一种滚动轴承故障模拟实验装置及故障在线诊断方法

技术领域

本发明属于机械故障诊断技术领域，涉及一种滚动轴承故障模拟实验装置及故障在线诊断方法。

背景技术

滚动轴承作为多种机械设备的核心零部件，其运行状态直接关系着整个设备的正常运转。滚动轴承的实际服役环境通常表现为变转速、变载荷等，而在非平稳变工况条件下轴承所受的应力比较复杂，容易损坏发生故障。因此，对滚动轴承进行故障模拟实验并对实验数据进行分析，为掌握滚动轴承工作状态提供支撑，对保障机械设备安全稳定运行具有重大意义。

为了保证机械设备安全稳定运行，目前多采用巡检方式，定期采集机械设备的振动数据，然后进行分析处理，以掌握机械设备运行状态，但是考虑成本问题，此种方式两次检查之间间隔时长通常较长，不利于及时掌握机械设备运行状态，对机械设备的故障预测也容易出现滞后性。目前也有通过对滚动轴承进行载荷加载，并进行故障模拟试验的方式，以掌握滚动轴承工作状态，从而了解机械设备的运行状态，例如申请号为201821548227.X的专利公开了一种小型滚动轴承径向加载装置及其实验台，其使用实验平台对小型轴承进行故障模拟试验，但是其对转轴进行加载，一方面转轴容易受损，导致试验成本增加，另一方面，在实际机械设备运行过程中，为了保证转轴质量以及转动顺畅性，通常不会在转轴上加载负荷，由此，对转轴加载负荷模拟轴承故障与实际情况差距较大，试验结果误差也较大，从而降低试验结果的准确性；同时，其开展轴承故障模拟实验，未对模拟过程数据进行收集，在进行故障分析时，数据缺口较大，无法对轴承实际情况进行准确识别，也造成了故障预测的滞后性。

因此，有必要提供一种滚动轴承故障模拟实验装置及故障在线诊断方法，在较低成本基础上，获得更加准确的监测结果，通过实时监测以获取较多滚动轴承故障模拟实验数据量，并对模拟实验数据进行分析诊断，获得准确性较高的结果，提升滚动轴承故障模拟实验结果的现实参考意义。

发明内容

为了克服背景技术中的问题，本发明提出了一种滚动轴承故障模拟实验装置及故障在线诊断方法，通过摩擦扭矩测试装置、力传感器、X方向加速度传感器、Y方向加速度传感器、温度传感器将感应信号传输至数据采集终端，再由数据采集终端将信号转换后，传输至计算机进行储存，方便工作人员查找及调用；通过对测试轴承固定座加载负荷，进而使待测轴承在负荷情况下工作，对待测轴承进行故障模拟，一方面降低转轴损坏概率，降低成本，另一方面以更接近待测轴承实际工作情况的加载方式，提高获取数据准确性，从而使得数据分析的数据基础更加接近滚动轴承实际工作状态，工作人员在调用获取数据进行分析时，有更多更准确的数据作为分析基础对工作人员的分析工作进行支撑，有利于提升数据分析可靠性，提高故障预测及诊断准确性；结合故障在线诊断方法对获取的数据进行较为准确的分析诊断，掌握滚动轴承故障模拟实验过程中，滚动轴承状态，为滚动轴承实际工作故障预测分析提供可靠参考。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种滚动轴承故障模拟实验装置，所述的滚动轴承故障模拟实验装置包括驱动电机1、轴承座2、转轴3、测试轴承固定座4、摩擦扭矩测试装置5、力传感器6、EHA液压加载装置7、防振底座8、X方向加速度传感器10、Y方向加速度传感器11、电机支撑座12，支架14、温度传感器15、计算机16、数据采集终端18、第二联轴器20，所述驱动电机1通过所述电机支撑座12与所述防振底座8固定连接，所述轴承座2固定安装在防振底座8上并且轴承座2内安装有轴承，所述测试轴承固定座4通过摩擦扭矩测试装置5与支架14连接，所述支架14固定安装在防振底座8上，所述测试轴承固定座4内固定安装有待测轴承19，所述驱动电机1输出端与所述转轴3一端通过第二联轴器20连接，转轴3与轴承座2内安装的轴承配合连接并且转轴3另一端穿过所述轴承座2内的轴承与所述测试轴承固定座4内安装的待测轴承19配合连接，所述EHA液压加载装置7位于测试轴承固定座4一侧并与测试轴承固定座4位置对应，EHA液压加载装置7固定安装在防振底座8上，所述力传感器6安装在EHA液压加载装置7上，所述X方向加速度传感器10固定安装在测试轴承固定座4远离EHA液压加载装置7一侧的侧面上，所述Y方向加速度传感器11和温度传感器15固定安装在测试轴承固定座4顶面上，所述摩擦扭矩测试装置5、力传感器6、X方向加速度传感器10、Y方向加速度传感器11、温度传感器15输出端与所述数据采集终端18输入端连接，所述数据采集终端18输出端与所述计算机16输入端连接。

作为优选，所述转轴3为分段结构，相邻两段转轴3之间通过第一联轴器9连接。第一联轴器9的数量根据实际使用过程中转轴3分段的段数确定，转轴3分段段数越多，则需要增加相应数量的第一联轴器9将相邻两段转轴3进行连接。

作为优选，所述的滚动轴承故障模拟实验装置还包括柜体17，所述防振底座8固定安装在柜体17上，所述柜体17底部安装有万向轮13。

作为优选，所述EHA液压加载装置7的加载方式包括：输入恒定力加载、三角波形式加载、梯形变化加载。

本发明另一方面提供了一种滚动轴承故障在线诊断方法，在所述计算机16中部署信号融合模块、故障诊断模块、可视化终端，所述的故障在线诊断方法包括以下步骤：

S1：所述信号融合模块对模拟实验过程中数据采集终端18传输至计算机16的数据进行融合处理，得到融合值。

S2：所述故障诊断模块对所述步骤S1中得到的融合值进行Teager能量算子解调，得到Teager能量谱融合值，所述可视化终端对计算机16接收的信号以及对Teager能量谱进行可视化显示，基于Teager能量谱融合值，进行故障特征提取，将提取到的故障频率与理论值进行比较，得到待测轴承19的故障情况。

具体地，信号融合模块进行融合处理的过程为：所述力传感器6、X方向加速度传感器10、Y方向加速度传感器11、温度传感器15将信号传输至数据采集终端18后，数据采集终端18将电信号转换为数字信号，再将信号再传输至所述计算机16，通常摩擦扭矩测试装置5传输的信号存储在计算机16中做备用信号，故障诊断过程优先使用力传感器6、X方向加速度传感器10、Y方向加速度传感器11、温度传感器15传输的信号，所述计算机16中的信号融合模块在同一时间

通过公式

第

第

通过公式

通过公式

通过公式

通过公式

第

具体地，所述步骤S2中，待测轴承外圈缺陷频率理论值通过公式

待测轴承内圈缺陷频率理论值通过公式

待测轴承滚动体缺陷频率理论值通过公式

本发明的有益效果：

1.本发明采用力传感器、X方向加速度传感器、Y方向加速度传感器、温度传感器对待测轴承模拟过程中的状态进行感应，并实时将信号传输至数据采集终端，再经过数据采集终端进行数据转换后，将数据传输至计算机储存，以获得大量滚动轴承故障模拟实验数据，工作人员需要时，方便查找以及调用相关实验数据开展故障预测及诊断工作，较多数据量为工作人员的分析工作提供了优异的数据支持。

2.本发明采用EHA液压加载装置直接对测试轴承固定座进行负荷加载，从而对待测轴承进行负荷加载，降低转轴损坏概率，有利于节省实验成本，并且更加接近待测轴承实际工作情况，收集得到的数据与实际情况符合程度更高，模拟情况真实度更高，数据可靠性及参考意义更好。

3.本发明采用EHA液压加载装置对待测轴承以不同方式加载不同负荷，从而使得模拟实验加载方式与加载载荷可以根据实际情况进行调整，以使得模拟实验条件与实际工况条件更加接近，降低获取数据的误差程度，为滚动轴承故障分析预测工作提供可靠的数据基础。

4.本发明通过将信号融合后，对融合信号进行故障在线诊断，兼顾各个传感器信号的互补性、冗余性及相关性，使融合后的信号更加全面地反映待测轴承整体振动特性，避免有效信息遗漏，使得故障诊断结果更加准确。

附图说明

图1是本发明故障模拟实验装置俯视及电连接示意图。

图2是本发明故障模拟实验装置立体结构示意图。

图3是本发明故障模拟实验装置主视示意图。

图4是实施例1中力传感器信号图。

图5是实施例1中X方向加速度传感器信号图。

图6是实施例1中Y方向加速度传感器信号图。

图7是实施例1中温度传感器信号图。

图8是实施例1中第

图9是实施例1中力传感器信号能量归一化信号图。

图10是实施例1中X方向加速度传感器信号能量归一化信号图。

图11是实施例1中Y方向加速度传感器信号能量归一化信号图。

图12是实施例1中温度传感器信号能量归一化信号图。

图13是实施例1中信号融合图。

图14是实施例1中待测轴承外圈故障Teager能量谱图。

图15是实施例1中待测轴承内圈故障Teager能量谱图。

图16是实施例1中待测轴承滚动体故障Teager能量谱图。

图中，1-驱动电机、2-轴承座、3-转轴、4-测试轴承固定座、5-摩擦扭矩测试装置、6-力传感器、7-EHA液压加载装置、8-防振底座、9-第一联轴器、10-X方向加速度传感器、11-Y方向加速度传感器、12-电机支撑座、13-万向轮、14-支架、15-温度传感器、16-计算机、17-柜体、18-数据采集终端、19-待测轴承、20-第二联轴器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。

如图1-3所示，所述的滚动轴承故障模拟实验装置包括驱动电机1、轴承座2、转轴3、测试轴承固定座4、摩擦扭矩测试装置5、力传感器6、EHA液压加载装置7、防振底座8、X方向加速度传感器10、Y方向加速度传感器11、电机支撑座12，支架14、温度传感器15、计算机16、数据采集终端18、第二联轴器20，所述驱动电机1通过所述电机支撑座12与所述防振底座8固定连接，所述轴承座2固定安装在防振底座8上并且轴承座2内安装有轴承，所述测试轴承固定座4通过摩擦扭矩测试装置5与支架14连接，所述支架14固定安装在防振底座8上，所述测试轴承固定座4内固定安装有待测轴承19，所述驱动电机1输出端与所述转轴3一端通过第二联轴器20连接，转轴3与轴承座2内安装的轴承配合连接并且转轴3另一端穿过所述轴承座2内的轴承与所述测试轴承固定座4内安装的待测轴承19配合连接，所述EHA液压加载装置7位于测试轴承固定座4一侧并与测试轴承固定座4位置对应，EHA液压加载装置7固定安装在防振底座8上，所述力传感器6安装在EHA液压加载装置7上，所述X方向加速度传感器10固定安装在测试轴承固定座4远离EHA液压加载装置7一侧的侧面上，所述Y方向加速度传感器11和温度传感器15固定安装在测试轴承固定座4顶面上，所述摩擦扭矩测试装置5、力传感器6、X方向加速度传感器10、Y方向加速度传感器11、温度传感器15输出端与所述数据采集终端18输入端连接，所述数据采集终端18输出端与所述计算机16输入端连接。开始实验前，首先将驱动电机1、转轴3、测试轴承固定座4、摩擦扭矩测试装置5、待测轴承19等部件安装好，转轴3与轴承座2中的轴承以及待测轴承19根据实际需要，通过常规间隙配合连接，然后在相应位置安装好EHA液压加载装置7并将力传感器6安装在EHA液压加载装置7上，同时将X方向加速度传感器10、Y方向加速度传感器11、温度传感器15安装在测试轴承固定座4上，然后将各个传感器与数据采集终端18信号传输线路连接好，再将数据采集终端18与计算机16连接好，开启力传感器6、EHA液压加载装置7，数据采集终端18以及计算机16，使EHA液压加载装置7对测试轴承固定座4进行负荷加载，并调节EHA液压加载装置7加载的负荷大小至需求数值。然后开启驱动电机1以及摩擦扭矩测试装置5、X方向加速度传感器10、Y方向加速度传感器11、温度传感器15，驱动电机1带动转轴3转动，待测轴承19在负荷条件下开始工作，故障模拟实验开始，在模拟实验过程中，摩擦扭矩测试装置5以及各传感器将感应信号实时传输至数据采集终端18，数据采集终端18接收到感应信号并将感应信号转换为数字信号再传输至计算机16进行储存，数据采集终端18采用A/D转换机即可实现数据接收及转换功能，后续工作人员开展故障诊断及预测工作时，直接查找调用计算机16中储存的数据作为分析预测工作的支撑，整个模拟实验过程中，待测轴承19工作数据实时传输并储存在计算机16中，使得获取到的数据量较为丰富，工作人员开展故障诊断与预测工作，可以使用的数据量较多，数据支持效果好。同时模拟实验过程中，直接对测试轴承固定座4进行负荷加载从而实现待测轴承19的负荷加载，降低转轴3直接受到负荷而受损的概率，有利于节省实验成本，同时使得模拟实验条件与待测轴承19实际工作情况更加接近，有利于收集数据可靠性的提升。

所述转轴3为分段结构，相邻两段转轴3之间通过第一联轴器9连接。

所述的滚动轴承故障模拟实验装置还包括柜体17，所述防振底座8固定安装在柜体17上，所述柜体17底部安装有万向轮13。柜体17可以放置储存部分实验常用部件，万向轮13方便推动柜体17进行移动，以实现整个滚动轴承故障模拟实验装置的移动，实验过程以及无需移动时，将万向轮13锁死。

所述EHA液压加载装置7的加载方式包括：输入恒定力加载、三角波形式加载、梯形变化加载。由于滚动轴承在实际工作中，受到的负荷加载形式也是多样化的，因此，EHA液压加载装置7的多种加载方式，可以模拟滚动轴承在不同加载方式下的故障情况，使模拟实验与实际情况的匹配程度进一步提高。

实施例1

本实施例中，取1个待测轴承进行故障模拟实验，EHA液压加载装置对待测轴承以恒定力形式加载负荷，负荷大小为3KN，采样频率为51.2kHz。

首先在未进行故障模拟实验之前，先对待测轴承缺陷频率理论值进行计算，待测轴承参数如表1所示。

表1

通过公式

通过公式

通过公式

对本实施例待测轴承进行故障模拟实验并进行在线诊断，驱动电机转速为1797r/min，本实施例中信号融合模块接收到力传感器6、X向加速度传感器10、Y方向加速度传感器11、温度传感器15传输的信号如图4-7所示，为一组N=16384的信号，基于信号融合模块接收到的信号，通过公式

通过公式

通过公式

通过公式

通过公式

通过公式

通过公式

对融合值进行Teager能量算子解调，得到Teager能量谱，如图14-16所示。

通过图14可以看出，Teager能量谱中存在与外圈缺陷频率理论值107.13Hz非常接近的频率109.4Hz，还存在明显倍频特征频率2-7

通过图15可以看出，Teager能量谱中存在与内圈缺陷频率理论值162.42Hz非常接近的频率161.4Hz，还存在明显倍频特征频率2-5

通过图16可以看出，Teager能量谱中存在与滚动体故障特征频率141.28Hz非常接近的频率142.1Hz，还存在明显倍频特征频率2-3

实施例2

本实施例采用与实施例1相同参数的待测轴承通过相同的方法进行故障模拟实验，本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中，对待测轴承采用三角波形式加载负荷。

本实施例待测轴承故障诊断结果与实施例1中待测轴承诊断结果类似。

实施例3

本实施例采用与实施例1相同参数的待测轴承通过相同的方法进行故障模拟实验，本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中，对待测轴承采用梯形变化形式加载负荷。

本实施例待测轴承故障诊断结果与实施例1中待测轴承诊断结果类似。

最后说明的是，以上优选实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。