應用于軸承檢測系統(tǒng)的模擬濾波器設計

張 磊，叢培田

(沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168 )

0 引言

滾動軸承是機器中的易損零件，許多旋轉(zhuǎn)機械的故障都與滾動軸承的運行狀態(tài)有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，在使用滾動軸承的旋轉(zhuǎn)機械中，大約有30%的機械故障由軸承引起。滾動軸承本身在工作時必然伴隨旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生振動，且其運行狀態(tài)的好壞直接反映在振動信號中。由于存在干擾，軸承振動信號中夾雜了其他干擾信號，從而對軸承運行狀態(tài)的判斷產(chǎn)生影響。滾動軸承故障診斷的目的是保證軸承在一定的工作環(huán)境(承受一定的載荷，以一定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)等)下和一定的工作期間(一定的壽命)內(nèi)可靠有效地運行，以保證整個機械的工作精度。與此目的相適應，軸承故障診斷就是通過對反映軸承工作狀態(tài)信號的觀測、分析與處理來識別軸承的狀態(tài)。所以，從一定程度上說，軸承故障診斷就是軸承狀態(tài)識別。因此，對軸承信號進行濾波具有重要意義。和軟件濾波相比，硬件濾波系統(tǒng)具有運行速度快、效率高等優(yōu)點，且狀態(tài)變量濾波器可以調(diào)節(jié)阻尼比和固有頻率，由于二階濾波器對波形衰減的速度低于六階，因此本文設計了六階狀態(tài)濾波器。

1 六階狀態(tài)濾波器頻率范圍

1.1 振動信號的頻帶劃分

在測試裝置中，利用濾波器的篩選作用可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析，所以濾波器在自動檢測、自動控制及電子測試儀中被廣泛應用。滾動軸承的振動頻率成分十分豐富，既含有低頻成分，又含有高頻成分，而且每一種特定的故障都對應有特定的頻率成分。由于滾動軸承的故障特征在不同頻帶上有著不同的反映，因此，需要我們通過適當?shù)男盘柼幚矸椒▽⑻囟ǖ念l率成分分離出來，從而指示特定故障的存在。為了實現(xiàn)這一目的，需要對信號的頻率進行篩選，即使用濾波器電路對被認定為干擾信號的頻段進行抑制,使其大幅衰減。

濾波器分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器4種基本形式，為了適應不同的測試對象與測試系統(tǒng)，本文設計了中心頻率可調(diào)可顯示的帶通濾波器，便于找到測試對象與測試系統(tǒng)的共振頻率段。根據(jù)國家機械行業(yè)標準，本文選擇1 800 r/min作為軸承故障檢測時的轉(zhuǎn)速，50 Hz～10 000 Hz之間的頻率作為軸承故障檢測評判范圍，即通頻段頻率范圍為50 Hz～10 000 Hz。在通頻段一般可將軸承的振動頻率劃分為3個頻帶：低頻段，頻率范圍為50 Hz～300 Hz；中頻段，頻率范圍為300 Hz～1 800 Hz；高頻段，頻率范圍為1 800 Hz～10 000 Hz。

1.2 狀態(tài)濾波器邊界選擇

為了滿足各頻段頻率范圍，需要6個狀態(tài)濾波器，其中3個高通濾波器的截止頻率分別為50 Hz、300 Hz、1 800 Hz；3個低通濾波器的截止頻率分別為300 Hz、1 800 Hz、10 000 Hz。6個濾波器的連接方式如圖1所示。

1-通頻段；2-低頻段；3-高頻段；4-中頻段

2 濾波器參數(shù)計算

(1)

圖2 二階狀態(tài)濾波器原理圖

當圖2是截止頻率為f=50 Hz的低通濾波器時，就可以確定R5和C1之間的關(guān)系，然后根據(jù)常用電容容值表選擇電容C1的值求出電阻R5的值，接著再與常用電容容值表中的電阻值比較，從而確定R5的值。把R5、C1的值代入式(1)，求出截止頻率f是否接近50 Hz，若相差較大則重復之前的計算，這樣最后求出R5和C1的值。R7、R8、R9的值與R5的值相等，C2的值與C1的值相等，R1、R2、R3、R4的值選擇10 kΩ。在3個二階濾波器中，上述參數(shù)值都相同。

3 實驗結(jié)果

通過函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生電壓信號，進入濾波器信號輸入端，再經(jīng)過濾波器輸出端輸入到示波器顯示；另一路將函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓信號直接輸入到示波器。截止頻率分別為50 Hz、300 Hz、1 800 Hz、10 000 Hz的高通濾波器和低通濾波器實驗值如表1～表6所示。

表1 截止頻率為50 Hz的高通濾波器實驗值

表2 截止頻率為300 Hz的低通濾波器實驗值

由表1～表6可知，當輸入頻率接近濾波器截止頻率時，經(jīng)過濾波后振動信號的電壓值與未濾波的電壓值之比接近0.707，因此濾波器正常工作。在濾波器的濾波范圍外，信號的衰減速度很快，干擾信號的影響很小，所有濾波器達到了降低干擾信號影響的作用，使上位機的結(jié)果更加準確。

4 結(jié)束語

采用狀態(tài)濾波器濾波，屬于硬件濾波，與軟件濾波相比，硬件濾波具有提高系統(tǒng)運行速度和效率等優(yōu)點。

六階濾波器比二階、四階濾波器的濾波性能更好，濾波曲線沒有凸起，線性平穩(wěn)。

該六階濾波器具有較好的濾波性能，可以使振動信號與雜波分離，降低雜波的干擾，提高檢測系統(tǒng)的準確性，從而更好地檢測軸承是否合格及其合格等級。

表3 截止頻率為300 Hz的高通濾波器實驗值

表4 截止頻率為1 800 Hz的高通濾波器實驗值

表5 截止頻率為1 800 Hz的低通濾波器實驗值

表6 截止頻率為10 000 Hz的低通濾波器實驗值

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