便攜式滾動軸承故障檢測儀的設計

李珊珊

(蘭州職業技術學院,甘肅 蘭州 730070)

便攜式滾動軸承故障檢測儀的設計

李珊珊

(蘭州職業技術學院,甘肅 蘭州 730070)

對現有的滾動軸承故障檢測儀進行了調查和研究,設計了一種功耗小、成本低的便攜式滾動軸承故障檢測儀。該檢測儀硬件結構及軟件系統基于MSP430F149單片機設計與開發,采用時域參數指標診斷滾動軸承故障。實測結果表明,檢測儀能快速、自動地診斷滾動軸承故障,驗證了該設計的有效性和可靠性。

檢測儀 故障診斷 滾動軸承 時域參數 單片機

0 引言

滾動軸承是機械設備上使用的最重要的標準件之一,它的工作狀態直接影響設備的安全運行。對滾動軸承進行狀態監測與故障診斷是保證設備運行質量的重要手段。本文針對現有的便攜式滾動軸承故障檢測儀普遍存在價格昂貴或功能單一等缺點,遵循以最簡單的方法、最小的代價診斷出較為復雜的問題的“簡易診斷”原則[1],研究設計出低成本、低功耗、功能較強的便攜式滾動軸承故障檢測儀。本檢測儀基于低功耗的MSP430F149單片機開發,滾動軸承故障診斷方法采用時域參數指標法,診斷方法的軟件算法采用C語言編程實現。

1 滾動軸承故障診斷方法

采用時域參數指標法診斷滾動軸承故障時,這些指標對故障和缺陷足夠敏感,參數的變化能直觀地反映出滾動軸承的運行狀態。采用時域參數指標診斷滾動軸承故障具有參數計算較簡便、對軸承故障檢測效果較好的特點,非常適合于本文基于單片機開發的便攜式滾動軸承故障檢測儀。

應用較為廣泛的時域參數指標有:振動信號的平均值、均方根值、方差、概率密度函數、概率分布函數、自相關函數、互相關函數以及峰值指標、波形指標、峭度值等無量綱特征參數[2]。其中,無量綱指標對信號的幅值和頻率不敏感,即與機械設備的運行工況無關,只依賴于信號的幅值概率密度函數。本便攜式滾動軸承故障檢測儀的檢測參數的選擇需兼顧對故障信號的敏感性和穩定性。由大量試驗可知,從對滾動軸承故障和缺陷有足夠的敏感性這一要求出發,峭度的性能最好,但當軸承故障發展到一定程度后,峭度的性能會有所下降,穩定性不夠好。有效值穩定性很好,并且可用于對滾動軸承故障發展的趨勢分析中。因此,本檢測儀將有效值和峭度值這兩個時域參數指標作為軸承故障檢測參數。這種結合軸承故障無量綱特征參數的診斷方法的最大優點是不會受工況變化的影響,且對早期的故障有很好的診斷能力。

設離散序列的滾動軸承振動信號{xi},i=1,2,…, N,則{xi} 的峭度和有效值的計算式為:

式中:K為峭度;XRMS為軸承振動信號的均方根值(RMS又稱為有效值)。

峭度指標的理論值在3左右[3]。當滾動軸承處于正常狀態時,振動信號的概率密度函數接近正態分布;而當軸承表面損傷時,必然會出現沖擊脈沖。但因在K的表達式中,分子包含x的四次方,故分子增加很多;而分母是x的二次方,增加較少,這必然使K值上升。因此,可以根據它的變化值相對于K=3的情況,把正常軸承和損傷軸承區分開來。有效值是有量綱參數,其會隨工況的不同而改變,因此確定有效值的門限值時,需在實際中根據設備運行的工況,通過試驗確定出與此工況對應的有效值門限值。

2 檢測儀硬件構成

便攜式滾動軸承故障檢測儀的硬件設計主要包括電源管理模塊、信號調理模塊和單片機模塊。硬件系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統總體結構框圖Fig.1 Block diagram of the hardware system structure

電源管理模塊主要給傳感器供電且為檢測儀提供基準電壓。傳感器模塊將軸承振動信號轉換成電壓信號。信號調理模塊分為低通濾波和程控放大兩個環節。本檢測儀信號測量范圍為1 Hz～5 kHz,為減少范圍外的信號對測量的影響,設計截止頻率fc為5 kHz、增益kp為2的低通濾波器。為了獲得平坦區最大的幅頻特性,阻尼系數ζ取0.707。程控放大器將傳感器轉換的微弱電壓信號放大至適當的電平,供A/D轉換用。A/D轉換將模擬信號轉換成數字信號,供單片機進行數據處理。MSP430F149單片機將A/D轉換來的信號通過一系列算法,得出檢測儀所需的時域參數指標——峭度和有效值,并顯示在LCD液晶顯示器上,從而可根據LCD上顯示的各個參數指標來判斷滾動軸承是否失效。LCD主要用來顯示菜單、測量的結果等。鍵盤用來進行開始軸承故障診斷的確認等工作。

2.1 程控放大電路

檢測儀中,CA-YD-135壓電式加速度傳感器決定檢測儀測量的振動信號范圍為0.01～10 g,結合傳感器的軸向電壓靈敏度為2.5 mV/ms-2,可知模擬信號的測量范圍為0.25～250 mV。本檢測儀基于MSP430F149單片機開發。MSP430F149集成16路12位精度的A/D轉換模塊ADC12,A/D的參考電平為3.3 V,ADC12的A/D引腳能識別0～3.3 V的電壓。軸承振動信號在A/D轉換前應使其最大峰值略小于3.3 V,設計電路時取最大峰值為3 V。

軸承振動信號經程控放大等電路后為正負對稱信號,因此,在A/D轉換前須將信號進行提升。振動信號中心為+1.65 V左右,且峰峰值應盡量接近3 V而不能大于3 V。由此設計程控放大電路,且對不同大小的模擬信號選用不同的放大倍數進行程控放大,使其放大后的信號正峰值接近+1.35 V。

為了實現對滾動軸承振動信號較大范圍內的放大處理,程控放大電路的運算放大器選用LM358。考慮到檢測儀后續的功能增強和改進,本文選用雙4路電子切換開關MAX4052來改變LM358的反饋電阻,從而改變其放大倍數,實現對振動信號的4檔位自動量程轉換程控放大。程控放大電路圖如圖2所示。

圖2 程控放大電路圖Fig.2 Circuit of cell-type amplification

雙4路電子切換開關MAX4052的4個通道的切換是通過改變其2位控制端ADA、ADB的電平來實現的。由于單片機的資源豐富,MAX4052的控制端由單片機的I/O端口P1.0和P1.1輸出相應電平來控制。MAX4052的控制端與其4路通道對應的真值表如表1所示。

表1 真值表Tab.1 Truth table

2.2 信號跟隨及提升電路的設計

滾動軸承振動信號在程控放大后應緊接跟隨電路,以實現電阻的匹配。跟隨電路圖如圖3所示。

圖3 跟隨電路圖Fig.3 Follow-up circuit

經跟隨電路后的信號需提升+1.65 V,使其峰峰值盡量接近3 V,本文選用LM358實現對軸承振動信號的電壓提升,電路簡單、可靠。電壓提升電路如圖4所示。

圖4 電壓提升電路圖Fig.4 Voltage boosting circuit

3 檢測儀軟件構成

檢測儀程序由主程序和若干子程序組成。根據檢測儀需要實現的功能,系統程序采用模塊化結構。系統軟件的總體框圖如圖5所示。

主程序是軟件的主體框架,它的主要任務是在條件滿足時調用子功能模塊來實現對滾動軸承故障診斷。子程序主要包括系統的初始化模塊、A/D轉換模塊、數據存儲模塊、數字信號處理模塊、按鍵掃描模塊等。各子程序均能很快返回主程序,不會發生子程序時間過長等問題,子程序對相關事件的處理依靠標志位和判斷標志位來完成。

圖5 系統軟件總體結構框圖Fig.5 Block diagram of overall system software structure

4 現場測試

本文以10個外圈、內圈點蝕程度不同的6028型滾動軸承為檢測對象,進行便攜式軸承故障檢測儀的測試試驗。

試驗測試結果如表2所示。

表2 檢測儀測試結果Tab.2 The test results of detector

由表2可看出,本檢測儀對故障軸承的檢測結果準確。由于試驗試驗工況較為單一,后續還需在不同工況、不同型滾動軸承下進行大量試驗,對軟件算法進行修正,完善本檢測儀。

5 結束語

本便攜式滾動軸承故障檢測儀基于MSP430F149單片機研究與設計,采用時域參數指標法作為滾動軸承故障檢測方法,操作簡單、方便,適用于生產現場對滾動軸承故障進行快速診斷。同時,不要求操作人員具有專業知識,減少了人為差錯,提高了滾動軸承故障診斷的實時性和診斷結果的可靠性。

[1] 張麗.機車滾動軸承故障的產生及診斷方法[J].哈爾濱鐵道科技,2010(2):38-39.

[2] 王全先.機械設備故障診斷技術[M].武漢:華中科技大學出版社,2013.

[3] 錢思思.滾動軸承試驗機遠程監測系統的設計與應用[J].中國測試,2013,39(5):83-87.

[4] 郝曉劍,張連紅.儀器電路設計與應用[M].北京:電子工業出版社,2007.

[5] 沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京:北京航天航空大學出版社,2008.

[6] 陳果.滾動軸承早期故障的特征提取與智能診斷[J].航空學報,2009,30(2):362-367.

[7] 李俊卿.滾動軸承故障診斷技術及其工業應用[D].鄭州:鄭州大學,2010.

[8] 蔣超.基于振動的滾動軸承故障診斷技術研究[J].煤礦機械, 2012,33(2):235-237.

Design of the Portable Fault Detector for Rolling Bearing

Existing fault detectors for rolling bearing are researched and investigated,and the portable fault detector features low power consumption and low coat for rolling bearing has been designed.The hardware structure and software system of the detector are designed and developed based on MSP430F149 single chip computer;the faults of the rolling bearing are diagnosed by using time domain parameters.The result of practical tests shows that the detector diagnoses the faults of rolling bearing rapidly and automatically,the effectiveness and reliability of the design is verified.

Detector Fault diagnosis Rolling bearing Time domain parameter MCU

TP216+.1

A

修改稿收到日期:2014-04-22。

作者李珊珊(1981-),女,2010年畢業于太原理工大學機械設計制造及其自動化專業,獲碩士學位,講師;主要從事自動化儀器儀表相關的研究。