105-轴承生产质量控制用噪声测量分析系统

第五届中国CAE工程分析技术年会论文集660轴承生产质量控制用噪声测量分析系统轴承生产质量控制用噪声测量分析系统轴承生产质量控制用噪声测量分析系统轴承生产质量控制用噪声测量分析系统张宁，陈南，韩安（东南大学机械工程学院,江苏南京211189）摘摘摘摘要要要要:本文采用分离背景噪声与设置权重因子相结合的方法，研究开发出一套轴承噪声测量分析系统，适用于工业生产流水线上的轴承质量控制。该系统具有速度快、精度高、便于裁剪的特点，具有良好的稳定性和较高的实用价值。关键词关键词关键词关键词:虚拟仪器；故障诊断；轴承；噪声测量分析；质量控制NoiseMeasurementandAnalysisSystemusedforproductionqualitycontrolofbearingZhangNing,ChenNan,HanAn(SchoolofMechanicalEngineering,SoutheastUniversity,JiangsuNanjing211189)Abstract：Anoisemeasurementandanalysissystem,usedforqualitycontrolonproductionlineofbearing,hasbeeninvestigatedanddevelopedwiththecombinationofbackgroundnoiseseparationandweightfactorsettinginthispaper.Withtheadvantagesofhighspeed,highprecisionandscalable,thissystemhasgoodstabilityandhighpracticalvalue.Keywords:virtualinstrument，faultdiagnosis;bearing;noisemeasurementandanalysis;qualitycontrol引言引言引言引言现代社会高度自动化的工业化大生产迫切需要功能强大、成本低廉、系统灵活的新一代测试仪器。以美国NI公司LabVIEW软件为代表的虚拟仪器技术提倡在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。这种计算机操作的模块化仪器系统正在全世界范围内得到广泛应用[1]。开发基于LabVIEW软件平台的先进的信号处理分析模块便具有很高的研究价值和很好的应用前景。离合器分离轴承是汽车上一个易耗损零部件，是汽车动力系统中的传动装置，本质上属于滚动轴承。滚动轴承的主要失效为轴承内圈、外圈、滚动体和保持架的损坏，其失效形式包括裂损、剥离、压痕、擦伤、碰伤及凹痕等[2]。传统诊断方法是对轴承滚动时振动与噪声信号的每个特征频率点的振幅进行计算和分析，以辨别出轴承的故障类型和特征。这种方法比较精确，但是速度慢，成本相对较高，适合于对单个或者小批量的轴承进行检测，但不适合生产流水线的大批量、快速的诊断要求。本文研究的离合器分离轴承故障噪声测量分析系统，是基于虚拟仪器技术，使用LabVIEW语言开发而成的。噪声信号分析采用分离背景噪声与设置权重因子相结合的方法，计算轴承第五届中国CAE工程分析技术年会论文集661可靠性。这套系统旨在轴承生产流水线上提供对轴承生产质量的控制与快速检测。1声学测量基本原理声学测量基本原理声学测量基本原理声学测量基本原理现代声学测量的典型系统如图1所示。传声器的振膜在声场中由于受到声波产生的力的作用而振动，然后通过某种力电换能方式将此振动转换为模拟电信号。模拟电信号经抗混叠滤波后，由数据采集卡进行采集、A/D转换后，变成了离散的数字信号送给计算机分析处理，进行人机界面的交互。由于连续时间信号的采样过程存在着频率混叠问题，为保证能无失真地恢复原始信号，采样频率必须符合香农采样定理，即高于2倍的采样信号的最高频率。但由于一般情况无法获知原始信号的最高频率，所以需要根据测量任务的需求确定频率上限，对原始信号进行低通滤波，限制信号带宽，并由此按照采样定理确定采样频率。用于防止频率混叠的这种低通滤波器就是所谓的抗混叠滤波器[3]。图1声学测量的典型系统对于数字信号的处理，频谱分析技术是最为经典的分析方法，傅里叶变换(尤其是快速离散傅里叶变换FFT)则是其实现的关键环节。FFT技术基于库利-图基算法，其原理是将长序列DFT根据其内在的对称性和周期性分解为短序列的DFT之和，计算速度大为提高，使得其成为数字信号处理技术中应用最为成熟的技术之一[4]。本系统利用声级计上的传声器将轴承工作时发出的噪声信号转换为电信号传递给数据采集卡，数据采集卡将连续的模拟电压信号转换成离散的数字电压信号传送到计算机，然后在主机上采用LabVIEW软件图形化编程工具对轴承的噪声信号进行频谱分析、显示和存储，从而判断轴承的完损状况。2222噪声信号分析方法噪声信号分析方法噪声信号分析方法噪声信号分析方法2.1声压级与声压级与声压级与声压级与1/3倍频程分析倍频程分析倍频程分析倍频程分析分析过程中首先传声器测得的声压值变换为声压级，以符合噪声表示的一般习惯。声压级的符号为pL，其定义为：将待测声压的有效值ep与参考声压0p的比值取以10为底的常用对数，再乘以20，即：020lgeppLp=(1)在空气中，参考声压50210pPa-=×。国际标准中的1/3倍频程带宽的计算方法为[5]：1/3/2hlff=(2)0hlfff=×(3)0hlBffkf=-=(4)式中：hf－上边频，lf－下边频，0f－中心频率，B－1/3倍频程带宽，k－0.231(常数)。第五届中国CAE工程分析技术年会论文集6622.2权重因子的设置权重因子的设置权重因子的设置权重因子的设置离合器分离轴承在工作时候所发出来的噪声信号强度一般波动不大，可视为稳态噪声，在此选用1/3倍频程声压级谱进行分析处理。在分析过程中将每一个频带上的所有频率点的声压幅值相加后求平均值得到这个频带的幅值iΑ，同时对1/3倍频程的各个频带设置权重因子iμ(i为1/3倍频程的频带标号)，用各个频带幅值乘以权重因子并相加后得到轴承的总的噪声计权值Ρ：1niiiPAμ==×∑(5)在测量噪声的过程中，往往会受到其它外界噪声的干扰，此种噪声称为背景噪声(或本底噪声)。由于轴承故障初期产生的冲击振动的能量很低，容易被背景噪声湮没，因此，要想准确反应出轴承的振动噪声，必须对采集的信号进行处理，去除掉其中的背景噪声成份，得到轴承振动的真实信息。系统首先在分离轴承分离开并且不加载的状态下测得背景噪声幅值eiΑ，并计算其噪声计权值eΡ：1neeiiiAμ=Ρ=×∑(6)然后在分离轴承合上并且施加预定载荷的状态下测得混合噪声值miΑ，计算轴承噪声计权值bΡ：1()nbmieiiiμ=Ρ=ΑΑ×∑
(7)根据以上测得的噪声计权值计算轴承的可靠性值λ，计算公式如下：11()11nbieiibineeiiiμλμ==ΑΑ×Ρ=-=-ΡΑ×∑∑
(if(0)λ0λ=)(8)注意，这里的mieiΑΑ
并不是一般意义上的十进制加减法计算，而是声学中的分贝值加减法。2.3背景噪声的分离背景噪声的分离背景噪声的分离背景噪声的分离如果混合噪声声压级与背景噪声声压级的差值为tbLΔ，则混合噪声声压级与轴承噪声声压级的差值tsLΔ可表示为[5]：0.110lg(110)tbLtsL-ΔΔ=--(9)式(9)可绘制成tsLΔ与tbLΔ的关系曲线，如图2所示，称为“分贝相减”曲线。从图中虽然可以查到1tbLdBΔ=的修正值tsLΔ，但背景噪声和所测量的轴承噪声通常都有一定的涨落，所以实际上当测得的3tbLdBΔ时，所测得的轴承噪声声压级是不可靠的。第五届中国CAE工程分析技术年会论文集663图2分贝相减曲线在实际测量中，通常对“分贝相减”做近似处理(大多数国家标准就是如此规定)[5]，如表1所示。表1分贝相减的近似处理tbLΔ/dB2≤345678910≥tsLΔ/dB测量无效3.02.31.71.250.950.750.60实际处理过程中，当3tbLdBΔ时可将轴承噪声近似认为是0。对于不同型号的轴承，权重因子的设置一般是不一样的，权重因子设置的基本原则是：对某个型号的轴承来说，损坏的轴承和完好的轴承在某些频段噪声值的差别会比较大，对于这些差别比较大的频段应设置较大的权重因子；对于噪声值差别不大的频段，设置较小的或者0权重因子；建议在分析频率内的所有权重因子值之和设为1。完好的轴承和损坏的轴承在噪声计权值和可靠性数值上会有差异，可根据二者值的差别从而判断轴承的好坏。当噪声计权值高于上限值或者可靠性值低于下限值时，可确认此时测量的轴承已损坏。测量轴承的噪声计权值越小，可靠度越高。3系统功能设计系统功能设计系统功能设计系统功能设计根据图1中声学测量的典型系统构成结合使用要求，本系统选用下列硬件设备：HS5660A型精密脉冲声级计、HS6020型声校准器、YE3760型抗混叠滤波器、PCI1716型DAQ板卡和工控机。系统软件设计基于美国NI公司LabVIEW软件的图形化编程平台(G语言)，根据本系统采用的噪声信号分析方法进行程序设计[8]。在本系统中，通过对背景噪声和混合噪声的两次采集，运用LabVIEW强大的信号处理功能，在混合噪声中分离背景噪声，从而得到轴承噪声的真实信息。3.1故障快速诊断故障快速诊断故障快速诊断故障快速诊断本系统功能要求之一就是要对轴承产品通过噪声测量分析手段实现其故障的快速诊断，从而方便准确地辨别轴承产品的合格与否。实现这一要求的功能结构框图如图3所示。图3轴承故障快速诊断功能框图第五届中国CAE工程分析技术年会论文集6643.2疲劳寿命试验疲劳寿命试验疲劳寿命试验疲劳寿命试验同时，随着人们对轴承研究的不断深入，疲劳寿命及其可靠性作为轴承最重要的性能，已引起各轴承生产单位及相关用户的广泛关注。但由于影响其疲劳寿命的因素太多再加上轴承疲劳寿命理论仍需完善，进行寿命试验无疑成为评定这项指标的唯一有效途径。本系统实现轴承疲劳寿命试验的功能结构框图如图4所示。图4轴承疲劳寿命试验功能框图由于系统每次的运行状态可能不一样，所以在开始采集噪声信号之前有必要对系统进行标定。通过每次采集信号前的标定工作，可以保证在不同的环境中、使用不同设备时分析结果具有可比性，便于用同一套标准对采集到的噪声信号做出判断。完好轴承产品在标准测试环境下测得的噪声频谱信息是很重要的，它是本系统测量结果准确性的对比参照。要求较高的用户甚至可以对测得的噪声信号进行进一步的相关性分析。本系统中噪声信号处理分析的程序设计流程图[6,7]如图5所示：图5噪声信号处理分析的程序设计流程图4系统构成系统构成系统构成系统构成系统设计了4个不同的功能子模块，分别为“环境噪声测量”、“混合噪声测量”、“噪声分析”和“在线监测”。(1)、环境噪声测量模块此模块包含“系统标定”子功能，主要进行环境噪声信号的采集、处理、存储与显示。界面显示有环境噪声的频域信号和1/3倍频程信号。选择“存储环境噪声”功能可以将采集数据存储为二进制文件、字符串文件或Excel电子表格文件。其前面板如图6所示。第五届中国CAE工程分析技术年会论文集665图6环境噪声测量窗口(2)、混合噪声测量模块此模块主要进行混合噪声信号的采集、处理、存储与显示。界面显示有混合噪声的频域信号和1/3倍频程信号。选择“存储混合噪声”功能可以对采集数据进行存储。其前面板如图7所示。图7混合噪声测量窗口(3)、噪声信号分析模块此模块主要进行噪声信号的分析。选择前面存储的环境和混合噪声信号文件，设置轴承编号、各频段的权重因子等参数后，系统将会对采集信号进行频谱分析，显示轴承噪声的频域信号、1/3倍频程信号和分析得到的噪声计权值、可靠性值。系统可以对测量轴承的重要测试信息进行保存，并导入数据库。至此，测量轴承的分析过程已经结束，用户根据分析结果和轴承产品在标准测试环境下测得的噪声频谱进行比较，从而判断测量轴承的好坏。其前面板如图8所示。图8噪声信号分析窗口(4)、系统在线监测