CN104634570A - 基于振动检测的便携式轴承故障诊断装置及诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于振动检测的便携式轴承故障诊断装置，包括振动传感器和便携式轴承故障诊断仪；便携式轴承故障诊断仪包括壳体和电路装置；电路装置包括A/D转换模块、DSP数据分析模块、ARM数据处理模块、存储模块、显示模块和电源模块；A/D转换模块将采集处理后的振动传感器的信号上传给DSP数据分析模块进行分析和故障判断；ARM数据处理模块接收处理结果并分配存储和显示；诊断方法主要包括：振动传感器获取振动信号；A/D转换模块信号采集；DSP数据分析模块分析处理；故障分析结果存储和显示。本发明是操作简便快速、诊断精度和自动化程度高，能有效实现对滚动轴承故障的实时监测和故障诊断。

Description

基于振动检测的便携式轴承故障诊断装置及诊断方法

技术领域

本发明涉及轴承检测技术领域，具体涉及一种基于振动检测的便携式滚动轴承故障诊断装置及其诊断方法。

背景技术

滚动轴承是煤矿大型旋转设备的重要部件，其工作环境差、载荷重，运行时容易发生各种故障，甚至导致设备损坏及引发安全事故，影响煤矿安全生产。因此，对滚动轴承的工作状态进行检测和故障诊断是非常重要的。目前，对于煤矿大型设备中的滚动轴承的检测一般是通过人工的方式来进行，检测人员通过人工检测或通过一些辅助仪器上显示的参数或曲线，凭经验来判断滚动轴承的状态，这样对检测人员的素质要求高，检测过程不够智能化，检测效率低下。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、操作方便快速、诊断精度高、可满足高自动化程度的基于振动检测的便携式滚动轴承故障诊断装置及方法。

本发明的技术方案是：本发明的基于振动检测的便携式滚动轴承故障装置，其结构特点是：包括振动传感器和便携式轴承故障诊断仪；振动传感器使用时固定安装在被检滚动轴承上；

便携式轴承故障诊断仪为一体件；便携式轴承故障诊断仪包括壳体和电路装置；便携式轴承故障诊断仪的电路装置包括A/D转换模块、DSP数据分析模块、ARM数据处理模块、存储模块、显示模块和电源模块；

A/D转换模块和DSP数据分析模块分别设有信号输入端和信号输出端；ARM数据处理模块设有分析结果信号输入端、存储通信端和显示信号输出端；存储模块设有通信端；显示模块设有信号输入端；

A/D转换模块的信号输入端与振动传感器信号电连接；DSP数据分析模块的信号输入端与A/D转换模块的信号输出端信号电连接；ARM数据处理模块的分析结果信号输入端与DSP数据分析模块的信号输出端信号电连接；存储模块的通信端与ARM数据处理模块的存储通信端双向信号电连接；显示模块的信号输入端与ARM数据处理模块的显示信号输出端信号电连接；电源模块用于提供工作电源。

进一步的方案是：上述的振动传感器为KGS18型矿用本安型振动加速度传感器。

上述的基于振动检测的便携式滚动轴承故障诊断装置，其用于滚动轴承故障诊断的方法，包括以步骤：

①振动传感器获取振动信号：安装于滚动轴承上的振动传感器实时接收滚动轴承的振动信号，并将接收到的振动信号传送给便携式轴承故障诊断仪的A/D转换模块；

②A/D转换模块信号采集：便携式轴承故障诊断仪的A/D转换模块采集振动传感器上传的信号进行模数转换模块后将信号上传给DSP数据分析模块；

③DSP数据分析模块分析处理：DSP数据分析模块内置有包括滚动轴承的内圈故障、外圈故障、滚动体故障、保持架故障的故障集合，以及与滚动轴承的故障集合相对应的故障特征频率集合；

DSP数据分析模块内置有对滚动轴承的故障特征频率计算公式：

a、内圈转频：

       （1），式中：N为转速；

b、一个滚动体（或保持架）通过内环上一损伤点的频率：

  （2），

式中，Z为滚动体个数，d为滚动体直径，D为轴承节径，为压力角；

c、一个滚动体(或保持架)通过外环上一损伤点的频率：

         （3） 

d、滚动体上的一损点通过内环或外环的频率：

      （4）

e、保持架的旋转频率（即滚动体的公转频率）：

         （5）

上述计算式中所涉及的物理参数值根据滚动轴承的实测数据输入到DSP数据分析模块中；DSP数据分析模块依据上述公式进行计算，获得内圈故障、外圈故障、滚动体故障、保持架故障的特征频率值S1、S2、S3、S4，即故障特征频率集合；

DSP数据分析模块对接收的滚动轴承的实时振动信号采用傅立叶变换算法进行频谱特征进行计算，获得时域波形下对应的频谱特征集Z（n）=(m0，m1，m2···mn)，式中n=0.5p，且p=采样点数，m为对应序列下的频率幅值，Z（m）即为有效信号包含的设备振动频率值集合；以特征频率值S为基准值确定Z(s)对应的m值，若ms<1,判断相应的故障特征不存在；若ms>1，则判断存在相应故障；DSP数据分析模块将分析处理结果上传给ARM数据处理模块；

④故障分析结果存储和显示：ARM数据处理模块接收DSP数据分析模块上传的实时数据，将其传输给存储模块进行存储；同时分析处理结果传输给显示模块进行实时显示。

本发明具有积极的效果：（1）本发明的基于振动检测的滚动轴承故障诊断装置，结构简单紧凑、成本低廉。（2）本发明的基于振动检测的滚动轴承故障诊断装置，其使用时，操作简便快速，故障诊断精度高。（3）本发明的基于振动检测的滚动轴承故障诊断方法，通过检测和提取滚动轴承的振动信号，转换成频率信号，将实时检测的频率信号特征与便携式轴承故障诊断仪内置的故障频率特征进行比对，以实现对滚动轴承故障的自动判断，自动化程度高，能够有效监测和预防煤矿机组的滚动轴承故障的发生。

附图说明

图1为本发明的基于振动检测的便携式滚动轴承故障诊断装置的电路装置示意图；

图2为本发明在使用时的布置结构示意图；

图3为本发明的基于振动检测的便携式滚动轴承故障诊断方法的流程图。

上述附图中的附图标记如下：

振动传感器1，

便携式轴承故障诊断仪2，A/D转换模块21，DSP数据分析模块22，ARM数据处理模块23，存储模块24，显示模块25，电源模块26，

被检滚动轴承3。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

（实施例1）

见图1和图2，本实施例的基于振动检测的便携式滚动轴承故障诊断装置，主要由振动传感器1和便携式轴承故障诊断仪2组成，用于对被检滚动轴承3进行故障检测。

振动传感器1 本实施例中优选采用KGS18型矿用本安型振动加速度传感器。振动传感器1使用时固定安装在被检滚动轴承3上。工作时，振动传感器1用于接收被检滚动轴承3的振动信号并将其上传给便携式轴承故障诊断仪2。

便携式轴承故障诊断仪2为一体件。便携式轴承故障诊断仪2包括壳体和电路装置。便携式轴承故障诊断仪2的电路装置主要由A/D转换模块21、DSP数据分析模块22、ARM数据处理模块23、存储模块24、显示模块25和电源模块26组成。

A/D转换模块21和DSP数据分析模块22分别设有信号输入端和信号输出端；ARM数据处理模块23设有分析结果信号输入端、存储通信端和显示信号输出端；存储模块24设有通信端；显示模块25设有信号输入端。

A/D转换模块21的信号输入端与振动传感器1信号电连接；DSP数据分析模块22的信号输入端与A/D转换模块21的信号输出端信号电连接；ARM数据处理模块23的分析结果信号输入端与DSP数据分析模块22的信号输出端信号电连接；存储模块24的通信端与ARM数据处理模块23的存储通信端双向信号电连接；显示模块25的信号输入端与ARM数据处理模块23的显示信号输出端信号电连接；电源模块26用于提供工作电源。

A/D转换模块21用于对振动传感器1采集传输的信号进行数据采集转换和滤波降噪；DSP数据分析模块22对振动信号进行处理分析和特征提取：对振动信号进行频谱计算、故障频率计算、振动峰值计算并提取下述特征：频谱特征、故障频率特征、峰值特征并进行故障判断；最后将处理结果数据传递给ARM数据处理模块23对结果数据进行显示、存储和传输。

本实施例的基于振动检测的便携式滚动轴承故障诊断装置，其用于滚动轴承故障诊断的方法，主要包括以步骤：

①振动传感器获取振动信号：安装于滚动轴承3上的振动传感器1实时接收滚动轴承3的振动信号，并将接收到的振动信号传送给便携式轴承故障诊断仪2的A/D转换模块21；

②A/D转换模块信号采集：便携式轴承故障诊断仪2的A/D转换模块21采集振动传感器1上传的信号进行模数转换模块后将信号上传给DSP数据分析模块22；

③DSP数据分析模块22分析处理：DSP数据分析模块22内置有滚动轴承3故障集合以及与滚动轴承3故障集合相对应的故障特征频率集合，具体如表1所示：

以滚动轴承3内圈故障、外圈故障、滚动体故障、保持架故障为例，具体的诊断过程如下：

当滚动轴承3产生缺陷时，滚动轴承3的滚动体和滚道接触处碰到一个局部缺陷就会产生一个冲击脉冲。缺陷在滚动轴承3不同位置时，接触点通过缺陷时产生的冲击脉冲频率不同，该频率称之为特征频率。振动传感器1将检测到的含有该特征频率的复杂振动信号上传给便携式轴承故障诊断仪2内的A/D转换模块21，A/D转换模块21进行信号的物理滤波去除干扰信号并进行模数转换后，将有效的数字信号传送给DSP数据分析模块22对信号进行计算分析，DSP数据分析模块22内置的对滚动轴承3的故障特征频率计算的公式如下：

a、内圈转频：

       （1），式中：N为转速；

b、一个滚动体（或保持架）通过内环上一损伤点的频率：

  （2），

式中，Z为滚动体个数，d为滚动体直径，D为轴承节径，为压力角；

c、一个滚动体(或保持架)通过外环上一损伤点的频率：

         （3） 

d、滚动体上的一损点通过内环或外环的频率：

      （4）

e、保持架的旋转频率（即滚动体的公转频率）：

         （5）

上述计算式中所涉及的物理参数值根据滚动轴承3的实测数据输入到DSP数据分析模块22中。DSP数据分析模块22依据上述公式进行计算，获得特征频率值S1、S2、S3、S4、S5，即故障特征频率集合。

DSP数据分析模块22对接收的滚动轴承3的振动信号进行频谱特征进行计算：

DSP数据分析模块22采用傅立叶变换算法进行频谱特征计算处理，获得时域波形下对应的频谱特征集Z（n）=(m0，m1，m2···mn)，式中n=0.5p，且p=采样点数，m为对应序列下的频率幅值，Z（m）即为有效信号包含的设备振动频率值集合。以特征频率值S为基准值确定Z(s)对应的m值，若ms<1,则认为S1故障特征不存在；若ms>1，则认为S1故障特征存在，对应故障类型样本库中A1内圈故障为设备存在的故障。同样，以S2,S3,S4,S5为基准值，比对Z（n）特征集合中的mn值，即可判定样本库中故障类型A2、A3、A4、A5是否存在，从而完成设备的故障诊断；DSP数据分析模块22将分析处理结果上传给ARM数据处理模块23；

④故障分析结果存储和显示：ARM数据处理模块23接收DSP数据分析模块22上传的实时数据，将其传输给存储模块24进行存储；同时分析处理结果传输给显示模块25进行实时显示。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (3)

1.一种基于振动检测的便携式滚动轴承故障诊断装置，其特征在于：包括振动传感器（1）和便携式轴承故障诊断仪（2）；所述的振动传感器（1）使用时固定安装在被检滚动轴承（3）上；

便携式轴承故障诊断仪（2）为一体件；便携式轴承故障诊断仪（2）包括壳体和电路装置；便携式轴承故障诊断仪（2）的电路装置包括A/D转换模块（21）、DSP数据分析模块（22）、ARM数据处理模块（23）、存储模块（24）、显示模块（25）和电源模块（26）；

A/D转换模块（21）和DSP数据分析模块（22）分别设有信号输入端和信号输出端；ARM数据处理模块（23）设有分析结果信号输入端、存储通信端和显示信号输出端；存储模块（24）设有通信端；显示模块（25）设有信号输入端；

A/D转换模块（21）的信号输入端与振动传感器（1）信号电连接；DSP数据分析模块（22）的信号输入端与A/D转换模块（21）的信号输出端信号电连接；ARM数据处理模块（23）的分析结果信号输入端与DSP数据分析模块（22）的信号输出端信号电连接；存储模块（24）的通信端与ARM数据处理模块（23）的存储通信端双向信号电连接；显示模块（25）的信号输入端与ARM数据处理模块（23）的显示信号输出端信号电连接；电源模块（26）用于提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的基于振动检测的便携式滚动轴承故障诊断装置，其特征在于：所述的振动传感器（1）为KGS18型矿用本安型振动加速度传感器。

3.根据权利要求1或2所述的基于振动检测的便携式滚动轴承故障诊断装置，其特征在于：其用于滚动轴承故障诊断的方法，包括以步骤：

①振动传感器获取振动信号：安装于滚动轴承（3）上的振动传感器（1）实时接收滚动轴承（3）的振动信号，并将接收到的振动信号传送给便携式轴承故障诊断仪（2）的A/D转换模块（21）；

②A/D转换模块信号采集：便携式轴承故障诊断仪（2）的A/D转换模块（21）采集振动传感器（1）上传的信号进行模数转换模块后将信号上传给DSP数据分析模块（22）；

③DSP数据分析模块分析处理：DSP数据分析模块（22）内置有包括滚动轴承（3）的内圈故障、外圈故障、滚动体故障、保持架故障的故障集合，以及与滚动轴承（3）的故障集合相对应的故障特征频率集合；

DSP数据分析模块（22）内置有对滚动轴承（3）的故障特征频率计算公式：

内圈转频：

       （1），式中：N为转速；

一个滚动体或保持架通过内环上一损伤点的频率：

  （2），

式中，Z为滚动体个数，d为滚动体直径，D为轴承节径，为压力角；

一个滚动体或保持架通过外环上一损伤点的频率：

         （3）           

滚动体上的一损点通过内环或外环的频率：

      （4）

保持架的旋转频率：

         （5）

上述计算式中所涉及的物理参数值根据滚动轴承（3）的实测数据输入到DSP数据分析模块（22）中；DSP数据分析模块（22）依据上述公式进行计算，获得内圈故障、外圈故障、滚动体故障、保持架故障的特征频率值S1、S2、S3、S4，即故障特征频率集合；

DSP数据分析模块（22）对接收的滚动轴承（3）的实时振动信号采用傅立叶变换算法进行频谱特征进行计算，获得时域波形下对应的频谱特征集Z（n）=(m0，m1，m2···mn)，式中n=0.5p，且p=采样点数，m为对应序列下的频率幅值，Z（m）即为有效信号包含的设备振动频率值集合；以特征频率值S为基准值确定Z(s)对应的m值，若ms<1,判断相应的故障特征不存在；若ms>1，则判断存在相应故障；DSP数据分析模块（22）将分析处理结果上传给ARM数据处理模块（23）；

④故障分析结果存储和显示：ARM数据处理模块（23）接收DSP数据分析模块（22）上传的实时数据，将其传输给存储模块（24）进行存储；同时分析处理结果传输给显示模块（25）进行实时显示。