基于聲發(fā)射技術的滑動軸承潤滑狀態(tài)診斷研究進展

蔣亞迪 ，盧緒祥 *，2，陳向民 ，2，譚浩宇

（1.長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南省 長沙市 410114；2.長沙理工大學清潔能源與智能電網(wǎng)湖南省2011 協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南省 長沙市 410114）

0 引 言

滑動軸承是汽輪機組等大型旋轉機械的關鍵的支承部件.在其實際工作過程中，由于低速、重載、啟停循環(huán)、斷油以及潤滑油雜質過多，會導致其潤滑狀態(tài)發(fā)生改變，從而導致故障的產(chǎn)生，嚴重時會造成巨大的安全影響與經(jīng)濟損失.

滑動軸承潤滑狀態(tài)的傳統(tǒng)檢測方法有軸心軌跡測量技術、油液分析技術、噪聲監(jiān)測技術、紅外測溫技術以及振動診斷技術等[1].但在這些技術的運用過程中，難以對軸承早期的故障征兆進行預警，且難以將檢測到的信號與軸承實際故障進行對應.

相較于上文提到的幾種常規(guī)監(jiān)測手段，聲發(fā)射技術在運用于滑動軸承狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的研究中則有其特有的優(yōu)勢.由于聲發(fā)射信號是從軸承內(nèi)部材料的彈性變形、裂紋擴展以及磨損腐蝕等因素產(chǎn)生[2]，所以檢測到的信號直接來源自材料內(nèi)部的損傷源，能反映材料內(nèi)部真實的缺陷信息.其次，聲發(fā)射能夠對設備進行實時的監(jiān)測診斷，實現(xiàn)故障的早期報警，對于降低維護成本與停工損失十分有用.因此，將聲發(fā)射技術應用于滑動軸承狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷具有廣闊的應用前景.

1 滑動軸承潤滑狀態(tài)存在的主要形式

在工程實踐中，導致滑動軸承出現(xiàn)故障的原因多種多樣.一方面，由于工程機械的正常摩損或是軸承材料的疲勞損壞，例如啟停機過程中，由于轉速較低使得潤滑油膜的承載能力不足，軸頸與軸瓦的接觸摩損產(chǎn)生累積效應，導致軸承在其使用壽命的后期處于異常摩損狀態(tài)；此外，由于滑動軸承處于重載高速的工作環(huán)境，當出現(xiàn)斷油或是潤滑油中雜質累積過多時，會導致軸瓦的擦傷、燒瓦以及軸頸與軸瓦的咬粘等故障的出現(xiàn)，這將影響整個機組的運行安全.

這些故障最直觀的表現(xiàn)是滑動軸承在工作過程中的潤滑狀態(tài)的改變，在上世紀早期，德國學者Sribeck 通過實驗將滑動軸承潤滑狀態(tài)分為邊界潤滑、混合潤滑以及流體潤滑三類，而現(xiàn)階段對于滑動軸承潤滑狀態(tài)的研究，也基本照此進行.

2 滑動軸承潤滑故障時的聲發(fā)射信號來源及特點

2.1 滑動軸承聲發(fā)射信號來源

從晶格理論出發(fā)，由于金屬大多為晶體材料，其特點是晶體內(nèi)部原子都是按照一定的規(guī)則進行排列，并且由于原子在晶體排列中會有點缺陷及面缺陷的存在，因此金屬在受到局部應力的情況下，使得晶格發(fā)生改變，發(fā)生大量位錯運動，使得材料產(chǎn)生彈性或者塑性變形.在早期的位錯理論研究中，研究者提出大多數(shù)的晶體塑性變形過程中的聲發(fā)射信號產(chǎn)生與位錯的非平穩(wěn)運動有關[3-5].Mokhtari 等[6]人描述了滑動軸承聲發(fā)射源的機制，當兩個面相互摩擦使得軸承材料的晶格狀態(tài)轉變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)以致發(fā)生位錯運動釋放出彈性能，從而發(fā)出聲發(fā)射信號.也有一些學者認為聲發(fā)射產(chǎn)生的機制與位錯湮滅有關[7]，這個理論第一次由Natsik 提出.所以，這些學者研究之前關于聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生的微觀機理并無定論.于是，Pawelek[8]提出了從晶格動力學出發(fā)的聲發(fā)射理論，他對晶體塑性變形過程中聲發(fā)射的定性孤子進行了描述.在他的理論基礎上，Polyzos 等[9]人提出了基于Frenkel-Kontorova 模型的聲發(fā)射產(chǎn)生的孤子描述方法，該理論模型考慮了晶體內(nèi)部單個粒子的縱向和橫向運動，粒子的點運動帶動晶體結構的鏈運動從而引起聲發(fā)射波的產(chǎn)生.

而在滑動軸承中，引起彈塑性變形的主要原因在于軸承內(nèi)部潤滑油液與表面粗糙接觸以及軸瓦與軸頸之間產(chǎn)生的表面接觸.張艾萍[10]通過現(xiàn)場實驗得到了固體之間、固體與液體以及液體與液體之間的摩擦接觸都會產(chǎn)生聲發(fā)射信號的結論.Sun 等[11]人對軸承金屬的監(jiān)測研究中指出金屬的彈性變形與塑性變形以及表面裂紋的形成及擴展都是潛在的聲發(fā)射源.

通過上述學者先前的研究可知：聲發(fā)射信號能夠真實有效地反映結構中具體的損傷機制，但是在現(xiàn)階段的研究中仍需進行大量工作來了解位錯運動與材料變形以及聲發(fā)射信號之間的關系.

2.2 滑動軸承聲發(fā)射信號特點

在對聲發(fā)射信號的研究中，常將聲發(fā)射信號分為突發(fā)型信號和連續(xù)型信號[7].其中，將在時域上衰減明顯且可分離的信號稱為突發(fā)型聲發(fā)射信號；將在時域上不可分離且無明顯衰減的信號稱為連續(xù)型聲發(fā)射信號；若兩種類型的信號同時存在，則稱之為混合聲發(fā)射信號.

而在滑動軸承實際運行過程中檢測到的聲發(fā)射信號通常為混合型信號，且具有一定的特點.當軸承處于正常潤滑狀態(tài)下，軸承旋轉導致潤滑油不斷剪切軸瓦以及軸頸表面的凸起，使得連續(xù)型信號的產(chǎn)生，并且由于工作表面的粗糙度呈隨機分布，使得這一部分信號具有隨機性及時變性的特點.而當軸承潤滑狀態(tài)改變，軸頸與軸瓦發(fā)生直接接觸時，故障的突然出現(xiàn)導致突發(fā)型信號的產(chǎn)生，并且由于接觸位置和程度的不同，導致信號具有瞬變性和極大的不確定性.與此同時，在信號傳播的過程中，由于環(huán)境噪聲的干擾以及傳播路徑的影響，導致信號的疊加、衰減以及波形的改變，因此難以將原始信號從接收到的信號中分離出來.這也是當前該領域研究的重點與難點.

3 滑動軸承不同潤滑狀態(tài)下聲發(fā)射產(chǎn)生機理

3.1 流體動壓潤滑狀態(tài)

在流體潤滑狀態(tài)下，由于滑動軸承內(nèi)部動壓油膜與軸頸和軸瓦的表面凹凸的剪切作用，材料發(fā)生彈塑性變形引起應變能的釋放從而產(chǎn)生聲發(fā)射信號.由于材料的彈塑性變形來源于材料分子的位錯運動，因此龍起易等[12]人在他們的研究中提出一個計算單個位錯運動產(chǎn)生的彈性應力波振幅波峰的數(shù)學模型，如式（1）所示.

式（1）中，a 為位錯運動自由程；vd為位錯運動速度；其它量則為與材料特性與實驗條件相關的常數(shù).

在此基礎上，假定多個位錯運動同時發(fā)出的聲發(fā)射能量能互相疊加，則在應變?yōu)棣艜r，對于單位體積發(fā)出的聲發(fā)射能量有：

式（2）中，ρmε為運動位錯密度；為位錯自由程的均方根值；則是位錯運動速度的均方根值.

上文所示的模型對在具體研究材料內(nèi)部塑性變形的聲發(fā)射過程具有指導意義.

3.2 邊界潤滑狀態(tài)

在實際工程應用中，由于受到接觸表面結構以及運行工況等多個因素的影響，軸頸與軸瓦表面可能會存在部分凹凸接觸，使得材料發(fā)生塑性變形從而釋放應變能產(chǎn)生聲發(fā)射信號.因此，Baranov 等[13]人對固體在滑動摩擦的過程通過使用偏差理論與連續(xù)隨機方程建立了關于粗糙接觸的理論模型，并以此為基礎研究了諸如振幅及振鈴計數(shù)等聲發(fā)射參數(shù)與粗糙表面摩擦行為之間的聯(lián)系.而這個理論模型在之后被廣泛參考，F(xiàn)an 等人進行了進一步的研究，他們以滑動摩擦塑性理論為模型構造了一個模型，如圖1 所示[14].

圖1 表面凸起滑動接觸模型

在此模型中，將表面粗糙度的接觸描述為光滑平面與參考平面的接觸，同時將微凸體所有凸峰假定為具有相同半徑的球形來簡化計算，最后得到了微凸體在彈性變形中的彈性能釋放率為：

隨后通過這個模型進一步得到了粗糙表面形貌與負載以及滑動速度之間的定量關系.這個模型雖然是基于平面的研究，但對研究滑動軸承內(nèi)的粗糙接觸仍有指導意義.在最近的研究中，Sharma 等[15]人基于這類粗糙接觸也提出了一個理論模型來理解不同的操作因素對于聲發(fā)射能量的影響.

3.3 干摩擦狀態(tài)

邊界潤滑狀態(tài)進一步惡化會導致干摩擦的出現(xiàn)，此時軸瓦與軸頸表面大面積的凹凸接觸，導致更多的彈性接觸引發(fā)應變能釋放，出現(xiàn)大量的聲發(fā)射信號.

由于干摩擦狀態(tài)下聲發(fā)射現(xiàn)象的發(fā)聲可以認為是滑動軸承邊界潤滑的出現(xiàn)導致的，因此對于干摩擦的研究主要在于其聲發(fā)射信號的表現(xiàn)以及對故障嚴重程度的識別上.秦萍等[16]人通過實驗，采取斷油的手段模擬干摩擦狀態(tài)，并得出聲發(fā)射信號在診斷靜載滑動軸承接觸摩擦狀態(tài)時更為有效地結論.張峻寧等[17]人的研究實驗模擬突然斷油后的干摩擦狀態(tài)下的摩擦過程，通過使用K-SVD 字典算法對信號的沖擊脈沖進行時刻捕捉，并引入鐘形脈沖參數(shù)推導出對沖擊包絡信號的強度簡化模型，建立起了沖擊信號與摩擦故障之間的聯(lián)系，為檢測滑動軸承在干摩擦狀態(tài)下接觸摩擦故障提供了一個新的途徑.李錄平等[18]人曾通過測量機組啟動與并網(wǎng)帶負荷過程中的滑動軸承聲發(fā)射信號，建立滑動軸承與諸如事件計數(shù)、中心頻率、譜能量不穩(wěn)定度與自相關最大值等聲發(fā)射信號特征參數(shù)之間的定量變化關系，為定量診斷滑動軸承的狀態(tài)提供了基礎方法.

除此之外，由于潤滑油中的雜質的累積也會破壞滑動軸承動壓油膜的正常工作，因此在對潤滑油液中的小顆粒雜質造成的聲發(fā)射信號的研究中，Hase 等[19]人早在2009 年提出了一種關于滑動表面有關于潤滑油中的雜質以及軸瓦材料剝落的顆粒物聚集導致聲發(fā)射信號產(chǎn)生的模型，在他的研究中使用了原子顯微鏡觀測存在于潤滑油中的小顆粒物，發(fā)現(xiàn)這些顆粒物會不斷聚集因而導致摩擦表面的彈性變形產(chǎn)生聲發(fā)射信號，通過研究他們發(fā)現(xiàn)：顆粒物與摩擦面產(chǎn)生磨損導致了低幅的連續(xù)型聲發(fā)射信號，而顆粒物的聚集與轉移產(chǎn)生高幅的突發(fā)型聲發(fā)射信號.而在他們于2015 年的研究[20]中進一步改進了他們的模型，通過研究他們定量分析了顆粒聚集在早期的聲發(fā)射信號特征并以此為定量關系預估了軸承的使用壽命，并發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射信號的幅度和頻率是發(fā)現(xiàn)油液中早期顆粒聚集的重要信息.

4 基于聲發(fā)射技術的滑動軸承潤滑狀態(tài)診斷實驗研究

在滑動軸承的實際運行中，當軸承處于干摩擦狀態(tài)時已經(jīng)開始極大程度影響機組的正常運行，因此需及時判斷出軸承的潤滑狀態(tài)，以及將聲發(fā)射信號與故障狀態(tài)進行判別需要對其潤滑狀態(tài)進行準確的識別.

黃琪[21]在其研究中，通過利用軸承材料分子晶格吸收能量而后釋放能量這個過程中的摩擦功率損失來對聲發(fā)射進行研究，為研究滑動軸承潤滑狀態(tài)和聲發(fā)射信號之間的關系提供了方法.黃琪的研究雖然在現(xiàn)場實際工作中驗證了聲發(fā)射能有效地判斷滑動軸承的摩擦狀態(tài)，但是仍有不足之處，例如不能判別故障的具體形式以及在不同工況下的實用性等問題.因此在之后的研究中，Khamis 等[22]人通過使用能量指數(shù)方法對加工出的點蝕及磨損缺陷進行了模擬信號的處理分析，驗證了聲發(fā)射信號在正常潤滑狀態(tài)下其在低信噪比環(huán)境下的效率及適用性.同時，Mirhadizadeh 等[23]人通過改變流體動力軸承的負載以及轉速等因素，研究了軸承功率損耗與聲發(fā)射水平的相關度并證明了聲發(fā)射技術在流體動壓軸承的應用中具有很大的應用前景.

要對滑動軸承的潤滑狀態(tài)進行及時預警以及準確的監(jiān)測需有先進高效的信號處理方法和模式識別方法.在最近的研究中，盧緒祥等[24]人提出了一種基于EMD 及灰色關聯(lián)分析的方法對滑動潤滑狀態(tài)故障進行診斷，并通過現(xiàn)場應用驗證了他們的方法.相較于以往的研究，他們的方法在一定程度提高了對于流體潤滑、半干摩擦以及干摩擦的診斷的精度與準確度.與此同時，在國外，Sadegh 等[25]人提出了基于統(tǒng)計分析、連續(xù)小波變換、多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡與遺傳算法的滑動軸承潤滑狀態(tài)檢測方程，他們通過選取有效頻率以及最佳特征來分辨軸承不同的潤滑狀態(tài)，使用了連續(xù)小波變換及時頻方法提取特征，其后結合遺傳算法及神經(jīng)網(wǎng)絡技術來選取分辨特征，實驗結果證明了他們的研究對于滑動軸承的不同摩擦狀態(tài)有較好的分辨率.

除此之外，Shevchik 等[26]人也提出了自己的關于摩擦機理的分類方式，他們將軸承運行狀態(tài)分為磨合階段、平穩(wěn)階段、預刮傷階段與刮傷階段，通過使用聲發(fā)射技術的時頻特征以及隨機森林算法，對聲發(fā)射能量、聲發(fā)射熵值以及聲發(fā)射信號的統(tǒng)計信息與各特征對于不同摩擦狀態(tài)的響應進行了統(tǒng)計研究，實驗結果表明他們通過新的技術手段可以達到在刮傷發(fā)生5 分鐘之前進行預警的效果.

同時，Asamenne[27]通過將旋轉周期摩擦轉化為在兩平板間發(fā)生的滑動摩擦過程，檢查了聲發(fā)射信號頻率特性與表面粗糙度以及負載、相對速度之間的聯(lián)系.Schnabel 等[28]人通過使用格林方程與模擬光譜研究了單個彈性流體潤滑接觸的聲發(fā)射特性.Hamel等[29]人研究了油膜特性與聲發(fā)射信號的聯(lián)系.同時，Pengyi Tian 等[30]人介紹了影響表面摩擦聲發(fā)射表現(xiàn)的諸如材料類型以及表面形貌的多種因素，并提出了一種多物理因素的信號相關分析方法來研究接觸面的摩擦行為的方法.Khan 等[31]人則使用聲發(fā)射技術與掃描電鏡原位測試相結合的方法研究微觀損傷的發(fā)展，他們的研究為研究聲發(fā)射現(xiàn)象在微觀層面的發(fā)生機理提供了一種新的方法.

5 總結與展望

作為一種新的無損檢測手段，聲發(fā)射技術在滑動軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測中有其獨有的優(yōu)勢，也有其研究不足的地方.

首先在聲發(fā)射產(chǎn)生機理方面的研究中，雖然許多學者對滑動軸承內(nèi)部聲發(fā)射機理、材料內(nèi)部聲發(fā)射現(xiàn)象微觀方面的產(chǎn)生機制以及聲發(fā)射現(xiàn)象在摩擦學范疇內(nèi)的數(shù)學模型進行了大量研究，但是，現(xiàn)階段的研究工作并沒有將微觀層面的聲發(fā)射與具體的工程應用對應起來，因此在將來的研究工作中，進一步掌握微觀層面的機理與宏觀表現(xiàn)以及具體故障之間的聯(lián)系，將促進聲發(fā)射技術應用產(chǎn)生長足的發(fā)展.

而對于滑動軸承內(nèi)部聲發(fā)射產(chǎn)生模型，雖然對基于位錯運動理論以及粗糙接觸的聲發(fā)射現(xiàn)象進行了一定研究，但是對于滑動軸承內(nèi)部液體動力潤滑的研究仍停留在實驗室階段，加之聲發(fā)射現(xiàn)象的產(chǎn)生受到材料、工作環(huán)境以及機器運行情況等多個方面的影響，因此將來還應有大量基于現(xiàn)場試驗的研究工作需要開展.

對于聲發(fā)射技術在滑動軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測的研究來說，現(xiàn)階段雖然多種方法綜合下對滑動軸承潤滑狀態(tài)的信號處理、特征提取以及模式識別手段已經(jīng)取得了一定程度上的成果，但是仍無通用的將具體故障形式以及潤滑狀態(tài)精準判別標準，在將來若能誕生聲發(fā)射信號與潤滑狀態(tài)乃至具體的故障形式及其早期征兆的對應標準，則聲發(fā)射技術將在無損檢測領域大有可為.