基于AE與STFT的變槳軸承裂紋診斷研究?

李 婷， 付德義， 薛 揚(yáng)

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司新能源研究中心 北京，100192）

（2.中國電力科學(xué)研究院有限公司新能源與儲能運(yùn)行控制國家重點實驗室 北京，100192）

引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到各國重視?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》中明確提出，要大力推進(jìn)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展，要實現(xiàn)大型風(fēng)電設(shè)備的技術(shù)突破［1-2］。然而，與國外風(fēng)電行業(yè)相比，我國在該領(lǐng)域的研發(fā)起步較晚，技術(shù)也相對落后，特別是關(guān)鍵零部件的健康監(jiān)測問題，已成為制約我國風(fēng)電設(shè)備發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。

作為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一的變槳軸承，其裂紋故障的診斷就是亟需解決的技術(shù)難題。變槳軸承內(nèi)圈連接輪轂，外圈連接葉片，其作用是當(dāng)風(fēng)速過高或過低時，通過外圈轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)槳葉的角度和節(jié)距，改變氣流對葉片攻角，從而保證風(fēng)電機(jī)組獲得穩(wěn)定的空氣動力轉(zhuǎn)矩，輸出恒定的功率發(fā)電。變槳軸承一旦發(fā)生故障，整個機(jī)組控制功能的實現(xiàn)及運(yùn)行安全均會受到直接影響，輕則導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組停止工作，重則釀成重大安全事故［2］。

基于振動或應(yīng)變等常規(guī)監(jiān)測手段分析和識別變槳軸承故障卻受到很大限制［3-4］，主要難點在于：①不完全轉(zhuǎn)動，無穩(wěn)定工頻，難以基于振動監(jiān)測計算故障特征頻率來識別變槳軸承故障；②很難接觸式測量，難以在變槳軸承上安裝振動傳感器；③各類振動噪聲干擾信息多。一方面風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件繁多，由此造成的各類外界振動干擾很多；另一方面，受不定風(fēng)力的影響，變槳軸承的受力及轉(zhuǎn)動瞬間變化，進(jìn)一步產(chǎn)生振動噪聲。

因此，基于變槳軸承的故障診斷現(xiàn)狀，提出一種基于聲發(fā)射技術(shù)采集變槳軸承信號方案［5］，解決基于振動或應(yīng)變等監(jiān)測手段難以奏效的問題。AE信號的產(chǎn)生是由于材料內(nèi)部的晶格發(fā)生畸變、裂紋加劇以及材料在塑性變形時釋放出的超高頻應(yīng)力波脈沖信號，受環(huán)境因素影響較小，且頻率范圍較寬容易獲取。另外，金屬裂紋產(chǎn)生的AE信號與其他信號在幅值和頻率上均有很大區(qū)別，不需要接觸聲發(fā)射源，受傳遞路徑影響較小，可以有效捕捉變槳軸承裂紋信息。基于AE的故障診斷在滾動軸承、車輛輪軸和回轉(zhuǎn)軸承等部件上均已取得顯著成效［6-8］。

針對AE信號的處理，擬采用短時傅里葉時頻方法，尋找故障特征，識別裂紋故障［9］。STFT用信號加時間窗的方法對信號進(jìn)行分割，進(jìn)而分析每個時間窗內(nèi)的信號，在時間域和頻率域均獲得良好局部性的分析方法。廖傳軍等［10］將STFT應(yīng)用于滾動軸承的AE信號分析中，能夠較好識別損傷類型。張東等［11］研究了迭代廣義短時Fourier變換，并將其應(yīng)用于行星齒輪箱故障診斷中。郭遠(yuǎn)晶等［12］用STFT時頻譜系數(shù)收縮實現(xiàn)了對信號降噪。趙學(xué)智等［13］提出了一種新的基于對數(shù)窗能量的窗長選擇準(zhǔn)則，使STFT獲得了良好的時頻聚集性。

1 基于AE裂紋診斷機(jī)理

聲發(fā)射產(chǎn)生的機(jī)理是當(dāng)材料內(nèi)部發(fā)生晶體錯位、斷裂或其他缺陷產(chǎn)生及發(fā)展過程中，能量聚集并瞬間釋放的一種物理現(xiàn)象［5-6］。AE信號直接來源于缺陷本身，是故障的載體，能很好地反映出缺陷的活動性和嚴(yán)重性。AE信號具有頻率好、頻帶寬等優(yōu)點，從數(shù)千赫茲到數(shù)兆赫茲均有信號，可通過專用的儀器進(jìn)行有效捕捉。根據(jù)模態(tài)聲發(fā)射理論，AE信號是由多模式波組成，每種模式由寬帶頻率波組成，具有多頻率多模式、頻譜多模態(tài)性等特點。不同的材料產(chǎn)生的AE信號的頻率范圍各不相同。而且不同的發(fā)聲機(jī)理，如塑性變形、錯位、裂紋等，產(chǎn)生的AE信號均不相同。AE信號不易受工況、部件運(yùn)動等因素的影響，可以有效實現(xiàn)對缺陷的定位和檢測。AE信號以彈性波的形式向四周傳播，采集過程中也不需要接觸聲發(fā)射源。因此，聲發(fā)射技術(shù)可應(yīng)用在變槳軸承裂紋故障信號的捕捉過程中，完全克服基于振動信號的監(jiān)測診斷方法所遇到的困難。

變槳軸承的裂紋萌生與擴(kuò)展是一種非常良好的聲發(fā)射源，與金屬材料內(nèi)部的晶格變形與斷裂有關(guān)［8］。當(dāng)變槳軸承受載時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致金屬內(nèi)部損傷產(chǎn)生與加劇。當(dāng)外部載荷卸除后，應(yīng)力瞬間釋放，裂紋萌生或進(jìn)一步擴(kuò)展，激發(fā)出AE信號。因此，基于AE信號捕捉變槳軸承的故障特征完全可行。

2 STFT

傅里葉變換的思想是將穩(wěn)態(tài)信號看成若干個簡諧信號疊加，進(jìn)而實現(xiàn)對信號分解的一種方法。而短時傅里葉主要針對非平穩(wěn)信號，將其視為若干個局部平穩(wěn)信號，通過在時間上可滑移的時間窗對信號進(jìn)行截取，對每個時間窗內(nèi)的信號進(jìn)行傅里葉變換，進(jìn)而實現(xiàn)了時間域和頻率域都具有良好局部性的時頻分析方法［9-10］。其實現(xiàn)過程如下：對某非平穩(wěn)信號x(t)進(jìn)行STFT分析，首先構(gòu)建一個中心為τ、高度為1、寬度有限的時間窗函數(shù)h(t)。通過h(t)觀察x(t)得到局部信號x(t)h(t)，如圖1所示。如果窗口足夠窄，那么x(t)h(t)是一個局部平穩(wěn)的信號。同時h(t)的中心τ可在時間域內(nèi)進(jìn)行滑動，進(jìn)而產(chǎn)生多個x(t)h(t)。對x(t)h(t)的集合進(jìn)行傅里葉變換，得到x(t)的STFT變換后的函數(shù)

其中：h(t-τ)為窗函數(shù)；f為時頻分析的頻率；τ為時頻分析的時間。

式（1）將非平穩(wěn)信號x(t)影射到時頻二維平面(τ，f)上。Sx(τ，f)反映了信號x(t)在時刻τ、頻率f時的信號成分的相對含量［11-12］。

圖1 短時傅里葉變換Fig.1 Short time Fourier transform

考慮到STFT變換對兩個正弦波的區(qū)分能力，給定了時窗函數(shù)h(t)和它的傅里葉變換H(f)時，帶寬Δf的計算公式為

其中：分母為H(f)的能量。

如果兩個正弦波之間的頻率間隔大于Δf，那么，這兩個正弦波就能夠被區(qū)分開，因此STFT的頻率分辨率為Δf。同樣，時域內(nèi)的分辨率Δt為

其中：分母為h(t)的能量。

如果兩個脈沖的時間間隔大于Δt，那么這兩個脈沖就能夠被區(qū)分開。STFT的時間分辨率為Δt。

時間分辨率Δt和頻率分辨率Δf不可能同時任意小，根據(jù)Heisenberg不確定性原理，時間和頻率分辨率的乘積受到以下限制

其中：當(dāng)且僅當(dāng)窗函數(shù)用高斯窗函數(shù)時，等式成立。

通過式（4）可看出，當(dāng)時間分辨率較高時，頻率分辨率較低，反之亦然。因此在STFT的計算過程中，需要在時間分辨率和頻率分辨率之間取折衷［12］。變槳軸承裂紋故障的聲發(fā)射信號是受載情況下受激發(fā)而產(chǎn)生的，具有瞬時沖擊的特點，但持續(xù)時間不會很長，其能量分布應(yīng)該會集成在一定的時間和一定的頻率范圍內(nèi)，包含高頻突發(fā)分量和長周期準(zhǔn)平穩(wěn)分量。STFT對于信號中能量較少的時間和頻率間隔處，其變換結(jié)果幅值很小，能較好地識別AE信號的故障特征［13］。

3 試驗驗證

3.1 變槳軸承裂紋檢測試驗

某風(fēng)電機(jī)組2#號變槳軸承外圈出現(xiàn)一個明顯裂紋故障，如圖2圓圈內(nèi)所示。此時，為保證設(shè)備及人員安全，風(fēng)電機(jī)組按照規(guī)定已停機(jī)，只能進(jìn)行人工變槳條件下的對比試驗?，F(xiàn)場測試試驗設(shè)備布置如圖3所示，在與變槳軸承內(nèi)圈相連的輪轂A點上采用倒U型磁座固定R6A聲發(fā)射探頭，并在探頭底部涂抹耦合劑，在機(jī)倉內(nèi)B點放置PCI-2聲發(fā)射采集儀。其中R6A聲發(fā)射探頭的固定位置對應(yīng)變槳軸承外圈旋轉(zhuǎn)過程中裂紋部位旋轉(zhuǎn)軌跡的中心，探頭與外圈水平方向距離為10 cm。通過人工變槳實現(xiàn)變槳軸承外圈旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中自動加載，導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)微擴(kuò)展，激發(fā)AE信號。為對比試驗，對無裂紋1#號變槳軸承也進(jìn)行了AE信號采集。受安全操作要求和現(xiàn)場條件等因素限制，每個變槳軸承的人工變槳過程是單獨(dú)進(jìn)行的，互不影響。AE信號的采樣頻率為1 MHz，單個數(shù)據(jù)存儲時間為0.5 s，40 dB增益信號，門限電壓觸發(fā)存儲。

圖2 變槳軸承的外圈裂紋Fig.2 Outer ring crack of pitch bearing

圖3 現(xiàn)場測試Fig.3 Field testing

3.2 結(jié)果分析

首先，對比有裂紋和無裂紋變槳軸承AE信號的時域波形，如圖4和圖5所示。有裂紋變槳軸承AE信號中出現(xiàn)多個脈沖沖擊，而無裂紋變槳軸承AE信號中沖擊不明顯。這種沖擊可視為微裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的AE信號的激發(fā)。

圖4 有裂紋AE時域波形Fig.4 Time waveform of AE with crack

圖5 無裂紋AE信號時域波形Fig.5 Time waveform of AE without crack

隨后，對變槳軸承AE信號進(jìn)行頻域分析，如圖6和圖7所示。由于變槳軸承不完全轉(zhuǎn)動，沒有穩(wěn)定的工頻，軸承故障特征頻率無法計算，無參考價值。但是，對比圖6和圖7，有裂紋變槳軸承AE信號頻譜的頻率成分與無裂紋變槳軸承AE信號有一定的差異。這些差異有參考價值，但不足以作為直接判斷裂紋故障是否出現(xiàn)的直接證據(jù)。

然后，采用STFT分析變槳軸承AE信號，結(jié)果如圖8～11所示。圖8為有裂紋變槳軸承STFT時頻分析圖，圖9是圖8的三維展示。相應(yīng)的，圖10和圖11分別是無裂紋變槳軸承STFT時頻分析圖和三維展示。

如圖8中圓圈內(nèi)所示，縱坐標(biāo)在［90，140 kHz］區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)較大沖擊，且沖擊貫穿整個時間域，沖擊特征持續(xù)、穩(wěn)定。同時該頻率段的聲發(fā)射信號也是金屬材料（尤其是鋼材）裂紋產(chǎn)生的常見頻率段，與文獻(xiàn)［14］中的試驗數(shù)據(jù)吻合，可作為變槳軸承裂紋AE信號激發(fā)的一個佐證。圖9三維展示中箭頭指示［90，140 kHz］頻段內(nèi)信號更加明顯。與之相比，圖10 ，11無裂紋時，該頻率段無明顯沖擊。因此，采用STFT分析可以找到變槳軸承裂紋故障特征［90，140 kHz］，能夠有效識別變槳軸承裂紋故障。

圖6 有裂紋AE頻譜Fig.6 Spectrum of AE with crack

圖7 無裂紋AE頻譜Fig.7 Spectrum of AE without crack

圖8 有裂紋AE信號STFT時頻圖Fig.8 STFT of AE with crack

圖9 有裂紋AE信號STFT時頻圖三維展示Fig.9 Three-dimensional STFT of AE with crack

圖10 無裂紋AE信號STFT時頻圖Fig.10 STFT of AE without crack

圖11 無裂紋AE信號STFT時頻圖三維展示Fig.11 Three-dimensional STFT of AE without crack

最后，為進(jìn)一步檢驗STFT分析的效果，選取有裂紋變槳軸承沖擊成分不明顯的一組AE信號進(jìn)行分析，其時域及頻域信號沖擊十分微弱，與無裂紋信號十分類似，其STFT分解結(jié)果如圖12所示，可準(zhǔn)確識別變槳軸承裂紋故障特征［90，140 kHz］。如圖12中箭頭指示，該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)貫穿整個時域的沖擊成分，只是其幅值比圖9展示的略小一些，但仍可以作為識別變槳軸承裂紋故障的依據(jù)。

圖12 有裂紋AE信號STFT時頻圖三維展示Fig.12 Three-dimensional STFT of AE with crack

綜上所述，STFT時頻分析是識別變槳軸承裂紋故障的有效而又穩(wěn)定的方法，較少受到工況或其他外部因素的影響。

4 結(jié)束語

針對變槳軸承裂紋監(jiān)測診斷問題，提出一種基于AE信號和STFT分析方法的監(jiān)測診斷技術(shù)，可有效捕捉變槳軸承裂紋故障信號，有效克服了基于振動及應(yīng)變等常規(guī)監(jiān)測方法在現(xiàn)場難以發(fā)揮作用的問題。在某風(fēng)電機(jī)組上進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明STFT可以較好的識別裂紋故障特征，并較少受工況或其他因素的影響，有良好的普適性。然而，目前的論證還不夠充分，還有許多工作需要完成，比如：有條件的情況下，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況下進(jìn)行變槳軸承對比試驗，同時開發(fā)低成本高精度的聲發(fā)射采集系統(tǒng)，為變槳軸承的在線監(jiān)測診斷奠定基礎(chǔ)。