电机轴承外圈故障诊断装置的设计1

本科毕业设计第1页共35页1引言1．1课题的研究背景设备故障诊断学是本世纪六七十年代产生并发展起来的一门综合性边缘学科,经过几十年的发展,理论研究取得了重大进展,按照所采用的技术手段可分为:振动分析法声学分析法，红外分析法!润滑油分析法!计算机辅助诊断及专家系统等方法等，按照诊断对象可分为:旋转机械故障诊断往复机械故障诊断!机械零件故障诊断!工程结构故障诊断!液压设备故障诊断!电气设备故障诊断等，在这些众多诊断分支中,旋转机械故障诊断是一个极为重要和引人注目的分支。电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要，而作为电机核心部分的轴承的也担任着不可或缺的角色，轴承故障的诊断就显得尤为重要了。1.2发展状况轴承在旋转机械中应用最为广泛，同时也是最易损坏的元件之一。旋转机械的许多故障都与滚动轴承有关，轴承的工作好坏对机械的工作状态有很大影响，其缺陷会直接导致设备产生异常振动和噪声，严重时甚至损坏设备，它的运行状态是否正常往往直接影响到整台机器的性能，如精度、可靠性、寿命等。轴承的缺陷会导致机械设备的剧烈振动和产生强大刺耳的噪音，严重时会引起设备的损坏、生产的停止、甚至严重的机械事故。据统计，约30%的旋转机械的故障是由于轴承的损坏所引起的。随着设备自动化程度和设备复杂程度的提高，以及工程领域大型旋转机械的广泛应用，都要求对设备有很高的安全性和故障预测性，同时也对新的故障诊断方法提出了要求。因而对作为运转机械最重要件之一的轴承，进行状态检测和故障诊断具有重要的实际意义，这也是故障诊断领域的重点。故障监测和诊断技术发展到今天，已经初步形成一门跨学科的综合信息处理技术，鉴于此种情况，我们正着力于将故障监测和诊断技术与滚动轴承试验技术进行有效的结合，开发滚动轴承寿命强化试验系统技术，力图在进行轴承性能试验的同时，对其使用性能的劣化和潜在缺陷进行监测和诊断，指导试验的快速、有效地开展。滚动轴承寿命强化试验系统，属国内独创，该项目已产业化生产，并解决了关键技术问题，产品已系本科毕业设计第2页共35页列化：ABLT-1A，ABLT-2，ABLT-3，ABLT-4，ABLT-5，ABLT-6，ABLT-7，已生产销售200余台，创产值2500余万元，替代进口产品，为国家节省外汇6000余万美元。已申请国家发明专利4项，而且均已公示，已授权2项。目前这一轴承寿命强化试验系统技术已被瓦房店轴承集团有限公司检测试验中心、中国·摩士集团宁波轴承技术研究院等国内、外众多用户广泛认可并应用。本科毕业设计第3页共35页2各模块的方案选择及论证2.1轴承故障诊断的主要环节滚动轴承诊断技术概括的说就是以轴承故障振动原理为基础，通过采集跟检测反映轴承各种状态的振动信号，并利用现代信号处理方法将采集到的振动信号经相应的变换，找到反映轴承状态的特征信息频率，然后根据现有的故障特性频率跟参数判断故障原因，并预测故障的发展跟设备的使用寿命。一个完整的轴承故障诊断系统大概包括五个环节：1信号的提取根据轴承的工作环境跟工作性质，量取并选择能够反映轴承工作状态信息的特征信号。2特征抽取从得到的信号数据中以一定的数据分析与处理方法抽取能够反映轴承状态的数据信息。3状态识别根据征兆，以一定的状态识别方法识别轴承的状态信息，即简单的认识到轴承的工作是否正常或者有无故障。4诊断分析根据情况进一步分析相关的状态及其发展趋势，当轴承有故障时，详细的分析出故障的类型，性质，部分，原因和趋势等等。5决策干预根据状态跟情况做出相应的应对措施。2.2轴承的振动类型轴承的振动类型复杂多样，它所造成的振动大致分为三类:1．与轴承变形相关的振动：轴承作为一种弹性变体。轴承负载时，由于负载滚动体的不断变换使得轴承在运行状态时发生弹性振动。它与轴承的一场状态无关。2．与轴承加工有关的振动：轴承各元件在加工中不可避免的出现加工失误。如表面波纹，轻微的擦痕，装配误差等都会引起轴承振动。3．轴承在工作时发生故障引起的振动：轴承在实际工作中，由于发生破碎，断裂，剥落等故障而产生振动。这些振动反映了轴承的损伤情况，所以是应该注意的，这类振动所产生的振动信号是监测分析的对象。2.3轴承诊断各模块的的方案选择2.3.1单片机的选择C8051F340单片机是就是顺应这种需求而推出的一种新型USB控制器，ＵＳＢ功能本科毕业设计第4页共35页控制器，符合ＵＳＢ规范２．Ｏ版．集成时钟恢复电路，无需外部晶体；支持８个端点；１ＫＢＵＳＢ缓存；集成收发器。无需外部电阻。C8051F340单片机的这些特点。使其在设备设计开发中具有极强的竞争力，特别是在ＵＳＢ通讯设计中。C8051F340具有片内上电复位、VDD监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F340器件是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。片内SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。每种器件都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-5.25V的电压工作。电源电压大于3.6V时，必须使用内部稳压器。对于USB通信，电源电压最小值为3.0V。端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F340采用48脚TQFP封装或32脚LQFP封装。由于本系统对CPU运算速度要求很高，需要执行很复杂的运算，故采用上述方案。2.3.2振动传感器的选择一.机械监测系统测振传感器的选择必须从两个方面考虑:首先要考虑被监测设备的机械方面的因素。传感器的选择除了考虑监测系统的机械因素外，还应注意如下几点：1.对用接触式传感器进行振动测量时，应尽量避免对被测试件增加质量负载，即传感器的质量应远小于被测物体或试件的质量，防止或避免因安装传感器造成被测物体或试件动态特性的改变。非接触式传感器无此缺点，但其灵敏度与初始安装间隙有关，使用时应加以注意。2.测量前应估计出被测量的频率范围，并检查它是否落在传感器的幅频曲线的上作频带内，即幅频曲线的平直段内。当测量由多种频率成分组成的复杂波形时，必须选择相移与频率成线性关系(相频曲线为过坐标原点的斜直线)的传感器，否则将会产生波形本科毕业设计第5页共35页失真。3.事先估计被测系统的最大振级，并检查它是否超过所采用传感器最大冲击值的三分之一。一般说来低灵敏度传感器可用于高振动量级测量，反之，低量级振动应采用高灵敏度传感器，以提高信噪比。4.估计被测点振动方向，以便于正确安装传感器，减小横向灵敏度等带来的测量误差。如不能精确估计，可采用受方向影响较小的传感器。5.估计传感器的上作环境，如温度、瞬时温度、磁场、声场等，并检查所采用传感器能否满足使用环境的要求，是否要采用必要的防范措施。二.根据上述内容，本系统采用压电式加速度传感器，从性能价格比的角度考虑选用北京测振仪器厂生产的YD一12型压电式加速度传感器，其参数如下：图2.3传感器原理图1.电压灵敏度:40一60mv/g;2.横向灵敏度:5%;3.频率响应:1一10000Hz;4.电荷灵敏度:40~60pe/g;5.引出方向:侧向;6.最大可测加速度:5009;本科毕业设计第6页共35页7.电容:1000pF;8.重量:2590g2.3.3转速传感器选择1.工作原理转速传感器选用非接触光电式转速传感器，它分为投射式和反射式两类。投射式光电转速传感器的读数盘和测量盘有间隔相同的缝隙。测量盘随被测物体转动，每转过一条缝隙，从光源投射到光敏元件上的光线产生一次明暗变化,光敏元件即输出电流脉冲信号（图1）。反射式光电转速传感器在被测转轴上设有反射记号，由光源发出的光线通过透镜和半透膜入射到被测转轴上。转轴转动时，反射记号对投射光点的反射率发生变化。反射率变大时，反射光线经透镜投射到光敏元件上即发出一个脉冲信号；反射率变小时，光敏元件无信号。在一定时间内对信号计数便可测出转轴的转速值。2.具体型号的选用具体型号选用LG--916光电式转速传感器，制造商为小野（ONOSOKKIONOSOKKI）LG--916是从传感器发出(红外线)，照到旋转轴上产生反射光,再检测这个反射光的非接触式转速传感器。在旋转轴上通常要贴反射标签，LG--916是在其尖端部使用玻璃纤维束，其玻璃纤维束发出红外线光，同时接受反射回来的光。传感器内装小型放大器，对波形整形为矩形波输出重量只有150g，非常紧凑轻便。本科毕业设计第7页共35页3.系统的硬件设计系统的硬件主要包括电源模块、C8051F340单片机、数据采集模块，数据传输电路等对轴承故障诊断及检测。3.1电源模块电源电路负责给硬件电路提供工作电源。本电路直接使用3节干电池供电，这样增加了设备的可移动性，同时也减小了设备的体积。3.2轴承故障诊断的理论与方法轴承故障诊断中,采用共振解调法,基本原理为:当轴承某一元件表面产生局部损伤时,在轴承受载运行时要撞击与之相互作用的其它元件表面,产生一系列的冲击脉冲力.这些冲击力会激起轴承系统的高频固有振动.根据实际情况,可选择其中一个高频固有振动作为研究对象,通过带通滤波的方法,把它从其中的高频振动中分离出来.这个高频固有振动的振幅受轴承元件故障特征频率的调制.利用包络检波器解调得到反映故障的包络信号,对此包络信号进行分析,即可诊断出滚动轴承的故障.振动信号的分析处理分为时域处理和频域处理两类.时域处理主要指标为振动信号的均方根值和峰值,可以通过均方根值硬件电路和峰值保持电路得到.当利用时域指标监视发现某轴承有故障,要判断到底是什么类型的故障、故障发生在哪个元件上,以及故障的严重程度等比较精确的信息时,需要对滚动轴承的信号进行频谱分析,即进行频域处理.根据频谱图中的频率成分以及各有关频率成分处的幅值大小进行精确诊断.如图所示：频谱分析图3.1检测流程图元件损伤包络信号带通滤波放大传感器拾取振动信号高频固有振动冲击低通滤波器频谱本科毕业设计第8页共35页轴承的故障特性分析滚动轴承的不同类型的故障会引起不同类型的特征振动信号，按照振动信号的不同可以将故障区分为一下几个类型：1.滚动轴承的构造故当轴承上面加上一定的负载时，旋转轴的中心随着滚动体的位置变动，这是因为负载使轴承的内外圈跟滚动体发生了弹性形变，同时产生的振动叫做滚动体的传输振动，这个振动的主要频率是zfc（z为滚动体数，fc为滚动体频率），对于旋转轴弯曲，轴承跟轴装歪，或者滚动体的直径不一致的故障会产生如下表中的振动：表3.1构造故障频率异常原因特征频率备注轴弯曲或轴装歪fcff为旋转频率，不能引起高频衰减振动滚动体直径不一致fc以及nfc=ff为旋转频率，不能引起高频衰减振动2.滚动轴承的表面损伤表面损伤的类故障是轴承最常见的故障，常表现为元件表面疲劳导致剥落，压痕，裂痕，烧伤，划伤等。当轴承存在局部损伤时，损伤点通过轴承元件表面时要产生突变的冲击脉冲力，该脉冲是一个宽带信号，所以必然覆盖轴承系统的高频固有振动频率而引起谐振，从而产生冲击振动由于滚动轴承的匀速回转，使冲击具有周期性，对发生在不同位置的损伤，丛集具有不同的频率，通常称为特征频率，故障特征频率一般在1KHz以下，股东轴承不同元件损伤故障特征频率各不相同，损伤故障特征频率计算公式，如下表：为简单起见，设轴承外圈固定，内圈旋转，表中，d为滚动体直径，D为轴承节圆直径。a为接触角，z为滚动体个数，fx为内圈的旋转频率，fc为外圈的旋转频率，N为工作转速。本科毕业设计第9页共35页表3.2滚动轴承的表面损伤异常