CN110823568A - 轴承故障检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种轴承故障检测装置，包括驱动模块、固定件，轴承设于所述固定件上；传动轴，所述传动轴的两端分别与所述驱动模块和所述轴承连接，用于带动所述轴承转动；检测模块，所述检测模块分别与所述固定件和所述传动轴连接，用于检测所述轴承；当所述驱动模块驱动所述传动轴转动时，所述传动轴带动所述轴承转动，所述检测模块检测所述轴承转动时的状态，并将所述轴承转动时的状态转换为信号，通过所述信号判断所述轴承是否发生故障。进一步还涉及一种轴承故障检测方法，上述提供的轴承故障检测装置检结构简单，便于使用，且成本较低。

Description

轴承故障检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及故障检测装置，尤其涉及一种轴承故障检测装置及检测方法。

背景技术

在轴承故障诊断领域中，最为常见的基于各类信号的检测的方法，如通过检测信号、温度或噪音等，都需要再被测的设备上额外加装传感器，传感器的成本较高，在设备上的安装布置也有一定的要求，配套的其他装置价格也较高。在特定的技术领域中，如电机轴承故障检测，也可无需设置传感器，但其检测方法为基于定子电流信号分析的方法来获取轴承故障信息，该检测方法的难点在于定子电流的分析，由于工况复杂，现有算法难以获得准确的故障特征信号，从而导致误报或漏报的情况出现。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种轴承故障检测装置及检测方法，通过检测并分析轴承油膜电阻变化来进行轴承状态的诊断与分析，无需额外安装传感器，且成本较低。

一种轴承故障检测装置，包括驱动模块，所述轴承故障检测装置还包括：

固定件，轴承设于所述固定件上；

传动轴，所述传动轴的两端分别与所述驱动模块和所述轴承连接，用于带动所述轴承转动；

检测模块，所述检测模块分别与所述固定件和所述传动轴连接，用于检测所述轴承；

当所述驱动模块驱动所述传动轴转动时，所述传动轴带动所述轴承转动，所述检测模块检测所述轴承转动时的状态，并将所述轴承转动时的状态转换为信号，通过所述信号判断所述轴承是否发生故障。

在至少一个实施方式中，所述轴承包括内圈、外圈和滚动体，所述滚动体设于所述内圈和所述外圈之间并与所述内圈和外圈接触，所述固定件与所述外圈连接，所述传动轴与所述内圈连接。

在至少一个实施方式中，所述检测模块包括检测电路、信号采集单元、时域信号分析处理单元、频域信号分析处理单元及输出单元；

所述检测电路用于检测所述轴承的电阻并输出模拟信号，所述信号采集单元用于将所述模拟信号转换为时域信号，所述时域信号分析处理单元用于对所述时域信号进行处理与分析，得出所述轴承是否发生故障，所述频域信号分析处理单元用于判断所述轴承具体的故障位置，所述输出单元用于显示所述轴承出现故障的位置。

在至少一个实施方式中，所述检测电路包括电阻、第一电子测量仪器、第二电子测量仪器、电源及开关，所述开关、所述电源、所述电阻及所述轴承形成串联电路，所述第一电子测量仪器和所述第二电子测量仪器分别用于测量所述轴承的电流或电压。

一种轴承故障检测方法，用于检测轴承是否发生故障，包括如下步骤：

将轴承设于固定件上并与传动轴连接；

连接所述传动轴与驱动模块，检测模块分别与所述固定件和所述传动轴连接；

驱动所述传动轴转动以带动所述轴承转动；

检测所述轴承的电阻，以判断所述轴承是否发生故障。

在至少一个实施方式中，所述检测模块包括检测电路、信号采集单元、时域信号分析处理单元、频域信号分析处理单元及输出单元；在步骤“判断所述轴承是否发生故障”中包括：

所述检测电路检测所述轴承的电阻并输出模拟信号；

所述信号采集单元将所述模拟信号转换为时域信号；

所述时域信号分析处理单元对所述时域信号进行处理与分析，得出所述轴承是否发生故障；

所述频域信号分析处理单元判断所述轴承具体的故障位置；

所述输出单元显示最终的信号内容。

在至少一个实施方式中，所述时域信号分析处理单元通过将所述轴承是否损坏的状态定为R，所述R取0或1；

设定一段时间T，统计时间T内所述轴承电阻数据的标准差处于峰值和处于低谷的时间长度，分别为T1和T2；

设定值K，所述标准差与预定K值进行比较，所述标准差T1/T2大于所述值K时，所述R取1，所述标准差T1/T2小于所述值K时，所述R取0。

在至少一个实施方式中，所述频域信号分析处理单元使用快速傅里叶变换方法将所述时域信号转换为频域信号，以对所述轴承具体的故障部位进行判断。

在至少一个实施方式中，所述轴承具体的故障部位可为内圈、外圈或滚动体；

所述内圈的特征频率计算公式为：

所述外圈的特征频率计算公式为：

所述滚动体的特征频率计算公式为：

F_r为电机旋转频率，D_B为所述滚动体的直径，D_P为轴承节的圆直径，N_B为所述滚动体的个数，θ为接触角，所述接触角为所述滚动体与所述外圈滚道接触点的法线与所述轴承的回转半径之间的夹角。

在至少一个实施方式中，所述频域信号分析处理单元通过是否出现明显的相对峰值来判断所述故障部位；

预先设定频域分辨率f，设定值x，所述值x＝a*f，选取所述内圈、所述外圈和所述滚动体的任一特征频率，所述特征频率的频率范围X＝(特征频率-x，特征频率+x)；

预先设定频域分辨率f，设定值y，所述值y＝b*f，选取与所述值x对应的所述内圈、所述外圈和所述滚动体的特征频率，所述特征频率的频率范围Y＝(特征频率-y，特征频率+y)；

计算所述频率范围X和所述频率范围Y的幅值平均值Px和Py；

预先设定值H，通过判断Px/Py是否大于所述值H，以判断所述故障部位。

上述提供的轴承故障检测装置通过设有驱动模块、传动轴、固定件及设于固定件上的轴承，及用于检测轴承的检测模块，通过所述驱动模块带动所述传动轴转动，所述传动轴带动所述轴承转动，所述检测模块通过检测转动中的轴承并将检测的结果转换为信号，通过所述信号判断所述轴承是否发生故障。通过上述轴承故障检测装置及检测方法，能够有效的检测所述轴承是否发生故障，且所述故障轴承检测装置的结构简便，便于操作。

附图说明

图1为轴承故障检测装置的示意图。

图2为轴承分解示意图。

图3为检测模块的功能模块图。

图4为检测电路检测所述轴承的示意图。

图5为图1所示的轴承故障检测装置的检测流程图。

图6为轴承未发生故障时的示意图。

图7为轴承发生故障时的示意图。

图8为在时域信号分析处理单元中得到一段数据后将数据通过快速傅氏变换得到的全频段频谱。

图9为在一实施方式中包含外圈的故障特征频率。

图10为在图9的基础上进一步得到频率范围X和频率范围Y的选择范围。

主要元件符号说明

轴承故障检测装置 100

驱动模块 10

传动轴 20

固定件 30

轴承 40

内圈 41

外圈 42

滚动体 43

保持架 44

检测模块 50

检测电路 51

电阻 R1

等效电阻 R2

第一电子测量仪器 511

第二电子测量仪器 512

电源 513

开关 514

信号采集单元 52

时域信号分析处理单元 53

频域信号分析处理单元 54

输出单元 55

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“顶”、“底”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，所述轴承故障检测装置100用于检测轴承40是否发生故障。进一步地，所述轴承故障检测装置100用于检测滚动轴承。

所述轴承故障检测装置100包括驱动模块10、传动轴20、固定件30，所述轴承40设于所述固定件30上及检测模块50。所述传动轴20的两端分别与所述驱动模块10和所述轴承40连接，用于带动所述轴承40转动，所述检测模块50分别与所述固定件30和所述传动轴20连接，用于检测所述轴承40。

当所述驱动模块10驱动所述传动轴20转动时，所述传动轴20带动所述轴承40转动，所述检测模块50检测所述轴承40转动时的状态，并将所述轴承40转动时的状态转换为信号，通过所述信号判断所述轴承是否发生故障。

请参阅图1，所述驱动模块10与所述传动轴20的一端连接，以驱动所述传动轴20转动。进一步地，所述驱动模块10为电机。可以理解的是，所述驱动模块10还可替换为其他具有同等效果或作用的装置。在一具体实施方式中，所述驱动模块10驱动所述传动轴20转动的转速不高，以避免所述传动轴20高速转动时与所述检测模块50之间的连接易发生脱落。所述固定件30设于所述轴承40表面，进一步地，所述固定件30为轴承固定座。

请参阅图2，所述轴承40包括内圈41、外圈42、滚动体43和保持架44。所述滚动体43设于所述内圈41和所述外圈42之间并与所述内圈41和所述外圈42接触，进一步地，可形成点接触。所述内圈41套设在所述传动轴20表面，所述固定件30设于所述外圈42表面。

请参阅图1，所述检测模块50分别与所述传动轴20和所述固定件30连接，以通过所述传动轴20和固定件30检测所述轴承40的内圈41、外圈42及滚动体43是否发生故障。在一具体实施方式中，所述检测模块50通过一弹簧结构(图未标示)与所述传动轴20连接，以使得所述检测模块50与所述传动轴20连接的接触面较为稳定。可以理解的是，所述保持架44一般为非金属材料，所述保持架44的故障信息无法检测出来。当所述保持架44采用金属材料制成时，所述检测模块50也可对所述保持架44进行检测。

请参阅图3，所述检测模块50包括检测电路51、信号采集单元52、时域信号分析处理单元53、频域信号分析处理单元54及输出单元55。所述检测电路51用于检测所述轴承40的电阻并输出模拟信号，进一步地，所述检测电路51用于检测所述轴承40油膜电阻的变化。所述信号采集单元52用于将所述模拟信号转换为时域信号，所述时域信号分析处理单元53用于对所述时域信号进行处理与分析，得出所述轴承40是否发生故障，所述频域信号分析处理单元54用于判断所述轴承40具体的故障位置，所述输出单元55用于显示所述轴承40出现故障的位置。

请参阅图2和图4，所述检测电路51包括电阻R1，第一电子测量仪器511、第二电子测量仪器512、电源513及开关514。在一具体实施方式中，因一般情况下，所述轴承40的内圈41、外圈42和滚动体43均为良好的导体，所述内圈41、所述外圈42和所述滚动体43可为稳定的点接触的状态，故可将所述轴承40当做为一等效电阻R2。所述电阻R1、等效电阻R2、电源513及开关514形成一串联电路。所述第一电子测量仪器511和所述第二电子测量仪器512分别用于测量所述等效电阻R2的电流或电压。可以理解的是，采用所述电流信号作为判断依据时，所述电阻R1用于限流。采用所述电压作为判断依据时，所述电阻R1用于分压。所述检测电路51通过利用分压电路测得所述等效电阻R2两端的电压差。

优选的，在一些实施方式中，所述第一电子测量仪器511和所述第二电子测量仪器512为示波器。

在另一些实施方式中，所述第一电子测量仪器511可为电流表，用于测量所述等效电阻R2的电流。所述第二电子测量仪器512可为电压表，用于测量所述等效电阻R2的电压。可以理解的是，所述第一电子测量仪器511也可为电压表，所述第二电子测量仪器512也可为电流表。

请参阅图5，为所述轴承故障检测装置100的检测过程。在将所述轴承40连接至所述检测模块50后，启动所述轴承40转动，所述检测模块50判断所述轴承40是否发生故障。若未发生故障，则检测结束；当所述时域信号分析处理单元53检测到所述轴承40发生故障时，所述频域信号分析处理单元54再进一步判断所述轴承40发生故障的位置，直至结束。

请参阅图6和图7，当所述轴承40组件完好时，油膜存在于接触点，由于油膜有一定的绝缘特性，所述轴承40的电阻将平稳且较大，所述轴承40在最终的输出单元55显示出的信号较为平稳。当所述轴承40的接触点出现破损时，位于接触点上的油膜被破坏，接触点的状态不再稳定，所述轴承40在最终的输出单元55显示出的信号出现跳动的现象。

在一实施方式中，还涉及一种轴承故障检测方法，该检测方法应用于上述的轴承故障检测装置100中，包括如下步骤：

通过将所述轴承40设于固定件30上并与传动轴20连接；

连接所述传动轴20与驱动模块10，检测模块50分别与所述固定件30和所述传动轴20连接。

驱动所述传动轴20转动以带动所述轴承40转动；

检测所述轴承40的电阻，以判断所述轴承40是否发生故障。

请参阅图3，进一步地，因所述检测模块50包括检测电路51、信号采集单元52、时域信号分析处理单元53、频域信号分析处理单元54及输出单元55。在步骤“判断所述轴承40是否发生故障”中包括：

所述检测电路51检测所述轴承40的电阻并输出模拟信号；

所述信号采集单元52将所述模拟信号转换为时域信号；

所述时域信号分析处理单元53对所述时域信号进行处理与分析，得出所述轴承40是否发生故障；

所述频域信号分析处理单元54判断所述轴承40具体的故障位置；

所述输出单元55显示最终的信号内容。

所述检测电路51测得是模拟信号，所述信号采集单元52将连续的模拟信号经数模转换、采样、滤波等处理后，转换为时域上的数字信号。

所述时域信号分析处理单元53利用时域信号检测方式，对所述时域信号进行处理与分析，得出所述轴承40是否有故障的初步结论。所述时域信号检测的具体方式为：

首先将所述轴承40是否损坏的状态定义为R，所述R可取0或1；

设定一段时间T，统计时间T内所述轴承40电阻数据的标准差处于峰值和处于低谷的时间长度，分别为T1和T2；

预先设定值K，所述标准差与预定值K进行比较，当所述T1/T2的值大于所述值K时，所述R取1；当所述T1/T2的值小于所述值K时，所述R取0。

可以理解的是，所述R取0或1，而0或1代表的结论由本领域的人员进行设定。所述值K是根据电压处于峰值和低谷的时间长度定义的，具体数值需要根据具体情况去设定。

请参阅图8，所述频域信号分析处理单元54使用快速傅里叶方法将时域信号转换为频域信号，通过利用频域信号检测方式，判断所述轴承40具体的故障位置。所述频域信号检测方式的具体内容为：

首先利用所述轴承40的尺寸及所述轴承40转速信息，计算出所述轴承40的内圈41、外圈42及滚动体43的故障特征频率：

计算所述内圈41的故障特征频率f_i的公式为

计算所述外圈42的故障特征频率f_o的公式为

计算所述滚动体43的故障特征频率f_s的公式为

其中F_r为电机旋转频率，D_B为所述滚动体的直径，D_p为轴承节的圆直径，N_B为所述滚动体的个数，θ为接触角，即所述接触角为所述滚动体43与所述外圈42滚道接触点的法线与所述轴承40的回转半径之间的夹角。

再观察出现故障处的峰值，当出现明显的相对峰值时，即可判定该所述峰值对应的位置处出现故障。其中，所述相对峰值为一峰值与各峰值的平均值之比。

请参阅图9和图10，在一具体实施方式中，以所述轴承40的外圈42出现故障为例，所述峰值的判断方法为：

预先设定频域分辨率f，设定值x，所述值x可取值为x＝a*f，选取一个包含所述外圈42故障特征频率f_o的频率范围X＝(f_o-x，f_o+x)；

预先设定频域分辨率f，设定值y，所述y可取值为y＝b*f，选取一个包含所述外圈42故障特征频率f_o的频率范围Y＝(f_o-y，f_o+y)；

计算所述频率范围X和所述频率范围Y的幅值平均值Px和Py；

预先设定值H，判断Px/Py比值与所述值H的大小，即可判断所述外圈42是否发生故障。在一具体实施方式中，当所述Px/Py大于所述值H时，所述外圈42出现故障。

可以理解的是，所述频率范围X和所述频率范围Y是为了得到所述外圈42故障特征频率f_o的一段范围之间的值。在一具体实施方式中，所述频域分辨率f为5，也可替换为其他值，具体依据检测时的需要进行设定。所述设定值x中a的值可选1～3，所述设定值y中b的值可选20～25。可以理解的是，a和b的选取范围也可依据检测时的具体情况进行改变。所述值x和值y的故障部位选取的一致，即同时选取所述外圈42或所述内圈41。该峰值的判断方法可直接套用于所述内圈41、外圈42或滚动体43上，以判断是否为套用的部位出现故障。

可在所述输出单元55上观察所显示的结果，即可了解到所述轴承40是否发生故障及哪一位置发生故障。

可以理解的是，因所述轴承40的特性，当所述内圈41或所述外圈42发生破损时，所述滚动体43将以故障特征频率f_i和f_o通过破损点。通过所述破损点时，因金属接触电压将发生瞬时的变化，在频谱上的故障特征频率f_i和f_o及其附近可以观察到明显的峰值。相应的，当所述滚动体43发生破损时，在频谱上的故障特征频率f_s及倍谱上将出现峰值。

综上所述，本发明实施方式中提供的一种轴承故障检测装置100及检测方法，通过设置驱动模块10、传动轴20、固定件30及设于所述固定件上的轴承40，以及检测模块50。将所述轴承40与所述传动轴20和所述固定件30接触，再将所述传动轴20及所述固定件30连接至所述检测模块50上，使得所述轴承40转动，通过所述检测模块50以检测所述轴承40是否发生故障，且通过所述检测模块50进一步判断所述轴承40发生故障的具体位置。通过使用该检测装置，无需设置传感器及配套的装置，降低了成本的同时，使用便捷且可以避免外部的干扰，可有效避免误报或漏报的情况。

另外，本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种轴承故障检测装置，包括驱动模块，其特征在于，所述轴承故障检测装置还包括：

固定件，轴承设于所述固定件上；

传动轴，所述传动轴的两端分别与所述驱动模块和所述轴承连接，用于带动所述轴承转动；

检测模块，所述检测模块分别与所述固定件和所述传动轴连接，用于检测所述轴承；

当所述驱动模块驱动所述传动轴转动时，所述传动轴带动所述轴承转动，所述检测模块检测所述轴承转动时的状态，并将所述轴承转动时的状态转换为信号，通过所述信号判断所述轴承是否发生故障。

2.如权利要求1所述的轴承故障检测装置，其特征在于：所述轴承包括内圈、外圈和滚动体，所述滚动体设于所述内圈和所述外圈之间并与所述内圈和外圈接触，所述固定件与所述外圈连接，所述传动轴与所述内圈连接。

3.如权利要求1所述的轴承故障检测装置，其特征在于：所述检测模块包括检测电路、信号采集单元、时域信号分析处理单元、频域信号分析处理单元及输出单元；

所述检测电路用于检测所述轴承的电阻并输出模拟信号，所述信号采集单元用于将所述模拟信号转换为时域信号，所述时域信号分析处理单元用于对所述时域信号进行处理与分析，得出所述轴承是否发生故障，所述频域信号分析处理单元用于判断所述轴承具体的故障位置，所述输出单元用于显示所述轴承出现故障的位置。

4.如权利要求3所述的轴承故障检测装置，其特征在于：所述检测电路包括电阻、第一电子测量仪器、第二电子测量仪器、电源及开关，所述开关、所述电源、所述电阻及所述轴承形成串联电路，所述第一电子测量仪器和所述第二电子测量仪器分别用于测量所述轴承的电流或电压。

5.一种轴承故障检测方法，用于检测轴承是否发生故障，其特征在于包括如下步骤：

将轴承设于固定件上并与传动轴连接；

连接所述传动轴与驱动模块，检测模块分别与所述固定件和所述传动轴连接；

驱动所述传动轴转动以带动所述轴承转动；

检测所述轴承的电阻，以判断所述轴承是否发生故障。

6.如权利要求5所述的轴承故障检测方法，其特征在于：所述检测模块包括检测电路、信号采集单元、时域信号分析处理单元、频域信号分析处理单元及输出单元；在步骤“判断所述轴承是否发生故障”中包括：

所述检测电路检测所述轴承的电阻并输出模拟信号；

所述信号采集单元将所述模拟信号转换为时域信号；

所述时域信号分析处理单元对所述时域信号进行处理与分析，得出所述轴承是否发生故障；

所述频域信号分析处理单元判断所述轴承具体的故障位置；

所述输出单元显示最终的信号内容。

7.如权利要求6所述的轴承故障检测方法，其特征在于：所述时域信号分析处理单元通过将所述轴承是否损坏的状态定为R，R取0或1；

设定一段时间T，统计时间T内所述轴承电阻数据的标准差处于峰值和处于低谷的时间长度，分别为T1和T2；

预先设定值K，所述标准差与预定值K进行比较，所述标准差T1/T2大于所述值K时，所述R取1，所述标准差T1/T2小于所述值K时，所述R取0。

8.如权利要求7所述的轴承故障检测方法，其特征在于：所述频域信号分析处理单元使用快速傅里叶变换方法将所述时域信号转换为频域信号，以对所述轴承具体的故障部位进行判断。

9.如权利要求8所述的轴承故障检测方法，其特征在于：所述轴承具体的故障部位可为内圈、外圈或滚动体；

所述内圈的特征频率计算公式为：

所述外圈的特征频率计算公式为：

所述滚动体的特征频率计算公式为：

F_r为电机旋转频率，D_B为所述滚动体的直径，D_p为轴承节的圆直径，N_B为所述滚动体的个数，θ为接触角，所述接触角为所述滚动体与所述外圈滚道接触点的法线与所述轴承的回转半径之间的夹角。

10.如权利要求9所述的轴承故障检测方法，其特征在于：所述频域信号分析处理单元通过是否出现明显的相对峰值来判断所述故障部位；

预先设定频域分辨率f，设定值x，所述值x＝a*f，选取所述内圈、所述外圈和所述滚动体的任一特征频率，所述特征频率的频率范围X＝(特征频率-x，特征频率+x)；

预先设定频域分辨率f，设定值y，所述值y＝b*f，选取与所述值x对应的所述内圈、所述外圈和所述滚动体的特征频率，所述特征频率的频率范围Y＝(特征频率-y，特征频率+y)；

计算所述频率范围X和所述频率范围Y的幅值平均值Px和Py；

预先设定值H，通过判断Px/Py是否大于所述值H，以判断所述故障部位。

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