声发射检测技术用于滚动轴承故障诊断的研究综述
摘 要:声发射是材料受力变形产生弹性波的现象,故障滚动轴承在运转过程中会产生声发射。从几个方面综合阐述了国内外轴承故障声发射检测技术的研究和发展现状,即轴承故障声发射信号的产生机理,故障声发射信号的传播衰减特性,声发射信号的参数分析法和波形分析法对故障特征的描述,轴承故障声发射源的定位问题,根据信号特征进行故障模式识别以及声发射检测和振动检测的比较问题。通过分析总结出滚动轴承声发射检测技术下一步的研究方向,并指出滚动轴承故障的声发射检测是振动检测的有力补充工具,特别是在轴承低转速和故障早期的检测中更能发挥作用。
关键词: 声发射;滚动轴承;故障诊断
滚动轴承是各种旋转机械中*常用的通用零部件之一,也是旋转机械易损件之一。据统计,旋转机械的故障有30%是轴承故障引起的,它的好坏对机器的工作状况影响极大[ 1]。滚动轴承主要损伤形式有:疲劳、胶合、磨损、**、腐蚀、破损、压痕等[ 2]。轴承的缺陷会导致机器剧烈振动和产生噪声,甚至会引起设备的损坏。因此,对重要用途的轴承进行工况检测与故障诊断是非常必要的。
滚动轴承故障的检测诊断技术有很多种,如振动信号检测、润滑油液分析检测、温度检测、声发射检测等。在各种诊断方法中,基于振动信号的诊断技术应用*为广泛,该技术分为简易诊断法和精密诊断法两种。简易诊断利用振动信号波形的各种参数,如幅值、波形因数、波峰因数、概率密度、峭度系数等,以及各种解调技术对轴承进行初步判断以确认是否出现故障;精密诊断则利用各种现代信号处理方法判断在简易诊断中被认为是出现了故障的轴承的故障类别及原因。
振动信号检测并非在任何场合都很适用,例如在汽轮机、航空器变速箱及液体火箭发动机等鲁棒性较低的系统中,轴承的早期微弱故障就会导致灾难性的后果,但是早期故障的振动信号很微弱,又容易被周围相对幅度较大的低频环境噪声所淹没,从而无法有效检测出故障的存在[ 3 ]。由于声发射是故障结构本身发出的高频应力波信号,不易受周围环境噪声的干扰[ 4 ],因此声发射检测方法在滚动轴承的故障诊断中得到了应用。
1 滚动轴承故障声发射检测机理
1.1 声发射检测技术原理
材料受到外力或内力作用产生变形或者裂纹扩展时,以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射[ 5 ] 。用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射检测技术,它是20世纪60年代发展起来的一种动态无损检测新技术,其
利用物质内部微粒(包括原子、分子及粒子群)由于相对运动而以弹性波的形式释放应变能的现象来识别和了解物质或结构内部状态。
声发射信号包括突发型和连续型两种。突发型声发射信号由区别于背景噪声的脉冲组成,且在时间上可以分开;连续型声发射信号的单个脉冲不可分辨。实际上,连续型声发射信号也是由大量小的突发型信号组成的,只不过太密集而不能分辨而已。目前对于声发射信号的分析方法主要包括参数分析法和波形分析法。
1.2 滚动轴承故障声发射源问题
滚动轴承在运行**的情况下,突发型和连续型的声发射信号都有可能产生。轴承各组成部分(内圈、外圈、滚动体以及保持架)接触面间的相对运动、碰摩所产生的赫兹接触应力,以及由于失效、过载等产生的诸如表面裂纹、磨损、压痕、切槽、咬合、润滑**造成的的表面粗糙、润滑污染颗粒造成的表面硬边以及通过轴承的电流造成的点蚀等故障,都会产生突发型的声发射信号。
连续型声发射信号主要来源于润滑**(如润滑油膜的失效、润滑脂中污染物的浸入)导致轴承表面产生氧化磨损而产生的全局性故障、过高的温度以及轴承局部故障的多发等,这些因素造成短时间内的大量突发声发射事件,从而产生了连续型声发射信号。
滚动轴承在运行过程中,其故障(不管是表面损伤、裂纹还是磨损故障)会引起接触面的弹性冲击而产生声发射信号,该信号蕴涵了丰富的碰摩信息,因此可利用声发射来监测和诊断滚动轴承故障。与振动方法不同的是,声发射信号的频率范围一般在20 kHz以上,而振动信号频率比较低,因此它不受机械振动和噪声的干扰,基于声发射监测和诊断滚动轴承故障有其独特的优越性。
1. 3 滚动轴承故障声发射信号传播衰减及测量问题
滚动轴承声发射信号主要是以瑞利波形式传播[ 5 ] 。声发射源发出的信号经过轴承各组成部分的共振放大和滤波、接触面的作用(折射、反射、散射)后由传感器测得,并根据传感器测量方向(径向、轴向)的不同而不同。轴承结构对声发射信号传播影响的机械因子Q具有强烈的不确定性,受轴承座、轴承类型等诸多因素的影响[ 6, 7 ] 。
关于滚动轴承声发射信号的衰减, 不同的研究人员得出了并不尽相同的结论, Catlin[ 6 ]认为,超声频的声发射信号衰减很快,可以用来区别轴承故障与其他干扰源(如不对中、不平衡、轴弯曲等) ,要求测量的传感器尽量接近轴承。Li[ 8 ]对比了滚动轴承故障声发射
和振动信号的衰减,在远离轴承30cm的情况下,声发射信号可以拾取到故障特征, 而振动信号则不能。Morhain[ 9 ]的研究表明声发射信号在同一介质传播中衰减小,而越过介面传播的衰减较大。另外,Mba[ 5 ]指出,表面故障如裂纹、擦伤等,以及表面磨光会导致瑞利波的衰减。
金属材料的声发射信号频率分布范围很宽,从数十千赫兹到数百千赫兹。对于大多数材料研究和构件的非破坏性检测,一般采用单端谐振式声发射传感器,其谐振频率多位于50 kHz～300 kHz内,典型应用为150 kHz,响应频带窄,波形畸变大,但灵敏度高,操作简便,价格便宜,适于大量常规检测。声发射传感器的固定方法一般有磁座式和磁环式两种,要求传感器的固定面光滑平整,涂抹适量的耦合剂以降低信号的衰减。
2 声发射信号参数分析方法用于滚动轴承故障诊断分析
简化波形特征参数分析方法是广泛使用的经典声发射信号分析方法。与全波形信号分析方法相比,参数分析法虽然损失了大量的信息,但是由于它记录速度快,检测分析的实时性强,目前在声发射工程检测中得到广泛应用。参数分析的常用经典方法包括参数随