專利名稱：滾動軸承振動測量和故障分析裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軸承檢測與故障分析裝置及方法，特別是一種滾動軸承振動測量和故障分析裝置及方法。
背景技術(shù)：
滾動軸承是精密機(jī)械零件，廣泛應(yīng)用于航空航天、高鐵、機(jī)床、車輛、冶金等國民經(jīng)濟(jì)諸多領(lǐng)域和國防建設(shè)。軸承是關(guān)鍵基礎(chǔ)件，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械不可缺少的支承和傳遞動力的元件。軸承質(zhì)量好壞直接影響其配套主機(jī)和裝備的精度與性能。因此，對軸承質(zhì)量進(jìn)行控制， 可以減少經(jīng)濟(jì)損失和防止事故發(fā)生，增加國內(nèi)軸承企業(yè)的競爭能力。振動和噪聲性能與壽命和可靠性是滾動軸承的重要質(zhì)量和性能指標(biāo)。滾動軸承的壽命和可靠性理論是建立在材料滾動接觸疲勞理論基礎(chǔ)上的，隨著材料和制造技術(shù)的進(jìn)步，很多應(yīng)用場合，如精密儀表，轎車和家用電器，對軸承振動和噪聲特性的要求日趨嚴(yán)格， 已經(jīng)上升為第一重要的質(zhì)量指標(biāo)。目前，國內(nèi)軸承行業(yè)廣泛使用的軸承速度型振動測量儀，如杭州軸承試驗研究中心研制的BVT系列軸承振動(速度)測量儀、大連科匯軸承儀器有限公司研制的S07907V系列速度型軸承振動測量儀都是用模擬電路來實現(xiàn)對軸承的振動速度信號進(jìn)行處理，僅完成單一參數(shù)(軸承振動速度有效值)的測量，且沒有相應(yīng)的分析功能，只能定量而不能定性地分析軸承質(zhì)量水平。此外，其產(chǎn)品的靈活性差，功能擴(kuò)展困難、升級成本高。而國外軸承公司，如SKF研制MVH 90C/200C軸承振動測試儀，采用數(shù)字量來處理信號，實現(xiàn)多參數(shù)來判別軸承振動，并具有數(shù)字信號分析功能。國內(nèi)的軸承振動測量儀器仍然與國外的同類先進(jìn)企業(yè)存在著較大的差距，產(chǎn)品的實際可靠性有待進(jìn)一步的改進(jìn)。發(fā)明的滾動軸承振動測量和故障分析裝置及方法，將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于滾動軸承振動測量和故障診斷，為微小型深溝球軸承減振降噪，提高軸承精度、性能、壽命和可靠性提供有力的手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為滿足軸承制造廠以及實驗室檢驗和分析軸承振動之需要，提供一種滾動軸承振動測量和故障分析裝置及方法。運用虛擬儀器技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)對調(diào)理后的滾動軸承振動信號進(jìn)行數(shù)字量處理，準(zhǔn)確測量軸承振動速度有效值、振動速度峰值和振動速度波峰因數(shù)，并能對軸承的振動速度信號進(jìn)行時域分析、FFT分析、包絡(luò)譜分析、離散小波分析、小波包分析和HHT分析，有效提取軸承故障特征頻率，故障判斷準(zhǔn)確，實際可靠性好。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明提供了一種滾動軸承振動測量和故障分析裝置包括被測軸承安裝裝置、速度傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計算機(jī)，被測軸承安裝在所述被測軸承安裝裝置的心軸上，所述速度傳感器的傳振桿以規(guī)定的壓力置于被測軸承外圈外圓柱面的中部平面上， 測量方向沿軸承徑向且垂直于軸承的軸線，信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接到計算機(jī)；速度傳感器測量軸承外圈的徑向振動速度信號，將拾取到的軸承徑向振動速度信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，該電信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，輸送到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，由數(shù)據(jù)采集設(shè)備對調(diào)理后的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能處理的數(shù)字信號，最后由計算機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行分析和處理。本發(fā)明提供了一種滾動軸承振動測量和故障分析方法，對調(diào)理后的滾動軸承振動速度信號進(jìn)行數(shù)字量處理和分析。計算軸承振動速度有效值、振動速度峰值和波峰因數(shù)， 并能對軸承的振動速度信號進(jìn)行時域分析、FFT分析、包絡(luò)譜分析、小波分析、小波包分析和 HHT分析，對軸承振動進(jìn)行定量和定性地分析，準(zhǔn)確判斷故障軸承的故障原因。軸承振動速度有效值計算是利用離散信號的均方根值計算公式
權(quán)利要求
1.一種滾動軸承振動測量和故障分析裝置，包括被測軸承安裝裝置(5)、速度傳感器 (1)、信號調(diào)理電路(11)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備(10)和計算機(jī)(9)，其特征在于被測軸承(2)安裝在所述被測軸承安裝裝置(5)的心軸(3)上，所述速度傳感器(1)的傳振桿以規(guī)定的壓力置于被測軸承外圈外圓柱面的中部平面上，測量方向沿軸承徑向且垂直于軸承的軸線，信號調(diào)理電路(11)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備(10)連接到計算機(jī)(9)；速度傳感器(1)測量軸承外圈的徑向振動速度信號，將拾取到的軸承徑向振動速度信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，該電信號經(jīng)信號調(diào)理電路(11)處理后，輸送到數(shù)據(jù)采集設(shè)備(10)，由數(shù)據(jù)采集設(shè)備(10)對調(diào)理后的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成計算機(jī)(9)能處理的數(shù)字信號，最后由計算機(jī)(9)對數(shù)字信號進(jìn)行分析和處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾動軸承振動測量和故障分析裝置，其特征在于所述被測軸承安裝裝置(5)，包括主軸(4)、電機(jī)(7)、變頻器(8)、心軸(3)、垂直滑塊(13)、垂直鎖緊手柄(14)、手輪(12)、水平滑體(16)、水平鎖緊手柄(17)、旋鈕(15)，由聯(lián)軸器連接主軸(4) 和電機(jī)(7)，通過電纜將變頻器(8)與電機(jī)(7)相連；將被測軸承(2)和與之相應(yīng)的心軸(3) 安裝在主軸(4)錐孔中，松開垂直鎖緊手柄(14)和水平鎖緊手柄(17)，調(diào)節(jié)旋鈕(15)，使水平滑體(16)前后移動，完成速度傳感器(1)的水平位置調(diào)整，用手輪(12)升起或下降垂直滑塊(13)，調(diào)整速度傳感器(1)的垂直位置調(diào)整，使速度傳感器(1)的傳振桿以規(guī)定的壓力置于被測軸承(2)外圈外圓柱面的中部平面上，傳感器水平和垂直位置調(diào)整好后，鎖定垂直鎖緊手柄(14)和水平鎖緊手柄(17)，通過變頻器(8)調(diào)節(jié)主軸(4)轉(zhuǎn)速，從而使主軸(4)帶動被測軸承(2)以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滾動軸承振動測量和故障分析裝置，其特征在于所述信號調(diào)理電路(11 )，由隔離放大器依次連接運算放大器、集成狀態(tài)變量濾波器和集成程控放大器構(gòu)成；速度傳感器拾取的軸承振動速度信號首先經(jīng)隔離放大器放大后，然后由運算放大器放大后，輸送給集成狀態(tài)變量濾波器對信號進(jìn)行預(yù)濾波，再將濾波后的信號輸送給程控放大器放大信號，最后將放大后的信號輸送給數(shù)據(jù)采集卡。
4.一種滾動軸承振動測量和故障分析方法，采用權(quán)利要求1所述滾動軸承振動測量和故障分析裝置進(jìn)行測試和分析，其特征在于對調(diào)理后的滾動軸承振動速度信號進(jìn)行數(shù)字量分析和處理，計算軸承振動速度有效值X腿、振動速度峰值式》t和波峰因數(shù)X，并能對軸承的振動速度信號進(jìn)行時域分析、FFT分析、包絡(luò)譜分析、小波分析、小波包分析和HHT分析，對軸承振動進(jìn)行定量和定性地分析，準(zhǔn)確判斷故障軸承的故障原因。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的滾動軸承振動測量和故障分析方法，其特征在于所述的軸 承振動速度有效值F 計算是利用離散信號的均方根值計算公式
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的滾動軸承振動測量和故障分析方法，其特征在于所述的軸承振動速度峰值&-利用峰值計數(shù)法，從離散信號中找出η個峰值^ 則離散信號的峰值指標(biāo)為=Ii- =，其中為計算的軸承振動速度峰值，η為峰值的n /=1Λ yesiirλψ個數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的滾動軸承振動測量和故障分析方法，其特征在于所述的軸承振動速度波峰因數(shù)X利用公式I = f，其中X為計算的軸承振動速度波峰因數(shù)。X腿
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的滾動軸承振動測量和故障分析方法，其特征在于所述的包絡(luò)譜分析采用Hilbert幅值解調(diào)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(luò)，再進(jìn)行頻譜分析，最后得到包絡(luò)譜。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的滾動軸承振動測量和故障分析方法，其特征在于所述的離1 I ‘ fyj k散小波分析采用Mallat算法，DWnm =，J聯(lián),其中，j和k是整數(shù)；通過離散小波變換(DWT)將滾動軸承振動速度信號變換到時間一尺度域，對高頻段尺度域的小波系數(shù)進(jìn)行包絡(luò)細(xì)化譜分析；當(dāng)軸承發(fā)生故障時，小波分析的重構(gòu)圖上的細(xì)節(jié)信號顯示一組沖擊以故障特征頻率對應(yīng)的時間周期發(fā)生，在離散小波變換后的包絡(luò)譜圖中清晰地顯示軸承的故障特征頻率，準(zhǔn)確提取軸承故障特征頻率，判斷軸承故障出現(xiàn)的部位。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的滾動軸承振動測量和故障分析方法，其特征在于所述的小波包分析也采用Mallat算法，它對上次分解之后的低頻信號和高頻信號同時進(jìn)行再分解， 將不同頻段的信號分解到相應(yīng)的頻段中，然后可根據(jù)需要將所需頻段內(nèi)的信號重構(gòu)，重構(gòu)的信號與原來的信號長度一樣，起到了一種濾波的作用；在軸承故障分析中，如果經(jīng)計算得到的軸承故障特征頻率分布在某一頻段，則可在小波分解樹中找到相應(yīng)的節(jié)點，再對該頻段的信號進(jìn)行重構(gòu)并分析其功率譜，然后診斷軸承故障有故障軸承，其重構(gòu)后頻譜的峰值分別與外圈故障特征頻率或內(nèi)圈故障特征頻率或滾動體故障特征頻率相對應(yīng)，并與軸承的實際故障類型相吻合；而無故障軸承的重構(gòu)信號頻譜在故障特征頻率處則無明顯的峰值。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的滾動軸承振動測量和故障分析方法，其特征在于所述的 HHT分析應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法(EMD)，從軸承振動信號中分解出若干個IMF分量，然后對各 IMF分量進(jìn)行Hilbert變換，進(jìn)而得出Hilbert時頻譜及Hilbert邊際譜，根據(jù)Hilbert譜分析結(jié)果診斷滾動軸承的故障并識別故障模式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種滾動軸承振動測量和故障分析裝置及方法。本裝置包括被測軸承安裝裝置、速度傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計算機(jī)，被測軸承安裝在所述被測軸承安裝裝置的心軸上，所述速度傳感器的傳振桿以規(guī)定的壓力置于被測軸承外圈外圓柱面的中部平面上，測量方向沿軸承徑向且垂直于軸承的軸線，信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接到計算機(jī)；速度傳感器測量軸承外圈的徑向振動速度信號，將拾取到的軸承徑向振動速度信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，該電信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，輸送到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，由數(shù)據(jù)采集設(shè)備對調(diào)理后的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能處理的數(shù)字信號，最后由計算機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行分析和處理。本發(fā)明適用于實驗室、軸承制造廠對成品軸承的生產(chǎn)檢驗與用戶驗收。
文檔編號G01M13/04GK102183366SQ201110054488
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者余光偉, 劉江山, 朱貿(mào), 李俊, 王成龍, 鄭敏 申請人:上海大學(xué)