一種基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺及其檢測方法，其屬于滾動軸承早期故障診斷的【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法借助磁懸浮軸承，在滾動軸承附近的轉(zhuǎn)子上在線施加恒定的電磁力激振力，在運行的滾動軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸承座處采集振動加速度信號，對采集的時域信號直接進行Hilbert變換，獲得振動加速度信號的包絡(luò)譜圖，在頻譜信號中，提取滾動軸承故障的特征頻率并進行分析、做出故障診斷，該種基于電磁激勵的滾動軸承故障診斷方法對滾動軸承早期微弱的損傷特征信號有極大的放大作用，而對于健康的滾動軸承，恒定的電磁力下振動信號變化很小。本發(fā)明基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺及其檢測方法可對早期微弱的軸承故障特征進行放大，結(jié)果可靠。
【專利說明】一種基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺及其檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺及其檢測方法，其屬于滾動軸承早期故障診斷的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】:
[0002]作為旋轉(zhuǎn)機械中最常用的部件之一，滾動軸承的運行狀態(tài)對旋轉(zhuǎn)機械的性能有著直接影響。軸承在故障發(fā)生早期，故障特征本身很微弱，故障信息信噪比低，早期微弱的故障特征會被其他運動部件引起的振動和大量隨機噪聲所淹沒，早期的故障特征信號提取困難。并且對于接觸角為O的滾動軸承而言，滾珠位置分布隨時間變化引起的剛度周期性變化會導(dǎo)致產(chǎn)生VC(varying compliance)振動,其頻率與外圈故障振動特征頻率一致,這對早期微小的軸承外圈故障的診斷帶來了困難。
[0003]磁懸浮軸承(AMB)主要用于支撐轉(zhuǎn)子，除此之外磁懸浮軸承還可作為激振器和傳感器。磁懸浮軸承作為激振裝置具有幅值頻率易調(diào)控，可在線無接觸施加外激勵力的優(yōu)點。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，針對滾動軸承的各種故障診斷方法，其本質(zhì)是對早期的故障振動信號進行處理，力求提取出故障特征信號。但是軸承在故障發(fā)生早期，故障特征本身很微弱，故障信息信噪比低，早期故障特征被其他運動部件引起的振動和大量隨機噪聲所淹沒，早期的故障特征信號提取困難。目前旋轉(zhuǎn)機械故障診斷領(lǐng)域，產(chǎn)生了新的不同思路的診斷方法，即在特定的外激勵作用下，診斷旋轉(zhuǎn)機械早期故障。目前國外已經(jīng)有學(xué)者對此方法進行了相關(guān)的研究，借助磁懸浮軸承對轉(zhuǎn)子施加激振力，識別轉(zhuǎn)子的不平衡量、診斷轉(zhuǎn)子早期裂紋故障以及用于以滑動軸承磨損的故障診斷。但目前基于磁懸浮軸承電磁激勵故障檢測方法還未在滾動軸承故障診斷中得到應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明提供一種基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺及其檢測方法，其在滾動軸承附近轉(zhuǎn)子部位施加恒定的電磁激振力，可以使得由故障引起的特征振動信號幅值成倍的放大，有助于提高滾動軸承內(nèi)外圈早期微弱故障的診斷的準確性，具有重要的現(xiàn)實意義和工程實用價值。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺，其包括轉(zhuǎn)子、套設(shè)于轉(zhuǎn)子外側(cè)的用于支撐轉(zhuǎn)子的滾動軸承及磁懸浮軸承系統(tǒng)，所述磁懸浮軸承系統(tǒng)包括安裝于轉(zhuǎn)子上靠近滾動軸承位置的磁懸浮軸承及用于控制磁懸浮軸承向轉(zhuǎn)子施加非接觸式的恒定電磁激勵力的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)，所述磁懸浮軸承控制系統(tǒng)包括控制器模塊、功率放大器模塊及電渦流位移傳感器模塊。
[0007]本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案:一種基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺的檢測方法，其包括如下步驟:
[0008]步驟1:在滾動軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運行時，通過磁懸浮軸承控制系統(tǒng)對磁懸浮軸承所在位置的轉(zhuǎn)子部分施加在線非接觸式的恒定電磁激振力；[0009]步驟2:通過安裝于軸承座上的加速度傳感器采集滾動軸承的振動信號，對采集的時域信號進行Hilbert變換，并獲得包絡(luò)譜圖；
[0010]步驟3:對包絡(luò)譜圖中的滾動軸承故障特征頻率信號進行分析，診斷軸承故障。
[0011]進一步地，所述步驟I中具體包括如下步驟:
[0012]步驟1-1，磁懸浮控制系統(tǒng)中，關(guān)閉控制器模塊與電渦流位移傳感器模塊，僅開啟功率器放大模塊；
[0013]步驟1-2，通過外部信號發(fā)出器產(chǎn)生一個穩(wěn)定幅值的信號，將外部信號輸入功率放大器模塊；
[0014]步驟1-3，將功率放大器模塊的輸出控制電流加載在磁懸浮軸承差動磁極的某一個單獨磁極上，向運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子施加非接觸式的恒定電磁激勵力。
[0015]本發(fā)明具有如下有益效果:早期微弱的滾動軸承故障由于軸承在故障發(fā)生早期，故障特征本身很微弱，而且在復(fù)雜的工況條件下，故障信息信噪比低，早期故障特征被其他運動部件引起的振動和大量隨機噪聲所淹沒，早期的故障特征信號提取困難，磁懸浮軸承作為激振裝置具有幅值頻率易調(diào)控，可在線無接觸施加外激勵力的優(yōu)點，在恒定的電磁力下，滾動軸承故障引起的故障特征振動頻率的幅值會有成倍的放大，而對于健康的滾動軸承而言，施加恒定的電磁力后其振動幾乎信號沒有變化，該種方法對于早期微弱的滾動軸承故障診斷具有非常重要的價值。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0016]圖1是基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺示意圖。
[0017]圖1中的標號名稱是:1.磁懸浮軸承，2.轉(zhuǎn)子，3.滾動軸承；其中ms、mp分別為轉(zhuǎn)子、軸承座的質(zhì)量；KP、CP是軸承座與定子之間的剛度和阻尼，fMB是通過磁懸浮軸承在轉(zhuǎn)軸上向轉(zhuǎn)子y軸負方向施加的恒定電磁力。
[0018]圖2(a)為健康的滾動軸承轉(zhuǎn)速為60Hz運行下，無電磁外力的軸承座振動加速度時域圖；圖2(13)為健康的滾動軸承轉(zhuǎn)速為60Hz運行下，受電磁外力的軸承座振動加速度時域圖。
[0019]圖3(a)為健康的滾動軸承轉(zhuǎn)速為60Hz運行下，無電磁外力的軸承座振動加速度時域Hilbert包絡(luò)譜圖；圖3(13)為健康的滾動軸承轉(zhuǎn)速為60Hz運行下，受電磁外力的軸承座振動加速度時域Hilbert包絡(luò)譜圖。
[0020]圖4(a)為外圈含有微弱故障的滾動軸承轉(zhuǎn)速為60Hz運行下,無電磁外力的軸承座振動加速度時域圖；圖4(13)為外圈含有微弱故障的滾動軸承轉(zhuǎn)速為60Hz運行下，受電磁外力的軸承座振動加速度時域圖。
[0021]圖5(a)為外圈含有微弱故障的滾動軸承轉(zhuǎn)速為60Hz運行下,無電磁外力的軸承座振動加速度時域Hilbert包絡(luò)譜圖；圖5(13)為外圈含有微弱故障的滾動軸承轉(zhuǎn)速為60Hz運行下，受電磁外力的軸承座振動加速度時域Hilbert包絡(luò)譜圖。
[0022]圖6(a)為內(nèi)圈含有微弱故障的滾動軸承轉(zhuǎn)速為60Hz運行下,無電磁外力的軸承座振動加速度時域圖；圖6(13)為內(nèi)圈含有微弱故障的滾動軸承轉(zhuǎn)速為60Hz運行下,受電磁外力的軸承座振動加速度時域圖。
[0023]圖7 (a)為內(nèi)圈含有微弱故障的滾動軸承轉(zhuǎn)速為60Hz運行下,無電磁外力的軸承座振動加速度時域Hilbert包絡(luò)譜圖；圖7(b)為內(nèi)圈含有微弱故障的滾動軸承轉(zhuǎn)速為60Hz運行下，受電磁外力的軸承座振動加速度時域Hilbert包絡(luò)譜圖。
[0024]圖8為外圈含有微弱故障的滾動軸承在轉(zhuǎn)速為IOOHz下，受不同幅值電磁外力的故障特征頻率信號幅值變化趨勢圖。
[0025]圖9為本發(fā)明基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺中磁懸浮軸承控制系統(tǒng)圖?！揪唧w實施方式】:
[0026]請參照圖1和圖9所示，本發(fā)明基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺包括轉(zhuǎn)子
2、套設(shè)于轉(zhuǎn)子2外側(cè)的用于支撐轉(zhuǎn)子2的滾動軸承3及磁懸浮軸承系統(tǒng)，該磁懸浮軸承系統(tǒng)包括安裝于轉(zhuǎn)子2上靠近滾動軸承3位置的磁懸浮軸承I及用于控制磁懸浮軸承I向轉(zhuǎn)子2施加非接觸式的恒定電磁激勵力的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)，該磁懸浮軸承控制系統(tǒng)包括控制器模塊、功率放大器模塊及電渦流位移傳感器模塊，其中滾動軸承3和轉(zhuǎn)子2形成了滾動軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，磁懸浮軸承I在滾動軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中不起支撐轉(zhuǎn)子的作用，僅作為非接觸式激振源。
[0027]請參照圖1至圖9所示，本發(fā)明基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測方法，包括如下步驟:
[0028]步驟1:在滾動軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運行時，通過磁懸浮軸承控制系統(tǒng)對磁懸浮軸承所在位置的轉(zhuǎn)子部分施加在線非接觸式的恒定電磁激振力；
[0029]步驟2:通過安裝于軸承座上的加速度傳感器采集滾動軸承的振動信號，對采集的時域信號進行Hilbert變換，并獲得包絡(luò)譜圖；
[0030]步驟3:對包絡(luò)譜圖中的滾動軸承故障特征頻率信號進行分析，診斷軸承故障。
[0031]其中步驟I中具體包括步驟:
[0032]步驟1-1，磁懸浮控制系統(tǒng)中，關(guān)閉控制器模塊與電渦流位移傳感器模塊，僅開啟功率器放大模塊；
[0033]步驟1-2，通過外部信號發(fā)出器產(chǎn)生一個穩(wěn)定幅值的信號，將外部信號輸入功率放大器模塊；
[0034]步驟1-3，將功率放大器模塊的輸出控制電流加載在磁懸浮軸承差動磁極的某一個單獨磁極上，向運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子施加非接觸式的恒定電磁激勵力。
[0035]下面結(jié)合具體的實施例來具體闡述本發(fā)明基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測方法。
[0036]為驗證本發(fā)明基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測方法的正確性，選用SKF61901滾動軸承進行分析。
[0037]實施例一:
[0038]轉(zhuǎn)子的外圍套設(shè)有SKF61901滾動軸承支承，在滾動軸承右側(cè)的轉(zhuǎn)子上安裝有磁懸浮軸承，磁懸浮在本實施例一中僅作為非接觸式的電磁激振源，不起支承轉(zhuǎn)子的作用。
[0039]通過線切割機，在左側(cè)的滾動軸承外圈人為的設(shè)置微小的故障，滾動軸承的軸承座垂直方向上安裝加速度傳感器。
[0040]磁懸浮控制系統(tǒng)中，關(guān)閉控制器模塊與電渦流位移傳感器模塊，僅開啟功率放大器模塊，通過外部信號發(fā)出器產(chǎn)生一個穩(wěn)定幅值的信號，將外部信號輸入功率放大器模塊，將功率放大器模塊的輸出控制電流加載在磁懸浮軸承差動磁極的某一個單獨磁極上，向運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子施加非接觸的恒定幅值為60N的電磁力。
[0041]設(shè)置電機的轉(zhuǎn)速為60Hz，即3600rpm，采集0.1s內(nèi)軸承座的振動加速度信號。圖4(b)為0.7-0.8s內(nèi)的軸承座加速度振動時域圖。將采集的信號進行Hilbert包絡(luò)后進行FFT變化得到對應(yīng)的包絡(luò)譜圖，如圖5(b)所示。圖4(a)與圖5(a)分別為無電磁力下外圈故障軸承的軸承座處加速度時域圖及其包絡(luò)譜圖。
[0042]對包絡(luò)譜圖進行分析可以發(fā)現(xiàn)，恒定的電磁力下，圖5(b)中外圈故障特征頻率f。(247Hz)及其倍頻的幅值比無電磁力下圖5(a)外圈故障特征頻率f。(247Hz)及其倍頻的幅值有了成倍的放大。故障特征頻率信號的放大，非常有助于早期微弱的故障診斷。
[0043]實施例二:
[0044]轉(zhuǎn)子的外圍套設(shè)有SKF61901滾動軸承支承，在滾動軸承右側(cè)的轉(zhuǎn)子上安裝有磁懸浮軸承，磁懸浮軸承在本實施例二中僅作為非接觸式的電磁激振源，不起支承轉(zhuǎn)子的作用。
[0045]通過線切割機，在左側(cè)的滾動軸承內(nèi)圈人為的設(shè)置微小的故障。滾動軸承的軸承座垂直方向上安裝有加速度傳感器。
[0046]磁懸浮控制系統(tǒng)中，關(guān)閉控制器模塊與電渦流位移傳感器模塊，僅開啟功率放大器模塊。通過外部信號發(fā)出器產(chǎn)生一個穩(wěn)定幅值的信號，將外部信號輸入功率放大器模塊。將功率放大器模塊的輸出控制電流加載在磁懸浮軸承差動磁極的某一個單獨磁極上，向運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子施加非接觸的恒定幅值為60N的電磁力。
[0047]設(shè)置電機的轉(zhuǎn)速為60Hz，即3600rpm，采集0.6s內(nèi)軸承座的振動加速度信號。圖6(b)為0.6-1.2s內(nèi)的軸承座加速度振動時域圖。將采集的信號進行Hilbert包絡(luò)后進行FFT變化得到對應(yīng)的包絡(luò)譜圖，如圖7(b)所示。圖6(a)與圖7(a)分別為無電磁力下內(nèi)圈故障軸承的軸承座處加速度時域圖及其包絡(luò)譜圖。
[0048]對包絡(luò)譜圖進行分析可以發(fā)現(xiàn)，恒定的電磁力下，圖7(b)中內(nèi)圈故障特征頻率fi (352.8Hz)及其倍頻的幅值比無電磁力下圖7(a)內(nèi)圈故障特征頻率(352.8Hz)及其倍頻的幅值有了成倍的放大。故障特征頻率信號的放大，非常有助于早期微弱的故障診斷。
[0049]實施例三:
[0050]轉(zhuǎn)子的外圍套設(shè)有SKF61901滾動軸承支承，在滾動軸承右側(cè)的轉(zhuǎn)子上安裝有磁懸浮軸承，磁懸浮軸承在本實施例三中僅作為非接觸式的電磁激振源，不起支承轉(zhuǎn)子的作用。
[0051]通過線切割機床，在左側(cè)的滾動軸承外圈人為的設(shè)置微小的故障，滾動軸承的軸承座垂直方向上安裝有加速度傳感器。
[0052]設(shè)置電機的轉(zhuǎn)速為IOOHz，即6000rpm。
[0053]磁懸浮控制系統(tǒng)中，關(guān)閉控制器模塊與電渦流位移傳感器模塊，僅開啟功率放大器模塊。通過外部信號發(fā)出器產(chǎn)生一個穩(wěn)定幅值的信號，將外部信號輸入功率放大器模塊。將功率放大器模塊的輸出控制電流加載在磁懸浮軸承差動磁極的某一個單獨磁極上，向運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子施加非接觸的恒定幅值的電磁力。
[0054]通過調(diào)節(jié)電流的幅值，分別向轉(zhuǎn)子施加ON，30N, 60N, 90N, 120N, 150N, 180N, 240N，300N, 360N, 420N的恒定的電磁力。在不同的電磁力下，采集軸承座的振動加速度信號進行Hilbert包絡(luò)后進行FFT變化得到對應(yīng)的包絡(luò)譜圖，提取對應(yīng)電磁力下包絡(luò)譜圖中外圈故障特征頻率的幅值，繪制電磁力的幅值對故障特征信號幅值的影響圖，如圖8所示。
[0055]從趨勢變化圖中可以看出，故障特征信號的幅值隨著電磁力的增大，開始有迅速的增大，隨后增大的趨勢減緩。電磁力下故障特征信號的幅值成倍的放大，非常有助于早期微弱的故障診斷。
[0056]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺，其特征在于:包括轉(zhuǎn)子(2)、套設(shè)于轉(zhuǎn)子(2)外側(cè)的用于支撐轉(zhuǎn)子(2)的滾動軸承(3)及磁懸浮軸承系統(tǒng)，所述磁懸浮軸承系統(tǒng)包括安裝于轉(zhuǎn)子(2)上靠近滾動軸承(3)位置的磁懸浮軸承(I)及用于控制磁懸浮軸承(I)向轉(zhuǎn)子(2)施加非接觸式的恒定電磁激勵力的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)，所述磁懸浮軸承控制系統(tǒng)包括控制器模塊、功率放大器模塊及電渦流位移傳感器模塊。
2.一種如權(quán)利要求1所述的基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺的檢測方法，其特征在于:包括如下步驟 步驟1:在滾動軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運行時，通過磁懸浮軸承控制系統(tǒng)對磁懸浮軸承所在位置的轉(zhuǎn)子部分施加在線非接觸式的恒定電磁激振力； 步驟2:通過安裝于軸承座上的加速度傳感器采集滾動軸承的振動信號，對采集的時域信號進行Hilbert變換，并獲得包絡(luò)譜圖； 步驟3:對包絡(luò)譜圖中的滾動軸承故障特征頻率信號進行分析，診斷軸承故障。
3.如權(quán)利要求2所述的基于電磁激勵的滾動軸承故障檢測平臺的檢測方法，其特征在于:所述步驟I中具體包括如下步驟 步驟1-1，磁懸浮控制系統(tǒng)中，關(guān)閉控制器模塊與電渦流位移傳感器模塊，僅開啟功率器放大模塊； 步驟1-2，通過外部信號發(fā)出器產(chǎn)生一個穩(wěn)定幅值的信號，將外部信號輸入功率放大器模塊； 步驟1-3，將功率放大器模塊的輸出控制電流加載在磁懸浮軸承差動磁極的某一個單獨磁極上，向運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子施加非接觸式的恒定電磁激勵力。
【文檔編號】G01M13/04GK103994889SQ201410228417
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】徐園平, 周瑾, 金超武, 徐龍祥, 趙晨 申請人:南京航空航天大學(xué)