CN113686579B - 扭振自监测的双列圆锥滚子轴承及扭振监测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种扭振自监测的双列圆锥滚子轴承，其包括：轴承本体、用于将轴承本体的圆锥滚子的机械能转化为电能的压电俘能装置、用于接收所述压电俘能装置输出的电信号的监测采集单元以及与所述监测采集单元通讯连接的用于诊断轴承是否发生故障的处理单元；此外本申请还提供一种扭振自监测的双列圆锥滚子轴承的扭振监测方法。本申请利用压电俘能器产生的电信号间接获得轴承转速信号；压电俘能装置可高效的收集滚动体旋转产生的能量，并将能量供给信号处理模块，实现扭振自监测，实现对轴承故障的高效可靠诊断与预测。

Description

扭振自监测的双列圆锥滚子轴承及扭振监测方法

技术领域

本发明涉及轴承及轴承故障诊断领域技术领域，尤其涉及一种扭振自监测的双列圆锥滚子轴承及扭振监测方法。

背景技术

滚动轴承由于长期处于高温、高速、重载等极端工况，容易发生故障，并导致装备工作效率降低甚至无法正常运行。据统计，有大约20％的齿轮箱故障以及40％的感应电机故障都是由滚动轴承的故障所引发的。因此，近年来轴承故障诊断技术已引起人们广泛关注。传统的轴承状态监测方法是通过在远离轴承本体的固定位置，比如齿轮箱体，处布置振动传感器，通过对振动信号进行时频域分析来提取故障特征，并利用诊断算法实现对轴承状态的诊断和预测，然而，由于轴承高转速、强冲击的工况特点，振动信号中的早期故障特征非常微弱，提取和识别难度大。同时，由于装备内部机械结构复杂，轴承本体的振动信号在到达外部测点的过程中，会受到其他部件的强烈干扰和耦合，导致有效的状态检测十分困难。此外，监测系统安装在轴承内部，若采用传统供电方式，如电池供电，由于电池寿命有限，会造成电池频繁更换的问题，从而增加人力成本以及环境污染。

有鉴于此，亟需一种能自供电的且具有监测功能的轴承及轴承扭振监测方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种扭振自监测的双列圆锥滚子轴承，其特征在于：包括：轴承本体、用于将轴承本体的圆锥滚子的机械能转化为电能的压电俘能装置、用于接收所述压电俘能装置输出的电信号的监测采集单元以及与所述监测采集单元通讯连接的用于诊断扭振自监测的双列圆锥滚子轴承是否发生故障的处理单元；

其中，所述监测采集单元包括自供电模块和信号处理子单元，所述自供电模块的输入端与所述压电俘能装置的输出端电连接，所述自供电模块输出端与所述信号处理子单元电源端连接，用于给处理子单元提供工作用电，所述信号处理子单元的输入端与所述压电俘能装置的输出端电连接，用于将接收到的电信号转换为轴承转速信息，并将所述转速信息传输给所述处理单元。

进一步，所述处理单元包括数据预处理单元和故障诊断单元，其中所述数据预处理单元用于接收所述信号处理子单元传输的数据并对所述数据进行预处理，同时，将预处理后的数据传输至故障诊断单元，所述故障诊断单元根据预处理后的数据诊断扭振自监测的双列圆锥滚子轴承是否发生故障。

进一步，所述数据预处理单元包括用于接收所述信号处理子单元传输数据的数据获取单元、用于接收所述数据获取单元的数据并过滤所述数据中的噪声的包络解调单元、用于接收所述包络解调单元输出的数据并对所述数据进行零点数据插值的数据零点插值单元、用于接收所述数据零点插值单元输出的数据并对数据进行周期平均滤波的周期平均数据滤波单元、用于接收所述周期平均数据滤波单元的数据并确定周期平均转速的平均转速确定单元以及用于确定圆锥滚子转过的扭角的扭角确定单元。

进一步，所述故障诊断单元包括用于接收所述扭角确定单元的数据并对数据进行切片排序处理的数据切片排序单元、用于接收所述数据切片排序单元的数据并对数据进行补零的数据补零单元以及用于接收所述数据补零单元的数据并对数据进行特征频率定位的定位单元。

进一步，所述压电俘能装置设置于所述轴承本体的圆锥滚子的顶点的一侧。

进一步，所述压电俘能装置包括磁铁、悬臂梁和压电片，所述悬臂梁的固定端与外圈固定连接，所述磁铁与悬臂梁自由端固定连接，所述压电片与悬臂梁的固定端固定连接。

进一步，所述轴承本体的外圈内侧壁设置有容纳所述悬臂梁固定端的环形凹槽。

相应地，本申请还提供一种扭振自监测的双列圆锥滚子轴承的扭振监测方法，其特征在于：所述方法适用于扭振自监测的双列圆锥滚子轴承，所述方法包括如下步骤：

S1：采集压电俘能装置的电信号，并将所述电信号转换为轴承转速数据；

通过AD转换器，将压电俘能装置输出的点信号转换为传感器量程范围内的数字信号，量化后的数字信号为轴承转速数据；

S2：对轴承转速数据进行预处理：所述预处理包括：去噪、零点数据插值和滤波；

S3：根据预处理后的数据确定瞬时转速的平均转速；

S4：根据平均转速确定每个圆锥滚子的扭角；

S5：判断步骤S4获得的扭角是否明显大于轴系正常运转时计算得到的扭角均值，若是，则扭振自监测的双列圆锥滚子轴承故障，反之，则扭振自监测的双列圆锥滚子轴承未发生故障。

本发明的有益技术效果：本申请提供的扭振自监测的双列圆锥滚子轴承及监测方法，利用压电俘能器产生的电信号间接获得轴承转速信号，且采集的转速信号直接来自于轴承本体，使获取的转速信号更加准确可靠；压电俘能装置可高效的收集滚动体旋转产生的能量，并将能量供给信号处理模块，实现扭振自监测；基于高频采样的零点线性插值重采样的方法解决了现有扭振测试系统晶振采样频率不足的问题，基于三点卷积幅值校正公式的窗函数有效避免了快速傅里叶变换导致的能量泄露，保证了幅值谱的幅值精度，提高了扭振共振频率测量的精度，实现对轴承故障的高效可靠诊断与预测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构剖视图。

图2为图1的I部放大图。

图3为扭振诊断算法结构架构示意图。

图4为扭振诊断算法流程图。

图5为扭角计算流程图。

图6为预处理信号示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：

本发明提供一种扭振自监测的双列圆锥滚子轴承，其特征在于：图1为本发明的结构剖视图，图2为图1的I部放大图，包括：轴承本体、用于将轴承本体的圆锥滚子的机械能转化为电能的压电俘能装置6、用于接收所述压电俘能装置6输出的电信号的监测采集单元4以及与所述监测采集单元4通讯连接的用于诊断轴承是否发生故障的处理单元5；所述轴承本体包括内圈1、外圈2、圆锥滚子3，

其中，所述监测采集单元4包括自供电模块和信号处理子单元，所述自供电模块的输入端与所述压电俘能装置6的输出端电连接，所述自供电模块的用于给所述信号处理子单元提供工作用电，所述信号处理子单元的输入端与所述压电俘能装置6的输出端电连接，用于将接收到的电信号转换为轴承转速信息，并将所述转速信息传输给处理单元5。

本发明的轴承扭振体自监测原理如下：假设轴承外圈固定，在轴承工作过程中，圆锥滚子随着轴承旋转按照一定规律转动，轴承转速nr与滚动体转速nc的关系为：nr＝nc，当靠近悬臂梁一侧的圆锥滚子与悬臂梁相对时，由于磁力作用，悬臂梁上的磁铁向滚动体靠近，压电片产生大变形，当滚动体远离悬臂梁时，磁铁与滚动体分离，悬臂梁带动压电片振动，产生电信号，压电片进行俘能，俘能装置产生的电能经导线传输给监测电路板的自供电模块，自供电模块对电能进行能量管理后，将电能供给信号处理模块，重复这一工作循环，信号处理模块可捕捉到携带有圆锥滚子转速信息的一连串电信号，圆锥滚子个数Z，外圈每转动一圈，将产生Z个携带着悬臂梁基频的脉冲信号，脉冲频率为fs,无线传输模块将转速信息传输到PC机，利用扭振诊断算法对滚子轴承进行故障诊断，首先，将无线上传的转速信号传入PC端的labview内mathscript程序框图进行信号预处理，如图4所示，由于磁铁间歇式靠近滚动体，压电片产生衰减的电信号，导致得到的转速信号是周期衰减的信号，为得到解调后的转速信号,需要先对信号进行包络解调，提取低频下的转速信号；由于圆锥滚子轴承的制造误差、采集系统的时间计数器误差以及低转速下脉冲相对系数等系统采集问题会导致实际计算得到的转速信号存在锯齿效应，对转速信号进行滑动平均滤波，抑制信号中的锯齿效应；将滑动平均处理后的瞬时转速信号进行积分求平均得到每个周期的平均转速信号，将瞬时转速信号和平均转速信号进行相减得到瞬时扭角信号，即轴承每转一圈的扭角，如图5所示，将扭角进行积分即可得到圆锥滚子的扭振信号，对扭振时域信号进行时频分析，根据扭角值判断轴承是否存在故障，实现故障诊断。

在本实施例中，如图3所示，所述处理单元5包括数据预处理单元51和故障诊断单元52，其中所述数据预处理单元15用于接收所述信号处理子单元传输的数据并对所述数据进行预处理，同时，将预处理后的数据传输至故障诊断单元，所述故障诊断单元52根据预处理后的数据诊断轴承是否发生故障。

所述数据预处理单元5包括用于接收所述信号处理子单元传输数据的数据获取单元511、用于接收所述数据获取单元的数据并过滤所述数据中的噪声的包络解调单元512、用于接收所述包络解调单元输出的数据并对所述数据进行零点数据插值的数据零点插值单元513、用于接收所述数据零点插值单元输出的数据并对数据进行周期平均滤波的周期平均数据滤波单元514、用于接收所述周期平均数据滤波单元的数据并确定周期平均转速的平均转速确定单元515以及用于确定圆锥滚子转过的扭角的扭角确定单元516。

包络解调单元512，由于磁体靠近或远离滚动体使得悬臂梁带动压电片产生振动，导致无线传输的转速信号是一个震荡衰减的信号，压电片的谐振频率被圆锥滚子的通过所调制，导致无线传输的转速信号是一个震荡衰减的信号，对原始转速信号进行包络解调，过滤高频噪声,得到圆锥滚子的通过频率。

数据零点插值单元513，首先使用线性插值算法确定零点在的范围，之后利用了三次样条插值在零点位置进行了插值，其中线性插值求零点的式子为：

式中，x_k+1和x_k分别代表插值后相邻的两个数据点，且正负单位不同，k代表插值后的第k个数据,S代表零点所处的位置。

根据式(1)计算出s,将存入数组P(j),P(j)记录了转过各圆锥滚子的时间信息

T_j＝[P(j+1)-P(j)]/f_s(2)

则圆锥滚子轴承的顺时转速可以通过转过每个圆锥滚子的时间T_j来求得

求得转过每个圆锥滚子轴承的瞬时转速n_i。

周期平均数据滤波单元514，首先会根据定义好的周期平均数和圆锥滚子平均数，利用相邻转子下的转速信号以及相邻周期下转子的转速信号进行滑动累加平均对原始转速信号进行处理，并将平滑处理后的结果当作等角度下的瞬时转速信号。

其中周期平均求瞬时转速式子为：

式中，n代表周期平均后的瞬时转速信号，M代表周期平均的循环数，Z代表圆锥滚子数。

滚子平均求瞬时转速式子为：

式中n代表圆锥滚子平均后的瞬时转速信号，m代表圆锥滚子平均的循环数。

平均转速确定单元515首先会根据双列圆锥滚子轴承每转一个周期采集并处理得到的瞬时转速来进行积分平均，根据计算得到的转速来作为当前周期的平均转速，其中积分平均的式子为：

扭角确定单516，用于求取双列圆锥滚子轴承在工作时产生的扭角，通过周期平均处理滤波处理得到的瞬时转速和平均转速确定单元计算得到的平均转速进行相减并乘以每个转速求得后的时间来积分来得到轴承工作产生的扭角，其中扭角计算的式子为：

式中θ代表轴承的扭角，n_i代表第i个圆锥滚子处的瞬时转速，n_ci代表第i个圆锥滚子处的平均转速，T_i代表第i个圆锥滚子转过的时间。数据预处理效果如图6所示。

如图3所示，所述故障诊断单元52包括用于接收所述扭角确定单元的数据并对数据进行切片排序处理的数据切片排序单元521、用于接收所述数据切片排序单元的数据并对数据进行补零的数据补零单元522以及用于接收所述数据补零单元的数据并对数据进行特征频率定位的定位单元524。

故障诊断模块52的具体过程为：

步骤1：将数据预处理模块51得到的扭角数据传入另一个mathscript节点的程序框图进行故障诊断分析；

步骤2：对传入的扭角数据进行故障诊断分析；

步骤3：根据故障诊断分析后的结果求取双列圆锥滚子轴承当前转速下的扭振共振频率，以此来预防故障发生。

数据切片排序单元521，首先之前计算得到的扭角序列数据是根据双列圆锥滚子轴承每转过等角度采集到的，为方便后续进行傅里叶变换，需要根据每个数据点的时刻进行重新排序，得到扭角的时域序列数据，将数据与正常轴承扭角阈值进行对比，判断轴承是否存在故障，实现故障诊断。

数据补零单元522，对所述时域序列数据进行数据补零，得到周期扭振数据；

窗函数滤波模块523，为防止由于信号在进行时频分析时，进行快速傅里叶变换(fast Fourier transformation,简称FFT)之前的加窗导致的能量泄露，使用3点卷积幅值校正法对信号进行处理；

定位单元524，将数据经过傅里叶变化得到的幅值谱进行分析，求得最大幅值处的频率，即为该转速下双列圆锥滚子轴承扭振产生的最大共振频率，基于此共振频率可以在设计系统时规避此共振频率。

在本实施例中，图1为本发明的结构剖视图，图2为图1的I部放大图，如图所示，所述压电俘能装置6设置于所述轴承本体的圆锥滚子的顶点的一侧。所述压电俘能装置6包括磁铁61、悬臂梁62和压电片63，所述悬臂梁62的固定端与外圈2固定连接，所述磁铁61与悬臂梁62自由端固定连接，所述压电片63与悬臂梁62的固定端固定连接。压电片63的材料分别选用65锰钢和PZT5。所述轴承本体的外圈2内侧壁设置有容纳所述悬臂梁固定端的环形凹槽。轴承本体的内圈1保持架材料为无磁性材料，外圈2内壁中心处设有凹槽；

本实施例中，所述压电俘能装置66安装位置靠近圆锥滚子3一列，所述悬臂梁62上的磁铁61通过磁力向圆锥滚子3靠近，悬臂梁62带动压电片63振动产生能量。

相应地本发明还提供一种扭振自监测的双列圆锥滚子轴承的扭振监测方法，其特征在于：所述方法适用于扭振自监测的双列圆锥滚子轴承，所述方法包括如下步骤：

S1：采集压电俘能装置的电信号，并将所述电信号转换为轴承转速数据；

通过AD转换器，将压电俘能装置输出的点信号转换为传感器量程范围内的数字信号，量化后的数字信号为轴承转速数据；

S2：对轴承转速数据进行预处理：所述预处理包括：去噪、零点数据插值和滤波；

S3：根据预处理后的数据确定瞬时转速的平均转速；

S4：根据平均转速确定每个圆锥滚子的扭角；

S5：判断步骤S4获得的扭角是否明显大于轴系正常运转时计算得到的扭角均值，若是，则轴承故障，反之，则轴承未发生故障。

相应地，本申请还提供一种扭振共振频率的确定方法，

S1：采集压电俘能装置6的电信号，电信号经过AD转换器，量化为传感器量程范围内的数字信号，将此量化后的数字信号作为数据预处理的原始数据来计算得到轴承转速数据,数据预处理中的包络解调是由于量化得到的数字信号是震荡衰减信号，包络解调剔除噪声，提取其中的低频成分来进行线性插值求零点；

S2：对轴承转速数据进行预处理：上述预处理包括：去噪、零点数据插值和滤波；

S3：根据预处理后的数据确定瞬时转速的平均转速；

S4：根据平均转速确定每个圆锥滚子的扭角；

S5：对步骤S4的数据进行切片排序获得时域数据，并对所述时域数据进行补零和滤波；

S6：根据步骤S5处理后的数据的幅值谱进行特征频率定位，获得扭振共振频率。

设计轴系系统时，所测得的扭振共振频率可参考为应该规避的频率，比如圆锥滚子数不应该是共振频率的整数倍，不然工作时容易发生共振频率；

轴承发生故障的判定依据是根据扭角的大小决定的，若计算得到的轴系扭角明显大于轴系正常运转时计算得到的扭角均值，则可以判定轴承发生故障。

本发明公开的一种扭振自监测的双列圆锥滚子轴承的扭振监测方法，不通过传感器，利用压电俘能器产生的电信号间接的获得轴承转速信号，且采集的转速信号直接来自于轴承本体，使获取的转速信号更加准确可靠；压电俘能装置6可高效的收集滚动体旋转产生的能量，并将能量供给信号处理模块，实现扭振自监测；扭振诊断算法中的包络解调单元，利用hirbert解调高频衰减噪声，过滤振动噪声，保证数据零点差值模块能够得到真实的零点；扭振诊断算法中的周期平均数据滤波单元可以抑制转速信号存在的锯齿现象，提高扭振测量的精度；扭振诊断算法中数据零点插值单元可以将相邻圆锥滚子的具体时间经过零点插值方法提高采样频率，解决了微控制器晶振频率不足的问题；扭振诊断算法中的数据切片排序模块用于对扭振数据根据具体时间进行重新切片排序，使得扭振时域信号可以用于时频处理；轴承自身具有自供电传感监测功能，作为独立标准部件使用，可安装在需要进行轴承故障监测的机械装备上，实现真正意义上的在线监测，该发明在轴承技术及检测技术领域具有广泛的应用前景。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种扭振自监测的双列圆锥滚子轴承，其特征在于：包括：轴承本体、用于将轴承本体的圆锥滚子的机械能转化为电能的压电俘能装置、用于接收所述压电俘能装置输出的电信号的监测采集单元以及与所述监测采集单元通讯连接的用于诊断扭振自监测的双列圆锥滚子轴承是否发生故障的处理单元；

所述监测采集单元包括自供电模块和信号处理子单元，所述自供电模块的输入端与所述压电俘能装置的输出端电连接，所述自供电模块输出端与所述信号处理子单元电源端连接，用于给处理子单元提供工作用电，所述信号处理子单元的输入端与所述压电俘能装置的输出端电连接，用于将接收到的电信号转换为轴承转速信息，并将所述转速信息传输给所述处理单元；

所述压电俘能装置设置于所述轴承本体的圆锥滚子的顶点的一侧；所述压电俘能装置包括磁铁、悬臂梁和压电片，所述悬臂梁的固定端与外圈固定连接，所述磁铁与悬臂梁自由端固定连接，所述压电片与悬臂梁的固定端固定连接；当靠近悬臂梁一侧的圆锥滚子与悬臂梁相对时，由于磁力作用，悬臂梁上的磁铁向圆锥滚子靠近，压电片产生大变形，当圆锥滚子远离悬臂梁时，磁铁与圆锥滚子分离，悬臂梁带动压电片振动，产生电信号。

2.根据权利要求1所述扭振自监测的双列圆锥滚子轴承，其特征在于：所述处理单元包括数据预处理单元和故障诊断单元，其中所述数据预处理单元用于接收所述信号处理子单元传输的数据并对所述数据进行预处理，同时，将预处理后的数据传输至故障诊断单元，所述故障诊断单元根据预处理后的数据诊断扭振自监测的双列圆锥滚子轴承是否发生故障。

3.根据权利要求2所述扭振自监测的双列圆锥滚子轴承，其特征在于：所述数据预处理单元包括用于接收所述信号处理子单元传输数据的数据获取单元、用于接收所述数据获取单元的数据并过滤所述数据中的噪声的包络解调单元、用于接收所述包络解调单元输出的数据并对所述数据进行零点数据插值的数据零点插值单元、用于接收所述数据零点插值单元输出的数据并对数据进行周期平均滤波的周期平均数据滤波单元、用于接收所述周期平均数据滤波单元的数据并确定周期平均转速的平均转速确定单元以及用于确定圆锥滚子转过的扭角的扭角确定单元。

4.根据权利要求3所述扭振自监测的双列圆锥滚子轴承，其特征在于：所述故障诊断单元包括用于接收所述扭角确定单元的数据并对数据进行切片排序处理的数据切片排序单元、用于接收所述数据切片排序单元的数据并对数据进行补零的数据补零单元以及用于接收所述数据补零单元的数据并对数据进行特征频率定位的定位单元。

5.根据权利要求1所述扭振自监测的双列圆锥滚子轴承，其特征在于：所述轴承本体的外圈内侧壁设置有容纳所述悬臂梁固定端的环形凹槽。

6.一种扭振自监测的双列圆锥滚子轴承的扭振监测方法，其特征在于：所述方法适用于权利要求1-5任一所述的扭振自监测的双列圆锥滚子轴承，所述方法包括如下步骤：

S1：采集压电俘能装置的电信号，并将所述电信号转换为轴承转速数据；

通过AD转换器，将压电俘能装置输出的点信号转换为传感器量程范围内的数字信号，量化后的数字信号为轴承转速数据；

S2：对轴承转速数据进行预处理：所述预处理包括：去噪、零点数据插值和滤波；

S3：根据预处理后的数据确定瞬时转速的平均转速；

S4：根据平均转速确定每个圆锥滚子的扭角；

S5：判断步骤S4获得的扭角是否明显大于轴系正常运转时计算得到的扭角均值，若是，则扭振自监测的双列圆锥滚子轴承故障，反之，则扭振自监测的双列圆锥滚子轴承未发生故障。