基于DSP的滚动轴承故障诊断系统研究

论文摘要

在机械设备中滚动轴承是最常见的机械部件之一,它的运转状态直接影响到整台机器的运行,因此对滚动轴承进行状态监测和故障诊断就显得格外重要和具有意义。在国内的企业中,对价格昂贵的大型机械设备往往采用在线式状态监测系统进行实时的状态监测,而在线式设备故障诊断系统因其昂贵的造价,安装和维护地不便而不适用于中小型设备故障检测与诊断。针对这种情况研制一种离线式故障诊断设备就具有重要的应用价值。本论文研究的对象是滚动轴承,论文从滚动轴承的结构入手,分析了轴承产生故障的机理,讨论了轴承故障的基本形式及其检测方法,介绍了滚动轴承各部件固有频率和故障特征频率的计算方法。详细介绍了共振解调器的设计方法,给出了电路设计的原理图,完成了基于DSP的硬件电路设计和系统搭建,设计了系统运行的软件代码。共振解调技术是一种对低频冲击所激起的高频共振波进行包络检波和低通滤波,获得一个相对于低频冲击放大并展宽了的共振解调波,并通过对此共振解调波的幅值和频谱分析来判断故障类型和量值的方法,按照其实现的方法可分为硬件共振解调和软件共振解调。本文采用基于硬件的共振解调技术为理论依据对滚动轴承的故障进行分析和判断。前端内置IC加速度传感器采集的振动信号,通过前端的调理模块进行信号放大,通过共振解调器进行带通滤波、包络检波和低通滤波等一系列的硬件信号处理方法后进入A/D进行模/数转换,最后进入DSP进行快速傅里叶变换(FFT)运算,以便进行频谱分析。通过对FFT运算后的数据进行分析就可以很清楚、容易地判断出故障,找出出现故障部件,进而达到滚动轴承故障诊断的目的。通过实验证明该系统可以有效地提取故障信号,准确地判断出滚动轴承故障以及出现故障的具体部位,能够满足设计之初制定的设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 轴承故障诊断技术的目的和意义
• 1.2 轴承故障诊断的研究现状和发展趋势
• 1.3 共振解调技术在轴承故障诊断中应用的现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 滚动轴承故障特征分析及检测诊断方法
• 2.1 滚动轴承的基本结构及故障机理
• 2.1.1 滚动轴承的结构
• 2.1.2 滚动轴承的故障机理
• 2.2 滚动轴承故障的基本形式和检测方法
• 2.2.1 滚动轴承故障的基本形式
• 2.2.2 滚动轴承故障的检测方法
• 2.3 滚动轴承的振动类型和故障特征分析
• 2.3.1 滚动轴承的振动类型
• 2.3.2 滚动轴承的固有振动频率和故障特征频率
• 2.4 滚动轴承的振动分析方法
• 2.4.1 滚动轴承振动检测的基本流程
• 2.4.2 滚动轴承的振动分析方法
• 2.5 本章小结
• 3 滚动轴承故障诊断系统的结构框架
• 3.1 系统框架
• 3.2 数字信号处理器的选型
• 3.3 系统涉及算法介绍
• 3.4 本章小结
• 4 滚动轴承故障的共振解调技术及共振解调器的设计
• 4.1 滚动轴承振动的频谱结构
• 4.2 共振解调技术
• 4.2.1 共振解调技术的基本原理
• 4.2.2 共振解调技术的特征
• 4.3.3 共振解调技术的实现方法
• 4.3.4 高频共振的实现方法及其选择
• 4.3 调理模块的设计
• 4.3.1 传感器恒流源的设计
• 4.3.2 程控放大器的设计
• 4.4 共振解调器的设计
• 4.4.1 带通滤波器的设计
• 4.4.2 包络检波器的设计
• 4.4.3 抗混频低通滤波器的设计
• 4.4.4 共振解调器测试实验
• 4.5 本章小结
• 5 DSP系统的硬件电路设计
• 5.1 DSP系统硬件设计原理
• 5.2 TMS320C6713 DSP芯片的片内资源
• 5.2.1 DSP芯片的 CPU内核
• 5.2.2 DSP芯片的片内存储器
• 5.2.3 DSP芯片的片内外设
• 5.3 基于 TMS320C6713 DSP芯片的外围电路设计
• 5.3.1 A/D转换电路设计
• 5.3.2 外扩存储器设计
• 5.3.3 UART设计
• 5.3.4 电源设计
• 5.4 本章小结
• 6 基于 DSP的系统应用程序设计
• 6.1 DSP系统应用程序开发流程
• 6.2 系统开发环境 CCS介绍
• 6.3 滚动轴承故障诊断系统程序开发
• 6.3.1 系统初始化
• 6.3.2 信号采集
• 6.3.3 信号分析
• 6.3.4 数据通信
• 6.4 系统测试实验
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢