郭福平

(廣東石油化工學院機電工程學院)

基于RMS因子的滾動軸承故障聲發(fā)射診斷研究*

郭福平**

(廣東石油化工學院機電工程學院)

運用聲發(fā)射檢測技術(shù)對滾動軸承內(nèi)圈故障、外圈故障和滾動體磨損故障展開試驗研究。為了減少噪聲干擾、突出故障特征、提高信噪比，應(yīng)用能量因子方法對含噪聲信號進行數(shù)據(jù)處理，找到不同缺陷形式下的故障特征。結(jié)果表明，RMS因子方法用于滾動軸承聲發(fā)射信號特征提取是有效的。

滾動軸承 聲發(fā)射 故障診斷 RMS因子

在國民經(jīng)濟領(lǐng)域各生產(chǎn)部門中，滾動軸承不僅是機械設(shè)備中最常見的零部件，而且是最重要的基礎(chǔ)易損件之一。其性能與工況的好壞直接影響到與之相聯(lián)的轉(zhuǎn)軸和安裝在轉(zhuǎn)軸上的其他零部件乃至整個機器設(shè)備的性能。與其他機械零部件相比，使用壽命的離散性大是滾動軸承的顯著特點[1]。所以在工程實踐中，有些軸承已超過其設(shè)計壽命仍能正常工作，而有些軸承遠未達到設(shè)計壽命就出現(xiàn)各種故障[2]。因此，進行滾動軸承工作狀態(tài)和故障的早期檢測和故障診斷，對于機器安全平穩(wěn)運行、保證裝置長周期生產(chǎn)具有重要的意義[3～8]。

聲發(fā)射檢測法能彌補目前常用的振動法在發(fā)現(xiàn)缺陷和受低頻噪聲干擾方面的不足。筆者應(yīng)用聲發(fā)射檢測方法在不同轉(zhuǎn)速下對外圈、內(nèi)圈和滾動體上預(yù)加人工缺陷的滾動軸承進行數(shù)據(jù)采集，提取有效值(Root Meam Square，RMS)參數(shù)，再運用有效值電壓因子(Root Mean Square Index，RMSI)參數(shù)來判斷軸承是否存在故障。

1 試驗材料及設(shè)備

此次滾動軸承故障診斷試驗使用的是單列圓錐滾子軸承，用電火花加工方法在軸承內(nèi)圈、外圈預(yù)加裂紋缺陷，滾子上預(yù)加磨損缺陷，如圖1所示。試驗時軸承安裝在專門的組合式旋轉(zhuǎn)機械試驗平臺上，測量不同轉(zhuǎn)速下的聲發(fā)射試驗信號數(shù)據(jù)，得到試驗結(jié)果。

圖1 預(yù)加人工缺陷滾動軸承

滾動軸承故障診斷試驗的聲發(fā)射試驗裝置主要由試驗臺、電機、滾動軸承、控制柜及聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖2所示。試驗選用美國物理聲學公司(PAC)生產(chǎn)的PCI-2全數(shù)字式聲發(fā)射采集系統(tǒng)、共振頻率約為0～ 1MHz 的WD寬頻傳感器以及2/4/6前置放大器。聲發(fā)射信號采樣使用北京伊麥特科技有限公司生產(chǎn)的EMT390數(shù)據(jù)采集器。試驗所用30205軸承的滾動體數(shù)量Z=17，滾子組節(jié)圓直徑Dpw=38.5mm，滾動體直徑Dw=6.4mm ，接觸角α=45°。

圖2 聲發(fā)射試驗裝置

2 缺陷特征頻率

由于軸承損傷將以一定的軸承特征頻率來“振響”聲發(fā)射傳感器，因此根據(jù)軸承產(chǎn)生缺陷元件的不同，滾動軸承的缺陷特征頻率可用以下公式計算[9]：

(1)

(2)

(3)

式中fr——主軸旋轉(zhuǎn)頻率，fr=n/60，n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1信號有效值電壓因子

聲發(fā)射理論體系中，計數(shù)法是處理聲發(fā)射脈沖信號的常用方法，但樣品幾何形狀、傳感器特性及連接方式、門檻電壓及放大器工作狀況等對測量連續(xù)聲發(fā)射信號影響很大。所以，早期聲發(fā)射采用測量聲發(fā)射信號的能量來對連續(xù)型信號進行分析。聲發(fā)射信號的能量正比于聲發(fā)射波形的面積，一般用均方根電壓來進行聲發(fā)射信號的能量測量，稱為信號電壓的有效值(RMS)或均方根值，單位為V。

RMS與聲發(fā)射信號源所釋放能量的大小有關(guān)，不受門檻影響，多用于旋轉(zhuǎn)機械的連續(xù)型信號狀態(tài)性能評價。信號的RMS值常反映全部信號或預(yù)定時間段信號的能量特征。當滾動軸承出現(xiàn)故障時，采集聲發(fā)射信號的RMS值就會增加[10，11]。在滾動軸承早期故障階段，微弱聲發(fā)射產(chǎn)生的能量不足以改變整個測試長度內(nèi)信號的RMS值，故RMS參數(shù)對滾動軸承早期故障檢測的有效性不高。為解決RMS值分析局部連續(xù)信號的缺點，采用一種相對敏感，而且能有效檢測滾動軸承早期故障信號特征的方法，即RMSI方法[12]。

RMSI因子是一個統(tǒng)計參數(shù)，無量綱，其計算公式如下：

(4)

式(4)定義了片選信號的均方根值占全部信號均方根值的不同冪次的比值。比如一個足夠穩(wěn)定信號，不同片選信號的RMSI值均為1。而對于以瞬時高振幅出現(xiàn)的部分信號，RMSI值將高于1。RMSI值越高，表明特定的部分信號的能量越高。式(4)中需要確定兩個參數(shù)：第1個參數(shù)是片選信號的長度，用m表示；第2個參數(shù)N是部分與全部信號RMS值的比值的冪次。據(jù)不同數(shù)據(jù)信號，可將其長度分成不同長度的片段。比如，旋轉(zhuǎn)機械運行時，信號長度與軸的旋轉(zhuǎn)周期一致?？筛鶕?jù)故障特征頻率和采樣率確定軸承故障信號的片選信號大小。一般來講，把信號分割的片段越多，用能量因子檢測信號局部變化的敏感性越強，但有可能產(chǎn)生誤報警。反過來把信號分割的片段越少，數(shù)據(jù)的敏感性越低。對于信噪比高的信號，均方根比值一般取較小冪次，N取1；對于信噪比低的信號，故障特征幾乎淹沒在背景噪聲中，為了突出故障特征，N取較大值。

3.2基于RMSI的滾動軸承聲發(fā)射信號處理

以滾動軸承內(nèi)圈故障為例，當主軸轉(zhuǎn)速為400r/min時，根據(jù)試驗轉(zhuǎn)速和式(1)可以計算出軸承的故障特征頻率在66.33Hz左右，根據(jù)采樣頻率能計算出原始信號中兩個故障脈沖之間數(shù)據(jù)點的個數(shù)大約為16K(1K=1024)。通常為獲得信號的局部敏感信息，片選信號的長度要遠小于故障的脈沖間隔，即片選信號長度m遠小于16K。對于內(nèi)圈故障的軸承，分別取以片選信號長度m為10、50、100、150，N取1、4、12、20時得到的有效值電壓因子曲線如圖3所示。

圖3 不同N取值時的RMSI曲線

比較不同片選信號長度相同冪次N時的能量因子圖可知，發(fā)現(xiàn)當片選信號m=150時，故障信號最為明顯。比較相同片選信號長度不同冪次N時的能量因子圖可知，冪次的增大能夠很好地抑制背景噪聲的干擾，同時也能夠更有效地突出沖擊成分。

同理分析外圈和滾子故障的軸承，圖4是轉(zhuǎn)速為300r/min時，外圈故障軸承的RMSI曲線，圖5是軸轉(zhuǎn)速為800r/min時，滾子磨損的RMSI曲線。從圖4、5可以看出，通過分析轉(zhuǎn)速、故障特征頻率、合適地選取m和N可以突出故障信號、抑制噪聲信號。

圖4 外裂軸承的RMSI曲線

圖5 滾子磨損軸承的RMSI曲線

4 結(jié)束語

滾動軸承早期故障的及時診斷預(yù)報對動設(shè)備的運行安全、企業(yè)的經(jīng)濟效益等具有重要的實際意義。試驗表明，將RMS參數(shù)進行改進得到的RMSI能有效突出故障信號成分，并能抑制噪聲信號。研究中發(fā)現(xiàn)，對于內(nèi)圈故障、外圈故障和滾子故障在其特定轉(zhuǎn)速下采集到的聲發(fā)射信號進行RMSI分析可以有效地發(fā)現(xiàn)軸承出現(xiàn)的故障。

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StudyofAcousticEmissionDiagnosisofRollingBearingFaultsBasedonRMSIndex

GUO Fu-ping

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology,Maoming525000,China)

Making use of acoustic emission testing technology to test internal faults, outer ring faults and wear faults of rolling bearing was discussed. In order to reduce the noise and highlight the fault characteristics and improve the signal-to-noise ratio, the energy index method was applied to process the noise signals so as to find out fault characteristics under different defect forms. The results prove RMS index method’s effectiveness in extracting features of the rolling bearing acoustic emission signals.

rolling bearing, acoustic emission, fault diagnosis, RMS index

*廣東高校省級重點平臺和重大科研項目青年創(chuàng)新人才項目(650477)。

**郭福平，女，1981年9月生，講師。廣東省茂名市，525000。

TQ050.3

A

0254-6094(2016)05-0672-04

2015-12-04，

2016-01-04)

(Continued from Page 644)

lized bioreactor which installed at different heights was implemented, including employing two-phase flow Eulerian-Eulerian model and liquid-phase Standard-epsilon turbulence model to simulate the liquid velocity field in X-axis section and Z-axis section as well as analyzing and comparing the liquid velocity, the mixture of gas and liquid under four schemes in the bioreactor. Results show that the 45cm height for the aerator installation and 37cm height for the microbial column installation are the best.

Keywordsimmobilized bioreactor, gas-liquid flow, aeration position, numerical simulation, CFD