光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)新技術(shù)用于軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究

第一作者李寧男，博士后，副研究員，1973年生

光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)新技術(shù)用于軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究

李寧1，魏鵬2，莫宏1，梅盛開1，黎敏3

(1.陸軍航空兵學(xué)院，北京101123; 2.北京航空航天大學(xué),北京100191; 3.北京科技大學(xué),北京100083)

摘要：軸承的健康狀況對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作狀況有極大的影響。航空器中的故障軸承會(huì)間接造成事故，給飛行安全帶來(lái)災(zāi)難性的后果，需要進(jìn)行早期故障的有效檢測(cè)判別或狀態(tài)監(jiān)測(cè)。與振動(dòng)等傳統(tǒng)的檢測(cè)手段相比，聲發(fā)射可有效檢測(cè)到故障的早期狀態(tài)，準(zhǔn)確判斷故障類別和嚴(yán)重程度。介紹了滾動(dòng)軸承故障聲發(fā)射檢測(cè)原理以及光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)新技術(shù)。以預(yù)制外圈缺陷的軸承為例，進(jìn)行了壓電式聲發(fā)射傳感系統(tǒng)和光纖光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)檢測(cè)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果表明光纖光柵聲發(fā)射方法檢測(cè)到的信號(hào)譜底噪聲小，譜線清晰、干凈，更容易分辨故障頻率和分析故障的嚴(yán)重程度，優(yōu)于振動(dòng)和壓電式聲發(fā)射傳感方法。最后介紹該技術(shù)在直升機(jī)維修保障中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；光纖布拉格光柵；聲發(fā)射；故障診斷

收稿日期：2013-11-08修改稿收到日期：2014-01-21

中圖分類號(hào):TP206文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Bearing state monitoring using a novel fiber Bragg grating acoustic emission technique

LINing1,WEIPeng2,MOHong1,MEISheng-kai1,LIMin3(1. Army Aviation Institute Beijing 101123, China;2. Beijing University of Aeronautics & Astronautics, Beijing 100191, China; 3. Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China)

Abstract:The health state of a bearing has a tremendous influence on a rotating machinery. A failing bearing can not only jeopardize the safety of flight but also induce collateral damages. It is necessary to monitor and judge the tiny earlier fault in an effective way. Compared with the conventional vibration detection approach, acoustic emission (AE) can be used to detect the earlier state of the fault, and diagnose the fault type and damage level. Here, the detecting principle of rolling bearing fault with AE and the novel AE detection technique using a fiber Bragg grating (FBG) were introduced. A comparative experimental study with FBG sensor and the commercial PZT-based transducers was conducted to detect a precut defect on the outer race of a rolling bearing. The experimental and analysis results showed that the detected signals with FBG have better spectra than those using PZT with clearer lines and lower noise, the fault frequency and damage level can be more easily identified. Finally, the applications of this technique in helicopter maintenance were introduced.

Key words:rolling bearing; fiber Bragg grating; acoustic emission (AE); fault diagnosis

據(jù)統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障有30%是軸承故障引起的，軸承的健康狀況對(duì)機(jī)械的工作狀況有極大的影響。在航空器變速等魯棒性較低的系統(tǒng)中，軸承的早期微弱故障就會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，需要進(jìn)行早期故障的有效檢測(cè)判別或狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

傳統(tǒng)的檢測(cè)軸承局部損壞的方法往往采用測(cè)量靠近軸承處的振動(dòng)和噪聲信號(hào)。軸承故障特征頻率信號(hào)被軸承振動(dòng)信號(hào)所調(diào)制，頻率為5～20 kHz范圍內(nèi)。聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)方法檢測(cè)到的是軸承振動(dòng)與撞擊使金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生變形而形成聲發(fā)射信號(hào)，該信號(hào)對(duì)特征頻率進(jìn)行調(diào)制，其帶寬約為30 kHz～1 MHz范圍，可以避免其他振動(dòng)源和噪聲對(duì)信號(hào)的影響，使得聲發(fā)射檢測(cè)優(yōu)于振動(dòng)檢測(cè)[1]。該方法可有效檢測(cè)到故障的早期狀態(tài)，準(zhǔn)確判斷故障類別和嚴(yán)重程度。近十年來(lái)，隨著聲發(fā)射檢測(cè)儀器的集成程度和性能進(jìn)一步提高，該方法用于軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已形成普遍共識(shí)，并進(jìn)行了較為廣泛的研究與應(yīng)用[2]。

光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)是一種新穎的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，它與傳統(tǒng)的基于壓電陶瓷傳感器(PZT)作為超聲換能器的聲-電轉(zhuǎn)換原理不同，采用光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)作為傳感器，通過(guò)AE波調(diào)制光柵的布拉格波長(zhǎng)，然后由反射光波長(zhǎng)的改變來(lái)檢測(cè)AE信號(hào)，經(jīng)聲-光-電轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)后被計(jì)算機(jī)拾取。FBG傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、封裝外形可變，適合在惡劣環(huán)境中工作；傳感系統(tǒng)具有高靈敏度、高分辨力、抗電磁干擾的特點(diǎn)。近年來(lái)，歐美、日本等學(xué)者[3-4]應(yīng)用FBG傳感器進(jìn)行了聲發(fā)射檢測(cè)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，F(xiàn)BG對(duì)材料產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)較為靈敏、檢測(cè)頻域較寬，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)壓電聲發(fā)射傳感器進(jìn)行檢測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。我們進(jìn)行了光纖光柵聲發(fā)射的理論研究與工程應(yīng)用的初步探索，本文重點(diǎn)介紹光纖光柵聲發(fā)射原理及在軸承等直升機(jī)典型承力部件的損傷檢測(cè)的研究與應(yīng)用情況。

1滾動(dòng)軸承故障聲發(fā)射檢測(cè)原理

滾動(dòng)軸承是由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四種零部件組成。滾動(dòng)軸承在運(yùn)行過(guò)程中由于各種原因產(chǎn)生十分復(fù)雜的信號(hào)，產(chǎn)生聲發(fā)射激勵(lì)源的原因很多，如軸承各零件的制造誤差、材料缺陷；安裝過(guò)程中的裝配誤差，如不對(duì)中、不平衡等；運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各種故障，如點(diǎn)蝕、剝落、裂紋、磨損、潤(rùn)滑不良等；軸承部位的結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)。可以用理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算和估計(jì)得到軸承的故障特征頻率。不同位置上的損壞有不同的特征頻率，軸承故障的檢測(cè)原理是基于對(duì)特征頻率能量的檢測(cè)。

軸承故障要經(jīng)過(guò)一個(gè)較緩慢的擴(kuò)展過(guò)程，這個(gè)階段不足以引起軸承明顯振動(dòng)和溫度異常，而AE信號(hào)則比較明顯。大量的工業(yè)和軍事應(yīng)用研究表明，在軸承的壽命周期中，其故障特征可分為以下4個(gè)清晰的階段，如圖1所示。

(1)第Ⅰ階段：微故障階段(目視不可見)，出現(xiàn)超聲波段的頻率；

(2)第Ⅱ階段：出現(xiàn)軸承部件的自然頻率(目視可見細(xì)微故障)；

(3)第Ⅲ階段：故障增長(zhǎng)階段，出現(xiàn)故障特征頻率及其諧波成分，可能被轉(zhuǎn)頻調(diào)制；

(4)第Ⅳ階段：事故發(fā)生前的階段，出現(xiàn)大量故障頻率及其諧波成分，并被調(diào)制，軸振動(dòng)加劇，出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)頻及其諧波成分，區(qū)域4信號(hào)呈減弱趨勢(shì)。

圖1　軸承的故障發(fā)展階段及特征示意圖 Fig.1 Typical bearing failure progression with signatures

美國(guó)軍方認(rèn)為直升機(jī)上軸承的損傷將導(dǎo)致直接或間接故障，影響飛行安全，會(huì)增加額外的維修費(fèi)用；同時(shí)，軸承等有壽件，在退役時(shí)仍有50～90%的剩余壽命。為實(shí)現(xiàn)視情維修，委托多家公司開發(fā)了直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)故障監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集振動(dòng)、聲發(fā)射信號(hào)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，得出相似的軸承故障的經(jīng)驗(yàn)與結(jié)論[5-6]。

聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于滾動(dòng)軸承故障診斷時(shí)，損傷特征有多種分析方法，例如短時(shí)信號(hào)處理方法、模糊聚類分析方法、小波分析、包絡(luò)分析(共振解調(diào))、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[1,7-10]。

2光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)

2.1光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)原理

選用均勻光纖布拉格光柵(FBG)作為高靈敏度傳感器檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)。其傳感原理是在光纖纖芯中傳播的光將在每個(gè)光柵面處發(fā)生散射，如果滿足布拉格條件，每個(gè)光柵平面反射回來(lái)的光逐步累加，最后會(huì)在反向形成一個(gè)反射峰，中心波長(zhǎng)由光纖參數(shù)決定。FBG實(shí)質(zhì)是一種窄帶濾波器，將很窄頻帶內(nèi)的光反射回去，而其余頻帶的光就透射出去，圖2是均勻光纖布拉格光柵(FBG)的結(jié)構(gòu)示意圖。FBG聲發(fā)射檢測(cè)的簡(jiǎn)要原理為：FBG具有很好的線性應(yīng)變特性。當(dāng)外界應(yīng)變作用ε為周期性應(yīng)力波時(shí)，光柵的中心波長(zhǎng)λB也會(huì)隨之發(fā)生周期性改變。設(shè)外界作用聲發(fā)射應(yīng)力波為：

圖2　均勻光纖布拉格光柵(FBG)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Diagram showing how light propagates through a FBG

(1)

(2)

在后期信號(hào)處理中，分析FBG的中心波長(zhǎng)λB的變化情況，就能獲得作用于FBG的外界聲發(fā)射信號(hào)的相關(guān)信息。

2.2光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)上述原理，研制了光纖光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括光纖傳感部分和信號(hào)處理部分。光纖傳感部分包括：FBG傳感器、光源、隔離器、Y型光纖耦合器；信號(hào)處理部分包括光電轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路、A/D電路和FPGA；其中FBG傳感器由膠緊固在封裝材料內(nèi)，可重復(fù)使用，封裝的FBG傳感器與被檢件之間添加耦合劑；光源為可調(diào)諧窄帶DFB激光器，譜寬小于0.05 nm；光源經(jīng)過(guò)隔離器與Y型光纖耦合器的A端口相連接；光纖耦合器的B端口與信號(hào)處理部分的光電轉(zhuǎn)換電路相連接，光纖耦合器的C端口與FBG傳感器相連接；光源輸出的光通過(guò)隔離器，從光纖耦合器的A端口進(jìn)C端口出，到達(dá)FBG傳感器，符合光柵中心波長(zhǎng)的光被FBG反射后，又從C端口返回Y型光纖耦合器，一半的光從端口B出射后被隔離器阻隔，另一半的光從A端口輸出，進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再依次經(jīng)過(guò)放大電路、濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)入FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合處理，最后數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PCI總線進(jìn)入計(jì)算機(jī)。

圖3　光纖布拉格光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.3 Block diagram of the fiber Bragg grating acoustic emission sensing system

系統(tǒng)中，光電轉(zhuǎn)換電路是光纖傳感中的重要的組成部分，它把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，其性能直接影響傳感系統(tǒng)的性能。考慮到光信號(hào)從光源經(jīng)過(guò)一系列光纖通路后光功率通常都在nW量級(jí)，以及光信號(hào)的波長(zhǎng)范圍(C波段)和光電轉(zhuǎn)換速度的要求，采用偏置電壓低、頻率響應(yīng)高、光譜響應(yīng)寬、光電轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)的InGaAs半導(dǎo)體PIN光電二極管光伏探測(cè)器作為光電探測(cè)器。

傳感系統(tǒng)工作時(shí)，首先檢測(cè)FBG傳感器的光譜圖，得到其中心波長(zhǎng)與3dB帶寬的參數(shù)值。調(diào)整窄帶激光器輸出光的中心波長(zhǎng)至光柵反射譜3dB帶寬附近線性度較好的波長(zhǎng)段。此時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到最佳檢測(cè)狀態(tài)，可以采集各種聲發(fā)射信號(hào)。

圖4是我們研制的光纖布拉格光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)樣機(jī)。對(duì)FBG聲發(fā)射傳感系統(tǒng)進(jìn)行模擬裂紋聲發(fā)射信號(hào)實(shí)驗(yàn)(折斷鉛芯)，并用同一信號(hào)與傳統(tǒng)PZT聲發(fā)射傳感器進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)光纖光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：斷鉛信號(hào)波形收斂快，不存在壓電器件本身的振蕩特性，頻域范圍寬，在100～1000kHz均有響應(yīng)(圖5)。而PZT聲發(fā)射傳感器通常為諧振式，中心頻率為150kHz，響應(yīng)頻帶窄，波形畸變較大。

圖4　光纖布拉格光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)樣機(jī) Fig.4 FBG acoustic emission sensing system prototype machine

對(duì)于圖5中的斷鉛波形的差異，我們認(rèn)為這是因?yàn)檫@兩種傳感器本身的固有結(jié)構(gòu)特性決定的。壓電陶瓷傳感器是由壓電陶瓷晶體構(gòu)成的，不論其大小與形狀如何，均存在著上表面和下表面，這樣就使得聲發(fā)射信號(hào)在上下表面之間存在著反復(fù)振蕩并逐漸消減的現(xiàn)象，也就是壓電陶瓷傳感器本身成為了一個(gè)誤差源，即基于壓電陶瓷聲發(fā)射的傳感系統(tǒng)采樣的AE信號(hào)是AE源產(chǎn)生的信號(hào)與AE波在壓電陶瓷聲發(fā)射傳感器中振蕩信號(hào)的疊加，這是此種聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)固有的特點(diǎn)和缺陷。對(duì)于光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于光纖光柵傳感器本身并不存在一個(gè)AE波在傳感器內(nèi)部往復(fù)振蕩的問(wèn)題，因此，采集的波形不會(huì)產(chǎn)生畸變，信號(hào)頻帶寬、響應(yīng)快，這是光纖光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)比壓電陶瓷聲發(fā)射傳感系統(tǒng)在原理上的優(yōu)勢(shì)所在。

圖5　光纖光柵聲發(fā)射傳感系統(tǒng)與壓電陶瓷聲發(fā)射傳感系統(tǒng)的斷鉛信號(hào)檢測(cè)波形對(duì)比圖(左為FBG傳感系統(tǒng)、右為PZT傳感系統(tǒng)；上為頻域、下為時(shí)域；縱軸：電壓/mV；橫軸：時(shí)間/s) 　　Fig.5 Response of a pencil lead breaking event using FBG AE detector and comparison with PZT based transducer (left: FBG, right: PZT; up: frequency domain, down: time domain; x-axis: voltage/mV, y-axis: time/s)

3軸承故障光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)預(yù)制外圈故障軸承檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)如圖6～7所示，在滾動(dòng)軸承的外圈用電火花加工均勻分布的9個(gè)模擬點(diǎn)蝕故障，載荷工況為5 kN，轉(zhuǎn)速工況為600 r/min、1 200r/min。軸承運(yùn)行時(shí)，故障點(diǎn)與其余部件的碰撞發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)屬于瞬時(shí)脈沖信號(hào)，它具有信號(hào)頻譜寬、低頻信號(hào)含量豐富等特點(diǎn)，這也使得聲發(fā)射信號(hào)常常被低頻干擾信號(hào)淹沒(méi)，不能得到有效分析。采用共振解調(diào)算法，通過(guò)一個(gè)帶通濾波器將低頻干擾信號(hào)和超高頻干擾信號(hào)濾除，得到經(jīng)共振放大的高頻信號(hào)，其中亦含有軸承的故障信息；再對(duì)放大后的高頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，使用希爾伯特變換(包絡(luò)檢波)提取出高頻信號(hào)的波形，再經(jīng)過(guò)低通濾波濾除高頻干擾信號(hào)，得到包含軸承故障信息的低頻信號(hào)，經(jīng)FFT變換后，得到聲發(fā)射信號(hào)的頻譜。通過(guò)軸承故障的理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式得到的故障頻率與信號(hào)頻率進(jìn)行比較。圖8、9是對(duì)實(shí)際故障軸承(外圈點(diǎn)蝕故障)檢測(cè)時(shí)的情況：在軸轉(zhuǎn)速分別為600 r/min和1 200 r/min時(shí)，采用壓電陶瓷聲發(fā)射傳感器與光纖光柵聲發(fā)射傳感器采集的滾動(dòng)軸承故障時(shí)域數(shù)據(jù)利用共振解調(diào)算法之后，得到的頻域數(shù)據(jù)。

圖6　軸承模擬故障聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)裝置 Fig.6 The test rig of the bearings in the laboratory

圖7　傳感器位置局部放大圖 Fig.7 A magnified detail of the location of the FBG and PZT AE sensors

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，光纖光柵聲發(fā)射和壓電陶瓷聲發(fā)射檢測(cè)方法所采集到的信號(hào)均能有效地反映出軸承外圈故障頻率及其倍頻。壓電陶瓷聲發(fā)射傳感器采集到的信號(hào)在分析故障頻率的邊頻時(shí)，受到譜底噪聲的干擾較為嚴(yán)重；而光纖光柵聲發(fā)射傳感器采集到信號(hào)譜底較為干凈，有利于分析出故障頻率及其倍頻，同時(shí)能較好地分辨出故障頻率的邊頻成分，這樣將有助于分析故障的嚴(yán)重程度，邊頻越多，且邊頻的幅值占主頻幅值的比例越高，則故障越嚴(yán)重。因此，光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)方法效果更好。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速越高(>600 r/min)，故障頻率越明顯；直升機(jī)軸承的工作轉(zhuǎn)速普遍較高，因此，有很強(qiáng)的針對(duì)性。

圖8、9中光柵傳感器采集到信號(hào)譜底較為干凈，是因?yàn)閭鞲衅鞅举|(zhì)上沒(méi)有壓電傳感器固有的振蕩特征。如3.2節(jié)所述，壓電陶瓷聲發(fā)射傳感器采集的聲發(fā)射信號(hào)是聲發(fā)射源的聲發(fā)射信號(hào)與壓電陶瓷傳感器自身的聲發(fā)射波振蕩信號(hào)的疊加(加上電磁干擾等信號(hào))，因此基礎(chǔ)噪聲較多，故障頻率的譜線在背景譜底中不易分辨。而采用光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)器則不存在這樣的問(wèn)題，因此，進(jìn)行軸承故障信號(hào)采集時(shí)采用光纖光柵傳感器比壓電陶瓷傳感器信號(hào)質(zhì)量高。同時(shí)，本方法具有不受電磁干擾影響的特點(diǎn)。光纖光柵聲發(fā)射傳感器較輕，在安裝和固定上，也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；如需封裝可以根據(jù)被測(cè)軸承(座)尺寸和形狀對(duì)傳感器基底材料(有機(jī)玻璃)進(jìn)行適應(yīng)性加工，通過(guò)增大耦合面積提高耦合效率。

圖8(a)　600 r/min轉(zhuǎn)速下壓電陶瓷聲發(fā)射 傳感器檢測(cè)到的滾動(dòng)軸承外圈故障信號(hào)

圖8(b)　600 r/min轉(zhuǎn)速下光纖光柵聲發(fā)射傳感器 檢測(cè)到的滾動(dòng)軸承外圈故障信號(hào) Fig.8 The spectra of the seeded defect on the outer race of the test rolling element bearing at the shaft speed of 600 r/min

圖9(a)　1 200 r/min轉(zhuǎn)速下壓電陶瓷聲發(fā)射 傳感器檢測(cè)到的滾動(dòng)軸承外圈故障信號(hào)

圖9(b)　1 200 r/min轉(zhuǎn)速下光纖光柵聲發(fā)射 傳感器檢測(cè)到的滾動(dòng)軸承外圈故障信號(hào) Fig.9 The spectra of the seeded defect on the outer race of the test rolling element bearing at the shaft speed of 1 200 r/min

3.2光纖光柵聲發(fā)射軸承故障檢測(cè)在直升機(jī)上的應(yīng)用

直升機(jī)軸承故障會(huì)引起強(qiáng)烈振動(dòng)或失控，造成發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，危機(jī)飛行安全。我們?cè)趯?shí)施直升機(jī)軸承故障檢測(cè)時(shí)，結(jié)合日常維護(hù)工作，在地面試車時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行。本方法適用于尾傳動(dòng)軸支撐軸承、旋翼支撐軸承、尾槳操縱盤軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等直升機(jī)滾動(dòng)軸承以及其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械中軸承的故障檢測(cè)。應(yīng)用光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)滾動(dòng)軸承的在線原位檢測(cè)，目前已在裝備保障工作中得到應(yīng)用，為直升機(jī)維修檢測(cè)提供了新手段，對(duì)軸承等有壽件的視情維修和延壽均有重要意義。本節(jié)僅舉兩例進(jìn)行說(shuō)明。

3.2.1直-X型直升機(jī)尾傳動(dòng)軸軸承檢測(cè)

圖10　直-X地面試車狀態(tài)下尾 傳動(dòng)軸軸承聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) Fig. 10 AE test of the Z-X helicopter tail supporting bearings

圖11　直-X尾傳動(dòng)軸軸承聲發(fā)射信號(hào)共振解調(diào)分析 (上部為采集信號(hào)的時(shí)域波形和頻域FFT； 下部為共振解調(diào)時(shí)域和頻域譜線) Fig.11 Envelope analysis of the AE signal collected from the Z-X helicopter tail supporting bearing, up: signal waveform and FFT, down: spectrum after envelope analysis.

直-X地面試車狀態(tài)下尾傳動(dòng)軸軸承聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖10。該軸承為滾動(dòng)球軸承，其固定卡箍材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。如使用壓電式聲發(fā)射傳感器進(jìn)行檢測(cè)，采用磁座/磁環(huán)固定，吸附性較差；而且PZT傳感頭尺寸重量相對(duì)較大，在傳動(dòng)軸高速旋轉(zhuǎn)(4 009 r/min)時(shí)，如固定不牢極易釀成事故。采用FBG傳感器則很好地解決了這一問(wèn)題。我們對(duì)FBG裸柵進(jìn)行了封裝，將基底有機(jī)玻璃加工成與軸承外圈固定卡箍相配合的弧面，制成專用傳感器，使用凡士林作為耦合劑，并由膠帶固定。

檢測(cè)時(shí)，該架機(jī)經(jīng)歷通電、慢車、大車、慢車、關(guān)車階段。由于大車階段的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，在該階段的采集數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行共振解調(diào)分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11所示。尾傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)頻為66.8 Hz，分析聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)，出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻及其倍頻極為接近的故障頻率，由此判斷該軸承松動(dòng)。經(jīng)驗(yàn)證，該軸承的故障特征與實(shí)際情況吻合。

3.2.2直-XX型直升機(jī)旋翼支撐軸承檢測(cè)

直-XX型直升機(jī)旋翼支撐軸承檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖12。對(duì)多段采集的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行共振解調(diào)分析，發(fā)現(xiàn)譜線圖中有與滾子的故障頻率相吻合的頻率(按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算為34.5 Hz)，并存在諧波成分(倍頻)；且高頻和中頻段未發(fā)現(xiàn)故障頻率諧波成分，也未發(fā)現(xiàn)其它故障頻率的調(diào)制現(xiàn)象(圖13)，據(jù)此判斷為滾子輕微磨損；該軸承有待繼續(xù)跟蹤觀察。

圖12　直-XX直升機(jī)旋翼支撐軸承檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) Fig.12 AE test of the Z-XX helicopter rotor supporting bearing

圖13　直-XX直升機(jī)旋翼支撐軸承某段聲發(fā)射信號(hào) 共振解調(diào)分析(上為共振解調(diào)后的時(shí)域圖， 下為共振解調(diào)后的低頻段頻域圖) Fig.13 Envelope spectrum of AE signal collected from the Z-XX helicopter rotor supporting bearing, up: time domain, down: frequency domain at lower frequencies part

4結(jié)論

本文介紹和分析了光纖光柵聲發(fā)射檢測(cè)新技術(shù)及軸承故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了直升機(jī)軸承在線原位檢測(cè)的實(shí)踐，光纖光柵聲發(fā)射用于軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)傳統(tǒng)的軸承故障檢測(cè)手段(目視、振動(dòng)、溫度等)故障診斷率不高，難以發(fā)現(xiàn)早期故障，光纖光柵聲發(fā)射傳感方法具有較高的檢測(cè)精度，可結(jié)合日常裝備

維護(hù)進(jìn)行，安裝和操作簡(jiǎn)單，能夠檢測(cè)出軸承的早期故障狀態(tài)，準(zhǔn)確識(shí)別故障類型，對(duì)其視情維修和延壽具有重要意義。

(2)與基于振動(dòng)傳感器以及壓電式聲發(fā)射傳感器的檢測(cè)方法相比，譜底噪聲小，譜線清晰、干凈，更容易分辨故障頻率和分析故障的嚴(yán)重程度。

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