李樹豪, 文振華*, 趙小飛, 郭 霄, 方鵬亞, 李 勇
(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 航空工程學(xué)院,河南 鄭州 450046;2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 材料學(xué)院,河南 鄭州 450046)
隨著科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步和制造業(yè)的快速發(fā)展,機(jī)械設(shè)備在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用愈發(fā)重要,其數(shù)量也在迅速增加;而隨著機(jī)械設(shè)備向多樣化、智能化方向發(fā)展,其復(fù)雜程度也在日益增加。機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行情況直接決定了行業(yè)的發(fā)展,可以說機(jī)械設(shè)備的安全、高效運(yùn)行對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及其健康程度的精準(zhǔn)監(jiān)控是實(shí)施合理維修策略的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,而狀態(tài)的準(zhǔn)確把握則需要依賴于可靠的監(jiān)測(cè)技術(shù)和完善的評(píng)估方法。因此,機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)其健康管理的必要技術(shù)手段[1-4]。
潤滑系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)備的重要組成部分,潤滑油在降低摩擦磨損、延長各系統(tǒng)及其元件的使用壽命等方面扮演了關(guān)鍵角色,其性能會(huì)隨著設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)而變化,同時(shí)潤滑油品質(zhì)的優(yōu)劣程度也決定了機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性[1-3]。一方面,潤滑油潤滑性能的衰退或者泄露等將會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障;另一方面,機(jī)械設(shè)備在正常工作時(shí),由于自身零部件的摩擦磨損導(dǎo)致機(jī)械零部件表面材料的脫落而產(chǎn)生磨粒,并隨著油液在潤滑系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng),進(jìn)而改變了潤滑油的性能。潤滑油中攜帶了磨損過程產(chǎn)生的磨粒,且磨粒含有極其豐富的磨損過程信息,其數(shù)量、大小、形狀、顏色、形貌特征等能全面地反映出磨粒產(chǎn)生時(shí)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和材料的磨損方式。相比于光學(xué)、振動(dòng)、超聲等監(jiān)測(cè)技術(shù)在機(jī)械設(shè)備健康管理中的應(yīng)用,潤滑油監(jiān)測(cè)技術(shù)受外界環(huán)境的干擾相對(duì)較小,其監(jiān)測(cè)與診斷結(jié)論也更為可靠,能夠?yàn)榧皶r(shí)制定維修維護(hù)決策提供有效依據(jù)。因而,油液監(jiān)測(cè)技術(shù)受到各國的高度重視[5-7]。
潤滑油監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心是掌握潤滑油油液的理化性能、污染物和磨損產(chǎn)物的變化趨勢(shì),采用油液的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息及其綜合處理結(jié)果,迅速且準(zhǔn)確地找到機(jī)械系統(tǒng)的故障位置及其誘因,進(jìn)而及時(shí)、有序地采取合理措施以防止設(shè)備的性能迅速衰退或引起重大機(jī)械故障的發(fā)生,最終保障機(jī)械裝備的安全、高效運(yùn)行。隨著電子信息水平的不斷提高,油液在線監(jiān)測(cè)傳感技術(shù)也在不斷發(fā)展,國內(nèi)外目前已經(jīng)采用介電常數(shù)、電磁感應(yīng)、靜電、光譜、超聲等技術(shù)原理成功研制了多種類型的油液在線檢測(cè)傳感器,為油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)[4-5]。王文瑾等[8]研究了三線圈結(jié)構(gòu)電磁感應(yīng)傳感器在油液磨粒傳感器綜合測(cè)試平臺(tái)中的應(yīng)用,豐富了油液監(jiān)測(cè)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷及預(yù)測(cè)中的測(cè)試手段。Shi等[9]基于電容式傳感器和電感式傳感器開發(fā)了一種集成式油液磨粒監(jiān)測(cè)傳感器,可有效鑒別油液中的氣泡和金屬屑,并區(qū)分鐵磁性或非鐵磁性金屬屑。吳迪恒[10]、谷麗東[11]、Gao[12]等分別系統(tǒng)地探究了用于油液監(jiān)測(cè)的不同類型傳感器及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),并討論了各種傳感方法的優(yōu)缺點(diǎn),指出了未來傳感器將朝著集成式、智能化、無線傳輸?shù)姆较虬l(fā)展。
采用油液油品性能分析對(duì)設(shè)備的健康程度進(jìn)行定量或定性表征,可實(shí)現(xiàn)采用狀態(tài)的預(yù)測(cè)性視情維護(hù)和健康管理,從而盡可能地節(jié)約財(cái)力、人力和時(shí)間等成本,可有效增加經(jīng)濟(jì)收益,同時(shí)能夠較好地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境。黎秋瑩等[13]基于油液監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)大型船舶艉管異常磨損故障進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)該艉管因油品混用引起潤滑油性能下降而造成軸瓦的嚴(yán)重磨損,避免了重大事故的發(fā)生,也極大地節(jié)約了事后維修的成本。因此,油液監(jiān)測(cè)技術(shù)在航空航天、船舶、風(fēng)力發(fā)電、大型工程設(shè)備等機(jī)械裝備的故障診斷、預(yù)測(cè)和健康管理中得到了廣泛應(yīng)用,并取得顯著成效[4-7]。
潤滑油在使用時(shí)常會(huì)發(fā)生油品性能退化和油液污染問題[5,7]。對(duì)潤滑油理化性能及其磨粒特征等信息的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),可為按質(zhì)換油提供重要的指導(dǎo)依據(jù),并可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備磨損程度和潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)警,進(jìn)而確保機(jī)械設(shè)備的安全性和有效性。滾動(dòng)軸承作為機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。由于軸承在一定的負(fù)載下運(yùn)行且容易受復(fù)雜環(huán)境因素的影響,因此其極易發(fā)生故障,甚至?xí)?dǎo)致機(jī)械設(shè)備失效。鑒于此,為了保障設(shè)備的安全性和可靠性,避免災(zāi)難事故發(fā)生,滾動(dòng)軸承的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)得到了研究學(xué)者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注[14-15]。目前針對(duì)滾動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)與早期故障診斷系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)主要基于軸承振動(dòng)信號(hào)開展,在實(shí)際處理時(shí)也可結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法,對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行特征提取和處理,從而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承全生命周期的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)[16-17]。然而目前較多的滾動(dòng)軸承故障診斷主要側(cè)重不同的故障位置,忽略了對(duì)其全壽命周期內(nèi)不同故障時(shí)期的綜合分析;在滾動(dòng)軸承性能初始退化階段,由于其微弱的損傷不會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)且振動(dòng)信號(hào)微弱,故難以有效捕捉,而隨著軸承損傷的不斷累積,其退化程度由中度退化急劇發(fā)展成重度退化,最終會(huì)造成設(shè)備的故障損傷與停機(jī)。因此,需要結(jié)合油液監(jiān)測(cè)技術(shù)和振動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承全壽命周期內(nèi)的不同退化階段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷。
因此,以機(jī)械設(shè)備中最常見的部件——滾動(dòng)軸承為對(duì)象,對(duì)其潤滑系統(tǒng)中的油液開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并對(duì)其油品性能進(jìn)行全面分析,結(jié)合軸承振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)等手段,建立其與油品性能的關(guān)聯(lián),為機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)和早期故障提供可靠的綜合監(jiān)測(cè)技術(shù),進(jìn)而可為設(shè)備的視情維護(hù)和壽命預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)。
本文以機(jī)械設(shè)備中常見的部件——軸承為對(duì)象,對(duì)其全壽命過程(通過滾動(dòng)軸承加速壽命試驗(yàn)臺(tái)快速實(shí)現(xiàn)其全壽命)進(jìn)行振動(dòng)和油液監(jiān)測(cè)。滾動(dòng)軸承加速壽命試驗(yàn)臺(tái)主要包含軸承試驗(yàn)腔體、加載系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。為提高試驗(yàn)效率、節(jié)約時(shí)間成本,試驗(yàn)在保證不破壞軸承退化機(jī)理的前提下,通過加大軸承的載荷或者提高軸承的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承全壽命周期的加速縮短。為研究滾動(dòng)軸承全壽命周期過程中其運(yùn)行狀態(tài)表征參量的變化規(guī)律,采用該試驗(yàn)臺(tái)并以6207深溝球軸承為對(duì)象開展加速壽命試驗(yàn),結(jié)合在線跟蹤監(jiān)測(cè)參量的變化,對(duì)監(jiān)測(cè)手段、表征參量以及軸承性能退化原因進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究,試驗(yàn)中主要的裝置及其技術(shù)原理如圖1所示。
圖1 滾動(dòng)軸承加速壽命試驗(yàn)臺(tái)的油液及振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)原理及其技術(shù)框圖
振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)是目前機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)的主流方法之一,在滾動(dòng)軸承整個(gè)壽命周期內(nèi)可直觀、有效地監(jiān)測(cè)并反映出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),振動(dòng)信號(hào)在時(shí)域、頻域和時(shí)頻域中均可呈現(xiàn)出豐富且有效的信息;而在不同域中提取軸承振動(dòng)信號(hào)等特征信息是準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)滾動(dòng)軸承性能退化狀態(tài)的基礎(chǔ)[18-19]。一般情況下,采用時(shí)域、頻域信息的特征提取應(yīng)用最為廣泛,尤其是時(shí)域的均方根值(Root Mean Square,RMS)可較好地表征滾動(dòng)軸承的性能退化狀態(tài)信息,進(jìn)而可以預(yù)測(cè)其剩余壽命。
為了獲取試驗(yàn)軸承實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài),本試驗(yàn)將一個(gè)PCB352C33型加速度傳感器安裝在加速壽命試驗(yàn)臺(tái)軸承的箱體上,并采用DAQ505E 型數(shù)據(jù)采集卡及LabVIEW軟件完成軸承振動(dòng)信號(hào)的采集與存儲(chǔ),對(duì)應(yīng)圖1(a)中部件5,其中振動(dòng)傳感器的采樣頻率為20 kHz,采樣時(shí)間間隔為1 min。選擇RMS值為軸承性能退化的主要指標(biāo),并采用其他油液參數(shù)的監(jiān)測(cè),建立其與RMS的關(guān)聯(lián),進(jìn)而為軸承性能退化的評(píng)估和預(yù)測(cè)提供更多的方法和支撐。
油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的情況下,通過在線傳感器對(duì)在用油液的理化性能品質(zhì)參數(shù)、磨損微粒等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),根據(jù)監(jiān)測(cè)所得參數(shù)的異常變化來判定或預(yù)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行工況和狀態(tài),診斷設(shè)備的異常部件、異常程度,進(jìn)而為開展視情維修提供依據(jù),從而及時(shí)有效地避免事故發(fā)生[4-7,20]。
試驗(yàn)中潤滑油的監(jiān)測(cè)采用的航空軸承油液狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)應(yīng)圖 1(a)中部件6,其主要基于流體特性傳感器、微水傳感器和顆粒傳感器工作;本工作采用FPS2800B12C4型流體傳感器實(shí)現(xiàn)了油液溫度(Temperature)、黏度(Viscosity)、相對(duì)介電常數(shù)(Permittivity)等主要油液品質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)直接將監(jiān)測(cè)模塊連接于待檢部位的回油路中,對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象實(shí)施連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過對(duì)潤滑油理化性質(zhì)指標(biāo)的持續(xù)采集,并分析其趨勢(shì)走向,進(jìn)而判斷油液品質(zhì)和機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)。
潤滑油中存在的磨損顆粒,尤其是金屬磨粒,大多來自于摩擦副接觸面之間的磨損,因此,可以采用油液中金屬顆粒的信息,對(duì)機(jī)械設(shè)備的磨損狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷,并由此開展設(shè)備的失效和壽命分析研究。本試驗(yàn)中使用的滑油磨粒在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于電磁感應(yīng)傳感器研發(fā)的滑油金屬屑末在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)應(yīng)圖1(a)中部件7,它能夠?qū)崿F(xiàn)在線、全液流油液監(jiān)測(cè),通過捕獲油液中的鐵磁性及非鐵磁性金屬顆粒,自動(dòng)測(cè)量油液系統(tǒng)中磨損顆粒的數(shù)量和顆粒分布,并為設(shè)備的隱患提供可靠的早期預(yù)警。需要說明的是,系統(tǒng)顯示的監(jiān)測(cè)信號(hào)主要由油液中最大粒徑的金屬屑激發(fā)產(chǎn)生,因此,測(cè)量的金屬屑粒徑為流經(jīng)傳感器的油液內(nèi)所有顆粒中的最大粒徑。嚴(yán)重磨損產(chǎn)生的磨粒的直徑一般都在 100 μm以上,因此,當(dāng)油液中出現(xiàn)直徑大于 100 μm的磨粒時(shí)會(huì)向系統(tǒng)用戶發(fā)出警報(bào)信息。
本次軸承加速壽命試驗(yàn)中使用的軸承是采用高碳鉻軸承鋼制成的6207型深溝球軸承,其在電機(jī)進(jìn)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)可通過液壓力對(duì)滾動(dòng)軸承施加徑向載荷,其中轉(zhuǎn)速和載荷可根據(jù)工況條件不同或試驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié),進(jìn)而用于模擬滾動(dòng)軸承的真實(shí)運(yùn)行工況。試驗(yàn)過程中試驗(yàn)軸承主要參數(shù)如表1所示。
表1 試驗(yàn)中滾動(dòng)軸承的主要參數(shù)
開啟試驗(yàn)平臺(tái)后,首先讓新安裝的滾動(dòng)軸承空載運(yùn)行一段時(shí)間,在1.7 h后開始步進(jìn)式加載試驗(yàn)載荷(Load,kN),其中1.7~122.3 h內(nèi)施加徑向載荷為11.8 kN,122.3~139.8 h為15.7 kN,139.8~153.2 h為19.6 kN。同時(shí)開啟數(shù)據(jù)采集設(shè)備,試驗(yàn)通過觀測(cè)振動(dòng)信號(hào)RMS值、溫度等參量,反映滾動(dòng)軸承實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。本試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)定 RMS值、溫度值作為停機(jī)閾值,從而達(dá)到試驗(yàn)軸承中一套軸承失效自動(dòng)停機(jī)的特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作說明書以及大量案例證明,當(dāng)軸承振動(dòng)信號(hào) RMS 值達(dá)到剛開始運(yùn)行RMS值的3倍或者軸承溫度達(dá)到 90 ℃時(shí),表明軸承發(fā)生失效。試驗(yàn)中對(duì)軸承實(shí)現(xiàn)潤滑的油液是美孚公司生產(chǎn)的DTE-24 32號(hào)抗磨液壓油。在試驗(yàn)臺(tái)工作后,油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與磨粒在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將對(duì)油液的品質(zhì)參數(shù)和金屬屑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
在整個(gè)試驗(yàn)中,采用步進(jìn)式的方式分別對(duì)滾動(dòng)軸承施加了3個(gè)遞增的徑向載荷,加速了軸承的失效和性能的衰退,可直接通過振動(dòng)信號(hào)的RMS值反映,如圖2所示,隨著不同時(shí)間內(nèi)徑向載荷的施加,軸承磨損開始加重,軸承的振動(dòng)開始加大,振動(dòng)信號(hào)的RMS值也隨之上升,同時(shí)在此過程中產(chǎn)生的高溫和磨粒直接作用到潤滑系統(tǒng)的油液中,油液品質(zhì)也開始劣化,其品質(zhì)參數(shù)也隨之發(fā)生變化。
圖2 軸承壽命周期內(nèi)徑向載荷與RMS值的比較
首先采用變異系數(shù)的方法對(duì)軸承的全壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過比較各組數(shù)據(jù)的變異程度來判斷數(shù)據(jù)的合理性。尤其是對(duì)于一些不同量綱、不同尺度的數(shù)據(jù),可以采用變異系數(shù)(Coefficient of Variation,CV)對(duì)其進(jìn)行比較。主要以油液品質(zhì)參數(shù)和振動(dòng)信號(hào)為對(duì)象,對(duì)其數(shù)據(jù)的變異度進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而對(duì)其數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行判斷。另外,在進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí),如果該組數(shù)據(jù)的變異系數(shù)大于15%,則要考慮其可能不正常,應(yīng)該剔除。對(duì)于一組數(shù)據(jù)X=[x1,x2,…,xn],對(duì)其計(jì)算變異程度時(shí),其變異系數(shù)的計(jì)算公式為
CV(X)=[stdev(X)/avg(X)]×100%
(1)
式中:stdev為求解數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差函數(shù);avg為求解數(shù)據(jù)的平均值函數(shù)。為了更科學(xué)地評(píng)估數(shù)據(jù)的合理性,將在軸承的壽命周期中分別對(duì)在3種不同載荷(11.8 kN、15.7 kN、19.6 kN)下的4種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖3所示。圖3中,數(shù)據(jù)變異程度最大的為RMS數(shù)據(jù),其變異系數(shù)最大為13.6%,但仍然符合數(shù)據(jù)的預(yù)期;油液監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)的變異程度較小,就算載荷在19.6 kN時(shí),其變異系數(shù)最大為3.6%,其中介電常數(shù)的3組數(shù)據(jù)的變異系數(shù)均在0.1%以下,說明介電常數(shù)的穩(wěn)定性非常優(yōu)越,采用此進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的可靠性較好。綜上,根據(jù)以上結(jié)果的分析可知,文中所用的監(jiān)測(cè)手段均可靠、合理,可用于后續(xù)軸承性能衰退等特性的研究中。
圖3 不同載荷下各組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)
根據(jù)油液品質(zhì)參數(shù)的變化分析了軸承壽命周期內(nèi)載荷對(duì)軸承狀態(tài)和性能的影響,統(tǒng)計(jì)了不同載荷下油液的介電常數(shù)、黏度、溫度的平均值,如圖4所示。由圖4可知,隨著對(duì)軸承施加的徑向載荷增大,軸承的運(yùn)行工況環(huán)境變壞,磨損加劇,軸承溫度因此升高,進(jìn)而引起了潤滑系統(tǒng)中油液的溫度升高,尤其是載荷從15.7 kN增大到19.6 kN時(shí),油液的溫度升高愈加顯著;油液相應(yīng)的平均黏度隨之降低,而介電常數(shù)在載荷為15.7 kN時(shí)最大,其與溫度的相關(guān)性較弱。
圖4 不同載荷下的介電常數(shù)、黏度和油液溫度
黏度是表示油品油性和流動(dòng)性的一項(xiàng)重要理化指標(biāo),油液的動(dòng)力黏度(單位為CP,1 CP=1 mPa·s)直接表征了潤滑油的潤滑性能,并較為全面地反映了流體的黏性,其與溫度存在強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)。一般溫度升高,油液分子間距離增大,分子間的內(nèi)聚力降低進(jìn)而使油液的黏度下降,且二者變化率的時(shí)效性非常吻合,如圖5所示。結(jié)果表明,在軸承全壽命的早期,其所受載荷較低時(shí),軸承磨損較小,隨之產(chǎn)生的熱量也較低;在外界室溫的影響下,油液溫度在41 ℃附近呈現(xiàn)出波動(dòng),但是隨著軸承所受徑向載荷增大至19.6 kN,軸承磨損情況加劇,摩擦熱更快、更多地釋放,使得油液的溫度快速升高至44 ℃以上,也直接導(dǎo)致了油液黏度的急劇下降。
圖5 滾動(dòng)軸承壽命周期內(nèi)油液黏度與溫度的關(guān)系
介電常數(shù)一般情況下與油液中的水分、金屬屑濃度等因素密切關(guān)聯(lián),圖6表明其與油液溫度的變化存在一定的關(guān)聯(lián)。在軸承壽命早期,介電常數(shù)在2.35附近波動(dòng),到了后期出現(xiàn)了較為明顯的下降,介電常數(shù)在整個(gè)壽命周期中雖總體變化率不明顯,但其波動(dòng)特征與溫度的變化在時(shí)間維度上卻有較好地契合度。這可能主要是由于軸承的磨損,同時(shí)引起油液中溫度與金屬屑濃度的變化,使介電常數(shù)展現(xiàn)出了其隨溫度變化而波動(dòng)的特征。另外,如果油液中導(dǎo)電金屬屑的濃度較低,或者電容傳感器受到外界干擾,對(duì)介電常數(shù)的測(cè)量均會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
圖6 滾動(dòng)軸承壽命周期內(nèi)油液介電常數(shù)與溫度的關(guān)系
為了分析在滾動(dòng)軸承壽命周期中油液性能的衰退趨勢(shì),對(duì)軸承臺(tái)工作時(shí)不同溫度下油液黏度與新油黏度進(jìn)行比較。為了與實(shí)際運(yùn)行工況更加貼近,需要明確整個(gè)時(shí)間周期內(nèi)不同溫度時(shí)新油的黏度。采用文獻(xiàn)[21]提出的黏度換算公式來計(jì)算在實(shí)際油液溫度區(qū)間內(nèi)新油的黏度值:
log log(νT+ 0.6)=b+mlogT
(2)
式中:νT為油液在不同溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度(mm2/s);T為溫度(K);b、m為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(b>0,m<0);0.6為適用于我國的油品黏度計(jì)算時(shí)所需的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。通過查詢?cè)囼?yàn)中所用潤滑油的40 ℃和100 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度,計(jì)算出式(2)中b和m的值分為9.4511和-3.6996;然后根據(jù)GB/T 265—1988石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定法中計(jì)算公式ηT=νT×ρT獲得新油的動(dòng)力黏度,其中液壓油的密度按照0.87 kg/L計(jì)算,因?yàn)橛鸵簻囟仍谡麄€(gè)周期內(nèi)在40~45 ℃范圍內(nèi)變化,忽略溫度變化對(duì)密度的影響。
油液黏度對(duì)比結(jié)果如圖7所示,可知在不同溫度下,新油的黏度一直大于軸承臺(tái)的實(shí)際油液的黏度,油液劣化較為明顯;實(shí)際油液黏度的下降由諸多因素造成,例如油液本身的分解引起的黏度降低,或因潤滑油的剪切安定性較低,在機(jī)械剪壓中導(dǎo)致黏指劑分子鏈變短,進(jìn)而引起油液黏度降低等。本研究工作中,油液僅對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行潤滑,在其加速壽命試驗(yàn)中,徑向載荷的不斷增大導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程存在較強(qiáng)的剪切力,因此有理由相信實(shí)際油液黏度的降低主要是剪切力引起的。
圖7 滾動(dòng)軸承壽命周期內(nèi)油液的黏度比較
在軸承加速壽命試驗(yàn)臺(tái)上,油液監(jiān)測(cè)與振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)同時(shí)在線使用,有必要對(duì)二者的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究,以便對(duì)軸承的性能從多個(gè)角度進(jìn)行較為全面的分析。因此,采用油液監(jiān)測(cè)中的黏度、介電常數(shù)、油液溫度等參數(shù),以及振動(dòng)監(jiān)測(cè)中軸承溫度、振動(dòng)RMS值等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。
為選擇合適的振動(dòng)信號(hào)特征去表征軸承性能狀態(tài),在試驗(yàn)軸承運(yùn)行的全壽命周期內(nèi)分析了軸承振動(dòng)信號(hào)的RMS值、峰值因子(Crest Factor,CF)和峭度(Kurtosis)的演變。圖8為振動(dòng)信號(hào)RMS值與CF值的對(duì)比圖,由圖8可知,CF值對(duì)試驗(yàn)軸承沖擊脈沖故障比較敏感,但趨勢(shì)不太明顯,不利于分析軸承性能退化過程的趨勢(shì)。圖9為振動(dòng)信號(hào)RMS值與Kurtosis值的對(duì)比圖,由圖9可以看出,Kurtosis值對(duì)沖擊信號(hào)非常敏感,但運(yùn)行全過程表現(xiàn)較為雜亂,表明其對(duì)早期點(diǎn)蝕類故障具有一定的監(jiān)測(cè)能力,但是對(duì)于軸承整體的性能衰退趨勢(shì)的跟蹤能力較弱。因此,以上兩個(gè)參量不適合表征軸承性能退化過程。由圖8和圖9可知,RMS值在軸承正常運(yùn)行階段較為平穩(wěn),但是隨著施加載荷的增加,在軸承性能迅速退化的較短時(shí)間內(nèi),RMS陡然增大;因此,RMS能較好地反映軸承性能退化特征,尤其適用于軸承因故障或接近失效時(shí)的監(jiān)測(cè)。
圖8 振動(dòng)信號(hào)RMS值與CF值的對(duì)比
圖9 振動(dòng)信號(hào)RMS值與Kurtosis值的對(duì)比
軸承溫度與油液溫度的對(duì)比如圖10所示,結(jié)果表明在滾動(dòng)軸承全壽命周期內(nèi),二者的溫度演變趨勢(shì)一致,但是二者的差值變化較為明顯,在前期基本維持不變,但是后期快速增高,可能是由于軸承后期出現(xiàn)碰磨故障,使得溫度快速升高,而油液的熱傳遞能力一定,不能將熱量快速轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致溫度差值升高。在軸承運(yùn)行120 h前,溫差基本在14 ℃左右;在130 h時(shí),溫差達(dá)到17 ℃左右,有理由相信,此時(shí)的軸承故障已經(jīng)開始發(fā)生;到了140 h后,此時(shí)的溫差更是升至約22 ℃,此時(shí)的軸承在較大徑向載荷的作用下,其故障已經(jīng)開始惡化。圖11為滾動(dòng)軸承壽命周期內(nèi)油液溫度與RMS值的關(guān)系圖,也展示了在軸承性能快速衰退時(shí),對(duì)其潤滑的油液溫度也在迅速升溫。因此,可以采用此溫差來對(duì)實(shí)際機(jī)械設(shè)備中軸承的性能進(jìn)行初步判斷,當(dāng)溫差發(fā)生較大躍遷時(shí),需要注意檢查軸承的磨損,以防帶來較大的事故。
圖10 滾動(dòng)軸承壽命周期內(nèi)軸承溫度與油液溫度的比較
圖11 滾動(dòng)軸承壽命周期內(nèi)油液溫度與RMS值的關(guān)系
油液的黏度與振動(dòng)信號(hào)RMS值的關(guān)系如圖12所示,當(dāng)RMS值增加時(shí),油液中由于混入了金屬屑,軸承箱中的剪切力更強(qiáng),使油液的分子鏈變短,會(huì)引起油液的黏度值下降。另外,隨著軸承上施加的徑向載荷的增大,軸承溫度升高,潤滑油在對(duì)軸承潤滑的同時(shí),也將帶走軸承的部分熱量引起油液溫度增高,進(jìn)而導(dǎo)致油液黏度降低。因此,在以上兩個(gè)主要因素的作用下,油液黏度變化顯著,尤其是軸承壽命的后期,在軸承性能衰退和油液品質(zhì)劣化的雙重影響下,油液的黏度下降尤為明顯。
圖12 滾動(dòng)軸承壽命周期內(nèi)油液黏度與RMS值的關(guān)系
潤滑油在長時(shí)間使用后,油液中會(huì)混入一定量的金屬磨屑,影響潤滑油的介電常數(shù),改變潤滑油污染程度。因此,利用介電常數(shù)變化,監(jiān)測(cè)潤滑油金屬磁性顆粒含量情況的研究也是近年來介電常數(shù)與潤滑油性能評(píng)定研究的熱點(diǎn)之一。軸承壽命周期內(nèi)介電常數(shù)與RMS值的關(guān)系如圖13所示。
圖13 滾動(dòng)軸承壽命周期內(nèi)介電常數(shù)與RMS值的關(guān)系
由圖13可知,軸承前期正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間油液的介電常數(shù)在2.35上下波動(dòng),而RMS值大都維持在1附近;但是到了120 h之后,由于試驗(yàn)載荷增大,軸承磨損加重,其RMS值也迅速升高,進(jìn)而引起金屬磨粒的產(chǎn)生并混入到潤滑油中;但此時(shí)油液的介電常數(shù)變化同樣不顯著,仍然維持在2.35附近;到了140 h后,油液介電常數(shù)呈現(xiàn)一個(gè)相對(duì)明顯的降低趨勢(shì)。需要指出的是,以上現(xiàn)象與“隨著金屬屑濃度增大,油液介電常數(shù)增大”這一共識(shí)結(jié)論并不違背,這是由于本次試驗(yàn)中油液的金屬屑主要源于4個(gè)滾動(dòng)軸承的磨損,監(jiān)測(cè)結(jié)果也顯示,在整個(gè)周期內(nèi),油液中金屬屑的質(zhì)量最大不超過0.004 mg,其質(zhì)量濃度不超過3.5×10-6,所以,油液中金屬屑濃度極低,其對(duì)油液介電常數(shù)的影響會(huì)因傳感器靈敏度的受限或運(yùn)行環(huán)境的干擾等因素而被削弱。
在機(jī)械設(shè)備磨損的分析方法中,一般情況下油液磨粒在線監(jiān)測(cè)比振動(dòng)分析方法更加可靠,尤其是針對(duì)機(jī)械設(shè)備的早期微弱故障,此時(shí)振動(dòng)信號(hào)無法捕捉該信息,但依據(jù)磨損金屬顆粒的在線監(jiān)測(cè)能夠直接實(shí)時(shí)反映機(jī)械部件的磨損和疲勞狀態(tài)等信息。本文采用的磨損金屬在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能及時(shí)獲取油液中軸承因磨損而產(chǎn)生的金屬屑情況,可為軸承的早期損壞以及壽命預(yù)測(cè)提供支撐。
圖14給出了軸承壽命周期內(nèi),振動(dòng)信號(hào)的RMS值與油液中金屬屑粒徑的關(guān)系。由圖14可知,在120 h前RMS值沒有出現(xiàn)顯著躍遷時(shí),油液中已經(jīng)開始出現(xiàn)約為70 μm的鐵磁性金屬屑,且在軸承運(yùn)行不到100 h時(shí),其磨損信息已經(jīng)被油液磨粒在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)捕獲,此時(shí)軸承早期磨損已經(jīng)開始發(fā)生;而當(dāng)RMS值在4附近時(shí),油液中的金屬屑粒徑增大至90 μm,此時(shí)的軸承在較高的徑向載荷下已經(jīng)被破壞,磨損已經(jīng)惡化?;谟鸵耗チ1O(jiān)測(cè)能夠較早實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警,油液監(jiān)測(cè)技術(shù)在軸承性能衰退監(jiān)控中具有一定的優(yōu)越性。
圖14 滾動(dòng)軸承壽命周期內(nèi)油液中粒徑與RMS值的關(guān)系
筆者對(duì)滾動(dòng)軸承加速壽命試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)以及潤滑油的在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究,系統(tǒng)地比較了振動(dòng)監(jiān)測(cè)、油品理化性能監(jiān)測(cè)、磨粒監(jiān)測(cè)等技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn),探究了滾動(dòng)軸承性能與油液監(jiān)測(cè)的關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明,綜合的油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能迅速、準(zhǔn)確地反映機(jī)械裝備的運(yùn)行狀況,油液磨粒監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的早期故障預(yù)警。另外,在故障診斷中推薦使用綜合在線監(jiān)測(cè)技術(shù),進(jìn)而全方位地對(duì)機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障診斷,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的視情維修的快速性、精準(zhǔn)性、及時(shí)性,進(jìn)而保障機(jī)械裝置的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,可在復(fù)雜環(huán)境下重大裝備的健康管理中大力推廣和應(yīng)用。