基于聲發(fā)射波形流信號(hào)的滑動(dòng)軸承故障特征雙譜分析

張穎，樊瑞筱，叢蕊，張盛瑀，楊云飛

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2.中國(guó)石油大慶煉化公司，黑龍江 大慶 163000)

滑動(dòng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，在摩擦和碰撞過(guò)程中將產(chǎn)生彈性應(yīng)力波，可以用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)[1-3]。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)[4]。然而，傳統(tǒng)聲發(fā)射采集信號(hào)是間斷性、非連續(xù)的信號(hào)，采集不到完整的周期信號(hào)；而聲發(fā)射波形流技術(shù)能夠?qū)⒉ㄐ螖?shù)據(jù)連續(xù)的記入計(jì)算機(jī)的物理內(nèi)存，以高采樣率完成固定長(zhǎng)度的聲發(fā)射周期性信號(hào)采集，為后期分析提供完整可靠的數(shù)據(jù)。另外，對(duì)采集到的聲發(fā)射波形流信號(hào)進(jìn)行雙譜分析，通過(guò)雙譜分析三維圖及等高線圖，可以表現(xiàn)出滑動(dòng)軸承不同故障類型的特征，據(jù)此判斷軸承故障的產(chǎn)生及類型。

1 非接觸式聲發(fā)射檢測(cè)與波形流技術(shù)

滑動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)是平穩(wěn)的連續(xù)性信號(hào)；但出現(xiàn)故障時(shí)，缺陷位置會(huì)產(chǎn)生突發(fā)型的撞擊信號(hào)，并且呈周期性出現(xiàn)。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的基本原理就是用靈敏儀器接收和處理采集到的聲發(fā)射信號(hào)，通過(guò)對(duì)聲發(fā)射源特征參數(shù)的分析和研究，推斷出材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部活動(dòng)缺陷的位置、變化程度和發(fā)展趨勢(shì)[5]。結(jié)合聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的原理，滑動(dòng)軸承故障非接觸聲發(fā)射檢測(cè)的原理如圖1所示[6]。

波形流技術(shù)能夠獲取完整的聲發(fā)射信號(hào)，在周期性聲發(fā)射數(shù)據(jù)的采集上得到廣泛的應(yīng)用，軸承的聲信號(hào)就具有周期性，所以更能體現(xiàn)波形流功能的優(yōu)勢(shì)。運(yùn)用聲發(fā)射波形流技術(shù)可以實(shí)時(shí)、長(zhǎng)時(shí)間地采集連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)，后續(xù)分析時(shí)既可以查看多周期特點(diǎn)，也可以對(duì)局部波形進(jìn)行放大分析。運(yùn)用波形流技術(shù)采集到的聲發(fā)射信號(hào)如圖2所示，該信號(hào)采樣率為1 MHz，采樣時(shí)長(zhǎng)為1 s。局部峰值放大信號(hào)是原信號(hào)被2條直線分割后放大的波形，被放大的部分是一個(gè)典型的聲發(fā)射突發(fā)型信號(hào)。

圖2 聲發(fā)射波形流信號(hào)示意圖

2 滑動(dòng)軸承模擬故障聲發(fā)射測(cè)試

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)由滑動(dòng)軸承模擬故障測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)和聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)組成。如圖3所示，采用RK-4 Rotor Kit型轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，調(diào)速范圍為200～10 000 r/min，能夠模擬實(shí)際的轉(zhuǎn)子工況。

圖3 滑動(dòng)軸承模擬故障試驗(yàn)臺(tái)

采用PCI-2型聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)獲取波形流。該系統(tǒng)選用WD寬帶傳感器，2/4/6型前置放大器，傳感器安裝在中點(diǎn)位置的軸支承架上。waveform streaming(波形流)設(shè)置位于 Acquisition Setup(采集設(shè)置)菜單項(xiàng)下的 Hardware(硬件)菜單項(xiàng)中,采用人工觸發(fā)的方式。在采集過(guò)程中使用流功能時(shí)，Enable streaming必須選中。進(jìn)行多次模擬采集試驗(yàn)，研究波形流的各個(gè)采集參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。設(shè)置門(mén)檻值類型為固定型,門(mén)檻值為30 dB,波形設(shè)置中采樣率為1 MHz，預(yù)觸發(fā)時(shí)間設(shè)置為1.024 ms，可記錄長(zhǎng)度為500 s。

2.2 模擬故障試驗(yàn)

采集不同轉(zhuǎn)速下同一故障和同一轉(zhuǎn)速下不同故障的聲發(fā)射波形流信號(hào)進(jìn)行分析，分別研究轉(zhuǎn)速對(duì)滑動(dòng)軸承故障特征的影響和不同故障的聲發(fā)射波形流信號(hào)特征。具體試驗(yàn)方案如下：

1)設(shè)定9組不同轉(zhuǎn)速，分別為240，720，1 200，2 160，2 640，3 120，3 600，4 080和4 560 r/min。采集這些轉(zhuǎn)速下不同故障的聲發(fā)射波形流信號(hào)，研究轉(zhuǎn)速對(duì)滑動(dòng)軸承故障特征的影響。

2)模擬不同的故障，分析同一轉(zhuǎn)速下不同故障所表現(xiàn)的不同特征。在轉(zhuǎn)子的平衡盤(pán)上加平衡重模擬不平衡狀態(tài)；手持摩擦棒，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中保持摩擦棒頂端與轉(zhuǎn)子表面始終處于接觸狀態(tài)，模擬轉(zhuǎn)子的碰摩狀態(tài)；將滑動(dòng)軸承的軸承座傾斜一個(gè)角度，使轉(zhuǎn)子和軸承形成不對(duì)中狀態(tài)。分別采集在上述9種轉(zhuǎn)速下不平衡故障、摩擦故障和不對(duì)中故障的聲發(fā)射波形流數(shù)據(jù)。

3 模擬故障聲發(fā)射波形流信號(hào)的分析

3.1 時(shí)域分析

3.1.1 不同轉(zhuǎn)速

2個(gè)傳感器采集到的信號(hào)基本一致，因此只對(duì)通道1傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。提取不同轉(zhuǎn)速下各種故障狀態(tài)的聲發(fā)射波形流峰值信號(hào)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知：隨著轉(zhuǎn)速的增加，正常和各個(gè)故障狀態(tài)的峰值都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生共振，共振時(shí)波形圖中產(chǎn)生明顯的波峰，波形的幅值明顯增大，峰值電壓值明顯高于其前后各相鄰轉(zhuǎn)速下的峰值電壓值。

表1 不同故障聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域圖的峰值電壓

3.1.2 同一轉(zhuǎn)速

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，各種狀態(tài)都沒(méi)有出現(xiàn)共振現(xiàn)象，該轉(zhuǎn)速下10個(gè)周期的聲發(fā)射波形流信號(hào)時(shí)域圖如圖4所示。在1 200 r/min的轉(zhuǎn)速下，0.5 s的采樣時(shí)間內(nèi)理論上應(yīng)該出現(xiàn)10個(gè)周期，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論值完全吻合。體現(xiàn)了聲發(fā)射信號(hào)的高靈敏度，證明波形流數(shù)據(jù)能夠采集到完整的周期性聲信號(hào)。

圖4 1 200 r/min下的聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域圖

正常狀態(tài)下滑動(dòng)軸承的峰值電壓為0.039 mV，采集到的聲發(fā)射波形流信號(hào)是連續(xù)、平穩(wěn)的信號(hào)?；瑒?dòng)軸承處于故障狀態(tài)時(shí)，可以明顯看出時(shí)域圖中有突發(fā)型的峰值電壓，圖中出現(xiàn)1次波峰代表實(shí)際測(cè)試中故障撞擊了1次。從圖中可以看出：滑動(dòng)軸承處于不平衡狀態(tài)時(shí)，峰值電壓約0.054 mV；處于摩擦狀態(tài)下的峰值電壓約0.043 mV；不對(duì)中狀態(tài)下采集到的聲發(fā)射波形流信號(hào)中峰值電壓增加最明顯，約為0.108 mV。說(shuō)明在相同轉(zhuǎn)速下，故障狀態(tài)的峰值電壓值高于正常狀態(tài)的峰值電壓，根據(jù)時(shí)域圖能夠初步判斷是否發(fā)生故障，但是不能體現(xiàn)每種故障的特征，還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3.2 雙譜分析

滑動(dòng)軸承的聲發(fā)射信號(hào)是非高斯、非線性的。高階譜分析對(duì)高斯噪聲具有不敏感性，在抑制噪聲方面具有顯著的效果，為強(qiáng)噪聲背景下的微弱、復(fù)雜信號(hào)檢測(cè)提供了一個(gè)新的途徑和方法。高階譜中的雙譜分析方法最簡(jiǎn)單，不僅彌補(bǔ)了功率譜中不包含相位信息的缺陷，還能有效地抑制噪聲，揭示信號(hào)頻率之間的非線性耦合現(xiàn)象，突出故障特征頻率[7]，從而確定故障類型。

3.2.1 基于MATLAB的雙譜分析實(shí)現(xiàn)

進(jìn)行雙譜分析時(shí)聲發(fā)射波形流信號(hào)的點(diǎn)數(shù)不能太多。以1 200 r/min為例，該轉(zhuǎn)速的周期為50 ms，原采樣頻率為1 MHz，1個(gè)完整周期的波形流數(shù)據(jù)中共包含50 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)太多，程序計(jì)算困難。運(yùn)用MATLAB以50 kHz的采樣頻率對(duì)50 ms時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣，碰摩故障的原始數(shù)據(jù)和重新采樣后數(shù)據(jù)的功率譜如圖5所示。對(duì)比分析可知：2種信號(hào)的頻率、幅值、分布均無(wú)變化，只是功率譜密度有所下降，所以重新采樣后信號(hào)能夠滿足繼續(xù)分析的要求。雙譜程序能夠?qū)Υ藬?shù)據(jù)進(jìn)行分析，不會(huì)丟失數(shù)據(jù)的頻率成分。

圖5 碰摩故障信號(hào)的功率譜

3.2.2 典型故障波形流信號(hào)的雙譜分析

對(duì)1 200 r/min轉(zhuǎn)速下各信號(hào)重新采樣，取1個(gè)完整周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙譜分析，由于雙譜分析具有對(duì)稱性和周期性，僅分析第1象限中的下三角區(qū)域。

滑動(dòng)軸承處于正常狀態(tài)時(shí)(圖6)，峰值頻率出現(xiàn)在[11 kHz,11 kHz]，[18 kHz,13 kHz]，[13 kHz,18 kHz]和[18 kHz,18 kHz]等處，幅值為0.18～0.25 μV，峰值頻率周圍出現(xiàn)了很多幅值相對(duì)較低的頻率，頻率分布較分散。

圖6 正常狀態(tài)雙譜分析三維及其等高線圖

當(dāng)滑動(dòng)軸承出現(xiàn)不平衡故障時(shí)(圖7)，峰值頻率出現(xiàn)在[18 kHz,13 kHz]，[13 kHz,18 kHz]和[18 kHz,18 kHz]處，幅值為2.0～2.5 μV，除出現(xiàn)3個(gè)峰值頻率外，其他的頻率很少，頻率分布較為單一，幅值相對(duì)較低的其他頻率出現(xiàn)很少。

圖7 不平衡故障雙譜分析三維及其等高線圖

當(dāng)滑動(dòng)軸承處于碰摩故障狀態(tài)時(shí)(圖8)，峰值頻率也出現(xiàn)在[18 kHz,13 kHz]，[13 kHz,18 kHz]和[18 kHz,18 kHz]處，幅值為2.0～2.5 μV，但是從等高線圖中發(fā)現(xiàn)，3個(gè)峰值頻率的外圍沒(méi)有其他頻率分布，只是在3個(gè)峰值頻率的中間有其他頻率出現(xiàn)。

圖8 碰摩故障雙譜分析三維及其等高線圖

當(dāng)出現(xiàn)不對(duì)中的故障時(shí)(圖9)，峰值頻率集中出現(xiàn)在[18 kHz,16 kHz]，[18 kHz,18 kHz]， [17 kHz,16 kHz]和[17 kHz,17 kHz]等處，幅值為2.5～3.0 μV，除了幾個(gè)峰值頻率外沒(méi)有其他頻率分布。

圖9 不對(duì)中故障雙譜分析三維及其等高線圖

雙譜分析體現(xiàn)了頻率的相位信息，滑動(dòng)軸承出現(xiàn)不同故障時(shí)，經(jīng)過(guò)雙譜分析所測(cè)得的峰值頻率出現(xiàn)在固定的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，故障峰值頻率出現(xiàn)位置不變，但幅值會(huì)隨之改變。根據(jù)每種故障狀態(tài)的峰值頻率分布及幅值大小，可以判斷出滑動(dòng)軸承的故障類型，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑動(dòng)軸承的故障診斷。

4 結(jié)論

1)聲發(fā)射波形流信號(hào)采集技術(shù)可獲得連續(xù)不間斷的多周期聲發(fā)射信號(hào)，此信號(hào)包含完整的軸承聲信息，分析時(shí)既可以查看多周期的波形流數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以對(duì)局部波形進(jìn)行放大分析研究，使聲發(fā)射技術(shù)對(duì)軸承故障的診斷更加準(zhǔn)確。

2)隨著轉(zhuǎn)速的增加，正常狀態(tài)和各個(gè)故障狀態(tài)下的峰值都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生共振，共振時(shí)波形圖中產(chǎn)生明顯的波峰，波形的幅值也明顯增大。

3)軸承處于正常狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射波形流信號(hào)是連續(xù)的、平穩(wěn)的信號(hào)。當(dāng)滑動(dòng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，同一轉(zhuǎn)速下會(huì)出現(xiàn)峰值電壓明顯增高的情況，可以根據(jù)峰值電壓的數(shù)值判斷是否發(fā)生故障。

4)采用雙譜分析方法對(duì)滑動(dòng)軸承不同狀態(tài)聲發(fā)射波形流信號(hào)進(jìn)行分析，不同狀態(tài)下的三維圖及其等高線圖均表現(xiàn)出明顯不同的特征，據(jù)此可有效判斷故障類型。