余光偉，鄭敏，朱貿(mào)，宋卓遠(yuǎn)

(上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

1 儀器結(jié)構(gòu)及原理

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)包括機械裝置、速度傳感器、前置放大電路(信號調(diào)理電路)、揚聲器、數(shù)據(jù)采集卡和一體化工作站，分別采用安德魯滾動軸承驅(qū)動裝置(液體動壓主軸)、BCC-1型速度傳感器、PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡和WS-855GS帶觸摸屏一體化工作站。測量和分析軟件系統(tǒng)以LabVIEW8.5為開發(fā)平臺，其中，帶通數(shù)字濾波器的設(shè)計符合GB/T 24610—2009《滾動軸承振動測量方法》的規(guī)定。

該速度型滾動軸承振動綜合測量儀嚴(yán)格按照最新國家標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，適用于實驗室、軸承制造廠對成品軸承的生產(chǎn)檢驗與用戶驗收。表1為SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀的主要技術(shù)指標(biāo)。

表1 SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀技術(shù)指標(biāo)

1.2 測量方法

將軸承安裝在驅(qū)動裝置上，主軸轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，外圈固定并施加軸向載荷。傳感器對被測軸承的外圈接觸載荷小于0.7 N，測量方向沿軸承徑向且垂直于軸承的軸線。選取軸承外圈外圓柱面寬度大約二分之一處進(jìn)行測量。

2 軟件說明

SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀軟件主界面如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、用戶菜單模塊、信號處理與分析模塊、數(shù)據(jù)顯示與狀態(tài)監(jiān)測模塊和文件保存模塊。

圖1 測量和分析軟件界面

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用LabVIEW驅(qū)動程序，在LabVIEW開發(fā)平臺下采集多個通道的模擬信號電壓量，完成多個通道的數(shù)據(jù)采集和顯示。

測量和分析軟件主程序在LabVIEW8.5環(huán)境下將多通道中斷采樣程序以子程序的形式調(diào)入分析軟件的主程序中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。采用全局變量實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集子程序與主程序的參數(shù)傳遞，在停止主程序的同時關(guān)閉采集卡，釋放為該設(shè)備分配的資源，保證主程序再次運行時數(shù)據(jù)采集的正確無誤。

2.2 用戶菜單模塊

用戶菜單模塊包括檢測記錄模塊、軸承參數(shù)輸入模塊、測量設(shè)置模塊和操作按鈕模塊。這些模塊可以實現(xiàn)被測軸承型號、測量時間和日期以及測量數(shù)據(jù)保存路徑的設(shè)置，軸承節(jié)圓直徑、滾動體直徑、主軸轉(zhuǎn)速以及接觸角等參數(shù)輸入，測量面數(shù)和點數(shù)的設(shè)置、報警閾值的設(shè)置、延時時間和采樣時間的設(shè)置，運行程序、開始、停止、退出程序，保存測量文件、在線回放數(shù)據(jù)及查看數(shù)據(jù)等。

2.3 信號處理與分析模塊

2.3.1 時域分析

在時域診斷中，采用振動信號的基本數(shù)字特征及其概率分布特征來進(jìn)行分析和診斷，如振動的有效值、峰值和波峰因數(shù)。綜合運用LabVIEW8.5和Matlab7.1開發(fā)環(huán)境，借助于組合小波，采用窗函數(shù)法設(shè)計了低頻、中頻(圖2)、高頻濾波器[1]，分別濾波后分頻段計算軸承振動速度有效值、峰值及波峰因數(shù)。時域分析主要用于軸承質(zhì)量判斷。

圖2 中頻濾波器的實測特性圖

2.3.2 頻域分析

2.3.2.1 FFT分析

快速Fourier變換(FFT)是離散Fourier變換(DFT)的一種快速算法。對N點序列x(n)，其DFT定義為

式中：x(n)為離散時間序列。

對于一維信號，使用FFT計算輸入序列的DFT,具體算法采用時間抽取算法(DIT)[2]。在所編寫程序中，F(xiàn)FT分析的實現(xiàn)方法如下：首先將初始數(shù)據(jù)經(jīng)所設(shè)計的數(shù)字濾波器濾波，對濾波后的信號進(jìn)行計算，得到輸入序列X的FFT，然后使用“復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)化為級數(shù)”函數(shù)，并將頻譜分析后的雙邊譜轉(zhuǎn)化為單邊譜，最后進(jìn)行幅值歸一化處理，將變換后得到的幅值除以采樣點數(shù)，即完成FFT分析。

2.3.2.2 包絡(luò)譜分析

包絡(luò)分析法是利用包絡(luò)檢波和對包絡(luò)的譜分析，將調(diào)制的信號拾取、放大、濾波后送入解調(diào)器，再經(jīng)譜分析后提取出信號的故障特征。信號的包絡(luò)通常有3種提取方法，即Hilbert幅值解調(diào)法、檢波-濾波法和高通絕對值解調(diào)法[3]。本軟件中的包絡(luò)譜分析采用Hilbert幅值解調(diào)法。Hilbert變換得到的解析信號實部為實信號本身，虛部為其Hilbert變換，解析信號的幅值即為信號的包絡(luò)，再進(jìn)行頻譜分析，最后得到包絡(luò)譜。

所編程序中實現(xiàn)包絡(luò)譜的方法如下：將數(shù)據(jù)采集卡采集的初始數(shù)據(jù)經(jīng)所設(shè)計的數(shù)字濾波器濾波，將濾波后的信號作Hilbert變換，進(jìn)一步求出其幅值即為信號的包絡(luò)，然后經(jīng)上述FFT分析對其進(jìn)行頻譜分析，最后得到包絡(luò)譜圖。

2.4 數(shù)據(jù)顯示與狀態(tài)監(jiān)測模塊

該模塊主要包括操作界面的設(shè)計和軸承在線測量狀態(tài)監(jiān)測。操作界面可以顯示軸承低頻、中頻及高頻3個頻段的軸承振動速度有效值、峰值和波峰因數(shù)，以及軸承振動時域曲線圖、頻域曲線圖和包絡(luò)譜圖。同時，還可以顯示已測軸承數(shù)、不合格軸承數(shù)及待測軸承的面號和點號。

狀態(tài)監(jiān)測模塊可以進(jìn)行報警設(shè)置，設(shè)置好報警閾值后，即可在線直觀地監(jiān)測軸承好壞。當(dāng)軸承振動值超過報警閾值后，表示軸承振動速度級有效值的柱狀圖以及峰值和波峰因數(shù)的顯示數(shù)字字體會由綠色變?yōu)榧t色，更直觀、方便地顯示軸承是否發(fā)生故障或軸承是否為合格產(chǎn)品。當(dāng)在線測量值沒有超過報警閾值時，則數(shù)字顯示的字體顏色又變回綠色。

2.5 文件保存模塊

在軸承測量過程中，通過相應(yīng)按鈕對所需測量數(shù)據(jù)按所需要的格式進(jìn)行保存，便于離線分析。

3 試驗

3.1 測試分析試驗

選用608-2RS軸承、6000VV和6002VV軸承在SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀上進(jìn)行試驗。試驗軸承均是脂潤滑并帶有密封圈，正、反面單點測量。測量結(jié)果如表2～4所示。從表中統(tǒng)計數(shù)據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差可以看出，測量數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。

表2 608-2RS深溝球軸承的測量結(jié)果

3.2 故障分析試驗

已知82#608-2RS軸承為人工加工滾動體故障軸承，測試之前，測試人員未知故障。用BENDIX BCC-1型速度傳感器進(jìn)行振動測試，采用SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀進(jìn)行振動分析，分析結(jié)果與實際情況進(jìn)行對比。主軸轉(zhuǎn)速為1 786 r/min時計算出的軸承元件的故障特征頻率基頻如表5所示。

表3 6000VV深溝球軸承的重復(fù)性測量結(jié)果

表4 6002VV深溝球軸承的重復(fù)性測量結(jié)果

表5 故障軸承特征頻率

由包絡(luò)譜圖(圖3c)可以看到在頻率為104 Hz及其高倍頻處存在明顯的頻率譜線，故判斷該軸承為滾動體故障，且與實際情況一致。試驗結(jié)果表明，所開發(fā)軟件的包絡(luò)譜分析方法對軸承滾動體故障診斷比FFT方法更為有效，對于軸承內(nèi)、外圈故障的診斷效果也更為顯著。

圖3 SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀在線分析結(jié)果

4 結(jié)束語

基于虛擬儀器技術(shù)和計算機技術(shù)的SHU速度型滾動軸承振動綜合測量儀的測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，故障分析功能可靠，能有效分析軸承發(fā)生故障的原因，適用于實驗室、軸承制造廠對成品軸承的生產(chǎn)檢驗與用戶驗收。