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

?

基于LabVIEW的軸承潤(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

彭婭楠，劉麗冉
（長(zhǎng)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(gè)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(yùn)行起決定性作用的就是軸承的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)由于軸承在汽車的傳動(dòng)系、行駛系中也具有極其重要的作用，對(duì)軸承工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以保證車輛的穩(wěn)定運(yùn)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(gè)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)傳感器采集的軸承狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地診斷軸承潤(rùn)滑狀態(tài)，是提高汽車運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要保障措施。

關(guān)鍵字：軸承；潤(rùn)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(gè)不可缺少的零件，由它來(lái)承受整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載，保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)能夠抵抗來(lái)自外界的包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的力[1]。正常工作軸承具有使用壽命長(zhǎng)、承載力高、能量損耗小等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械設(shè)備和公共設(shè)施中廣泛應(yīng)用。所以對(duì)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以確保其良好的運(yùn)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(huì)導(dǎo)致機(jī)械零部件發(fā)生損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(rùn)滑[2]。

本文采用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)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(dòng)、溫度信號(hào)，為后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得及處理提供有力的支持，同時(shí)這對(duì)于分析潤(rùn)滑特性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

軸承處的干摩擦將會(huì)導(dǎo)致軸承溫度升高、承載能力降低以及潤(rùn)滑油溫度升高、粘度下降等惡性事故[3]。因此，對(duì)軸承工作狀態(tài)、運(yùn)行故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(guó)家已經(jīng)推出了對(duì)于機(jī)械設(shè)備故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，如美國(guó)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(cè)系統(tǒng)；丹麥B&K公司的B&K3450-CONPASS狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)與故障診斷專家系統(tǒng)等[4,5]。我國(guó)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷方面的研究和應(yīng)用相對(duì)較晚。自90年代以來(lái)，我國(guó)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?cè)诶碚撋弦恢本o跟國(guó)際先進(jìn)水平，但是跟發(fā)達(dá)國(guó)家還是有一定距離的。

2、軸承潤(rùn)滑狀態(tài)檢測(cè)及傳感器

2.1溫度傳感器的監(jiān)測(cè)原理及參數(shù)

2.1.1檢測(cè)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(shí)為100Ω，-200℃時(shí)為18.52Ω，200℃時(shí)為175.86Ω，800℃時(shí)為375.70Ω。它的阻值在0℃時(shí)為100Ω，-200℃時(shí)為18.52Ω，200℃時(shí)為175.86Ω，800℃時(shí)為375.70Ω。

Pt100溫度傳感器在實(shí)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(lái)的模擬信號(hào)，Pt100的集成電路直接把采集到的電阻變?yōu)?-5VDC輸入，簡(jiǎn)單運(yùn)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(yàn)裝置的溫度信號(hào)由3個(gè)Pt100正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器測(cè)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(dòng)信號(hào)傳感器

表2　CA-YD-103主要技術(shù)參數(shù)

本文選用的是型號(hào)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(shí)它的一側(cè)進(jìn)入緊張和壓縮狀態(tài)。該振動(dòng)傳感器的技術(shù)指標(biāo)如表2。

3、基于LabVIEW系統(tǒng)平臺(tái)的潤(rùn)滑狀態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)

數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示打印的過(guò)程[6]。

3.1模擬軸承溫度傳感器采集的溫度信號(hào)顯示報(bào)警界面

如圖1所示，主界面包括一個(gè)溫度信號(hào)波形圖，當(dāng)設(shè)置軸承溫度上限時(shí)，點(diǎn)擊開始采集信號(hào)，溫度計(jì)會(huì)顯示出響應(yīng)的模擬信號(hào)的溫度，報(bào)警器采集報(bào)警次數(shù)，波形圖開始顯示出當(dāng)時(shí)的軸承潤(rùn)滑狀態(tài)。報(bào)警記錄是信號(hào)采集采集系統(tǒng)中一個(gè)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(guò)程中，需對(duì)超過(guò)量程或是既定臨界值的溫度信號(hào)進(jìn)行計(jì)算機(jī)報(bào)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(shí)，溫度報(bào)警器將被觸發(fā)引起報(bào)警事件發(fā)生，同時(shí)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(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)不會(huì)被保存，每次系統(tǒng)重啟時(shí)，數(shù)據(jù)都會(huì)被清空。

圖1　溫度信號(hào)采集前面板

本文將0~1的隨機(jī)數(shù)作為模擬信號(hào)輸入，當(dāng)軸承工作時(shí)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(bào)警器將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，采集次數(shù)達(dá)到100次時(shí)停止采集。

3.2模擬軸承振動(dòng)信號(hào)傳感器采集信號(hào)

隨著振動(dòng)幅度的改變振動(dòng)信號(hào)波形圖在不斷的變化。如圖2所示，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)、頻率的不同可以顯示出其振動(dòng)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(dòng)信號(hào)，然后將該信號(hào)與正常信號(hào)進(jìn)行對(duì)比和分析來(lái)反映的。隨著軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)，存在磨損的軸承產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)是隨機(jī)的，且周期信號(hào)不明顯[5]。一般情況下，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)幅值大小來(lái)判斷磨損故障的情況。軸承的損傷型故障是檢測(cè)的重點(diǎn)，

由于軸承的缺陷使其表面在運(yùn)行過(guò)程中引起金屬疲勞的小塊脫落。

圖2　振動(dòng)信號(hào)采集前面板

把添加均勻白噪聲的仿真信號(hào)作為模擬傳感器采集到的軸承振動(dòng)信號(hào)，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(rùn)滑狀態(tài)。為了使系統(tǒng)提供更多的信號(hào)源，我們提供了正弦信號(hào)、三角波信號(hào)和方波信號(hào)等常用信號(hào)。另外，我們也了設(shè)定信號(hào)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(shí)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(hào)的參數(shù)設(shè)定完畢后，可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，生成一個(gè)連續(xù)時(shí)域信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)動(dòng)態(tài)顯示。

4、結(jié)論

本文是在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成的。以軸承為研究對(duì)象，以多種傳感器為硬件條件，對(duì)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)采用LabVIEW測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸承潤(rùn)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(duì)溫度傳感器、振動(dòng)傳感器發(fā)出的信號(hào)高速采集、實(shí)時(shí)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(shì)，振動(dòng)信號(hào)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(jì)的目標(biāo)，同時(shí)還為下步的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和軸承故障診斷提供了一定的技術(shù)支持和儲(chǔ)備。

參考文獻(xiàn)

[1]王炳軒.基于LabVIEW的潤(rùn)滑狀態(tài)聲發(fā)射信號(hào)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(cè)[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(guó)安. 機(jī)械設(shè)備故障診斷實(shí)用技術(shù)[M]. 北京:中國(guó)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(dòng)潤(rùn)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(hào)：U463.3

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

作者簡(jiǎn)介：彭婭楠，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033