专利名称：滚动轴承振动测量和故障分析装置及方法
技术领域：
本发明涉及轴承检测与故障分析装置及方法，特别是一种滚动轴承振动测量和故障分析装置及方法。
背景技术：
滚动轴承是精密机械零件，广泛应用于航空航天、高铁、机床、车辆、冶金等国民经济诸多领域和国防建设。轴承是关键基础件，是旋转机械不可缺少的支承和传递动力的元件。轴承质量好坏直接影响其配套主机和装备的精度与性能。因此，对轴承质量进行控制， 可以减少经济损失和防止事故发生，增加国内轴承企业的竞争能力。振动和噪声性能与寿命和可靠性是滚动轴承的重要质量和性能指标。滚动轴承的寿命和可靠性理论是建立在材料滚动接触疲劳理论基础上的，随着材料和制造技术的进步，很多应用场合，如精密仪表，轿车和家用电器，对轴承振动和噪声特性的要求日趋严格， 已经上升为第一重要的质量指标。目前，国内轴承行业广泛使用的轴承速度型振动测量仪，如杭州轴承试验研究中心研制的BVT系列轴承振动(速度)测量仪、大连科汇轴承仪器有限公司研制的S07907V系列速度型轴承振动测量仪都是用模拟电路来实现对轴承的振动速度信号进行处理，仅完成单一参数(轴承振动速度有效值)的测量，且没有相应的分析功能，只能定量而不能定性地分析轴承质量水平。此外，其产品的灵活性差，功能扩展困难、升级成本高。而国外轴承公司，如SKF研制MVH 90C/200C轴承振动测试仪，采用数字量来处理信号，实现多参数来判别轴承振动，并具有数字信号分析功能。国内的轴承振动测量仪器仍然与国外的同类先进企业存在着较大的差距，产品的实际可靠性有待进一步的改进。发明的滚动轴承振动测量和故障分析装置及方法，将数字信号处理技术应用于滚动轴承振动测量和故障诊断，为微小型深沟球轴承减振降噪，提高轴承精度、性能、寿命和可靠性提供有力的手段。

发明内容
本发明的目的在于为满足轴承制造厂以及实验室检验和分析轴承振动之需要，提供一种滚动轴承振动测量和故障分析装置及方法。运用虚拟仪器技术和数字信号处理技术对调理后的滚动轴承振动信号进行数字量处理，准确测量轴承振动速度有效值、振动速度峰值和振动速度波峰因数，并能对轴承的振动速度信号进行时域分析、FFT分析、包络谱分析、离散小波分析、小波包分析和HHT分析，有效提取轴承故障特征频率，故障判断准确，实际可靠性好。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
本发明提供了一种滚动轴承振动测量和故障分析装置包括被测轴承安装装置、速度传感器、信号调理电路、数据采集设备和计算机，被测轴承安装在所述被测轴承安装装置的心轴上，所述速度传感器的传振杆以规定的压力置于被测轴承外圈外圆柱面的中部平面上， 测量方向沿轴承径向且垂直于轴承的轴线，信号调理电路和数据采集设备连接到计算机；速度传感器测量轴承外圈的径向振动速度信号，将拾取到的轴承径向振动速度信号转换成相应的电信号，该电信号经信号调理电路处理后，输送到数据采集设备，由数据采集设备对调理后的信号进行A/D转换，转换成计算机能处理的数字信号，最后由计算机对数字信号进行分析和处理。本发明提供了一种滚动轴承振动测量和故障分析方法，对调理后的滚动轴承振动速度信号进行数字量处理和分析。计算轴承振动速度有效值、振动速度峰值和波峰因数， 并能对轴承的振动速度信号进行时域分析、FFT分析、包络谱分析、小波分析、小波包分析和 HHT分析，对轴承振动进行定量和定性地分析，准确判断故障轴承的故障原因。轴承振动速度有效值计算是利用离散信号的均方根值计算公式
权利要求
1.一种滚动轴承振动测量和故障分析装置，包括被测轴承安装装置(5)、速度传感器 (1)、信号调理电路(11)、数据采集设备(10)和计算机(9)，其特征在于被测轴承(2)安装在所述被测轴承安装装置(5)的心轴(3)上，所述速度传感器(1)的传振杆以规定的压力置于被测轴承外圈外圆柱面的中部平面上，测量方向沿轴承径向且垂直于轴承的轴线，信号调理电路(11)和数据采集设备(10)连接到计算机(9)；速度传感器(1)测量轴承外圈的径向振动速度信号，将拾取到的轴承径向振动速度信号转换成相应的电信号，该电信号经信号调理电路(11)处理后，输送到数据采集设备(10)，由数据采集设备(10)对调理后的信号进行A/D转换，转换成计算机(9)能处理的数字信号，最后由计算机(9)对数字信号进行分析和处理。
2.根据权利要求1所述的滚动轴承振动测量和故障分析装置，其特征在于所述被测轴承安装装置(5)，包括主轴(4)、电机(7)、变频器(8)、心轴(3)、垂直滑块(13)、垂直锁紧手柄(14)、手轮(12)、水平滑体(16)、水平锁紧手柄(17)、旋钮(15)，由联轴器连接主轴(4) 和电机(7)，通过电缆将变频器(8)与电机(7)相连；将被测轴承(2)和与之相应的心轴(3) 安装在主轴(4)锥孔中，松开垂直锁紧手柄(14)和水平锁紧手柄(17)，调节旋钮(15)，使水平滑体(16)前后移动，完成速度传感器(1)的水平位置调整，用手轮(12)升起或下降垂直滑块(13)，调整速度传感器(1)的垂直位置调整，使速度传感器(1)的传振杆以规定的压力置于被测轴承(2)外圈外圆柱面的中部平面上，传感器水平和垂直位置调整好后，锁定垂直锁紧手柄(14)和水平锁紧手柄(17)，通过变频器(8)调节主轴(4)转速，从而使主轴(4)带动被测轴承(2)以恒定转速旋转。
3.根据权利要求1所述的滚动轴承振动测量和故障分析装置，其特征在于所述信号调理电路(11 )，由隔离放大器依次连接运算放大器、集成状态变量滤波器和集成程控放大器构成；速度传感器拾取的轴承振动速度信号首先经隔离放大器放大后，然后由运算放大器放大后，输送给集成状态变量滤波器对信号进行预滤波，再将滤波后的信号输送给程控放大器放大信号，最后将放大后的信号输送给数据采集卡。
4.一种滚动轴承振动测量和故障分析方法，采用权利要求1所述滚动轴承振动测量和故障分析装置进行测试和分析，其特征在于对调理后的滚动轴承振动速度信号进行数字量分析和处理，计算轴承振动速度有效值X腿、振动速度峰值式》t和波峰因数X，并能对轴承的振动速度信号进行时域分析、FFT分析、包络谱分析、小波分析、小波包分析和HHT分析，对轴承振动进行定量和定性地分析，准确判断故障轴承的故障原因。
5.根据权利要求4所述的滚动轴承振动测量和故障分析方法，其特征在于所述的轴 承振动速度有效值F 计算是利用离散信号的均方根值计算公式
6.根据权利要求4所述的滚动轴承振动测量和故障分析方法，其特征在于所述的轴承振动速度峰值&-利用峰值计数法，从离散信号中找出η个峰值^ 则离散信号的峰值指标为=Ii- =，其中为计算的轴承振动速度峰值，η为峰值的n /=1Λ yesiirλψ个数。
7.根据权利要求4所述的滚动轴承振动测量和故障分析方法，其特征在于所述的轴承振动速度波峰因数X利用公式I = f，其中X为计算的轴承振动速度波峰因数。X腿
8.根据权利要求4所述的滚动轴承振动测量和故障分析方法，其特征在于所述的包络谱分析采用Hilbert幅值解调法，Hilbert变换得到的解析信号实部为实信号本身，虚部为其Hilbert变换，解析信号的幅值即为信号的包络，再进行频谱分析，最后得到包络谱。
9.根据权利要求4所述的滚动轴承振动测量和故障分析方法，其特征在于所述的离1 I ‘ fyj k散小波分析采用Mallat算法，DWnm =，J聯,其中，j和k是整数；通过离散小波变换(DWT)将滚动轴承振动速度信号变换到时间一尺度域，对高频段尺度域的小波系数进行包络细化谱分析；当轴承发生故障时，小波分析的重构图上的细节信号显示一组冲击以故障特征频率对应的时间周期发生，在离散小波变换后的包络谱图中清晰地显示轴承的故障特征频率，准确提取轴承故障特征频率，判断轴承故障出现的部位。
10.根据权利要求4所述的滚动轴承振动测量和故障分析方法，其特征在于所述的小波包分析也采用Mallat算法，它对上次分解之后的低频信号和高频信号同时进行再分解， 将不同频段的信号分解到相应的频段中，然后可根据需要将所需频段内的信号重构，重构的信号与原来的信号长度一样，起到了一种滤波的作用；在轴承故障分析中，如果经计算得到的轴承故障特征频率分布在某一频段，则可在小波分解树中找到相应的节点，再对该频段的信号进行重构并分析其功率谱，然后诊断轴承故障有故障轴承，其重构后频谱的峰值分别与外圈故障特征频率或内圈故障特征频率或滚动体故障特征频率相对应，并与轴承的实际故障类型相吻合；而无故障轴承的重构信号频谱在故障特征频率处则无明显的峰值。
11.根据权利要求4所述的滚动轴承振动测量和故障分析方法，其特征在于所述的 HHT分析应用经验模态分解法(EMD)，从轴承振动信号中分解出若干个IMF分量，然后对各 IMF分量进行Hilbert变换，进而得出Hilbert时频谱及Hilbert边际谱，根据Hilbert谱分析结果诊断滚动轴承的故障并识别故障模式。
全文摘要
本发明涉及一种滚动轴承振动测量和故障分析装置及方法。本装置包括被测轴承安装装置、速度传感器、信号调理电路、数据采集设备和计算机，被测轴承安装在所述被测轴承安装装置的心轴上，所述速度传感器的传振杆以规定的压力置于被测轴承外圈外圆柱面的中部平面上，测量方向沿轴承径向且垂直于轴承的轴线，信号调理电路和数据采集设备连接到计算机；速度传感器测量轴承外圈的径向振动速度信号，将拾取到的轴承径向振动速度信号转换成相应的电信号，该电信号经信号调理电路处理后，输送到数据采集设备，由数据采集设备对调理后的信号进行A/D转换，转换成计算机能处理的数字信号，最后由计算机对数字信号进行分析和处理。本发明适用于实验室、轴承制造厂对成品轴承的生产检验与用户验收。
文档编号G01M13/04GK102183366SQ201110054488
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者余光伟, 刘江山, 朱贸, 李俊, 王成龙, 郑敏 申请人:上海大学