SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀

余光偉，鄭敏，朱貿，宋卓遠

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072)

1 儀器結構及原理

1.1 儀器結構

SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀由硬件系統和軟件系統兩部分組成。硬件系統包括機械裝置、速度傳感器、前置放大電路(信號調理電路)、揚聲器、數據采集卡和一體化工作站，分別采用安德魯滾動軸承驅動裝置(液體動壓主軸)、BCC-1型速度傳感器、PCI-1711數據采集卡和WS-855GS帶觸摸屏一體化工作站。測量和分析軟件系統以LabVIEW8.5為開發平臺，其中，帶通數字濾波器的設計符合GB/T 24610—2009《滾動軸承振動測量方法》的規定。

該速度型滾動軸承振動綜合測量儀嚴格按照最新國家標準開發，適用于實驗室、軸承制造廠對成品軸承的生產檢驗與用戶驗收。表1為SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀的主要技術指標。

表1 SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀技術指標

1.2 測量方法

將軸承安裝在驅動裝置上，主軸轉速為1 800 r/min，外圈固定并施加軸向載荷。傳感器對被測軸承的外圈接觸載荷小于0.7 N，測量方向沿軸承徑向且垂直于軸承的軸線。選取軸承外圈外圓柱面寬度大約二分之一處進行測量。

2 軟件說明

SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀軟件主界面如圖1所示，主要包括數據采集模塊、用戶菜單模塊、信號處理與分析模塊、數據顯示與狀態監測模塊和文件保存模塊。

圖1 測量和分析軟件界面

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊采用LabVIEW驅動程序，在LabVIEW開發平臺下采集多個通道的模擬信號電壓量，完成多個通道的數據采集和顯示。

測量和分析軟件主程序在LabVIEW8.5環境下將多通道中斷采樣程序以子程序的形式調入分析軟件的主程序中實現數據采集。采用全局變量實現數據采集子程序與主程序的參數傳遞，在停止主程序的同時關閉采集卡，釋放為該設備分配的資源，保證主程序再次運行時數據采集的正確無誤。

2.2 用戶菜單模塊

用戶菜單模塊包括檢測記錄模塊、軸承參數輸入模塊、測量設置模塊和操作按鈕模塊。這些模塊可以實現被測軸承型號、測量時間和日期以及測量數據保存路徑的設置，軸承節圓直徑、滾動體直徑、主軸轉速以及接觸角等參數輸入，測量面數和點數的設置、報警閾值的設置、延時時間和采樣時間的設置，運行程序、開始、停止、退出程序，保存測量文件、在線回放數據及查看數據等。

2.3 信號處理與分析模塊

2.3.1 時域分析

在時域診斷中，采用振動信號的基本數字特征及其概率分布特征來進行分析和診斷，如振動的有效值、峰值和波峰因數。綜合運用LabVIEW8.5和Matlab7.1開發環境，借助于組合小波，采用窗函數法設計了低頻、中頻(圖2)、高頻濾波器[1]，分別濾波后分頻段計算軸承振動速度有效值、峰值及波峰因數。時域分析主要用于軸承質量判斷。

圖2 中頻濾波器的實測特性圖

2.3.2 頻域分析

2.3.2.1 FFT分析

快速Fourier變換(FFT)是離散Fourier變換(DFT)的一種快速算法。對N點序列x(n)，其DFT定義為

式中：x(n)為離散時間序列。

對于一維信號，使用FFT計算輸入序列的DFT,具體算法采用時間抽取算法(DIT)[2]。在所編寫程序中，FFT分析的實現方法如下：首先將初始數據經所設計的數字濾波器濾波，對濾波后的信號進行計算，得到輸入序列X的FFT，然后使用“復數轉化為級數”函數，并將頻譜分析后的雙邊譜轉化為單邊譜，最后進行幅值歸一化處理，將變換后得到的幅值除以采樣點數，即完成FFT分析。

2.3.2.2 包絡譜分析

包絡分析法是利用包絡檢波和對包絡的譜分析，將調制的信號拾取、放大、濾波后送入解調器，再經譜分析后提取出信號的故障特征。信號的包絡通常有3種提取方法，即Hilbert幅值解調法、檢波-濾波法和高通絕對值解調法[3]。本軟件中的包絡譜分析采用Hilbert幅值解調法。Hilbert變換得到的解析信號實部為實信號本身，虛部為其Hilbert變換，解析信號的幅值即為信號的包絡，再進行頻譜分析，最后得到包絡譜。

所編程序中實現包絡譜的方法如下：將數據采集卡采集的初始數據經所設計的數字濾波器濾波，將濾波后的信號作Hilbert變換，進一步求出其幅值即為信號的包絡，然后經上述FFT分析對其進行頻譜分析，最后得到包絡譜圖。

2.4 數據顯示與狀態監測模塊

該模塊主要包括操作界面的設計和軸承在線測量狀態監測。操作界面可以顯示軸承低頻、中頻及高頻3個頻段的軸承振動速度有效值、峰值和波峰因數，以及軸承振動時域曲線圖、頻域曲線圖和包絡譜圖。同時，還可以顯示已測軸承數、不合格軸承數及待測軸承的面號和點號。

狀態監測模塊可以進行報警設置，設置好報警閾值后，即可在線直觀地監測軸承好壞。當軸承振動值超過報警閾值后，表示軸承振動速度級有效值的柱狀圖以及峰值和波峰因數的顯示數字字體會由綠色變為紅色，更直觀、方便地顯示軸承是否發生故障或軸承是否為合格產品。當在線測量值沒有超過報警閾值時，則數字顯示的字體顏色又變回綠色。

2.5 文件保存模塊

在軸承測量過程中，通過相應按鈕對所需測量數據按所需要的格式進行保存，便于離線分析。

3 試驗

3.1 測試分析試驗

選用608-2RS軸承、6000VV和6002VV軸承在SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀上進行試驗。試驗軸承均是脂潤滑并帶有密封圈，正、反面單點測量。測量結果如表2～4所示。從表中統計數據平均值和標準差可以看出，測量數據較穩定。

表2 608-2RS深溝球軸承的測量結果

3.2 故障分析試驗

已知82#608-2RS軸承為人工加工滾動體故障軸承，測試之前，測試人員未知故障。用BENDIX BCC-1型速度傳感器進行振動測試，采用SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀進行振動分析，分析結果與實際情況進行對比。主軸轉速為1 786 r/min時計算出的軸承元件的故障特征頻率基頻如表5所示。

表3 6000VV深溝球軸承的重復性測量結果

表4 6002VV深溝球軸承的重復性測量結果

表5 故障軸承特征頻率

由包絡譜圖(圖3c)可以看到在頻率為104 Hz及其高倍頻處存在明顯的頻率譜線，故判斷該軸承為滾動體故障，且與實際情況一致。試驗結果表明，所開發軟件的包絡譜分析方法對軸承滾動體故障診斷比FFT方法更為有效，對于軸承內、外圈故障的診斷效果也更為顯著。

圖3 SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀在線分析結果

4 結束語

基于虛擬儀器技術和計算機技術的SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀的測試數據穩定性好，故障分析功能可靠，能有效分析軸承發生故障的原因，適用于實驗室、軸承制造廠對成品軸承的生產檢驗與用戶驗收。