蔣亞迪 ,盧緒祥 *,2,陳向民 ,2,譚浩宇
(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖南省 長(zhǎng)沙市 410114;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)清潔能源與智能電網(wǎng)湖南省2011 協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南省 長(zhǎng)沙市 410114)
滑動(dòng)軸承是汽輪機(jī)組等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的關(guān)鍵的支承部件.在其實(shí)際工作過程中,由于低速、重載、啟停循環(huán)、斷油以及潤(rùn)滑油雜質(zhì)過多,會(huì)導(dǎo)致其潤(rùn)滑狀態(tài)發(fā)生改變,從而導(dǎo)致故障的產(chǎn)生,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成巨大的安全影響與經(jīng)濟(jì)損失.
滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)的傳統(tǒng)檢測(cè)方法有軸心軌跡測(cè)量技術(shù)、油液分析技術(shù)、噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)、紅外測(cè)溫技術(shù)以及振動(dòng)診斷技術(shù)等[1].但在這些技術(shù)的運(yùn)用過程中,難以對(duì)軸承早期的故障征兆進(jìn)行預(yù)警,且難以將檢測(cè)到的信號(hào)與軸承實(shí)際故障進(jìn)行對(duì)應(yīng).
相較于上文提到的幾種常規(guī)監(jiān)測(cè)手段,聲發(fā)射技術(shù)在運(yùn)用于滑動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的研究中則有其特有的優(yōu)勢(shì).由于聲發(fā)射信號(hào)是從軸承內(nèi)部材料的彈性變形、裂紋擴(kuò)展以及磨損腐蝕等因素產(chǎn)生[2],所以檢測(cè)到的信號(hào)直接來源自材料內(nèi)部的損傷源,能反映材料內(nèi)部真實(shí)的缺陷信息.其次,聲發(fā)射能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)診斷,實(shí)現(xiàn)故障的早期報(bào)警,對(duì)于降低維護(hù)成本與停工損失十分有用.因此,將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于滑動(dòng)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷具有廣闊的應(yīng)用前景.
在工程實(shí)踐中,導(dǎo)致滑動(dòng)軸承出現(xiàn)故障的原因多種多樣.一方面,由于工程機(jī)械的正常摩損或是軸承材料的疲勞損壞,例如啟停機(jī)過程中,由于轉(zhuǎn)速較低使得潤(rùn)滑油膜的承載能力不足,軸頸與軸瓦的接觸摩損產(chǎn)生累積效應(yīng),導(dǎo)致軸承在其使用壽命的后期處于異常摩損狀態(tài);此外,由于滑動(dòng)軸承處于重載高速的工作環(huán)境,當(dāng)出現(xiàn)斷油或是潤(rùn)滑油中雜質(zhì)累積過多時(shí),會(huì)導(dǎo)致軸瓦的擦傷、燒瓦以及軸頸與軸瓦的咬粘等故障的出現(xiàn),這將影響整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行安全.
這些故障最直觀的表現(xiàn)是滑動(dòng)軸承在工作過程中的潤(rùn)滑狀態(tài)的改變,在上世紀(jì)早期,德國(guó)學(xué)者Sribeck 通過實(shí)驗(yàn)將滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)分為邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑以及流體潤(rùn)滑三類,而現(xiàn)階段對(duì)于滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)的研究,也基本照此進(jìn)行.
從晶格理論出發(fā),由于金屬大多為晶體材料,其特點(diǎn)是晶體內(nèi)部原子都是按照一定的規(guī)則進(jìn)行排列,并且由于原子在晶體排列中會(huì)有點(diǎn)缺陷及面缺陷的存在,因此金屬在受到局部應(yīng)力的情況下,使得晶格發(fā)生改變,發(fā)生大量位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),使得材料產(chǎn)生彈性或者塑性變形.在早期的位錯(cuò)理論研究中,研究者提出大多數(shù)的晶體塑性變形過程中的聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生與位錯(cuò)的非平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)有關(guān)[3-5].Mokhtari 等[6]人描述了滑動(dòng)軸承聲發(fā)射源的機(jī)制,當(dāng)兩個(gè)面相互摩擦使得軸承材料的晶格狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)以致發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)釋放出彈性能,從而發(fā)出聲發(fā)射信號(hào).也有一些學(xué)者認(rèn)為聲發(fā)射產(chǎn)生的機(jī)制與位錯(cuò)湮滅有關(guān)[7],這個(gè)理論第一次由Natsik 提出.所以,這些學(xué)者研究之前關(guān)于聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生的微觀機(jī)理并無定論.于是,Pawelek[8]提出了從晶格動(dòng)力學(xué)出發(fā)的聲發(fā)射理論,他對(duì)晶體塑性變形過程中聲發(fā)射的定性孤子進(jìn)行了描述.在他的理論基礎(chǔ)上,Polyzos 等[9]人提出了基于Frenkel-Kontorova 模型的聲發(fā)射產(chǎn)生的孤子描述方法,該理論模型考慮了晶體內(nèi)部單個(gè)粒子的縱向和橫向運(yùn)動(dòng),粒子的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)晶體結(jié)構(gòu)的鏈運(yùn)動(dòng)從而引起聲發(fā)射波的產(chǎn)生.
而在滑動(dòng)軸承中,引起彈塑性變形的主要原因在于軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油液與表面粗糙接觸以及軸瓦與軸頸之間產(chǎn)生的表面接觸.張艾萍[10]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到了固體之間、固體與液體以及液體與液體之間的摩擦接觸都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的結(jié)論.Sun 等[11]人對(duì)軸承金屬的監(jiān)測(cè)研究中指出金屬的彈性變形與塑性變形以及表面裂紋的形成及擴(kuò)展都是潛在的聲發(fā)射源.
通過上述學(xué)者先前的研究可知:聲發(fā)射信號(hào)能夠真實(shí)有效地反映結(jié)構(gòu)中具體的損傷機(jī)制,但是在現(xiàn)階段的研究中仍需進(jìn)行大量工作來了解位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與材料變形以及聲發(fā)射信號(hào)之間的關(guān)系.
在對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的研究中,常將聲發(fā)射信號(hào)分為突發(fā)型信號(hào)和連續(xù)型信號(hào)[7].其中,將在時(shí)域上衰減明顯且可分離的信號(hào)稱為突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào);將在時(shí)域上不可分離且無明顯衰減的信號(hào)稱為連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào);若兩種類型的信號(hào)同時(shí)存在,則稱之為混合聲發(fā)射信號(hào).
而在滑動(dòng)軸承實(shí)際運(yùn)行過程中檢測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)通常為混合型信號(hào),且具有一定的特點(diǎn).當(dāng)軸承處于正常潤(rùn)滑狀態(tài)下,軸承旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致潤(rùn)滑油不斷剪切軸瓦以及軸頸表面的凸起,使得連續(xù)型信號(hào)的產(chǎn)生,并且由于工作表面的粗糙度呈隨機(jī)分布,使得這一部分信號(hào)具有隨機(jī)性及時(shí)變性的特點(diǎn).而當(dāng)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)改變,軸頸與軸瓦發(fā)生直接接觸時(shí),故障的突然出現(xiàn)導(dǎo)致突發(fā)型信號(hào)的產(chǎn)生,并且由于接觸位置和程度的不同,導(dǎo)致信號(hào)具有瞬變性和極大的不確定性.與此同時(shí),在信號(hào)傳播的過程中,由于環(huán)境噪聲的干擾以及傳播路徑的影響,導(dǎo)致信號(hào)的疊加、衰減以及波形的改變,因此難以將原始信號(hào)從接收到的信號(hào)中分離出來.這也是當(dāng)前該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)與難點(diǎn).
在流體潤(rùn)滑狀態(tài)下,由于滑動(dòng)軸承內(nèi)部動(dòng)壓油膜與軸頸和軸瓦的表面凹凸的剪切作用,材料發(fā)生彈塑性變形引起應(yīng)變能的釋放從而產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào).由于材料的彈塑性變形來源于材料分子的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),因此龍起易等[12]人在他們的研究中提出一個(gè)計(jì)算單個(gè)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波振幅波峰的數(shù)學(xué)模型,如式(1)所示.
式(1)中,a 為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由程;vd為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度;其它量則為與材料特性與實(shí)驗(yàn)條件相關(guān)的常數(shù).
在此基礎(chǔ)上,假定多個(gè)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)同時(shí)發(fā)出的聲發(fā)射能量能互相疊加,則在應(yīng)變?yōu)棣艜r(shí),對(duì)于單位體積發(fā)出的聲發(fā)射能量有:
式(2)中,ρmε為運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)密度;為位錯(cuò)自由程的均方根值;則是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度的均方根值.
上文所示的模型對(duì)在具體研究材料內(nèi)部塑性變形的聲發(fā)射過程具有指導(dǎo)意義.
在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于受到接觸表面結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行工況等多個(gè)因素的影響,軸頸與軸瓦表面可能會(huì)存在部分凹凸接觸,使得材料發(fā)生塑性變形從而釋放應(yīng)變能產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào).因此,Baranov 等[13]人對(duì)固體在滑動(dòng)摩擦的過程通過使用偏差理論與連續(xù)隨機(jī)方程建立了關(guān)于粗糙接觸的理論模型,并以此為基礎(chǔ)研究了諸如振幅及振鈴計(jì)數(shù)等聲發(fā)射參數(shù)與粗糙表面摩擦行為之間的聯(lián)系.而這個(gè)理論模型在之后被廣泛參考,F(xiàn)an 等人進(jìn)行了進(jìn)一步的研究,他們以滑動(dòng)摩擦塑性理論為模型構(gòu)造了一個(gè)模型,如圖1 所示[14].
圖1 表面凸起滑動(dòng)接觸模型
在此模型中,將表面粗糙度的接觸描述為光滑平面與參考平面的接觸,同時(shí)將微凸體所有凸峰假定為具有相同半徑的球形來簡(jiǎn)化計(jì)算,最后得到了微凸體在彈性變形中的彈性能釋放率為:
隨后通過這個(gè)模型進(jìn)一步得到了粗糙表面形貌與負(fù)載以及滑動(dòng)速度之間的定量關(guān)系.這個(gè)模型雖然是基于平面的研究,但對(duì)研究滑動(dòng)軸承內(nèi)的粗糙接觸仍有指導(dǎo)意義.在最近的研究中,Sharma 等[15]人基于這類粗糙接觸也提出了一個(gè)理論模型來理解不同的操作因素對(duì)于聲發(fā)射能量的影響.
邊界潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)一步惡化會(huì)導(dǎo)致干摩擦的出現(xiàn),此時(shí)軸瓦與軸頸表面大面積的凹凸接觸,導(dǎo)致更多的彈性接觸引發(fā)應(yīng)變能釋放,出現(xiàn)大量的聲發(fā)射信號(hào).
由于干摩擦狀態(tài)下聲發(fā)射現(xiàn)象的發(fā)聲可以認(rèn)為是滑動(dòng)軸承邊界潤(rùn)滑的出現(xiàn)導(dǎo)致的,因此對(duì)于干摩擦的研究主要在于其聲發(fā)射信號(hào)的表現(xiàn)以及對(duì)故障嚴(yán)重程度的識(shí)別上.秦萍等[16]人通過實(shí)驗(yàn),采取斷油的手段模擬干摩擦狀態(tài),并得出聲發(fā)射信號(hào)在診斷靜載滑動(dòng)軸承接觸摩擦狀態(tài)時(shí)更為有效地結(jié)論.張峻寧等[17]人的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)M突然斷油后的干摩擦狀態(tài)下的摩擦過程,通過使用K-SVD 字典算法對(duì)信號(hào)的沖擊脈沖進(jìn)行時(shí)刻捕捉,并引入鐘形脈沖參數(shù)推導(dǎo)出對(duì)沖擊包絡(luò)信號(hào)的強(qiáng)度簡(jiǎn)化模型,建立起了沖擊信號(hào)與摩擦故障之間的聯(lián)系,為檢測(cè)滑動(dòng)軸承在干摩擦狀態(tài)下接觸摩擦故障提供了一個(gè)新的途徑.李錄平等[18]人曾通過測(cè)量機(jī)組啟動(dòng)與并網(wǎng)帶負(fù)荷過程中的滑動(dòng)軸承聲發(fā)射信號(hào),建立滑動(dòng)軸承與諸如事件計(jì)數(shù)、中心頻率、譜能量不穩(wěn)定度與自相關(guān)最大值等聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)之間的定量變化關(guān)系,為定量診斷滑動(dòng)軸承的狀態(tài)提供了基礎(chǔ)方法.
除此之外,由于潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)的累積也會(huì)破壞滑動(dòng)軸承動(dòng)壓油膜的正常工作,因此在對(duì)潤(rùn)滑油液中的小顆粒雜質(zhì)造成的聲發(fā)射信號(hào)的研究中,Hase 等[19]人早在2009 年提出了一種關(guān)于滑動(dòng)表面有關(guān)于潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)以及軸瓦材料剝落的顆粒物聚集導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的模型,在他的研究中使用了原子顯微鏡觀測(cè)存在于潤(rùn)滑油中的小顆粒物,發(fā)現(xiàn)這些顆粒物會(huì)不斷聚集因而導(dǎo)致摩擦表面的彈性變形產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào),通過研究他們發(fā)現(xiàn):顆粒物與摩擦面產(chǎn)生磨損導(dǎo)致了低幅的連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào),而顆粒物的聚集與轉(zhuǎn)移產(chǎn)生高幅的突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào).而在他們于2015 年的研究[20]中進(jìn)一步改進(jìn)了他們的模型,通過研究他們定量分析了顆粒聚集在早期的聲發(fā)射信號(hào)特征并以此為定量關(guān)系預(yù)估了軸承的使用壽命,并發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射信號(hào)的幅度和頻率是發(fā)現(xiàn)油液中早期顆粒聚集的重要信息.
在滑動(dòng)軸承的實(shí)際運(yùn)行中,當(dāng)軸承處于干摩擦狀態(tài)時(shí)已經(jīng)開始極大程度影響機(jī)組的正常運(yùn)行,因此需及時(shí)判斷出軸承的潤(rùn)滑狀態(tài),以及將聲發(fā)射信號(hào)與故障狀態(tài)進(jìn)行判別需要對(duì)其潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別.
黃琪[21]在其研究中,通過利用軸承材料分子晶格吸收能量而后釋放能量這個(gè)過程中的摩擦功率損失來對(duì)聲發(fā)射進(jìn)行研究,為研究滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)和聲發(fā)射信號(hào)之間的關(guān)系提供了方法.黃琪的研究雖然在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作中驗(yàn)證了聲發(fā)射能有效地判斷滑動(dòng)軸承的摩擦狀態(tài),但是仍有不足之處,例如不能判別故障的具體形式以及在不同工況下的實(shí)用性等問題.因此在之后的研究中,Khamis 等[22]人通過使用能量指數(shù)方法對(duì)加工出的點(diǎn)蝕及磨損缺陷進(jìn)行了模擬信號(hào)的處理分析,驗(yàn)證了聲發(fā)射信號(hào)在正常潤(rùn)滑狀態(tài)下其在低信噪比環(huán)境下的效率及適用性.同時(shí),Mirhadizadeh 等[23]人通過改變流體動(dòng)力軸承的負(fù)載以及轉(zhuǎn)速等因素,研究了軸承功率損耗與聲發(fā)射水平的相關(guān)度并證明了聲發(fā)射技術(shù)在流體動(dòng)壓軸承的應(yīng)用中具有很大的應(yīng)用前景.
要對(duì)滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)預(yù)警以及準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)需有先進(jìn)高效的信號(hào)處理方法和模式識(shí)別方法.在最近的研究中,盧緒祥等[24]人提出了一種基于EMD 及灰色關(guān)聯(lián)分析的方法對(duì)滑動(dòng)潤(rùn)滑狀態(tài)故障進(jìn)行診斷,并通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了他們的方法.相較于以往的研究,他們的方法在一定程度提高了對(duì)于流體潤(rùn)滑、半干摩擦以及干摩擦的診斷的精度與準(zhǔn)確度.與此同時(shí),在國(guó)外,Sadegh 等[25]人提出了基于統(tǒng)計(jì)分析、連續(xù)小波變換、多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法的滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)檢測(cè)方程,他們通過選取有效頻率以及最佳特征來分辨軸承不同的潤(rùn)滑狀態(tài),使用了連續(xù)小波變換及時(shí)頻方法提取特征,其后結(jié)合遺傳算法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來選取分辨特征,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了他們的研究對(duì)于滑動(dòng)軸承的不同摩擦狀態(tài)有較好的分辨率.
除此之外,Shevchik 等[26]人也提出了自己的關(guān)于摩擦機(jī)理的分類方式,他們將軸承運(yùn)行狀態(tài)分為磨合階段、平穩(wěn)階段、預(yù)刮傷階段與刮傷階段,通過使用聲發(fā)射技術(shù)的時(shí)頻特征以及隨機(jī)森林算法,對(duì)聲發(fā)射能量、聲發(fā)射熵值以及聲發(fā)射信號(hào)的統(tǒng)計(jì)信息與各特征對(duì)于不同摩擦狀態(tài)的響應(yīng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明他們通過新的技術(shù)手段可以達(dá)到在刮傷發(fā)生5 分鐘之前進(jìn)行預(yù)警的效果.
同時(shí),Asamenne[27]通過將旋轉(zhuǎn)周期摩擦轉(zhuǎn)化為在兩平板間發(fā)生的滑動(dòng)摩擦過程,檢查了聲發(fā)射信號(hào)頻率特性與表面粗糙度以及負(fù)載、相對(duì)速度之間的聯(lián)系.Schnabel 等[28]人通過使用格林方程與模擬光譜研究了單個(gè)彈性流體潤(rùn)滑接觸的聲發(fā)射特性.Hamel等[29]人研究了油膜特性與聲發(fā)射信號(hào)的聯(lián)系.同時(shí),Pengyi Tian 等[30]人介紹了影響表面摩擦聲發(fā)射表現(xiàn)的諸如材料類型以及表面形貌的多種因素,并提出了一種多物理因素的信號(hào)相關(guān)分析方法來研究接觸面的摩擦行為的方法.Khan 等[31]人則使用聲發(fā)射技術(shù)與掃描電鏡原位測(cè)試相結(jié)合的方法研究微觀損傷的發(fā)展,他們的研究為研究聲發(fā)射現(xiàn)象在微觀層面的發(fā)生機(jī)理提供了一種新的方法.
作為一種新的無損檢測(cè)手段,聲發(fā)射技術(shù)在滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)中有其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì),也有其研究不足的地方.
首先在聲發(fā)射產(chǎn)生機(jī)理方面的研究中,雖然許多學(xué)者對(duì)滑動(dòng)軸承內(nèi)部聲發(fā)射機(jī)理、材料內(nèi)部聲發(fā)射現(xiàn)象微觀方面的產(chǎn)生機(jī)制以及聲發(fā)射現(xiàn)象在摩擦學(xué)范疇內(nèi)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了大量研究,但是,現(xiàn)階段的研究工作并沒有將微觀層面的聲發(fā)射與具體的工程應(yīng)用對(duì)應(yīng)起來,因此在將來的研究工作中,進(jìn)一步掌握微觀層面的機(jī)理與宏觀表現(xiàn)以及具體故障之間的聯(lián)系,將促進(jìn)聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生長(zhǎng)足的發(fā)展.
而對(duì)于滑動(dòng)軸承內(nèi)部聲發(fā)射產(chǎn)生模型,雖然對(duì)基于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論以及粗糙接觸的聲發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行了一定研究,但是對(duì)于滑動(dòng)軸承內(nèi)部液體動(dòng)力潤(rùn)滑的研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段,加之聲發(fā)射現(xiàn)象的產(chǎn)生受到材料、工作環(huán)境以及機(jī)器運(yùn)行情況等多個(gè)方面的影響,因此將來還應(yīng)有大量基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究工作需要開展.
對(duì)于聲發(fā)射技術(shù)在滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究來說,現(xiàn)階段雖然多種方法綜合下對(duì)滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑狀態(tài)的信號(hào)處理、特征提取以及模式識(shí)別手段已經(jīng)取得了一定程度上的成果,但是仍無通用的將具體故障形式以及潤(rùn)滑狀態(tài)精準(zhǔn)判別標(biāo)準(zhǔn),在將來若能誕生聲發(fā)射信號(hào)與潤(rùn)滑狀態(tài)乃至具體的故障形式及其早期征兆的對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),則聲發(fā)射技術(shù)將在無損檢測(cè)領(lǐng)域大有可為.