用于变工况下旋转机械故障诊断的振动、声学、温度和电机电流数据集

5月前浏览8890

齿轮箱是使用范围很广的部件，而且工况复杂多变，目前大部分公开数据集是在恒定工况、单一故障下测试得到的，如有需要请点击上述五个公开数据集进行下载使用。本期给大家推荐一个用于变工况下旋转机械故障诊断的振动、声学、温度和电机电流数据集。有写论文需要的同学们赶紧用起来吧！

论文基本信息

论文题目：Vibration, acoustic, temperature, and motor current dataset of rotating machine under varying operating conditions for fault diagnosis

论文期刊：Data in Brief

论文日期：2023

作者：

Wonho Jung(a), Seong-Hu Kim(a), Sung-Hyun Yun(a), Jaewoong Bae(b), Yong-Hwa Park(a)

机构：

a.Department of Mechanical Engineering, Center for Noise and Vibration Control Plus, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 291, Daehak-ro, Daejeon, Yuseong-gu 34141, South Korea

b.Automotive R&D Division, Hyundai Motor Group, 150, HyundaiYeonguso-ro, Namyang-eup, Hwaseong-si, Gyeonggi-do 18280, South Korea

通讯作者邮箱：yhpark@kaist.ac.kr

摘要

旋转机械经常在各种工况下运行。然而，数据的特征随其运行条件的不同而改变。本文介绍了时间序列数据集，包括旋转机械在不同工况下的振动、声学、温度和驱动电流数据。根据国际标准化组织( ISO )标准，使用4个陶瓷剪切ICP的加速度计、1个扩音器、2个热电偶和3个电流互感器( CT )采集数据。旋转机械的工况为：故障轴承(内圈和外圈)、转轴的不对中、转子不平衡3种不同的转矩负载工况( 0 Nm、2 Nm、4 Nm)。本文还展示出在变转速工况( 680RPM~ 2460RPM)下的滚动轴承振动和驱动电流数据集。所建立的数据集可用于验证新开发出的旋转机械的故障诊断。

关键词：滚珠轴承，不平衡，不对中，变负载，变转速，状态监测

参数表

1 数据价值

a.该数据集包含了与旋转机械中可能发生的大部分主要故障(轴承、轴、转子故障)相关的数据。因此，该数据集可用于验证新开发的基于转子动力学理论的旋转机械故障诊断方法的性能。
b.通过根据各种负载情况对数据集进行安全保护，可以根据负载变化观察故障特征的变化。这为考虑实际现场的负荷波动情况提供了一个实用的数据集。
c.该数据集有望引领利用振动-声学或振动电流等传感器融合的最新故障诊断研究。
d.该数据集是在( 680RPM~ 2460RPM)变转速条件下从滚动轴承中获得的。改数据集有三种不同类型的故障，包括内圈故障、外圈故障和滚动体故障。该数据由振动数据(在轴承的x和y方向上)和电流数据组成。
e.大多数故障诊断方法都是针对转速稳定的情况下提取故障特征，不能直接用于变转速工况。实际上，在风力发电机中，由于负载波动，轴承不会以稳定的速度运行。为了解决这些问题，需要使用诸如阶次跟踪的方法消除变转速工况的影响，但这需要采集与振动同步的转速数据。
f.该数据集可用于开发基于学习的故障诊断方法，即使在不同的速度条件下。还提供了同步的转速数据和恒转速条件下的振动数据。

2 数据集描述

本文提出了两种变工况，包括变负载工况和变转速工况。

2.1 变负载工况数据

第1个数据集由不同负载条件下的振动、声学、温度和驱动电流数据组成。在3种不同负载工况( 0 Nm、2 Nm、4 Nm)下采集振动、温度、电机电流、声音数据。载荷条件采用空气冷却的方法对磁滞制动器进行控制。主电机的额定转速为3010RPM。

振动数据使用4个加速度计( PCB352C34 )同时在x方向和y方向的2个轴承座( A、B)处测量。声学扩音器( PCB378B02 )位于轴承座( A )附近。使用两个热电偶( K型)和三个CT传感器( Hioki CT6700 )测量温度和驱动电流数据。采用西门子SCADAS Mobile 5PM50采集振动和声学数据。NI9211和NI9775模块分别用于采集温度和驱动电流数据。振动、温度、驱动电流数据以25.6 kHz的采样频率采集。该数据集在正常状态下采集120秒，在故障状态下采集60秒。最后，采集声学数据，采样频率为51.2 kHz，仅采集空载状态下的轴承故障数据，以避免风冷制动器的噪声干扰。

将采集到的振动和声学数据存储在二进制MATLAB ( MAT )文件中。

振动数据文件包含5个列，分别为"Time Stamp"、"x_direction_housing_A"、"y_direction_housing_A"、" x_direction_housing_B"、" y_direction_housing_B"。振动数据的单位为"引力常数( g ) " ( 1g = 9.80665 m / s2)。
声学数据文件包含两个列，分别是"Time Stamp"和"values"。声学数据的单位是' Pascal ( Pa ) '。

根据旋转机械的运行和健康状态，对振动和声学文件的部分描述如下：

表1 振动数据（部分）描述

采集到的温度和驱动电流数据存储在技术数据管理流( TDMS )文件中。每个状态下的温度和驱动电流数据都存储在一个数据文件中。温度和电机电流数据文件包含 6 个列 ，分别为 "Time Stamp" 、 "Temperature_housing_A" 、"Temperature_housing_B"、" U 相"、" V 相"和" W 相"。温度和电机电流的单位分别为摄氏度( ° C )和安培( A )。根据旋转机械的运行和健康状态，对温度和电机电流文件的描述如下：

表2 电流、温度数据（部分）描述

2.2 变转速工况数据

其次，根据电机转速条件( 680 RPM和2460 RPM)的变化，采集的数据集由内圈故障、外圈故障和滚珠故障等不同故障类型的滚动轴承采集的振动和电流数据组成。

使用四个加速度计( PCB352C34 )在两个轴承座A和B处测量x方向和y方向的振动数据。电流数据采用3个CT电流传感器( Hioki CT6700 )测量。振动数据由西门子SCADAS Mobile 5PM50采集，采样频率为25.6 kHz；电流数据由NI9775采集，采样频率为100 kHz。该数据集在恒定速度下采集600 s，在变化速度条件( 680 RPM和2460 RPM)下采集2100 s。

振动数据文件包含5个列，分别为"Time Stamp"、"x_direction_housing_A "、"y_direction_housing_A"、"x_direction_housing_B"、" y_direction_housing_B"。振动数据的单位为"引力常数( g ) " ( 1g = 9.80665 m / s2)。
电机电流数据文件包含5个列，分别为"Time Stamp"、" R_phase "、" S_phase "和" T_phase "。电机电流的单位为"安培( A ) "。

为了支持该数据集中更多的细节，还提供了同步的速度数据。每个状态的样本原始数据及其时频分析见图1~4。对数据集的部分描述如下：

表3 数据集（部分）描述

图1 正常状态下x、y方向的振动(加速度)数据：( a )电机转速，( b )转速不变的时间序列加速度数据，( c )转速变化的时间序列加速度数据，( d )转速不变对应的频谱图，( e )转速变化对应的频谱图。

图2 内圈故障状态下x和y方向的振动(加速度)数据：( a )电机转速，( b )恒定转速下的时序加速度数据，( c )变化转速下的时序加速度数据，( d )恒定转速下的对应频谱图，( e )变化转速下的对应频谱图。

图3 外圈故障状态下x和y方向的振动(加速度)数据：( a )电机转速，( b )恒定转速下的时序加速度数据，( c )变化转速下的时序加速度数据，( d )恒定转速下的对应频谱图，( e )变化转速下的对应频谱图。

图4 滚珠故障状态下x、y方向的振动(加速度)数据：( a )电机转速，( b )转速恒定的时序加速度数据，( c )转速变化的时序加速度数据，( d )转速恒定对应的频谱图，( e )转速变化对应的频谱图。

3 实验设计、材料和方法

旋转机械试验台由三相异步电动机、扭矩仪、齿轮箱、轴承座A、轴承座B、转子和磁滞制动器组成，如图5所示。SIEMENS公司生产的三相异步电动机为4极交流电机，功率为3马力( HP )。其驱动电压为380V，频率为60Hz，额定转速为1770rpm。变速箱将转速提高了2.07倍，最高可达3663rpm。为了避免与60 Hz驱动频率的信号重叠，该数据集在3010 rpm下运行。使用Valid Magnetic Ltd .生产的磁滞制动器( AHB-3A )对旋转机械施加负载，并使用Datum Electronics生产的扭矩仪( M425 )测量负载。本数据集中的模拟负载为0 Nm、2 Nm、4 Nm。声学数据是在零负载条件下采集的，因为制动器是一种风冷方式，可以作为噪声作用于扩音器。

根据振动安装指南( ISO 10816-1 : 1995)，在轴承座A和B的x和y方向共安装了4个加速度计( PCB35234 )。基于麦克风安装指南( ISO8528 - 10)，在A轴承座附近安装了一款麦克风( PCB378B02 )。每个轴承座安装2个热电偶( K型)，用于测量轴承温度。为了测量三相电机电流，使用了三个CT传感器( Hioki CT6700 )。在三相电机的U相、V相和W相上分别安装CT传感器。

图5 旋转机械试验台及其部件的布置

滚动轴承由两个同心圆环和滚道间的滚动体组成。内、外滚道均为敞口。为了装配滚动轴承，滚动体被放置于内圈和外圈之间。内圈被拉断到与外圈同心的位置。滚动体在滚道间均匀分布，并通过保持架以保持一定的距离。

在变载荷工况试验中，根据裂纹尺寸( 0.3 mm、1.0 mm、3.0 mm)模拟轴承故障，包括内圈故障和外圈故障，如图6所示。相应的故障轴承安装在轴承座A中。根据转速的不同，轴承故障频率可以计算如表4所述。本数据集采用滚动体直径( d )为7.90 mm，节圆直径( D )为38.5 mm，接触角( θ )为零度，滚动体个数( N )为9的标准化NSK轴承( NSK 6205 DDU)。因此，轴转频( fs )为50.17 Hz，基频( FTF )为19.94 Hz，内圈故障频率( BPFI )为272.07 Hz，外圈故障频率( BPFO )为179.43 Hz，滚动体故障频率( BSF )为234.19 Hz。

图6 轴承裂纹尺寸：( a )内圈0.3 mm，( b )内圈1.0 mm，( c )内圈3.0 mm，( d )外圈0.3 mm，( e )外圈1.0 mm，( f )外圈3.0 mm

表4 滚动轴承故障特征频率

轴故障是轴在轴承座A中移动的平行不对中，如图7所示。运动由0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm组成。转子故障是通过在第四转子盘上添加质量来模拟质量不平衡，如图8所示。不平衡盘是离轴承座A最近的盘。本数据集由不平衡质量组成：583毫克，1169毫克，1751毫克，2239毫克和3318毫克。数据集的总体描述如表5所示。

图7 轴不对中的描述：( a )正常，( b )轴不对中，即在白箭方向上不对中0.3 mm。

图8 转子不平衡的描述：( a )正常，( b )第四盘上的转子不平衡。

表5 数据集的描述，其中" Inner "与内圈故障有关，" Outer "与外圈故障有关。

在变速工况试验中，采用6205钢制NSK型滚动轴承进行试验。对滚动轴承的四种不同状态（正常、内圈故障、外圈故障和滚动体故障）进行了仿真，如图9所示。这些故障是由滚珠轴承采用菱形针尖表面剥落产生的。通过调节电机频率模拟变转速工况，如图5所示。数据集的整体描述如表6所示。

图9 轴承状态：( a )正常，( b )内圈故障，( c )外圈故障，( d )滚珠故障。

表6 数据集的描述，其中' Inner '为轴承内圈故障，' Outer '为轴承外圈故障，' Ball '为轴承滚珠故障。

由于数据集太大，请大家自行去下述提供的链接下载，大家还想要什么数据集，欢迎在留言区评论，小编尽可能的满足！

编辑：赵学功

校核：李正平、王畅、陈凯歌、赵栓栓、董浩杰、曹希铭

该文资料搜集自网络，仅用作学术分享，不做商业用途，若侵权，后台联系小编进行删除

来源：故障诊断与python学习

机械故障诊断干货 | (电机、减速机、风机)振动传感器部署指南，附图详解！

本文摘要：（由ai生成）本文讨论了工业设备振动传感器的高效部署，强调安装位置和方向的选择原则，如选择结构刚度高的部位和振动强度大的方向。针对不同设备类型，如电机、减速机和风机等，提供了具体的安装位置和方向建议。同时，介绍了传感器的安装方式和技巧，以确保测量精度。传感器安装应体现结构振动特性，减少安装工件影响，提高监测效率。设备状态监测的测点通常选在设备轴承或靠近轴承的位置，通过在轴向、垂直方向、水平方向部署振动传感器来实现设备振动信号的采集。但在实际工作中，考虑安装空间和硬件成本，部署过程通常被两个问题困扰：如何高效利用状态监测传感器，即传感器安装在什么位置，既可以减少传感器的使用数量，还可以尽可能的保证设备状态监测的效果；对于可以同时测量多方向振动的传感器，如果不同方向的性能指标存在差异，应当优先测量哪个方向更为合理。参考振动状态监测的相关标准，并结合设备故障诊断的实际经验，我们总结出选取状态监测传感器安装部署位置和方向时，应当遵循如下原则：安装位置应尽量选择设备结构刚度较高的部位，例如设备的轴承座、端盖等，减少振动信息在传递路径中的损失；安装方向应优先选择振动强度大的方向，例如与安装管道垂直的方向、设备的受力方向、齿轮的啮合方向等，提高振动信号的幅值。下面我们针对现场常见的几类工业设备（电机、减速机、风机），具体说明进行设备状态监测时，振动传感器推荐的安装位置及安装方向。该文来自天津三石峰科技有限公司，其是一家集产品研发、生产、销售为一体的科技型公司。公司主营业务板块：工业互联网、智能运维。目录1 电机 1.1 卧式电机 1.2 立式电机2 传动部件 2.1 直齿减速机 2.2 斜齿、伞齿减速机3 泵/风机 3.1 悬臂式离心机/风机 3.2 双支撑式离心机/风机 3.3 罗茨风机/双螺杆压缩机4 安装固定方式 4.1 振动传感器安装位置 4.2 振动传感器安装方向 4.3 振动传感器安装技巧 4.4 总结1 电机1.1 卧式电机可靠安装在刚性支撑上的卧式电机，其驱动端带动负载设备，振动强度大于非驱动端，设备约束方向为垂直方向，因此大多数情况下水平方向的振动大于垂直方向。进一步考虑到传输距离越长，振动信号衰减越大的情况，卧式电机若选取单轴振动传感器，安装位置和方向的优先级由高到低依次为：驱动端水平→驱动端垂直→驱动端轴向→非驱动端水平→非驱动端垂直。若使用3轴传感器，则应优先测量水平方向的振动，安装位置和方向优先级由高到低为：驱动端水平→非驱动端水平。1.2 立式电机通常情况下，立式电机的驱动端与安装面距离近、约束较好，非驱动端距离安装面较远，振动强度大。因此，立式电机部署单轴或3轴传感器时，均应优先安装在远离安装平面的非驱动端，条件不允许时可安装在驱动端。2 驱动部件2.1 直齿减速机齿轮箱按传动级数可分为单级齿轮箱和多级齿轮箱。监测齿轮箱的运行状态需至少在输入轴和输出轴上各安装一台振动传感器。对于内部为直齿轮的直齿减速机，其受力方向主要沿径向。因此，若选取单轴振动传感器，安装位置和方向的优先级由高到低依次为：输入/输出端垂直→输入/输出端水平→输入/输出端轴向。若选取3轴传感器，则应优先测量垂直方向的振动，在输入和输出轴的垂直方向安装传感器即可。2.2 斜齿、伞齿减速机对于斜齿或伞齿减速机，其受力方向主要沿轴向，应重点监测主轴方向的振动信号。若采用单轴振动传感器，安装位置和方向的优先级由高到低依次为：输入/输出端轴向→输入/输出端水平→输入/输出端垂直。若采用3轴传感器进行状态监测，应优先测量轴向的振动，选择在输入和输出轴的轴向安装传感器即可。3 泵/风机3.1 悬臂式离心机/风机悬臂式离心机/风机的轴承在叶轮一侧，测点通常选取在靠近驱动端轴承的位置。需要注意的是，泵机/风机的进口和出口管道同样对设备起到约束作用，一定程度上抑制了设备在管道方向上的振动，在条件允许的情况下，振动测量方向应当与进口管道和出口管道垂直。但是相比泵机底部螺栓的固定，管道的约束效果有限，当管道方向为水平方向时，仍优先在水平方向安装振动传感器。使用单轴传感器进行悬臂式离心机/风机的状态监测时，安装位置和方向的优先级由高到低依次为：驱动端水平→驱动端垂直→驱动端轴向。使用3轴传感器进行状态监测，则优先选择测量水平方向振动。3.2 双支撑式离心机/风机相比单支撑离心机/风机，双支撑离心机/风机在叶轮两侧均有轴承，因此在监测时需要在驱动端和非驱动端均布置测点。采用单轴传感器时，安装的优先级由高到低依次为：驱动端水平→驱动端垂直→驱动端轴向→非驱动端水平→非驱动端垂直→非驱动端轴向。若采用3轴传感器，则应优先测量水平方向的振动，驱动端的安装优先级高于非驱动端。3.3 罗茨风机/双螺杆压缩机罗茨风机/双螺杆压缩机中扇叶的啮合方向为垂直方向，因此垂直方向的振动相对较大。对于主动轴和从动轴轴心距离小于800mm的罗茨风机或双螺杆压缩机，每端(驱动端/非驱动端)可以使用一台传感器，在两轴中间进行垂直方向的振动测量。如果主动轴和从动轴轴心距离超过800mm，主动轴和从动轴垂直方向的振动需要分别安装2台传感器进行采集。若采用单轴传感器，由于主动轴和从动轴转速一致、轴承型号一致，考虑到传感器的成本，出现问题可不定位故障轴承，可针对一根轴来进行状态监测。(1) 若选择主动轴监测，传感器安装位置的优先级由高到低依次为：驱动端主动轴垂直→驱动端主动轴轴向→非驱动端主动轴垂直→非驱动端主动轴水平→驱动端主动轴水平→非驱动端主动轴轴向。(2) 若选择从动轴，安装位置的优先级变为：驱动端从动轴垂直→驱动端从动轴轴向→非驱动端从动轴垂直→非驱动端从动轴水平→驱动端从动轴水平→非驱动端从动轴轴向。4 安装固定方式振动传感器有多种安装方式：手持探针、蜂蜡、双面胶、磁座、胶粘和螺栓等方式。不同的安装方式对应不同的安装刚度，因而整个传感器系统的自振频率会不同。安装刚度越大，传感器系统的自振频率越高，能用于测量的频带也就越高。因此，关心的频带越高，传感器的安装刚度应越大。在这几种安装方式中，螺栓连接安装刚度最大。但是这时的安装是一种有损安装，因需要在结构表面开螺纹孔。4.1 振动传感器安装位置振动传感器安装要与被测设备良好固定，保证紧密接触，连接牢固，振动过程中不能有松动。因此，要求安装表面平整，不能有油污、尘土、碎屑等杂物。当安装平面不平整时，应加工使之平整。当结构表面有油漆，也应该去除表面油漆之后再安装传感器。当用磁座安装时，磁座应当安全牢靠地吸附在测量位置表面上，如下图所示：4.2 振动传感器安装方向振动传感器的测振方向应该与待测方向一致，否则，会造成测量幅值误差。不同的测试要求不同的传感器安装方向。测量位置产生的振动依赖于传感器的安装方向，不同的方向振动幅值是不相同的。应根据测试要求将传感器安装在待测方向上。如果传感器方向偏离测试方向，那么此时横向运动可能远大于轴向运动，此类误差将会特别明显。4.3 振动传感器安装技巧当用胶粘时，应沿垂直胶粘平面方向用力按压传感器，使传感器底部的胶形成较薄的一层避免胶层太厚，导致将高频阻隔掉。当使用磁座安装时，由于磁座有吸力，因此安装传感器时应十分小心。若通过磁力垂直吸附在结构表面，由于瞬时的磁力，会导致传感器受到撞击，影响精度。正确的做法时使磁座倾斜一定角度靠近安装表面完成安装。传感器安装后，信号传输导线应固定，同时传感器与导线的接头应紧固连接，测试过程中不能出现松动。固定导线时，接头处的导线应处于舒展状态，不应拉紧受力。导线固定有三个方面的好处，第一，当传感器松动，与被测结构松开时，不会直接摔到地上，损坏传感器，因为有导线拉着。第二，不固定的传输导线在测量过程中发生晃动，会拍打被测结构，导致出现新的振源，这一点特别是模态测试时，需要特别注意。第三，传输导线出现弯曲，拉伸等可能会引起导体与屏蔽层之间局部电容或电荷的变化，引入噪声。其他方面主要是考虑高温、防潮和绝缘等问题。户外高温天气进行测量时，应考虑高温对传感器的影响。对于室外需要隔夜测量时，应考虑传感器的防潮问题。4.4 总结振动传感器安装的总原则：传感器的安装位置应能体现结构的振动特性，应该仔细地检查安装表面是否有污染和表面平滑，如有需要应加工使之平整。使传感器的测振方向和测量方向的偏差减到最小，否则将导致相当于横向灵敏度所引起的误差。安装时，注意安装技巧，尽量减少安装工件带来的影响。安装时安装刚度应尽量大，这样可用的频带会越宽。信号电缆应固定于结构表面安装表面的状态和安装方法应在实验记录中进行记录。来源：故障诊断与python学习

有附件