多參數軸承振動測量實驗平臺的研制

黃文濤, 陳 芳

(1. 哈爾濱工業大學 實驗室管理與教學條件保障處, 黑龍江 哈爾濱 150001； 2. 哈爾濱工業大學 機電工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

軸承是旋轉機械中的常用件,軸承出現故障時會產生故障特征信號,通過各種傳感器對軸承振動信號進行測量,并用專業軟件進行數據處理,就能及時對軸承故障進行檢測[1-2]。

市場上有滿足不同需求的軸承測試實驗臺,其中,以科學研究為目的軸承實驗平臺[1-6],多以研究軸承特定性能為主,而教學用途的實驗平臺則具有多種類型。在教學用途的實驗平臺中,有的在現有基礎上通過改進提高了性能[7-8]；有的以仿真為主,能夠進行滾動軸承組的模擬實驗[9]；更多的則是為了滿足軸承故障診斷的教學演示需求,能夠實現在線實時監測軸承系統振動信號,同時進行信號分析和處理[10-12]。

但這些設備很少考慮到溫度變化和軸承安裝過程對實驗本身的影響。軸承長時間轉動引起的溫升,使得金屬材料膨脹,從而改變軸承間隙和軸承振動響應；安裝軸承時,軸承座與軸承外圈之間不同的預緊力會使軸承外圈產生不同的變形,間接改變了軸承尺寸,影響了測量結果。這兩種影響的后果,就是同一故障軸承多次安裝和多次測量的結果會有很大不同。因此,研發一種能記錄軸承運行時的溫度及軸承座預緊力的多參數軸承振動測量實驗平臺尤為重要。

本文所提出的多參數軸承振動測量實驗臺,不僅解決了上述問題,而且在系統軟件設計上,為學生提供了多種實驗方案選擇,有利于培養學生的實驗能力和創新能力,有利于鍛煉學生運用理論知識解決實際問題的能力。

1 實驗平臺總體方案

以LabVIEW軟件為開發平臺,針對旋轉機械轉子的常見故障,設計開發了多參數軸承振動監測與故障診斷實驗臺。該實驗平臺融合了傳感技術課程中3類典型的傳感器(加速度傳感器、電渦流傳感器和溫度傳感器),是一個綜合應用實驗平臺。

本實驗平臺的總體結構如圖1所示。對于軸承系統的各種常見故障,可根據故障信號特征判斷出故障類型和故障位置。把采集的模擬信號轉換成數字信號,通過LabVIEW軟件進行計算處理,并結合Matlab軟件進行分析。

圖1 多參數軸承振動測量實驗平臺設計圖

2 實驗平臺硬件系統設計

2.1 主體結構設計

本實驗平臺可實現對軸承的動態加載,主要硬件結構包括底座平臺、加載機構、軸承系統、驅動傳動機構及信號采集系統,如圖2所示。

圖2 平臺結構圖

底座平臺由一個T型槽平臺及支架構成；軸承系統由一對上下剖分式的軸承座和轉軸組成,軸承座固定外圈,轉軸和內圈連接；加載機構由支架和電動缸組成,電動缸固定在支架上豎直放置,對軸承座進行加載；驅動傳動機構由電機和皮帶組成,電機驅動通過皮帶使轉軸旋轉；信號采集系統主要測量安裝軸承時的預緊力、軸承工作時的振動信號,并實時檢測軸承運轉時的溫度。各組成部分的性能和作用如下。

(1) 底座平臺為T型槽平臺,包括電機底座平臺和軸承系統底座平臺,兩平臺分開放置,防止電機運行時的振動傳到軸承系統,影響傳感器的測量結果。

(2) 驅動傳動機構中,皮帶將動力從電機傳給軸承轉軸,減小電機振動對軸承系統的影響,電機采用2.2 kW三相異步電動機。

(3) 加載機構包括電動缸和電動缸支架,電動缸支架安裝在軸承系統底座平臺上,對電動缸起到支撐作用。電動缸可實現對軸承的動態加載,加載范圍0～2 000 N。

(4) 軸承系統由1對固定軸承和1個測試實驗軸承組成,測試軸承受到來自加載機構中電動缸加載的壓力。

2.2 信號采集系統設計

信號采集系統的技術路線如圖3所示,軸承振動信號采集的硬件設備通常是由傳感器、信號調理模塊、數據采集卡、工控機及專用線路等模塊構成。硬件設備的選擇主要取決于系統的可靠性、擴展性、通道數、采樣頻率和現場環境等。

圖3 信號采集系統

(1) 傳感器：壓電式加速度傳感器(ICP)利用壓電材料的特性,通過材料受力與電荷的比值測出振動信號的加速度。電渦流位移傳感器利用電渦流效應,檢測被測金屬導體和探頭之間的相對位移。溫度傳感器利用材料的溫度變化會引起材料電阻值線性變化的特性,計算軸承的工作溫度。

(2) 放大電路：壓電式加速度傳感器和溫度傳感器工作時的輸出電壓可能過低，導致采集卡無法識別，因此通過放大電路連接采集卡放大信號，同時把模擬信號轉變成用于數據采集計算的數字信號。

(3) 前置電路：前置電路主要有2個功能,一是為電渦流傳感器探頭的交流電流；二是對振動信號起到放大電流及降噪作用,產生與振動信號成線性變化的電流或電壓信號。

(4) 數據采集卡：數據采集卡的主要作用是把傳感器和其他設備測量到的模擬信號轉化成用于數據分析的數字信號。本實驗平臺采用研華PCI-1710總線多功能數據采集卡,主要功能包括：A/D和D/A轉換、數字量輸入和輸出及計數器和定時器等。

3 實驗平臺軟件設計

本軸承振動實驗以LabVIEW軟件為開發平臺,并結合Matlab軟件,進行軸承系統振動監測與故障診斷軟件設計。該軟件系統能夠實現對軸承系統轉子振動的實時監測,對信號的處理、分析、存儲、回放,以及對振動幅值的超標報警等功能。同時還能對電動缸加載的壓力、軸承運行時的溫度、電渦流傳感器數據及軸承座安裝時的預緊力等參數進行實時監測,測量平臺軟件的主界面如圖4所示。

圖4 測量平臺軟件界面

同時,還可通過軟件對軸承檢測數據進行簡單的處理計算。圖5為軸承測量平臺的軟件設計結構方案,軟件每隔一段時間對軸承振動幅值進行計算,如果超過設定閥值則報警,以上參數均可人為設定。

圖5 平臺軟件結構方案

4 實驗平臺技術指標及功能

本軸承測量平臺的特點是能夠同時監測軸承的多種參數,包括工況參數及安裝參數。本軸承測量平臺與國外SpectraQuest機械故障模擬實驗臺主要性能指標對比如表1。

表1 產品性能比較

本實驗平臺的主要技術指標均達到或超過國內同類設備。作為一種教學自制設備,其配置、性能完全能夠滿足日常的教學需求。特別是本設備能夠模擬出旋轉機械的多種常見故障,并以LabVIEW軟件為開發平臺,結合Matlab實現了旋轉機械振動監測與故障診斷系統的軟件設計。實現了集對軸承振動信號的實時監測,對信號的處理、分析、存儲、回放,以及對振動幅值的超標報警等功能于一體的軟件系統平臺。本實驗臺還考慮了性價比的影響,通過合理選擇傳感器、信號調理器、數據采集卡、工控機等配件,研制費用較市場上同類產品大幅降低。

本實驗平臺的主要功能如下：

(1) 動態調節軸承負載大??；

(2) 實現對軸承振動信號的實時監測,同時進行時域、頻域分析,可設置振幅超標報警信號；

(3) 如果振幅超標報警,系統對轉子的工作狀態進行判別,進行故障診斷；

(4) 能夠保存歷史數據,并可實現數據復現；

(5) 記錄每次實驗時的軸承安裝預緊力及軸承所受負載；

(6) 實時記錄軸承運轉時的溫度；

(7) 采集到的數據可導入Matlab軟件,進行進一步的處理和分析。

5 實驗結果分析

為展示本平臺檢測軸承缺陷的效果,準備2種軸承故障類型,一為軸承外圈局部缺陷,二為軸承外圈局部缺陷及轉軸偏心。2種故障類型的實驗條件如表2所示。

表2 實驗條件

如圖6的故障時域圖所示,這2種故障類型都含有明顯的沖擊,據此判斷出此2種故障都是軸承局部缺陷故障,且故障類型1的振動幅值高于故障類型2,但是并不能判斷出哪個存在轉軸偏心故障。對它們進行包絡分析,得到圖7所示的頻域圖,從圖中可以看出,故障類型1的1倍頻最高,其他倍頻依次降低,是典型的軸承外圈局部缺陷,故障類型2的2倍和3倍頻相對1倍頻更高,說明存在轉軸偏心情況。

圖6 故障時域圖

圖7 故障頻域圖

6 結語

機械設備狀態監測及故障診斷是一門綜合性很強的技術,涉及到傳感器技術、信號分析處理、在線監測控制和軟件系統設計等諸多學科。針對軸承系統在線實時監測及故障診斷技術的研究,在培養學生綜合運用多知識點解決實際問題能力方面具有獨特的優勢。多參數軸承振動測量實驗平臺,就是針對傳感技術課程的實驗教學需求而研制的。該平臺可使學生了解傳感元件的工作原理,學習如何應用傳感元件來實現特定目標的測試系統的構建,并且能夠綜合多門課程的知識點,完成實驗內容中的自主創新部分設計,目的是培養學生在實驗中的自主性和創新性。隨著該平臺測試功能的不斷豐富和完善,將會在傳感技術課程的實驗教學中發揮更大的作用。