CN1825082B - 滚动轴承故障自动诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轴承振动测试和故障诊断技术领域，特别是一种滚动轴承故障自动诊断系统，其利用对轴承振动的测试分析和峭度分析，并通过虚拟仪器设计及数字信号处理技术，由软件自动对峭度值进行计算，再进行倒频谱的谱图分析、比较，既可精确测试轴承振动加速度量，又可精确测试轴承振动速度量，并能对轴承的振动进行时域分析、频域分析、时频域联合分析等多参数定量、定性分析，还可进行轴承异音、故障测试分析，以达到对轴承振动进行精密分析，然后与该轴承的故障特征频率或者它的分频、倍频的特征值相比较，自动判断出该轴承故障出现的部位。

Description

滚动轴承故障自动诊断系统

技术领域：

本发明涉及轴承振动测试和故障诊断技术领域，特别是一种滚动轴承故障自动诊断系统。

背景技术：

滚动轴承是各种旋转机械中最为广泛的一种通用机械零件，许多故障都与轴承的状态有关系，对滚动轴承的信号进行分析处理，准确地识别出轴承故障产生的部位从而为提高轴承寿命、可靠性和滚子轴承减震降噪提供了有力手段。

中国发明专利CN1456872公开了齿轮和滚动轴承故障的诊断方法，对信号进行时延相关解调，首先对测量的齿轮或滚动轴承振动信号进行自相关分析，对所得到的自相关信号Rx(τ)进行时延Δτ后，再进行希尔伯特变换，得到自相关信号的虚部得到自相关信号的包络为对包络信号P(τ+Δτ)进行频谱分析得到包络谱，由于该方法只是给出相应的谱图，对一般人员来说，不具备这方面的专业知识，对于识别谱图中的特征谱线有一定的限制。如何从振动信号频谱图中识别出故障特征是一项较难的工作，尤其对刚从事故障诊断工作的人员来说更是如此。

2001年第18卷第6期，由王卓等在机电工程杂志上发表《滚动轴承的振动监测与故障诊断系统研究》，该技术的特点为：采用压电加速度计进行振动测试，利用微机进行数据处理分析，诊断方法采用的是共振解调法。这种系统适合于滚动轴承实验机与大型关键设备滚动轴承的状态监测和诊断，诊断功能单一，不适合轴承厂家对出厂轴承振动质量的精密监控与分析。2003年第6期，由王家亮等在轴承杂志上发表《轴承振动及异常声的检测》，其技术特点为：采用单片微处理器对检测数据进行计算处理，给出振动值、峰值因数和脉冲数参数。这种方式由于采用的是单片微处理器，指令功能和运算速度有限，测量仪整体测试功能扩展有限。

目前从国内来看，轴承生产厂对轴承出厂的分类检测普遍使用加速度型或速度型振动测量仪进行检测，这类仪器的电气系统大多采用模拟信号处理技术，仅给出振动信号幅值域的某些参数，如：有效值、峰值等，功能单一，无法分析识别轴承的异音以及故障存在的部位，不便于对轴承的生产工艺进行辅助性监控。

轴承产品性能与精度的高低是靠仪器来检测和判断的，现时工作中依据轴承的时域参数指标，只能判断轴承是否有故障，而要判断到底是什么类型的故障，故障发生在那个零件上，就必须根据频谱图中的频率成分以及有关频率成分处的幅值的大小进行精确的诊断。目前行业内对轴承振动进行加速度型和速度型测量时，加速度型和速度型测量仪器只能定量而不能定性地分析轴承的好坏。

发明内容：

为克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种滚动轴承故障自动诊断系统，其利用对轴承振动的轴承振动测试分析和峭度分析，并通过虚拟仪器设计及数字信号处理技术，由软件自动对峭度值进行计算，再进行倒频谱的谱图分析、比较，对一般的操作人员可以只通过简单操作测振仪的机械部分即可完成测试，并通过显示器显示其结果，其鉴定故障准确，操作方便，可视性好。

为实现上述发明目的，本发明采用的如下技术方案：

本发明提供了一种滚动轴承故障自动诊断系统，其利用对轴承振动的轴承振动测试分析和峭度分析，并通过虚拟仪器设计及数字信号处理技术，由软件自动对峭度值进行计算，再进行倒频谱的谱图分析、比较，既可精确测试轴承振动加速度量，又可精确测试轴承振动速度量，并能对轴承的振动进行时域分析、频域分析、时频域联合分析等多参数定量、定性分析，还可进行轴承异音、故障测试分析，以达到对轴承振动进行精密分析，然后与该轴承的故障特征频率或者它的分频、倍频的特征值相比较，自动判断出该轴承故障出现的部位。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其包括：与滚动轴承相连的信号调理电路和对数据测量分析处理的计算机，以及连接信号调理电路和计算机、进行数据A/D转换和传递的数据采集卡；其中，信号调理电路包括加速度型轴承振动测量电路和速度型轴承振动测量电路；对数据测量分析处理的计算机包括：用于数据处理的CPU、用于对数据分析的数据分析模块以及用于显示信息的显示器；其数据分析模块包括加速度量测量分析模块、速度量测量分析模块、峭度计算分析模块和振动信号处理变换及频率计算比较模块。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其加速度型轴承振动测量电路包括压电式加速度传感器(1)，前置电荷放大器(2)，集成状态变量滤波器(4)，音箱(6)，集成程控放大器(7)以及第一运算放大器(3)、第二运算放大器(5)；其中，压电式加速度传感器(1)拾取轴承振动信号供给前置电荷放大器(2)放大后，再经第一运算放大器(3)放大，送入集成状态变量滤波器(4)对信号进行滤波，滤去无用或干扰信号后，信号分为两路：一路经第二运算放大器(5)放大后送到音箱(6)；一路经集成程控放大器(7)放大后送入数据采集卡(23)的模拟信号输入通道0。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其速度型轴承振动测量电路包括电动式速度传感器(12)，隔离变压器(13)，集成状态变量滤波器(15)，音箱(17)和集成程控放大器(18)，以及第三运算放大器(14)、第四运算放大器(16)；电动式速度传感器(12)拾取轴承振动信号供给隔离变压器(13)放大后，再经第三运算放大器(14)放大，送入集成状态变量滤波器(15)对信号进行预滤波，滤去无用或干扰信号后，信号分成两路：一路经第四运算放大器(16)放大后送到音箱(17)；一路经集成程控放大器(18)放大后送入数据采集卡(23)的模拟信号输入通道1。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其加速度量测量分析模块包括：设置轴承信息参数模块，更改采样参数模块，更改绘图区参数模块，设置测量量程模块，加速度实时测量显示模块，以及加速度中断测量分析模块；在加速度量测量分析模块中，对设置好参数的轴承信息参数模块、更改采样参数模块、更改绘图区参数模块和设置好测量量程的设置测量量程模块，显示器屏幕上显示实时测量按钮、测量分析按钮和退出按钮；其中所述的设置测量量程模块控制集成程控放大器(7)的放大倍数。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其加速度实时测量显示模块中包括：数据采集模块、数字滤波模块、计算模块以及数据显示模块；加速度实时测量显示模块工作后，数据采集模块实时采集数据，计算机内存缓冲区调度足够空间存储采集的数据，读取数据到用户缓冲区；数字滤波模块读取用户缓冲区中的数据并进行数字滤波；计算模块读取数字滤波模块滤波后的数据并计算50~10000Hz频段的加速度采样测量数据，数据显示模块读取计算得到的加速度采样测量数据并送到显示器屏幕上显示。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其加速度中断测量分析模块中包括：数据采集模块、波形显示模块、数字滤波模块、计算模块、数据显示模块和加速度数据分析模块；加速度中断测量分析模块工作后，数据采集模块采集数据，直到数据采样完成；波形显示模块读取采得的数据，在计算机显示器屏幕上显示所采样数据形成的波形；数字滤波模块读取采样数据并对该数据滤波；计算模块读取滤波后的数据并计算50~10000Hz频段的加速度测量参数，数据显示模块读取该加速度测量参数并送到显示器屏幕上显示；显示器屏幕上显示数据分析按钮、数据保存按钮和退出按钮：按下数据分析按钮，速度数据分析模块开始工作；按下数据保存按钮，当前数据保存于计算机内存中。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其加速度数据分析模块包括：功率谱计算模块、功率谱谱图显示模块，倒频谱计算模块、倒频谱谱图显示模块，包络解调计算模块、包络谱图显示模块，小波分解计算模块、小波谱图显示模块，小波包分解计算模块、小波包谱图显示模块；功率谱计算模块读取所述加速度测量参数，计算出其功率谱数据，功率谱谱图显示模块读取该功率谱数据，将功率谱谱图显示在显示器屏幕上；倒频谱计算模块读取功率谱数据并计算其倒频谱数据，倒频谱谱图显示模块读取该倒频谱数据，将倒频谱谱图显示在显示器屏幕上；包络解调计算模块读取倒频谱数据并计算其包络线和包络谱数据，包络谱图显示模块读取该包络线和包络谱数据，将包络谱图显示在显示器屏幕上；小波分解计算模块读取包络线和包络谱数据并计算其小波分解数据，小波谱图显示模块读取小波分解数据并将小波谱图显示在显示器屏幕上；小波包分解计算模块读取小波分解数据，并计算其小波包分解数据，小波包谱图显示模块读取该小波包分解数据，并将小波包谱图显示在显示器屏幕上。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其速度量测量分析模块包括：设置轴承信息参数模块，更改采样参数模块，更改绘图区参数模块，设置测量量程模块，速度实时测量显示模块，以及速度中断测量分析模块；在速度量测量分析模块中，对设置好参数的轴承信息参数模块、更改采样参数模块、更改绘图区参数模块和设置好测量量程的设置测量量程模块，显示器屏幕上显示实时测量按钮、测量分析按钮和退出按钮；其中所述的设置测量量程模块控制集成程控放大器(18)的放大倍数。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其速度实时测量显示模块中包括：数据采集模块、数字滤波模块、计算模块以及数据显示模块；速度实时测量显示模块工作后，数据采集模块实时采集数据，计算机内存缓冲区调度足够空间存储采集的数据，读取数据到用户缓冲区，数字滤波模块读取用户缓冲区中的数据并进行数字滤波，计算模块读取数字滤波模块滤波后的数据并计算低、中、高、全频段的速度采样测量数据，数据显示模块读取该速度采样测量数据并送到显示器屏幕上显示。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其速度中断测量分析模块中包括：数据采集模块、波形显示模块、数字滤波模块、计算模块、数据显示模块和速度数据分析模块；速度中断测量分析模块工作后，数据采集模块采集数据，直到数据采样完成；波形显示模块读取采得的数据，在计算机显示器屏幕上显示所采样数据形成的波形；数字滤波模块读取采样数据并对该数据滤波；计算模块读取滤波后的数据并计算低、中、高、全频段的速度测量参数；数据显示模块读取该速度测量参数并送到显示器屏幕上显示；显示器屏幕上显示数据分析按钮、数据保存按钮和退出按钮：按下数据分析按钮，速度数据分析模块开始工作；按下数据保存按钮，当前数据保存于计算机内存中。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其速度数据分析模块包括：功率谱计算模块、功率谱谱图显示模块，倒频谱计算模块，倒频谱谱图显示模块，包络解调计算模块、包络谱图显示模块，小波分解计算模块、小波谱图显示模块，小波包分解计算模块、小波包谱图显示模块；功率谱计算模块读取所述速度测量参数，计算出其功率谱数据，功率谱谱图显示模块读取该功率谱数据，将功率谱谱图显示在显示器屏幕上；倒频谱计算模块读取功率谱数据并计算其倒频谱数据，倒频谱谱图显示模块读取该倒频谱数据，将倒频谱谱图显示在显示器屏幕上；包络解调计算模块读取倒频谱数据并计算其包络线和包络谱数据，包络谱图显示模块读取该包络线和包络谱数据，将包络谱图显示在显示器屏幕上；小波分解计算模块读取包络线和包络谱数据并计算其小波分解数据，小波谱图显示模块读取小波分解数据并将小波谱图显示在显示器屏幕上；小波包分解计算模块读取小波分解数据，并计算其小波包分解数据，小波包谱图显示模块读取该小波包分解数据，并将小波包谱图显示在显示器屏幕上。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其峭度计算分析模块是利用峭度的数学模型在计算机内由软件对经加速度量测量分析模块和速度量测量分析模块分析后存于缓冲区的振动信号进行计算处理，该数学模型是振动信号幅值密度分布的四阶统计矩，其中：K是峭度度值，N是采样点数，x_i是各个采样点；对于良好的轴承振动幅值服从正态分布，相应的峭度值应为3左右；当轴承受到损伤时，它的振动幅值的分布发生了变化，即偏离了正态分布，此时振动信号幅值分布的统计特性-峭度值也会迅速增大，如果峭度值大于3，即预示着轴承的损伤。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其振动信号处理变换及频率计算比较模块包括振动信号数学变换和频率计算比较，其振动信号处理变换是利用倒频谱计算的数学模型在计算机内由软件对经加速度量测量分析模块和速度量测量分析模块分析后存于缓冲区的振动信号进行计算处理，其过程为：输入信号富里哀变换后经对数变换再进行逆富里哀变换得到的谱图；其频率计算比较是利用滚动轴承的特征频率与轴承各部件频率的数学计算公式：

f1＝n/60

$f2=Z\frac{f1}{2}(1+\frac{D_w\cos a}{D_m})$

$f3=Z\frac{f1}{2}(1-\frac{D_w\cos a}{D_m})$

$f4=f1\frac{D_m}{D_w}[1-{\left(\left(\frac{D_w\cos a}{D_m}\right)\right)}^2]$

$f5=\frac{f1}{2}(1-\frac{D_w\cos a}{D_m})$

其中：f1，f2，f3，f4，f5分别是基频、内圈、外圈、钢球和保持架引起轴承振动故障特征频率；Z为钢球数，n为轴承转动速度(rpm)，Dω为钢球直径，Dm为钢球中心径，α为轴承接触角。

采用本发明所提供的技术方案，将达到如下的积极效果：

(1)本发明所提供的滚动轴承故障自动诊断系统，集轴承行业内两大类型测振仪(加速度型与速度型)功能于一体，既可测试轴承振动加速度量，又可测试轴承振动速度量。

(2)信号调理电路中滤波器设计采用集成状态变量滤波器，方便了测量系统的调试与维修，与传统RC滤波器相比，减小了温漂与时漂。

(3)对集成程控放大器的增益控制，采用光电耦合器隔离方式，消除地电位不同所产生的影响，提高了系统的抗干扰能力。

(4)滚动轴承故障自动诊断系统，通过低噪音信号调理电路对轴承振动信号进行预处理，以性能稳定、数据处理能力强大的计算机为系统中心，以数据采集卡作为I/O接口设备，进行A/D转换，以LabWindows/CVI虚拟仪器编程语言作为软件开发平台，采用模块化程序设计，多功能、多参数综合评定被测轴承振动。系统易于维护和升级，并具有良好的可视性、交互性和扩展性。

(5)滚动轴承故障自动诊断系统，利用对轴承振动的轴承振动测试分析和峭度分析，并通过虚拟仪器设计及数字信号处理技术，由软件自动对峭度值进行计算，再进行倒频谱的谱图分析、比较，对一般的操作人员可以只通过简单操作测振仪的机械部分即可完成测试，并通过显示器显示其结果，其鉴定故障准确，操作方便，可视性好。

附图说明：

图1所示为滚动轴承故障自动诊断系统流程图；

图2所示为滚动轴承故障自动诊断系统电路方框图；

图3所示为加速度和速度测量分析流程图；

图4(a)所示为加速度实时测量显示模块处理流程图；

图4(b)所示为加速度中断测量分析模块处理流程图；

图4(c)所示为加速度数据分析模块处理流程图；

图5(a)所示为速度实时测量显示模块处理流程图；

图5(b)所示为速度中断测量分析模块处理流程图；

图5(c)所示为速度数据分析模块处理流程图；

图6所示为滚动轴承故障自动诊断系统电路结构原理图。

附图标号

1——压电式加速度传感器；2——电荷放大器；

3——第一运算放大器；4——集成状态变量带通滤波器(50HZ～10000HZ)；

5——第二运算放大器；6——音箱；7——集成程控放大器；

8——光电耦合器；9——集成驱动器

10——光电耦合器；11——集成驱动器

12——电动式速度传感器；13——变压器隔离放大器；14——第三运算放大器；

15——集成状态变量带通滤波器(50HZ～10000HZ)；

16——第四运算放大器；17——音箱

18——集成程控放大器；19——光电耦合器；20——集成驱动器

21——光电耦合器；22——集成驱动器

23——ADLINK PCI-9112数据采集卡

24——计算机；25——基于LabWindows/CVI平台的数据分析模块

26——打印机

具体实施方式：

本发明提供了一种滚动轴承故障自动诊断系统，其利用对轴承振动的轴承振动测试分析和峭度分析，并通过虚拟仪器设计及数字信号处理技术，由软件自动对峭度值进行计算，再进行倒频谱的谱图分析、比较，既可精确测试轴承振动加速度量，又可精确测试轴承振动速度量，并能对轴承的振动进行时域分析、频域分析、时频域联合分析等多参数定量、定性分析，还可进行轴承异音、故障测试分析，以达到对轴承振动进行精密分析，然后与该轴承的故障特征频率或者它的分频、倍频的特征值相比较，自动判断出该轴承故障出现的部位。

所述的滚动轴承故障自动诊断系统，是以计算机为中心的测试分析系统。分别通过压电式加速度传感器、电动式速度传感器对轴承振动进行测量，将轴承振动加速度量、速度量转变为电信号，此电信号再经过信号调理(前置放大、抗混淆滤波器、数字程控放大)后，送入多通道集成数据采集卡，转变成计算机能处理的数字信号，再将数字信号送入计算机；计算机通过基于LabWindows/CVI开发的加速度量测量分析模块和速度量测量分析模块对数据进行处理与分析，实现对轴承振动时域、频域、时频域上需要的测试分析功能，如：有效值、峰值、峰值因子、峰值频率、峭度系数、功率谱、倒频谱、包络谱小波分解、小波包分解等。

本发明所提供的一种滚动轴承故障自动诊断系统，其中包括：与滚动轴承相连的信号调理电路和对数据测量分析处理的计算机，以及连接信号调理电路和计算机、进行数据A/D转换和传递的数据采集卡；其中，信号调理电路包括加速度型轴承振动测量电路和速度型轴承振动测量电路；对数据测量分析处理的计算机包括：用于数据处理的CPU、用于对数据分析的数据分析模块以及用于显示信息的显示器；其数据分析模块包括加速度量测量分析模块、速度量测量分析模块、峭度计算分析模块和振动信号处理变换及频率计算比较模块。

如图1所示为滚动轴承故障自动诊断系统流程图，被测轴承的振动信号经加速度和速度传感器拾取供给前置电路处理后，再经称控放大电路进入到A/D转换器进行模拟信号到数字信号的转换，然后把转换后的数字信号输入到计算机系统的缓冲系统内存储，计算机系统相应模块还控制称控放大电路和A/D转换器的过程，同时计算机系统内的峭度计算分析模块利用峭度的数学模型在计算机内由软件对经加速度量测量分析模块和速度量测量分析模块分析后存于缓冲区的振动信号进行计算处理，该数学模型是振动信号幅值密度分布的四阶统计矩，其中：K是峭度度值，N是采样点数，x_i是各个采样点；对于良好的轴承振动幅值服从正态分布，相应的峭度值应为3左右；当轴承受到损伤时，它的振动幅值的分布发生了变化，即偏离了正态分布，此时振动信号幅值分布的统计特性-峭度值也会迅速增大，如果峭度值大于3，即预示着轴承的损伤；从而计算机系统内的振动信号处理变换及频率计算比较模块利用倒频谱计算的数学模型

在计算机内由软件对经加速度量测量分析模块和速度量测量分析模块分析后存于缓冲区的振动信号进行计算处理，其过程为：输入信号富里哀变换后经对数变换再进行逆富里哀变换得到的谱图；同时计算机系统内的振动信号处理变换及频率计算比较模块利用滚动轴承的特征频率与轴承各部件频率的数学计算公式进行计算：

f1＝n/60

$f2=Z\frac{f1}{2}(1+\frac{D_w\cos a}{D_m})$

$f3=Z\frac{f1}{2}(1-\frac{D_w\cos a}{D_m})$

$f4=f1\frac{D_m}{D_w}[1-{\left(\left(\frac{D_w\cos a}{D_m}\right)\right)}^2]$

$f5=\frac{f1}{2}(1-\frac{D_w\cos a}{D_m})$

其中：f1，f2，f3，f4，f5分别是基频、内圈、外圈、钢球和保持架引起轴承振动故障特征频率；Z为钢球数，n为轴承转动速度(rpm)，Dω为钢球直径，Dm为钢球中心径，α为轴承接触角；其算值均可显示在计算机的显示器上，最后计算机系统内的振动信号处理变换及频率计算比较模块利用自动比较系统与有故障的轴承的倒频谱波形图经谱图分析后的频率幅值最大点的频率进行比较，就可以断定轴承故障出现的具体部件，同时由诊断系统把结果显示在显示器上，并能显示出轴承损伤部件的损伤程度。

如图2所示为滚动轴承故障自动诊断系统电路方框图：

其中，所述的加速度型轴承振动测量电路为：压电式加速度传感器(1)拾取轴承振动信号供给前置电荷放大器(2)放大后，再经第一运算放大器(3)放大，再送入集成状态变量滤波器(4)对信号进行预滤波，滤去无用或干扰信号后，信号分成两路：一路经第二运算放大器(5)放大后送到音箱(6)，以便用户对振动声音进行监听；一路经集成程控放大器(7)放大后送入数据采集卡ADLINK PCI-9112(23)的模拟信号输入通道0。

所述的速度型轴承振动测量电路为：电动式速度传感器(12)拾取轴承振动信号供给隔离变压器(13)放大后，再经第三运算放大器(14)放大，再送入集成状态变量滤波器(15)对信号进行预滤波，滤去无用或干扰信号后，信号分成两路：一路经第四运算放大器(16)放大后送到音箱(17)，以便用户对振动声音进行监听；一路经集成程控放大器(18)放大后送入数据采集卡ADLINKPCI-9112(23)的模拟信号输入通道1。

数据采集卡PCI-9112(23)是基于32位带总线主控功能的PCI卡，具有模拟量输入输出、数字量输入输出等多种功能。滚动轴承故障自动诊断系统通过计算机控制PCI-9112卡的数字量输出口DO0、DO1，通过同相驱动器(9)(11)与光电耦合器(8)(10)，实现对程控放大器PGA103(7)的两个信号增益选择端进行控制；数字量输出口DO2、DO3分别通过同相驱动器(20)(22)与光电耦合器(19)(21)，实现对程控放大器PGA103(18)的两个信号增益选择端进行控制；实现对程控放大器的增益控制。采用此种方式，起到隔离模拟信号地线与数字信号地线的作用，消除地电位不同所产生的影响，提高了系统的抗干扰能力。系统利用PCI-9112卡的模拟输入通道0采样轴承振动加速度量，模拟输入通道1采样轴承振动速度量，转变成计算机能处理的数字信号，通过数据采集卡驱动程序，数字信号进入计算机，计算机再通过基于Lab Windows/CVI开发的数据分析模块对数据进行处理与分析，实现对轴承振动时域、频域、时频域上需要的测试分析功能。另外，图中标号26为打印机，便于打印输出，25为基于LabWindows/CVI虚拟仪器软件开发平台，模块化设计的测试分析软件包，实现对轴承振动的多功能测试分析和诊断。

如图6所示为滚动轴承故障自动诊断系统电路结构原理图：

加速度型轴承振动测量电路中，压电式加速度传感器拾取的振动信号供给集成运算放大器IC1构成的电荷放大器，C1为电荷放大器反馈电容，R1为电荷放大器反馈电阻，反馈电阻R1有提供直流反馈、减小零漂、使电荷放大器工作稳定的作用。IC1信号输出端接集成运算放大器IC2构成的运算放大器对信号进行放大，IC2信号输出端6通过电阻R5接集成状态变量滤波器MAX274信号输入端INA，MAX274与外接电阻R6～R20构成了八阶带通滤波器(50Hz～10000Hz)，滤去无用信号及干扰信号，MAX274输出端BPOD的信号分两路，一路接IC3构成的信号放大电路，对信号放大，IC3信号输出端接音箱；一路接程控放大器PGA103信号输入端VIN。PGA103信号输出端VOUT接PCI9112卡CN1连接器的通道A/0。

速度型轴承振动测量电路中，电动式速度传感器拾取的振动信号供给变压器隔离放大器，对信号进行放大后，再通过由IC4构成的运算放大器对信号放大，IC4信号输出端6通过电阻R31接集成状态变量滤波器MAX274信号输入端INA，MAX274与外接电阻R32～R46构成了八阶带通滤波器(50Hz～10000Hz)，滤去无用信号及干扰信号，MAX274输出端BPOD的信号分两路，一路接IC5构成的信号放大电路，对信号放大，IC5信号输出端接音箱；一路接程控放大器PGA103信号输入端VIN。PGA103信号输出端VOUT接PCI9112卡CN1连接器的通道A/1。

数据采集卡PCI-9112(23)的数字量输出口DO0、DO1分别通过同相驱动器7407与光电耦合器4N25，实现对程控放大器PGA103的两个信号增益选择端A0和A1进行控制；数字量输出口DO2、DO3分别通过同相驱动器7407与光电耦合器4N25，实现对程控放大器PGA103的两个信号增益选择端A0和A1进行控制。利用PCI09112卡模拟输入通道0采样轴承振动加速度量，利用模拟输入通道1采样轴承振动速度量，将模拟信号转变成计算机能处理的数字信号，通过数据采集卡驱动程序，数字信号进入计算机，计算机再通过基于LabWindows/CVI开发的数据分析模块对数据进行处理与分析，实现对轴承振动时域、频域、时频域上需要的测试分析功能，如：有效值、峰值、峰值因子、峰值频率、峭度系数、功率谱、倒频谱、包络谱小波分解、小波包分解等。

轴承振动测试分析通过低噪音信号调理电路对轴承振动信号进行预处理，以性能稳定、数据处理能力强大的计算机(24)为系统中心，以ADLINK PCI-9112数据采集卡(23)作为I/O接口设备，利用LabWindows/CVI虚拟仪器软件开发平台，模块化设计测试分析软件，实现对轴承振动的多功能测试分析和诊断。

如图3所示为加速度和速度测量分析流程图，如图所示，系统初始化后，计算机显示屏显示加速度量测量分析/速度量测量分析选择界面，提示选择加速度量测量分析模块进行加速度量的测量分析，或者选择速度量测量分析模块进行速度量的测量分析。

所述的加速度量测量分析模块包括：设置轴承信息参数模块，更改采样参数模块，更改绘图区参数模块，设置测量量程模块，加速度实时测量显示模块，以及加速度中断测量分析模块；在加速度量测量分析模块中，对设置好参数的轴承信息参数模块、更改采样参数模块、更改绘图区参数模块和设置好测量量程的设置测量量程模块，显示器屏幕上显示实时测量按钮、测量分析按钮和退出按钮；

所述的设置轴承信息参数模块，用于输入对轴承型号、厂家等信息，确定所测量轴承的钢球直径、中心径，轴承接触角等轴承信息参数。

更改采样参数模块，用于对采样频率、采样时间等信息进行设定。

设置测量量程模块对接收的加速度数据分为40、60、80db三个档，分别对应于集成程控放大器(7)的三个放大倍数100倍、10倍和1倍，即集成程控放大器PGA103(7)能提供1、10、100倍率，即0、20、40dB的增益。设置测量量程模块控制数据采集卡PCI-9112的数字量输出口DO0、DO1，通过同相驱动器(9)(11)与光电耦合器(8)(10)，实现对程控放大器PGA103(7)的两个信号增益选择端进行控制。采用此种方式，起到隔离模拟信号地线与数字信号地线的作用，消除地电位不同所产生的影响，提高系统的抗干扰能力。

在显示器屏幕上，按下显示实时测量按钮，加速度实时测量显示模块工作，显示器屏幕上显示加速度实时测量数据；按下测量分析按钮，加速度中断测量分析模块工作；按下退出按钮，加速度量测量分析模块结束工作，显示器屏幕退回加速度量测量分析模块/速度量测量分析模块选择界面。

如图4(a)所示为加速度实时测量显示模块处理流程图，所述的加速度实时测量显示模块中包括数据采集模块、数字滤波模块、计算模块以及数据显示模块；加速度实时测量显示模块工作后，显示器屏幕上显示结束采样按钮；如图所示，加速度实时测量显示模块开始工作，数据采集模块实时采集数据，计算机内存缓冲区调度足够空间存储采集的数据，读取数据到用户缓冲区，数字滤波模块读取用户缓冲区中的数据并进行数字滤波，计算模块读取数字滤波模块滤波后的数据并计算50~10000Hz频段的有效值、峰值、峰值频率、峰值因子、峭度系数等加速度采样测量数据，数据显示模块读取该加速度采样测量数据并送到显示器屏幕上显示。

本发明是采用双缓冲技术来实现大容量振动数据的采集，可使采集数据的速度大大加快。

图4(b)所示为加速度中断测量分析模块处理流程图，所述的加速度中断测量分析模块中包括数据采集模块、波形显示模块、数字滤波模块、计算模块、数据显示模块和加速度数据分析模块；如图所示，加速度中断测量分析模块工作后，数据采集模块采集数据，直到数据采样完成；波形显示模块读取采得的数据，在计算机显示器屏幕上显示所采样数据形成的波形；数字滤波模块读取采样数据并对该数据滤波，计算模块读取滤波后的数据并计算50~10000Hz频段的有效值、峰值、峰值频率、峰值因子、峭度系数等加速度测量参数，数据显示模块读取该加速度测量参数并送到显示器屏幕上显示出来；显示器屏幕上显示数据分析按钮、数据保存按钮和退出按钮：按下数据分析按钮，加速度数据分析模块开始工作；按下数据保存按钮，当前数据保存于计算机内存中。

图4(c)所示为加速度数据分析模块处理流程图，所述的加速度数据分析模块包括功率谱计算模块、功率谱谱图显示模块，倒频谱计算模块，倒频谱谱图显示模块；包络解调计算模块、包络谱图显示模块，小波分解计算模块、小波谱图显示模块，小波包分解计算模块、小波包谱图显示模块；计算功率谱模块读取所述加速度测量参数，计算出其功率谱数据，功率谱谱图显示模块读取该功率谱数据，将功率谱谱图显示在显示器屏幕上；倒频谱计算模块读取功率谱数据并计算其倒频谱数据，倒频谱谱图显示模块读取该倒频谱数据，将倒频谱谱图显示在显示器屏幕上；包络解调计算模块读取倒频谱数据并计算其包络线和包络谱数据，包络谱图显示模块读取该包络线和包络谱数据，将包络谱图显示在显示器屏幕上；小波分解计算模块读取包络线和包络谱数据并计算其小波分解数据，小波谱图显示模块读取小波分解数据并将小波谱图显示在显示器屏幕上；小波包分解计算模块读取小波分解数据，并计算其小波包分解数据，小波包谱图显示模块读取该小波包分解数据，并将小波包谱图显示在显示器屏幕上。

图3中所述的速度量测量分析模块包括设置轴承信息参数模块，更改采样参数模块，更改绘图区参数模块，设置测量量程模块，速度实时测量显示模块，及速度中断测量分析模块；在速度量测量分析模块中，对设置好参数的轴承信息参数模块、更改采样参数模块、更改绘图区参数模块和设置好测量量程的设置测量量程模块，显示器屏幕上显示实时测量按钮、测量分析按钮和退出按钮。

所述的设置轴承信息参数模块，用于输入对轴承型号、厂家等信息，确定所测量轴承的钢球直径、中心径，轴承接触角等轴承信息参数。

更改采样参数模块，用于对采样频率、采样时间等信息进行设定。

设置测量量程模块对接收的加速度数据分为40、60、80db三个档，分别对应于加速度型轴承振动测量模块中集成程控放大器(18)的三个放大倍数100倍、10倍和1倍，即集成程控放大器PGA103(18)能提供1、10、100倍率，即0、20、40dB的增益。对程控放大器(18)的增益控制，设置测量量程模块控制数据采集卡PCI-9112的数字量输出口DO2、DO3，分别通过同相驱动器(20)(22)与光电耦合器(19)(21)，实现对程控放大器PGA103(18)的两个信号增益选择端进行控制，实现对程控放大器的增益控制。采用此种方式，起到隔离模拟信号地线与数字信号地线的作用，消除地电位不同所产生的影响，提高了系统的抗干扰能力。

如图5(a)所示为速度实时测量显示模块处理流程图，速度实时测量显示模块中包括数据采集模块、数字滤波模块、计算模块以及数据显示模块；速度实时测量显示模块工作后，显示器屏幕上显示结束采样按钮；如图所示，速度实时测量显示模块工作后，数据采集模块实时采集数据，计算机内存缓冲区调度足够空间存储采集的数据，读取数据到用户缓冲区，数字滤波模块读取用户缓冲区中的数据并进行数字滤波，计算模块读取数字滤波模块滤波后的数据并计算低、中、高、全频段的有效值、峰值、峰值因子、峭度系数等速度采样测量数据，数据显示模块读取计算得到的速度采样测量数据并送到显示器屏幕上显示。

图5(b)所示为速度中断测量分析模块处理流程图，速度中断测量分析模块中包括：数据采集模块、波形显示模块、数字滤波模块、计算模块、数据显示模块和速度数据分析模块；如图所示，速度中断测量分析模块工作后，数据采集模块采集数据，直到数据采样完成；波形显示模块读取采得的数据，在计算机显示器屏幕上显示所采样数据形成的波形；数字滤波模块读取采样数据并对该数据滤波，计算模块读取滤波后的数据并计算低、中、高、全频段的有效值、峰值、峰值因子、峭度系数等速度测量参数，数据显示模块读取该速度测量参数并送到显示器屏幕上显示出来；显示器屏幕上显示数据分析按钮、数据保存按钮和退出按钮：按下数据分析按钮，速度数据分析模块开始工作；按下数据保存按钮，当前数据保存于计算机内存中。

图5(c)所示为速度数据分析模块处理流程图，速度数据分析模块包括功率谱计算模块、功率谱谱图显示模块，倒频谱计算模块，倒频谱谱图显示模块，包络解调计算模块、包络谱图显示模块，小波分解计算模块、小波谱图显示模块，小波包分解计算模块、小波包谱图显示模块；如图所示，计算功率谱模块读取所述速度测量参数，计算出其功率谱数据，功率谱谱图显示模块读取该功率谱数据，将功率谱谱图显示在显示器屏幕上；倒频谱计算模块读取功率谱数据并计算其倒频谱数据，倒频谱谱图显示模块读取该倒频谱数据，将倒频谱谱图显示在显示器屏幕上；包络解调计算模块读取倒频谱数据并计算其包络线和包络谱数据，包络谱图显示模块读取该包络线和包络谱数据，将包络谱图显示在显示器屏幕上；小波分解计算模块读取包络线和包络谱数据并计算其小波分解数据，小波谱图显示模块读取小波分解数据并将小波谱图显示在显示器屏幕上；小波包分解计算模块读取小波分解数据，并计算其小波包分解数据，小波包谱图显示模块读取该小波包分解数据，并将小波包谱图显示在显示器屏幕上。

Claims (3)

1.一种滚动轴承故障自动诊断系统，利用对轴承振动的轴承振动测试分析和峭度分析，并通过虚拟仪器设计及数字信号处理技术，由软件自动对峭度值进行计算，再进行倒频谱的谱图分析、比较，既可精确测试轴承振动加速度量，又可精确测试轴承振动速度量，并能对轴承的振动进行时域分析、频域分析、时频域联合分析等多参数定量、定性分析，还可进行轴承异音、故障测试分析，以达到对轴承振动进行精密分析，然后与该轴承的故障特征频率或者它的分频、倍频的特征值相比较，自动判断出该轴承故障出现的部位；与滚动轴承相连的信号调理电路和对数据测量分析处理的计算机，以及连接信号调理电路和计算机、进行数据A/D转换和传递的数据采集卡；其中，信号调理电路包括加速度型轴承振动测量电路和速度型轴承振动测量电路；对数据测量分析处理的计算机包括：用于数据处理的CPU、用于对数据分析的数据分析模块以及用于显示信息的显示器；其数据分析模块包括加速度量测量分析模块、速度量测量分析模块、峭度计算分析模块和振动信号处理变换及频率计算比较模块，所述的加速度量测量分析模块包括：设置轴承信息参数模块，更改采样参数模块，更改绘图区参数模块，设置测量量程模块，加速度实时测量显示模块，以及加速度中断测量分析模块；在加速度量测量分析模块中，对设置好参数的轴承信息参数模块、更改采样参数模块、更改绘图区参数模块和设置好测量量程的设置测量量程模块，显示器屏幕上显示实时测量按钮、测量分析按钮和退出按钮；其中所述的设置测量量程模块控制集成程控放大器(7)的放大倍数；所述的加速度实时测量显示模块中包括：数据采集模块、数字滤波模块、计算模块以及数据显示模块；加速度实时测量显示模块工作后，数据采集模块实时采集数据，计算机内存缓冲区调度足够空间存储采集的数据，读取数据到用户缓冲区；数字滤波模块读取用户缓冲区中的数据并进行数字滤波；计算模块读取数字滤波模块滤波后的数据并计算50～10000Hz频段的加速度采样测量数据，数据显示模块读取计算得到的加速度采样测量数据并送到显示器屏幕上显示；所述的加速度中断测量分析模块中包括：数据采集模块、波形显示模块、数字滤波模块、计算模块、数据显示模块和加速度数据分析模块；加速度中断测量分析模块工作后，数据采集模块采集数据，直到数据采样完成；波形显示模块读取采得的数据，在计算机显示器屏幕上显示所采样数据形成的波形；数字滤波模块读取采样数据并对该数据滤波；计算模块读取滤波后的数据并计算50～10000Hz频段的加速度测量参数，数据显示模块读取该加速度测量参数并送到显示器屏幕上显示；显示器屏幕上显示数据分析按钮、数据保存按钮和退出按钮：按下数据分析按钮，速度数据分析模块开始工作；按下数据保存按钮，当前数据保存于计算机内存中；所述的速度量测量分析模块包括：设置轴承信息参数模块，更改采样参数模块，更改绘图区参数模块，设置测量量程模块，速度实时测量显示模块，以及速度中断测量分析模块；在速度量测量分析模块中，对设置好参数的轴承信息参数模块、更改采样参数模块、更改绘图区参数模块和设置好测量量程的设置测量量程模块，显示器屏幕上显示实时测量按钮、测量分析按钮和退出按钮；其中所述的设置测量量程模块控制集成程控放大器(18)的放大倍数；所述的速度实时测量显示模块中包括：数据采集模块、数字滤波模块、计算模块以及数据显示模块；速度实时测量显示模块工作后，数据采集模块实时采集数据，计算机内存缓冲区调度足够空间存储采集的数据，读取数据到用户缓冲区，数字滤波模块读取用户缓冲区中的数据并进行数字滤波，计算模块读取数字滤波模块滤波后的数据并计算低、中、高、全频段的速度采样测量数据，数据显示模块读取该速度采样测量数据并送到显示器屏幕上显示；所述的速度中断测量分析模块中包括：数据采集模块、波形显示模块、数字滤波模块、计算模块、数据显示模块和速度数据分析模块；速度中断测量分析模块工作后，数据采集模块采集数据，直到数据采样完成；波形显示模块读取采得的数据，在计算机显示器屏幕上显示所采样数据形成的波形；数字滤波模块读取采样数据并对该数据滤波；计算模块读取滤波后的数据并计算低、中、高、全频段的速度测量参数；数据显示模块读取该速度测量参数并送到显示器屏幕上显示；显示器屏幕上显示数据分析按钮、数据保存按钮和退出按钮：按下数据分析按钮，速度数据分析模块开始工作；按下数据保存按钮，当前数据保存于计算机内存中；所述的峭度计算分析模块是利用峭度的数学模型在计算机内由软件对经加速度量测量分析模块和速度量测量分析模块分析后存于缓冲区的振动信号进行计算处理，该数学模型是振动信号幅值密度分布的四阶统计矩，其中：K是峭度度值，N是采样点数，X_i是各个采样点；对于良好的轴承振动幅值服从正态分布，相应的峭度值应为3左右；当轴承受到损伤时，它的振动幅值的分布发生了变化，即偏离了正态分布，此时振动信号幅值分布的统计特性一峭度值也会迅速增大，如果峭度值大于3，即预示着轴承的损伤；所述的振动信号处理变换及频率计算比较模块包括振动信号数学变换和频率计算比较，其振动信号处理变换是利用倒频谱计算的数学模型在计算机内由软件对经加速度量测量分析模块和速度量测量分析模块分析后存于缓冲区的振动信号进行计算处理，其过程为：输入信号富里哀变换后经对数变换再进行逆富里哀变换得到的谱图；其频率计算比较是利用滚动轴承的特征频率与轴承各部件频率的数学计算公式：

f1＝n/60

$f2=Z\frac{f1}{2}(1+\frac{D_w\cos a}{D_m})$

$f3=Z\frac{f1}{2}(1-\frac{D_w\cos a}{D_m})$

$f4=f1\frac{D_m}{D_w}[1-{\left(\left(\frac{D_w\cos a}{D_m}\right)\right)}^2]$

$f5=\frac{f1}{2}(1-\frac{D_w\cos a}{D_m})$

其中：f1，f2，f3，f4，f5分别是基频、内圈、外圈、钢球和保持架引起轴承振动故障特征频率；Z为钢球数，n为轴承转动速度(rpm)，Dω为钢球直径，Dm为钢球中心径，α为轴承接触角；其特征在于：所述的加速度型轴承振动测量电路包括压电式加速度传感器(1)，前置电荷放大器(2)，集成状态变量滤波器(4)，音箱(6)，集成程控放大器(7)以及第一运算放大器(3)、第二运算放大器(5)；其中，压电式加速度传感器(1)拾取轴承振动信号供给前置电荷放大器(2)放大后，再经第一运算放大器(3)放大，送入集成状态变量滤波器(4)对信号进行滤波，滤去无用或干扰信号后，信号分为两路：一路经第二运算放大器(5)放大后送到音箱(6)；一路经集成程控放大器(7)放大后送入数据采集卡(23)的模拟信号输入通道0；所述的速度型轴承振动测量电路包括电动式速度传感器(12)，隔离变压器(13)，集成状态变量滤波器(15)，音箱(17)和集成程控放大器(18)，以及第三运算放大器(14)、第四运算放大器(16)；电动式速度传感器(12)拾取轴承振动信号供给隔离变压器(13)放大后，再经第三运算放大器(14)放大，送入集成状态变量滤波器(15)对信号进行预滤波，滤去无用或干扰信号后，信号分成两路：一路经第四运算放大器(16)放大后送到音箱(17)；一路经集成程控放大器(18)放大后送入数据采集卡(23)的模拟信号输入通道1。

2.如权利要求1所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其特征在于：所述的加速度数据分析模块包括：功率谱计算模块、功率谱谱图显示模块，倒频谱计算模块、倒频谱谱图显示模块，包络解调计算模块、包络谱图显示模块，小波分解计算模块、小波谱图显示模块，小波包分解计算模块、小波包谱图显示模块；功率谱计算模块读取所述加速度测量参数，计算出其功率谱数据，功率谱谱图显示模块读取该功率谱数据，将功率谱谱图显示在显示器屏幕上；倒频谱计算模块读取功率谱数据并计算其倒频谱数据，倒频谱谱图显示模块读取该倒频谱数据，将倒频谱谱图显示在显示器屏幕上；包络解调计算模块读取倒频谱数据并计算其包络线和包络谱数据，包络谱图显示模块读取该包络线和包络谱数据，将包络谱图显示在显示器屏幕上；小波分解计算模块读取包络线和包络谱数据并计算其小波分解数据，小波谱图显示模块读取小波分解数据并将小波谱图显示在显示器屏幕上；小波包分解计算模块读取小波分解数据，并计算其小波包分解数据，小波包谱图显示模块读取该小波包分解数据，并将小波包谱图显示在显示器屏幕上。

3.如权利要求1所述的滚动轴承故障自动诊断系统，其特征在于：所述的速度数据分析模块包括：功率谱计算模块、功率谱谱图显示模块，倒频谱计算模块，倒频谱谱图显示模块，包络解调计算模块、包络谱图显示模块，小波分解计算模块、小波谱图显示模块，小波包分解计算模块、小波包谱图显示模块；功率谱计算模块读取所述速度测量参数，计算出其功率谱数据，功率谱谱图显示模块读取该功率谱数据，将功率谱谱图显示在显示器屏幕上；倒频谱计算模块读取功率谱数据并计算其倒频谱数据，倒频谱谱图显示模块读取该倒频谱数据并计算其包络线和包络谱数据，包络谱图显示模块读取该包络线和包络谱数据，将包络谱图显示在显示器屏幕上；小波分解计算模块读取包络线和包络谱数据并计算其小波分解数据，小波谱图显示模块读取小波分解数据并将小波谱图显示在显示器屏幕上；小波包分解计算模块读取小波分解数据，并计算其小波包分解数据，小波包谱图显示模块读取该小波包分解数据，并将小波包谱图显示在显示器屏幕上。

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