CN103994889B - 一种基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台及其检测方法，其属于滚动轴承早期故障诊断的技术领域。该方法借助磁悬浮轴承，在滚动轴承附近的转子上在线施加恒定的电磁力激振力，在运行的滚动轴承‑转子系统的轴承座处采集振动加速度信号，对采集的时域信号直接进行Hilbert变换，获得振动加速度信号的包络谱图，在频谱信号中，提取滚动轴承故障的特征频率并进行分析、做出故障诊断，该种基于电磁激励的滚动轴承故障诊断方法对滚动轴承早期微弱的损伤特征信号有极大的放大作用，而对于健康的滚动轴承，恒定的电磁力下振动信号变化很小。本发明基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台及其检测方法可对早期微弱的轴承故障特征进行放大，结果可靠。

Description

一种基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台及其检测方法

技术领域：

本发明涉及一种基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台及其检测方法，其属于滚动轴承早期故障诊断的技术领域。

背景技术：

作为旋转机械中最常用的部件之一,滚动轴承的运行状态对旋转机械的性能有着直接影响。轴承在故障发生早期，故障特征本身很微弱，故障信息信噪比低，早期微弱的故障特征会被其他运动部件引起的振动和大量随机噪声所淹没，早期的故障特征信号提取困难。并且对于接触角为0的滚动轴承而言，滚珠位置分布随时间变化引起的刚度周期性变化会导致产生VC(varying compliance)振动，其频率与外圈故障振动特征频率一致，这对早期微小的轴承外圈故障的诊断带来了困难。

磁悬浮轴承(AMB)主要用于支撑转子，除此之外磁悬浮轴承还可作为激振器和传感器。磁悬浮轴承作为激振装置具有幅值频率易调控，可在线无接触施加外激励力的优点。

现有技术中，针对滚动轴承的各种故障诊断方法，其本质是对早期的故障振动信号进行处理，力求提取出故障特征信号。但是轴承在故障发生早期，故障特征本身很微弱，故障信息信噪比低，早期故障特征被其他运动部件引起的振动和大量随机噪声所淹没，早期的故障特征信号提取困难。目前旋转机械故障诊断领域，产生了新的不同思路的诊断方法，即在特定的外激励作用下，诊断旋转机械早期故障。目前国外已经有学者对此方法进行了相关的研究，借助磁悬浮轴承对转子施加激振力，识别转子的不平衡量、诊断转子早期裂纹故障以及用于以滑动轴承磨损的故障诊断。但目前基于磁悬浮轴承电磁激励故障检测方法还未在滚动轴承故障诊断中得到应用。

发明内容：

本发明提供一种基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台及其检测方法，其在滚动轴承附近转子部位施加恒定的电磁激振力，可以使得由故障引起的特征振动信号幅值成倍的放大，有助于提高滚动轴承内外圈早期微弱故障的诊断的准确性，具有重要的现实意义和工程实用价值。

本发明采用如下技术方案：一种基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台，其包括转子、套设于转子外侧的用于支撑转子的滚动轴承及磁悬浮轴承系统，所述磁悬浮轴承系统包括安装于转子上靠近滚动轴承位置的磁悬浮轴承及用于控制磁悬浮轴承向转子施加非接触式的恒定电磁激励力的磁悬浮轴承控制系统，所述磁悬浮轴承控制系统包括控制器模块、功率放大器模块及电涡流位移传感器模块。

本发明还采用如下技术方案：一种基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台的检测方法，其包括如下步骤：

步骤1：在滚动轴承-转子系统运行时，通过磁悬浮轴承控制系统对磁悬浮轴承所在位置的转子部分施加在线非接触式的恒定电磁激振力；

步骤2：通过安装于轴承座上的加速度传感器采集滚动轴承的振动信号，对采集的时域信号进行Hilbert变换，并获得包络谱图；

步骤3：对包络谱图中的滚动轴承故障特征频率信号进行分析，诊断轴承故障。

进一步地，所述步骤1中具体包括如下步骤：

步骤1-1，磁悬浮控制系统中，关闭控制器模块与电涡流位移传感器模块，仅开启功率器放大模块；

步骤1-2，通过外部信号发出器产生一个稳定幅值的信号，将外部信号输入功率放大器模块；

步骤1-3，将功率放大器模块的输出控制电流加载在磁悬浮轴承差动磁极的某一个单独磁极上，向运转的转子施加非接触式的恒定电磁激励力。

本发明具有如下有益效果：早期微弱的滚动轴承故障由于轴承在故障发生早期，故障特征本身很微弱，而且在复杂的工况条件下，故障信息信噪比低，早期故障特征被其他运动部件引起的振动和大量随机噪声所淹没，早期的故障特征信号提取困难，磁悬浮轴承作为激振装置具有幅值频率易调控，可在线无接触施加外激励力的优点，在恒定的电磁力下，滚动轴承故障引起的故障特征振动频率的幅值会有成倍的放大，而对于健康的滚动轴承而言，施加恒定的电磁力后其振动几乎信号没有变化，该种方法对于早期微弱的滚动轴承故障诊断具有非常重要的价值。

附图说明：

图1是基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台示意图。

图1中的标号名称是：1.磁悬浮轴承，2.转子，3.滚动轴承；其中ms、m_p分别为转子、轴承座的质量；K_p、C_p是轴承座与定子之间的刚度和阻尼，f_AMB是通过磁悬浮轴承在转轴上向转子y轴负方向施加的恒定电磁力。

图2(a)为健康的滚动轴承转速为60Hz运行下，无电磁外力的轴承座振动加速度时域图；图2(b)为健康的滚动轴承转速为60Hz运行下，受电磁外力的轴承座振动加速度时域图。

图3(a)为健康的滚动轴承转速为60Hz运行下，无电磁外力的轴承座振动加速度时域Hilbert包络谱图；图3(b)为健康的滚动轴承转速为60Hz运行下，受电磁外力的轴承座振动加速度时域Hilbert包络谱图。

图4(a)为外圈含有微弱故障的滚动轴承转速为60Hz运行下，无电磁外力的轴承座振动加速度时域图；图4(b)为外圈含有微弱故障的滚动轴承转速为60Hz运行下，受电磁外力的轴承座振动加速度时域图。

图5(a)为外圈含有微弱故障的滚动轴承转速为60Hz运行下，无电磁外力的轴承座振动加速度时域Hilbert包络谱图；图5(b)为外圈含有微弱故障的滚动轴承转速为60Hz运行下，受电磁外力的轴承座振动加速度时域Hilbert包络谱图。

图6(a)为内圈含有微弱故障的滚动轴承转速为60Hz运行下，无电磁外力的轴承座振动加速度时域图；图6(b)为内圈含有微弱故障的滚动轴承转速为60Hz运行下，受电磁外力的轴承座振动加速度时域图。

图7(a)为内圈含有微弱故障的滚动轴承转速为60Hz运行下，无电磁外力的轴承座振动加速度时域Hilbert包络谱图；图7(b)为内圈含有微弱故障的滚动轴承转速为60Hz运行下，受电磁外力的轴承座振动加速度时域Hilbert包络谱图。

图8为外圈含有微弱故障的滚动轴承在转速为100Hz下，受不同幅值电磁外力的故障特征频率信号幅值变化趋势图。

图9为本发明基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台中磁悬浮轴承控制系统图。

具体实施方式：

请参照图1和图9所示，本发明基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台包括转子2、套设于转子2外侧的用于支撑转子2的滚动轴承3及磁悬浮轴承系统，该磁悬浮轴承系统包括安装于转子2上靠近滚动轴承3位置的磁悬浮轴承1及用于控制磁悬浮轴承1向转子2施加非接触式的恒定电磁激励力的磁悬浮轴承控制系统，该磁悬浮轴承控制系统包括控制器模块、功率放大器模块及电涡流位移传感器模块，其中滚动轴承3和转子2形成了滚动轴承-转子系统，磁悬浮轴承1在滚动轴承-转子系统中不起支撑转子的作用，仅作为非接触式激振源。

请参照图1至图9所示，本发明基于电磁激励的滚动轴承故障检测方法，包括如下步骤：

步骤1：在滚动轴承-转子系统运行时，通过磁悬浮轴承控制系统对磁悬浮轴承所在位置的转子部分施加在线非接触式的恒定电磁激振力；

步骤2：通过安装于轴承座上的加速度传感器采集滚动轴承的振动信号，对采集的时域信号进行Hilbert变换，并获得包络谱图；

步骤3：对包络谱图中的滚动轴承故障特征频率信号进行分析，诊断轴承故障。

其中步骤1中具体包括步骤：

步骤1-1，磁悬浮控制系统中，关闭控制器模块与电涡流位移传感器模块，仅开启功率器放大模块；

步骤1-2，通过外部信号发出器产生一个稳定幅值的信号，将外部信号输入功率放大器模块；

步骤1-3，将功率放大器模块的输出控制电流加载在磁悬浮轴承差动磁极的某一个单独磁极上，向运转的转子施加非接触式的恒定电磁激励力。

下面结合具体的实施例来具体阐述本发明基于电磁激励的滚动轴承故障检测方法。

为验证本发明基于电磁激励的滚动轴承故障检测方法的正确性，选用SKF61901滚动轴承进行分析。

实施例一：

转子的外围套设有SKF61901滚动轴承支承，在滚动轴承右侧的转子上安装有磁悬浮轴承，磁悬浮在本实施例一中仅作为非接触式的电磁激振源，不起支承转子的作用。

通过线切割机，在左侧的滚动轴承外圈人为的设置微小的故障，滚动轴承的轴承座垂直方向上安装加速度传感器。

磁悬浮控制系统中，关闭控制器模块与电涡流位移传感器模块，仅开启功率放大器模块，通过外部信号发出器产生一个稳定幅值的信号，将外部信号输入功率放大器模块，将功率放大器模块的输出控制电流加载在磁悬浮轴承差动磁极的某一个单独磁极上，向运转的转子施加非接触的恒定幅值为60N的电磁力。

设置电机的转速为60Hz，即3600rpm，采集0.1s内轴承座的振动加速度信号。图4(b)为0.7-0.8s内的轴承座加速度振动时域图。将采集的信号进行Hilbert包络后进行FFT变化得到对应的包络谱图，如图5(b)所示。图4(a)与图5(a)分别为无电磁力下外圈故障轴承的轴承座处加速度时域图及其包络谱图。

对包络谱图进行分析可以发现，恒定的电磁力下，图5(b)中外圈故障特征频率f_o(247Hz)及其倍频的幅值比无电磁力下图5(a)外圈故障特征频率f_o(247Hz)及其倍频的幅值有了成倍的放大。故障特征频率信号的放大，非常有助于早期微弱的故障诊断。

实施例二：

转子的外围套设有SKF61901滚动轴承支承，在滚动轴承右侧的转子上安装有磁悬浮轴承，磁悬浮轴承在本实施例二中仅作为非接触式的电磁激振源，不起支承转子的作用。

通过线切割机，在左侧的滚动轴承内圈人为的设置微小的故障。滚动轴承的轴承座垂直方向上安装有加速度传感器。

磁悬浮控制系统中，关闭控制器模块与电涡流位移传感器模块，仅开启功率放大器模块。通过外部信号发出器产生一个稳定幅值的信号，将外部信号输入功率放大器模块。将功率放大器模块的输出控制电流加载在磁悬浮轴承差动磁极的某一个单独磁极上，向运转的转子施加非接触的恒定幅值为60N的电磁力。

设置电机的转速为60Hz，即3600rpm，采集0.6s内轴承座的振动加速度信号。图6(b)为0.6-1.2s内的轴承座加速度振动时域图。将采集的信号进行Hilbert包络后进行FFT变化得到对应的包络谱图，如图7(b)所示。图6(a)与图7(a)分别为无电磁力下内圈故障轴承的轴承座处加速度时域图及其包络谱图。

对包络谱图进行分析可以发现，恒定的电磁力下，图7(b)中内圈故障特征频率f_i(352.8Hz)及其倍频的幅值比无电磁力下图7(a)内圈故障特征频率f_i(352.8Hz)及其倍频的幅值有了成倍的放大。故障特征频率信号的放大，非常有助于早期微弱的故障诊断。

实施例三：

转子的外围套设有SKF61901滚动轴承支承，在滚动轴承右侧的转子上安装有磁悬浮轴承，磁悬浮轴承在本实施例三中仅作为非接触式的电磁激振源，不起支承转子的作用。

通过线切割机床，在左侧的滚动轴承外圈人为的设置微小的故障，滚动轴承的轴承座垂直方向上安装有加速度传感器。

设置电机的转速为100Hz，即6000rpm。

磁悬浮控制系统中，关闭控制器模块与电涡流位移传感器模块，仅开启功率放大器模块。通过外部信号发出器产生一个稳定幅值的信号，将外部信号输入功率放大器模块。将功率放大器模块的输出控制电流加载在磁悬浮轴承差动磁极的某一个单独磁极上，向运转的转子施加非接触的恒定幅值的电磁力。

通过调节电流的幅值，分别向转子施加0N，30N，60N，90N，120N，150N，180N，240N，300N，360N，420N的恒定的电磁力。在不同的电磁力下，采集轴承座的振动加速度信号进行Hilbert包络后进行FFT变化得到对应的包络谱图，提取对应电磁力下包络谱图中外圈故障特征频率的幅值，绘制电磁力的幅值对故障特征信号幅值的影响图，如图8所示。

从趋势变化图中可以看出，故障特征信号的幅值随着电磁力的增大，开始有迅速的增大，随后增大的趋势减缓。电磁力下故障特征信号的幅值成倍的放大，非常有助于早期微弱的故障诊断。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台，其特征在于：包括转子(2)、套设于转子(2)外侧的用于支撑转子(2)的滚动轴承(3)及磁悬浮轴承系统，所述磁悬浮轴承系统包括安装于转子(2)上靠近滚动轴承(3)位置的磁悬浮轴承(1)及用于控制磁悬浮轴承(1)向转子(2)施加非接触式的恒定电磁激励力的磁悬浮轴承控制系统，所述磁悬浮轴承控制系统包括控制器模块、功率放大器模块及电涡流位移传感器模块。

2.一种如权利要求1所述的基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台的检测方法，其特征在于：包括如下步骤

步骤1：在滚动轴承-转子系统运行时，通过磁悬浮轴承控制系统对磁悬浮轴承所在位置的转子部分施加在线非接触式的恒定电磁激振力；

步骤2：通过安装于轴承座上的加速度传感器采集滚动轴承的振动信号，对采集的时域信号进行Hilbert变换，并获得包络谱图；

步骤3：对包络谱图中的滚动轴承故障特征频率信号进行分析，诊断轴承故障。

3.如权利要求2所述的基于电磁激励的滚动轴承故障检测平台的检测方法，其特征在于：所述步骤1中具体包括如下步骤

步骤1-1，磁悬浮控制系统中，关闭控制器模块与电涡流位移传感器模块，仅开启功率器放大模块；

步骤1-2，通过外部信号发出器产生一个稳定幅值的信号，将外部信号输入功率放大器模块；

步骤1-3，将功率放大器模块的输出控制电流加载在磁悬浮轴承差动磁极的某一个单独磁极上，向运转的转子施加非接触式的恒定电磁激励力。