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

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

 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。

参数表

目录

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。

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。

• 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 ) '。

表1 振动数据（部分）描述  

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 ) "。

表3 数据集（部分）描述  

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

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。  

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。

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

编辑：赵学功

校核：李正平、王畅、陈凯歌、赵栓栓、董浩杰、曹希铭

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