大型转动机械碰摩故障分析的声发射检测系统
摘 要 汽轮发电机、空气压缩机等采用油膜支撑的大型转动机械，由于安装或运行中的原因，在转子旋转过程中，可能和器壁发生轻微的摩擦和碰击，简称碰摩.声发射技术在碰摩发生特别是故障早期诊断上有优越性.本系统的特点是没有沿用传统的计数、幅度、能量和持续时间等声发射特性参数，而是在声发射包络信号的频率分析中进行特征提取.声发射发生的过程分析和现场试验都表明这种方法对碰摩检测很敏感，在碰摩发生的起始阶段，包络谱中与转速同步的周期性分量显著增加.根据这种新的设计思想自行研制了BUAA碰摩声发射检测仪并对此作了介绍. 关键词 声发射检测装置；故障诊断；转动机构；碰摩 分类号 TP 206.3 汽轮发电机、空气压缩机等用油膜支撑的大型转动机械，由于各种安装或运行中的因素，在转子运转过程中，可能和器壁发生轻微的摩擦和碰击，称为碰摩.这种故障，用常规的振动检测方法效果不理想，特别是难以发现早期故障，而作为一种新的无损检测手段，声发射技术AE(Acoustic Emission)却显示了它的优越性.声发射是指材料或构件内部的局部区域，在外界(应力、温度等)影响下，伴随能量快速释放而产生的瞬态应力波现象[1,2].当碰摩发生时，常伴有较强的声发射信号产生，只要能解决好信号的识别和特征提取，就可以充分利用AE技术灵敏、动态检测、便于故障定位等优点[1,2]来实现转子碰摩的早期故障诊断.根据以上分析，我们研制成功了BUAA碰摩声发射检测仪.经过多次的模拟实验，对方案做了反复的修改和完善，取得了比较理想的结果.
1 测量系统的特点概述 BUAA碰摩声发射检测仪具有以下特点： 1) 在声发射检测中，传感器和前置放大器具有特殊的重要性.因为它们的性能决定了整个AE检测系统的信噪比、动态范围和信息量[3].在AE检测中，除特殊对象以外，主要工作频带在100 kHz～1 MHz.本系统采用的AE传感器和前置放大器都是我们自行研制的[4,5].传感器有两种：一种是宽带的，在50 kHz～1 MHz频段有平坦的响应)典型灵敏度曲线如图1所示)，便于获得更丰富的AE信息，但是灵敏度稍低；另一种是谐振式AE传感器，利用谐振峰附近的高灵敏度(典型曲线如图2所示)，可以显著提高接收时的信噪比，但信息丢失也大.实验表明，两种传感器均能接收到碰摩产生的AE信号，但从波形分析考虑，宽带传感器效果更好一些.前置放大器则从兼顾噪声(<4 μV)、带宽(20 kHz～1.5 MHz)、输入阻抗(1.5 MΩ并联30 pf)和增益(40 db)等综合性能的要求出发，没有采用运放电路，而用分立元件实现.为了有效地抑制现场机械噪声和电气干扰(特别是50 Hz的工频干扰)，前放内部还装有高通滤波器. 它特别适于各种工业过程的连续监控和诊断的现场应用[7]. 3) BUAA碰摩声发射检测仪除%A和B%两路实际的AE信号接收和处理通道以外，还有一个用来提供外界参数的%C%通道.前者同时提供2路AE信号，还可以给出时差信息进行AE源的线定位，从而确定碰摩发生的位置.%C通道用来输入转子的转速信号或其他相关信号.转子转速信号在碰摩检测中具有重要的作用，它为时域及频域的分析提供了一个基准信号.作为时域的基准，可用于对A、B%通道进行严格的同步周期采样，避免或减少信号Fourier变换(FFT)时因非周期截断造成的误差，转速信号经FFT后还为%A、B信号的频域分析提供了基波和各次谐波的频率基准，以便用于碰摩信号的频域识别.还要指出的是，由C通道引入的转速信号为系统采用相关技术获得信号增强和噪声抑制提供了方便.一般认为，%AE%信号的发生具有随机性，但在特定条件下也可能成为准周期性的相关信号.在碰摩发生的��期，信号的包络相对于转速信号有确定的相位关系，因此可以把转速信号作为参考信号，对采集的包络在时域作量化迭加，结果是有用信号相互加强，而噪声则因彼此不相关，而趋于抵消.经m次平均后，获得的信噪比改善是m[8].
2 仪器的软硬件组成 系统的硬件框图如图3所示.A、B通道的主放及信号处理框图如图4所示.主放增益60 %db，可由衰减器对增益作调整.信号经包络检波、低通滤波及幅度调整后进入AD板.在主放板上还设有增益报警电路，其目的是为了获得正确的增益选择，使AD转换有*佳的动态范围.
AD板由单片机控制[9]，来自%A、B、C% 3个通道的信号经过模拟开关定的目标.现场实验也取得了一些结果，尚需进一步积累数据. 下面给出一组模拟实验的典型结果.图6和图7分别是系统采集到的碰摩发生前后声发射信号包络的时域和频域波形图.从图上可以看出，碰摩发生时，包络信号中与转速同步的基频信号特征明显，此外还有若干倍频成分，这可能与碰摩AE信号的尖脉冲形状有关.
2) 主机系统没有采用常见的多通道AE检测系统的结构和传统的表征参数(事件、振铃、门槛计数等)[2,6],而采用了新的物理思想和专用系统.通过对碰摩过程的分析研究，我们认为在碰摩发生的初期，转子和器壁只是在某个局部区域发生接触，碰摩激发出的AE信号是被低频的周期性转速信号(现场大多是50 Hz)调制的，因此可以拾取AE信号的包络作为检测的基本参数.模拟实验也表明：AE信号的包络是碰摩发生的敏感参数，有无碰摩发生，所接收到的信号变化显著；发生碰摩时，包络信号中与转速同频的基波(有时还有它的高次谐波)成分明显增加.这样做给系统研制带来了一系列的优点，不仅提高了故障诊断灵敏度和准确性，而且简化了系统的复杂性，降低了研制成本.AE包络不仅保留了碰摩过程的主要信息，而且可以有效地抑制随机噪声的干扰.例如，大的尖峰脉冲是一般AE系统不易对付的噪声之一，它对振铃计数的影响很大，而且很难通过提高门槛电平来加以消除，但包络信号特别是它的基频分量却对此不敏感.另一个优点是，碰摩发生时的包络和AE信号相比属低频信号，它的后续处理和AD转换都要比对AE信号本身的处理容易得多.另外，类似的专用系统的研制也是当前AE技术发展的一个重要领域，后作AD转换，多通道采样用开关切换分时进行.由于AD是在包络检波后进行的，变换的只是3路低频信号，因此尽管每通道的*高采样率随通道数的增加而降低，却并不影响工作性能. 采样后的数字信号暂存在AD板上，数据存储器容量为4×32 k字节.采样结束后通过接口将板上RAM中的数据传入主机. 检测系统的软件包括3部分：单片机采样，微机前处理和后处理程序.单片机采样程序(图5)用汇编语言编写，内容为接收主机指令；报告主机主放板是否有报警信号；如信号幅度无溢出则根据主机传来的采样频率、通道组合、采样长度等参数进行采样，并将数据暂存在RAM中；采样结束，将RAM中内容通过接口传入计算机内存.这部分程序固化在EPROM中. 微机的前处理软件包括采样通道、频率、长度的选择，采样数据的快速Fourier变换(FFT)，图形显示，屏幕打印数据(采样和频谱)，存储或读出数据(采样和频谱)，并提供二次开发(微机后处理软件)的接口.为方便使用和维护，该部分程序采用多重下拉式菜单式结构，大部分参数可由用户通过菜单选项加以选择. 微机的后处理软件包括时差定位，时域数据的迭加平均，故障分析和模式识别以及由用户二次开发的其它程序.
3 实验测试及结果 实验测试包括实验室和现场两部分.模拟实验是在油膜支撑的转动轴承上进行的，模拟源采用铝质触头和转轴的轻微擦碰，现场实验则在某发电厂机组维修时进行.模拟实验结果良好，系统工作正常，达到了