大電機(jī)滑動軸承磨損的光學(xué)監(jiān)測新方法

董鑒鋒

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

大電機(jī)滑動軸承磨損的光學(xué)監(jiān)測新方法

董鑒鋒

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司， 黑龍江哈爾濱 150040)

指出了滑動軸承劣化雖然可以采用不同的診斷方法，但是實(shí)踐表明，鐵粉粒子分析技術(shù)才是能夠發(fā)現(xiàn)以往不能檢測出來的磨損、燒結(jié)、疲勞剝離等故障的新方法。為了預(yù)防軸承劣化，防患于未然，應(yīng)當(dāng)采用采用雙色顯微鏡的圖像處理技術(shù)和三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法，并通過軸承磨損粒子來實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測診斷的新技術(shù)。這種新方法的應(yīng)用效果很好，正在推廣應(yīng)用中。

軸承磨損；光學(xué)監(jiān)測；磨損粒子

0 引言

大型電機(jī)的運(yùn)行故障主要是絕緣破壞、軸承劣化、電刷和集電環(huán)磨損等。軸承劣化的診斷方法有：低頻振動法、光譜分析法、振動加速法、鐵粉(磨損粒子)分析法等。 鐵粉分析法是利用雙色光學(xué)顯微鏡目測來確定磨損粒子的種類、數(shù)量和大小。 由于采用了圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷方法，從而實(shí)現(xiàn)了磨損粒子的自動檢測，提高了診斷的準(zhǔn)確性。

1 鐵粉測定原理

鐵粉分析法，是應(yīng)用鐵粉測定器將潤滑油中的磨損粒子分離出來，并通過雙色顯微鏡進(jìn)行分析的方法。采用油泵將采集的潤滑油輸送到長度約為 55 mm 的呈現(xiàn)傾斜狀態(tài)的玻璃滑板上。玻璃板下置有磁場，其強(qiáng)度由滑板的高處向低處逐步增強(qiáng)。 潤滑油中材質(zhì)和尺寸各異的磨損粒子，在磁力、重力和潤滑油擠壓力的綜合作用下，分別沉淀在玻璃板上各自的位置。 而在玻璃板的高處，即潤滑油試樣的入口處，則沉淀著比較大的磁性粒子。雙色顯微鏡工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 雙色顯微鏡工作原理示意圖

雙色光學(xué)顯微鏡由兩個(gè)部分組成 ：(1) 目鏡部分——由目鏡、濾光器和反射光源組成，能夠透射白色反射光；(2) 物鏡部分——由物鏡、鉻鐵滑板、濾光器和透射光源組成，能夠透射綠色偏振光，清晰地觀察到粒子的形狀、材質(zhì)、種類及其成因，從而可以判斷軸承損傷的性質(zhì)。除了雙色光學(xué)顯微鏡而外，它還包括攝像機(jī)、圖像轉(zhuǎn)換機(jī)、計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器等。 攝像機(jī)的顯微鏡放大能力為500倍。 由于非金屬晶粒比其它粒子大，所以只要200倍即可。根據(jù)磨損粒子的大小和數(shù)量，便可以判斷損傷程度、磨損粒子的種類及其成因見表 1。

表1 軸承磨損粒子的種類及其成因

2 磨損粒子特征

為了識別磨損粒子的種類，采用輸入圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行對比的方法。根據(jù)粒子的大小、形狀和顏色等，便可以判斷粒子的面積、周長、圓度以及顏色亮度等特征值。這種將圖像數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理來判斷粒子特征值的技術(shù)，稱為前處理。此外，還要進(jìn)行第二個(gè)處理過程，即：采用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識別。 此時(shí)采用的輸入數(shù)據(jù)是經(jīng)過前處理程序取得的各種粒子特征值，而不能直接采用圖像數(shù)據(jù)。

經(jīng)過前處理以后獲得的磨損粒子特征值數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 磨損粒子特征值 p.u.

3 前處理程序

在前處理階段獲得的磨損粒子標(biāo)準(zhǔn)特征值，包括亮度在內(nèi)的2個(gè)雙值化極限值(即上限值和下限值)及與形狀有關(guān)的面積、周長、圓度等共 5 個(gè)參數(shù)，應(yīng)當(dāng)采用五維空間表達(dá)方式。 但是有一定困難。 所以將它分為兩個(gè)部分，即亮度的二維變換和形狀的三維變換。 此外，還采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對應(yīng)空間分布，實(shí)現(xiàn)粒子類別的劃分。

3.1 亮度特征值

進(jìn)行前處理時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)計(jì)算輸入計(jì)算機(jī)的圖像像素的亮度，即根據(jù)色澤模型的定義計(jì)算出色度和亮度。 根據(jù)這個(gè)亮度值，并通過直方圖，便能確定各種磨損粒子的固有亮度特征值。

3.2 圖像雙值化

根據(jù)顏色模型確定粒子亮度的上、下限值，并應(yīng)用極限值將圖像中的磨損粒子實(shí)現(xiàn)雙值化。

3.3 粒子貼標(biāo)簽

通過貼標(biāo)簽，可以查明在具有 512×480 像素的圖像中的粒子數(shù)量。

3.4 消除噪聲

由于圖像中含有背景噪聲，所以必須進(jìn)行清除噪聲的處理程序。

3.5 輪廓線跟蹤

3.6 圖形計(jì)算

對于已經(jīng)貼過標(biāo)簽的各種粒子，進(jìn)行計(jì)算與粒子形狀特征有關(guān)的參數(shù)值。其中包括 面積周長和圓度等。 最后以面積和周長為基礎(chǔ)，測出形狀復(fù)雜度，作為特征值。而 圓度= 4π×(面積 ) / (周長)2。

4 特征值正規(guī)化

在進(jìn)行雙值化處理過程中，共有下述5個(gè)參數(shù)，構(gòu)成特征空間分布：即亮度的上限值和下限值，以及與圖形有關(guān)的面積周長和圓度。由于特征軸的處理方法不同，必須進(jìn)行特征軸的正規(guī)化。實(shí)施正規(guī)化的方法很多，比較適用的還是采取使各軸的平均值相等的方法。

在采用三層分級式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對實(shí)施正規(guī)化的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行磨損粒子種類識別時(shí)，輸入層單元數(shù)為5(即5個(gè)特征值參數(shù))，輸出層單元數(shù)為8(磨損粒子種類共有8種)，中間層單元數(shù)為10～60。各種磨損粒子的數(shù)量是不同的，這與它們發(fā)生的頻度有關(guān)，數(shù)量多的粒子發(fā)生的頻度比較高；數(shù)量少粒子發(fā)生的頻度比較低。詳見表3。

當(dāng)粒子總數(shù)為330時(shí)，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別率平均值約為90%。磨損粒子的識別率，因粒子的種類而異。對于異常磨損的粒子，比如破碎滑動、切削、磨損、球形黑色氧化等，應(yīng)當(dāng)采用82%～97%的高識別率來檢測。至于有些粒子的識別率比較低，比如：正常磨損、非鐵金屬等粒子，是因?yàn)樗鼈兊奶卣鬏S分布的離散型太大而造成的。

表3 各種粒子的識別率 %

5 應(yīng)用實(shí)例

在一臺200 MW汽輪發(fā)電機(jī)組的滑動軸承上，采用了這種光學(xué)監(jiān)測裝置。在運(yùn)行時(shí)間達(dá)到大修間隔期的8 000 h以前，潤滑油光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)的屏幕上顯示的粒子特征值如下：圓度為0.95，面積為0.77，周長為1.1，亮度上限為1.7，亮度下限為0。很明顯，根據(jù)這種粒子特征值可以判斷它屬于典型的“切削磨損”。

在后來的大修期間，檢驗(yàn)滑動軸承鎢金瓦的內(nèi)表面，已經(jīng)呈現(xiàn)橢圓形，證明滑動軸承副由于磨損而導(dǎo)致不穩(wěn)定的相對滑動。采取的修復(fù)措施是刮瓦，并更換潤滑油，效果良好。

通過對潤滑油中雜質(zhì)成分的檢測和定性來判斷軸承副磨損情況這種方法，多年來就已經(jīng)普遍應(yīng)用?，F(xiàn)在采用的這種雙色顯微鏡方法，可以取代人工取樣化驗(yàn)的方法，從而實(shí)現(xiàn)了在線自動監(jiān)測，并提高了診斷的準(zhǔn)確性。這種方法正在大型汽輪發(fā)電機(jī)組上推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

采用雙色顯微鏡的圖像處理技術(shù)和三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法，并通過軸承磨損粒子來自動監(jiān)測診斷滑動軸承劣化，是避免軸承致命損傷、防患于未然的最先進(jìn)的新技術(shù)。它能檢測出來以往不能發(fā)現(xiàn)的軸承損傷狀態(tài)，如磨損、燒結(jié)、疲勞剝離等。它不僅能夠廣泛用于各種大型和中型電機(jī)，也可以應(yīng)用于汽輪機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、鐵路機(jī)車、汽車等領(lǐng)域的油壓機(jī)械、精密機(jī)械的軸承診斷。

·信息點(diǎn)滴·

英國首座漂浮太陽能發(fā)電場建成

近日，英國第一座漂浮的太陽能發(fā)電場在伯克郡建成。該漂浮發(fā)電陣列位于沃格雷夫附近的Sheeplands農(nóng)場，由800塊太陽能板組成，總裝機(jī)容量為200 kW，共耗資25萬英鎊。

農(nóng)場主Bennett的太陽能發(fā)電場采用了CieletTerre公司的組件化Hydrelio系統(tǒng)，太陽能板用100%可回收材料制成，預(yù)期使用壽命高達(dá)30年。飲用水水庫上也可以安全安裝發(fā)電場。這座發(fā)電場投資將在6年內(nèi)獲得收益，在未來的20年中，Bennett將每年可獲得20 500英鎊的補(bǔ)貼，農(nóng)場每年將節(jié)省2.4萬英鎊電費(fèi)。Bennett還專門成立一個(gè)名叫FloatingSolarUK的公司來推廣這項(xiàng)技術(shù)。

法國和印度也建造了這種水上漂浮的太陽能發(fā)電專案，而日本也計(jì)劃在大坂附近建造世界上最大的漂浮太陽能發(fā)電項(xiàng)目(電能產(chǎn)量高達(dá)1.7 MW)，CieletTerre公司也參與了日本漂浮發(fā)電站的建設(shè)。

20140406