基于虚拟仪器技术的滚动轴承智能化测试分析系统的研究

中图分类号：

密级：单位代号：１１９０３学号：０２７２０４４９

上海大学⑧

硕士学位论文

ＳＨＡＮＧＨＡＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

ＴＨＥＳＩＳＭＡＳＴＥＲ，Ｓ

题ｌ基于虚拟仪器技术的滚动轴承智

目｝能化测试分析系统的研究

作者王成龙

学科专业

导师机械设计及理论余光伟２００５年３月完成日期

海大学硕十学位论文

摘要

滚动轴承广泛用作各种旋转机械设备的支承，轴承的动态性能往往对设备的运转性能（即：振动和噪声等）和寿命至关重要。特别是在潜艇、航空发动机中，由于整机对低噪声、低振动和高寿命的要求而对轴承动态性能提出了更高要求。要生产高性能的轴承必须采用相应的先进检测仪器和设备。目前国内广泛使用的轴承故障测量仪器都是用模拟电路来实现对轴承的振动信号处理，功能简单、精度不高、易受各种外来因素的影响，尤其是灵活性很差、更新换代困难。

本文研究和开发了基于虚拟仪器技术的滚动轴承智能化测试分析系统，它充分利用了计算机技术、虚拟仪器技术、数据采集技术、信号分析与处理技术、故障诊断理论来提高对滚动轴承的测量与故障诊断水平。本论文重点包含了三个方面的内容：

第一：根据滚动轴承振动机理，建立滚动轴承故障诊断模型，利用幅域、频域分析理论对滚动轴承进行故障诊断，并将小波分析应用于滚动轴承损伤振动信号分析中，从而可准确地诊断出轴承的故障。

第二：编写相关的软件程序，采用双缓存中断采集技术搭建高速数据采集系统，并与前置信号调理模块进行连接，确保信号采集的实时性和准确性。并且实现了硬件电路与后续软件系统的连接和整合。

第三：丌发了滚动轴承智能化测试分析系统的虚拟仪器，设计了符合行业测试标准的数字滤波器，设计和编写了各种幅域参数计算的子ＶＩ与程序，采用调用动态链接库的方法实现了ＬａｂＶＩＥＷ与ＶＣ＋＋矛ＩＩＭａｔｌａｂ程序包的互相调用，从而实现了小波分析等较复杂算法的程序化。

本文研发的系统对轴承进行了实际检测与诊断，收到了满意的效果，证明其设计和开发是成功的。该滚动轴承智能化测试分析虚拟仪器具有较好的生产实际应用价值，其性能远优于模拟监测设备

力，填补了该类仪器的国内空白。并且由于其完备的功能和准确的诊断能

关键词：滚动轴承虚拟仪器（Ｖ１）故障诊断振动信号

卜海大学母！Ｉ：学位论文

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｓ

ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｂｅａｒｉｎｇｓａｒｅａｓｂｅａｒｉｎｇ．ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ

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Ｔｈｅｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｏｎｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ

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１．Ｂｕｉｌｄｔｈｅｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｂｅａｒｉｎｇｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇ

ｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｕｓｅｔｈｅｔｉｍｅ—ｄｏｍａｉｎａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｄｏｍａｉｎ

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ｃａｎｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｂｅａｒｉｎｇｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｆａｕｌｔｓ

ｆｏｕｎｄＯＵｔｂｅｃｏｒｒｅｃｔｌｙ．

２．Ｄｅｖｅｌｏｐｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｇｒａｍｓ，ｕｓｅｄｏｕｂｌｅ—ｂｕｆｆｅｒｉｎｔｅｒｒｕｐｔ

ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ

ｔｏｅｎｓｕｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈｔｏｂｕｉｌｄａｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｔｈｅｒｅａｌｔｉｍｅｃｏｎｎｅｃｔｉｔｐｒｅｐｏｓｅｄｓｉｇｎａｌｏｕｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｍｏｄｕｌｅａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｏｆＤＡＱ．Ａｎｄｃａｒｒｙ

ｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．

３．Ｄｅｓｉｇｎ

ｂａｓｅｄａｓｅｔｏｆｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚｅｄｍｅａｓｕｒｉｎｇ＆ａｎａｌｙｚｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｓｏｎＶＩｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄｅｖｅｌｏｐａｄｉｇｉｔａｌｆｉｌｔｅｒｔｈａｔｃｏｎｆｏｒｍｓｔｏｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｙ

海人学坝Ｉ‘学位论文

ｓｔａｎｄａｒｄ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍａｎｙｋｉｎｄｓｏｆｓｕｂ—ｖｉｐｒｏｇｒａｍｓｆｏｒａｍｐｌｉｔｕｄｅｄｏｍａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．ＲｅａｌｉｚｅｔｈｅｍｕｔｕａｌｃａｌｌｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＬａｂｖｉｅｗ，ＶＣ＋＋ａｎｄＭａｔｌａｂｗｉｔｈｓｕｃｃｅｓｓｂｙｕｓｉｎｇＤＬＬｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｓｏｆｗａｖｅｌｅｔ

Ｕｓｉｎｇａｎｄｏｔｈｅｒａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．ａｔｈｅｓｙｓｔｅｍｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｈａｖｅｄｏｎｅｌｏｔｏｆｔｅｓｔｓｏｎｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄ

Ｓｕｃｃｅｓｓｄｉａｇｎｏｓｉｓ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ．Ｔｈａｔｐｒｏｖｅｓｔｈｅｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚｅｄｍｅａｓｕｒｉｎｇ＆ａｎａｌｙｚｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｈａｓｇｏｏｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅｓｉｎｃｅｉｔｓｃａｐａｂｉｌｉｔｙｉｓｍｕｃｈｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆａｎａｌｏｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｈａｓｓｔｏｐｐｅｄ

ｋｉｎｄｏｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎＣｈｉｎａｗｉｔｈｉｔｓｃｏｍｐｌｅｔｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓ

ｄｉａｇｎｏｓｉｓ．ａｇａｐｉｎｔｈｅｓａｍｅａｎｄｓｔｒｏｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙｆｏｒｆａｕｌｔ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲｏｌｌｉｎｇＢｅａｒｉｎｇＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ（ＶＩ）ＦａｕｌｔＤｉａｇｎｏｓｉｓＶｉｂｒａｔｉｏｎＳｉｇｎａｌ

海人学硕Ｉｊ学位论立

原创性声明

本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：孟鱼蒸Ｅｔ期竺！：±：［！

本论文使用授权说明

本人完全了解上海人学有关保留、使州学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印什．允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）

衾逛焦日期：述：兰：！！

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第一章绪论

１．１引言

滚动轴承是机器中的易损零件，许多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７０％的机械故障是由于滚动轴承而引起的Ⅲ。可见，滚动轴承的好坏对机器工作状况的影响极大。因此，对滚动轴承的故障诊断技术，国内外都很重视，近年来发展很快。

通常，滚动轴承的失效形式有以下几种：磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕失效和胶合失效。产生各种失效的原因和程度各有不同，但是各种滚动轴承的缺陷都会导致机器产生振动和噪声，甚至会引起机器的损坏和造成事故。在精密机械中，对滚动轴承的要求就更高，哪怕是滚动轴承有微米级的缺陷，都会导致整个机器系统的精度遭到破坏【２】。

最原始的滚动轴承故障诊断方法是听音棒接触滚动轴承部件，依靠听觉来判断轴承有无故障【３】ｏ这种方法仍在使用，不过已逐步使用电子听诊器来代替听音棒以提高灵敏度。后来逐步使用各种测振仪器和仪表，并应用测振动位移、速度和加速度的均方值或峰值来判断滚动轴承有无故障。这就可以减少对检修人员的经验的依赖，但很难发现早期故障。

滚动轴承的监测方法主要有三种。一种是直接测量轴承损坏出现的脉动频率。出于这种方法受流体动力噪声和其他干扰源的影响很大，因此通常只在简单的机械中应用，被称为低频信号接收法；另一种是谐振信号接收法。这种方法是以３０．４０ｋＨＺ作为监测频带，所选用的压电晶体加速度传感器的基座、机壳以及邻近零件的的谐振频率均远离３０－－４０ＫＨＺ。这样，当被检测的滚动轴承正常运行时，在此监测频带内不会出现共振脉冲。一旦轴承损坏出现脉冲时，在此监测频带内的谐振信号由传感器接收，经放大和滤波器滤波，．即获得较强的监测信号；第三种方法包络法是选择传感器的一阶谐振频率区作为监测频带，而将其他低频分量虑除。在包络法中，将经调制的高频分量拾取，经放大，滤波后送入峰值跟踪器解调，即可得到原来的低频脉动信号，再经谱分析获得要求的功率谱。

另外，由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技

海大学硕．Ｌ学位论文

术领域中的应用，新的测试理论、方法、新的仪器结构的不断出现，电子测量仪器的功能和作用也发生了质的变化。２０世纪８０年代末，美国成功研制了虚拟仪器（ＶＩ）。所谓虚拟仪器，就是在通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟仪器面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统【４ｌ。其实质是利用计算机显示器的功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出监测结果，利用计算机强大的软件功能来模拟传统仪器的信号数据的计算、分析和处理，利用Ｉ／Ｏ接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。

对滚动轴承的监测和诊断可由两种途径实现：硬件方面，目前已经有多种信号分析仪可用于对轴承的故障诊断，在信号预处理上采用各种现代滤波技术，提高了诊断的灵敏度，但大多是采用嵌入式硬件系统实现的，硬件系统便于携带，速度快，但是可调试性差，可扩展性差。而采用基于Ｐｃ机的虚拟仪器系统，即软件系统可扩展性好，灵活性强，便于调试升级和试验分析，从而可以方便地构建适用于不同用途的测试分析系统。

１．２国内外研究概况与发展趋势

设备故障诊断技术对确保机械设备的安全、提高产品质量、节约维修费用以及防止环境污染等方面均起到重要作用。因此，在生产中运用现代设备故障诊断技术，可给企业带来巨大的经济效益。虽然这一技术的经济意义是多方面的，但归纳起来可以集中体现在两个方面，即突发故障的降低和维修费用的减少垆Ｊ。

在机械设备中，回转机械要占到９０％以上，而滚动轴承又是各种旋转机械中应用最广泛的一种通用部件，它的运行状态是否正常，往往直接影响到整台机器的性能，所以对滚动轴承进行在线状态监测与故障诊断就显得十分重要，该领域一直是近年来国内外机械故障诊断技术发展的重点。

１．２．１国外发展概况

滚动轴承的工况监测与故障诊断在国外大概开始于２０世纪６０年代【６Ｊ。在其后２０多年的时间里，随着科学技术的不断发展，各种方法和技巧不断产生、发展和完善，应用的领域不断扩大，监视与诊断的有效性不断提高。２０世纪６０年代未，瑞典ＳＰＭ仪器公司根据各个钢制轴承元件表面损伤后在受载情况下接触时要产生冲击，而冲击要引起高频压缩波的现象开发了一种称为冲击脉冲计

（ＳｈｏｃｋＰｕｌｓｅＭｅｔｅｒ）的仪器来监测轴承的故障。早期的冲击脉冲计只用柬监测轴承的局部损伤类故障，后来，随着这一技术的不断发展和完善，ＳＰＭ公司及世界上其他一些国家的公司和厂家相继开发了各种更新换代产品，如ＳＰＭ公司的轴承分析仪（Ｂｅａｒｉｎｇ

ＡｕｔｏａｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍＡｎａｌｙｓｅｒＢＥＡ一５２），轴承自动分析系统（ＢｅａｒｉｎｇＢＡＳ系列产品）等，这些仪器不但用于监测轴承局部损伤类故障，而且用来监测轴承的润滑情况甚至油膜厚度等。尽管ＳＰＭ技术产生于４０多年前，但现在仍然被广泛使用。这主要是因为ＳＰＭ计是一种便携式测量仪器，现在一套新型ＳＰＭ仪器配有好几种类型的传感器，有探头式的，有螺纹快速联接式的等等，有的ＳＰＭ计还配有便携式微机以便进行数据处理并给出监测结果，用起来非常灵活和方便。７０年代同本新日铁株式会社研制了ＭＣＶ一０２１Ａ机器检测仪（ＭａｃｈｉｎｅＣｈｅｃｋｅｒ），可分别在低频、中频和高频段检测轴承的异常信号。另有油膜检查仪，可探测油膜状况而对其润滑状态进行监测。８０年代同本精工公司（ＮＳＫ）相继研制了轴承监视仪ＮＢ一１、ＮＢ一２、ＮＢ一３、ＮＢ一４型。利用１ＫＨｚ～１５ＫＨＺ范围内的轴承振动信号，测量其ＲＭＳ值和峰值来检测轴承的故障。由于去掉了低频干扰，灵敏度有所提高，其中还有报警设置。１９７４年，美国波音公司的Ｄ．Ｒ．Ｈａｔｔｉｎｇ发明了一项叫做“共振解调分析系统”的专利【７】，这就是我国现在统称的“共振解调技术”的雏形。这种技术尤其适用于轴承故障的早期诊断。因为早期故障非常轻微，它引起的冲击脉冲强度非常小，所以其振动响应信号的故障特征很不明显，用一般方法很难辨别出来。采用共振解调技术由于放大（谐振）和分离（带通滤波）了故障特征信号，极大地提高了信噪比，所以能比较容易地诊断出故障来。２０世纪８０年代以后，随着微机技术突飞猛进的发展，开发以微机为中心的滚动轴承监视与故障诊断系统引起了国内外研究者的重视。当前，滚动轴承微机自动监测仪器以瑞典ＳＫＦ公司生产的ＳＫＦ—ＭＶＨ９０Ｃ型滚动轴承性能分析仪为代表，它代表着目前国际先进水平。该型机器已经实现了利用计算机技术进行数字化显示的功能，并可以判断滚动轴承不合格产品的产生原因和部位，对轴承的设计和生产有一定的指导意义。随着设备故障诊断理论的发展和新的信号测试与处理方法的出现，人们还使用了多种其他有效的方法和技巧来诊断滚动轴承的故障口Ｊ。例如，根据幅域信号对滚动轴承进行工况监视，刚丌始人们用均方值和峰值等受轴承转速、载荷、工作条件等影响的有量纲参数作为指标，

随后又用峰值因子（峰值／均方根值）这一无量纲参数，再后来英国南安普斯敦大学与英国钢铁公司首次采用无量纲参数一一峭度来判断轴承的工况。使用结果表明，利用峭度指标对滚动轴承进行工况监视是一种比较简单而有效的方法【２】ｏ１．２．２国内发展情况

我国在滚动轴承监测与故障诊断技术方面的研究经历了２个阶段：第一阶段是从７０年代未到８０年代初，在这个阶段内主要是吸收国外先进技术，并对一些故障机理和诊断方法展开研究：第二阶段是从８０年代初期到现在，在这一阶段，全方位开展了对滚动轴承的故障诊断新理论及其应用的研究工作，引入计算机测控等先进技术，大大推动了诊断系统的研究和实施，并取得了丰硕的研究成果。ｆ１）信号分析与处理方面

１

１９９９年，杨江天等人采用１÷谱分析方法，提取滚动轴承振动信号中由于二Ｚ

次相位耦合产生的非线性特征，定量描述轴承故障，可以有效地诊断滚动轴承故障，且对初期故障很敏感【８】。吕志民等将分形维数用于刻划滚动轴承在不同故障状念下表现的非线性行为，进而对故障分类［９１。何晓霞等人采用连续小波分析的方法对滚动轴承振动加速度信号进行处理，提取滚动轴承故障特征，并通过实验验证了其有效性［１引。２００２年，任国全等人提出了基于正交变换的滚动轴承故障诊断新方法，利用『Ｆ交小波基将滚动轴承故障信号变换到时间一频率域，通过小波重构信号的希尔波特变换解调和包络谱分析，对轴承的故障进行了有效的诊断…１。刘华等人对小波变换的理论进行了研究，并介绍了小波包理论，指出了在强噪声的背景下小波包变换的算法对于瞬态信号提取的有效性，表明了小波包变换在信号的去噪、滤波等方面具有广泛的前景【】”。王太勇等人分析了前向型神经网络动力系统模型，根据该模型的特点提出了能够克服传统ＢＰ算法学习速度慢、容易陷入局部极小的新算法，改进后的算法用于滚动轴承故障诊断，该算法可以有效缩短网络在训练过程中滞留于局部极小区域的时间，大大提高网络的学习速度【ｌ”。秦恺等人针对滚动轴承故障信号含有调幅成份的特点，提出并讨论了利用谱相关密度来提取滚动轴承故障特征的方法，验证了谱相关密度在提取信号特征方面的有效性【ｌ４１。汪世益等人采用二次ＦＦＴ分析法对高频谱峰群进行分析，成功地诊断出产生疲劳剥落的轴承元件【ｂ】。傅勤毅等人在联合时一频分析的基础上提出一种短样本分析方法，是一种在滚动轴承检测过程中有效、准确的分析工具

｝：海人学顾Ｉ‘学位论文

随后又用峰值因子（峰值／均方根值）这一无量纲参数，再后来英国南安普斯敦

大学与英国钢铁公司首次采用无量纲参数一一峭度来判断轴承的工况。使用结果

表明，利用峭度指标对滚动轴承进行工况监视足一种比较简单而有效的方法【”。

１．２．２国内发展情况

我国在滚动轴承监测与故障诊断技术方面的研究经历了２个阶段：第一阶段

是从７０年代未到８０年代初，在这个阶段内主要是吸收国外先进技术，并对一些

故障机理和诊断方法展丌研究：第二阶段是从８０年代初期到现在，在这一阶段，

全方位开展了对滚动轴承的故障诊断新理论及其应用的研究工作，引入计算机测

控等先进技术．大大推动了诊断系统的研究和实施，并取得了丰硕的研究成果。

ｒ１）信号分析与处理方面

１

１９９９年，杨江天等人采用１÷谱分析方法，提取滚动轴承振动信号中由于二Ｚ

次相位耦合产生的非线性特征，定量描述轴承故障，可以有效地诊断滚动轴承故

障，且对初期故障很敏感【”。吕志民等将分形维数用于刻划滚动轴承在不同故障状

态下表现的非线性行为，进而对故障分类翻。何晓霞等人采用连续小波分析的方

法对滚动轴承振动加速度信号进行处理，提取滚动轴承故障特征，并通过实验验

证了其有效性㈣。２００２年，任国全等人提出了基于正交变换的滚动轴承故障诊

断新方法，利用』下交小波基将滚动轴承故障信号变换到时间一频率域，通过小波

重构信号的希尔波特变换解调和包络谱分折，对轴承的故障进行了有效的诊断

㈦。刘华等人对小波变换的理论进行了研究，并介绍了小渡包理论，指出了在强

噪声的背景下小波包变换的算法对于瞬态信号提取的有效性，表明了小波包变换

在信号的去噪、滤波等方面具有广泛的前景ｌ”ｌ。王太勇等人分析了前向型神经网

络动力系统模型，根据该模型的特点提出了能够克服传统ＢＰ算法学习速度慢、

容易陷入局部极小的新算法，改进后的算法用于滚动轴承故障诊断，该算法可以

有效缩短网络在训练过程Ｌ卜】滞留于局部极小区域的时间，大大提高网络的学习速

度‘”】。秦恺等人针对滚动轴承故障信号含有调幅成份的特点，提出并讨论了利用

谱相关密度柬提取滚动轴承故障特征的方法，验证了谱相关密度在提取信号特征

方面的有效性【“】。汪世益等人采用二次ＦＦＴ分析法对高频谱峰群进行分析，成

功地诊断出产生疲劳剥落的轴承元件【”１。傅勤毅等人在联合时～频分析的基础上

提出一种短样本分析方法，是一种在滚动轴承检测过程中有效、准确的分析工具

提出一种短样本分析方法，是一种在滚动轴承检测过程中有效、准确的分析工具

海人学硕Ｉ。学位论文

［ｔ６１。张文苑等人提出基于具有不同故障缺陷的滚动轴承实测振动信号及功率谱图的特点，借助倒频谱分析，可以在复杂的干扰信号中，准确地确定轴承的故障部分㈣。

（２）滚动轴承故障诊断系统设计和系统实现方面

在故障诊断系统设计与实现方面，国内许多大学和科研单位都在进行开发和研究，并且取得了一定的成效，其中，上海市轴承技术研究所、洛阳轴承研究所、杭州轴承研究所、浙江大学、武汉大学、上海交通大学、西安交通大学、上海大学、吉林大学等在该领域走在国内的前列。吉林大学在２００１年丌发的滚动轴承的振动监测与故障诊断系统采用了振动监测系统对滚动轴承进行巡回在线监测，发现故障后发出声光警告，然后则自动转入诊断模块，用共振解调法进一步判断故障发生部位及其趋势等‘Ⅲ。吉林工学院开发的滚动轴承的状态监测系统，采用了振动监测和温度监测系统对轴承进行在线监测，发现故障后，则采用共振解调法诊断出故障的部位及其趋势等【２０】。浙江大学开发的滚动轴承故障诊断虚拟仪器系统是一套基于计算机数据采集的虚拟仪器系统，具有比较全面的功能，除了能在线计算和显示轴承的各种运行参数以外，还具有相当全面的频谱分析的功能，并配有扬声器，但其故障诊断功能较差，不能确定滚动轴承的故障位置，不能实现自动分辨轴承等级【２”。华侨大学开发的滚动轴承在线监测与故障诊断专家系统可用于对轴承的运行情况进行在线监测，能及时预报轴承在运行中出现的异常现象并对故障进行诊断，分析故障原因和提出相应的处理对策，但该系统不能实现高速采集，缺乏轴承幅域参数计算，工业现场的实际应用性不强‘２２１。

１．３课题的来源、研究的目的和意义

１．３．１课题来源

本课题来源于上海市教委青年基金资助项目“多平行轴齿轮一轴承～转子系统耦合振动的有限元分析”（项目编号：２０００ＱＮ７２）和上海市轴承技术研究所、上海市安德机电科技有限公司与上海大学合作项目“滚动轴承振动性能诊断分析仪研制”。

１．３．２课题研究的目的和意义

本论文的目的是研发以虚拟仪器技术为基础的滚动轴承故障诊断和工况监测系统，将以专用模拟仪器为基础的轴承信号识别与诊断技术推广到虚拟仪器，

海人学顺Ｊ。学位论文

将先进的虚拟仪器技术应用于故障诊断领域，提高诊断准确度，减少误判率，同时降低专用诊断设备的高昂研制费用，并将该技术应用于军工、民用等行业，使故障渗断技术在国民经济领域得到更广泛的应用。

目前国内相应的测试仪器具有精度不高、不能进行轴承缺陷判断和分析、不能进行“异音”特征分析等不足。国外虽有类似功能的仪器，但价格比较昂贵；由于属于高、精、尖技术，相关国家已就相关技术对我国进行封锁，难以实现大规模引进。因此，研制具有自主知识产权的高性能、多功能的先进滚动轴承动态性能分析仪具有重要的现实意义，它将对轴承行业以及国民经济相关的行业产品质量的提高产生重要的影响。

研发的滚动轴承动态性能智能分析系统可以完全取代目前国内流行的Ｓ０９１０型轴承振动测量仪等，实现该产品的更新换代。由于具有更完善的检测和分析功能，可以为生产高性能轴承提供检测手段和指导。本系统具有智能化程度较高，可以直观给出轴承的级别、振动是否超标以及轴承发生故障的位置，便于推广使用。若该产品在轴承行业和相关行业得到推广使用，其经济效益将是巨大的。从另一个角度讲，可以避免由于技术封锁对我国轴承行业的发展所产生的不利影响。

１．４本文所做的工作

１根据滚动轴承振动机理，建立滚动轴承故障诊断模型，利用幅域、频域分析

理论对滚动轴承进行故障诊断，如峰值因子与峭度的应用、包络检波、频谱细化的应用，并将小波分析应用于滚动轴承损伤振动信号分析中，利用小波带通滤波方法放大（高频部分）和分离（带通滤波）了故障特征信息，极大地提高了信噪比，从而可容易地诊断出轴承的故障。

２．编写相关的程序，采用双缓存中断采集技术搭建高速数据采集系统，并与前

置信号调理模块进行连接，确保信号采集的实时性和准确性。并且实现了硬件电路与后续软件系统的连接和整合。

３采用ＬａｂＶＩＥＷ７．０虚拟仪器开发环境，编写了滚动轴承智能化测试分析系统

的虚拟仪器软件，设计了符合行业测试标准的数字滤波器，编写了各种幅域参数计算的子ｖＩ，采用调用动态链接库的方法实现了ＬａｂＶＩＥＷ与Ｖｃ＋＋和Ｍａｔｌａｂ程序包的互相调用，从而实现了小波分析等较复杂算法的程序化。

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４．设计了基于虚拟仪器技术的滚动轴承智能化测试分析系统的硬件系统和软件系统，并实现了二者的集成，达到了预期的效果。

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第二章虚拟仪器技术

２．１虚拟仪器的概念

自从１９８６年美国国家仪器公司（ＮＩ）提出了虚拟仪器（ＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，简称ＶＩ）的概念［２７１以来，虚拟仪器作为一个新兴的研究领域，始终受到中外科研工作者的关注。随着科技的不断进步，特别是计算机科学的飞速发展和计算机产品的广泛普及，虚拟仪器也有了长足的发展。它的最大特点是以软件为仪器的主要组成部分，因此ＮＩ提出了“软件就是仪器”（Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）的概念【２８１。ｖＩ通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板）操作这台计算机，就象在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。ＶＩ以透明的方式把计算机资源（如微处理器、内存、显示器等）和仪器硬件（如Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ、数字Ｉ／Ｏ、定时器、信号调理等）的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。

在实验室、生产车间和户外现场，为完成某项测试或任务，通常需要许多仪器，如：信号源、示波器、磁带机、频谱分析仪等等。由众多的仪器构成的测试系统，价格昂贵，体积庞大，连接和操作复杂，测试效率低。而利用ＰＣ机资源（处理器、存储器、显示器等）、仪器硬件（传感器、信号调理器、转换卡等）和数据采集、过程通讯、信号处理及图形用户界面的应用软件的有效结合，便构成了一种全新的基于ＰＣ的虚拟动态分析仪器，这种仪器从概念上改变了传统仪器的技术模式，它可以在一台计算机上完成多种功能，多种仪器共享ＰＣ机资源。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减软、硬件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的ＶＩ系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。从而大大节省了设备量和成本，方便操作。

虚拟仪器（ＶＩ）是由计算机资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形化用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操控的模块化仪器系统，ｖＩ的构成如图２一ｌ所示。

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幽２－１ＶＩ系统的构成

虚拟仪器（ＶＩ）中最具有代表性的是美国国家仪器公司（ＮＩ）推出的ＬＡＢＶＩＥＷ，是一种３２位的编译型的图形化编程语言，ＮＩ将它称之为Ｇ语言。从构成要素讲，ｖＩ系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的；从构成方式讲，则有以ＤＡＱ板和信号调理为仪器硬件而组成的ＰＣ—ＤＡＱ测试系统，以ＧＰＩＢ、ＶＸＩ、ＰＸｌ、Ｓｅｒｉａｌ和Ｆｉｅｌｄｂｕｓ等标准总线仪器为硬件组成的ＧＰＩＢ系统、ＶＸＩ系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种ＶＩ系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式ＰＣ或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。因此，ｖＩ的发展已经完全跟上计算机技术的发展步伐，同时也显示出ＶＩ的灵活性与强大生命力。

在以ＰＣ机为基础的测量和工控软件中，ＬａｂＶＩＥＷ的市场普及率非常高，并且在不断地得到更广泛的应用。从流程图式的编程、不需要预先编译就存在语法检测和调试过程使用的数据探针，到其丰富的库函数、数值分析、信号处理和设备驱动等功能，ＬａｂＶＩＥＷ丌发环境具有一系列优点。鉴于此，本文在仪器研制中使用ＬａｂＶＩＥＷ作为软件开发平台，研制基于虚拟仪器技术的滚动轴承智能化测试分析系统。

２．２虚拟仪器的硬件组成

虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能平台。其中计算机

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硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的迅速发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。

按照测控功能硬件的不同，虚拟仪器可分为ＧＰＩＢ、ＶＸＩ、ＰＸＩ和ＤＡＱ四种标准体系结构，用来进行信号采集、传输和控制。

（１）ＧＰＩＢ（ＧｅｎｅｒａｌＰｕｒｐｏｓｅＩｎｔｅｒｆａｃｅＢｕｓ）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。ＧＰＩＢ的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准一ＩＥＥＥ４８８．１和ＩＥＥＥ４８８．２，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循ＩＥＥＥ４８８的ＧＰＩＢ接口。典型的ＧＰＩＢ测试系统包括一台计算机、一块ＧＰＩＢ接口卡和若干台ＧＰＩＢ仪器。每台ＧＰＩＢ仪器有单独的地址，由计算机控制操作，系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应改动，这种概念己被应用于仪器的内部设计。但是ＧＰＩＢ的数据传输速度一般低于５００ｋｂ／ｓ，不适合于对系统速度要求较高的应用场合。（标准接口总线在２０ｍ距离内，若每２ｍ等效的标准负载相当于使用４８ｍＡ的集电极开路式发送器，则最高工作速率是２５０ｋｂ／ｓ，若采用三态门发送器，一般速率为５００ｋｂ／ｓ，最高可达１０００ｋｂ／ｓ。）

（２）ＶＸＩ（ｖＭＥｂｕｓｅＸｔｅｎｓｉｏｎｆｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）即ＶＭＥ总线在仪器领域的扩展，是１９８７年在ＶＭＥ总线、Ｅｕｒｏｃａｒｄ标准（机械结构标准）和ＩＥＥＥ４８８等的基础上，由主要仪器制造商共同制定的开放型仪器总线标准。ＶＸＩ系统最多可包含２５６个装置，主要由主机箱、“０槽”控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功能模块可以随意更换，即插即用组成新系统。目前，国际上有两个ＶＸＩ总线组织：①ＶＸＩ联盟，负责制定ＶＸＩ的硬件（仪器级）标准规范，包括机箱背板总线、电源分饰、冷却系统、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械特性、电磁兼容性以及系统资源管理和通讯规程等内容。②ＶＸＩ总线即插即用（ＶＸＩＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙ，简称ＶＰＰ）系统联盟，宗旨是通过制定一系列ＶＸＩ的软件（系统级）标准来提供一个开放性的系统结构，真『Ｆ实现ＶＸＩ总线产品的“即插即用”功能。这两个组织制定了ＶＸＩ标准体系，实现了ＶＸＩ的模块化、系列化、通用化以及ＶＸＩ仪器的互换性和互操作性，但是，由于ＶＸＩ的价格相对较高，它主要用于尖端的测试领域。

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（３）ＰＸＩ（ＰＣＩｅＸｔｅｎｓｉｏｎｆｏｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）为ＰＣＩ在仪器领域的扩展，是ＮＩ公司在１９９７年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范，其核心是ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ结构，ＰＸＩ是在ＰＣＩ内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。ＰＸＩ增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线以及用于相邻模块问高速通信的局部总线等，来满足试验和测量用户的要求。这样可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。

（４）ＤＡＱ（ＤａｔａＡｃＱｕｉｓｉｔｉｏｎ）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如ＩＳＡ，ＰＣＩ等）的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用ＤＡＱ可方便快速地组建基于计算机的仪器（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ＢａｓｅｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ），实现“一机多型”和“一机多用”。在性能上，随着Ａ／Ｄ转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展，ＤＡＱ的采样速率最高已达到１Ｇｂ／ｓ，精度更高达２４位，通道数高达６４个，并能任意结合数字Ｉ／Ｏ、模拟Ｉ／Ｏ、计数器／定时器等通道。仪器厂家也生产了大量的ＤＡＱ功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等，并且在ＰＣ计算机上可以挂接若干ＤＡＱ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的ＰＣ仪器。

通过对上述体系结构的比较，综合考虑系统的成本与行业实用性，本课题采用ＤＡＱ数据采集方案，即使用一块ＰＣＩ接１５１的通用ＤＡＱ多功能卡，进行信号的采集，通过软件控制采集、存储、运算分析、结果显示等一系列功能，并可根据需要对软件进行增加或改进，以满足不同的需要。

２．３虚拟仪器的软件组成

给定计算机的运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用ＶＩ的关键在于应用软件，这是因为应用软件为用户构造或使用ＶＩ提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接Ｅｌ（参见图２—２）。基于软件在ＶＩ技术中的重要作用，美国国家仪器公司（ＮＩ）提出的“软件即仪器”形象地描述了软件在ＶＩ中的重要作用。

应用软件最流行的趋势之一是图形化编程环境【４Ｊ。最早应用图形化编程技术丌发ｖＩ始于ＮＩ公司１９８６年推出的ＬＡＢＶＩＥＷ软件包。目前面市的图形化ＶＩ框架有ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ和ＨＰ公司的ＶＥＥ。应当指出，图形化丌发环境与

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图形化ＶＩ框架是不同的，其主要区别在于用其ＶＩ组件开发可复用原码模块的能力，后者的这些原码模块必须具有被其他原码模块继承性调用的能力【２９】（见图２．３）。通过应用程序提供的仪器硬件接口，用户可以用透明的方式操作仪器硬件。这样，用户就可以方便、有效地使用这类硬件。

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圈２－２ＶＩ内部系统划分

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图２－３ＶＩ麻刚程序具有可被其他模块调用的能力

控制诸如万用表、示波器、频率计等特定仪器的软件模块就是所谓的仪器驱动程序，它现在已经成为应用软件包的标准组成部分。这些驱动程序可以实现对特定仪器的控制与通信，成为用户建立ＶＩ系统的基础软件模块。而以往用户必须通过学习各种仪器的命令集、编程选项和数据格式等才能进行仪器编程，采用标准化的仪器驱动程序从根本上消除了这种仪器编程的复杂过程，使用户能够把精力集中于仪器的使用而不是仪器的编程。

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除仪器硬件接口（即仪器驱动程序）是ＶＩ应用软件的标准模块之外．用户接口开发工具（ＵＩＤＴ）不仅是通用语言的标准组成部分，而且也已成为ｖＩ应用软件的标准组成部分。导致对用户接口开发工具的应用存在困难的直接原因是因为在传统的程序丌发中，用户接口的开发一直是最耗时的任务，如何编写从用户接口相应输入、输出的应用程序，其复杂程度无异于学习一种新的语言。而现在ｖＩ软件不仅包括诸如菜单、对话框、按钮和图形这样的通用用户接口属性，而且还有象旋钮、开关、滑动控制条、表头、可编程光标、纸带记录仿真窗和数字显示窗等ｖＩ应用接口属性。这些属性即使应用象ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ和ＶｉｓｕａｌＣ＋＋这些面向对象语占来开发ＶＩ的用户接口也是非常困难的。因此，图形化编程环境是科研工作者理想的程序设计语言。

２．４虚拟仪器的应用与特点

从用户的观点来讲，今天的测试领域面临着三大主要挑战——测试成本不断增加、测试系统越来越庞杂以及对测试投资的保护要求越来越强烈。虽然增加产品的电气程度可以增加其功能与性能，但所增加的功能与性能都需要通过测试来保证其质量。因此，随着产品电气程度的增加，测试成本也在不断增大。

随机走访几家大专院校、科研院所与工厂的实验室或生产车间，就会发现各种各样、互不相同的测试系统。这些测试系统往往既不兼容，又不能共享软、硬件资源。即使在同～个单位，这种状况也是屡见不鲜。造成这种状况的根源在于缺乏统一的测试策略——其问题不全出在用户单位的管理上，而在于传统仪器无法向用户提供统一的测试策略。

面对这些挑战，用户最可能的做法是试图在单位内选用标准化硬件平台。硬件的标准化可以部分地降低测试成本，但作用是非常有限的。而使用ＶＩ则可以大大缩短用户软件的开发周期，增加程序的可复用性，从而降低测试成本。而且，由于ｖｌ是基于模块化软件标准的开放系统．用户可以选择他认为最适合于其应用要求的任何测试硬件。例如，用户完全可以自己定义最适合于．自己试验中用的低成本测试系统，或为研究与丌发项目设计高性能的测试系统，而这些系统的软件或硬件平台可能是相同或兼容的。简言之，采用基于ＶＩ的统－－Ｎ试策略将有助于用户面对当今的测试挑战而在激烈的竞争中处于优势地位。

ｖＩ系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决工程测试问题。随着ＶＩ驱动程序

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标准化及软件开发环境的发展，代码复用成为仪器编程中的基础，这意味着科研工作者可以避免仪器编程过程中的大量重复劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间，提高测试水平与效率：而且，还可以用各种不同的模块构造自己的ｖＩ系统，选择统一的测试策略，这不仅会省下一大笔开销，而且使测试投资在未来仍能得到可靠保护。

由虚拟仪器建立测试系统，使科研工作者可以轻松地组建自己的实验室，这在以往是不可想象的，正因为虚拟仪器具有如此巨大的优点使它成为了建立测试与测控仪器的最佳选择。

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第三章滚动轴承振动机理

３．１滚动轴承振动机理

滚动轴承在工作时，一般是外圈与轴承座或机壳相联接，固定或相对固定；内圈与机械的传动轴相联接，随轴一起转动。在机械运转时，由于轴承本身的结构特点、加工装配误差及运行过程中出现的故障等内部因素，以及传动轴上其他零部件的运动和力的作用等外部因素，当轴以一定的速度并在一定载荷下运转时对轴承和轴承座或外壳组成的振动系统产生激励，使该系统振动，其振动产生的机理可用图３．１表示。

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图３－１滚动轴承振动产生机理

显然，在实际诊断中，人们通过布置在轴承座或外壳适当位置的传感器拾取的振动信号是上述各种内部和外部激励源施加于轴承座和外壳组成的振动系统的综合振动。如果不考虑轴承加工和装配误差，在这一综合振动中，我们最感兴趣的是运行故障这一内部因素所引起的振动信号。那么，如何从综合振动中把运行故障引起的振动信号突出出来，从而有效地把故障特征从综合振动中提取出来，首先需要研究轴承内部三种因索引起振动信号的各自特征。

（１）轴承本身结构特点及加工装配误差引起的振动

当轴承旋转时，滚动体便在轴承内、外圈滚道上滚动，即使对加工装配毫无误差的轴承来说，由于滚动体在不同位置时所受的力大小不同，同时承载的滚动体的数目也不同，这些轴承本身的结构特点造成承载刚度的变化，引起轴承振动，当轴的转速一定时，这一振动具有确定性质；轴承元件加工时留下的表面波纹度、粗糙度及形位误差以及装配误差等原因产生交变激振力使轴承系统振动，虽然这些加工装配因素造成的激振力都具有周期的特点，但由于实际构成因素十分复

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