DOI:10.13436/j.mkjx.2011.01.131 第 32 2011 卷第 年 01 01 期 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.32 No.01 Jan. 2011 基于 LabVIEW 的滚动轴承故障诊断系统 * 刘海生 ， 唐山学院 ， （ 王会刚 刘学江 河北 唐山 ， 063000） 设计了基于 摘 要 通过对滚动轴承工作特性及其故障研究 ： 分析了滚动轴承振动机理与失效形式 软件的滚动轴承故障 运用共振解调分析与希尔伯特变换作为滚动轴 LabVIEW ， ， 通过对轴承支持架故障分析表明该系统对滚动轴承故障诊断正确有效 。 诊断系统 承故障诊断的方法 。 。 关键词 中图分类号 ： 滚动轴承 故障诊断 ； ； ： TH133.33； TP39 希尔伯特变换 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1003 － 0794（2011）01 － 0255－ 03 Fault Diagnosis System of Rolling Bearing Based on LabVIEW LIU Hai-sheng， LIU Xue-jiang， WANG Hui-gang (Tangshan College， Tangshan 063000, China) Abstract: A fault diagnosis system of rolling bearing based on LabVIEW is presented according to the research of bearing’s running and fault characteristic.The mechanism of rolling bearing failure and the characteristic frequency is analyzed，then the method is proposed taking advantage of the resonance demodulation and Hilbert transformation. The system was used to the analysis of bearing retainer and showed validity and effectiveness to rolling bearing diagnosis. Key words: rolling bearing; fault diagnosis; hilbert transformation 滚动轴承特性分析 滚动轴承的振动可由外部振源引起 1 也可由轴 ， 润滑剂在轴 噪声 ） 上述振源施加于轴承零件及附近的结构件上时 承本身的结构特点及缺陷引起 承运转时产生的流体动力也可能成为振动 源 都会激励起振动 此外 。 ， （ 。 。 1.1 固有频率计算 钢球的固有频率 式中 （1） （2） 式中 r——— fb= 0.424 = r E 2ρ姨 钢球半径 ； 材料密度 材料弹性模量 ； ρ——— E——— 。 滚动轴承套圈在圈平面内的固有频率 fr= n(n2-1) 2π n2+1姨 a-2 EI M姨 I——— a——— M——— n——— 套圈截面绕中性轴的惯性矩 回转轴线到中性轴的半径 套圈线密度 节点数 ； ； ； 。 滚动轴承的故障缺陷频率计算 式中 1.2 外环缺陷 （1） fBPFI = zN 120 内环缺陷 （2） （1＋ dcos α D ） （3） 唐山市科学技术研究与发展计划项目 （09110201a） 资助 * 块 （SCC）， 通过 255 （4） （5） （6） fBSF= DN 120 d 滚子缺陷 （1＋ d2cos2 α D2 ） fBPFO= zN 120 保持架陷 （1- dcos α D ） （3） （4） （1- dcos α ） D d——— D——— fFTF= N 120 轴承节径 ； 滚动体直径 ； 滚动体数量 接触角 工作转速 。 当轴承出现故障后 N——— α——— z——— ； ； ， ， 这是因为滚动体并非纯滚动等因素造成的 振动频谱中会出现特征频 但实际谱峰的频率并不总是精确的等于计 故 而且频谱分 关于 率谱峰 算值 障程度的增加容易导致调制边频现象 析很难处理轴承各部位同时出现故障的情况 。 轴承缺陷引起的各种对应特征频率见参考文献 。 。 ， [9]。 2 设备 滚动轴承故障诊断系统硬件选择 诊断系统的 硬件主要包 括 数据采集卡 ， 选用传感器型号为 计算机等 ： ， 。 灵敏度 程 1 000 mv/(m/s2)， 抗冲击 20 m/s2， 500 m/s2。 信号调理设备为 传感器 信 号 调 理 ， CA-YD189， 频率范围 其具体参数为 ： 量 0.2~3 kHz(%)， NI 公司的便携式信号调理模 屏蔽盒与数据采集卡相连 。 SC-2345 

Vol.32No.01 数据采集卡选用了 公司的 的模拟输入分辨率 道的模拟输入 ， 1.25 MS/s 主要具体参数如表 NI 最高 PCIe-6251，16 的采样率 ，16 ， 表 1 PCIe-6251 1。 参数表 基于 LabVIEW 的滚动轴承故障诊断系统 刘海生 等 ， ——— 第 32 卷第 01 期 位 通 3.2 频率分析模块 频率分析用于提取信号的特征值 序分别如图 图 3、 4 所示 。 前面板及程 ， 总线类型 模拟输入 采样率 / MS·s-1 分辨率 /bits 同步采样 电压范围 精度范围 敏感度范围 电压范围 精度范围 /V /μV /μV /mv /μV 1.25 16 否 －10－10 1 920 112 -100-100 PCI Express 模拟输出 通道数 更新率 /MS·s-1 分辨率 电压范围 精度范围 电压范围 精度范围 /bits /V /μV /V /μV 52 数字输入输出 通道数 输入范围 分辨率 /V /bits 24 DI0 0-5 32 最大时钟速率 输出范围 /MHz /V 最大信号源频率 /MH 2 2.86 16 -10-10 2 080 -1-1 1 045 10 0-5 80 图 3 频率分析模块前面板 3 滚动轴承故障诊断系统软件设计 基于虚拟仪 器的滚动轴 承 故 障 诊 断 系 统 包 括 时域 解调分析 数 据存储与回 放模块 频率分析模块 滤波分析模块 、 、 数据采集与传 递模块 分析模块 模块 、 、 、 3.1 大值 。 时域分析模块 滚动轴承运行信号特征参数有峰值 最小值 、 。 无量纲参数指标不受轴承型号 均方根值等 峰峰值 、 、 因素及信号绝对水平的影响 或与以前的数据进行比较 域处理最常 用的无量纲 指标为 标 析前面板 裕度指标 脉冲指标 程序如图 所示 。 、 、 、 ， 2 。 、 轴速和载荷等 无需考虑相对标准值 ， 轴承振动信号进行幅值 峰值指 、 为时域分 波形 指标 图 ： 。 1 峭度指标 均值 最 、 、 图 1 系统时域分析模块前面板 频率分析模块程序框图 图 中第 4 1 。 3 谱 图 个波形是原始信号的 个波形是滚动轴承的原始信号 第 是频率分析的 其输出信 号 该分析函数通过原始信号傅里叶 为后续的滤波 4 主 要部分为频 谱分析函数 2 框图程序 为功率谱 变换得到滚动轴承故障的共振频带 分析做准备 （PSD）。 FFT 图 ， 。 ， ， ， 3.3 滤波分析模块 轴承局部存在损伤或缺陷时 ， 产生突变的衰减冲击脉冲力 幅值将受到这些脉冲激振力调制 动波形表现为复杂的幅值调制波 分中含有与缺陷对应的故障频率 频带提取出来 ， 滤波模块前面板 图 ， 在受载过程中将 激起轴承高频振动 ， 使轴承的最终振 调制波的频率成 因此需要把共振 为 图 ， ， ， 。 5 找到滚动轴承的共振频带 ， 6 为该模块程序图 。 系统时域分析模块程序代码 图 5 滤波分析模块前面板 图 2 1 第 个波形显示的是滚动轴承的原始信号 个波形显示的是原始信号的自相关分析波形 第 原 2 始 信号的时域 参数和无量 纲参数指 标在时域 参 数 框和无量纲参数指标框中显示 ， 。 。 图 6 滤波分析模块程序框图 256 

基于 的滚动轴承故障诊断系统 刘海生 等 ， ——— Vol.32No.01 第 ， 2 个 形如图 所示 。 9 表 3 无量纲参数指标 正常 内圈 滚子 外圈 支架 峭度 波形 峰值 脉冲 裕度 2.739 71 3.891 89 3.972 66 4.712 80 6.693 42 4.312 15 23.649 7 23.077 6 28.630 7 95.084 0 3.092 44 3.568 37 4.385 61 3.907 32 4.487 55 13.335 1 84.390 7 101.209 111.869 426.694 17.435 9 91.803 0 118.784 63.630 9 168.493 第 卷第 期 32 图 01 中第 5 1 波形是滤波后的信号 。 LabVIEW 个波形是轴承的原始信号 3.4 解调分析模块 当表面有局部损伤时 ， ， 从而 激起轴承 的高频固有 振动 轴承系统产生周期性的 产生幅 将 该高频 振 荡 解 即得到 一种与损伤 冲击一一对 应的共 振 解 调 脉冲激励 度正比于冲 击强度的高 频振荡 调 波 ， 其幅度与损伤冲击程度成正比 将缺陷振动信号 进行滤波和 ， 变换检波后 然后进行频谱分析找出低频激振频率 Hilbert ， ， 。 。 ， 分析结果界面和程序框图见图 变成包络信号 故障频率 （ ）。 图 7、 8。 图 9 Hilbert 解调后信号的频谱如图 变换解调后波形 所示 故障特征频 ， 10 率为 9.07344 Hz， 并伴随有边频带 。 图 7 解调分析模块前面板 图 图 8 解调分析模块程序代码 7 第 图 中最上面是共振解调后信号波形 个 个波形显示的是滤波后的共振 是解调后频谱 频带的信号 参数框中显示坐标位置 ， 据此可以判 断频率及对 应幅值的大 小以便 确 定 故 障部位 ， 移动定位线 第 2 3 ， ， 。 。 4 实例分析 导入各类型故障数据 和表 参数具体数值如表 经系统计算得出上述各 所示 ， 3 2 2 从表 中各时域参数值看 。 故障发生情况下各 数值 相对于正常 状态下的 数值均有不 同程度 的 变 化 中各无量纲参数指标数值看 峭度指标 ， 、 脉冲指标及裕度指标值均有明显增加 通过各参数 ， 的变化可以初步判断滚动轴承存在故障 从表 3 ， ； 。 表 2 时域参数 均值 方根值 最大值 最小值 峰峰值 周期均值 ［4］ 正常 内圈 滚子 外圈 支架 0.021 00 0.003 80 0.004 50 0.002 40 0.001 32 0.099 90 0.110 20 0.156 80 0.085 97 1.165 95 0.090 80 0.089 90 0.103 90 0.068 85 1.25941 -0.199 -0.301 -0.276 -0.239 -0.579 0.480 0.622 0.732 0.508 1.189 0.281 0.321 0.456 0.269 0.610 ［5］ ［6］ 所示 可以很明显的得出 原始信号频谱如表 3 共振频带的上下限分别为 滤 波 器 阶 数 取 号滤波后的波形图见图 ， 300 Hz 2，Butterworth 5。 Hilbert 200 Hz。 和 滤 波 器 对 原 始 信 变换解调后的波 257 讲师 生 。 ， 解调后波形频谱图 保持架故障特征频率为 号频谱分析得出的频率接近 障为保持架故障 ， 与实际故障吻合 与解调信 9.361 47 Hz， 因此确定滚动轴承故 。 10 。 结语 5 。 、 ， ， ， ， (Hilbert) LabVIEW LabVIEW 利用 硬件结构 故障信号经过滤波和希尔伯特 则在频谱中含有低频的激振频率 图形化软件 开发的系统 具有计算效 设计了 率高 使用简单方便的特点 ， 滚动轴承故障诊断系统的软 运用共振 解调 分析与希尔 伯特变换作 为滚动轴承 故 障 诊 断 变换 的方法 检波后变成包络信号 再对此包络信号进行频谱分 析 经对滚动轴 承支持架 故障信号的 分析结果显 示系统 分 析 功 能 具有可信性 参考文献 ： 仇学青 张鑫 ， 煤矿机械 屈梁生 社 王平 ， 别 ［J］. 陈 向 东 基于神经网络的滚动轴承故障包络信号的自动识 滚动轴承故障诊断研究的国内现状与发展方向 基 于 神 经 网 络 的 滚 动 轴 承 故 障 监 测 廖明夫 航空发动机 ，2007,28(6):6-8. 何正嘉 上海科学技术出版 ，2004，2030(2):23-26． 机械故障诊断学 ， ，1986． 赵 登 峰 轴 承 上海 ［M］. ［1］ ［2］ ［3］ 。 。 ： . . . ［J］. 滚动轴承故障信息的自动提取方法研 究 . ， 廖明夫 , ，2003，25(6):604-608． . . 2003,23(2):16-51． 王平 强度 崔硕 原理工大学 作者简介 浙江工业大学机械电子专业硕士学位 ， 主要研究方向有工业机械的力学行为及失效分析 基于振动信号的滚动轴承故障诊断方法研究 ，2007. 刘海生 ： 河北滦县人 （1971－ ）， ， ［J］. , 机 械 ［J］. ［D］. 太原 太 ： CAD/CAE/CAPP/CAM， 篇 电话 核心期刊 篇 获得河北省教学成果奖一项 6 ， 责任编辑 ：0315-2010536， 电子信箱 于淑清 收稿日期 ： 唐山学院机电工程系 ， 北京科技大学博士研究 计算机仿真 、 余 、 发表论文 ， 10 ：tsxy2008@yeah.net. ：2010－09－20