基于周期性聲發(fā)射撞擊計(jì)數(shù)的滾動(dòng)軸承故障診斷

張穎， 蘇憲章， 劉占生

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001；2.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318)

滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最容易損壞的機(jī)械零件之一，約有30%的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障是由于軸承損壞造成的，因此對(duì)工作狀況下的軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷的研究越來越受到人們的重視[1]。滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，伴隨有異常聲的產(chǎn)生，屬于聲發(fā)射范疇，可利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行非接觸在線檢測(cè)[2-4]，實(shí)現(xiàn)故障的早期診斷及預(yù)報(bào)。因此，開展?jié)L動(dòng)軸承故障非接觸聲發(fā)射檢測(cè)及診斷技術(shù)研究具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

采用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行非接觸檢測(cè)時(shí)，如何根據(jù)采集的聲發(fā)射信號(hào)準(zhǔn)確判斷是否發(fā)生故障及故障類型，是該項(xiàng)技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題。針對(duì)這一問題，利用滾動(dòng)軸承故障特征頻率與聲發(fā)射撞擊計(jì)數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了基于周期性聲發(fā)射撞擊計(jì)數(shù)的滾動(dòng)軸承故障診斷方法。

1 非接觸聲發(fā)射檢測(cè)原理

當(dāng)滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中缺陷位置會(huì)產(chǎn)生突發(fā)型的撞擊信號(hào)，并且是周期性出現(xiàn)的，而在無故障時(shí)，產(chǎn)生的信號(hào)是平穩(wěn)的連續(xù)型信號(hào)。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的基本原理是采用靈敏的儀器接收聲發(fā)射信號(hào)并進(jìn)行處理，通過對(duì)聲發(fā)射源特征參數(shù)的分析和研究，推斷出材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部活動(dòng)缺陷的位置、狀態(tài)變化程度和發(fā)展趨勢(shì)，其基本原理如圖1所示[5]。

圖1 非接觸式聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)原理

2 聲發(fā)射撞擊計(jì)數(shù)的周期特性

滾動(dòng)軸承典型故障特征頻率表征了故障發(fā)生時(shí)單位時(shí)間內(nèi)由于故障的存在而產(chǎn)生的異常碰撞次數(shù)，每一次碰撞，都伴隨有聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)著1個(gè)聲發(fā)射撞擊數(shù)。因此，可以利用滾動(dòng)軸承在1個(gè)周期內(nèi)的累計(jì)聲發(fā)射撞擊數(shù)，確定出軸承是否發(fā)生故障，并判斷故障的類型。

滾動(dòng)軸承故障聲發(fā)射信號(hào)具有周期特性，對(duì)于僅做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而無水平方向移動(dòng)的滾動(dòng)軸承，用1個(gè)傳感器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障周期性聲信號(hào)的完整采集。將采集到的1個(gè)完整周期內(nèi)的聲發(fā)射累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)與計(jì)算的理論撞擊數(shù)[6]進(jìn)行對(duì)比，即可確定軸承的故障類型。

3 試驗(yàn)

試驗(yàn)選取圓錐滾子軸承32217，其基本參數(shù)為：D=150.0 mm，Z=19，Dw=16.9 mm，Dpw=115.8 mm，α=14.6°。在內(nèi)、外圈及滾子上制作1個(gè)長(zhǎng)20 mm、寬2 mm，深度分別為0.5，1.0，1.5和2 mm的長(zhǎng)條形缺陷。

采用SAMOS PCI-8聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，選用WD型寬帶傳感器，2/4/6型前置放大器。經(jīng)過試驗(yàn)確定門檻值為30 dB以屏蔽外界噪聲，其他聲發(fā)射采集參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

采用非接觸式聲發(fā)射方法檢測(cè)故障。為了與接觸式檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在軸承座上放置1個(gè)同類型接觸式傳感器。考慮缺陷碰撞產(chǎn)生的聲發(fā)射波傳播過程具有指向性，為保證接收效果，非接觸測(cè)試用傳感器與被測(cè)軸承等高布置，兩者之間的距離s分別取100，200，300，400，500 mm。測(cè)試在可調(diào)轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，分別取轉(zhuǎn)速n為60，90，120，160，200 r/min，對(duì)預(yù)制不同類型故障缺陷的軸承進(jìn)行測(cè)試。

4 數(shù)據(jù)分析

以轉(zhuǎn)速n=60 r/min，傳感器與軸承間距s=200 mm，預(yù)制缺陷深度為1 mm的條件下測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析(聲發(fā)射信號(hào)幅值超過30 dB，儀器記錄一次撞擊數(shù))，所得試驗(yàn)分析結(jié)果見表2。

表2 軸承不同類型故障聲發(fā)射測(cè)試撞擊數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.1 非接觸式與接觸式聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果的對(duì)比

將試驗(yàn)測(cè)得的滾子故障缺陷聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析及處理，分別得到軸承旋轉(zhuǎn)不同周期時(shí)，接觸式和非接觸式測(cè)試聲發(fā)射撞擊計(jì)數(shù)累計(jì)分布圖，如圖2和圖3所示，圖中柱狀物出現(xiàn)1次表示實(shí)際測(cè)試中出現(xiàn)了1次撞擊。

圖2 滾子故障接觸式檢測(cè)不同周期數(shù)據(jù)

將滾子缺陷故障特征頻率與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，可以看出：在接觸式測(cè)試中，軸承轉(zhuǎn)1圈和5圈的聲發(fā)射累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)與軸承故障特征頻率理論計(jì)算值完全符合，而轉(zhuǎn)10，15和20圈的撞擊數(shù)依次為36，53，69個(gè)，均高于理論撞擊數(shù)，存在偏差，誤差率依次為2.78%，5.66%，5.80%；在非接觸式測(cè)試中，軸承轉(zhuǎn)1圈、5圈和10圈的聲發(fā)射累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)與軸承故障特征頻率理論計(jì)算值完全符合，而轉(zhuǎn)15圈和20圈的撞擊數(shù)依次為49和64個(gè)，均低于理論撞擊數(shù)，誤差率分別為2.00%和1.54%。

上述分析結(jié)果表明，滾動(dòng)軸承故障聲發(fā)射累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)與故障特征頻率間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。在小周期測(cè)試時(shí)，上述2種測(cè)試方法所得結(jié)果與理論值吻合度較高；當(dāng)在多周期累積測(cè)試時(shí)，接觸式測(cè)試由于受到軸承安裝精度及其他振動(dòng)信號(hào)的影響，聲發(fā)射累積撞擊計(jì)數(shù)高于理論計(jì)算值；非接觸式測(cè)試由于受到聲傳播過程的衰減及疊加效應(yīng)的影響，聲發(fā)射累積撞擊計(jì)數(shù)小于理論計(jì)算值。考慮測(cè)試誤差的影響，2種檢測(cè)方法均可用于滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)及診斷。

其他測(cè)試條件下所得結(jié)果，與上述分析結(jié)果規(guī)律相同。

4.2 不同類型故障缺陷測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

選取外圈和內(nèi)圈故障缺陷非接觸式聲發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析及處理，如圖4和圖5所示，圖中柱狀物出現(xiàn)1次代表實(shí)際測(cè)試中出現(xiàn)了1次撞擊。將2種缺陷故障特征頻率理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(表2)。

圖4 外圈故障非接觸式檢測(cè)不同周期數(shù)據(jù)

圖5 內(nèi)圈故障非接觸式檢測(cè)不同周期數(shù)據(jù)

從上述分析結(jié)果可以看出，外圈故障軸承轉(zhuǎn)1圈的聲發(fā)射累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)與軸承故障特征頻率理論計(jì)算值完全符合；而轉(zhuǎn)5圈和10圈的撞擊數(shù)依次為39和78個(gè)，誤差率依次為4.88%和3.71%。內(nèi)圈故障軸承轉(zhuǎn)1圈的聲發(fā)射累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)與軸承故障特征頻率理論計(jì)算值完全符合；而轉(zhuǎn)5圈和10圈的撞擊數(shù)依次為52和103個(gè)，誤差率依次為3.70%和4.63%。

結(jié)合圖3滾子故障軸承非接觸聲發(fā)射測(cè)試分析結(jié)果說明，在相同的測(cè)試周期內(nèi)，可利用滾動(dòng)軸承故障聲發(fā)射累計(jì)撞擊計(jì)數(shù)與故障特征頻率間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行診斷。雖然在少周期情況下，聲發(fā)射累積撞擊計(jì)數(shù)與故障特征頻率理論值吻合度較高，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于采集時(shí)間的影響，應(yīng)采用多周期累積測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，而其測(cè)試誤差較低，不影響故障診斷結(jié)果，同時(shí)可避免偶然因素的影響，提高診斷的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)軸承滾子、外圈和內(nèi)圈缺陷的非接觸式聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，該方法可區(qū)分不同類型故障。同時(shí)，對(duì)比分析了滾子故障時(shí)，接觸式與非接觸式聲發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)，表明非接觸測(cè)試可滿足精度要求，同時(shí)受軸承工作狀態(tài)影響較小，可用于工作狀態(tài)下軸承的故障測(cè)試和診斷。