基于振動和聲發射技術的滾動軸承故障分析

朱 靜，鄧艾東，錢丹陽，翟一萌，龍 磊

(1.東南大學能源與環境學院，江蘇 南京 210000；2.中國能源建設集團安徽電力設計院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

滾動軸承是風力發電機組傳動系統的重要組成部分。由于風電機組長期在惡劣的氣候條件和交變載荷工況下全天候運行，導致軸承故障高發。滾動軸承的常見損壞類型主要包括：疲勞剝落、磨損、裂紋、斷裂、壓痕、銹蝕和膠合等。滾動軸承故障類型多且多源故障并發，因此診斷難度較大[1-4]。

振動分析是旋轉機械故障檢測的常用方法[5]。在故障早期，因故障激發的振動信號微弱，人們難以從信號的時頻域參數中獲得判斷故障的有效信息。聲發射(acoustic emission，AE)是指物體受到形變時內部出現不穩定的應力分布，當應變能積累到一定程度時，能量以瞬時彈性波的形式向外釋放的現象。由于部件的摩擦、撞擊、變形和裂紋都會產生大量的聲發射信號[6-8]，因此聲發射技術是一種有效的滾動軸承故障檢測方法[9-10]。本文以風電傳動系統模擬試驗臺中的滾動軸承為研究對象，分別通過振動分析系統和聲發射檢測系統對軸承裂紋故障進行檢測，分析和比較了不同軸承裂紋程度時的振動與聲發射信號的故障特征。

1 試驗裝置

風電傳動系統結構模擬試驗臺如圖1所示。驅動電機模擬風輪轉矩輸入，經過二級齒輪傳動后連接負載電機。為模擬風輪轉速的時變特性，采用變頻器對電機轉速進行控制。該試驗臺可模擬滾動軸承、齒輪箱常見故障時軸承、主軸和齒輪箱的振動狀況。本文對滾動軸承的裂紋故障進行研究，在兩個滾動軸承的內徑中分別加工寬度為0.5 mm和0.8 mm的裂紋。在軸承座兩側安裝聲發射傳感器和加速度振動傳感器，分別采集軸承裂紋故障的聲發射和振動信號。加速度傳感器的靈敏度為100 mV/g，聲發射傳感器采用PAC- UT1000低頻寬帶傳感器。

圖1 系統結構模擬試驗臺

2 滾動軸承故障的制備

采用電火花加工技術，在內圈加工寬度為0.8 mm的裂紋來模擬滾動軸承故障。隨后在軸承兩側的測試點分別安裝聲發射和振動傳感器。

本試驗主要研究滾動軸承的內圈故障。內圈故障特征頻率的計算公式如下：

(1)

式中：fn為主軸轉頻；z為滾動軸承滾珠個數；d為滾珠直徑，mm；D為軸承節徑，mm；α為軸承接觸角，(°)。

所選用的滾動軸承參數參考UC210滾動軸承的出廠參數，軸承節徑為70 mm，滾珠直徑為12.7 mm，接觸角為0°，滾珠個數為10個。當滾動軸承寬度為10 r/min和1 000 r/min時，根據式(1)計算得到內圈故障特征頻率分別為0.984 5 Hz、98.45 Hz。

3 振動和聲發射信號采集系統參數設置

3.1 振動信號采集系統參數設置

設轉子轉頻為fn，軸承滾子個數為n，則每轉一周沖擊信號頻率為nfn。本文設最大分析頻率為沖擊信號頻率的32倍頻，則根據采樣頻率定理，采樣頻率fs應滿足：

fs≥2×n×fn×32

(2)

式中：n為滾珠個數，本文n為10。

(3)

3.2 聲發射信號采集系統參數設置

聲發射采集系統的參數設置對捕捉與分析聲發射信號具有重要作用。針對本文試驗系統，聲發射參數設置如下。

①門檻：由于采集的是連續聲發射信號，背景噪聲會在采集的每個時刻不斷變化波動，所以將門檻設置成浮動門檻，使得門檻隨著背景噪聲的波動而波動。門檻設為45 dB，浮動門寬設為15 dB。

②前置放大器增益：前置放大器增益設為40 dB。

③模擬濾波器：模擬濾波器下限設為系統默認值1 kHz，上限設為400 kHz。

④波形設置：由于分析的是波形流，只需設定采樣頻率，本文設為500 ks/s。

⑤預觸發時間：預觸發時間隨采樣率的變化而變化。由于采樣率設為500 ks/s，預觸發時間則隨系統變化為2.048 ms。

⑥記錄長度：記錄長度反映了波形流的長度，即波形流的采樣時間，這需要根據試驗條件而定。傳感器固定在軸承座上，內圈裂紋隨著內圈的轉動而轉動，依次和滾動體發生撞擊產生應力波。若采樣時間過短，傳感器采集到的就可能是裂紋與滾動體撞擊過程中的局部信息，不能很好地反映裂紋與所有滾動體均發生沖擊時的完整過程。因此，至少需要采集滾動軸承旋轉的一個周期。

本文將試驗條件下的驅動軸轉速設為100 r/min和1 000 r/min。為了獲取轉動一周的波形流，根據軟件的實際設置條件，時間分別記錄為600.64 ms和60 ms。波形流點數分別記錄為2 750 464和50 176。波形流時間長度分別記錄為5 500 ms和100 ms。

⑦觸發方式：選擇基于撞擊的觸發，信號可根據閾值的設定自行觸發采集。

4 試驗數據分析

①無故障狀態。

圖2為無故障狀態下波形及包絡譜圖(v=10 r/min)。

圖2 無故障狀態下波形及包絡譜圖(v=10 r/min)

圖2(a)聲發射波形信號平穩，無明顯雜波。圖2(b)包絡譜的顯著頻率幅值約為0.000 2，遠小于滾動軸承的轉動頻率幅值。圖2(c)振動波形波動不明顯。圖2(d)包絡譜圖未呈現明顯幅值。

圖3是無故障狀態下波形及包絡譜圖(v=1 000 r/min)。傳動系統由主軸、滾動軸承、齒輪箱和聯軸器等多個機械部件組成。當傳動系統運行在無故障狀態下時，由機械內部結構引發的振動波形和頻譜幅值小，波動不明顯。包絡譜圖中也未呈現顯著頻率幅值。

圖3 無故障狀態下波形及包絡譜圖(v=1 000 r/min)

② 0.5 mm寬裂紋故障狀態。

本試驗將滾動軸承B處的正常軸承換成帶有0.5 mm寬裂紋故障軸承，分析在兩種轉速下的聲發射和振動波形及包絡譜圖。圖4為0.5 mm裂紋故障狀態下波形及包絡譜圖(v=10 r/min)。由圖4(a)、圖4(b)所示的AE信號可知，波形出現明顯沖擊。這是由于裂紋和滾動體撞擊引發高能量應力波，能夠初步辨識有故障產生。隨著主軸不斷旋轉，波形沖擊對裂紋和滾動體撞擊具有一定周期性，信號在實際傳輸過程中的多徑效應使得圖4(a)的波峰參差不齊，其間隔也雜亂無規律。包絡譜的顯著頻率幅值約為0.000 2，與無故障時的頻率幅值接近。這是因為在低轉速下，機械固有的噪聲使得軸承因故障而產生的噪聲被淹沒，無法提取軸承的故障特征頻率。

圖4 0.5 mm裂紋故障狀態下波形及包絡譜圖(v=10 r/min)

由試驗可知，當轉速為10 r/min時，0.5 mm寬裂紋的輕微故障可以被聲發射波形敏感檢出，振動信號對于低轉速下的輕微故障幾乎沒有反應。

將主軸轉速升至1 000 r/min后，測取信號。圖5為0.5 mm裂紋故障狀態下波形及包絡譜圖(v=1 000 r/min)。與圖4(a)信號相比，圖5(a)時域波形明顯出現大幅度的沖擊現象。這是因為隨著轉速的提升，滾動體與內外圈之間摩擦力度加大，所釋放的應力能量增加。與圖3(a)相比，時域波形呈現明顯的周期性沖擊，包絡譜圖5(b)中，幅值最大的頻率為97.66 Hz，與理論故障特征頻率相近。

圖5 0.5 mm裂紋故障狀態下波形及包絡譜圖(v=1 000 r/min)

圖5(c)、圖5(d)所示的振動信號與圖3(c)、圖3(d) 存在一定的差異性，波形幅值明顯提高且出現連續性的沖擊。但振動信號的包絡譜圖未表現出明顯周期性或故障特征頻率。

由試驗可知，在高轉速輕微故障情況下，振動信號和AE信號都有所反應。AE信號可明顯判斷故障類型，振動信號的波形有很大的改變，但未能準確顯示故障特征頻率。

③ 0.8 mm寬裂紋故障狀態。

本試驗將滾動軸承B處的0.5 mm故障軸承換成帶有0.8 mm寬裂紋故障軸承，測取AE和振動信號。圖6(a)、圖6(b)是0.8 mm裂紋故障在10 r/min轉速下的AE波形及包絡譜，與同轉速下0.5 mm裂紋故障相比，差異較小，未能看出明顯變化特征。

圖6(c)、圖6(d)為振動波形和包絡譜，與同轉速下0.5 mm裂紋故障相比，波形變化不明顯，包絡譜未呈現明顯周期性和顯著頻率。

圖6 0.8 mm裂紋故障狀態下波形及包絡譜圖(v=10 r/min)

調節轉速至1 000 r/min，圖7為0.8 mm裂紋故障狀態下波形及包絡譜圖。將圖7(a)與無故障狀態的圖3(a)相比可以看出，AE波形波動較大，沖擊明顯。與0.5 mm故障狀態的圖5(a)相比，波形幅值增至原來的2～3倍，周期性更加明顯。由數據包絡譜可見，在0.8 mm故障狀態下，實際故障特征頻率為97.75 Hz，與內圈理論故障特征頻率相近，可準確判斷故障的部位。

將此時的振動波形和包絡譜圖7(c)、圖7(d)與圖5(c)、圖5(d)相比，波形幅值有所增加。由包絡譜圖同樣可看出，故障特征頻率與內圈理論故障特征頻率相近。

圖7 0.8 mm裂紋故障狀態下波形及包絡譜圖(v=1 000 r/min)

由以上試驗得出，在裂紋故障加深時，低轉速下，振動和聲發射信號都未呈現明顯的差異；但在高轉速的情況下，采用聲發射和振動技術都能準確地檢測出故障類型，并能敏感地檢測故障程度。

5 結束語

本文選取了兩種轉速，分別檢測有無故障時振動、聲發射波形及包絡譜圖，結果如下。

在10 r/min低轉速下，有無故障的振動波形差異較小，無法通過振動信號判斷軸承故障及故障類型。而對比有無故障的AE波形流發現，帶裂紋軸承在運行時的沖擊會產生大量聲發射尖峰信號，且尖峰能量的大小和尖峰的密集程度在不同裂紋寬度時也有差異。幅值增大并產生明顯波動。

在1 000 r/min高轉速、0.5 mm裂紋故障情況下，AE信號可明顯判斷故障類型；振動信號的波形有很大的改變，但未能準確顯示出故障特征頻率。

聲發射信號與調制信號無關，包絡譜分析時不受邊頻帶的影響，因此對聲發射信號作包絡分析可以有效地分析信號的故障特征頻率。

聲發射有利于故障早期及低轉速下的檢測。聲發射和振動相結合的方法，可以更全面地監測設備的運行狀態，可作為振動故障檢測技術的補充。

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