便携式滚动轴承故障检测仪的设计

李珊珊

(兰州职业技术学院,甘肃 兰州 730070)

便携式滚动轴承故障检测仪的设计

李珊珊

(兰州职业技术学院,甘肃 兰州 730070)

对现有的滚动轴承故障检测仪进行了调查和研究,设计了一种功耗小、成本低的便携式滚动轴承故障检测仪。该检测仪硬件结构及软件系统基于MSP430F149单片机设计与开发,采用时域参数指标诊断滚动轴承故障。实测结果表明,检测仪能快速、自动地诊断滚动轴承故障,验证了该设计的有效性和可靠性。

检测仪 故障诊断 滚动轴承 时域参数 单片机

0 引言

滚动轴承是机械设备上使用的最重要的标准件之一,它的工作状态直接影响设备的安全运行。对滚动轴承进行状态监测与故障诊断是保证设备运行质量的重要手段。本文针对现有的便携式滚动轴承故障检测仪普遍存在价格昂贵或功能单一等缺点,遵循以最简单的方法、最小的代价诊断出较为复杂的问题的“简易诊断”原则[1],研究设计出低成本、低功耗、功能较强的便携式滚动轴承故障检测仪。本检测仪基于低功耗的MSP430F149单片机开发,滚动轴承故障诊断方法采用时域参数指标法,诊断方法的软件算法采用C语言编程实现。

1 滚动轴承故障诊断方法

采用时域参数指标法诊断滚动轴承故障时,这些指标对故障和缺陷足够敏感,参数的变化能直观地反映出滚动轴承的运行状态。采用时域参数指标诊断滚动轴承故障具有参数计算较简便、对轴承故障检测效果较好的特点,非常适合于本文基于单片机开发的便携式滚动轴承故障检测仪。

应用较为广泛的时域参数指标有:振动信号的平均值、均方根值、方差、概率密度函数、概率分布函数、自相关函数、互相关函数以及峰值指标、波形指标、峭度值等无量纲特征参数[2]。其中,无量纲指标对信号的幅值和频率不敏感,即与机械设备的运行工况无关,只依赖于信号的幅值概率密度函数。本便携式滚动轴承故障检测仪的检测参数的选择需兼顾对故障信号的敏感性和稳定性。由大量试验可知,从对滚动轴承故障和缺陷有足够的敏感性这一要求出发,峭度的性能最好,但当轴承故障发展到一定程度后,峭度的性能会有所下降,稳定性不够好。有效值稳定性很好,并且可用于对滚动轴承故障发展的趋势分析中。因此,本检测仪将有效值和峭度值这两个时域参数指标作为轴承故障检测参数。这种结合轴承故障无量纲特征参数的诊断方法的最大优点是不会受工况变化的影响,且对早期的故障有很好的诊断能力。

设离散序列的滚动轴承振动信号{xi},i=1,2,…, N,则{xi} 的峭度和有效值的计算式为:

式中:K为峭度;XRMS为轴承振动信号的均方根值(RMS又称为有效值)。

峭度指标的理论值在3左右[3]。当滚动轴承处于正常状态时,振动信号的概率密度函数接近正态分布;而当轴承表面损伤时,必然会出现冲击脉冲。但因在K的表达式中,分子包含x的四次方,故分子增加很多;而分母是x的二次方,增加较少,这必然使K值上升。因此,可以根据它的变化值相对于K=3的情况,把正常轴承和损伤轴承区分开来。有效值是有量纲参数,其会随工况的不同而改变,因此确定有效值的门限值时,需在实际中根据设备运行的工况,通过试验确定出与此工况对应的有效值门限值。

2 检测仪硬件构成

便携式滚动轴承故障检测仪的硬件设计主要包括电源管理模块、信号调理模块和单片机模块。硬件系统总体结构框图如图1所示。

图1 硬件系统总体结构框图Fig.1 Block diagram of the hardware system structure

电源管理模块主要给传感器供电且为检测仪提供基准电压。传感器模块将轴承振动信号转换成电压信号。信号调理模块分为低通滤波和程控放大两个环节。本检测仪信号测量范围为1 Hz～5 kHz,为减少范围外的信号对测量的影响,设计截止频率fc为5 kHz、增益kp为2的低通滤波器。为了获得平坦区最大的幅频特性,阻尼系数ζ取0.707。程控放大器将传感器转换的微弱电压信号放大至适当的电平,供A/D转换用。A/D转换将模拟信号转换成数字信号,供单片机进行数据处理。MSP430F149单片机将A/D转换来的信号通过一系列算法,得出检测仪所需的时域参数指标——峭度和有效值,并显示在LCD液晶显示器上,从而可根据LCD上显示的各个参数指标来判断滚动轴承是否失效。LCD主要用来显示菜单、测量的结果等。键盘用来进行开始轴承故障诊断的确认等工作。

2.1 程控放大电路

检测仪中,CA-YD-135压电式加速度传感器决定检测仪测量的振动信号范围为0.01～10 g,结合传感器的轴向电压灵敏度为2.5 mV/ms-2,可知模拟信号的测量范围为0.25～250 mV。本检测仪基于MSP430F149单片机开发。MSP430F149集成16路12位精度的A/D转换模块ADC12,A/D的参考电平为3.3 V,ADC12的A/D引脚能识别0～3.3 V的电压。轴承振动信号在A/D转换前应使其最大峰值略小于3.3 V,设计电路时取最大峰值为3 V。

轴承振动信号经程控放大等电路后为正负对称信号,因此,在A/D转换前须将信号进行提升。振动信号中心为+1.65 V左右,且峰峰值应尽量接近3 V而不能大于3 V。由此设计程控放大电路,且对不同大小的模拟信号选用不同的放大倍数进行程控放大,使其放大后的信号正峰值接近+1.35 V。

为了实现对滚动轴承振动信号较大范围内的放大处理,程控放大电路的运算放大器选用LM358。考虑到检测仪后续的功能增强和改进,本文选用双4路电子切换开关MAX4052来改变LM358的反馈电阻,从而改变其放大倍数,实现对振动信号的4档位自动量程转换程控放大。程控放大电路图如图2所示。

图2 程控放大电路图Fig.2 Circuit of cell-type amplification

双4路电子切换开关MAX4052的4个通道的切换是通过改变其2位控制端ADA、ADB的电平来实现的。由于单片机的资源丰富,MAX4052的控制端由单片机的I/O端口P1.0和P1.1输出相应电平来控制。MAX4052的控制端与其4路通道对应的真值表如表1所示。

表1 真值表Tab.1 Truth table

2.2 信号跟随及提升电路的设计

滚动轴承振动信号在程控放大后应紧接跟随电路,以实现电阻的匹配。跟随电路图如图3所示。

图3 跟随电路图Fig.3 Follow-up circuit

经跟随电路后的信号需提升+1.65 V,使其峰峰值尽量接近3 V,本文选用LM358实现对轴承振动信号的电压提升,电路简单、可靠。电压提升电路如图4所示。

图4 电压提升电路图Fig.4 Voltage boosting circuit

3 检测仪软件构成

检测仪程序由主程序和若干子程序组成。根据检测仪需要实现的功能,系统程序采用模块化结构。系统软件的总体框图如图5所示。

主程序是软件的主体框架,它的主要任务是在条件满足时调用子功能模块来实现对滚动轴承故障诊断。子程序主要包括系统的初始化模块、A/D转换模块、数据存储模块、数字信号处理模块、按键扫描模块等。各子程序均能很快返回主程序,不会发生子程序时间过长等问题,子程序对相关事件的处理依靠标志位和判断标志位来完成。

图5 系统软件总体结构框图Fig.5 Block diagram of overall system software structure

4 现场测试

本文以10个外圈、内圈点蚀程度不同的6028型滚动轴承为检测对象,进行便携式轴承故障检测仪的测试试验。

试验测试结果如表2所示。

表2 检测仪测试结果Tab.2 The test results of detector

由表2可看出,本检测仪对故障轴承的检测结果准确。由于试验试验工况较为单一,后续还需在不同工况、不同型滚动轴承下进行大量试验,对软件算法进行修正,完善本检测仪。

5 结束语

本便携式滚动轴承故障检测仪基于MSP430F149单片机研究与设计,采用时域参数指标法作为滚动轴承故障检测方法,操作简单、方便,适用于生产现场对滚动轴承故障进行快速诊断。同时,不要求操作人员具有专业知识,减少了人为差错,提高了滚动轴承故障诊断的实时性和诊断结果的可靠性。

[1] 张丽.机车滚动轴承故障的产生及诊断方法[J].哈尔滨铁道科技,2010(2):38-39.

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[7] 李俊卿.滚动轴承故障诊断技术及其工业应用[D].郑州:郑州大学,2010.

[8] 蒋超.基于振动的滚动轴承故障诊断技术研究[J].煤矿机械, 2012,33(2):235-237.

Design of the Portable Fault Detector for Rolling Bearing

Existing fault detectors for rolling bearing are researched and investigated,and the portable fault detector features low power consumption and low coat for rolling bearing has been designed.The hardware structure and software system of the detector are designed and developed based on MSP430F149 single chip computer;the faults of the rolling bearing are diagnosed by using time domain parameters.The result of practical tests shows that the detector diagnoses the faults of rolling bearing rapidly and automatically,the effectiveness and reliability of the design is verified.

Detector Fault diagnosis Rolling bearing Time domain parameter MCU

TP216+.1

A

修改稿收到日期:2014-04-22。

作者李珊珊(1981-),女,2010年毕业于太原理工大学机械设计制造及其自动化专业,获硕士学位,讲师;主要从事自动化仪器仪表相关的研究。