基于LabVIEW的滾動軸承故障診斷系統(tǒng)

蘇 敏，王 勇，何惜港，鄧四二，梁曉東

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；3.寧波達克軸承有限公司，浙江 寧波 315000）

據(jù)不完全統(tǒng)計，旋轉機械30%的故障是由滾動軸承引起的，滾動軸承工作狀態(tài)的好壞直接影響整臺機械設備的工作狀態(tài)，因此，對滾動軸承進行故障診斷具有十分重要的現(xiàn)實意義。早期的滾動軸承故障診斷是利用聽棒、電子聽診器等，依靠人的聽覺來判斷，這種方法過多依賴監(jiān)測人員的經(jīng)驗，可靠性不高。隨之又引入了各種振動速度、加速度測振儀，采用峰值、有效值或波峰因數(shù)［1］等參數(shù)診斷故障，這樣減少了人為因素的影響，提高了故障診斷的準確性，但很難在故障初期及時做出診斷。目前基于計算機軟、硬件的測試平臺的虛擬儀器技術［2］在測量測試領域得到了廣泛的應用，其大大簡化了傳統(tǒng)儀器的硬件結構，能夠組建出滿足用戶各種需求的分析或檢測系統(tǒng)。鑒于此，對BVT-1A速度型測振儀［3］加以改進，將測振儀的通頻帶模擬信號進行A／D轉換后傳入計算機，在計算機上用LabVIEW編寫的滾動軸承故障診斷系統(tǒng)測量振動速度信號低、中、高3個頻帶的有效值R、峭度K、過閾值脈沖數(shù)N等參數(shù)，并在頻域內用共振解調法［4］綜合評價軸承故障。

1 系統(tǒng)總體方案

基于LabVIEW的滾動軸承故障診斷系統(tǒng)的總體設計方案如圖1所示。檢測系統(tǒng)的測試方法如下：按照JB／T5313—2001滾動軸承振動速度測量方法，用BVT-1A型測振儀進行振動測試。待測軸承的外圈固定并施加規(guī)定的軸向載荷，內圈緊靠芯軸軸肩以1 800 r／min的恒定轉速旋轉；將傳感器的測頭壓下，選取軸承外圈外圓柱面圓周方向等距的3點測試其徑向振動速度，將該徑向振動（速度）分量轉變成電信號并將該電信號輸入到測量放大系統(tǒng)，對其進行信號處理并同步顯示軸承低、中、高3個頻段的徑向振動速度均方根值（μm／s）。使用某公司的USB6009DAQ板卡和配套的BNC-2120接線盒將BVT-1A型測振儀的通頻帶電信號轉換為數(shù)字信號并采集到計算機，然后用LabVIEW開發(fā)的軟件平臺進行采樣信號的分析處理，同時實現(xiàn)保存、打印等功能。其中BNC-2120和USB6009的連接方式如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框架

圖2 振動信號的外接電路

2 系統(tǒng)的硬件結構

2.1 BVT-1A型測振儀

由動圈式速度型傳感器、傳感器位置調整裝置、驅動主軸、氣動加載裝置和測量放大器等部件組成。傳感器諧振頻率在13 000 Hz左右，能滿足50 Hz～10 000 Hz頻段測試的要求，3塊表頭同時測量低、中、高3個頻帶的有效值，3個頻帶和通頻帶都有輸出接口，可與其他儀器對接。帶有揚聲器，可對軸承噪聲進行監(jiān)聽，同時可外接示波器，對振動波形進行監(jiān)視。

2.2 USB6009DAQ板卡

將軸承振動速度信號轉化為數(shù)字信號。采用USB2.0協(xié)議，可以熱插拔，支持單極性和雙極性模擬信號輸入，信號輸入范圍分別為0～10 V和-5～5 V；提供8路單端／4路差分輸入通道、2路模擬輸出通道等功能；分辨率16 bit，最高采樣率48 000 Hz（通頻帶），硬件驅動程序為NI-DAQmax8.3.1，驅動程序用戶接口為MAX4.0，應用軟件為LabVIEW8.2。

2.3 計算機

即上位機，是檢測系統(tǒng)的軟、硬件載體，通過USB數(shù)據(jù)線與USB6009數(shù)據(jù)采集卡相連，通過LabVIEW軟件平臺進行信號處理，并根據(jù)處理結果發(fā)出相應的控制命令，例如聲光報警、進行軸承分選等。

3 檢測系統(tǒng)的軟件平臺

3.1 軟件平臺的結構規(guī)劃和界面設計

軟件平臺是整個檢測系統(tǒng)的核心，LabVIEW語言具有各種儀器驅動程序和高級信號分析子函數(shù)，用戶只需調出表示輸入控制、輸出顯示的圖標，進行相關的參數(shù)配置，然后連接類似數(shù)據(jù)流程圖的程序框圖，即可完成軟件設計工作。圖3為按照上述方式設計的軟件平臺總體結構。采用面向對象的程序設計方法，繼承了BVT-1A型測振儀所能測量的參數(shù)，同時又擴充了其他功能，例如：存儲、打印，實時測量振動信號低、中、高3頻帶的有效值、峭度和過閾值脈沖數(shù)，并能進行共振解調分析等。

圖3 軟件平臺的總體結構

總的來說，用LabVIEW語言開發(fā)的軟件平臺需要完成數(shù)據(jù)采集、分析處理、結果顯示和輸出3部分功能，具體實現(xiàn)方法如下：

（1）在MAX中配置NI-DAQmax設備，包括設備號、通道、信號輸入范圍、采樣模式、采樣頻率和采樣點數(shù)。

（2）按照文獻［5］的規(guī)定，通過LabVIEW自帶的Butterworth 5階帶通濾波器獲取低（50～300 Hz）、中（300～1 800 Hz）、高（1 800～10 000 Hz）3個頻段的振動信號。利用LabVIEW的“信號處理”模板中的相關子函數(shù)求出有效值、峭度和過閾值脈沖數(shù)，并進行共振解調分析。

（3）用布爾指示燈、波形圖顯示控件、滑動桿等制作界面，用“文件I／O”、“報表生成”等模板實現(xiàn)存儲、打印功能。

圖4為使用LabVIEW設計的界面，圖中實時顯示振動信號低、中、高3頻帶的振動波形，有效值、峭度和過閾值脈沖數(shù)。并能根據(jù)軸承型號顯示相應的振動國標，診斷結果用布爾指示燈顯示。“靈敏度調節(jié)”是為了去除噪聲的干擾而設置的。測振時須將“靈敏度調節(jié)”調到合適位置，測量振動時電腦顯示器上顯示波形，不測量振動時電腦顯示器上不顯示波形。

圖4 故障診斷軟件平臺

3.2 故障診斷方法

故障診斷系統(tǒng)在時域內使用低、中、高3頻帶的有效值R（μm／s）、峭度K、過閾值脈沖數(shù)N（文中的脈沖閾值等于4倍有效值）3個參數(shù)相結合診斷軸承是否有故障。時域診斷具體方案如下：

（1）若低、中、高3頻帶的任一R值超過國標規(guī)定值［5］，則表示軸承故障。

（2）若任一頻帶的R值均小于國標規(guī)定的有效值，且K的實測值大于門限值（文中的峭度門限值等于4），則判斷相應的頻帶內N是否超過2個；若任一個頻段N超過3個，則表示軸承故障；反之表示軸承正常。

（3）若任一頻帶R和K都不超標，無論N是否超過3個，均表示軸承正常。

頻域內用共振解調法確定故障發(fā)生在軸承外圈、內圈滾道或滾動體上。共振解調常用于提取掩埋在常規(guī)振動中的由故障引起的微沖擊信息，輸出一個與故障沖擊對應的剔除了噪聲干擾的解調信號，共振解調法通過把輸出信號放大，經(jīng)過帶通濾波器（中心頻率為速度型傳感器的諧振頻率，文中為12 000 Hz左右）濾波，然后采用Hilbert變換進行包絡檢波，再由低通濾波器去除殘余的高頻干擾噪聲，最后對比內、外圈或滾動體的理論故障頻率，通過功率譜分析確定故障發(fā)生的部位。共振解調法的LabVIEW程序如圖5所示。

圖5 共振解調的VI程序

4 故障診斷實例

以已知故障類型的3種軸承6203，6011和6211為例來驗證該系統(tǒng)的可靠性，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為40 000 Hz，采樣點數(shù)為5 000，按照上述診斷方法在時域內求出3種軸承樣本的R，K和N值，然后分別取每種型號的3種故障診斷結果列于表1。從診斷結果可以看出：故障軸承低頻帶的R，K和N值與無故障軸承相差不大；而故障軸承中、高頻帶的R，K和N均比無故障軸承的要大。因此，有效值、峭度和過閾值脈沖數(shù)相結合可在時域內診斷出軸承是否存在故障。

表1 試驗軸承的時域診斷結果

限于篇幅只對表1中型號為6211的存在鋼球缺陷的軸承進行了共振解調分析。6211的球組節(jié)圓直徑為85 mm，鋼球直徑為15.081 mm，鋼球個數(shù)為10個，接觸角為0°。軸承外圈不轉，內圈轉速為1 800 r／min。圖6是其分析過程，圖6b是Butterworth 5階帶通濾波器獲取的高頻帶（10 500～13 500 Hz）信號，圖6c是應用Hilbert變換得到的包絡信號，圖6d是經(jīng)過低通濾波器（低截止頻率為1 000 Hz）之后得到的功率譜圖。從圖6d可以清晰地看見1階（80 Hz）至6階的高階諧波譜峰。通過軸承故障頻率的理論計算公式得到外圈故障頻率為123.4 Hz，內圈故障頻率為176.6 Hz，鋼球故障頻率為81.8 Hz，而圖6 d中6211軸承的1階頻率與鋼球理論故障頻率大致相等，因此可以判斷軸承故障發(fā)生在鋼球上。

圖6 存在鋼球缺陷的6211軸承的共振解調分析過程

5 結束語

在虛擬儀器技術的基礎上改進了BVT-1A型測振儀，利用計算機、USB6009數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW設計了一種軸承故障診斷系統(tǒng)。故障診斷系統(tǒng)在時域內通過測量低、中、高3個頻帶的有效值、峭度、過閾值脈沖數(shù)，在頻域內通過共振解調法來診斷軸承故障。最后對6203，6011和6211 3種型號軸承進行了試驗驗證，結果表明了該系統(tǒng)的可靠性。需要注意的是，滾動軸承的故障診斷是一個復雜的技術問題，軸承載荷、轉速、游隙諸因素都會給診斷結果帶來誤差，本故障診斷系統(tǒng)目前仍處于試驗階段，還需要不斷地改進和完善才能應用于實際生產(chǎn)。