智能电机轴承故障监测系统设计

陈鑫洋

摘 要：为了满足生产过程中电机轴承故障监测的需求，及时发现电机轴承故障隐患，降低生产停机的频次，提高生产效率。因此，本文设计了一款智能电机轴承故障监测系统，用于实时监控生产过程中电机轴承故障情况，并提供预警，阐述了设计的结构，进行了软硬件的设计，工作流程进行展示，并进行了系统测试。结果表明，本监测系统满足设计需求，达到监测预警的目的，有效提高了生产效率。

关键词：智能电机;轴承;故障监测;系统;设计

0 引言

电机是工业生产使用最广泛的装置之一，是工业生产的核心设备，而电机出现问题故障的主要部件在于轴承。引起电机轴承故障的主要是轴承的内外圈、滚珠、支架等出现裂纹或者磨损产生的，这些故障会伴随着异常噪音、振动、转速、过热等问题出现。可见，监测轴承的故障是解决电动机故障关键因素所在，由于振动信号比较方便采集和处理，从而实现在不影响电机运转的情况下对电机运行状态的实时监控。因此，设计一款智能电机轴承故障检测系统是有重要意义的。

1 振动信号分析

电机发生故障时，一般都会产生异常振动，异常振动又分为电磁振动和机械振动，电磁振动主要由气隙和定转子异常引起，机械振动主要由轴承异常和转子不平衡引起。振动特性还涉及电机的工作状态、负载和安装模式。为了更好采集电机故障的数据，需要使用位移传感器、速度传感器和加速度传感器等振动信号的测量工具，并选择合适的安装采样点，最好是靠近轴承处，防止外界环境因素影响，确保数据的准确率。为防止采集的数据失真，采样信号频率不能过低，最好是原始信号振幅、频率最大值的两倍，这是确保采样准确需要的。

2 系统的结构

为了能较好的监测电机轴承的故障状态，设计的监测系统主要分为两部分，一部分为监测系统硬件设备，一部分为电机轴承故障监测系统软件。硬件主要是电源、控制芯片、传感器、存储、诊断、无线模块及电源等模块，主要作用是完成数据采集、处理、存储、收发及显示等。监测软件主要实现接收信号对比、分析、显示和保存，并将结果进行警报等。图1位系统的主要原理框图。

3 硬件设计

根据电机轴承故障产生的主要原因，如伴随异常噪音、振动、过热的情况，采集的内容较多，而最便于监测的现象是振动情况。因此，本监测系统主要以采集振动信号的设计为列进行说明。

3.1 传感器模块

主要使用的是电容式加速度传感器作为采样工具，加速度传感器又分为压电式、压阻式、电容式三种，因为电容式的邻面度高，受环境影响小，零频率响应的特点。因此，选择电容式的加速度传感器，实现对电动机振动故障进行信号采集，将采集到的模拟信号转化成电压信号，解调后进行数字转换，传送到诊断模块进行诊断并存储起来，。

3.2 诊断模块

诊断模块主要是对采集到的信号进行算法分析，判断轴承发出的振动信号是否为故障，具体可以采用卷积神经网络、核主元分析及鲸鱼算法等。

3.3 存储模块

主要进行电机轴承振动信号的原始数据、处理数据、轴承故障结果进行存储，方便控制器对存储的數据进行提取使用。

3.4 控制模块

控制器提供该模块结果并将其传送到监控系统控制端，主要包括日常诊断数据及诊断结果的发生，获取反馈的各种信息等。

3.5 显示模块

为了能够实时显示运行情况，将数据通过OLED静态显示驱动接口电路展现，控制器用含有四种接口方式的SS1306驱动器，接口类型丰富，满足设计的要求。

4 软件设计

软件设计主要分为两部分，一部分是信号采集程序，主要是实现振动信号的采集、处理、显示及数据的发送和接收等;一部分是系统管理的程序，主要实现接收各种参数，并进行保存、处理及显示，并根据反馈的信号，与数据库数据对比分析，能够实现预警功能。系统工作流程图如图2所示。

4.1 总控模块

主要实现读取轴承预设的数据，并对整个系统进行配置，创建内容线程，主要含有振动数据采集、故障诊断、数据的无线收发、数据存储及数据的预警等。

4.2 数据采集模块

数据采集模块主要对轴承振动信号进行采集，设计为每秒钟采集10次，并将其存储在存储器中，以便送到诊断模块中进行诊断，判断此时电机轴承是否存在故障。

4.3 数据诊断模块

采集模块送过来的数据进行数据分析诊断，完成诊断后将诊断结果通过发送模块发送给监控系统控制端，若存在故障，马上在显示屏上显示并预警，直至人工处理后解除;若无故障，则将诊断数据存储于存储器当中，只显示数据。

5 结论

一种智能电机轴承故障监测系统，设计了系统的硬件平台，开发了相关监测软件，并通过采集的数据对系统的性能进行了测试。测试结果为该监测系统可以实时监测电机的振动信号，并对故障信号进行预警提示，能够存储、显示相关故障信息以便查阅处置，达到预期设计目的。当然，电机的监测除了振动信号以外，还可采集很多其他参数可以进行综合分析，数据处理也有很多算法，鉴于篇幅有限就不再赘述。总的来说，该系统基本实现了在电脑端和手机端监测，方便管理人员查看监督，实现多管齐下进行监控，较好的保障系统正常运行。该系统采用的是高性能、低成本的微控制器和传感器，大大降低了设计成本。

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基金项目：2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目：智能电机轴承故障监测系统研究（2021KY1405）