黄文涛, 陈 芳

(1. 哈尔滨工业大学 实验室管理与教学条件保障处, 黑龙江 哈尔滨 150001； 2. 哈尔滨工业大学 机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

轴承是旋转机械中的常用件,轴承出现故障时会产生故障特征信号,通过各种传感器对轴承振动信号进行测量,并用专业软件进行数据处理,就能及时对轴承故障进行检测[1-2]。

市场上有满足不同需求的轴承测试实验台,其中,以科学研究为目的轴承实验平台[1-6],多以研究轴承特定性能为主,而教学用途的实验平台则具有多种类型。在教学用途的实验平台中,有的在现有基础上通过改进提高了性能[7-8]；有的以仿真为主,能够进行滚动轴承组的模拟实验[9]；更多的则是为了满足轴承故障诊断的教学演示需求,能够实现在线实时监测轴承系统振动信号,同时进行信号分析和处理[10-12]。

但这些设备很少考虑到温度变化和轴承安装过程对实验本身的影响。轴承长时间转动引起的温升,使得金属材料膨胀,从而改变轴承间隙和轴承振动响应；安装轴承时,轴承座与轴承外圈之间不同的预紧力会使轴承外圈产生不同的变形,间接改变了轴承尺寸,影响了测量结果。这两种影响的后果,就是同一故障轴承多次安装和多次测量的结果会有很大不同。因此,研发一种能记录轴承运行时的温度及轴承座预紧力的多参数轴承振动测量实验平台尤为重要。

本文所提出的多参数轴承振动测量实验台,不仅解决了上述问题,而且在系统软件设计上,为学生提供了多种实验方案选择,有利于培养学生的实验能力和创新能力,有利于锻炼学生运用理论知识解决实际问题的能力。

1 实验平台总体方案

以LabVIEW软件为开发平台,针对旋转机械转子的常见故障,设计开发了多参数轴承振动监测与故障诊断实验台。该实验平台融合了传感技术课程中3类典型的传感器(加速度传感器、电涡流传感器和温度传感器),是一个综合应用实验平台。

本实验平台的总体结构如图1所示。对于轴承系统的各种常见故障,可根据故障信号特征判断出故障类型和故障位置。把采集的模拟信号转换成数字信号,通过LabVIEW软件进行计算处理,并结合Matlab软件进行分析。

图1 多参数轴承振动测量实验平台设计图

2 实验平台硬件系统设计

2.1 主体结构设计

本实验平台可实现对轴承的动态加载,主要硬件结构包括底座平台、加载机构、轴承系统、驱动传动机构及信号采集系统,如图2所示。

图2 平台结构图

底座平台由一个T型槽平台及支架构成；轴承系统由一对上下剖分式的轴承座和转轴组成,轴承座固定外圈,转轴和内圈连接；加载机构由支架和电动缸组成,电动缸固定在支架上竖直放置,对轴承座进行加载；驱动传动机构由电机和皮带组成,电机驱动通过皮带使转轴旋转；信号采集系统主要测量安装轴承时的预紧力、轴承工作时的振动信号,并实时检测轴承运转时的温度。各组成部分的性能和作用如下。

(1) 底座平台为T型槽平台,包括电机底座平台和轴承系统底座平台,两平台分开放置,防止电机运行时的振动传到轴承系统,影响传感器的测量结果。

(2) 驱动传动机构中,皮带将动力从电机传给轴承转轴,减小电机振动对轴承系统的影响,电机采用2.2 kW三相异步电动机。

(3) 加载机构包括电动缸和电动缸支架,电动缸支架安装在轴承系统底座平台上,对电动缸起到支撑作用。电动缸可实现对轴承的动态加载,加载范围0～2 000 N。

(4) 轴承系统由1对固定轴承和1个测试实验轴承组成,测试轴承受到来自加载机构中电动缸加载的压力。

2.2 信号采集系统设计

信号采集系统的技术路线如图3所示,轴承振动信号采集的硬件设备通常是由传感器、信号调理模块、数据采集卡、工控机及专用线路等模块构成。硬件设备的选择主要取决于系统的可靠性、扩展性、通道数、采样频率和现场环境等。

图3 信号采集系统

(1) 传感器：压电式加速度传感器(ICP)利用压电材料的特性,通过材料受力与电荷的比值测出振动信号的加速度。电涡流位移传感器利用电涡流效应,检测被测金属导体和探头之间的相对位移。温度传感器利用材料的温度变化会引起材料电阻值线性变化的特性,计算轴承的工作温度。

(2) 放大电路：压电式加速度传感器和温度传感器工作时的输出电压可能过低，导致采集卡无法识别，因此通过放大电路连接采集卡放大信号，同时把模拟信号转变成用于数据采集计算的数字信号。

(3) 前置电路：前置电路主要有2个功能,一是为电涡流传感器探头的交流电流；二是对振动信号起到放大电流及降噪作用,产生与振动信号成线性变化的电流或电压信号。

(4) 数据采集卡：数据采集卡的主要作用是把传感器和其他设备测量到的模拟信号转化成用于数据分析的数字信号。本实验平台采用研华PCI-1710总线多功能数据采集卡,主要功能包括：A/D和D/A转换、数字量输入和输出及计数器和定时器等。

3 实验平台软件设计

本轴承振动实验以LabVIEW软件为开发平台,并结合Matlab软件,进行轴承系统振动监测与故障诊断软件设计。该软件系统能够实现对轴承系统转子振动的实时监测,对信号的处理、分析、存储、回放,以及对振动幅值的超标报警等功能。同时还能对电动缸加载的压力、轴承运行时的温度、电涡流传感器数据及轴承座安装时的预紧力等参数进行实时监测,测量平台软件的主界面如图4所示。

图4 测量平台软件界面

同时,还可通过软件对轴承检测数据进行简单的处理计算。图5为轴承测量平台的软件设计结构方案,软件每隔一段时间对轴承振动幅值进行计算,如果超过设定阀值则报警,以上参数均可人为设定。

图5 平台软件结构方案

4 实验平台技术指标及功能

本轴承测量平台的特点是能够同时监测轴承的多种参数,包括工况参数及安装参数。本轴承测量平台与国外SpectraQuest机械故障模拟实验台主要性能指标对比如表1。

表1 产品性能比较

本实验平台的主要技术指标均达到或超过国内同类设备。作为一种教学自制设备,其配置、性能完全能够满足日常的教学需求。特别是本设备能够模拟出旋转机械的多种常见故障,并以LabVIEW软件为开发平台,结合Matlab实现了旋转机械振动监测与故障诊断系统的软件设计。实现了集对轴承振动信号的实时监测,对信号的处理、分析、存储、回放,以及对振动幅值的超标报警等功能于一体的软件系统平台。本实验台还考虑了性价比的影响,通过合理选择传感器、信号调理器、数据采集卡、工控机等配件,研制费用较市场上同类产品大幅降低。

本实验平台的主要功能如下：

(1) 动态调节轴承负载大小；

(2) 实现对轴承振动信号的实时监测,同时进行时域、频域分析,可设置振幅超标报警信号；

(3) 如果振幅超标报警,系统对转子的工作状态进行判别,进行故障诊断；

(4) 能够保存历史数据,并可实现数据复现；

(5) 记录每次实验时的轴承安装预紧力及轴承所受负载；

(6) 实时记录轴承运转时的温度；

(7) 采集到的数据可导入Matlab软件,进行进一步的处理和分析。

5 实验结果分析

为展示本平台检测轴承缺陷的效果,准备2种轴承故障类型,一为轴承外圈局部缺陷,二为轴承外圈局部缺陷及转轴偏心。2种故障类型的实验条件如表2所示。

表2 实验条件

如图6的故障时域图所示,这2种故障类型都含有明显的冲击,据此判断出此2种故障都是轴承局部缺陷故障,且故障类型1的振动幅值高于故障类型2,但是并不能判断出哪个存在转轴偏心故障。对它们进行包络分析,得到图7所示的频域图,从图中可以看出,故障类型1的1倍频最高,其他倍频依次降低,是典型的轴承外圈局部缺陷,故障类型2的2倍和3倍频相对1倍频更高,说明存在转轴偏心情况。

图6 故障时域图

图7 故障频域图

6 结语

机械设备状态监测及故障诊断是一门综合性很强的技术,涉及到传感器技术、信号分析处理、在线监测控制和软件系统设计等诸多学科。针对轴承系统在线实时监测及故障诊断技术的研究,在培养学生综合运用多知识点解决实际问题能力方面具有独特的优势。多参数轴承振动测量实验平台,就是针对传感技术课程的实验教学需求而研制的。该平台可使学生了解传感元件的工作原理,学习如何应用传感元件来实现特定目标的测试系统的构建,并且能够综合多门课程的知识点,完成实验内容中的自主创新部分设计,目的是培养学生在实验中的自主性和创新性。随着该平台测试功能的不断丰富和完善,将会在传感技术课程的实验教学中发挥更大的作用。