基于LabVIEW的轴承润滑状态监测系统开发

彭娅楠，刘丽冉（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）



基于LabVIEW的轴承润滑状态监测系统开发

彭娅楠，刘丽冉
（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

摘要：轴承是旋转机械中一个重要的支撑部件，其恶劣的工作环境使得轴承成为最容易损坏的部件之一。旋转机械是否能够安全稳定的运行起决定性作用的就是轴承的运行状态。同时由于轴承在汽车的传动系、行驶系中也具有极其重要的作用，对轴承工作状态进行实时监测以保证车辆的稳定运行、保障驾驶员的安全性是非常重要的。文章利用虚拟仪器LabVIEW技术开发了一个轴承润滑状态监测系统，根据传感器采集的轴承状态信息，实时准确地诊断轴承润滑状态，是提高汽车运行安全性和经济性的重要保障措施。

关键字：轴承；润滑状态；虚拟仪器；LabVIEW；传感器

CLC NO.: U463.3Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-149-03

1、综述

1.1研究背景及意义

在旋转机械设备中，轴承是一个不可缺少的零件，由它来承受整个系统的负载，保证转子系统能够抵抗来自外界的包括静态和动态的力[1]。正常工作轴承具有使用寿命长、承载力高、能量损耗小等优点，在机械设备和公共设施中广泛应用。所以对轴承润滑状态进行监测以确保其良好的运行状况是很有必要的。而摩擦是导致功率损耗的主要原因，磨损会导致机械零部件发生损伤，严重时会导致机械零件失效。就目前而言，降低摩擦和磨损最有效的方法就是润滑[2]。

本文采用弥补了传统测试仪器缺陷的LabVIEW轴承虚拟仪器故障诊断系统。在LabVIEW故障诊断系统的基础上提取分析了轴承的振动、温度信号，为后期试验数据的获得及处理提供有力的支持，同时这对于分析润滑特性具有十分重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

轴承处的干摩擦将会导致轴承温度升高、承载能力降低以及润滑油温度升高、粘度下降等恶性事故[3]。因此，对轴承工作状态、运行故障进行实时监测诊断等，得到了广泛的重视。

在机械故障诊断系统开发方面，很多国家已经推出了对于机械设备故障诊断与状态监测的系统，如美国Rockwell Automation Entek公司的机器故障诊断系统；荷兰philips公司的R3000状态监测系统；丹麦B&K公司的B&K3450-CONPASS状态监测与故障诊断系统；日本的Mitsubishi公司的NHMS设备状态监测与故障诊断专家系统等[4,5]。我国在旋转机械故障诊断方面的研究和应用相对较晚。自90年代以来，我国开始研究推出自己的故障诊断产品，如哈尔滨工业大学的ETHYLENE系统、MMD-2系统与MMD-3系统，西安交通大学的Rb-20系统和RNDS系统等。虽然我们在理论上一直紧跟国际先进水平，但是跟发达国家还是有一定距离的。

2、轴承润滑状态检测及传感器

2.1温度传感器的监测原理及参数

2.1.1检测原理

本文选用的是Pt100正温度系数热敏电阻传感器。它的阻值在0℃时为100Ω，-200℃时为18.52Ω，200℃时为175.86Ω，800℃时为375.70Ω。它的阻值在0℃时为100Ω，-200℃时为18.52Ω，200℃时为175.86Ω，800℃时为375.70Ω。

Pt100温度传感器在实际应用中有两种形式：一种是只有一块Pt100的集成电路采集不用显示出来的模拟信号，Pt100的集成电路直接把采集到的电阻变为1-5VDC输入，简单运算之后就可以得到相应的温度值。

2.1.2参数选择

本试验装置的温度信号由3个Pt100正温度系数热敏电阻传感器测量的，该温度传感器的技术指标如下：

表1　Pt100主要技术参数

2.2振动信号传感器

表2　CA-YD-103主要技术参数

本文选用的是型号为CA-YD-103的双压电加速度传感器，在可听范围内可作为高灵敏度的声音传感器，该传感器在弯曲时它的一侧进入紧张和压缩状态。该振动传感器的技术指标如表2。

3、基于LabVIEW系统平台的润滑状态信号监测

数据采集简称 DAQ(Data Acquisition)，是指将诸如温度、压力、流量、位移等模拟量进行采样、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示打印的过程[6]。

3.1模拟轴承温度传感器采集的温度信号显示报警界面

如图1所示，主界面包括一个温度信号波形图，当设置轴承温度上限时，点击开始采集信号，温度计会显示出响应的模拟信号的温度，报警器采集报警次数，波形图开始显示出当时的轴承润滑状态。报警记录是信号采集采集系统中一个非常关键的功能。由于该系统采用的温度传感器有一定的量程限制，因此，在数据采集过程中，需对超过量程或是既定临界值的温度信号进行计算机报警，以提醒操人员做出相应的判断。当系统收集到的采样值大于预设的临界值时，温度报警器将被触发引起报警事件发生，同时记录大于临界值的数据和传感器的类型，以供用户进行查看。这部分的实时记录数据不会被保存，每次系统重启时，数据都会被清空。

图1　温度信号采集前面板

本文将0~1的随机数作为模拟信号输入，当轴承工作时温度在80℃以下为正常温度，当轴承温度达到80℃或者更高，则报警器将产生报警信号，采集次数达到100次时停止采集。

3.2模拟轴承振动信号传感器采集信号

随着振动幅度的改变振动信号波形图在不断的变化。如图2所示，根据振动信号、频率的不同可以显示出其振动幅度的最大值、最小值和算术平均值。轴承的工作状态和故障主要是利用安装在轴承处的传感器采集的振动信号，然后将该信号与正常信号进行对比和分析来反映的。随着轴承的运转，存在磨损的轴承产生的振动信号是随机的，且周期信号不明显[5]。一般情况下，通过对振动信号的振动幅值大小来判断磨损故障的情况。轴承的损伤型故障是检测的重点，

由于轴承的缺陷使其表面在运行过程中引起金属疲劳的小块脱落。

图2　振动信号采集前面板

把添加均匀白噪声的仿真信号作为模拟传感器采集到的轴承振动信号，根据采集到的波形和后期的数据处理可以判断轴承的润滑状态。为了使系统提供更多的信号源，我们提供了正弦信号、三角波信号和方波信号等常用信号。另外，我们也了设定信号参数，包括频率、相位、幅值以及采样数和采样频率。另外还可以根据实际情况，添加一定的噪声，如均匀白噪声、高斯白噪声和周期性噪声等。当信号的参数设定完毕后，可以根据系统实际情况，生成一个连续时域信号，实现信号动态显示。

4、结论

本文是在试验的基础上完成的。以轴承为研究对象，以多种传感器为硬件条件，对轴承的润滑状态采用LabVIEW测试试验平台。实现了对轴承润滑状态的多种数据的采集、分析和诊断等功能。

该系统可以对温度传感器、振动传感器发出的信号高速采集、实时显示和数据保存、查询等，显示出轴承温度的分布以及变化的趋势，振动信号随振幅和频率的变化情况，并且有一定的精确度和可靠性，达到了预期设计的目标，同时还为下步的数据存储和轴承故障诊断提供了一定的技术支持和储备。

参考文献

[1]王炳轩.基于LabVIEW的润滑状态声发射信号分析[D]:大连:大连海事大学.2013.

[2]徐敏,黄昭毅等. 设备故障诊断手册[M].西安:西安交通大学出版社,1998.

[3]度和济,韩庆大等. 设备故障诊断工程[M].北京:冶金工业出版社, 2001.

[4]Wilson, Bary W, et al. Development of a modular in-situ oil analysis prognostic system[C]. International Society of Logistics (SOLE) 1999 Symposium. Las Vegas, .Nevada.

[5]杨国安. 机械设备故障诊断实用技术[M]. 北京:中国石化出版社,2007.

[6]张有忱,孟惠荣,范迅等.用接触电阻法判断蜗杆传动润滑状态的研究[M].煤炭科学技术.1999,27(9):26-27.

使用维修

Development of bearing lubrication condition monitoring system based on LabVIEW

Peng Yanan, Liu Liran
( automobile college, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

Abstract:Bearing plays an important support role in rotating machinery, but the poor working environment makes the bearing become one of the most easily damaged parts. Whether the rotating machinery can be safe and stable is decided by the bearing running. At the same time, the bearings which are in the car also play an extremely important role in the drive train and running gear , it is very important for working status real-time monitoring to ensure stable operation of the vehicle and to protect the safety of the driver. In this paper, LabVIEW virtual instrument technology has developed a bearing lubrication condition monitoring system, according to the bearing status information collected by sensors in real time to accurately diagnose the bearing lubrication is a important safeguard to improve vehicle operation safety and economy.

Keywords:Bearing; Lubrication; Virtual Instruments; LabVIEW; Sensor

中图分类号：U463.3

文献标识码：A文章编码： 1671-7988 （2016）05-149-03

作者简介：彭娅楠，就读于长安大学汽车学院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033