寧毅，王波，湯響，潘耀輝，張亞虎

混合機(jī)作為冶金行業(yè)燒結(jié)工序的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于原材料的制備，一旦運(yùn)行中因故障導(dǎo)致停機(jī)，不僅造成整條生產(chǎn)線的停止運(yùn)行，還會(huì)導(dǎo)致原材料的浪費(fèi)，給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失［1］.混合機(jī)在運(yùn)行的過程中，滾筒及其內(nèi)部的物料由四組托輪支撐，托輪軸承承受著巨大的沖擊載荷，容易出現(xiàn)突發(fā)故障，導(dǎo)致混合機(jī)非正常停機(jī).因此，對(duì)混合機(jī)托輪軸承進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與故障診斷十分重要.

LabVIEW軟件是一款使用圖形化語(yǔ)言進(jìn)行編程的軟件開發(fā)平臺(tái)，具有操作簡(jiǎn)單、并行運(yùn)行、調(diào)試過程清晰可見等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于較為復(fù)雜的信號(hào)處理過程，可以通過軟件的Matlab Script節(jié)點(diǎn)，調(diào)用Matlab程序，結(jié)合兩款軟件的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到簡(jiǎn)化編程過程的目的［2］.目前，已有學(xué)者使用LabVIEW和Matlab軟件開發(fā)診斷系統(tǒng)，如：孫曉濤等［3］開發(fā)出軌道車輛滾動(dòng)軸承的故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)；孫小明［4］使用以太網(wǎng)機(jī)箱和振動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊研發(fā)出一款軸承故障診斷系統(tǒng)；曾新紅等［5］開發(fā)出一種電機(jī)故障診斷系統(tǒng)；陳春朝［6］針對(duì)貨運(yùn)火車滾動(dòng)軸承開發(fā)出一種在線診斷系統(tǒng).以上診斷系統(tǒng)主要針對(duì)于中速、高速軸承的故障診斷，對(duì)低速軸承故障的診斷效果仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證.

本文針對(duì)冶金混合機(jī)托輪軸承的特點(diǎn)，使用電渦流位移傳感器、IEPE加速度傳感器和WS-5921型數(shù)據(jù)采集儀搭建系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，基于LabVIEW和Matlab軟件，開發(fā)出系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)與診斷軟件，利用實(shí)際生產(chǎn)中的混合機(jī)托輪軸承測(cè)試該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和軟件，為混合機(jī)拖輪軸承的故障診斷提供一種可行的方法.

1 算法部分

1.1 EMD算法

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法（Empirical Mode Decomposition，EMD）可以自適應(yīng)地將信號(hào)分解成有限個(gè)本征模態(tài)分量（Intrinsic Mode Function，IMF），常用于處理非線性、非平穩(wěn)性信號(hào).對(duì)信號(hào)x(t)，EMD分解過程如圖1所示.

圖1 EMD分解流程圖

（1）尋找出信號(hào)x(t)的所有大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，擬合出信號(hào)x(t)的上、下包絡(luò)線.

（2）求出上、下包絡(luò)線的平均值m1(t)，計(jì)算信號(hào)x(t)與m1(t)的差值h1(t).

（3）判斷h1(t)是否為imf，若不滿足imf條件，令x(t)=h1(t)，重復(fù)步驟（1）（2），直至h1k(t)滿足imf的條件，記為：c1(t)=h1k(t).

（4）計(jì) 算 余 量r1(t)，r1(t)=x(t)-c1(t)，將r1(t)作為一組新的待處理信號(hào)重復(fù)以上步驟，得到第二個(gè)余量r2(t)，同理，得到第n個(gè)余量rn(t)，當(dāng)rn(t)為單調(diào)函數(shù)時(shí)，分解結(jié)束.

1.2 改進(jìn)的EMD算法

EMD算法在信號(hào)處理的過程中存在著端點(diǎn)效應(yīng)和模態(tài)混疊的問題，影響著分解得到IMF的精度［7］.本文采用文獻(xiàn)［8］中邊界特征尺度延拓算法在原信號(hào)的兩端分別延拓出一個(gè)極大值點(diǎn)和一個(gè)極小值點(diǎn)，應(yīng)用延拓得到的極值點(diǎn)和信號(hào)中的極值點(diǎn)對(duì)原信號(hào)進(jìn)行EMD分解，以抑制IMF中出現(xiàn)的端點(diǎn)效應(yīng).設(shè)原信號(hào)x(t)左端第i個(gè)極值點(diǎn)的幅值為xmaxi，位置為t(xmaxi)，根據(jù)端點(diǎn)處各極值點(diǎn)的振幅及位置確定所需延拓的極值點(diǎn)，算法具體步驟如下：

（1）以左端所需延拓出的極大值點(diǎn)為例，確定該點(diǎn)的幅值和位置.

（2）左端極大值點(diǎn)的時(shí)間間隔為：

延拓點(diǎn)的位置為：

幅值為：

因此，確定x(t)左端所延拓的極大值點(diǎn)的幅值及位置.

（3）按照左端所需延拓出的極大值點(diǎn)的延拓方法，依次確定其余延拓點(diǎn)的幅值和位置.

應(yīng)用改進(jìn)的EMD算法對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行分解，可以表示為：

式中：imfi為第i個(gè)IMF分量，rn(t)為余項(xiàng).

1.3 邊際譜分析

希爾伯特邊際譜分析是對(duì)經(jīng)改進(jìn)EMD算法分解得到的IMF進(jìn)行Hilbert變換，獲得待分析信號(hào)的邊際譜圖，算法具體步驟如下：

（1）對(duì)改進(jìn)EMD分解得到的各IMF進(jìn)行Hilbert變換，即：

式中：P為柯西主分量.

（2）H(ci(t))與ci(t)一 起 構(gòu) 建 復(fù) 信 號(hào)Zi(t)，即：

（3）計(jì)算瞬時(shí)頻率，即：

則信號(hào)x(t)可表示為：

（4）Hilbert譜為：

Hilbert邊際譜為：

式中：T為信號(hào)x(t)的時(shí)間長(zhǎng)度.

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

混合機(jī)托輪軸承在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊和監(jiān)測(cè)與診斷模塊兩部分組成，即硬件平臺(tái)和系統(tǒng)軟件.系統(tǒng)的硬件平臺(tái)是通過使用傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)采集模塊、控制模塊和顯示模塊等完成對(duì)托輪軸承振動(dòng)信號(hào)的拾取.系統(tǒng)軟件基于LabVIEW和Matlab軟件進(jìn)行開發(fā)，主要功能是對(duì)硬件平臺(tái)獲取的信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析，實(shí)現(xiàn)軸承狀態(tài)的判斷和故障類型的診斷.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 時(shí)域分析功能

時(shí)域分析是根據(jù)系統(tǒng)硬件平臺(tái)獲取的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域特征的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，判斷所監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障程度，以及故障的發(fā)展趨勢(shì).本系統(tǒng)時(shí)域分析功能提取的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有：均值、均方根、峰峰值、正峰值、波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)和峭度指標(biāo).

3.2 頻域分析功能

時(shí)域分析功能只能判斷所監(jiān)測(cè)設(shè)備是否發(fā)生故障，無(wú)法準(zhǔn)確地診斷出故障發(fā)生的部位、類型，基于快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）的頻域分析功能可以將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗姓液瘮?shù)之和，在頻域內(nèi)分析信號(hào)所包含的頻率成分，有效地診斷設(shè)備故障發(fā)生的部位及故障類型.

3.3 邊際譜分析功能

邊際譜分析功能是對(duì)經(jīng)改進(jìn)EMD算法分解得到的IMF進(jìn)行Hilbert變換，獲得待分析信號(hào)的邊際譜圖，通過提取信號(hào)邊際譜中的故障特征，診斷設(shè)備發(fā)生故障的類型.

4 測(cè)試與分析

4.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建

軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的關(guān)鍵問題是從獲取的原始信號(hào)中提取出由軸承缺陷引起的振動(dòng)信號(hào)成分（即特征信號(hào)），利用特征信號(hào)分析軸承的運(yùn)行狀態(tài)及故障類型，因此，系統(tǒng)硬件平臺(tái)獲取的原始信號(hào)是否真實(shí)、能否客觀反映軸承的運(yùn)行狀態(tài)至關(guān)重要［9］.針對(duì)混合機(jī)托輪軸承的運(yùn)行特點(diǎn)，搭建系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

在某鋼鐵加工企業(yè)燒結(jié)生產(chǎn)線的混合機(jī)托輪軸承上測(cè)試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和監(jiān)測(cè)與診斷軟件.托輪軸承的型號(hào)為23272CA/W33，混合機(jī)運(yùn)行時(shí)托輪軸承的轉(zhuǎn)速為23.5 r/min，即轉(zhuǎn)動(dòng)頻率0.39 Hz，根據(jù)故障特征頻率計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，可以得到如表1所示的混合機(jī)托輪軸承的故障特征頻率.

表1 托輪軸承的故障特征頻率 單位：Hz

其中，fc、fb、fBi、fBo分別為保持架、滾動(dòng)體、內(nèi)圈和外圈的故障特征頻率.

使用搭建完成的系統(tǒng)硬件平臺(tái)對(duì)托輪軸承進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得如圖4所示的軸承振動(dòng)信號(hào).

圖4 軸承振動(dòng)信號(hào)

圖4中，軸承的徑向跳動(dòng)信號(hào)和軸向竄動(dòng)信號(hào)存在明顯的周期性特征，加速度信號(hào)的波形比較復(fù)雜，沒有明顯的周期性特征存在，其中徑向跳動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)周期約為2.5 s，接近軸頸的轉(zhuǎn)動(dòng)周期2.6 s，軸向竄動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)周期也約為2.5 s，說(shuō)明徑向跳動(dòng)信號(hào)和軸向竄動(dòng)信號(hào)中可能包含軸轉(zhuǎn)動(dòng)周期特征對(duì)應(yīng)的頻率成分，根據(jù)文獻(xiàn)［10］，軸承信號(hào)中無(wú)論出現(xiàn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)周期特征還是軸承故障周期特征都說(shuō)明軸承出現(xiàn)故障，因此可以初步判斷托輪軸承可能出現(xiàn)了故障，但故障發(fā)生的類型和部位需要進(jìn)一步進(jìn)行分析.

對(duì)獲取的軸承振動(dòng)信號(hào)使用系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與診斷軟件作進(jìn)一步分析，包括時(shí)域分析、頻域分析和邊際譜分析，分析結(jié)果如圖5所示.

圖5 診斷系統(tǒng)信號(hào)分析結(jié)果

圖5中，時(shí)域分析結(jié)果的均方根值（即有效值）較大，說(shuō)明托輪軸承存在故障隱患，同時(shí)峭度系數(shù)低于正常水平（正常值在3左右），可能是由于軸承沒有發(fā)生沖擊性故障或者故障程度較嚴(yán)重.頻域分析的幅值譜中出現(xiàn)頻率為0.17 Hz和0.40 Hz的頻率成分，對(duì)應(yīng)著軸頸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和軸承保持架故障特征頻率，軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率成分的出現(xiàn)說(shuō)明軸頸上的軸承出現(xiàn)了故障，軸承的保持架主要用于約束和保持滾動(dòng)體的正常運(yùn)動(dòng)，不易出現(xiàn)故障，而滾動(dòng)體故障通常伴隨著保持架故障特征的調(diào)制頻率［11］，因此，保持架故障特征頻率的出現(xiàn)可能是由于滾動(dòng)體故障引起的.邊際譜分析中出現(xiàn)的頻率成分2.775 Hz，對(duì)應(yīng)著軸承滾動(dòng)體故障特征頻率（2.73 Hz），同時(shí)還存在軸承保持架故障特征對(duì)應(yīng)的頻率為0.175 Hz的頻率成分，參考文獻(xiàn)［11］，說(shuō)明托輪軸承的滾動(dòng)體出現(xiàn)了故障.

4.3 診斷結(jié)果驗(yàn)證

分解更換下來(lái)的托輪軸承，如圖6所示.圖6中，托輪軸承的滾動(dòng)體上出現(xiàn)了大片剝落和嚴(yán)重的點(diǎn)蝕，與系統(tǒng)的診斷結(jié)果相一致，證明了本文研究的混合機(jī)托輪軸承監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的有效性.

圖6 托輪軸承

5 結(jié)論

托輪軸承作為冶金混合機(jī)的關(guān)鍵部件，一旦突然失效，將造成整條燒結(jié)生產(chǎn)線的停止運(yùn)行.為防止托輪軸承發(fā)生突發(fā)故障，本文研究了一種托輪軸承在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)包括振動(dòng)信號(hào)獲取的硬件平臺(tái)和信號(hào)處理的監(jiān)測(cè)與診斷軟件，在某鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)燒結(jié)生產(chǎn)線的混合機(jī)托輪軸承上測(cè)試該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和軟件，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)可以有效采集托輪軸承的振動(dòng)信號(hào)，較好地監(jiān)測(cè)軸承的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確診斷其故障類型，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值.