基于DSP+MCU的列車(chē)滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
摘要： 該系統(tǒng)是一個(gè)基于定點(diǎn)DSP芯片TMS320C32的滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)，主要適用于對(duì)滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的采集、處理和故障診斷，并通過(guò)軸承溫度信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。
Abstract：
Key words :
滾動(dòng)軸承是列車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)件的支撐，也是鐵路車(chē)輛上最容易危及行車(chē)安全的易損件。由于工作面接觸應(yīng)力的長(zhǎng)期反復(fù)作用，極易引起軸承疲勞、裂紋、壓痕等故障，導(dǎo)致軸承斷裂，造成重大事故。軸承工作狀態(tài)是否正常，對(duì)于列車(chē)的安全有著重大的影響。因此，開(kāi)展列車(chē)滾動(dòng)軸承故障診斷的研究對(duì)避免重大事故、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有相當(dāng)大的意義。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 硬件系統(tǒng)
振動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)，需要對(duì)較復(fù)雜的信號(hào)進(jìn)行處理?？紤]到單片機(jī)的控制功能強(qiáng)，其總線位數(shù)少，運(yùn)行速度相對(duì)較慢；而DSP(Digital Signal Processor)的運(yùn)算能力強(qiáng)，總線寬度寬，控制功能相對(duì)較弱。為了提高系統(tǒng)的信號(hào)處理速度，便于對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，結(jié)合單片機(jī)的控制能力，設(shè)計(jì)了DSP+MCU的方案，如圖1所示。該系統(tǒng)是一個(gè)基于定點(diǎn)DSP芯片TMS320C32的滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)，主要適用于對(duì)滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)的采集、處理和故障診斷，并通過(guò)軸承溫度信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。
滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號(hào)屬于高頻信號(hào)，因此應(yīng)用加速度傳感器進(jìn)行信號(hào)的拾取。但由于加速度傳感器所測(cè)得的信號(hào)較弱，必須經(jīng)過(guò)電荷放大器、抗混濾波等系列電路處理后才能進(jìn)入高速A／D轉(zhuǎn)換電路，保證了數(shù)據(jù)分析所需的數(shù)據(jù)量，能實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的幅值域、時(shí)域和頻域分析。處理后的振動(dòng)信號(hào)和經(jīng)單片機(jī)采集到的溫度數(shù)據(jù)均送到DSP處理器進(jìn)行處理分析，作出故障預(yù)報(bào)和診斷。對(duì)已形成的或正在形成的故障進(jìn)行分析處理，判斷出故障產(chǎn)生的部位及原因，并及時(shí)采取有效的措施。單片機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行顯示和DSP子系統(tǒng)的控制功能，包括DSP的命令解釋、數(shù)據(jù)傳輸控制、數(shù)據(jù)的輸入／輸出等控制功能，使DSP可以執(zhí)行高速、實(shí)時(shí)的DSP算法。存貯器包括程序儲(chǔ)存器和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，用于儲(chǔ)存用戶程序(EPROM)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(RAM)。
1．2 軟件系統(tǒng)
軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，使系統(tǒng)的維護(hù)、改進(jìn)和功能擴(kuò)展十分方便，還可進(jìn)一步推廣到其他振動(dòng)信號(hào)的采集和分析。
1．2．1 系統(tǒng)軟件主程序
軸承故障診斷系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，因此軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響數(shù)據(jù)處理的能力。系統(tǒng)軟件由主程序、串行口中斷服務(wù)、INT0中斷服務(wù)程序和數(shù)據(jù)處理程序組成。主程序完成AD574A芯片初始化、8751H的初始化、TMS320C32復(fù)位、包括從FLASH存儲(chǔ)器中讀取已經(jīng)存入的振動(dòng)信號(hào)的各種信息。完成初始化過(guò)程后，TMS320C32等待從875lH主處理器發(fā)出的各種命令，根據(jù)不同命令調(diào)用相應(yīng)的處理子程序，系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。中斷服務(wù)程序每隔10 ms中斷一次，并置各種定時(shí)到達(dá)標(biāo)志以便主程序判斷使用。串行中斷服務(wù)程序主要完成振動(dòng)信號(hào)的輸入、輸出等功能。INT0中斷服務(wù)程序主要用于接收從8751H發(fā)出的各種命令，并設(shè)置相應(yīng)的命令標(biāo)志以便于TMS320C32在主程序中識(shí)別并調(diào)用相應(yīng)的子程序。
1．2．2分析處理程序
本系統(tǒng)利用DSP強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算和功率譜分析，更好地提取數(shù)據(jù)中的特征信息，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度和提高準(zhǔn)確度。
(1)FFT分析運(yùn)算子程序
FFT分析運(yùn)算子程序利用FFT計(jì)算相關(guān)函數(shù)。為防止發(fā)生頻疊現(xiàn)象，需要延長(zhǎng)線性相關(guān)中序列的長(zhǎng)度，即延長(zhǎng)到兩序列長(zhǎng)度之和2N。自相關(guān)函數(shù)的快速傅里葉變換計(jì)算過(guò)程如下：
(2)功率譜分析運(yùn)算子程序
平均周期功率譜分析首先要把序列X(n)分成K段，每段長(zhǎng)為N，然后對(duì)每段進(jìn)行功率譜分析。平均周期法的每一段譜分析就是求該段的離散傅里葉變換，再除以分析點(diǎn)數(shù)。這樣的譜估計(jì)一共有K段，對(duì)K段譜估計(jì)求平均就得到平均周期功率譜分析。
(3)倒譜分析運(yùn)算子程序
倒譜分析是對(duì)信號(hào)y(t)的功率譜的對(duì)數(shù)進(jìn)行傅里葉逆變換。倒譜分析的離散運(yùn)算形式為：
2 故障診斷
2．1 提取軸承特征
小波分析利用時(shí)間平移和多分辨率的概念，可以同時(shí)處理時(shí)、頻分析，具有時(shí)頻局部化和多分辨功能。其基本思想是用一族函數(shù)去表示或逼近一信號(hào)或函數(shù)，通過(guò)滿足一定條件的基本小波函數(shù)的不同尺度的平移和展縮構(gòu)成的。但在正交小波變換中，只對(duì)信號(hào)的低頻成分進(jìn)行了遞推分解，導(dǎo)致高頻成分的頻率分辨率較低，表現(xiàn)為時(shí)一頻分辨率在低頻處頻率分辨率高，在高頻處時(shí)間分辨率高，頻率分辨率卻降低。利用DSP強(qiáng)大的數(shù)字處理功能，本系統(tǒng)采用常見(jiàn)的Hilbert變換法來(lái)提取包絡(luò)信號(hào)，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和精確性。
實(shí)信號(hào)X(t)的Hilbert變換為：
2．2 小波奇異性檢測(cè)
函數(shù)f(x)的局部奇異性與其小波變換的漸進(jìn)衰減性之間的關(guān)系為：
式中：Wsf(x)為f(x)在尺度s上的小波變換。
本文根據(jù)小波變換各尺度上模極大值的傳遞性來(lái)判斷奇異點(diǎn)的位置以及作奇異性指數(shù)計(jì)算。奇異性指數(shù)的計(jì)算如下：
設(shè)s=2j，在尺度i上Xk處的極大值為Mi=| Wsf(x)|，則在各尺度相應(yīng)位置處的模極大值可構(gòu)成序列{Mi}，在i較小時(shí)，可以近似為：
由此可得：
根據(jù)上式計(jì)算幾個(gè)尺度上的α，然后求平均值，即可得到信號(hào)在此時(shí)刻的Lip指數(shù)。
3 實(shí)例分析
實(shí)驗(yàn)用軸承參數(shù)如下：滾動(dòng)體直徑：O．84235英寸；支架直徑：7．5653英寸；輪子直徑：35．89英寸；接觸角α：10°；車(chē)速：30 km／h。
當(dāng)軸承外圈滾道發(fā)生點(diǎn)蝕、裂紋及表面剝落等局部損傷故障后，滾動(dòng)軸承便產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。利用加速度傳感器獲取軸承振動(dòng)信號(hào)，采樣頻率為2*36SPS，滾動(dòng)軸承正常、滾子破裂、多處外圈剝落時(shí)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形如圖3所示。按照前述方法對(duì)外圈剝落振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)處理，并采用B樣條函數(shù)進(jìn)行7層小波變換，得到信號(hào)包絡(luò)在特征尺度
重構(gòu)信號(hào)如圖4所示。
重構(gòu)信號(hào)如圖4所示。
通過(guò)檢測(cè)經(jīng)小波變換的模量極大點(diǎn)沿尺度的演變規(guī)律，可將噪聲所產(chǎn)生的模量極大點(diǎn)與信號(hào)產(chǎn)生的模量極大點(diǎn)區(qū)分開(kāi)。如果某模量極大點(diǎn)的幅值沿尺度的減小而顯著增加，則為是由噪聲產(chǎn)生的而予以剔除。為了考察模量極大點(diǎn)沿尺度的傳播性，本文采用一個(gè)簡(jiǎn)單的方法做初步判斷，即：如果某一尺度上的一個(gè)模量極大點(diǎn)的位置非常接近下一個(gè)尺度的一個(gè)模量極大點(diǎn)，并且它們具有相同的符號(hào)，那么可以認(rèn)為該模量極大點(diǎn)傳播到了下一個(gè)尺度上，否則即為沿尺度不傳播的模量極大點(diǎn)，予以剔除。經(jīng)過(guò)篩選所保留下來(lái)的各個(gè)尺度上的模量極大點(diǎn)就反映了包絡(luò)信號(hào)的主要特征。圖5分別表示正常、滾子破裂、多處外圈剝落三種情況的Lip指數(shù)分布(縱坐標(biāo)(-1<α<1)，橫坐標(biāo)(O～500))，Lip指數(shù)如表1所示。
從圖5可以看出：由故障軸承與正常軸承相比，其信號(hào)奇異點(diǎn)明顯增多。由表1可看出在同一時(shí)刻附近故障軸承的Lip指數(shù)明顯較小，在同一時(shí)刻附近多處外圈剝落的Lip指數(shù)較小，故障較嚴(yán)重，這與實(shí)際解體檢測(cè)情況一致。
4 結(jié)語(yǔ)
該系統(tǒng)充分利用單片機(jī)的控制功能強(qiáng)、DSP的運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)較復(fù)雜的信號(hào)具有較強(qiáng)的處理能力。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能滿足列車(chē)滾動(dòng)軸承故障診斷的實(shí)際需要，并減少了復(fù)雜的編程過(guò)程，有效地提高了工作效率，降低了診斷設(shè)備成本。
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