电机轴承外圈故障诊断装置的设计12248.docx
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1、 本 科 毕 业 设 计 第 53 页 共 53 页Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.1 引言11 课题的研究背景设备故障诊断学是本世纪六七十年代产生并发展起来的一门综合性边缘学科,经过几十年的发展,理论研究取得了重大进展,按照所采用的技术手段可分为:振动分析法声学分析法,红外分析法!润滑油分析法!计算机辅助诊断及专家系统等方法等,按照诊断对象可分为:旋转机械故障诊断往复机械故障诊断!机械零件故障诊断!工程结构故障诊断!液压设备故障诊断!电气设备故障诊断等,在这些众多诊断分支中,旋转机械故障
2、诊断是一个极为重要和引人注目的分支。电动机作为为拖动系系统中的的重要组组成部分分在国民民经济中中占有举举足轻重重的地位位,它的的使用几几乎渗透透到了各各行各业业,是工工业、农农业和国国防建设设及人民民生活正正常进行行的重要要保证,因因而确保保电动机机的正常常运行就就显得十十分重要要,而作作为电机机核心部部分的轴轴承的也也担任着着不可或或缺的角角色,轴轴承故障障的诊断断就显得得尤为重重要了。1.2 发展状状况轴承在旋转转机械中中应用最最为广泛泛,同时时也是最最易损坏坏的元件件之一。旋旋转机械械的许多多故障都都与滚动动轴承有有关,轴轴承的工工作好坏坏对机械械的工作作状态有有很大影影响,其其缺陷会会
3、直接导致致设备产产生异常常振动和和噪声,严严重时甚甚至损坏坏设备,它它的运行行状态是是否正常常往往直直接影响响到整台台机器的的性能,如如精度、可可靠性、寿寿命等。轴轴承的缺缺陷会导导致机械械设备的的剧烈振振动和产产生强大大刺耳的的噪音,严严重时会会引起设设备的损损坏、生生产的停停止、甚甚至严重重的机械械事故。据据统计,约约30% 的旋旋转机械械的故障障是由于于轴承的的损坏所所引起的的。随着着设备自自动化程程度和设设备复杂杂程度的的提高,以以及工程程领域大大型旋转转机械的的广泛应应用,都都要求对对设备有有很高的的安全性性和故障障预测性性,同时时也对新新的故障障诊断方方法提出出了要求求。因而而对作
4、为为运转机机械最重重要件之之一的轴轴承,进进行状态态检测和和故障诊诊断具有有重要的的实际意意义,这这也是故故障诊断断领域的的重点。故障监测和和诊断技技术发展展到今天天,已经经初步形形成一门门跨学科科的综合合信息处处理技术术,鉴于于此种情情况,我我们正着着力于将将故障监监测和诊诊断技术术与滚动动轴承试试验技术术进行有有效的结结合,开开发滚动动轴承寿寿命强化化试验系系统技术术,力图图在进行行轴承性性能试验验的同时时,对其其使用性性能的劣劣化和潜潜在缺陷陷进行监监测和诊诊断,指指导试验验的快速速、有效效地开展展。滚动动轴承寿寿命强化化试验系系统,属属国内独独创,该该项目已已产业化化生产,并并解决了了
5、关键技技术问题题,产品品已系列列化:AABLTT-1AA,ABLLT-22,ABLLT-33,ABLLT-44,ABLLT-55,ABLLT-66,ABLLT-77,已生生产销售售2000余台,创创产值225000余万元元,替代代进口产产品,为为国家节节省外汇汇60000余万万美元。已已申请国国家发明明专利44项,而而且均已已公示,已已授权22项。目目前这一一轴承寿寿命强化化试验系系统技术术已被瓦瓦房店轴轴承集团团有限公公司检测测试验中中心、中中国摩士集集团宁波波轴承技技术研究究院等国国内、外外众多用用户广泛泛认可并并应用。2 各模块块的方案案选择及及论证 2.1 轴承故故障诊断断的主要要环节
6、 滚动轴轴承诊断断技术概概括的说说就是以以轴承故故障振动动原理为为基础,通通过采集集跟检测测反映轴轴承各种种状态的的振动信信号,并并利用现现代信号号处理方方法将采采集到的的振动信信号经相相应的变变换,找找到反映映轴承状状态的特特征信息息频率,然然后根据据现有的的故障特特性频率率跟参数数判断故故障原因因,并预预测故障障的发展展跟设备备的使用用寿命。 一个个完整的的轴承故故障诊断断系统大大概包括括五个环环节: 1 信号的的提取 根根据轴承承的工作作环境跟跟工作性性质,量量取并选选择能够够反映轴轴承工作作状态信信息的特特征信号号。 2 特征抽抽取 从得到到的信号号数据中中以一定定的数据据分析与与处理
7、方方法抽取取能够反反映轴承承状态的的数据信信息。 3 状态识识别 根据征征兆,以以一定的的状态识识别方法法识别轴轴承的状状态信息息,即简简单的认认识到轴轴承的工工作是否否正常或或者有无无故障。 4 诊断分分析 根据情情况进一一步分析析相关的的状态及及其发展展趋势,当当轴承有有故障时时,详细细的分析析出故障障的类型型,性质质,部分分,原因因和趋势势等等。 5 决策干干预 根据据状态跟跟情况做做出相应应的应对对措施。2.2 轴轴承的振振动类型型 轴承承的振动动类型复复杂多样样,它所所造成的的振动大大致分为为三类: 11与轴轴承变形形相关的的振动:轴承作作为一种种弹性变变体。轴轴承负载载时,由由于负
8、载载滚动体体的不断断变换使使得轴承承在运行行状态时时发生弹弹性振动动。它与与轴承的的一场状状态无关关。 22与轴轴承加工工有关的的振动:轴承各各元件在在加工中中不可避避免的出出现加工工失误。如如表面波波纹,轻轻微的擦擦痕,装装配误差差等都会会引起轴轴承振动动。 33轴承承在工作作时发生生故障引引起的振振动:轴轴承在实实际工作作中,由由于发生生破碎,断断裂,剥剥落等故故障而产产生振动动。这些些振动反反映了轴轴承的损损伤情况况,所以以是应该该注意的的,这类类振动所所产生的的振动信信号是监监测分析析的对象象。 2.33 轴承承诊断各各模块的的的方案案选择 2.33.1 单片机机的选择择C80511F
9、3440单片片机是就就是顺应应这种需需求而推推出的一一种新型型USBB控制器器,功能能控制器器,符合合规范版版集成成时钟恢恢复电路路,无需需外部晶晶体;支支持个个端点;缓存;集成收收发器。无无需外部部电阻。CC80551F3340单单片机的的这些特特点。使使其在设设备设计计开发中中具有极极强的竞竞争力,特特别是在在通讯设设计中。C80511F3440具有有片内上上电复位位、VDDD监视视器、电电压调整整器、看看门狗定定时器和和时钟振振荡器的的C80051FF3400器件是是真正能能独立工工作的片片上系统统。FLLASHH存储器器还具有有在系统统重新编编程能力力,可用用于非易易失性数数据存储储,
10、并允允许现场场更新880511固件。用用户软件件对所有有外设具具有完全全的控制制,可以以关断任任何一个个或所有有外设以以节省功功耗。片内Sillicoon LLabss二线(CC2)开开发接口口允许使使用安装装在最终终应用系系统上的的产品MMCU进进行非侵侵入式(不不占用片片内资源源)、全全速、在在系统调调试。调调试逻辑辑支持观观察和修修改存储储器和寄存器器,支持持断点、单单步、运运行和停停机命令令。在使使用C22进行调调试时,所所有的模模拟和数数字外设设都可全全功能运运行。两两个C22接口引引脚可以以与用户户功能共共享,使使在系统统调试功功能不占占用封装装引脚。每种器件都都可在工工业温度度范
11、围(-45到+885)内内用2.7V-5.225V的的电压工工作。电电源电压压大于33.6VV时,必必须使用用内部稳稳压器。对对于USSB通信信,电源源电压最最小值为为3.00V。端端口I/O和/RSTT引脚都容容许5VV的输入入信号电电压。CC80551F3340采采用488脚TQQFP封封装或332脚LLQFPP封装。 由于本本系统对对CPUU运算速速度要求求很高,需需要执行行很复杂杂的运算算,故采采用上述述方案。2.3.22振动传传感器的的选择 一. 机械监监测系统统测振传传感器的的选择必必须从两两个方面面考虑:首先要要考虑被被监测设设备的机机械方面面的因素素。传感感器的选选择除了了考虑
12、监监测系统统的机械械因素外外,还应应注意如如下几点点:1.对用接接触式传传感器进进行振动动测量时时,应尽尽量避免免对被测测试件增增加质量量负载,即即传感器器的质量量应远小小于被测测物体或或试件的的质量,防防止或避避免因安安装传感感器造成成被测物物体或试试件动态态特性的的改变。非非接触式式传感器器无此缺缺点,但但其灵敏敏度与初初始安装装间隙有有关,使使用时应应加以注注意。2.测量前前应估计计出被测测量的频频率范围围,并检检查它是是否落在在传感器器的幅频频曲线的的上作频频带内,即即幅频曲曲线的平平直段内内。当测测量由多多种频率率成分组组成的复复杂波形形时,必必须选择择相移与与频率成成线性关关系(相
13、相频曲线线为过坐坐标原点点的斜直直线)的的传感器器,否则则将会产产生波形形失真。3.事先估估计被测测系统的的最大振振级,并并检查它它是否超超过所采采用传感感器最大大冲击值值的三分分之一。一一般说来来低灵敏敏度传感感器可用用于高振振动量级级测量,反反之,低低量级振振动应采采用高灵灵敏度传传感器,以以提高信信噪比。4.估计被被测点振振动方向向,以便便于正确确安装传传感器,减减小横向向灵敏度度等带来来的测量量误差。如如不能精精确估计计,可采采用受方方向影响响较小的的传感器器。5.估计传传感器的的上作环环境,如如温度、瞬瞬时温度度、磁场场、声场场等,并并检查所所采用传传感器能能否满足足使用环环境的要要
14、求,是是否要采采用必要要的防范范措施。二 . 根据上上述内容容,本系系统采用用压电式式加速度度传感器器,从性性能价格格比的角角度考虑虑选用北北京测振振仪器厂厂生产的的YD一一12型型压电式式加速度度传感器器,其参参数如下下:图2.3 传感器器原理图图1.电压灵灵敏度:40一一60mmv/gg;2.横向灵灵敏度:5%;3.频率响响应:11一1000000Hz;4.电荷灵灵敏度:4060ppe/gg;5.引出方方向:侧侧向;6.最大可可测加速速度:550099;7.电容:10000pFF;8.重量:25990g2.3.33转速传传感器选选择 1.工工作原理理转速传感器器选用非非接触光光电式转转速传
15、感感器,它它分为投投射式和和反射式式两类。投投射式光光电转速速传感器器的读数数盘和测测量盘有有间隔相相同的缝缝隙。测测量盘随随被测物物体转动动,每转转过一条条缝隙,从从光源投投射到光光敏元件件上的光光线产生生一次明明暗变化化,光敏敏元件即即输出电电流脉冲冲信号(图图1)。反反射式光光电转速速传感器器在被测测转轴上上设有反反射记号号,由光光源发出出的光线线通过透透镜和半半透膜入入射到被被测转轴轴上。转转轴转动动时,反反射记号号对投射射光点的的反射率率发生变变化。反反射率变变大时,反反射光线线经透镜镜投射到到光敏元元件上即即发出一一个脉冲冲信号;反射率率变小时时,光敏敏元件无无信号。在在一定时时间
16、内对对信号计计数便可可测出转转轴的转转速值。2.具体型型号的选选用具体型号选选用LGG-9916光光电式转转速传感感器,制制造商为为小野(OONO SOKKKIOONO SOKKKI) LG-9116是从从传感器器发出 (红外外线),照照到旋转转轴上产产生反射射光,再再检测这这个反射射光的非非接触式式转速传传感器。在在旋转轴轴上通常常要贴反反射标签签,LGG-9916是是在其尖尖端部使使用玻璃璃纤维束束,其玻玻璃纤维维束发出出红外线线光,同同时接受受反射回回来的光光。传感感器内装装小型放放大器,对对波形整整形为矩矩形波输输出重量量只有1150gg,非常紧紧凑轻便便。3.系统的的硬件设设计系统的
17、硬件件主要包包括电源源模块、C8051F340单片机、数据采集模块,数据传输电路等对轴承故障诊断及检测。3.1 电电源模块块电源电路负负责给硬硬件电路路提供工工作电源源。本电电路直接接使用33节干电电池供电电,这样样增加了了设备的的可移动动性,同同时也减减小了设设备的体体积。3.2 轴轴承故障障诊断的的理论与与方法 轴承故故障诊断断中, 采用共共振解调调法, 基本原原理为: 当轴轴承某一一元件表表面产生生局部损损伤时, 在轴轴承受载载运行时时要撞击击与之相相互作用用的其它它元件表表面, 产生一一系列的的冲击脉脉冲力. 这些些冲击力力会激起起轴承系系统的高高频固有有振动. 根据据实际情情况, 可
18、选择择其中一一个高频频固有振振动作为为研究对对象, 通过带带通滤波波的方法法, 把把它从其其中的高高频振动动中分离离出来. 这个个高频固固有振动动的振幅幅受轴承承元件故故障特征征频率的的调制. 利用用包络检检波器解解调得到到反映故故障的包包络信号号, 对对此包络络信号进进行分析析, 即即可诊断断出滚动动轴承的的故障. 振动动信号的的分析处处理分为为时域处处理和频频域处理理两类. 时域域处理主主要指标标为振动动信号的的均方根根值和峰峰值, 可以通通过均方方根值硬硬件电路路和峰值值保持电电路得到到. 当当利用时时域指标标监视发发现某轴轴承有故故障, 要判断断到底是是什么类类型的故故障、故故障发生生
19、在哪个个元件上上, 以以及故障障的严重重程度等等比较精精确的信信息时, 需要要对滚动动轴承的的信号进进行频谱谱分析, 即进进行频域域处理. 根据据频谱图图中的频频率成分分以及各各有关频频率成分分处的幅幅值大小小进行精精确诊断断.如图图所示:传感器拾取振动信号包络信号带通滤波放大高频 固有振动冲击元件损伤低通滤波器频谱分析 频谱图3.1 检测流流程图轴承的故障障特性分分析 滚动轴承承的不同同类型的的故障会会引起不不同类型型的特征征振动信信号,按按照振动动信号的的不同可可以将故故障区分分为一下下几个类类型: 1.滚动动轴承的的构造故故当轴承上面面加上一一定的负负载时,旋旋转轴的的中心随随着滚动动体
20、的位位置变动动,这是是因为负负载使轴轴承的内内外圈跟跟滚动体体发生了了弹性形形变,同同时产生生的振动动叫做滚滚动体的的传输振振动,这这个振动动的主要要频率是是zfcc(z为为滚动体体数,ffc为滚滚动体频频率),对对于旋转转轴弯曲曲,轴承承跟轴装装歪,或或者滚动动体的直直径不一一致的故故障会产产生如下下表中的的振动:表3.1 构造故故障频率率异常原因 特征征频率 备注轴弯曲或轴轴装歪 f为旋转转频率,不不能引起起高频衰衰减振动动滚动体直径径不一致致 fcc以及nnfc=f ff为旋转转频率,不不能引起起高频衰衰减振动动2.滚动轴轴承的表表面损伤伤表面损伤的的类故障障是轴承承最常见见的故障障,常
21、表表现为元元件表面面疲劳导导致剥落落,压痕痕,裂痕痕,烧伤伤,划伤伤等。当当轴承存存在局部部损伤时时,损伤伤点通过过轴承元元件表面面时要产产生突变变的冲击击脉冲力力,该脉脉冲是一一个宽带带信号,所所以必然然覆盖轴轴承系统统的高频频固有振振动频率率而引起起谐振,从从而产生生冲击振振动由于于滚动轴轴承的匀匀速回转转,使冲冲击具有有周期性性,对发发生在不不同位置置的损伤伤,丛集集具有不不同的频频率,通通常称为为特征频频率,故故障特征征频率一一般在11KHzz以下,股股东轴承承不同元元件损伤伤故障特特征频率率各不相相同,损损伤故障障特征频频率计算算公式,如如下表: 为简单起起见,设设轴承外外圈固定定,
22、内圈圈旋转,表表中,dd为滚动动体直径径,D为为轴承节节圆直径径。a为为接触角角,z为为滚动体体个数,ffx为内内圈的旋旋转频率率,fcc为外圈圈的旋转转频率,NN为工作作转速。表3.2 滚滚动轴承承的表面面损伤异常情况 特征频频率 备注外圈损伤 能引引起高频频衰减振振动内圈损伤 能引引起高频频衰减振振动滚动体损伤伤 能引引起高频频衰减振振动 3.精加工工面波纹纹制造时如在在滚道或或者滚动动体的精精加工上上面留有有波纹,当当凸起数数达到某某一数值值时就会会引起如如下表的的振动:表3.3 波纹频频率异常原因 特特征频率率 备注内圈波纹 波波纹凸起起数为,发发生左栏栏中频率率振动外圈波纹 波纹纹凸
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- 电机 轴承 外圈 故障诊断 装置 设计 12248
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