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滚动轴承在旋转机械中是最容易损坏的机械零件之一。因此,滚动轴承的故障检测一直是研究的热点。对于高速行驶的铁路货车轴承的不分解检测,更是研究的重点。传统货车轴承的检测是利用加速度传感器拾取滚动轴承产生的振动信号,经信号分析、阈值判断来进行检测。但是这种方法需要一套转速不低于300 r/min的滚动轴承大型拖动装置[1],有些装置还需要加载荷。一套货车滚动轴承在正常使用时所承受的载荷约为10 t,转速大约为400 r/min,传统的检测方法需要在检测时模拟正常使用的工况,但无法在列检和站修时使用。沧州欧谱本文研制了基于声发射检测技术的滚动轴承故障检测仪,能够在低速(<40 r/min)轻载下有效检测货车轴承的故障。 1 滚动轴承声发射信号机理 滚动轴承的疲劳故障,是由于轴承经常受到交变载荷作用,使轴承金属件内部产生位错运动和塑性变形,首先产生疲劳裂纹源,然后沿着最大切应力方向向金属内部扩展,当扩展到某一临界尺寸时就会发生瞬时断裂。而疲劳磨损是由于循环接触压应力周期性地作用在摩擦表面上,使表面材料疲劳而产生微粒脱落的现象。这种故障的发生过程是在初期阶段,金属内晶格发生弹性扭曲;当晶格的弹性应力达到临界值后,开始出现微观裂纹;微观裂纹再进一步扩展,就会在轴承的内、外圈滚道上出现麻点、剥落等疲劳损坏故障。保持架断裂处在轴承转动过程中会与滚动体及内外滚道或断裂部分之间相互摩擦碰撞,导致声发射现象。这些故障的发生与发展,都伴随着声发射信号的产生。各种材料声发射的频率范围很宽,金属材料声发射频率可达几十到几百兆赫,其信号的强度差异一般只有几微伏[2、3]。 目前国内外采用的诊断方法有振动谱分析法、铁谱分析法和铁磁分析法。在实际现场中应用会受到不同程度的限制,如铁谱分析法适用于实验室环境且设备昂贵;振动谱分析法受到轴承安装和工作状况的影响;铁磁分析法易受到现场电磁干扰。为了适应RD2型货车轴承现场检测的要求,提出了使用声发射技术进行轴承的现场在线检测。 由于滚动轴承的故障信息较微弱,而背景噪声强,因此与传统的振动信号分析法比较,用声发射法进行故障监测诊断有以下主要优点。 (1)特征频率明显。声发射信号频谱较宽,而振动信号相对较低。用声发射的高频信号特性(几十千赫以上)可有效抑制干扰,提高检测正确率。 (2)预报故障时间早。载荷和工作转速完全相同的条件下,同时用声发射和振动信号监测轴承工作状态时,由于轴承微裂纹要经过一个慢扩展阶段,这个阶段还不足以引起轴承明显振动,而声发射信号已经比较明显,因而声发射法能早期预报和诊断故障。 声发射法特别适用于现场检测。检测装置简单,体积小,可靠性高,抗干扰性好,使用方便。沧州欧谱其次,不需要将轴承高速旋转,只需利用人工将轴承提速旋转即可,特别适合例行车检。 在低速轻载的工况下进行故障轴承的检测时,大量的外界噪声和与轴承故障无关的信号会产生干扰。因此,声发射检测技术的频带宽度选择非常关键。经过大量的实验发现,轴承故障的声发射信号频带在50~500 kHz之间。因此选择了50 kHz的高通滤波器作为前置放大电路之后的滤波器。这样既保证了低频率的噪声不会进入,同时保证了故障信号损失较小。经过50kHz高通滤波后,正常和故障轴承的时域上波形示意图见图1和图2。 2 检测方案 2.1 检测装置的设计 为了便用操作和测量,将轴承检测仪安装在轴承的端盖上。用磁铁将传感器吸附在螺钉钉头上,传感器与螺钉头中间用黄油保证密贴。列检测量时,用液压千斤顶将货车负载支起,用手或小型工具转动轴承进行检测,如图3所示,检测仪的体积为?120mm×67mm。 2.2 检测仪的工作原理 声发射信号处理流程和检测的工作原理如图4所示。 2.2.1 包络分析器和低通滤波器 声发射故障信号经高通滤波器、包络分析器和低通滤波器处理后,进一步剔除了时域尖峰信号的干扰,为后续故障识别器提供较稳定的识别信号。 2.2.2 故障识别器 采用双阈值法(即对故障信号的幅度和宽度分别设立独立阈值)识别轴承是否有重大故障。轴承重大故障基本表现为机械冲击而产生的脉冲电信号,此信号具有一定的幅值高度和时域宽度,设定幅度阈值是用于识别故障的严重程度,设定时域宽度阈值是用于剔除外界电脉冲产生的尖峰干扰,从而识别有一定时域宽度的故障信号。一般情况下,轴承故障越严重,在其转动时表现出的机械冲击强度越大,产生的声发射能量也越大,故障信号时域宽度也越宽。因此,时域宽度阈值的设定一方面有效剔除外界干扰,另一方面也进一步识别故障的严重程度。对这两种阈值判别器的输出采用逻辑“与”的方法,即两者均满足条件时,即认为故障确实发生,因此,这种方法不仅能有效地识别故障严重程度,而且极大地防止误报。[mem] 2.2.3 计数器 用于防止外界噪声信号的干扰。等待声发射信号超过双阈值若干次后才报警,提高系统的容错能力。双阈值和计数器判定相结合,形成多阈值判别方法。 3 实验分析 检测仪的实际参数:幅值的阈值为320 mV,脉宽的域值为0.006 ms,计数次数为3次。焊缝探伤仪http://www.hanfengtanshangyi.com对36个故障轴承进行测量,准确率达到了85%,误报率小于15%,测量结果见图5~图10。从图中可 以看到,故障轴承与正常轴承在时域上的信号有很大的差别。故障信号不但有较大的尖峰值,而且还具有较宽的宽度,与理论分析的基本一致。同时也可以发现,由于检测仪安装在轴承的端盖钉头上,外圈发生故障后信号传播的路径要长于滚子和内圈故障,因此信号损失较大,幅值较低,从而造成轴承内圈滚道和滚子的故障信号较强,而轴承外圈的故障信号较弱。 4 结论 利用声发射信号进行轴承故障检测,减少了噪声和工况的干扰,使得轴承故障分解检验在 低速轻载下也可以完成。 设计的检测仪采用了模拟信号处理和无CPU数字处理的诊断方案,原理清晰,实施简便。既减少了系统配置,又增加了可靠性,达到了实时监测的目的。 |
