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        基于振動和聲發(fā)射技術的滾動軸承故障分析

        2018-01-18 05:37:39鄧艾東錢丹陽翟一萌
        自動化儀表 2018年1期
        關鍵詞:特征頻率幅值波形

        朱 靜,鄧艾東,錢丹陽,翟一萌,龍 磊

        (1.東南大學能源與環(huán)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(fā)電機組傳動系統(tǒng)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(fā)。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(fā),因此診斷難度較大[1-4]。

        振動分析是旋轉(zhuǎn)機械故障檢測的常用方法[5]。在故障早期,因故障激發(fā)的振動信號微弱,人們難以從信號的時頻域參數(shù)中獲得判斷故障的有效信息。聲發(fā)射(acoustic emission,AE)是指物體受到形變時內(nèi)部出現(xiàn)不穩(wěn)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(xiàn)象。由于部件的摩擦、撞擊、變形和裂紋都會產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號[6-8],因此聲發(fā)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(tǒng)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(tǒng)和聲發(fā)射檢測系統(tǒng)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(fā)射信號的故障特征。

        1 試驗裝置

        風電傳動系統(tǒng)結構模擬試驗臺如圖1所示。驅(qū)動電機模擬風輪轉(zhuǎn)矩輸入,經(jīng)過二級齒輪傳動后連接負載電機。為模擬風輪轉(zhuǎn)速的時變特性,采用變頻器對電機轉(zhuǎn)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(nèi)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(fā)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(fā)射和振動信號。加速度傳感器的靈敏度為100 mV/g,聲發(fā)射傳感器采用PAC- UT1000低頻寬帶傳感器。

        圖1 系統(tǒng)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(nèi)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(fā)射和振動傳感器。

        本試驗主要研究滾動軸承的內(nèi)圈故障。內(nèi)圈故障特征頻率的計算公式如下:

        (1)

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

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

        3 振動和聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)參數(shù)設置

        3.1 振動信號采集系統(tǒng)參數(shù)設置

        設轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻為fn,軸承滾子個數(shù)為n,則每轉(zhuǎn)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(jù)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(shù),本文n為10。

        (3)

        3.2 聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)參數(shù)設置

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

        ①門檻:由于采集的是連續(xù)聲發(fā)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(tǒng)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(fā)時間:預觸發(fā)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(fā)時間則隨系統(tǒng)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(jù)試驗條件而定。傳感器固定在軸承座上,內(nèi)圈裂紋隨著內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動,依次和滾動體發(fā)生撞擊產(chǎn)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(fā)生沖擊時的完整過程。因此,至少需要采集滾動軸承旋轉(zhuǎn)的一個周期。

        本文將試驗條件下的驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速設為100 r/min和1 000 r/min。為了獲取轉(zhuǎn)動一周的波形流,根據(jù)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(shù)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(fā)方式:選擇基于撞擊的觸發(fā),信號可根據(jù)閾值的設定自行觸發(fā)采集。

        4 試驗數(shù)據(jù)分析

        ①無故障狀態(tài)。

        圖2為無故障狀態(tài)下波形及包絡譜圖(v=10 r/min)。

        圖2 無故障狀態(tài)下波形及包絡譜圖(v=10 r/min)

        圖2(a)聲發(fā)射波形信號平穩(wěn),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(zhuǎn)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(xiàn)明顯幅值。

        圖3是無故障狀態(tài)下波形及包絡譜圖(v=1 000 r/min)。傳動系統(tǒng)由主軸、滾動軸承、齒輪箱和聯(lián)軸器等多個機械部件組成。當傳動系統(tǒng)運行在無故障狀態(tài)下時,由機械內(nèi)部結構引發(fā)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(xiàn)顯著頻率幅值。

        圖3 無故障狀態(tài)下波形及包絡譜圖(v=1 000 r/min)

        ② 0.5 mm寬裂紋故障狀態(tài)。

        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(zhuǎn)速下的聲發(fā)射和振動波形及包絡譜圖。圖4為0.5 mm裂紋故障狀態(tài)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(xiàn)明顯沖擊。這是由于裂紋和滾動體撞擊引發(fā)高能量應力波,能夠初步辨識有故障產(chǎn)生。隨著主軸不斷旋轉(zhuǎn),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(guī)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(zhuǎn)速下,機械固有的噪聲使得軸承因故障而產(chǎn)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(tài)下波形及包絡譜圖(v=10 r/min)

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

        將主軸轉(zhuǎn)速升至1 000 r/min后,測取信號。圖5為0.5 mm裂紋故障狀態(tài)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(xiàn)大幅度的沖擊現(xiàn)象。這是因為隨著轉(zhuǎn)速的提升,滾動體與內(nèi)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(xiàn)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(tài)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(xiàn)連續(xù)性的沖擊。但振動信號的包絡譜圖未表現(xiàn)出明顯周期性或故障特征頻率。

        由試驗可知,在高轉(zhuǎn)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(tài)。

        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(zhuǎn)速下的AE波形及包絡譜,與同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下0.5 mm裂紋故障相比,波形變化不明顯,包絡譜未呈現(xiàn)明顯周期性和顯著頻率。

        圖6 0.8 mm裂紋故障狀態(tài)下波形及包絡譜圖(v=10 r/min)

        調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至1 000 r/min,圖7為0.8 mm裂紋故障狀態(tài)下波形及包絡譜圖。將圖7(a)與無故障狀態(tài)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(tài)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(shù)據(jù)包絡譜可見,在0.8 mm故障狀態(tài)下,實際故障特征頻率為97.75 Hz,與內(nèi)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(nèi)圈理論故障特征頻率相近。

        圖7 0.8 mm裂紋故障狀態(tài)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(zhuǎn)速下,振動和聲發(fā)射信號都未呈現(xiàn)明顯的差異;但在高轉(zhuǎn)速的情況下,采用聲發(fā)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(zhuǎn)速,分別檢測有無故障時振動、聲發(fā)射波形及包絡譜圖,結果如下。

        在10 r/min低轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn),帶裂紋軸承在運行時的沖擊會產(chǎn)生大量聲發(fā)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(chǎn)生明顯波動。

        在1 000 r/min高轉(zhuǎn)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(fā)射信號與調(diào)制信號無關,包絡譜分析時不受邊頻帶的影響,因此對聲發(fā)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(fā)射有利于故障早期及低轉(zhuǎn)速下的檢測。聲發(fā)射和振動相結合的方法,可以更全面地監(jiān)測設備的運行狀態(tài),可作為振動故障檢測技術的補充。

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