滚动轴承故障诊断系统的设计及应用
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２０１８年 ４月 第 ４６卷 第 ７期
机 床 与 液 压
ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ａｐｒ．２０１８ Ｖｏ１．４６ Ｎｏ．７
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１８。０７．０３４
滚 动轴 承 故 障诊 断 系统 的 设计 及 应 用
王 恒 迪 ，赵 彪 ，杨 建 玺 ，邓 四 二
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ；Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｆｕｌｌ—ａｕｔｏｍａｔｉｃ；Ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ；Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
０ 前 言 据有关资料统计表 明：由轴承造成 的故障 占到设
备总故 障概 率 的 ２０％… 。因此 ，关 于滚 动 轴 承 的故 障诊断系统 的研究 凸显 的很重要 。对振动信号 的诊断 是众多故障诊断 中最为有效 的方法之一 ［２］。
关键词 ：振动信号 ；测振仪 ；全 自动 ；硬件设计 ；软件设计 ；控制 系统 中 图 分 类 号 ：ＴＨ１３３ 文献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１—３８８１ （２０１８）０７—１５６—４
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａ源自文库ｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｗ ＡＮＧ Ｈｅｎｇｄｉ． ＺＨＡ０ Ｂｉａｏ， ＹＡＮＧ Ｊｉａｎｘｉ， ＤＥＮＧ Ｓｉｅｒ
通过对滚动轴承 的基本结构 、故障类型 、振动机 制和振动成分进行研究分析 ，发现滚动轴承在生产制 造过程 中出现 的主要加工缺 陷为表面缺 陷 ］。通过对 引起 该 缺 陷 的 冲击 振 动 的 研 究 设 计 了该 故 障 检 测 系统 。
该轴承故障检测系统 的软件程序 的编写 以虚拟仪 器 ＬａｂＶＩＥＷ 为平 台 ，机械动作 控制 系统 以 ＰＬＣ为平 台 ，通 过配合机械结构 ，对速度型传感器生成 的轴承 振动信号进行处理 、分析 ，从而实现检测系统 的全 自 动化 。在工作效率和准确率方面有 了明显 的提高 ，更 加方 便 了轴 承 生 产 企业 在 生 产 线 上 的在 线 监 测 和 维 护 。 １ 系统 硬 件设计 及原 理
振动传感器是信号采集 的第一个环节 ，稳定的信 号输 出才 能够 保 证整 台仪 器 的测 量精 度。考 虑到 环 境 、分辨率 、灵敏度 、抗干扰能力等因素 ，在满足 以 上条件 的情况下 ，力求节约成本 ，选择性价 比较高的 传感 器。ＢＣＣ．１型速度 传感 器是 一种 压 电式 传感 器 ， 该传感器精度 高 、抗干扰能力强 ，在复杂的外部环境 下依 然能够输 出稳定 的电压信号 ，信号输 出频率范 围 广 ，频 宽完全满足试验 的要求 。 １．２ 振 动 信 号 调 理 电路
ｏｆ ｂｅａｒ ｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ａｓｐｅｃｔｓ：ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒ ｉｆ ｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｒｋｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ａｎｄ ｓａｔｉｓｆ ｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔｓ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒ ｉａｌ ｆ ｉｅｌｄ．
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ Ｈｅｎａｎ ４７１００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｂｅａｒ ｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｊｕｄｇｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ｈａｓ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｒ ｎｏｔ．Ｈｏｗ— ｅｖｅｒ，ｍｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｂｅａｔｉｎｇ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ ｓｔｉｌｌ ｒｅｌｙ ｏｎ ｓｐｅｅｄ ｂｅａｔ ｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒ ｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ（ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｈｅａｒ ｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｏｆ ｏｂｓｅｒｖｅｒ）ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｕｎｄｏｕｂｔｅｄｌｙ ｍａｋｅｓ ａ ｌｏｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｅｆｆｉ— ｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ａ ｆｕｌｌ—ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ
（河 南科技 大 学机 电工程 学院 ，河 南洛 阳 ４７１００３）
摘 要 ：对轴 承振 动信号的分析与检测可以判断滚动轴承是否存在缺陷 。然 而 目前 国内大 多数 的轴承生产 厂家对滚动 轴 承 的故 障诊 断检 测是通过速度型测振仪测量 ．然后根据经验 （人的听力和观察仪表示值 ）去 判断 的，这无 疑在 效率上 和准 确性方 面存 在一定的缺陷 针对 国内对轴承振动检测方法研究方面 的不足 ，设 计了一套全 自动的轴承振 动检测系统 。从硬 件设计 、软件设 计 、控制系统 ３个方面进行 介绍 ，并通过实验验证 其效果 良好 ，满足工业现场的要求。
系统硬件 由速度 型传感 器 、振 动信号 调理 电路 、 信号 采集卡组成 。通过速度传感器把采集 的振动信号
传送 给信号调理 电路 ，在 保证 信号不 失真 的情况 下 ， 调理 电路对原始振动信号进行滤波 、放大 、再 滤波等 处理 ，然后数据采集卡把处理后 的振动信号传送给计 算机 的程序算法系统 ，做 出最终判断 。 １．１ 速 度 型 传 感 器
机 床 与 液 压
ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ａｐｒ．２０１８ Ｖｏ１．４６ Ｎｏ．７
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１８。０７．０３４
滚 动轴 承 故 障诊 断 系统 的 设计 及 应 用
王 恒 迪 ，赵 彪 ，杨 建 玺 ，邓 四 二
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ；Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｆｕｌｌ—ａｕｔｏｍａｔｉｃ；Ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ；Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
０ 前 言 据有关资料统计表 明：由轴承造成 的故障 占到设
备总故 障概 率 的 ２０％… 。因此 ，关 于滚 动 轴 承 的故 障诊断系统 的研究 凸显 的很重要 。对振动信号 的诊断 是众多故障诊断 中最为有效 的方法之一 ［２］。
关键词 ：振动信号 ；测振仪 ；全 自动 ；硬件设计 ；软件设计 ；控制 系统 中 图 分 类 号 ：ＴＨ１３３ 文献 标 志 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１—３８８１ （２０１８）０７—１５６—４
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａ源自文库ｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｗ ＡＮＧ Ｈｅｎｇｄｉ． ＺＨＡ０ Ｂｉａｏ， ＹＡＮＧ Ｊｉａｎｘｉ， ＤＥＮＧ Ｓｉｅｒ
通过对滚动轴承 的基本结构 、故障类型 、振动机 制和振动成分进行研究分析 ，发现滚动轴承在生产制 造过程 中出现 的主要加工缺 陷为表面缺 陷 ］。通过对 引起 该 缺 陷 的 冲击 振 动 的 研 究 设 计 了该 故 障 检 测 系统 。
该轴承故障检测系统 的软件程序 的编写 以虚拟仪 器 ＬａｂＶＩＥＷ 为平 台 ，机械动作 控制 系统 以 ＰＬＣ为平 台 ，通 过配合机械结构 ，对速度型传感器生成 的轴承 振动信号进行处理 、分析 ，从而实现检测系统 的全 自 动化 。在工作效率和准确率方面有 了明显 的提高 ，更 加方 便 了轴 承 生 产 企业 在 生 产 线 上 的在 线 监 测 和 维 护 。 １ 系统 硬 件设计 及原 理
振动传感器是信号采集 的第一个环节 ，稳定的信 号输 出才 能够 保 证整 台仪 器 的测 量精 度。考 虑到 环 境 、分辨率 、灵敏度 、抗干扰能力等因素 ，在满足 以 上条件 的情况下 ，力求节约成本 ，选择性价 比较高的 传感 器。ＢＣＣ．１型速度 传感 器是 一种 压 电式 传感 器 ， 该传感器精度 高 、抗干扰能力强 ，在复杂的外部环境 下依 然能够输 出稳定 的电压信号 ，信号输 出频率范 围 广 ，频 宽完全满足试验 的要求 。 １．２ 振 动 信 号 调 理 电路
ｏｆ ｂｅａｒ ｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ａｓｐｅｃｔｓ：ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒ ｉｆ ｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｒｋｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ａｎｄ ｓａｔｉｓｆ ｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍ ｅｎｔｓ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒ ｉａｌ ｆ ｉｅｌｄ．
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ Ｈｅｎａｎ ４７１００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｂｅａｒ ｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｊｕｄｇｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ｈａｓ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｒ ｎｏｔ．Ｈｏｗ— ｅｖｅｒ，ｍｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｂｅａｔｉｎｇ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ ｓｔｉｌｌ ｒｅｌｙ ｏｎ ｓｐｅｅｄ ｂｅａｔ ｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒ ｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ（ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｈｅａｒ ｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｏｆ ｏｂｓｅｒｖｅｒ）ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｕｎｄｏｕｂｔｅｄｌｙ ｍａｋｅｓ ａ ｌｏｗ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｅｆｆｉ— ｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｏｆ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｂｅａｒｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ａ ｆｕｌｌ—ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ
（河 南科技 大 学机 电工程 学院 ，河 南洛 阳 ４７１００３）
摘 要 ：对轴 承振 动信号的分析与检测可以判断滚动轴承是否存在缺陷 。然 而 目前 国内大 多数 的轴承生产 厂家对滚动 轴 承 的故 障诊 断检 测是通过速度型测振仪测量 ．然后根据经验 （人的听力和观察仪表示值 ）去 判断 的，这无 疑在 效率上 和准 确性方 面存 在一定的缺陷 针对 国内对轴承振动检测方法研究方面 的不足 ，设 计了一套全 自动的轴承振 动检测系统 。从硬 件设计 、软件设 计 、控制系统 ３个方面进行 介绍 ，并通过实验验证 其效果 良好 ，满足工业现场的要求。
系统硬件 由速度 型传感 器 、振 动信号 调理 电路 、 信号 采集卡组成 。通过速度传感器把采集 的振动信号
传送 给信号调理 电路 ，在 保证 信号不 失真 的情况 下 ， 调理 电路对原始振动信号进行滤波 、放大 、再 滤波等 处理 ，然后数据采集卡把处理后 的振动信号传送给计 算机 的程序算法系统 ，做 出最终判断 。 １．１ 速 度 型 传 感 器