智能電機軸承故障監測系統設計

陳鑫洋

摘 要：為了滿足生產過程中電機軸承故障監測的需求，及時發現電機軸承故障隱患，降低生產停機的頻次，提高生產效率。因此，本文設計了一款智能電機軸承故障監測系統，用于實時監控生產過程中電機軸承故障情況，并提供預警，闡述了設計的結構，進行了軟硬件的設計，工作流程進行展示，并進行了系統測試。結果表明，本監測系統滿足設計需求，達到監測預警的目的，有效提高了生產效率。

關鍵詞：智能電機;軸承;故障監測;系統;設計

0 引言

電機是工業生產使用最廣泛的裝置之一，是工業生產的核心設備，而電機出現問題故障的主要部件在于軸承。引起電機軸承故障的主要是軸承的內外圈、滾珠、支架等出現裂紋或者磨損產生的，這些故障會伴隨著異常噪音、振動、轉速、過熱等問題出現。可見，監測軸承的故障是解決電動機故障關鍵因素所在，由于振動信號比較方便采集和處理，從而實現在不影響電機運轉的情況下對電機運行狀態的實時監控。因此，設計一款智能電機軸承故障檢測系統是有重要意義的。

1 振動信號分析

電機發生故障時，一般都會產生異常振動，異常振動又分為電磁振動和機械振動，電磁振動主要由氣隙和定轉子異常引起，機械振動主要由軸承異常和轉子不平衡引起。振動特性還涉及電機的工作狀態、負載和安裝模式。為了更好采集電機故障的數據，需要使用位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器等振動信號的測量工具，并選擇合適的安裝采樣點，最好是靠近軸承處，防止外界環境因素影響，確保數據的準確率。為防止采集的數據失真，采樣信號頻率不能過低，最好是原始信號振幅、頻率最大值的兩倍，這是確保采樣準確需要的。

2 系統的結構

為了能較好的監測電機軸承的故障狀態，設計的監測系統主要分為兩部分，一部分為監測系統硬件設備，一部分為電機軸承故障監測系統軟件。硬件主要是電源、控制芯片、傳感器、存儲、診斷、無線模塊及電源等模塊，主要作用是完成數據采集、處理、存儲、收發及顯示等。監測軟件主要實現接收信號對比、分析、顯示和保存，并將結果進行警報等。圖1位系統的主要原理框圖。

3 硬件設計

根據電機軸承故障產生的主要原因，如伴隨異常噪音、振動、過熱的情況，采集的內容較多，而最便于監測的現象是振動情況。因此，本監測系統主要以采集振動信號的設計為列進行說明。

3.1 傳感器模塊

主要使用的是電容式加速度傳感器作為采樣工具，加速度傳感器又分為壓電式、壓阻式、電容式三種，因為電容式的鄰面度高，受環境影響小，零頻率響應的特點。因此，選擇電容式的加速度傳感器，實現對電動機振動故障進行信號采集，將采集到的模擬信號轉化成電壓信號，解調后進行數字轉換，傳送到診斷模塊進行診斷并存儲起來，。

3.2 診斷模塊

診斷模塊主要是對采集到的信號進行算法分析，判斷軸承發出的振動信號是否為故障，具體可以采用卷積神經網絡、核主元分析及鯨魚算法等。

3.3 存儲模塊

主要進行電機軸承振動信號的原始數據、處理數據、軸承故障結果進行存儲，方便控制器對存儲的數據進行提取使用。

3.4 控制模塊

控制器提供該模塊結果并將其傳送到監控系統控制端，主要包括日常診斷數據及診斷結果的發生，獲取反饋的各種信息等。

3.5 顯示模塊

為了能夠實時顯示運行情況，將數據通過OLED靜態顯示驅動接口電路展現，控制器用含有四種接口方式的SS1306驅動器，接口類型豐富，滿足設計的要求。

4 軟件設計

軟件設計主要分為兩部分，一部分是信號采集程序，主要是實現振動信號的采集、處理、顯示及數據的發送和接收等;一部分是系統管理的程序，主要實現接收各種參數，并進行保存、處理及顯示，并根據反饋的信號，與數據庫數據對比分析，能夠實現預警功能。系統工作流程圖如圖2所示。

4.1 總控模塊

主要實現讀取軸承預設的數據，并對整個系統進行配置，創建內容線程，主要含有振動數據采集、故障診斷、數據的無線收發、數據存儲及數據的預警等。

4.2 數據采集模塊

數據采集模塊主要對軸承振動信號進行采集，設計為每秒鐘采集10次，并將其存儲在存儲器中，以便送到診斷模塊中進行診斷，判斷此時電機軸承是否存在故障。

4.3 數據診斷模塊

采集模塊送過來的數據進行數據分析診斷，完成診斷后將診斷結果通過發送模塊發送給監控系統控制端，若存在故障，馬上在顯示屏上顯示并預警，直至人工處理后解除;若無故障，則將診斷數據存儲于存儲器當中，只顯示數據。

5 結論

一種智能電機軸承故障監測系統，設計了系統的硬件平臺，開發了相關監測軟件，并通過采集的數據對系統的性能進行了測試。測試結果為該監測系統可以實時監測電機的振動信號，并對故障信號進行預警提示，能夠存儲、顯示相關故障信息以便查閱處置，達到預期設計目的。當然，電機的監測除了振動信號以外，還可采集很多其他參數可以進行綜合分析，數據處理也有很多算法，鑒于篇幅有限就不再贅述。總的來說，該系統基本實現了在電腦端和手機端監測，方便管理人員查看監督，實現多管齊下進行監控，較好的保障系統正常運行。該系統采用的是高性能、低成本的微控制器和傳感器，大大降低了設計成本。

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基金項目：2021年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目：智能電機軸承故障監測系統研究（2021KY1405）