基于虚拟仪器滚动轴承故障分析系统开发论文

1、 基于虚拟仪器滚动轴承故障分析系统开发摘 要滚动轴承是在旋转机械中应用最广泛的部件，是机械动力传动部件，旋转机械的故障约有30是因滚动轴承引起的。由于工作条件恶劣，长期承受载荷和传递载荷，轴承极易疲劳、裂纹、腐蚀、磨损等，导致其断裂，造成事故。这种故障信号是一种典型的宽频带脉冲调制信号, 从含有噪声的振动信号中有效地提取出冲击脉冲信号是振动轴承故障诊断的关键。通过对滚动轴承工作特性与其故障研究，分析了滚动轴承振动机理与失效形式，设计了故障模拟实验台，搭建了测量装置，运用共振解调分析与希尔伯特变换作为滚动轴承故障诊断的方法，开发了基于Labview软件的滚动轴承故障诊断系统，通过对振动信号的采集和故障频率的自动识别，实现了在线检测故障的目的。为了确保分析数据的正确性，本文当中引入了小波函数，通过对不同频段的信号进行包络谱分析，确保故障诊断的准确性。通过实验台模拟圈故障现象以与轴承故障诊断程序的运行，故障结论是一致的，证明了该轴承故障诊断系统的准确性。关键词： 滚动轴承；故障诊断；Labview；希尔伯特变换；共振解调Development of fault analysis system

2、 for rolling bearing based on virtual instrument AbstractRolling bearing is the most widely used components in rotating machinery, mechanical power transmission components, about 30% of rotating machinery fault is caused by rolling bearings. Because of the bad working conditions, load for a long time and load, bearing easily fatigue, crack, corrosion, wear, etc., lead to the rupture and cause an accident. The fault signal is a typical broadband pulse modulation signals, from vibration signal con

3、taining noise effectively extract the shock pulse signal is the key to the vibration of bearing fault diagnosis. Through the study of rolling bearing working characteristic and its failure, analyzes the rolling bearing vibration mechanism and failure modes, fault simulation test bench was designed and set up a measuring device, using resonance demodulation analysis and Hilbert transform as the rolling bearing fault diagnosis methods, the development of rolling bearing fault diagnosis system base

4、d on LabVIEW software, through the collection of vibration signal and fault frequency automatic identification, realized the purpose of online detection fault. In order to ensure the accuracy of the data analysis, this paper introduces the wavelet function, based on the different frequency band of signal envelope spectrum analysis, ensure the accuracy of fault diagnosis. Through simulation test bench and bearing inner ring malfunctions fault diagnosis program is running, the fault conclusion is

5、consistent, proved that the accuracy of bearing fault diagnosis system.Key words: Rolling bearing, Fault diagnosis,Hilbert change,Labview,Resonance demodulation目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的目的与意义11.2 国外研究现状21.3 研究的主要容4第2章 滚动轴承与故障的基本理论52.1 轴承的分类和基本结构52.2 滚动轴承的损伤分析62.3.1滚动轴承故障类型92.3.2滚动轴承的固有振动频率92.3.3滚动轴承特征频率102.4 轴承振动信号处理112.4.1低通滤波包络解调法122.4.2希尔伯特变换与包络谱算法122.5 本章小结14第3章 滚动轴承故障模拟试验台153.1 滚动轴承故障模拟试验台方案153.2 滚动轴承试验台结构设计153.3 控制系统和数据采集系统设计173.3.1控制系统173.3.2数据采集系统183.4 本章小结20第4章 轴承故障诊断软件设计214.1 虚拟仪

6、器概述214.2 Labview的含义224.3 基于虚拟仪器轴承故障诊断程序开发224.4 本章小结28第5章 轴承故障诊断实验295.1 轴承实验台参数设置295.2 轴承故障模拟与分析295.2 本章小结32结论33致34参考文献35附录A36 / 第1章 绪论1.1 课题研究的目的与意义轴承一直是各种机械中应用最广泛的通用部件，其运行状态直接影响整台机器的性能、寿命、功能和效率，机械设备诊断中的重点是旋转机械的故障检测，而滚动轴承是旋转机械的重要组成部件，许多的故障都是滚动轴承的故障引起的。滚动轴承比较容易受损，并且由于滚动轴承的使用环境不同导致使用寿命也有很大的差别。据统计旋转机械的故障有30%是由轴承引起的，由于工作条件恶劣，长期承受载荷和传递载荷，轴承极易疲劳、裂纹、腐蚀、磨损等，导致其断裂，造成事故。滚动轴承的寿命离散性很大，对其进行定期维修是不可取的，因此，滚动轴承故障诊断工作十分重要。滚动轴承能否正常工作对机器的工作状况有很大的影响。在精密机械中对轴承的要求更高，轴承滚道上极微小的故障都是不能容忍的，在故障发生之前通过一些方法对其监控，把故障在初期消除做到预知维护，

7、不仅提高了生产效率而且大大的节省了维修费用，所以滚动轴承的故障检测有着非常重要的意义。一旦由于轴承的疲劳损伤、磨损、腐蚀与操作不当而产生的故障，就会导致轻则影响机械设备的正常运行，重则带来人民生命和财产的巨大损失。因此随着工业社会的高速发展和进步，与时的发现并排除轴承故障责任重大。在过去，轴承作为关键部件往往需要定时维修以免发生严重事故，但实际使用过程中，一些超过使用寿命但完好的轴承被报废，而有些未达到设计寿命的轴承却已经出现故障，这样势必造成浪费或严重的机械故障。因此，对于具有重要用途的轴承仅是定时维修时是十分不科学的，开展轴承的状态监测和故障诊断，改变传统的定期为预知维修，不但可以防止机械系统的性能下降，减少事故发生，而且还能避免浪费可用部件，对于最大限度地发挥轴承的工作能力，具有重要的意义。开展轴承故障诊断研究除了具有实际意义之外，还具有深刻的理论意义。通过实施故障诊断技术，带动与故障诊断有关的一系列相关理论，如信号采集、信号分析、模式识别等相关科学的发展，在实际中检验理论，寻找最佳故障诊断方法，进一步完善机械设备故障诊断学，同时也为下一代产品的优化设计、正确制造提供反馈信息与理

8、论依据。在经济方面，正确地对各类轴承的异常或故障进行分析以便确定最佳维修决策，发挥大型机械系统最大的运行能力和使用效率，可明显提高运营经济效益。机械设备诊断在工业高度自动化方面具有重要意义，由于机械设备越来越精密，各个部分之间关系越来越紧密，工作强度不断增大，任何一处危险的故障就会产生一系列的连锁反应，导致设备损坏，与此同时影响其他设备的工作进度，整个系统处于瘫痪中，造成巨大的经济损失，甚至危与人身安全，后果非常严重。综上所述，旋转机械的安全、正常运转可以避免重大的经济损失、严重事故和人员伤亡。滚动轴承是选装机械的重要组成部分。 本文主要针对滚动轴承机械故障进行试验台模拟实验与理论分析，获取相关故障的振动信号的产生机理与故障特征提取和诊断方法，探讨滚动轴承故障的分析方法和识别方法，这对于轴承制造行业和其他机械行业非常重要，在经济和社会方面都有一定的意义。滚动轴承最大的特点就是寿命离散性很大,因此对其进行定时维修是不可取的,要进行工况监控和故障诊断。随着计算机和相关技术的发展,笔者利用虚拟仪器技术开发滚动轴承的测试诊断系统,以实现快速可靠检测。成虚拟仪器的实质是,利用计算机显示器的显示功

9、能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用 I/O接口设备完成信号的采集测量与调理,从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板, 就如同使仪器一样。1.2国外研究现状目前，轴承故障诊断技术仍以时频分析为主，如时频分析中常用的均方根值（RMS）、峰值和峭度值等、频域基于周期信号的倒谱分析与高频响应技术（HFRT）等，这些轴承诊断都受到多方面的限制，如诊断面不能大于6.25mm，这边造成了很多状态检测的漏检从而导致发生严重的事故。在诊断与生产的协调方面，当监测到一个致命故障时，往往被迫停机，也带来了许多不方便和生成效率低下的问题，因此，轴承故障诊断更重要的是要着眼于预测寿命和故障发展状况，以便提前做好生产维修安排和计划。只有具备可靠的预兆检测功能，轴承维修和更换才能做到有的放矢。滚动轴承的状态检测与故障诊断开始于20世纪60年代。在其后20多年的时间里，随着科学技术的不断发展，各种方法和技巧不断产生、发展和完善，使应用领域不断扩大。一般认为，轴承工况检测与故障诊断技术的发展可分为四个阶段。第一阶段：利用通过的频谱分析仪诊断轴承故障。20世纪60年代中期，由于快速傅里叶变换技术的出现和发展，使振动信号的频谱分析技术得到了很大的发展。人们根据故障的滚动轴承元件所产生的振动信号特征频率的计算和采用频谱分析仪实际分析得到的结果来判断轴承的故障。第二阶段：利用冲击脉冲技术诊断轴承故障。20世纪60年代末，瑞典仪器公司根据各个钢制轴承元件表面损伤后在受载情况下接触时要产生冲击引起高频压缩波的现象开发了一种称为冲击脉冲的仪器来检测轴承故障，并且不需要进行频谱分析，所以他一经发明便很快被美国、英国等工业发达国家所采用的。早期的脉冲冲击只用来检测轴承的局部损伤类故障，后来，随着这一技术的不断发展和完

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