SHU速度型滚动轴承振动综合测量仪
2011-07-25余光伟郑敏朱贸宋卓远
余光伟，郑敏，朱贸，宋卓远
(上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072)
1 仪器结构及原理
1.1 仪器结构
SHU速度型滚动轴承振动综合测量仪由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统包括机械装置、速度传感器、前置放大电路(信号调理电路)、扬声器、数据采集卡和一体化工作站，分别采用安德鲁滚动轴承驱动装置(液体动压主轴)、BCC-1型速度传感器、PCI-1711数据采集卡和WS-855GS带触摸屏一体化工作站。测量和分析软件系统以LabVIEW8.5为开发平台，其中，带通数字滤波器的设计符合GB/T 24610—2009《滚动轴承振动测量方法》的规定。
该速度型滚动轴承振动综合测量仪严格按照最新国家标准开发，适用于实验室、轴承制造厂对成品轴承的生产检验与用户验收。表1为SHU速度型滚动轴承振动综合测量仪的主要技术指标。
表1 SHU速度型滚动轴承振动综合测量仪技术指标
1.2 测量方法
将轴承安装在驱动装置上，主轴转速为1 800 r/min，外圈固定并施加轴向载荷。传感器对被测轴承的外圈接触载荷小于0.7 N，测量方向沿轴承径向且垂直于轴承的轴线。选取轴承外圈外圆柱面宽度大约二分之一处进行测量。
2 软件说明
SHU速度型滚动轴承振动综合测量仪软件主界面如图1所示，主要包括数据采集模块、用户菜单模块、信号处理与分析模块、数据显示与状态监测模块和文件保存模块。
图1 测量和分析软件界面
2.1 数据采集模块
数据采集模块采用LabVIEW驱动程序，在LabVIEW开发平台下采集多个通道的模拟信号电压量，完成多个通道的数据采集和显示。
测量和分析软件主程序在LabVIEW8.5环境下将多通道中断采样程序以子程序的形式调入分析软件的主程序中实现数据采集。采用全局变量实现数据采集子程序与主程序的参数传递，在停止主程序的同时关闭采集卡，释放为该设备分配的资源，保证主程序再次运行时数据采集的正确无误。
2.2 用户菜单模块
用户菜单模块包括检测记录模块、轴承参数输入模块、测量设置模块和操作按钮模块。这些模块可以实现被测轴承型号、测量时间和日期以及测量数据保存路径的设置，轴承节圆直径、滚动体直径、主轴转速以及接触角等参数输入，测量面数和点数的设置、报警阈值的设置、延时时间和采样时间的设置，运行程序、开始、停止、退出程序，保存测量文件、在线回放数据及查看数据等。
2.3 信号处理与分析模块
2.3.1 时域分析
在时域诊断中，采用振动信号的基本数字特征及其概率分布特征来进行分析和诊断，如振动的有效值、峰值和波峰因数。综合运用LabVIEW8.5和Matlab7.1开发环境，借助于组合小波，采用窗函数法设计了低频、中频(图2)、高频滤波器[1]，分别滤波后分频段计算轴承振动速度有效值、峰值及波峰因数。时域分析主要用于轴承质量判断。
图2 中频滤波器的实测特性图
2.3.2 频域分析
2.3.2.1 FFT分析
快速Fourier变换(FFT)是离散Fourier变换(DFT)的一种快速算法。对N点序列x(n)，其DFT定义为
式中：x(n)为离散时间序列。
对于一维信号，使用FFT计算输入序列的DFT,具体算法采用时间抽取算法(DIT)[2]。在所编写程序中，FFT分析的实现方法如下：首先将初始数据经所设计的数字滤波器滤波，对滤波后的信号进行计算，得到输入序列X的FFT，然后使用“复数转化为级数”函数，并将频谱分析后的双边谱转化为单边谱，最后进行幅值归一化处理，将变换后得到的幅值除以采样点数，即完成FFT分析。
2.3.2.2 包络谱分析
包络分析法是利用包络检波和对包络的谱分析，将调制的信号拾取、放大、滤波后送入解调器，再经谱分析后提取出信号的故障特征。信号的包络通常有3种提取方法，即Hilbert幅值解调法、检波-滤波法和高通绝对值解调法[3]。本软件中的包络谱分析采用Hilbert幅值解调法。Hilbert变换得到的解析信号实部为实信号本身，虚部为其Hilbert变换，解析信号的幅值即为信号的包络，再进行频谱分析，最后得到包络谱。
所编程序中实现包络谱的方法如下：将数据采集卡采集的初始数据经所设计的数字滤波器滤波，将滤波后的信号作Hilbert变换，进一步求出其幅值即为信号的包络，然后经上述FFT分析对其进行频谱分析，最后得到包络谱图。
2.4 数据显示与状态监测模块
该模块主要包括操作界面的设计和轴承在线测量状态监测。操作界面可以显示轴承低频、中频及高频3个频段的轴承振动速度有效值、峰值和波峰因数，以及轴承振动时域曲线图、频域曲线图和包络谱图。同时，还可以显示已测轴承数、不合格轴承数及待测轴承的面号和点号。
状态监测模块可以进行报警设置，设置好报警阈值后，即可在线直观地监测轴承好坏。当轴承振动值超过报警阈值后，表示轴承振动速度级有效值的柱状图以及峰值和波峰因数的显示数字字体会由绿色变为红色，更直观、方便地显示轴承是否发生故障或轴承是否为合格产品。当在线测量值没有超过报警阈值时，则数字显示的字体颜色又变回绿色。
2.5 文件保存模块
在轴承测量过程中，通过相应按钮对所需测量数据按所需要的格式进行保存，便于离线分析。
3 试验
3.1 测试分析试验
选用608-2RS轴承、6000VV和6002VV轴承在SHU速度型滚动轴承振动综合测量仪上进行试验。试验轴承均是脂润滑并带有密封圈，正、反面单点测量。测量结果如表2～4所示。从表中统计数据平均值和标准差可以看出，测量数据较稳定。
表2 608-2RS深沟球轴承的测量结果
3.2 故障分析试验
已知82#608-2RS轴承为人工加工滚动体故障轴承，测试之前，测试人员未知故障。用BENDIX BCC-1型速度传感器进行振动测试，采用SHU速度型滚动轴承振动综合测量仪进行振动分析，分析结果与实际情况进行对比。主轴转速为1 786 r/min时计算出的轴承元件的故障特征频率基频如表5所示。
表3 6000VV深沟球轴承的重复性测量结果
表4 6002VV深沟球轴承的重复性测量结果
表5 故障轴承特征频率
由包络谱图(图3c)可以看到在频率为104 Hz及其高倍频处存在明显的频率谱线，故判断该轴承为滚动体故障，且与实际情况一致。试验结果表明，所开发软件的包络谱分析方法对轴承滚动体故障诊断比FFT方法更为有效，对于轴承内、外圈故障的诊断效果也更为显著。
图3 SHU速度型滚动轴承振动综合测量仪在线分析结果
4 结束语
基于虚拟仪器技术和计算机技术的SHU速度型滚动轴承振动综合测量仪的测试数据稳定性好，故障分析功能可靠，能有效分析轴承发生故障的原因，适用于实验室、轴承制造厂对成品轴承的生产检验与用户验收。
