù)數(shù)據(jù)是連續(xù)不間斷的，系統(tǒng)采取了DMA高速中斷采集方式。在數(shù)據(jù)采集線程中，由于采樣方式的不同，又分為軟件采集和中斷采集兩個次級線程。根據(jù)不同的處理任務(wù)，數(shù)據(jù)處理線程的次線程主要有：小波包分析線程、頻譜分析線程、倒頻譜分析線程等等。系統(tǒng)整體流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體流程圖

2.1 數(shù)據(jù)采集

對于頻率在300Hz以下的低頻振動，根據(jù)香農(nóng)定理，采樣頻率至少要達到600Hz，才能使信號不失真。按照一個周期采50個點來計算，系統(tǒng)1s內(nèi)至少要采3000個點。在軟件采集方式下，采用定時器裝置來實現(xiàn)信號連續(xù)采集。定時器的最小采樣分辨率是1ms，即1s內(nèi)最多采集1000個點，此精度滿足不了系統(tǒng)振動信號的要求。中斷傳輸方式要比軟件傳輸方式采樣速度高很多，于是系統(tǒng)采用中斷傳輸方式來采集位移振動信號。

采用研華PCI1715U采集卡來進行振動參數(shù)采集，它支持帶DMA的高速AI中斷采樣，DMA是最快的數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)在沒有CPU介入的情況下直接在設(shè)備和內(nèi)存間傳輸。在LabWindowsCVI環(huán)境下開發(fā)采樣程序，需調(diào)用研華動態(tài)鏈接庫Adsapi32.dll中的一些函數(shù)。首先調(diào)用DRV_EnableEvent 函數(shù)使能事件通知功能，再調(diào)用DRV_FAIDmaExStart 函數(shù)啟動高速采樣。接下來調(diào)用DRV_CheckEvent 函數(shù)來等待使能事件的通知，當(dāng)接收到Buffer Change事件對數(shù)據(jù)進行處理，隨時都可以用DRV_FAITerminate函數(shù)來中止采樣操作。系統(tǒng)高速采樣流程如圖4示。

圖4 高速采樣流程圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

針對低速軸承運行過程中的非平穩(wěn)振動信號，系統(tǒng)采用小波包分解方法來提取包含故障特征信號的時頻特性。小波包分解能克服小波分析對高頻部分不能細分的缺點，讓信號通過一組高、低通組合的共軛正交濾波器組，分解出包含軸承不同部件的故障特征頻率分量來。

LabWindowsCVI的數(shù)據(jù)分析包中不包含現(xiàn)代信號處理工具包，用戶自己開發(fā)難度大，而MATLAB的軟件工具包是最為齊全的。系統(tǒng)將MATLAB作為CVI的一個ActiveX控件來使用，實現(xiàn)了CVI與MATLAB的接口，通過調(diào)用封裝了CVI高層接口函數(shù)的matlabutil.h文件，就可實現(xiàn)對高噪聲背景下低頻信號的處理。

對處理過的低頻信號再進行時域和頻域兩方面的處理分析，才得到正確的診斷參數(shù)。在時域進行統(tǒng)計分析時，系統(tǒng)選取的有量綱參數(shù)有：峰值、最大值、最小值、均方根值和方差，無量綱參數(shù)有：脈沖因數(shù)、波形因數(shù)、裕度因素、峭度因數(shù)和峰值因數(shù)等；這些參數(shù)對軸承的早期故障較敏感。在頻域進行FFT譜、倒頻譜和包絡(luò)解調(diào)等分析后，計算并提取出了大振動間隙信號對應(yīng)的頻率。

2.3 故障診斷

采集信號經(jīng)過分析處理后，分解出大量頻率參數(shù)，由于軸承的不同故障類別對應(yīng)的主要頻率不同，系統(tǒng)將軸承各種故障頻率的算法導(dǎo)入故障數(shù)據(jù)庫。軸承故障頻率與軸承的結(jié)構(gòu)（滾動體直徑d、軸承節(jié)圓直徑D、滾動體數(shù)目Z和軸承的接觸角α）參數(shù)與轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)頻率f有關(guān)。

表1 軸承故障頻率表

將提取的故障信號頻率與軸承故障頻率進行對比分析，結(jié)合軸溫、時域參數(shù)和軸心軌跡等信息，綜合分析判斷軸承的運行狀況。

3 測試實驗

將本系統(tǒng)應(yīng)用于某大型冶煉設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測過程中，軸承型號24152CC/W33，軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：滾動體直徑d=90mm；節(jié)圓直徑=350mm；滾動體個數(shù)Z=18，接觸角α=15°，轉(zhuǎn)速N=60r/min。通過計算得出滾動體、內(nèi)圈、外圈的故障頻率為：fb=1.82 Hz，fi=11.24 Hz，fo=6.76 Hz。圖5為此滾動軸承的故障信號，圖中信號的雜波較多，無法分析故障信號的頻率范圍。采用小波包分解重構(gòu)后，對信號進行功頻譜分析，結(jié)果如圖6所示。

圖5 滾動軸承的故障信號

圖6 信號功率譜圖

從圖6可以看出在f=11.35Hz處振動能量較大，且與內(nèi)圈故障頻率fi=11.24 Hz相接近，說明軸承內(nèi)圈發(fā)生了故障。為進一步確定軸承的故障類別，實際拆開檢查后發(fā)現(xiàn)，軸承內(nèi)圈出現(xiàn)了輕微的點蝕。此故障對設(shè)備正常運行影響不大，建議軸承繼續(xù)使用，但要加強監(jiān)測。實驗表明本系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能有效提取軸承故障特征。

4 結(jié)束語

將振動位移傳感器直接安裝在軸承座上測取軸承振動信號，通過低速高溫軸承故障診斷系統(tǒng)后，實現(xiàn)了設(shè)備的早期故障智能診斷和現(xiàn)場有效維護。從系統(tǒng)的實際運行結(jié)果可以看出：基于中斷采樣的數(shù)據(jù)采集方式保證了工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和完整性；采用基于小波包的分析方法可以很明顯地提取軸承的故障特征參數(shù)。該系統(tǒng)有效解決了我國特種設(shè)備檢測難、維護費用高的問題，大大降低了了設(shè)備潛在的安全隱患，減少了設(shè)備突發(fā)故障帶來的經(jīng)濟損失。

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