基于參數(shù)分析的滾動(dòng)軸承故障聲發(fā)射特征提取

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(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110870)

滾動(dòng)軸承在鐵路、制造、石化等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，滾動(dòng)軸承的故障檢測(cè)也一直是國(guó)內(nèi)外故障檢測(cè)的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)檢測(cè)滾動(dòng)軸承的方法是振動(dòng)法，但是在故障初期軸承的振動(dòng)信號(hào)非常微弱，因此很難發(fā)現(xiàn)缺陷。聲發(fā)射檢測(cè)具有頻譜寬、高頻抑制性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠?qū)收系脑缙谛盘?hào)有較好的預(yù)判[1]。筆者采用聲發(fā)射參數(shù)分析的方法對(duì)軸承的外圈、滾動(dòng)體、內(nèi)圈的故障信號(hào)進(jìn)行提取分析，為滾動(dòng)軸承信號(hào)診斷提供一種有效的方法。

1 滾動(dòng)軸承故障的聲發(fā)射信號(hào)特點(diǎn)

聲發(fā)射檢測(cè)軸承故障的基本原理就是用設(shè)備對(duì)軸承故障釋放出來(lái)的彈性波進(jìn)行采集，然后通過(guò)對(duì)軸承故障信息的特征參數(shù)進(jìn)行分析研究，推斷出軸承的內(nèi)部缺陷、狀態(tài)變化和發(fā)展趨勢(shì)[2]。當(dāng)軸承故障出現(xiàn)后，在正常運(yùn)行的過(guò)程中，缺陷的位置會(huì)產(chǎn)生撞擊信號(hào)，而無(wú)故障處產(chǎn)生的是平穩(wěn)的、幅值較小的連續(xù)信號(hào)。

由于受到載荷、潤(rùn)滑狀態(tài)、水分和雜物浸入等因素的影響，材料會(huì)有位錯(cuò)交叉滑移等塑性形變，因此軸承在使用一段時(shí)間后經(jīng)常會(huì)發(fā)生故障。軸承會(huì)在外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體上產(chǎn)生裂紋，在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生故障聲發(fā)射信號(hào)[3]。根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)，可以將信號(hào)分為兩個(gè)類型：突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)和連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)。連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)由一系列低幅值、連續(xù)的信號(hào)組成；突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)具有高幅值、不連續(xù)的特點(diǎn)，這主要與材料的斷裂和堆垛層錯(cuò)有關(guān)。而軸承的故障信號(hào)屬于連續(xù)的聲發(fā)射信號(hào)。

2 檢測(cè)條件

2.1 檢測(cè)儀器系統(tǒng)

采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)R15型壓電陶瓷傳感器，經(jīng)試驗(yàn)確定40 dB的門檻值可以屏蔽外界噪聲干擾。采集正常軸承和常見故障類型滾動(dòng)軸承的聲發(fā)射信號(hào)，進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 檢測(cè)方案

使用的滾動(dòng)軸承故障模擬試驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，采用交流變頻電機(jī)控制器對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍為30～1 450 r·min-1。故障模擬采用的測(cè)試軸承型號(hào)為6205滾動(dòng)軸承，共4個(gè)，其中1個(gè)是正常軸承，其余3個(gè)為故障軸承。6205滾動(dòng)軸承的幾何參數(shù)為：外徑52 mm，內(nèi)徑25 mm，寬度15 mm，滾珠數(shù)8個(gè)。對(duì)滾動(dòng)軸承外圈故障、內(nèi)圈故障和滾動(dòng)體故障3種典型故障進(jìn)行分析，通過(guò)在軸承外圈、內(nèi)圈和滾動(dòng)體上進(jìn)行線切割來(lái)模擬軸承故障，加工的寬度和深度都是1 mm的長(zhǎng)方形槽，在滾動(dòng)體上模擬1 mm的點(diǎn)蝕缺陷。

圖1 滾動(dòng)軸承故障模擬試驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

2.3 檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定

系統(tǒng)采用經(jīng)過(guò)出廠標(biāo)定檢驗(yàn)期限并在合格期內(nèi)的R15傳感器進(jìn)行測(cè)量，對(duì)傳感器耦合狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，采用直徑為0.3 mm、硬度為2H的鉛筆作為信號(hào)模擬源，鉛芯伸出長(zhǎng)度約為2.5 mm，距傳感器中心距離約100 mm，取3次幅度的平均值，均值都在平均幅度3 dB范圍內(nèi)。

3 滾動(dòng)軸承聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)分析

對(duì)采集到的滾動(dòng)軸承的聲發(fā)射信號(hào)與故障軸承的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分別計(jì)算各參數(shù)，其中不同的工況軸承類型有：正常、外圈故障、內(nèi)圈故障、滾動(dòng)體故障。

3.1 單參數(shù)列表分析法

分別對(duì)以上所述軸承工況進(jìn)行采集分析，對(duì)每種故障類型的特征參數(shù)都收集固定點(diǎn)數(shù)的采樣，然后再進(jìn)行參數(shù)的統(tǒng)計(jì)列表分析，表1為測(cè)得的各滾動(dòng)軸承的聲發(fā)射特征參數(shù)的平均值。

表1 各滾動(dòng)軸承聲發(fā)射特征參數(shù)的平均值

聲發(fā)射傳感器的位置在外圈故障的正上方，相對(duì)故障位置較近，所以能夠更好地采集到故障的信號(hào)，所得到的信號(hào)特征也比較明顯。而滾動(dòng)體和內(nèi)圈是隨著軸承轉(zhuǎn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的，其聲發(fā)射故障信號(hào)要經(jīng)過(guò)保持架、軸承座等機(jī)械構(gòu)件的折射、反射之后才能到達(dá)傳感器，信號(hào)的衰減較大；而且介質(zhì)之間的接觸面也會(huì)產(chǎn)生一部分的損耗，使得內(nèi)圈和滾動(dòng)體的信號(hào)比外圈的故障信號(hào)相對(duì)弱了一些。

3.2 經(jīng)歷圖分析法

經(jīng)歷圖分析法是通過(guò)對(duì)聲發(fā)射的參數(shù)信號(hào)隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行分析，來(lái)得到軸承的活動(dòng)情況和發(fā)展趨勢(shì)的方法。其可以對(duì)軸承故障進(jìn)行活動(dòng)性評(píng)價(jià)，以及分析軸承故障的活躍程度[4]。

3.2.1 能量經(jīng)歷圖分析

不同工況的軸承能量對(duì)時(shí)間經(jīng)歷圖如圖2所示，當(dāng)正常軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，聲發(fā)射能量是比較小的，能量都會(huì)在50 mV·μs以下。而帶有外圈故障、滾動(dòng)體故障、內(nèi)圈故障軸承的聲發(fā)射能量都會(huì)比同轉(zhuǎn)速的正常軸承明顯要高出一倍。其中外圈故障的軸承能量最大，最高可以達(dá)到234 mV·μs，再次是滾動(dòng)體的能量，最次是內(nèi)圈的能量。不同故障軸承的活動(dòng)程度不同，外圈的活動(dòng)性最強(qiáng)，內(nèi)圈最弱，但是也都高于正常軸承的活動(dòng)性。

3.2.2 計(jì)數(shù)經(jīng)歷圖分析

計(jì)數(shù)是聲發(fā)射參數(shù)中較為敏感的參數(shù)，其對(duì)轉(zhuǎn)速、載荷、故障尺寸、故障類型都表現(xiàn)出較為敏感的特性。不同工況的軸承計(jì)數(shù)對(duì)時(shí)間經(jīng)歷圖如圖3所示，正常軸承的計(jì)數(shù)時(shí)平均在50以下，而外圈故障軸承的計(jì)數(shù)時(shí)平均達(dá)到100左右，滾動(dòng)體和內(nèi)圈的計(jì)數(shù)時(shí)平均比較接近，都在50～100之間，略高于正常沒有損壞軸承的。當(dāng)故障出現(xiàn)的時(shí)候，外圈故障的計(jì)數(shù)就會(huì)明顯增高，而滾動(dòng)體和內(nèi)圈的計(jì)數(shù)也有小幅度提升?？梢杂糜?jì)數(shù)經(jīng)歷圖作為判斷軸承外圈故障的依據(jù)。

圖2 不同工況的軸承能量對(duì)時(shí)間經(jīng)歷圖

圖3 不同工況的軸承計(jì)數(shù)對(duì)時(shí)間經(jīng)歷圖

3.3 分布圖分析法

分布圖分析法是對(duì)軸承聲發(fā)射撞擊計(jì)數(shù)或事件計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法。一般采用分布圖的方式，研究不同參數(shù)下的撞擊或事件的統(tǒng)計(jì)分布。分布圖分析法可以判斷軸承的特征，從而達(dá)到判斷故障類型的目的。

3.3.1 軸承撞擊數(shù)對(duì)幅值分布圖分析

不同工況的軸承撞擊數(shù)對(duì)幅值分布圖如圖4所示。由于電機(jī)噪聲和外部環(huán)境的影響，將門檻條件設(shè)置到40 dB。由圖4可以看出，帶有故障的軸承在40 dB幅值的撞擊數(shù)明顯高于正常運(yùn)轉(zhuǎn)軸承的。滾動(dòng)體和內(nèi)圈故障40 dB幅值的撞擊數(shù)都在400～500之間，這是由于外圈是固定在軸承架上的，而滾動(dòng)體是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的物體，內(nèi)圈是跟隨軸承連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)的，產(chǎn)生的撞擊數(shù)就會(huì)比固定不動(dòng)的外圈數(shù)量大。

3.3.2 軸承撞擊數(shù)對(duì)計(jì)數(shù)分布圖分析

不同工況的軸承撞擊數(shù)對(duì)計(jì)數(shù)分布圖如圖5所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為120 r·min-1時(shí)，不同工況的軸承撞擊數(shù)對(duì)計(jì)數(shù)分布同撞擊數(shù)對(duì)幅值的分布類似，滾動(dòng)體和內(nèi)圈超過(guò)閾值的撞擊數(shù)都遠(yuǎn)大于外圈軸承的，用撞擊數(shù)對(duì)計(jì)數(shù)的分布分析法可以有效地把外圈故障跟滾動(dòng)體和內(nèi)圈故障區(qū)分開。

圖4 不同工況的軸承撞擊數(shù)對(duì)幅值分布圖

圖5 不同工況的軸承撞擊數(shù)對(duì)計(jì)數(shù)分布圖

3.4 關(guān)聯(lián)圖分析法

關(guān)聯(lián)分析就是將任意兩個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，圖中的每一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)撞擊點(diǎn)[5]。

3.4.1 能量對(duì)幅值關(guān)聯(lián)圖分析

不同工況的軸承能量對(duì)幅值關(guān)聯(lián)圖如圖6所示，由圖6可以得出，正常工作的軸承能量數(shù)都在40 mV·μs以下，并且幅值50 dB以下的能量是很小的。帶有故障的軸承能量值在40 mV·μs以上的有很多，并且明顯高于正常軸承的能量值。

3.4.2 持續(xù)時(shí)間對(duì)幅值關(guān)聯(lián)圖分析

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度為300 r·min-1時(shí)，不同工況的軸承持續(xù)時(shí)間對(duì)幅值關(guān)聯(lián)圖如圖7所示。由圖7可得出，正常軸承的持續(xù)時(shí)間在幅值大于50 dB時(shí)的分布是很少的，帶有故障軸承的關(guān)聯(lián)圖中幅值50 dB以上的密集程度和點(diǎn)數(shù)都遠(yuǎn)大于正常軸承的，其中外圈故障與滾動(dòng)體故障的關(guān)聯(lián)圖類似，內(nèi)圈故障的關(guān)聯(lián)圖中幅值在50 dB以上的密集程度尤為突出。

圖6 不同工況的軸承能量對(duì)幅值關(guān)聯(lián)圖

圖7 不同工況的軸承持續(xù)時(shí)間對(duì)幅值關(guān)聯(lián)圖

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)不同故障的軸承進(jìn)行了參數(shù)分析，首先用單參數(shù)列表的方法對(duì)各項(xiàng)聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；然后用經(jīng)歷圖法、分布分析法、相關(guān)圖分析法對(duì)各種工況的軸承進(jìn)行了分析。綜合運(yùn)用以上分析方法，可以進(jìn)行不同軸承故障的特征提取。

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