□ 姜乃銘

寧波大學 機械工程與力學學院 浙江寧波 315211

1 研究背景

滑動軸承作為機器中的常用零部件,一旦失效,會對機器造成嚴重影響,甚至會產生安全隱患,造成安全事故。因此,對滑動軸承摩擦狀態(tài)進行估計與監(jiān)測十分有必要。目前,國內外常用的滑動軸承摩擦狀態(tài)監(jiān)測方法主要有聲發(fā)射監(jiān)測法、光學監(jiān)測法、磨屑分析法和油膜電壓測量法[1],這些方法取得了一定成果,但也存在一些問題。聲發(fā)射監(jiān)測法與光學監(jiān)測法通過聲發(fā)射傳感器與光學傳感器采集信號,進而分析滑動軸承摩擦狀態(tài)[2-3],存在監(jiān)測易受干擾等問題。磨屑分析法通過采集軸承內表面磨屑量來分析摩擦程度[4],存在及時性差、需要停工檢查等問題。油膜電壓測量法一般采用搭建油膜測量電路的方法,存在直接接觸軸承表面、安全性差的問題[5]。為了克服上述問題,筆者采取電機電流信號特征分析的方法,通過采集電機定子端電流信號來分析滑動軸承的工作狀態(tài),具有遠距離監(jiān)測、不影響加工精度、安全性高、實時性強、不易受干擾等優(yōu)點。

電機電流信號特征分析最初用于診斷電動機轉子斷條故障,近年來,越來越多的學者將電機電流信號特征分析用于診斷電動機外接負載故障。楊明等[6]采集電動機定子電流信號,使用頻譜分析方法診斷了齒輪斷齒故障。趙帥等[7]采集機床主軸電機的電流信號,使用主成分分析與隨機森林相結合的方法成功評估了機床刀具的磨損程度。文獻[8]通過分析機床的電流信號,研究了機床導軌的摩擦狀態(tài)變化規(guī)律?；瑒虞S承的摩擦波動可以看作是負載變化,因此采用電機電流信號特征分析來評估滑動軸承摩擦狀態(tài)是可行的。由于滑動軸承的摩擦特征量多表現(xiàn)為非線性非高斯特征,并且電流信號中存在基頻等不包含摩擦特征的無用信號,因此首先采用變分模態(tài)分解方法來分解電流信號,去除無用信號,提取摩擦特征頻段;然后采用對非線性特征十分敏感并且可以抑制高斯噪聲的雙譜估計對摩擦特征頻段進行分析,進而評估滑動軸承的摩擦狀態(tài)。

2 評估方法

2.1 變分模態(tài)分解

變分模態(tài)分解是一種基于約束變分構造的自適應信號處理方法,以每個模態(tài)函數都具有有限帶寬為前提,將信號分解問題轉化為搜尋變分模型最優(yōu)解的過程。與經驗模態(tài)分解相比,變分模態(tài)分解具有嚴格的數學基礎,避免了端點效應和模態(tài)混疊[9-10]。變分約束模型為:

min{um},{ωm}

(1)

式中:um為本征模態(tài)函數;ωm為各模態(tài)函數對應的中心頻率;m為模態(tài)函數數量;t為時間;f為原信號;δ(t)為時間域密度;e-jωmt為信號隨時間旋轉的相位。

(2)

(3)

2.2 雙譜估計

非參數法的雙譜估計分為直接法與間接法,直接法相比間接法,計算量少,效率高,因此筆者采用直接法[11]。

假設有采集長度為N的序列信號{x(i)},i=1,2,…,N,介紹雙譜估計的具體步驟。

(1) 將長度為N的信號樣本{x(i)}分為K段,每段數據有M個點,對第h段數據進行離散傅里葉變換,得:

(4)

(5)

式中:a1、a2為水平軸與豎直軸方向上的兩個頻率;Δ0為雙譜區(qū)域內沿著水平方向和豎直方向的頻率采樣點間隔。

(6)

(7)

(8)

式中:N0為采樣點數;fs為采樣頻率。

2.3 評估流程

對所采集的電機電流信號進行變分模態(tài)分解,對分解后的各個本征模態(tài)函數進行快速傅里葉變換,以表征各個本征模態(tài)函數的頻率成分。去除基頻等無用信號頻段,由于摩擦信號的非線性特征多存在于中高頻段,因此對變分模態(tài)分解出的高頻段本征模態(tài)函數進行重構,得到新的信號。對新的信號進行雙譜估計,得到三維雙譜圖。將隨時間變化的雙譜估計三維圖與由滑動軸承油膜電壓試驗得到的油膜電壓值曲線進行對比,進而評估滑動軸承的摩擦狀態(tài)。

3 試驗設計

建立滑動軸承試驗裝置,如圖1所示。試驗中使用YL7124型感應電動機,通過彈性聯(lián)軸器連接滑動軸承,基于由恒壓電源供電的霍爾傳感器采集電機定子電流信號,并連接數據存儲裝置。選用DPO4034B型示波器來測量電流電壓波形,采樣頻率為2 500 Hz,并保存數據,最后在計算機端進行數據處理。在軸瓦與軸之間建立油膜電壓值測量電路,來保證滑動軸承油膜工作至干摩擦階段。油膜電壓值測量電路如圖2所示,其中RL為油膜電阻,RF為保護電阻。將導線一端連接軸瓦,另一端連接軸,使用電壓表測量油膜電壓值,油膜電壓值降至一個較低值附近,并持續(xù)一段時間后確認試驗結束。電動機轉速為1 500 r/min,切斷油路后測量時間約為300 min,每隔2 min采集一次電壓電流信號。

▲圖1 滑動軸承試驗裝置▲圖2 油膜電壓值測量電路

4 試驗結果

4.1 油膜電壓

測量得到的油膜電壓值如圖3所示。由圖3可以看出,隨著滑動軸承持續(xù)運轉,油膜電壓值逐漸下降,說明軸瓦與軸之間的油膜逐漸變得稀薄。測量不加潤滑油的軸瓦與軸之間電壓值約為0.2 V,說明干摩擦的油膜電壓值約為0.2 V。因此,在測得0.2 V電壓值并保持一段時間后,即可認為滑動軸承已達到干摩擦狀態(tài),保證所提取的電機電流信號包含整個滑動軸承的摩擦狀態(tài)變化過程。

4.2 變分模態(tài)分解

對所采集的電機電流信號進行變分模態(tài)分解,得到變分模態(tài)分解后各本征模態(tài)函數(IMF)波形,如圖4所示。對分解出的各本征模態(tài)函數分量進行快速傅里葉變換,得到變分模態(tài)分解后各本征模態(tài)函數頻譜,如圖5所示。

由圖5可以看出,IMF1是基頻信號,頻率為50 Hz,IMF2的頻率也約為50 Hz,IMF3、IMF4、IMF5的頻率成分為中高頻,因此對IMF3、IMF4、IMF5三個信號進行重構,得到重構信號,如圖6所示。對重構信號進行雙譜估計。

▲圖3 油膜電壓測量結果▲圖4 變分模態(tài)分解后本征模態(tài)函數波形▲圖5 變分模態(tài)分解后本征模態(tài)函數頻譜

▲圖6 重構信號

4.3 雙譜估計

對滑動軸承運轉過程中幾個時間點的重構信號進行三維雙譜估計,得到雙譜估計三維圖,如圖7所示。圖7中兩波峰為正常運轉時的電流諧波,其余波動為摩擦轉矩所帶來的擾動。與油膜電壓值曲線相對比,可以看出初始潤滑階段諧波外頻率稍有波動,此時油膜正逐漸形成,所以存在摩擦波動;隨后波動逐漸減少到只剩兩諧波,此時滑動軸承處于流體潤滑階段,因此波動很少。再隨后波動逐漸增加,此時滑動軸承開始進入干摩擦階段,因此諧波外波動逐漸增加。綜上所述,通過觀測雙譜估計三維圖的波動頻率,可以很好地評估出滑動軸承的摩擦狀態(tài)。

▲圖7 不同時間點雙譜估計三維圖

5 結束語

筆者對基于變分模態(tài)分解與雙譜估計的滑動軸承摩擦狀態(tài)評估進行研究。變分模態(tài)分解有效實現(xiàn)了電機電流基頻信號的濾除,通過重構中高頻信號,成功提取電機電流信號摩擦特征量。

對重構后的信號進行雙譜估計,隨著摩擦的進行,雙譜估計三維圖呈現(xiàn)出非諧波頻率波動逐漸增加的趨勢。通過波動的情況,可以評估出滑動軸承摩擦狀態(tài)的變化。