基于DSP轴承故障诊断系统的设计

1、Value Engineering 0引言本文研究内容是以数字信号处理器 (DSP 为核心, 设 计一套集数据采集与分析为一体的故障诊断系统, 以功率 谱分析在机械故障诊断中的应用和小波变换在信号处理 中的应用为基础, 用数字信号处理技术提取轴承的故障特 征信息, 编制计算机软件, 辩识轴承滚动体 、 内环 、 外环的 故障 。1工作过程与测试原理 1.1工作过程图 1是轴承故障诊断系统的工作过程方框图 。 从图可 以看出工作过程主要有 4个部分:信号预处理部分; A/D转换部分; 故障信号分析部分; 故障特征信息提取与识别 部分 。1.2测试原理 该系统利用共振解调技术诊断轴承故 障, 当轴

2、承某一元件表面出现局部损伤时, 在受载运行过 程中要撞击与之相互作用的其它元件表面, 从而产生了冲 击脉冲力 。 由于冲击脉冲力的频带很宽, 必然包含轴承外 圈 、 传感器等固有频率, 从而激起整个测振系统的高频固 有振动, 通过带通滤波器的滤波, 分离出受调制的高频固 有振动信号, 再通过包络检波器的检波, 得到了只包含故 障特征信息的低频包络信号, 对这一包络信号进行频谱分 析, 可以诊断出轴承的故障, 其原因是共振解调技术放大 (或谐振 和分离 (带通滤波 了故障特征信息, 极大地提高 了信号比 。 共振解调诊断原理如图 2所示 。2系统组成 系统由软件系统和硬件系统两部分组成, 具有数

3、据采 集和处理及故障诊断等主要功能 。 系统硬件配置框图如图 3所示 。2.1硬件设计如 图 3所 示 ,整 个 系 统 的 核 心 部 件 是 DSP 芯 片TMS320VC5402。 它是 TI 公司生产的 TMS3205000系列的 16位定点数字信号处理器 。 TMS320VC5402采用先进的改 进型哈佛结构,工作速率为 100MIPS ,内核工作电压为 1.8V , I/O工作电压为 3V 。组成数据采集与处理的主要硬件包括: 用于传感器 信号拾取与预处理部分, 包括 2路振动加速度传感器的放 大滤波处理; A/D转换器:仪器选用 AD 公司推出的 6通道模拟输入的 16位串行口可

4、编程 A/D转换器; 数字 信号处理器 TMS320VC5402; 单片机 AT89C51:用于管 理键盘输入 、 参数显示和报警电路等, 由 DSP 控制; 异 步通信单元:用于与 PC 计算机进行通信; (610 电源电 路:为各单元电路提供电源 。 作者简介 :刘夏 (1982- , 女, 贵州金沙人, 讲师, 硕士研究生, 研究方向为电机与电器, 主要讲授电气类课程 。基于 DSP 轴承故障诊断系统的设计Diagnosing System for Detecting of Element Bearing Based on DSP刘夏 LIU Xia(贵州工业职业技术学院, 贵阳 550

5、008(Guizhou Industry Polytechnic College , Guiyang 550008, China 摘要 :本系统主要适用于轴承振动信号数据采集和分析, 可以实现对信号的时域和频域分析 。 该本系统硬件部分是以 DSP 为核心进行振动信号的采集与分析, 软件部分是采用 C 语言与汇编语言编制, 利用小波变换对信号进行处理 。 该系统也可以进一步推广到其他振动信号的采集与分析 。Abstract:A diagnosing system has been designed for the detection of the surface defects of elem

6、ent bearing. It is mainly based on sampling and analyzing the vibration signals for time and frequency domains. The diagnosing system of data acquisition and realization based of DSP, and the basic principle of it is wavelet transform. The software is written in C language and assembly language. The

7、 system is suitable to diagnose the rolling elements bearing, and is possible to be extended to the application of other mechanical vibration signals.关键词 :轴承; DSP ; 小波变换; 故障诊断 Key words:element bearing ; DSP ; wavelet transform ; fault diagnosis 中图分类号 :TP311文献标识码 :A 文章编号 :1006-4311(2013 23-0053-02传感

8、器信号信号预 处理A/D转换振动信 号分析故障特征 信息提取故障报警图 1滚动轴承故障诊断系统工作流程图振动信号带通滤波某一高频固有振动包络输出包络信号频谱分析包络频谱故障诊断图 2共振解调诊断原理图被测轴承传感器信号信号预处理 PC 机A/D转换器DSPTMS320VC5402闪速存储器静态存储器 报警电路单片机 键盘 、 显示电路 图 3系统硬件配置方框图·53·价值工程0引言弹簧直接作用式安全阀是安全阀众多种类中的一种, 其是将弹簧的载荷直接加载到阀瓣上以提供阀门关闭或 密封所需的力,其密封是依靠密封副接触面变形来实现 的, 因此, 这种安全阀的前泄 (非正常泄漏 成

9、为了影响该 阀在压力系统的应用中最棘手的问题 。1弹簧直接作用式安全阀密封特性分析1.1平衡状态下的密封力 由于密封副的两接合面不 可能完全吻合, 所以必须对密封副施加外力, 使密封副产 生弹塑性变形, 消除介质得以泄漏的间隙 。 该外力是压缩 弹簧产生的, 因此, 从理论上讲整个安全阀受力部件都会 产生弹塑性变形, 但由于关闭件很窄, 其受力后的变形量比其它部件大得多,所以我们可以假设除关闭件为弹性体 外,阀体 、 阀瓣 、 阀座都为刚体 。 图 1表示了弹簧直接作用式安全阀关闭状态下作用 作者简介 :赵玉坤 (1981- , 男, 黑龙江哈尔滨人, 工程师, 学士, 现从事阀门设计和制造工

10、作,研究方向为机械设计 、 制造及其自动化 。关于弹簧直接载荷式安全阀密封特性的研究Study of Spring Directly Load Safety Valve Sealing Properties赵玉坤 ZHAO Yu-kun ; 刘宪东 LIU Xian-dong(哈电集团哈尔滨电站阀门有限公司, 哈尔滨 150080(Harbin Electric Corporation Harbin Power Station Valve Co. , Ltd. , Harbin 150080, China 摘要 :本文对弹簧直接作用式安全阀的密封特性进行了研究, 通过对弹簧直接作用式安全阀实现

11、密封的工作原理及各个密封件的密封力的分析, 找到了影响弹簧直接作用式安全阀密封性的关键因素, 提出了改善弹簧直接作用式安全阀密封性的方案 。Abstract:The paper studies the spring direct acting safety valve sealing properties. Based on analyzing the working principle of spring direct acting safety valve and the seal force, it finds out the key factors influencing the sp

12、ring direct acting safety valve sealing, and puts forward the improved spring direct acting safety valve sealing solutions.关键词 :弹簧直接作用式安全阀; 密封特性; 前泄 Abstract:spring direct acting safety valve ; sealing characteristics ; start-to-discharge 中图分类号 :U261.154文献标识码 :A 文章编号 :1006-4311(2013 23-0054-022.2软件设

13、计 系统的软件设计主要包括 C51单片机 程序和 DSP 程序两部分 。 C51单片机程序主要包括上电初 始化 、 与 DSP 通信 、 按键输入和报警程序等; DSP 程序主 要包括上电初始化 、 仪器自检 、 数据采集 、 数据分析处理 、 与单片机通信 、 与 PC 机通信等功能模块 。 在此, 本文主要 介绍数据分析处理的程序模块 。在对振动信号进行分析处理时, 我们用到的是共振解 调的原理 。 在进行包络解调的各步骤中, 关键在于带通滤 波 。 能否将包含有故障信息的固有振动分离出来, 带通滤 波器的设计极为重要 。 由于小波变换具有带通滤波的特 性, 通过选择合适的小波和分解层次,

14、 可以得到原始信号 在不同频率段的振动特性, 其信息是完整的, 再从中找出 需要的频率段进行信号重构, 在不降低信号时域分辨率的 同时达到滤波目的 。 本文采用小波分解与重构来实现滤 波, 并采用 MALLAT 算法来进行小波分解和重构 。图 4和图 5是在 CCS2.2软件环境下得到的所采集信 号在进行变换前后的波形图 。3结束语本文介绍的基于小波变换与 DSP 技术的轴承故障诊 断系统, 功能强 、 可靠性好 。参考文献 :1TexasInstruments. TMS320C54X User's Guide, 2010.2周霖 .DSP 算法设计与系统方案 M.北京:国防工业出版 社, 2004.7.3程正兴, 杨守志, 冯晓霞 . 小波分析的理论 、 算法 、 进展和应 用 M.北京:国防工业出版社, 2007.7.