李珊珊

(蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

便攜式滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

李珊珊

(蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

對(duì)現(xiàn)有的滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)儀進(jìn)行了調(diào)查和研究,設(shè)計(jì)了一種功耗小、成本低的便攜式滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)及軟件系統(tǒng)基于MSP430F149單片機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā),采用時(shí)域參數(shù)指標(biāo)診斷滾動(dòng)軸承故障。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,檢測(cè)儀能快速、自動(dòng)地診斷滾動(dòng)軸承故障,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的有效性和可靠性。

檢測(cè)儀 故障診斷 滾動(dòng)軸承 時(shí)域參數(shù) 單片機(jī)

0 引言

滾動(dòng)軸承是機(jī)械設(shè)備上使用的最重要的標(biāo)準(zhǔn)件之一,它的工作狀態(tài)直接影響設(shè)備的安全運(yùn)行。對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是保證設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的重要手段。本文針對(duì)現(xiàn)有的便攜式滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)儀普遍存在價(jià)格昂貴或功能單一等缺點(diǎn),遵循以最簡(jiǎn)單的方法、最小的代價(jià)診斷出較為復(fù)雜的問題的“簡(jiǎn)易診斷”原則[1],研究設(shè)計(jì)出低成本、低功耗、功能較強(qiáng)的便攜式滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)儀。本檢測(cè)儀基于低功耗的MSP430F149單片機(jī)開發(fā),滾動(dòng)軸承故障診斷方法采用時(shí)域參數(shù)指標(biāo)法,診斷方法的軟件算法采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。

1 滾動(dòng)軸承故障診斷方法

采用時(shí)域參數(shù)指標(biāo)法診斷滾動(dòng)軸承故障時(shí),這些指標(biāo)對(duì)故障和缺陷足夠敏感,參數(shù)的變化能直觀地反映出滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)。采用時(shí)域參數(shù)指標(biāo)診斷滾動(dòng)軸承故障具有參數(shù)計(jì)算較簡(jiǎn)便、對(duì)軸承故障檢測(cè)效果較好的特點(diǎn),非常適合于本文基于單片機(jī)開發(fā)的便攜式滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)儀。

應(yīng)用較為廣泛的時(shí)域參數(shù)指標(biāo)有:振動(dòng)信號(hào)的平均值、均方根值、方差、概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)以及峰值指標(biāo)、波形指標(biāo)、峭度值等無(wú)量綱特征參數(shù)[2]。其中,無(wú)量綱指標(biāo)對(duì)信號(hào)的幅值和頻率不敏感,即與機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行工況無(wú)關(guān),只依賴于信號(hào)的幅值概率密度函數(shù)。本便攜式滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)儀的檢測(cè)參數(shù)的選擇需兼顧對(duì)故障信號(hào)的敏感性和穩(wěn)定性。由大量試驗(yàn)可知,從對(duì)滾動(dòng)軸承故障和缺陷有足夠的敏感性這一要求出發(fā),峭度的性能最好,但當(dāng)軸承故障發(fā)展到一定程度后,峭度的性能會(huì)有所下降,穩(wěn)定性不夠好。有效值穩(wěn)定性很好,并且可用于對(duì)滾動(dòng)軸承故障發(fā)展的趨勢(shì)分析中。因此,本檢測(cè)儀將有效值和峭度值這兩個(gè)時(shí)域參數(shù)指標(biāo)作為軸承故障檢測(cè)參數(shù)。這種結(jié)合軸承故障無(wú)量綱特征參數(shù)的診斷方法的最大優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)受工況變化的影響,且對(duì)早期的故障有很好的診斷能力。

設(shè)離散序列的滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào){xi},i=1,2,…, N,則{xi} 的峭度和有效值的計(jì)算式為:

式中:K為峭度;XRMS為軸承振動(dòng)信號(hào)的均方根值(RMS又稱為有效值)。

峭度指標(biāo)的理論值在3左右[3]。當(dāng)滾動(dòng)軸承處于正常狀態(tài)時(shí),振動(dòng)信號(hào)的概率密度函數(shù)接近正態(tài)分布;而當(dāng)軸承表面損傷時(shí),必然會(huì)出現(xiàn)沖擊脈沖。但因在K的表達(dá)式中,分子包含x的四次方,故分子增加很多;而分母是x的二次方,增加較少,這必然使K值上升。因此,可以根據(jù)它的變化值相對(duì)于K=3的情況,把正常軸承和損傷軸承區(qū)分開來(lái)。有效值是有量綱參數(shù),其會(huì)隨工況的不同而改變,因此確定有效值的門限值時(shí),需在實(shí)際中根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的工況,通過試驗(yàn)確定出與此工況對(duì)應(yīng)的有效值門限值。

2 檢測(cè)儀硬件構(gòu)成

便攜式滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)主要包括電源管理模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和單片機(jī)模塊。硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the hardware system structure

電源管理模塊主要給傳感器供電且為檢測(cè)儀提供基準(zhǔn)電壓。傳感器模塊將軸承振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)理模塊分為低通濾波和程控放大兩個(gè)環(huán)節(jié)。本檢測(cè)儀信號(hào)測(cè)量范圍為1 Hz～5 kHz,為減少范圍外的信號(hào)對(duì)測(cè)量的影響,設(shè)計(jì)截止頻率fc為5 kHz、增益kp為2的低通濾波器。為了獲得平坦區(qū)最大的幅頻特性,阻尼系數(shù)ζ取0.707。程控放大器將傳感器轉(zhuǎn)換的微弱電壓信號(hào)放大至適當(dāng)?shù)碾娖?供A/D轉(zhuǎn)換用。A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),供單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。MSP430F149單片機(jī)將A/D轉(zhuǎn)換來(lái)的信號(hào)通過一系列算法,得出檢測(cè)儀所需的時(shí)域參數(shù)指標(biāo)——峭度和有效值,并顯示在LCD液晶顯示器上,從而可根據(jù)LCD上顯示的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)來(lái)判斷滾動(dòng)軸承是否失效。LCD主要用來(lái)顯示菜單、測(cè)量的結(jié)果等。鍵盤用來(lái)進(jìn)行開始軸承故障診斷的確認(rèn)等工作。

2.1 程控放大電路

檢測(cè)儀中,CA-YD-135壓電式加速度傳感器決定檢測(cè)儀測(cè)量的振動(dòng)信號(hào)范圍為0.01～10 g,結(jié)合傳感器的軸向電壓靈敏度為2.5 mV/ms-2,可知模擬信號(hào)的測(cè)量范圍為0.25～250 mV。本檢測(cè)儀基于MSP430F149單片機(jī)開發(fā)。MSP430F149集成16路12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12,A/D的參考電平為3.3 V,ADC12的A/D引腳能識(shí)別0～3.3 V的電壓。軸承振動(dòng)信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換前應(yīng)使其最大峰值略小于3.3 V,設(shè)計(jì)電路時(shí)取最大峰值為3 V。

軸承振動(dòng)信號(hào)經(jīng)程控放大等電路后為正負(fù)對(duì)稱信號(hào),因此,在A/D轉(zhuǎn)換前須將信號(hào)進(jìn)行提升。振動(dòng)信號(hào)中心為+1.65 V左右,且峰峰值應(yīng)盡量接近3 V而不能大于3 V。由此設(shè)計(jì)程控放大電路,且對(duì)不同大小的模擬信號(hào)選用不同的放大倍數(shù)進(jìn)行程控放大,使其放大后的信號(hào)正峰值接近+1.35 V。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)較大范圍內(nèi)的放大處理,程控放大電路的運(yùn)算放大器選用LM358。考慮到檢測(cè)儀后續(xù)的功能增強(qiáng)和改進(jìn),本文選用雙4路電子切換開關(guān)MAX4052來(lái)改變LM358的反饋電阻,從而改變其放大倍數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的4檔位自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換程控放大。程控放大電路圖如圖2所示。

圖2 程控放大電路圖Fig.2 Circuit of cell-type amplification

雙4路電子切換開關(guān)MAX4052的4個(gè)通道的切換是通過改變其2位控制端ADA、ADB的電平來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于單片機(jī)的資源豐富,MAX4052的控制端由單片機(jī)的I/O端口P1.0和P1.1輸出相應(yīng)電平來(lái)控制。MAX4052的控制端與其4路通道對(duì)應(yīng)的真值表如表1所示。

表1 真值表Tab.1 Truth table

2.2 信號(hào)跟隨及提升電路的設(shè)計(jì)

滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)在程控放大后應(yīng)緊接跟隨電路,以實(shí)現(xiàn)電阻的匹配。跟隨電路圖如圖3所示。

圖3 跟隨電路圖Fig.3 Follow-up circuit

經(jīng)跟隨電路后的信號(hào)需提升+1.65 V,使其峰峰值盡量接近3 V,本文選用LM358實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)的電壓提升,電路簡(jiǎn)單、可靠。電壓提升電路如圖4所示。

圖4 電壓提升電路圖Fig.4 Voltage boosting circuit

3 檢測(cè)儀軟件構(gòu)成

檢測(cè)儀程序由主程序和若干子程序組成。根據(jù)檢測(cè)儀需要實(shí)現(xiàn)的功能,系統(tǒng)程序采用模塊化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟件的總體框圖如圖5所示。

主程序是軟件的主體框架,它的主要任務(wù)是在條件滿足時(shí)調(diào)用子功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承故障診斷。子程序主要包括系統(tǒng)的初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、按鍵掃描模塊等。各子程序均能很快返回主程序,不會(huì)發(fā)生子程序時(shí)間過長(zhǎng)等問題,子程序?qū)ο嚓P(guān)事件的處理依靠標(biāo)志位和判斷標(biāo)志位來(lái)完成。

圖5 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Block diagram of overall system software structure

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

本文以10個(gè)外圈、內(nèi)圈點(diǎn)蝕程度不同的6028型滾動(dòng)軸承為檢測(cè)對(duì)象,進(jìn)行便攜式軸承故障檢測(cè)儀的測(cè)試試驗(yàn)。

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 檢測(cè)儀測(cè)試結(jié)果Tab.2 The test results of detector

由表2可看出,本檢測(cè)儀對(duì)故障軸承的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。由于試驗(yàn)試驗(yàn)工況較為單一,后續(xù)還需在不同工況、不同型滾動(dòng)軸承下進(jìn)行大量試驗(yàn),對(duì)軟件算法進(jìn)行修正,完善本檢測(cè)儀。

5 結(jié)束語(yǔ)

本便攜式滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)儀基于MSP430F149單片機(jī)研究與設(shè)計(jì),采用時(shí)域參數(shù)指標(biāo)法作為滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)方法,操作簡(jiǎn)單、方便,適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行快速診斷。同時(shí),不要求操作人員具有專業(yè)知識(shí),減少了人為差錯(cuò),提高了滾動(dòng)軸承故障診斷的實(shí)時(shí)性和診斷結(jié)果的可靠性。

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Design of the Portable Fault Detector for Rolling Bearing

Existing fault detectors for rolling bearing are researched and investigated,and the portable fault detector features low power consumption and low coat for rolling bearing has been designed.The hardware structure and software system of the detector are designed and developed based on MSP430F149 single chip computer;the faults of the rolling bearing are diagnosed by using time domain parameters.The result of practical tests shows that the detector diagnoses the faults of rolling bearing rapidly and automatically,the effectiveness and reliability of the design is verified.

Detector Fault diagnosis Rolling bearing Time domain parameter MCU

TP216+.1

A

修改稿收到日期:2014-04-22。

作者李珊珊(1981-),女,2010年畢業(yè)于太原理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè),獲碩士學(xué)位,講師;主要從事自動(dòng)化儀器儀表相關(guān)的研究。