基于虛擬儀器的機(jī)車滾動(dòng)軸承故障診斷研究

王嘉樂， 王 燦， 會(huì) 強(qiáng)

( 石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

機(jī)車滾動(dòng)軸承是機(jī)車的重要零部件，其性能好壞直接決定了機(jī)車能否正常運(yùn)行，同時(shí)也影響到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?。為確保機(jī)車滾動(dòng)軸承能正常運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其存在的潛在故障，對(duì)機(jī)車滾動(dòng)軸承狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障分析十分必要。在不同的故障形式下，機(jī)車滾動(dòng)軸承的振動(dòng)頻率也不相同。因此，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)機(jī)車滾動(dòng)軸承運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，分析得到其振動(dòng)頻率，進(jìn)而推斷可能存在的故障情況。在鐵路安全問(wèn)題日益引起社會(huì)關(guān)注的今天，對(duì)機(jī)車滾動(dòng)軸承故障診斷研究就更具有實(shí)際意義。

1 滾動(dòng)軸承診斷機(jī)理

故障機(jī)理是設(shè)備故障診斷的基礎(chǔ)，而故障信號(hào)的采集是故障診斷的前提［1］。所以，機(jī)車滾動(dòng)軸承故障診斷也必須從故障信號(hào)的采集與分析開始。

機(jī)車滾動(dòng)軸承有多種故障形式，常見的有磨損、腐蝕、壓痕、斷裂等，發(fā)生部位分別為外圈、內(nèi)圈、滾子、保持架。當(dāng)滾動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，任何一處發(fā)生損傷，都會(huì)因周期性的撞擊產(chǎn)生均勻間隔的脈沖力，從而激起相應(yīng)的振動(dòng)沖擊信號(hào)，出現(xiàn)滾動(dòng)軸承的故障特征頻率。機(jī)車滾動(dòng)軸承故障診斷就是通過(guò)時(shí)頻域分析得到這個(gè)頻率，該故障特征頻率可根據(jù)滾動(dòng)軸承的幾何尺寸及轉(zhuǎn)速計(jì)算出來(lái)。機(jī)車滾動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)各零部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)頻率計(jì)算公式［2］為:

(1) 外圈某處與滾子接觸的頻率為

(2) 內(nèi)圈某處與滾子接觸的頻率為

(3) 滾子某處與內(nèi)圈、外圈接觸的頻率為

(4) 外圈損傷特征頻率。軸承外圈、內(nèi)圈或滾子有一處損傷引起的沖擊振動(dòng)信號(hào)的基頻計(jì)算公式為

(5) 內(nèi)圈損傷特征頻率

(6) 滾子損傷特征頻率

式中，D 為軸承節(jié)徑;d 為滾子直徑;f0為軸承的轉(zhuǎn)速;?為接觸角;Z 為軸承滾子數(shù)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖1 機(jī)車滾動(dòng)軸承振動(dòng)測(cè)量框圖

研究采用美國(guó)國(guó)家儀器( NI) 公司的便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備CompactDAQ，利用NI 9233 加速度模塊和加速度傳感器搭建硬件平臺(tái)，可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的采集。利用NI 公司開發(fā)的LabVIEW 2010 軟件搭建虛擬儀器平臺(tái)。LabVIEW 是一款測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域?qū)I(yè)的數(shù)據(jù)采集和處理軟件，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和方便的人機(jī)交互界面深受用戶認(rèn)可［3］。利用LabVIEW 搭建的軟件平臺(tái)可對(duì)硬件設(shè)備采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理和時(shí)頻域分析。系統(tǒng)整體框如圖1 所示。

利用LabVIEW 開發(fā)的機(jī)車滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)軟件部分，主要包括數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)模塊、故障特征頻率計(jì)算模塊、時(shí)域分析模塊、頻域分析模塊、時(shí)頻分析模塊。其中時(shí)域分析模塊包括自相關(guān)分析，濾波，以及均值、方差、峭度、波形指標(biāo)、裕度指標(biāo)等參數(shù)的計(jì)算。頻域分析模塊包括功率譜分析、功率密度譜分析以及倒頻譜分析。同時(shí)，利用小波變換對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析。借助實(shí)驗(yàn)室的軸承診斷機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用該系統(tǒng)成功地診斷了機(jī)車滾動(dòng)軸承外圈故障。診斷系統(tǒng)的總界面如圖2 所示。

圖2 機(jī)車滾動(dòng)軸承診斷系統(tǒng)總界面

3 實(shí)驗(yàn)研究分析

研究是在Jt-301 火車軸承診斷機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成的。該診斷機(jī)上機(jī)車輪對(duì)的滾動(dòng)軸承型號(hào)為352226X2-2RZ，其各項(xiàng)參數(shù)如表1 所示。

對(duì)機(jī)車滾動(dòng)軸承的實(shí)驗(yàn)研究中，采用了正常滾動(dòng)軸承和具有外圈剝離故障的滾動(dòng)軸承，分別進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的采集和處理。通過(guò)兩種狀況下滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)所呈現(xiàn)的不同狀態(tài)，采用時(shí)域和頻域的分析方法，找出故障頻率，確定故障狀態(tài)，進(jìn)而驗(yàn)證研究所采用的故障診斷方法的可靠性和準(zhǔn)確性。根據(jù)表1 中滾動(dòng)軸承的技術(shù)參數(shù)，結(jié)合滾動(dòng)軸承頻率計(jì)算公式可以計(jì)算出機(jī)車滾動(dòng)軸承的特征頻率如表2 所示。

表1 352226X2-2RZ 型滾動(dòng)軸承的主要參數(shù)指標(biāo)

表2 352226X2-2RZ 型滾動(dòng)軸承特征頻率

另外，對(duì)機(jī)車滾動(dòng)軸承進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集時(shí)，加速度傳感器貼放位置選擇在軸承座，這樣可以更好的采集滾動(dòng)軸承在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，機(jī)車滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速保持在469 r/min，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的采樣頻率為5 120 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為102 400 個(gè)。機(jī)車滾動(dòng)軸承正常狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形如圖3 所示。機(jī)車滾動(dòng)軸承故障狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形如圖4 所示。

圖3 機(jī)車滾動(dòng)軸承正常狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形

圖4 機(jī)車滾動(dòng)軸承故障狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形

從機(jī)車滾動(dòng)軸承在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形圖可以看出: 在故障狀態(tài)下，振動(dòng)信號(hào)振幅的均方根由正常狀態(tài)下的146．348 增大到154．729，呈現(xiàn)出小幅增加的趨勢(shì)。據(jù)此，可以初步斷定滾動(dòng)軸承確實(shí)存在故障隱患，但是要想準(zhǔn)確確定是何種故障則比較困難，還需做進(jìn)一步分析。

小波變換是近些年來(lái)在信號(hào)分析和處理中經(jīng)常采用的方法之一。由于小波變換在時(shí)域和頻域進(jìn)行的是局部分析，因此能更有效的從采集到的信號(hào)中提取信息，識(shí)別信號(hào)中的突變成分［4］。通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算方法，小波變換可對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度的細(xì)化分析，并且可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行多水平的降噪處理有效去除噪聲［5］。根據(jù)小波變換這些優(yōu)勢(shì)，研究運(yùn)用了LabVIEW 高級(jí)信號(hào)工具包中的離散小波變換函數(shù)，對(duì)機(jī)車滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波降噪，水平為5 級(jí)，這樣可更好的剔除噪聲保留有用信息。然后對(duì)降噪后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)機(jī)車滾動(dòng)軸承在頻域中的振動(dòng)頻率，結(jié)合上面計(jì)算出的特征頻率，可以初步判斷滾動(dòng)軸承的故障情況。經(jīng)過(guò)小波變換后機(jī)車滾動(dòng)軸承故障狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)頻譜分析圖如圖5 所示。

根據(jù)此頻譜分析圖，取其0 ～200 Hz 頻段進(jìn)行局部細(xì)化分析，結(jié)果如圖6 所示。

圖5 機(jī)車滾動(dòng)軸承故障狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)頻譜分析圖

圖6 機(jī)車滾動(dòng)軸承故障狀態(tài)下頻譜細(xì)化圖

通過(guò)對(duì)故障狀態(tài)下機(jī)車滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析，可以發(fā)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)明顯具有68 Hz 大小的頻率成分。該頻率與表2 滾動(dòng)軸承外圈剝離的特征頻率67．33 Hz 非常接近，由此可以判定機(jī)車滾動(dòng)軸承的故障類型為軸承外圈剝離。當(dāng)然，從頻譜圖中也可發(fā)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)具有25 Hz 大小的頻率成分，初步分析該頻率成分可能為滾子故障頻率的1/2 倍頻，故該軸承的滾子可能也存在不同程度的故障。

4 結(jié)論

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)研究表明，利用LabVIEW 軟件和便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備CompactDAQ 搭建的機(jī)車滾動(dòng)軸承故障診斷平臺(tái)，采用小波變換函數(shù)進(jìn)行故障特征提取，對(duì)機(jī)車滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障診斷和狀態(tài)分析效果良好。此方法能夠較好地定位機(jī)車滾動(dòng)軸承的故障情況，對(duì)于機(jī)車滾動(dòng)軸承故障研究具有很好的參考意義。

［1］王肇琦，付勤毅． 滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)檢測(cè)法［J］． 有色礦山，1999(1) : 36-38．

［2］虞和濟(jì)． 振動(dòng)診斷的工程應(yīng)用［M］． 北京:冶金工業(yè)出版社，1992．

［3］戴鵬飛，王勝開，王格芳，等．測(cè)試工程與LabVIEW 應(yīng)用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2006．

［4］陳特放，黃采倫，樊曉平． 基于小波分析的機(jī)車走行部故障診斷方法［J］． 中國(guó)鐵道科學(xué)，2005(4) : 89-91．

［5］孔德順，劉華云，申永軍． 基于分?jǐn)?shù)小波變換的空域相關(guān)特性的信號(hào)降噪新方法［J］．石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，23(3) :16-21．