趙一帆，齊明俠，趙繼紅，趙煥娟

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061；2.亞大塑料制品有限公司，河北 涿州 072761)

滾動(dòng)軸承在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中是最容易損壞的機(jī)械零件之一。近幾年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)滾動(dòng)軸承的故障檢測(cè)進(jìn)行了廣泛的技術(shù)研究[1-4]，其中最為普遍的是振動(dòng)分析法，而利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)軸承的故障進(jìn)行檢測(cè)的試驗(yàn)研究還比較少。下面根據(jù)聲發(fā)射技術(shù)的特點(diǎn)，利用PAC公司開發(fā)生產(chǎn)的聲發(fā)射硬件及軟件系統(tǒng)，對(duì)軸承聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)采集，對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)首先利用能量分析法進(jìn)行初步故障診斷，然后對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)預(yù)處理，突出聲發(fā)射信號(hào)的非高斯成分，并進(jìn)行FFT變換得到頻域信號(hào)，再利用模糊識(shí)別法中的“擇近原則”，通過(guò)建立隸屬函數(shù)和貼近度函數(shù)，來(lái)完成軸承故障的識(shí)別。

1 軸承聲發(fā)射技術(shù)原理

1.1 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)是指當(dāng)材料受力作用產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，以彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射檢測(cè)(acoustic emission testing，AET)技術(shù)[5]。與普通振動(dòng)信號(hào)相比，聲發(fā)射信號(hào)頻率范圍更寬，信息量更大。利用其高頻段信號(hào)進(jìn)行故障診斷，可以有效地抑制其他低頻干擾信號(hào)，因此信噪比較高。此外，聲發(fā)射信號(hào)對(duì)軸承工作狀態(tài)有響應(yīng)時(shí)間短，變化敏感度好等優(yōu)點(diǎn)[6]。聲發(fā)射傳感器體積小、安裝方便，可以對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.2 軸承聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生

軸承運(yùn)行過(guò)程中，由于失效、過(guò)載和交變載荷作用會(huì)使其表面形成裂紋、磨損、壓痕和膠合等故障。在故障的初級(jí)階段，金屬內(nèi)的晶格發(fā)生彈性扭曲，由原先穩(wěn)定的低能態(tài)晶格變?yōu)椴环€(wěn)定的高能態(tài)晶格，當(dāng)這些晶格的彈性應(yīng)力達(dá)到臨界值后，晶格將會(huì)滑向相鄰的下一個(gè)低能態(tài)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。在這些晶格的狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中將釋放應(yīng)變能，其中一部分應(yīng)變能將以瞬態(tài)彈性波的形式發(fā)射出來(lái)。由于循環(huán)接觸壓應(yīng)力周期性地作用在摩擦表面上，使表面材料疲勞而產(chǎn)生微粒脫落，軸承內(nèi)、外圈滾道上出現(xiàn)麻點(diǎn)、剝落等。伴隨著疲勞損壞故障的發(fā)生，將產(chǎn)生相應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由試驗(yàn)臺(tái)、聲發(fā)射傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用PCI-2型測(cè)量系統(tǒng)和AEwin軟件系統(tǒng)，前置放大器的范圍是20～60 dB，傳感器的頻率響應(yīng)范圍為3 kHz～3 MHz，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為40 MHz。為了減少AE信號(hào)在傳播過(guò)程中的衰減，將傳感器直接安裝在軸承座上預(yù)先制造出的平面上，并采用專用耦合劑進(jìn)行耦合。

圖1 軸承試驗(yàn)臺(tái)裝置示意圖

2.2 試驗(yàn)軸承

試驗(yàn)采用某公司生產(chǎn)的6206軸承，其尺寸參數(shù)為：軸承外徑62 mm；內(nèi)徑30 mm；球徑9.52 mm；球數(shù)為9粒；軸承接觸角α=0°。

2.3 試驗(yàn)方法

采用電火花加工技術(shù)，在試驗(yàn)軸承上加工出缺陷，為了對(duì)比分析，同時(shí)采用另一套完好的軸承進(jìn)行試驗(yàn)。首先，將完好軸承安裝在試驗(yàn)臺(tái)的軸上，在模擬工況條件下，多次采集AE信號(hào)(設(shè)為通道1)，然后換上有缺陷的軸承，在同樣的試驗(yàn)條件下采集AE信號(hào)(設(shè)為通道2)，最后通過(guò)能量分析法、模糊識(shí)別法等進(jìn)行軸承的故障診斷。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 能量分析法

由于聲發(fā)射過(guò)程是一種應(yīng)力波的釋放，即能量釋放過(guò)程，故可以通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)的能量分布變化特征來(lái)進(jìn)行信號(hào)分析。聲發(fā)射信號(hào)的能量正比于聲發(fā)射波形的面積，通常采用方均根電壓Vrms或均方電壓Vms進(jìn)行能量測(cè)量。聲發(fā)射信號(hào)V(t)的均方電壓和方均根電壓定義如下[7]：

(1)

(2)

式中：ΔT為平均時(shí)間，s；V(t)為隨時(shí)間變化的信號(hào)電壓，V。

Vms隨時(shí)間的變化正比于聲發(fā)射信號(hào)的能量變化率，聲發(fā)射信號(hào)從t1至t2時(shí)間內(nèi)的總能量E可由下式表示：

(3)

圖2所示為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻率為15 Hz，采集頻率為200 kHz時(shí)的能量圖。圖3為轉(zhuǎn)速頻率為20 Hz，采集頻率為500 kHz時(shí)的能量圖。

圖2 能量圖(采樣頻率200 kHz)

圖3 能量圖(采樣頻率500 kHz)

由于故障軸承產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)時(shí)釋放能量，并且產(chǎn)生的聲發(fā)射波有較寬的頻帶，將會(huì)使一部分能量落在傳感器的諧振區(qū)內(nèi)引起傳感器的諧振。故障越嚴(yán)重，檢測(cè)到的能量就越大，釋放的能量大小與故障的嚴(yán)重程度有關(guān)。

從圖2和圖3可以明顯地看出，通道2的能量比通道1的大。因此，可以初步判斷通道2的軸承有故障。

3.2 頻譜分析法

上述分析只能初步判斷通道2的軸承是故障軸承，但沒有確定故障的類型，現(xiàn)對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。首先，對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)預(yù)處理，突出聲發(fā)射信號(hào)的非高斯成分，然后再進(jìn)行頻譜分析。

當(dāng)軸承出現(xiàn)損傷時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不同的損傷部位會(huì)有不同的特征頻率[8]。

fr=n/60

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:fr為內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率；fc為保持架通過(guò)內(nèi)圈頻率；f0為保持架通過(guò)外圈頻率；fb為球上一點(diǎn)通過(guò)外圈或內(nèi)圈的頻率；Dpw為球組節(jié)圓直徑，mm；Dw為球徑，mm；α為接觸角；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

由軸承的尺寸參數(shù)計(jì)算出的相應(yīng)特征頻率為：fr=15 Hz,fc=5.97 Hz，f0=53.7 Hz,fb=29.3 Hz。

FFT變換后的頻譜圖如圖4所示。

圖4 通道2的原始信號(hào)和頻譜圖

當(dāng)軸承出現(xiàn)某一故障時(shí)，一般出現(xiàn)以特征頻率為基頻的高次諧波的組合，這時(shí)可以得到頻率與軸承故障之間的關(guān)系如表1所示(q為正整數(shù)；Z為軸承滾動(dòng)體個(gè)數(shù))。將測(cè)得的頻域信號(hào)的高峰值與表1中算出的頻率值相比較，就可以確定軸承的故障類型。

由于采集的軸承聲發(fā)射信號(hào)除了來(lái)自軸承以外，還存在來(lái)自機(jī)械系統(tǒng)的其他干擾信號(hào)。因此簡(jiǎn)單地用測(cè)得的頻域信號(hào)的高峰值與表1中算出的頻率值相比較，難以精確確定軸承的故障類型。

表1 特征頻率與故障類型

3.3 模糊識(shí)別法

鑒于上述問(wèn)題，采用“擇近原則”來(lái)判定軸承的故障類型。

擇近原則是模糊識(shí)別中的一種間接方法，一般用于群體模型的識(shí)別[3-4]。它是指，若Ai,B∈Γ(U)，其中i=1,2,…,m，存在i0(i0∈i)，使

N(Ai0,B)=max{N(A1,B),N(A2,B),…,

N(An,B)}

(8)

則認(rèn)為B與Ai最貼近，即判定B與Ai最為貼近。

應(yīng)用“擇近原則”關(guān)鍵是要建立模糊集的隸屬函數(shù)，然后再進(jìn)行模式識(shí)別。

3.3.1 構(gòu)造隸屬函數(shù)

構(gòu)造隸屬函數(shù)遵循的原則是：應(yīng)使所采集的頻率值與理論計(jì)算所得的各故障特征頻率值盡量接近，這樣其函數(shù)值愈大。本例采用指派方法確定隸屬函數(shù)。所謂指派方法，就是根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)套用現(xiàn)成的某些形式的模糊分布，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)確定分布中所含的參數(shù)。指派隸屬函數(shù)的方法普遍被認(rèn)為是一種主觀方法，可以把人們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)考慮進(jìn)去。根據(jù)采集的聲發(fā)射信號(hào)特征以及多次應(yīng)用實(shí)踐，在此選擇中間型柯西分布隸屬函數(shù)，即：

μj(x)=[1+β(x-βij)γ]-1

(9)

式中：β>0，γ為正偶數(shù)；本例取β=0.05，γ=2。

3.3.2 求每種故障的貼近度并判斷故障類型

應(yīng)用下式求貼近度σ(Ai,B)，根據(jù)σ(Ai,B)值的大小判斷軸承是否有故障及故障類型。

(10)

經(jīng)測(cè)試分析得到軸承的時(shí)域和頻域曲線，用上述模糊識(shí)別法通過(guò)計(jì)算機(jī)編程計(jì)算得到各類故障的貼近度計(jì)算值，如表2所示。

表2 貼近度計(jì)算值

由于聲發(fā)射信號(hào)中包含有大量的其他信號(hào)，故障信號(hào)只占很少的一部分，計(jì)算得出的所有貼近度的值都較小。由上表可見貼近度最大的故障號(hào)為1，查表1即得可能的故障類型為軸承外圈有點(diǎn)蝕。還可以發(fā)現(xiàn)故障號(hào)9的貼近度比較大，可以推測(cè)鋼球也有一定的磨損。

試驗(yàn)完畢，取下兩個(gè)軸承，發(fā)現(xiàn)通道2的滾動(dòng)軸承外圈確實(shí)有很大的點(diǎn)蝕。將軸承拆卸之后，用放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)其中幾個(gè)鋼球有微小點(diǎn)蝕。試驗(yàn)證明滾動(dòng)軸承的故障類型與以上分析相一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

建立的滾動(dòng)軸承故障診斷試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)能量分析法、頻譜分析法和以模糊數(shù)學(xué)為基本原理的模糊識(shí)別法實(shí)現(xiàn)了軸承故障的識(shí)別。結(jié)果表明，AEwin軟件方便，簡(jiǎn)單，易操作，信號(hào)處理比較簡(jiǎn)單，且具有抗干擾性好，檢測(cè)靈敏度高的特點(diǎn)。因此，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)軸承故障診斷具有較好的可行性和有效性，聲發(fā)射技術(shù)亦適于在機(jī)械設(shè)備故障診斷中推廣應(yīng)用。