应用于轴承检测系统的模拟滤波器设计

2018-05-24 07:09丛培田

机械工程与自动化 2018年2期

张磊，丛培田

(沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳 110168 )

0 引言

滚动轴承是机器中的易损零件，许多旋转机械的故障都与滚动轴承的运行状态有关。据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约有30%的机械故障由轴承引起。滚动轴承本身在工作时必然伴随旋转而产生振动，且其运行状态的好坏直接反映在振动信号中。由于存在干扰，轴承振动信号中夹杂了其他干扰信号，从而对轴承运行状态的判断产生影响。滚动轴承故障诊断的目的是保证轴承在一定的工作环境(承受一定的载荷，以一定的转速运转等)下和一定的工作期间(一定的寿命)内可靠有效地运行，以保证整个机械的工作精度。与此目的相适应，轴承故障诊断就是通过对反映轴承工作状态信号的观测、分析与处理来识别轴承的状态。所以，从一定程度上说，轴承故障诊断就是轴承状态识别。因此，对轴承信号进行滤波具有重要意义。和软件滤波相比，硬件滤波系统具有运行速度快、效率高等优点，且状态变量滤波器可以调节阻尼比和固有频率，由于二阶滤波器对波形衰减的速度低于六阶，因此本文设计了六阶状态滤波器。

1 六阶状态滤波器频率范围

1.1 振动信号的频带划分

在测试装置中，利用滤波器的筛选作用可以滤除干扰噪声或进行频谱分析，所以滤波器在自动检测、自动控制及电子测试仪中被广泛应用。滚动轴承的振动频率成分十分丰富，既含有低频成分，又含有高频成分，而且每一种特定的故障都对应有特定的频率成分。由于滚动轴承的故障特征在不同频带上有着不同的反映，因此，需要我们通过适当的信号处理方法将特定的频率成分分离出来，从而指示特定故障的存在。为了实现这一目的，需要对信号的频率进行筛选，即使用滤波器电路对被认定为干扰信号的频段进行抑制,使其大幅衰减。

滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器4种基本形式，为了适应不同的测试对象与测试系统，本文设计了中心频率可调可显示的带通滤波器，便于找到测试对象与测试系统的共振频率段。根据国家机械行业标准，本文选择1 800 r/min作为轴承故障检测时的转速，50 Hz～10 000 Hz之间的频率作为轴承故障检测评判范围，即通频段频率范围为50 Hz～10 000 Hz。在通频段一般可将轴承的振动频率划分为3个频带：低频段，频率范围为50 Hz～300 Hz；中频段，频率范围为300 Hz～1 800 Hz；高频段，频率范围为1 800 Hz～10 000 Hz。

1.2 状态滤波器边界选择

为了满足各频段频率范围，需要6个状态滤波器，其中3个高通滤波器的截止频率分别为50 Hz、300 Hz、1 800 Hz；3个低通滤波器的截止频率分别为300 Hz、1 800 Hz、10 000 Hz。6个滤波器的连接方式如图1所示。

1-通频段；2-低频段；3-高频段；4-中频段

2 滤波器参数计算

(1)

图2 二阶状态滤波器原理图

当图2是截止频率为f=50 Hz的低通滤波器时，就可以确定R5和C1之间的关系，然后根据常用电容容值表选择电容C1的值求出电阻R5的值，接着再与常用电容容值表中的电阻值比较，从而确定R5的值。把R5、C1的值代入式(1)，求出截止频率f是否接近50 Hz，若相差较大则重复之前的计算，这样最后求出R5和C1的值。R7、R8、R9的值与R5的值相等，C2的值与C1的值相等，R1、R2、R3、R4的值选择10 kΩ。在3个二阶滤波器中，上述参数值都相同。