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(guó)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(guó)電力科學(xué)研究院有限公司新能源與儲(chǔ)能運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京，100192）

引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到各國(guó)重視?！秶?guó)家中長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)大型風(fēng)電設(shè)備的技術(shù)突破［1-2］。然而，與國(guó)外風(fēng)電行業(yè)相比，我國(guó)在該領(lǐng)域的研發(fā)起步較晚，技術(shù)也相對(duì)落后，特別是關(guān)鍵零部件的健康監(jiān)測(cè)問(wèn)題，已成為制約我國(guó)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(dòng)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(guò)高或過(guò)低時(shí)，通過(guò)外圈轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)槳葉的角度和節(jié)距，改變氣流對(duì)葉片攻角，從而保證風(fēng)電機(jī)組獲得穩(wěn)定的空氣動(dòng)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(gè)機(jī)組控制功能的實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行安全均會(huì)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(dòng)或應(yīng)變等常規(guī)監(jiān)測(cè)手段分析和識(shí)別變槳軸承故障卻受到很大限制［3-4］，主要難點(diǎn)在于：①不完全轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)穩(wěn)定工頻，難以基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)計(jì)算故障特征頻率來(lái)識(shí)別變槳軸承故障；②很難接觸式測(cè)量，難以在變槳軸承上安裝振動(dòng)傳感器；③各類(lèi)振動(dòng)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(lèi)外界振動(dòng)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(dòng)瞬間變化，進(jìn)一步產(chǎn)生振動(dòng)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(hào)方案［5］，解決基于振動(dòng)或應(yīng)變等監(jiān)測(cè)手段難以奏效的問(wèn)題。AE信號(hào)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(shí)釋放出的超高頻應(yīng)力波脈沖信號(hào)，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(hào)與其他信號(hào)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?；贏E的故障診斷在滾動(dòng)軸承、車(chē)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(duì)AE信號(hào)的處理，擬采用短時(shí)傅里葉時(shí)頻方法，尋找故障特征，識(shí)別裂紋故障［9］。STFT用信號(hào)加時(shí)間窗的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分割，進(jìn)而分析每個(gè)時(shí)間窗內(nèi)的信號(hào)，在時(shí)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(dòng)軸承的AE信號(hào)分析中，能夠較好識(shí)別損傷類(lèi)型。張東等［11］研究了迭代廣義短時(shí)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(shí)頻譜系數(shù)收縮實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)降噪。趙學(xué)智等［13］提出了一種新的基于對(duì)數(shù)窗能量的窗長(zhǎng)選擇準(zhǔn)則，使STFT獲得了良好的時(shí)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(cuò)位、斷裂或其他缺陷產(chǎn)生及發(fā)展過(guò)程中，能量聚集并瞬間釋放的一種物理現(xiàn)象［5-6］。AE信號(hào)直接來(lái)源于缺陷本身，是故障的載體，能很好地反映出缺陷的活動(dòng)性和嚴(yán)重性。AE信號(hào)具有頻率好、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，從數(shù)千赫茲到數(shù)兆赫茲均有信號(hào)，可通過(guò)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(hào)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(diǎn)。不同的材料產(chǎn)生的AE信號(hào)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(cuò)位、裂紋等，產(chǎn)生的AE信號(hào)均不相同。AE信號(hào)不易受工況、部件運(yùn)動(dòng)等因素的影響，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定位和檢測(cè)。AE信號(hào)以彈性波的形式向四周傳播，采集過(guò)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(hào)的捕捉過(guò)程中，完全克服基于振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)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(shí)，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(hào)。因此，基于AE信號(hào)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(hào)看成若干個(gè)簡(jiǎn)諧信號(hào)疊加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)分解的一種方法。而短時(shí)傅里葉主要針對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)，將其視為若干個(gè)局部平穩(wěn)信號(hào)，通過(guò)在時(shí)間上可滑移的時(shí)間窗對(duì)信號(hào)進(jìn)行截取，對(duì)每個(gè)時(shí)間窗內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了時(shí)間域和頻率域都具有良好局部性的時(shí)頻分析方法［9-10］。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：對(duì)某非平穩(wěn)信號(hào)x(t)進(jìn)行STFT分析，首先構(gòu)建一個(gè)中心為τ、高度為1、寬度有限的時(shí)間窗函數(shù)h(t)。通過(guò)h(t)觀察x(t)得到局部信號(hào)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(gè)局部平穩(wěn)的信號(hào)。同時(shí)h(t)的中心τ可在時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行滑動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生多個(gè)x(t)h(t)。對(duì)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(shí)頻分析的頻率；τ為時(shí)頻分析的時(shí)間。

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

圖1 短時(shí)傅里葉變換Fig.1 Short time Fourier transform

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

其中：分母為H(f)的能量。

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

其中：分母為h(t)的能量。

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

時(shí)間分辨率Δt和頻率分辨率Δf不可能同時(shí)任意小，根據(jù)Heisenberg不確定性原理，時(shí)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(shí)，等式成立。

通過(guò)式（4）可看出，當(dāng)時(shí)間分辨率較高時(shí)，頻率分辨率較低，反之亦然。因此在STFT的計(jì)算過(guò)程中，需要在時(shí)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(hào)是受載情況下受激發(fā)而產(chǎn)生的，具有瞬時(shí)沖擊的特點(diǎn)，但持續(xù)時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)，其能量分布應(yīng)該會(huì)集成在一定的時(shí)間和一定的頻率范圍內(nèi)，包含高頻突發(fā)分量和長(zhǎng)周期準(zhǔn)平穩(wěn)分量。STFT對(duì)于信號(hào)中能量較少的時(shí)間和頻率間隔處，其變換結(jié)果幅值很小，能較好地識(shí)別AE信號(hào)的故障特征［13］。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 變槳軸承裂紋檢測(cè)試驗(yàn)

某風(fēng)電機(jī)組2#號(hào)變槳軸承外圈出現(xiàn)一個(gè)明顯裂紋故障，如圖2圓圈內(nèi)所示。此時(shí)，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(duì)比試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)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(diǎn)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(cāng)內(nèi)B點(diǎn)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(duì)應(yīng)變槳軸承外圈旋轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)人工變槳實(shí)現(xiàn)變槳軸承外圈旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中自動(dòng)加載，導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)微擴(kuò)展，激發(fā)AE信號(hào)。為對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)無(wú)裂紋1#號(hào)變槳軸承也進(jìn)行了AE信號(hào)采集。受安全操作要求和現(xiàn)場(chǎng)條件等因素限制，每個(gè)變槳軸承的人工變槳過(guò)程是單獨(dú)進(jìn)行的，互不影響。AE信號(hào)的采樣頻率為1 MHz，單個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間為0.5 s，40 dB增益信號(hào)，門(mén)限電壓觸發(fā)存儲(chǔ)。

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

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Fig.3 Field testing

3.2 結(jié)果分析

首先，對(duì)比有裂紋和無(wú)裂紋變槳軸承AE信號(hào)的時(shí)域波形，如圖4和圖5所示。有裂紋變槳軸承AE信號(hào)中出現(xiàn)多個(gè)脈沖沖擊，而無(wú)裂紋變槳軸承AE信號(hào)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(hào)的激發(fā)。

圖4 有裂紋AE時(shí)域波形Fig.4 Time waveform of AE with crack

圖5 無(wú)裂紋AE信號(hào)時(shí)域波形Fig.5 Time waveform of AE without crack

隨后，對(duì)變槳軸承AE信號(hào)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(dòng)，沒(méi)有穩(wěn)定的工頻，軸承故障特征頻率無(wú)法計(jì)算，無(wú)參考價(jià)值。但是，對(duì)比圖6和圖7，有裂紋變槳軸承AE信號(hào)頻譜的頻率成分與無(wú)裂紋變槳軸承AE信號(hào)有一定的差異。這些差異有參考價(jià)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(hào)，結(jié)果如圖8～11所示。圖8為有裂紋變槳軸承STFT時(shí)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(wú)裂紋變槳軸承STFT時(shí)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(gè)時(shí)間域，沖擊特征持續(xù)、穩(wěn)定。同時(shí)該頻率段的聲發(fā)射信號(hào)也是金屬材料（尤其是鋼材）裂紋產(chǎn)生的常見(jiàn)頻率段，與文獻(xiàn)［14］中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，可作為變槳軸承裂紋AE信號(hào)激發(fā)的一個(gè)佐證。圖9三維展示中箭頭指示［90，140 kHz］頻段內(nèi)信號(hào)更加明顯。與之相比，圖10 ，11無(wú)裂紋時(shí)，該頻率段無(wú)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(shí)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(wú)裂紋AE頻譜Fig.7 Spectrum of AE without crack

圖8 有裂紋AE信號(hào)STFT時(shí)頻圖Fig.8 STFT of AE with crack

圖9 有裂紋AE信號(hào)STFT時(shí)頻圖三維展示Fig.9 Three-dimensional STFT of AE with crack

圖10 無(wú)裂紋AE信號(hào)STFT時(shí)頻圖Fig.10 STFT of AE without crack

圖11 無(wú)裂紋AE信號(hào)STFT時(shí)頻圖三維展示Fig.11 Three-dimensional STFT of AE without crack

最后，為進(jìn)一步檢驗(yàn)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(hào)進(jìn)行分析，其時(shí)域及頻域信號(hào)沖擊十分微弱，與無(wú)裂紋信號(hào)十分類(lèi)似，其STFT分解結(jié)果如圖12所示，可準(zhǔn)確識(shí)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(gè)時(shí)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(shí)別變槳軸承裂紋故障的依據(jù)。

圖12 有裂紋AE信號(hào)STFT時(shí)頻圖三維展示Fig.12 Three-dimensional STFT of AE with crack

綜上所述，STFT時(shí)頻分析是識(shí)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(yǔ)

針對(duì)變槳軸承裂紋監(jiān)測(cè)診斷問(wèn)題，提出一種基于AE信號(hào)和STFT分析方法的監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)，可有效捕捉變槳軸承裂紋故障信號(hào)，有效克服了基于振動(dòng)及應(yīng)變等常規(guī)監(jiān)測(cè)方法在現(xiàn)場(chǎng)難以發(fā)揮作用的問(wèn)題。在某風(fēng)電機(jī)組上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明STFT可以較好的識(shí)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(duì)比試驗(yàn)，同時(shí)開(kāi)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(cè)診斷奠定基礎(chǔ)。