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1、沈阳理工大学 硕士学位论文 智能化轴承故障诊断仪的工程设计与研制 姓名：李海波 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：丛培田 20090301 沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 滚动轴承是机器中的易损部件，许多旋转机械的故障都与滚动轴承的状态有 关，据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约有 30的机械故障由轴承而引 起的。因此，进行滚动轴承故障诊断技术研究具有十分重要的意义。 由于滚动轴承本身在工作时必然伴随旋转而产生振动，其运行状态的好坏直 接反映在振动信号中,而且振动信号测试简单、直观，因此通过测量、分析轴承的 振动信号判断其运行状况十分流行，也导致了共振解调法这一诊断方式的
2、产生。 在本课题的研究中，首先介绍了滚动轴承故障诊断的理论与方法，然后以共 振解调原理为基础，设计了模拟硬件电路，包括传感器介绍及选择、滤波电路、 整流电路、检波电路及峰值均值电路等；其次，为使用 PC 机分析处理振动信号， 使用带有片上 USB 控制器和 A/D 转换器的混合信号微处理器 C8051F340，设计了 一种可通过 USB 接口和 VB6.0 程序实现与 PC 机联机的 9 通道数据采集电路， 可以 将模拟硬件电路产生的模拟信号传送至上位机；再次，编写了上位机应用软件， 该软件具有实时监测、频谱分析、数字滤波、频谱细化以及频谱平均等功能。 最后，将本系统应用于滚动轴承振动测试实验
3、。在对大量实验数据进行分析 的基础上，验证了本故障诊断系统的正确性和实用性。 关键词：轴承故障诊断；共振解调；频谱分析 沈阳理工大学硕士学位论文 Abstract The Rolling bearings are the vulnerable to damage component in machinery. Many faults of rotating mechanism are related to roller bearings. According to statistics, about 30 % faults are caused by the damaged bearings.
4、 Thus, for rolling bearing fault diagnosis technology research is of great significance. As the rolling bearing is at work along with the inevitable rotation and vibration generated, and its operation will have a direct reflection of the vibration signals. In addition, to test the vibration signals
5、is simple and intuitive, so by measuring, and analysis of bearing vibration signals to judge its performance is very popular,and this leads the birth of resonance demodulation diagnosis. During the study of this subject, first introduced the rolling bearing fault diagnosis theory and methods, then b
6、ased on the principle of resonance demodulation, an analog hardware circuitry has been designd,including the introduction and chiocement of sensors,the design of filter circult,rectifier,dector circuit,peak circuit and the average circuit;Secondly,in order to use PC for machine vibration signal proc
7、essing, a data acquisition device which has 9-channels is designed based on C8051F340 which is a mixed-signal microcontroller and integrates USB controller and A/D converter on a chip.This data acquisition device can transmit the analog signals which were produced by hardware circuitry to PC;Third,t
8、he PC applications software was designed,which has the functions of real-time monitoring,spectral analysis(FFT),digital filtering, zoom -FFT,and average of the spectrum. Finally,the bearing fault diagnosis system has been used in rolling bearing virbration testing laboratories. on the basis of the a
9、nalysis in a large number of experimental data,the correctness and practicality of this system has been validated. Key words: bearing fault diagnosis; resonance-demodulation; spectrum analysis 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不
10、包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字） ： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日
11、 期： 日 期： 第 1 章 绪 论 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 概述 滚动轴承是机器中的易损部件， 许多旋转机械的故障都与滚动轴承的状态有 关，据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中，大约有 30的机械故障由轴承而引 起的 1。轴承出现故障时，轻者产生废品，重者激发出机械系统中零部件的共振， 形成“链式反应”造成机械设备严重损坏。由于轴承特定的使用环境，与别的机 械零部件相比，其寿命离散性很大，目前还无法准确预测其寿命的长短。由于轴 承的这个特点，在实际使用中就出现这样一种情况，即有的轴承已大大超过设计 寿命而依然完好地工作，而有的轴承远未达到设计寿命就出现各种故障。所以如 果按照设计
12、寿命对轴承进行定时维修，则势必出现以下情形：一方面，对超过设 计寿命而完好工作的轴承拆下来作为报废处理，造成浪费；另一方面，未达到设 计寿命而出现故障的轴承或者坚持到定时维修时拆下来报废，使得机械在轴承出 现故障后和拆下前这段时间内工作精度下降， 或者未到维修时间就出现严重故障， 导致整个机械出现严重事故。因此对重要用途的滚动轴承要进行工况监视与故障 诊断，改传统的定时维修为视情维修或预知维修，这不但可防止机械工作精度下 降，减少或杜绝事故发生，而且可以最大限度地发挥轴承的工作潜力，节约开支， 具有重要意义。因此，滚动轴承的工况监视与故障诊断技术引起了国内外许多科 技人员的重视。 1.2 滚动
13、轴承故障形成的原因及故障主要形式 2 滚动轴承在运转过程可能会由于各种原因引起损坏， 如装配不当、 润滑不良、 水分和异物侵入、腐蚀和过载等都可能导致轴承过早损坏。即使在安装、润滑和 使用维护都正常的情况下，经过一段时间运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而 不能正常工作。总之，滚动轴承的故障原因是十分复杂的。滚动轴承故障形成的 原因及故障主要形式如下： (1). 疲劳剥落 沈阳理工大学硕士学位论文 - 2 - 滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，由于交变载荷的 作用，首先在表面下一定深度处（最大剪应力处）形成裂纹，继而扩展到接触表 面使表层发生剥落坑，最后发展到大片剥落，这种现象
14、就是疲劳剥落。疲劳剥落 会造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧。通常情况下，疲劳剥落往往是滚动 轴承失效的主要原因，一般所说的轴承寿命就是指轴承的疲劳寿命，轴承的寿命 试验就是疲劳试验。 试验规程规定， 在滚道或滚动体上出现面积为 0.5mm 2 的疲劳 剥落坑就认为轴承寿命终结。滚动轴承的疲劳寿命分散性很大，同一批轴承中， 其最高寿命与最低寿命可以相差几十倍甚至上百倍，这从另一角度说明了滚动轴 承故障监测的重要性。 (2) 磨损 由于尘埃、异物的侵入，滚道和滚动体相对运动时会引起表面磨损，润滑不 良也会加剧磨损，磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运 转精度，因而也降低了机器
15、的运动精度，振动及噪声也随之增大。对于精密机械 轴承，往往是磨损量限制了轴承的寿命。 此外，还有一种微振磨损。在轴承不旋转的情况下，由于振动的作用，滚动 体和滚道接触面间有微小的、反复的相对滑动而产生磨损，在滚道表面上形成振 纹状的磨痕。 (3) 塑性变形 当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或因热变形引起额外的载荷，或有 硬度很高的异物侵入时都会在滚道表面上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过 程中产生剧烈的振动和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步 引起附近表面的剥落。 (4) 锈蚀 锈蚀是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由于表面锈蚀导致精 度丧失而不能继续工作。水分
16、或酸、碱性物质直接侵入会引起轴承锈蚀。当轴承 停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也 会引起锈蚀。此外，当轴承内部有电流通过时，电流有可能通过滚道和滚动体上 的接触点处，很薄的油膜引起电火花而产生电蚀，在表面上形成搓板状的凹凸不 平。 第 1 章 绪 论 - 3 - (5) 断裂 过高的载荷可能会引起轴承零件断裂。磨削、热处理和装配不当都会引起残 余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。另外，装配方法，装配工艺 不当，也可能造成轴承套圈挡边和滚子倒角处掉块。 (6) 胶合 在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发热，轴承零件可以在极短 时间内达到很高的温度，导致表面烧伤及胶合。所谓胶合是指一个零件表面上的 金属粘附到另一个零部件表面上的现象。
