李翔

摘 要： 聲發(fā)射技術(shù)是一種比較新穎的無損檢測(cè)技術(shù)，能夠針對(duì)貨車滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行有效診斷，通過對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的帶通濾波處理，能夠得到非常明顯的故障特征信息，方便檢測(cè)人員針對(duì)貨車滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分和判斷。本文從軸承故障聲發(fā)射信號(hào)的診斷機(jī)理著眼，配合相應(yīng)的試驗(yàn)研究，對(duì)貨車滾動(dòng)軸承故障聲發(fā)射診斷進(jìn)行了分析和討論。

關(guān)鍵詞： 貨車；滾動(dòng)軸承；故障診斷；聲發(fā)射

前言：在鐵路貨運(yùn)中，滾動(dòng)軸承是非常重要的部件，其本身工作環(huán)境惡劣，容易受到各種外界因素的影響，而一旦滾動(dòng)軸承出現(xiàn)問題，將會(huì)直接影響列車整體的運(yùn)行速度和運(yùn)行安全。將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到鐵路貨車滾動(dòng)軸承故障診斷中，能夠配合相應(yīng)的儀器設(shè)備，結(jié)合聲發(fā)射信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承故障的無損檢測(cè)，準(zhǔn)確區(qū)分軸承狀態(tài)好壞，為故障處理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 軸承故障聲發(fā)射信號(hào)診斷機(jī)理

所謂聲發(fā)射，指材料在外力作用下出現(xiàn)內(nèi)部晶格錯(cuò)位、晶界滑移、裂紋擴(kuò)展或者塑性變形等缺陷的形成及增長(zhǎng)時(shí)，會(huì)通過彈性波來將部分能量釋放出來，利用相應(yīng)的儀器設(shè)備，能夠?qū)β暟l(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、記錄和分析，也可以依照聲發(fā)射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射源實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的分析及判斷，這也就是所謂的聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)本身屬于一種比較新穎的無損檢測(cè)技術(shù)，能夠在不對(duì)構(gòu)件造成破壞的前提下，檢測(cè)其內(nèi)部可能存在的故障和損傷，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

軸承在使用中，存在兩種比較常見的故障，一是表面損傷，主要是因?yàn)闈L動(dòng)軸承在使用中經(jīng)常受到?jīng)_擊性交變荷載的影響，導(dǎo)致金屬構(gòu)件很容易出現(xiàn)塑性變形以及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)相應(yīng)的疲勞裂紋，加上應(yīng)力的相互作用，如果不能及時(shí)進(jìn)行處理，疲勞裂紋會(huì)沿著最大剪應(yīng)力方向，向著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部逐漸延伸擴(kuò)展，在達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)后，會(huì)出現(xiàn)瞬間斷裂的問題。表面損傷通常出現(xiàn)在滾動(dòng)軸承外圈；二是疲勞磨損，主要是指摩擦界面在循環(huán)接觸壓應(yīng)力的周期性作用下出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象，初期可能導(dǎo)致金屬材料內(nèi)部晶格的彈性扭曲問題，如果問題得不到及時(shí)處理，當(dāng)彈性應(yīng)力持續(xù)增大，達(dá)到甚至超過構(gòu)件能夠承受的臨界值后，則可能引發(fā)開裂，并持續(xù)擴(kuò)展，于軸承內(nèi)部或者外圈滾道產(chǎn)生麻點(diǎn)、剝落等問題[1]。無論是哪一種故障，都會(huì)引發(fā)聲發(fā)射信號(hào)，由此可知，聲發(fā)射信號(hào)實(shí)際上可以看做是故障的載體，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地反映缺陷，而通過對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的分析處理，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)貨車滾動(dòng)軸承的在線監(jiān)測(cè)或者臨近破壞預(yù)報(bào)，保證滾動(dòng)軸承的安全可靠運(yùn)行。

2 貨車滾動(dòng)軸承故障聲發(fā)射診斷試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究貨車滾動(dòng)軸承故障聲發(fā)射診斷技術(shù)的應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)如圖1所示的模擬工況試驗(yàn)系統(tǒng)。

系統(tǒng)中，V型壓塊一方面可以對(duì)外圈進(jìn)行固定，另一方面也能夠?qū)S承在實(shí)際運(yùn)行中受到的徑向荷載進(jìn)行模擬，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)速度為380r/min，為了方便對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集，將相應(yīng)的傳感器設(shè)置在軸承外圈貼片上。采集到的聲發(fā)射信號(hào)會(huì)被傳輸?shù)教┛薚DS3012型示波器，然后運(yùn)用基于MATLAB的程序針對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析。

2.2濾波處理

這里的濾波處理主要是基于小波變換的帶通濾波處理，聲發(fā)射信號(hào)本身包含了多組波形，頻譜相當(dāng)豐富。為了最大限度得模擬真實(shí)情況，選擇的滾動(dòng)軸承都是經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，聲發(fā)射信號(hào)采樣頻率高，信號(hào)頻帶寬度達(dá)，采集到的數(shù)據(jù)信息中存在大量背景噪聲，如果采用常規(guī)處理方法，很難將故障信息準(zhǔn)確提取出來，因此，技術(shù)人員需要采取有效措施來減少濾波干擾問題[2]。

基于小波變換的帶通濾波屬于一種現(xiàn)代化信息處理技術(shù)，基本原理是對(duì)信號(hào)的分解與重構(gòu)。為了方便進(jìn)行研究，小波基函數(shù)設(shè)定為db5，能夠?qū)⒇涇嚌L動(dòng)軸承故障的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行8階分解與重構(gòu)。利用TDS3012，對(duì)滾動(dòng)軸承聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單傅里葉變換，可以發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射信號(hào)的能量集中在900-1400Hz，頻率范圍處于第6階，在這種情況下，對(duì)于其他各階的系數(shù)，只需要進(jìn)行置零然后重構(gòu)即可。正常狀態(tài)下26#滾動(dòng)軸承濾波前后的時(shí)域波形圖如圖2所示。

2.3數(shù)據(jù)分析

考慮到開展試驗(yàn)的最終目的是為了對(duì)貨車滾動(dòng)軸承存在故障囊時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，這里從頻域分析和時(shí)域分析中選擇常用參量來作為特征參量，包括均方根值XRMS、裕度L、峭度K以及峰值XPEAK。從方便對(duì)比分析的角度，需要首先對(duì)比不同狀態(tài)下滾動(dòng)軸承聲發(fā)射信號(hào)的無量綱參數(shù)，結(jié)合對(duì)比結(jié)果分析，不同狀態(tài)下，L和K的數(shù)值并沒有很強(qiáng)的規(guī)律性，舉例說明，如果正常軸承K值處于3.0004-4.4305之間，則當(dāng)滾動(dòng)軸承存在內(nèi)圈故障時(shí)，K值通常在2.2369-4.7226之間，與正常值存在明顯的交叉部分，當(dāng)軸承滾子存在故障時(shí)，K值則為2.6140-3.0225之間，同樣與正常值存在重合部分。即便經(jīng)過濾波處理，軸承正常K值可以進(jìn)一步集中在3.2943-3.8497之間，內(nèi)圈損傷聲發(fā)射信號(hào)K值范圍處于2.3402-3.7005之間，重合依然無法完全避免[3]。

事實(shí)上，不僅是K值，L值也存在相同的問題，因此，無論是否經(jīng)過小波濾波處理，對(duì)于滾動(dòng)軸承聲發(fā)射信號(hào)而言，如果采用傳統(tǒng)故障診斷中的無量綱參數(shù)進(jìn)行診斷，則很難保證診斷結(jié)果的全面性和準(zhǔn)確性。

正常情況下，鐵路貨車滾動(dòng)軸承的聲發(fā)射信號(hào)特征頻率集中在1439.7267-1476.3299Hz之間，部分軸承偶爾會(huì)出現(xiàn)在1000Hz左右，而軸承內(nèi)圈故障能量多集中在939.4827-1073.6945Hz之間，滾子損傷頻率方位一般為1110.2977 -1183.5041Hz，軸承類型不同，頻率分布可能存在一定差別，不過差距并不大。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析，上述頻率同樣可能出現(xiàn)重疊，給故障診斷工作造成影響。參考均方根值XRMS進(jìn)行分析，正常情況下，軸承濾波前均方根值范圍相對(duì)集中，為1.3212-1.5494mV，若存在內(nèi)圈損傷，均方根值會(huì)增加到3.0380-3.3099mV，如故障為滾子損傷，均方根值進(jìn)一步增大到5.4076-14.1008mV，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)比，能夠?yàn)楣收显\斷提供可靠依據(jù)[4]。

3 結(jié)語

總而言之，貨車滾動(dòng)軸承在使用過程中，可能出現(xiàn)相應(yīng)的故障和損傷，對(duì)貨車運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性造成影響。傳統(tǒng)無量綱診斷的方式并不能有效區(qū)分滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)，將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到軸承故障診斷中，配合小波變換的濾波手段，能夠突出故障特征信號(hào)，對(duì)軸承故障進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，提升診斷的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]王燕燕.基于聲發(fā)射技術(shù)的鐵路重載貨車滾動(dòng)軸承故障診斷研究[D].中南大學(xué)，2013.

[2]陳春朝.Lab VIEW軟件在貨車軸承故障診斷中的應(yīng)用[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，30（1）：61-66.

[3]劉浩，魯五一.鐵路貨車軸承在線故障診斷智能系統(tǒng)研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2011，（11）：32-33.

[4]范琦山.基于能量分析的列車軸承故障聲發(fā)射信號(hào)研究[J].國(guó)防交通工程與技術(shù)，2013，（a01）：4-5.