基于C8051F340单片机的智能化轴承故障诊断仪

　　0引言

　　滚动轴承是机器中的易损部件，许多旋转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，约有30%的机械故障由轴承引起。因此，进行滚动轴承故障诊断技术研究具有十分重要的意义。

　　由于滚动轴承本身在工作时必然伴随旋转而产生振动，其运行状态的好坏直接反映在振动信号中，而且振动信号测试简单、直观，因此通过测量、分析轴承的振动信号判断其运行状况十分流行，也导致了共振解调法这一诊断方式的产生，共振解调技术对诊断滚动轴承早期损伤类故障效果很好。文中以共振解调原理的基础，研制了一种基于C8051F340单片机的智能化轴承故障诊断仪。

　　1滚动轴承故障诊断的理论与方法

　　当轴承某一元件表面产生局部损伤时，在受载运行过程中要撞击与之相互作用的其他元件表面，除了产生含有故障特性频率低频成分外，还产生了冲击脉冲力，由于脉冲力的频带很宽，必然包含轴承外圈、传感器甚至附加的谐振器(机械式或电式)等的固有频率而激起这个测振系统的高频固有振动，此时含有故障特性频率的低频成分将对高频固有振动信号产生幅度调制。根据实际情况，可选择某一高频固有振动作为研究对象，通过一定方式把该固有振动分离出来。然后通过包络检波器检波，去除高频衰减振动的频率成分，得到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从而诊断出轴承的故障，如图1所示。

　　2滚动轴承故障诊断仪的硬件结构设计

　　滚动轴承故障诊断仪主要由模拟硬件电路(包括传感器、滤波电路、整流电路、检波电路、峰值均值电路、测速电路等)9通道数据采集电路及自带USB控制器和A/D转换器的混合信号微处理器C8051F340等组成，其硬件结构如图2所示。

　　2.1共振解调诊断的模拟硬件电路实现[[3]

　　模拟硬件电路的设计采用共振解调原理，利用压电加速度传感器采集振动信号，获取故障特征信息，实现对滚动轴承振动信号的时域处理，利用对时域指标的监视发现轴承的故障，主要指标为振动信号的均方根值和峰值，通过图3均方根值电路和图4峰值保持电路得到。

　　通过对时域指标的监视发现轴承故障后，要判断是什么类型的故障、故障发生在哪个元件上，以及故障的严重程度等比较精确的信息时，需要对滚动轴承的信号进行频谱分析，即进行频域处理，根据频谱图中的频率成分以及各有频率成分处的幅值大小进行精确诊断。而滚动轴承的故障特征频率计算，需要知道内圈(即轴)的旋转频率，因此，有必要测量旋转体的速度。速度的测量，采用非接触式光电传感器。