基于DSP+MCU的列車(chē)滾動(dòng)軸承故障診斷系統設計

　　O 引言

　　滾動(dòng)軸承是列車(chē)轉動(dòng)機件的支撐，也是鐵路車(chē)輛上最容易危及行車(chē)安全的易損件。由于工作面接觸應力的長(cháng)期反復作用，極易引起軸承疲勞、裂紋、壓痕等故障，導致軸承斷裂，造成重大事故。軸承工作狀態(tài)是否正常，對于列車(chē)的安全有著(zhù)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避免重大事故、促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展具有相當大的意義。

　　1 系統總體設計

　　1．1 硬件系統

　　振動(dòng)控制系統是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)信號處理系統，需要對較復雜的信號進(jìn)行處理?？紤]到單片機的控制功能強，其總線(xiàn)位數少，運行速度相對較慢；而DSP(Digital Signal Processor)的運算能力強，總線(xiàn)寬度寬，控制功能相對較弱。為了提高系統的信號處理速度，便于對系統的硬件和軟件的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，結合單片機的控制能力，設計了DSP+MCU的方案，如圖1所示。該系統是一個(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，主要適用于對滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號的采集、處理和故障診斷，并通過(guò)軸承溫度信號實(shí)現對軸承工作狀態(tài)的監測。

　　滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號屬于高頻信號，因此應用加速度傳感器進(jìn)行信號的拾取。但由于加速度傳感器所測得的信號較弱，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轉換電路，保證了數據分析所需的數據量，能實(shí)現對采集數據的幅值域、時(shí)域和頻域分析。處理后的振動(dòng)信號和經(jīng)單片機采集到的溫度數據均送到DSP處理器進(jìn)行處理分析，作出故障預報和診斷。對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。單片機負責執行顯示和DSP子系統的控制功能，包括DSP的命令解釋、數據傳輸控制、數據的輸入／輸出等控制功能，使DSP可以執行高速、實(shí)時(shí)的DSP算法。存貯器包括程序儲存器和數據儲存器，用于儲存用戶(hù)程序(EPROM)和實(shí)時(shí)數據(RAM)。

　　1．2 軟件系統

　　軟件采用模塊化設計思想，使系統的維護、改進(jìn)和功能擴展十分方便，還可進(jìn)一步推廣到其他振動(dòng)信號的采集和分析。

　　1．2．1 系統軟件主程序

　　軸承故障診斷系統的主要任務(wù)是對采集的信號進(jìn)行分析和處理，因此軟件設計的好壞直接影響數據處理的能力。系統軟件由主程序、串行口中斷服務(wù)、INT0中斷服務(wù)程序和數據處理程序組成。主程序完成AD574A芯片初始化、8751H的初始化、TMS320C32復位、包括從FLASH存儲器中讀取已經(jīng)存入的振動(dòng)信號的各種信息。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，根據不同命令調用相應的處理子程序，系統軟件框圖如圖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)到達標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，并設置相應的命令標志以便于TMS320C32在主程序中識別并調用相應的子程序。

　　1．2．2分析處理程序

　　本系統利用DSP強大的數字信號處理功能，對采樣得到的數據進(jìn)行FFT運算和功率譜分析，更好地提取數據中的特征信息，加快系統的響應速度和提高準確度。

　　(1)FFT分析運算子程序

　　FFT分析運算子程序利用FFT計算相關(guān)函數。為防止發(fā)生頻疊現象，需要延長(cháng)線(xiàn)性相關(guān)中序列的長(cháng)度，即延長(cháng)到兩序列長(cháng)度之和2N。自相關(guān)函數的快速傅里葉變換計算過(guò)程如下：

　　(2)功率譜分析運算子程序

　　平均周期功率譜分析首先要把序列X(n)分成K段，每段長(cháng)為N，然后對每段進(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。這樣的譜估計一共有K段，對K段譜估計求平均就得到平均周期功率譜分析。

　　(3)倒譜分析運算子程序

　　倒譜分析是對信號y(t)的功率譜的對數進(jìn)行傅里葉逆變換。倒譜分析的離散運算形式為：

　　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去表示或逼近一信號或函數，通過(guò)滿(mǎn)足一定條件的基本小波函數的不同尺度的平移和展縮構成的。但在正交小波變換中，只對信號的低頻成分進(jìn)行了遞推分解，導致高頻成分的頻率分辨率較低，表現為時(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強大的數字處理功能，本系統采用常見(jiàn)的Hilbert變換法來(lái)提取包絡(luò )信號，提高整個(gè)系統的可靠性和精確性。

　　實(shí)信號X(t)的Hilbert變換為：

　　2．2 小波奇異性檢測

　　函數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計算。奇異性指數的計算如下：

　　設s=2j，在尺度i上Xk處的極大值為Mi=| Wsf(x)|，則在各尺度相應位置處的模極大值可構成序列{Mi}，在i較小時(shí)，可以近似為：

　　由此可得：

　　根據上式計算幾個(gè)尺度上的α，然后求平均值，即可得到信號在此時(shí)刻的Lip指數。

　　3 實(shí)例分析

　　實(shí)驗用軸承參數如下：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，采樣頻率為261436SPS，滾動(dòng)軸承正常、滾子破裂、多處外圈剝落時(shí)振動(dòng)信號的時(shí)域波形如圖3所示。按照前述方法對外圈剝落振動(dòng)信號進(jìn)行包絡(luò )處理，并采用B樣條函數進(jìn)行7層小波變換，得到信號包絡(luò )在特征尺度重構信號如圖4所示。

　　通過(guò)檢測經(jīng)小波變換的模量極大點(diǎn)沿尺度的演變規律，可將噪聲所產(chǎn)生的模量極大點(diǎn)與信號產(chǎn)生的模量極大點(diǎn)區分開(kāi)。如果某模量極大點(diǎn)的幅值沿尺度的減小而顯著(zhù)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，那么可以認為該模量極大點(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指數分布(縱坐標(-1α1)，橫坐標(O～500))，Lip指數如表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指數明顯較小，在同一時(shí)刻附近多處外圈剝落的Lip指數較小，故障較嚴重，這與實(shí)際解體檢測情況一致。

　　4 結語(yǔ)

　　該系統充分利用單片機的控制功能強、DSP的運算能力強的特點(diǎn)，對較復雜的信號具有較強的處理能力。實(shí)驗表明，該系統能滿(mǎn)足列車(chē)滾動(dòng)軸承故障診斷的實(shí)際需要，并減少了復雜的編程過(guò)程，有效地提高了工作效率，降低了診斷設備成本。