… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …
实用第一 智慧密集
. 。 . . 。 , . . . … . . . . . 。 . . . . . 。 . . 。 . . 。 . . . . 。 . . 。 . . … . . . . . . . 。 . . . 。 . . 。 . . 。 ,
基于 Matlab的轴承故障诊断系统设计
戴 虹
(』二海第二 【业大学计算机与信息T程学院 ,上海 201209)
摘 要:采用 Matlab编程 实现 了一个轴承故障诊 断图形 用户界 面 (GUI)系统 、系统功能 : (1)轴承故障特征频率
的理论值计算 ; (2)轴 承振动信 号的波形显示; (3)轴承振动信号 的功 率谱 分析 ; (4)基于 Hilben 变换 的故障
特征频 率检测 ,据此判断故障类型..利用该 系统 对实际的轴承振 动信号进行 检测 ,结果表明 ,该 系统可准确地识别
轴承外圈和 内圈故障,且其设计过程可作 为 DSP课程 中的教学案例 、
关键词 :Matlah语言 ;数字信号处理 ;轴承故障诊断 ;Hilbert变换 ;图形用户界 面
1 引言
滚动轴 承是旋转机械的关键部件 ,容易发生损坏 ,30%的
旋转机械故障是 由滚动轴承故障引起 的I“,须对轴 承故障进行
检测 以保 证设 备 可靠 运 行 。 当滚 动轴 承 元件 出现疲 劳 、磨
损 、断裂 、腐蚀 等故障时 ,其在 T作过程 中会产生 复杂 的振
动 121,可采 用数字信号 处理 (Digital signal processing,DSP)技
术 对此振动 信号进行故 障诊断 ,DSP技术是 采用数值 计算 的
方法 对数字信号进行处理以提取所需 的信息。Matlab是 由美国
The MathWorks公司发行的数值分析软件 ,含有众多专业 的附
加T具箱,如信号处理丁具箱 、通信 T具箱 、控制工具箱等及
罔形用 户界面 (Graphial User Interface,GUI)设计T具 ,编程界
面十分友好 .用 户可快速地构建 自己专业 的系统界面并进行算
法仿真 .
利用 Matlab软件编 程实现了一个便于在计算 机上操作 的
轴 承故障 诊断 图形用户界 面 (GUI)系统 ,并 采用实际 的轴承
振 动信号在 陔系统上进 行故障频 率检测 ,以判断 轴承 的故障
类 。
2 基于希尔伯特变换 的轴承故障诊断
2.1 故障轴 承频率 的理论值计算
滚动轴 承元件包括 外圈 、内圈 、滚 动体和保 持架 ,外 圈
固定 ,内圈与轴一体旋转 。当其 外圈 或 内圈 出现疲劳剥 落故
障时 (设 仪有 1处 缺陷 ),按 以下 公式 计算故 障轴承频 率 的理
论值J’I:
d
外阁缺陷 :fo=0.5Zf(1一 cos ) (1)
£
,,
内圈缺陷: =0.5zfd+" cos ) (2)
E
其叶】: 和 ___外 圈/内圈故障频 率 ;Z---滚动体 数;
回转频率 ;d---滚动体直径;E___一滚道节径;仅… 接触角。
2.2 轴承故障诊断
轴承存在疲劳剥 落故障时 ,当滚动体 和滚道接触 处遇到
一
个局部缺陷时.就会产生一个振动冲击信号,可用加速度
传感器 测得 。轴承不 同元 件 (外 圈/内圈 )缺 陷产生 的振 动
信 号表现为滚动体在滚道 上的通过频 率 或 对轴 承固有 频
、 一
86 " ̄
电-
20
_
16
疆.2
丽
1
与
率进行调 制的现象 。因此它 是一种调幅 信号,可采用 H ert
变换对 其进行包 络解调 以提取 轴承故 障信号 。设该振动 信号
为f(f)=a(t)COS(2T ),其中 :S(1)… 故障信号 ;厶—轴承
同有频 率。 信号 ,(£)的 Hilbert变换 厂(,)=,(}) ,其 中
1 1
“ 为卷积运算 ,而 的傅里叶变换为I4I:Fr( )=-jsgn㈧ ,
则根据傅里 叶变换的 时域 卷积定理 :时域 卷积相 当于频域 相
乘,对/(f)做傅里叶变换得 :
≥c =F(咖 :{ (o。 (3)
因此 ,Hilbea变换的结果是使原信号的相位平移 了 9O度 ,
则: r(t)= a(t)sin(2 f)。称 s(c)-厂(t)+jf(t)为 f(【)的
“解析信号”,则其 幅度 Is(t)l=a(t)。
再对 )其进行功率谱分析 ,功率谱 中幅度最大处 的频率
即故 障特 征频率 ,根 据该频率 值及公 式 (1)和 (2)来 判断
轴承故障的类 型。
3 轴承故障诊断系统的 Matlab实现
3.1 系统界面
为 了程 序 操 作 方 便 ,采 用 Matlab中 的 用 户 图 形 界 面
(Graphical User Interface,GUI)设计t61功能设计 了一 个基于 Mat.
1ab的电机轴承故障诊断系统 ,其界 面如图 l所示,包括 2个
功能模块 : (1)轴承故障频率 的理论值 计算 。 (2)轴 承故
障特征频 率提 取 :包括 “振动信号时域波形 ”、 “振动信 号的
功率谱”及 “基于 Hilbert变换的故障特征 频率提取”3个 子
模块 。实现上述图形界面的程序 如下:
基金项 目 :上海第二工业大学校青 年培养 (央财 )项 目 (项
目编号 :B50YC150005—4):上海 第二T业大学校重点课程建
设项 目 (项 目编号:A01GY16F022)资助 。
作者 简介 :戴 虹 (1977一),女 ,副教授 ,硕 士 ,研究 方 向 :
信号与信息处理。
收稿 日期 :2016—07—14
- 1
- 2
前往页