李林昌,蘇建新

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南 洛陽 471003）

隨著我國城市化進(jìn)程的加速和人口密度的逐漸增大,地面交通資源顯得捉襟見肘,交通壓力越來越大.為了有效緩解地面交通壓力,地下交通的開發(fā)利用步伐不斷加快[1].而盾構(gòu)法作為地下交通施工的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),其原理是以盾構(gòu)機(jī)為核心設(shè)備,利用盾構(gòu)機(jī)外殼與管片支撐隧道四周圍巖防止發(fā)生隧道內(nèi)坍塌,由千斤頂來推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)緩慢前行并切削施工隧道的土體,同步排土和襯砌混凝土管片以形成隧道結(jié)構(gòu)的施工方法.該方法施工安全,不受地面環(huán)境影響,并且挖掘速度快,可一次成型.因此,盾構(gòu)法在隧道施工建設(shè)方面得到廣泛應(yīng)用[2].

在進(jìn)行盾構(gòu)作業(yè)時(shí),盾構(gòu)機(jī)刀盤承受著復(fù)雜的力及扭矩,而盾構(gòu)機(jī)主軸承作為支撐盾構(gòu)機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)的重要承載部件,承擔(dān)著盾構(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的絕大部分載荷.因此盾構(gòu)機(jī)主軸承是整個(gè)盾構(gòu)機(jī)中最容易損壞的部件[3],加之使用環(huán)境惡劣和高昂的維修成本,對(duì)盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承的可靠性的要求更高,因此設(shè)計(jì)一款操作方便、運(yùn)行高效的盾構(gòu)機(jī)主軸承試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)迫在眉睫.

為解決上述問題,本文基于LabVIEW 平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套測(cè)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了在試驗(yàn)過程中對(duì)軸承溫度、振動(dòng)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ),控制試驗(yàn)軸承加載以及振動(dòng)數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域分析[4],為盾構(gòu)機(jī)主軸承的研發(fā)設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)、失效分析等提供真實(shí)詳盡的數(shù)據(jù),也推動(dòng)了盾構(gòu)機(jī)主軸承研發(fā)國產(chǎn)化進(jìn)程[5].

1 測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)硬件由計(jì)算機(jī)、供電模塊、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、電磁驅(qū)動(dòng)模塊等組成.傳感器采集的信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路放大、隔離、濾波后,經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)中,然后用LabVIEW 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、顯示與保存,同時(shí)可在軟件中對(duì)試驗(yàn)臺(tái)加載系統(tǒng)進(jìn)行控制,形成一套完整的測(cè)控系統(tǒng).該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system hardware structure

1.1 數(shù)據(jù)采集卡

根據(jù)試驗(yàn)需求,選擇使用北京阿爾泰公司USB-3132A 多功能數(shù)據(jù)采集卡（見圖2）.該板卡采用USB總線,核心為一片16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,可實(shí)現(xiàn)單端16 路、差分8 路數(shù)模轉(zhuǎn)換和2 路數(shù)模轉(zhuǎn)換,單通道采樣速率可達(dá)15 K/s,能夠滿足低速重載軸承試驗(yàn)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)采集的要求.

圖2 USB3132A 數(shù)據(jù)采集卡Fig.2 USB3132A data acquisition card

1.2 傳感器

軸承溫度信號(hào)的采集使用了六套超瑞公司的CRW-204 型貼片式鉑電阻溫度傳感器, 該傳感器量程為0~100 ℃,精度A 級(jí).鉑電阻溫度傳感器的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變,由于其有售價(jià)低廉、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)而成為中低溫監(jiān)測(cè)時(shí)最常用的一種溫度檢測(cè)元件.溫度傳感器會(huì)通過溫度變送模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量后接入數(shù)據(jù)采集卡中.

軸承振動(dòng)信號(hào)的采集使用了兩套北戴河實(shí)用電子技術(shù)研究所的SD1405 型壓電加速度傳感器.該傳感器為低頻、高靈敏的加速度傳感器,其量程為0.000 1~1 000 m/s2,頻率范圍為0.1 Hz~3 kHz,能夠很好地滿足低速重載軸承的試驗(yàn)需求.振動(dòng)信號(hào)通過電荷放大器轉(zhuǎn)換為隨振動(dòng)加速度變化的電壓值后接入采集卡中.

1.3 供電模塊

供電模塊用于為系統(tǒng)提供所需要的各種安全、穩(wěn)定的電源,包括計(jì)算機(jī)所需的220 V 交流電源、數(shù)據(jù)采集卡、電磁驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器所需要的DC24 V 直流電源等.供電模塊安裝有過載保護(hù)以及短路保護(hù)裝置,能夠保證系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行[6].

1.4 電磁驅(qū)動(dòng)模塊

在試驗(yàn)過程中需要對(duì)被試軸承施加載荷,以此模擬實(shí)際運(yùn)行工況,因此需要電磁驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào),控制加載油缸加載（見圖3）.根據(jù)試驗(yàn)需要,本系統(tǒng)接入三個(gè)電磁閥控制開關(guān),可對(duì)電磁閥進(jìn)行單獨(dú)控制,完成軸向和徑向加載.

圖3 電磁驅(qū)動(dòng)模塊Fig.3 Electromagnetic drive module

2 測(cè)控系統(tǒng)的軟件組成

LabVIEW 是一款由NI 公司研發(fā)的專業(yè)性的工程測(cè)控軟件,在工程測(cè)試、工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集等方面被廣泛應(yīng)用.以LabVIEW 為開發(fā)平臺(tái)搭建的測(cè)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制,相較于傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng),基于LabVIEW 開發(fā)的系統(tǒng)提高了工作效率,減少了開發(fā)時(shí)長,降低了開發(fā)成本,保證了試驗(yàn)的可靠性.完整測(cè)控系統(tǒng)界面如圖4 所示.

圖4 測(cè)控系統(tǒng)界面Fig.4 Measurement control system interface

系統(tǒng)軟件由6 個(gè)模塊組成：數(shù)據(jù)采集及顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、振動(dòng)數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊、液壓加載模塊、錯(cuò)誤報(bào)警模塊[7].通過這6 個(gè)模塊,軟件具有試驗(yàn)中振動(dòng)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與數(shù)據(jù)波曲線顯示、振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、振動(dòng)數(shù)據(jù)的時(shí)域與頻域分析、對(duì)已保存數(shù)據(jù)的讀取、對(duì)試驗(yàn)軸承施加載荷、軟件工作異常的錯(cuò)誤顯示與報(bào)警等功能.軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5 所示.

圖5 軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.5 Functional structure diagram of software system

2.1 數(shù)據(jù)采集及顯示模塊

數(shù)據(jù)采集及顯示模塊包括對(duì)試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)的采集與實(shí)時(shí)顯示兩個(gè)模塊,是工作人員監(jiān)測(cè)試驗(yàn)工況的重要窗口.該模塊的驅(qū)動(dòng)硬件選擇的是北京阿爾泰公司生產(chǎn)的USB-313A 數(shù)據(jù)采集卡,需要在PC 機(jī)上安裝該公司自主研發(fā)的ArtDAQ 數(shù)據(jù)采集庫函數(shù)和采集卡驅(qū)動(dòng)程序.之后,打開LabVIEW,在程序框圖中打開函數(shù)選板找到ART Technology 選項(xiàng),即可打開ArtDAQ 數(shù)據(jù)采集子選板；創(chuàng)建采集任務(wù),并為溫度信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)創(chuàng)建通道,設(shè)置接地方式、通道號(hào)、最大電壓與最小電壓,然后創(chuàng)建定時(shí)函數(shù),根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)置合適的采樣頻率與緩沖區(qū)大小,通過ArtDAQ 讀取函數(shù)來讀取采集到的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖6 所示.

圖6 數(shù)據(jù)采集程序框圖Fig.6 Data acquisition program block diagram

通過將ArtDAQ 讀取函數(shù)讀取到的數(shù)據(jù)接入索引數(shù)據(jù)中,并根據(jù)數(shù)據(jù)通道索引不同的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并將其實(shí)時(shí)顯示在波形圖表上.為了方便工作人員查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),系統(tǒng)界面將數(shù)據(jù)通過波形和數(shù)組兩種形式顯示,程序框圖如圖7 所示.

圖7 數(shù)據(jù)顯示程序框圖Fig.7 Data display program block diagram

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

LabVIEW 常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式有4 種：ASCII 文件格式、文本格式、TDMS 文件格式以及Excel 格式.其中TDMS 文件格式是NI 主推的一種二進(jìn)制記錄文件格式,相較于其他格式,具有高速、易存取、占用磁盤空間小等多種優(yōu)點(diǎn),方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析及項(xiàng)目研究工作的展開.因此使用TDMS 文件格式存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù),能夠很好地滿足試驗(yàn)需求.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的存儲(chǔ)流程如圖8 所示.

圖8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖Fig.8 Data storage flowchart

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),點(diǎn)擊“是否保存數(shù)據(jù)”按鈕后系統(tǒng)會(huì)通過調(diào)用“寫入測(cè)量文件VI”將采樣數(shù)據(jù)保存為TDMS 格式的文件,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)保存VI 的設(shè)置自動(dòng)寫入數(shù)據(jù)文件,并將數(shù)據(jù)文件按照“信號(hào)名稱+時(shí)間”的格式保存在指定路徑的文件夾中.文件夾名稱與文件名均可根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行手動(dòng)修改[8].為了避免造成數(shù)據(jù)冗余,系統(tǒng)每5 min 采集一次數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序框圖如圖9 所示.

圖9 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序框圖Fig.9 Data storage block diagram

2.3 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析模塊

通過上述模塊可以得到試驗(yàn)軸承的振動(dòng)數(shù)據(jù),對(duì)得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)軸承在試驗(yàn)過程中不易察覺的異常情況.系統(tǒng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)分析模塊主要包括時(shí)域分析和頻域分析兩個(gè)部分.

2.3.1 時(shí)域分析通過對(duì)試驗(yàn)軸承在運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析,可以對(duì)軸承的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè).時(shí)域分析可以分為有量綱參數(shù)和無量綱參數(shù)兩個(gè)部分[9].由于無量綱參數(shù)相對(duì)于有量綱參數(shù)對(duì)軸承故障更為敏感且受工作環(huán)境的影響小,因此系統(tǒng)可以選取峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)、波形指標(biāo)、峭度指標(biāo)五個(gè)無量綱參數(shù)對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析.

峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)和波形指標(biāo)峰值指標(biāo)是判斷軸承是否異常的常用指標(biāo),反映信號(hào)沖擊的最大值.脈沖指標(biāo)是峰值與均值的比值,對(duì)判斷試驗(yàn)軸承在運(yùn)行過程中是否產(chǎn)生沖擊信號(hào)具有很好的輔助作用,能夠檢測(cè)諸如劃痕、點(diǎn)蝕等異常情況.裕度指標(biāo)常與脈沖指標(biāo)聯(lián)合使用,能夠較好地識(shí)別沖擊脈沖[10].波形指標(biāo)是振動(dòng)信號(hào)的有效值與絕對(duì)平均值的比值,反映了試驗(yàn)軸承在運(yùn)行過程中的點(diǎn)蝕和磨損狀況.

峭度指標(biāo)峭度值對(duì)沖擊信號(hào)非常敏感,是滾動(dòng)軸承故障診斷的一個(gè)重要參數(shù),通常用于軸承的早期故障識(shí)別.對(duì)于一個(gè)給定的滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào),峭度值的定義為

式（1）中：xi為振動(dòng)信號(hào),為振動(dòng)信號(hào)的均值,N為振動(dòng)信號(hào)的長度,Xrms為振動(dòng)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差.

當(dāng)試驗(yàn)軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),軸承振動(dòng)信號(hào)的分布接近正態(tài)分布,峭度值Kr≈3；當(dāng)試驗(yàn)軸承出現(xiàn)故障時(shí),振動(dòng)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)大幅值的沖擊,這會(huì)使得振動(dòng)信號(hào)的分布偏離正態(tài)分布,峭度值隨之增大.因此,峭度指標(biāo)常用來判斷試驗(yàn)軸承是否發(fā)生異常以及發(fā)生異常的階段[11].時(shí)域分析的程序框圖如圖10 所示.

圖10 時(shí)域分析程序框圖Fig.10 Time domain analysis program block diagram

2.3.2 頻域分析由于時(shí)域分析具有一定的局限性,因此通過頻域分析可以進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)軸承產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理,從而判斷試驗(yàn)軸承具體存在的異常.因此,本系統(tǒng)會(huì)先通過時(shí)域分析判斷試驗(yàn)軸承在運(yùn)行過程中是否有異常,然后再用頻域分析的方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行更深層次的分析.本系統(tǒng)選取頻譜、包絡(luò)譜、倒頻譜三種頻域分析方法對(duì)試驗(yàn)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析.

頻譜分析頻譜分析將采集到的振動(dòng)信號(hào)從時(shí)域變換到頻域,觀察圖中是否存在故障特征頻率,以此判斷是否存在故障以及故障類型.目前頻譜分析方法已經(jīng)從離散傅里葉變換（DFT）演變?yōu)榭焖俑道锶~變換（FFT）,FFT 相較于DFT 能夠減少計(jì)算時(shí)間提高分析效率.對(duì)振動(dòng)信號(hào)x（t）進(jìn)行頻域分析的表達(dá)式為

式（2）中：x（t）為時(shí)域信號(hào),X（f）為頻域信號(hào),f為頻率,t為時(shí)間.

頻譜分析的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快、分析效率高,但是會(huì)引起一定程度的能量泄露,使得譜峰幅值變小,精度降低.其程序框圖如圖11 所示.

圖11 頻譜分析程序框圖Fig.11 Spectrum analysis program block diagram

包絡(luò)譜分析包絡(luò)譜分析是一種基于濾波檢波的振動(dòng)信號(hào)處理方法.該方法與上述FFT 分析方法不同,需要對(duì)信號(hào)先進(jìn)行Hilbert 變換再進(jìn)行FFT 分析,然后做出振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)譜圖,從而分析譜圖特征,診斷故障類別.包絡(luò)解調(diào)分析的核心,是對(duì)信號(hào)進(jìn)行Hilbert 變換,這相當(dāng)于對(duì)信號(hào)進(jìn)行了一次濾波處理,可以從復(fù)雜的信號(hào)中凸顯出有用的信息.對(duì)振動(dòng)信號(hào)x（t）進(jìn)行Hilbert 變換的表達(dá)式為

構(gòu)造信號(hào)h（t）

h（t）的幅值信號(hào)g（t）即為振動(dòng)信號(hào)x（t）的包絡(luò)譜,表達(dá)式為

包絡(luò)譜分析的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效識(shí)別邊頻,從而找出調(diào)制信號(hào)的特性,進(jìn)行軸承故障模式分類,因此包絡(luò)譜分析也是對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析的主要手段.圖12 為包絡(luò)譜分析的程序框圖.

圖12 包絡(luò)譜分析程序框圖Fig.12 Envelope spectrum analysis program block diagram

倒頻譜分析倒頻譜是一種用于復(fù)雜頻譜圖中的周期分量檢測(cè)的有效工具[12],是通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)x（t）的功率譜S x(f)的對(duì)數(shù)進(jìn)行傅里葉逆變換得到的,用Cx(τ )表示.其表達(dá)式為

式（6）中：F?1{}為傅里葉逆變換；τ為時(shí)間變量,單位是ms,稱倒頻率.

由于S x(f)是偶函數(shù),倒頻譜可以寫成

倒頻譜對(duì)邊頻成分具有很好的“概括”能力,具有信息凝聚的作用.當(dāng)譜圖上呈現(xiàn)出復(fù)雜的周期成分而難以分辨時(shí),借助倒頻譜能將其化作單根的倒頻譜線,有利于工作人員及早發(fā)現(xiàn)軸承在試驗(yàn)過程中的異常情況.圖13 為倒頻譜分析的程序框圖.

圖13 倒頻譜分析程序框圖Fig.13 Block diagram of cepstrum analysis program

2.4 數(shù)據(jù)讀取模塊

數(shù)據(jù)讀取模塊可方便工作人員隨時(shí)查看過去某一時(shí)間段的數(shù)據(jù)文件,并以波形圖表的樣式展現(xiàn)出來.點(diǎn)擊數(shù)據(jù)讀取選項(xiàng)卡可進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取模塊,在該選項(xiàng)卡中,通過輸入數(shù)據(jù)文件路徑,點(diǎn)擊“開始讀取文件”按鈕,即可完成數(shù)據(jù)文件的讀取.圖14 為數(shù)據(jù)讀取的程序框圖.

圖14 數(shù)據(jù)讀取程序框圖Fig.14 Data reading program block diagram

2.5 液壓加載模塊

液壓加載模塊用于試驗(yàn)過程中軸承載荷的施加.本系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)置了3 個(gè)加載開關(guān),通過單擊系統(tǒng)主界面的按鈕可以直接控制加載油缸電磁閥的開合,對(duì)試驗(yàn)軸承施加軸向和徑向加載,以此模擬實(shí)際工況.該模塊程序圖如圖15 所示.

圖15 液壓加載模塊程序框圖Fig.15 Block diagram of hydraulic loading module

2.6 錯(cuò)誤報(bào)警模塊

錯(cuò)誤報(bào)警模塊主要是對(duì)采集過程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤進(jìn)行報(bào)警,能夠有效提醒工作人員排除故障,確保系統(tǒng)正常運(yùn)行.通過編程,將讀取文件錯(cuò)誤、液壓加載錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)寫入錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)分析錯(cuò)誤等控件使用Lab-VIEW 的錯(cuò)誤合并功能將其集合在一個(gè)錯(cuò)誤面板中顯示,若任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤,系統(tǒng)則會(huì)發(fā)出蜂鳴聲,同時(shí)在錯(cuò)誤面板中顯示具體錯(cuò)誤的內(nèi)容[13],方便工作人員排查故障,避免損失.錯(cuò)誤報(bào)警模塊程序框圖如圖16 所示.

圖16 錯(cuò)誤報(bào)警模塊程序框圖Fig.16 Block diagram of error alarm module

3 測(cè)控系統(tǒng)性能驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

盾構(gòu)機(jī)主軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)如圖17 所示,主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、陪試軸承、被試軸承、加載系統(tǒng)等組成.實(shí)驗(yàn)時(shí)軸承一組兩套,分為一套被試軸承,一套陪試軸承,由驅(qū)動(dòng)單元為整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)提供動(dòng)力,加載系統(tǒng)為被試軸承施加載荷.通過振動(dòng)傳感器獲取試驗(yàn)過程中軸承的軸向、徑向振動(dòng)信號(hào),通過溫度傳感器獲取試驗(yàn)過程中軸承的溫度信號(hào).該試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)單元可提供軸承轉(zhuǎn)速的范圍為10~500r/min,加載系統(tǒng)的加載范圍為0~520kN.

圖17 試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖Fig.17 Physical picture of the test bench

實(shí)驗(yàn)分為兩組,一組為正常被試軸承與陪試軸承,另一組為主推外圈加工一缺陷的被試軸承與陪試軸承.驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為60 r/min,軸向加載力為516.7 kN,振動(dòng)信號(hào)采樣頻率fs=5 000 Hz,每組軸承測(cè)試時(shí)長為15 h.

為便于對(duì)盾構(gòu)機(jī)主軸承故障進(jìn)行分析研究,需要計(jì)算軸承故障振動(dòng)頻率[14],試驗(yàn)軸承主要性能參數(shù)如表1 所示,滾動(dòng)軸承故障頻率理論公式如表2 所示.根據(jù)表2 公式計(jì)算可知,試驗(yàn)軸承主推滾子外滾道故障頻率為45.5Hz[15].

表1 試驗(yàn)軸承參數(shù)Tab.1 Test bearing parameter

表2 軸承故障頻譜特征Tab.2 Bearing fault spectrum characteristics

根據(jù)本次試驗(yàn)需要以及軸承特點(diǎn),系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)相同工況下正常軸承和缺陷軸承主要受力面的溫度和振動(dòng)情況,因此在軸承主推側(cè)外圈上半部分間隔18°等分安裝六個(gè)溫度傳感器（圖示1~6）；在主推側(cè)徑向和軸向兩個(gè)方向各安裝一個(gè)振動(dòng)傳感器（圖示7~8）.其安裝位置如圖18 所示.

圖18 傳感器安裝位置Fig.18 Sensor installation position

實(shí)驗(yàn)前需要通過計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,需要設(shè)置的參數(shù)主要有：各傳感器占用的通道、電磁驅(qū)動(dòng)模塊占用的通道、采樣頻率、每通道采樣數(shù)、是否保存數(shù)據(jù)等.設(shè)置完成后點(diǎn)擊“開始采集”按鈕啟動(dòng)系統(tǒng),進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、顯示與數(shù)據(jù)分析.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場與系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖19、20 所示.

圖19 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場Fig.19 Test site

圖20 系統(tǒng)運(yùn)行界面Fig.20 System running interface

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 時(shí)域分析系統(tǒng)測(cè)得的正常軸承狀態(tài)與缺陷軸承軸向振動(dòng)信號(hào)如圖21 所示,兩段信號(hào)的采樣率為5 000 Hz,采樣時(shí)長為14 s.

圖21 實(shí)驗(yàn)軸承振動(dòng)信號(hào)Fig.21 Test bearing vibration signal

由圖21-a、21-b 對(duì)比可知,相較于正常軸承,缺陷軸承的振動(dòng)信號(hào)振幅較大并且出現(xiàn)了較多的沖擊信號(hào),但是僅靠肉眼觀察無法獲得更多的有用信息,這表明從時(shí)域信號(hào)中能夠獲取的信息量非常有限,需要進(jìn)一步分析.

在系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)采集的過程中,觀察振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特性指標(biāo),能夠?qū)S承的狀態(tài)進(jìn)行初步判斷.表3 為正常軸承和缺陷軸承時(shí)域指標(biāo)的具體數(shù)值.

表3 兩組試驗(yàn)軸承時(shí)域指標(biāo)對(duì)比Tab.3 Comparison of time domain indexes of two groups of test bearings

在以上5 種時(shí)域指標(biāo)中,峭度指標(biāo)對(duì)于軸承故障判斷的作用比較明顯,通過系統(tǒng)測(cè)得的正常軸承振動(dòng)信號(hào)峭度值為3.280 7,缺陷軸承振動(dòng)信號(hào)的峭度值為9.762 3,明顯大于正常軸承的數(shù)值,而其他時(shí)域指標(biāo)的顯著增大也反映了缺陷軸承存在異常,因此可以判斷軸承發(fā)生了故障,但不能確定具體的故障類型.

3.2.2 頻域分析將系統(tǒng)測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)載入頻域分析模塊后點(diǎn)擊“開始分析”即可對(duì)正常軸承和缺陷軸承的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析,如圖22 所示.

圖22 實(shí)驗(yàn)軸承頻譜Fig.22 Test bearing frequency spectrum

從圖22 中可以看到正常軸承的頻譜未出現(xiàn)異常周期成分,在缺陷軸承的頻譜與缺陷軸承主推外圈故障頻率45.51 Hz 的相近的1 倍頻、2 倍頻、3 倍頻和4 倍頻,頻譜圖與預(yù)先設(shè)置的故障相吻合,可見頻譜分析能夠準(zhǔn)確識(shí)別試驗(yàn)軸承主推外圈故障頻率.

試驗(yàn)軸承的包絡(luò)譜如圖23 所示,從圖中可以看到,正常軸承的包絡(luò)譜未出現(xiàn)明顯的峰值,而缺陷軸承的包絡(luò)譜在45.51、91.10、136.51 Hz 處均出現(xiàn)了明顯峰值,分別對(duì)應(yīng)軸承主推外圈故障特征頻率及其諧波頻率,并且隨著諧波階次的增加,相應(yīng)的峰值逐步減小,與頻譜分析結(jié)果一致.

圖23 試驗(yàn)軸承包絡(luò)譜Fig.23 Test bearing envelope spectrum

通過倒頻譜可以發(fā)現(xiàn)其他頻譜分析中不易發(fā)現(xiàn)的周期信號(hào).圖24 中正常軸承的倒頻譜未發(fā)現(xiàn)異常周期性譜線,而缺陷軸承的倒頻譜在21.98 ms 處、43.96 ms 處均有一根明顯譜線,兩根譜線時(shí)間間隔相差一倍,且與缺陷軸承主推外圈故障頻率對(duì)應(yīng),進(jìn)一步證實(shí)了缺陷軸承主推外圈存在故障[16].

圖24 實(shí)驗(yàn)軸承倒頻譜Fig.24 Test bearing cepstrum

3.2.3 溫度分析實(shí)驗(yàn)過程中采集到的溫度數(shù)據(jù)可以通過系統(tǒng)的讀取文件模塊進(jìn)行回溯,為方便討論,將對(duì)試驗(yàn)軸承主推滾子側(cè)外圈的4 號(hào)溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖25 所示.

圖25 試驗(yàn)軸承溫度Fig.25 Test bearing temperature

從圖25-a 中可以看到上午7 時(shí)試驗(yàn)開始,正常軸承的溫度從22.34 ℃緩慢升高,于上午10 時(shí)20分（實(shí)驗(yàn)開始200 min 后）溫度達(dá)到峰值50.96 ℃,隨后溫度趨于穩(wěn)定,直至晚上22 時(shí)試驗(yàn)結(jié)束,正常軸承運(yùn)行平均溫度為46.45 ℃.

缺陷軸承在第二天同一時(shí)刻開始實(shí)驗(yàn),初始溫度為21.33 ℃,其溫度隨著試驗(yàn)進(jìn)行持續(xù)升高,至晚上22 時(shí)試驗(yàn)結(jié)束時(shí),軸承溫度為81.78 ℃,缺陷軸承運(yùn)行平均溫度為65.4 ℃.

通過對(duì)兩組試驗(yàn)軸承的溫度對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)缺陷軸承溫度上升更快,峰值溫度更高,平均溫度相較于正常軸承高出40.79%,這也從側(cè)面反映了缺陷軸承的異常情況.

通過上述幾個(gè)維度的綜合分析,可以判斷缺陷軸承的故障類型,與實(shí)際情況相吻合,符合預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),表明系統(tǒng)能夠正常監(jiān)測(cè)試驗(yàn)軸承的狀態(tài)以及對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行有效分析.

4 小結(jié)

本研究針對(duì)盾構(gòu)機(jī)主軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)的基于LabVIEW 的一套測(cè)控系統(tǒng)操作簡單、顯示內(nèi)容豐富,并且具有一定的數(shù)據(jù)處理能力.經(jīng)測(cè)試,該系統(tǒng)能夠正常對(duì)實(shí)驗(yàn)軸承的振動(dòng)數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ),可對(duì)實(shí)驗(yàn)軸承正常施加載荷,并能夠?qū)φ駝?dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析,對(duì)軸承異常情況具有一定的分析能力,能夠及時(shí)捕捉到軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的故障信號(hào),判斷故障類別,滿足了盾構(gòu)機(jī)縮比主軸承試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)需求,為盾構(gòu)機(jī)主軸承的研發(fā)工作提供了詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)資料,加速了盾構(gòu)機(jī)主軸承的研發(fā)進(jìn)程.