（光学工程专业论文）声发射技术用于段修货车轴承故障诊断研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 滚动轴承在旋转机械中是最容易损坏的机械零件之一，约有3 0 的 旋转机械故障是由于轴承的损坏造成的。由于设计不当和安装工艺不好或 轴承的使用条件不佳，或突发载蘅的影响，使轴承在承载运转一段时间后 会产生各种各样的缺陷，并且在继续运行中进一步扩大，使轴承运弦状态 发生变化。因此。滚动轴承的故障检测一直是研究的热点。本文对于高速 行驶的铁路货车轮对滚动轴承的不分解检测的声发射检测法进行了研究。 主要工作有如下凡方面： 对本段前期实验室阶段采用的振动法幅值域无量纲处理进行了分析， 并研制了现场所使用的滚动轴承故障检测装置，将无量纲参数诊断法应用 于段修现场，且傲了大量试验；对于现场试验中所出现的问题进行了分拆， 提出将声发射的方法用于轴承的在线故障诊断：从理论上分析了声发射现 象，从应用的角度分拆故障轴承的声发射信号的特征以及声发射信号特征 的表示方法，并在实验室中，采用振动法和声发射法实时检测的实验数据 进行了对比和分析，证明了使用声发射法对轴承故障检测的可行性和有效 性。 关键词；声发射；故障诊断；滚动轴承 西南交递大学工程硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t r o l l i n gb e a r i n g i so n eo f t h em e c h a n i c a l p a r t sw h i c h a r es u b j e c tt ob e d a m a g e d ， a n da b o u t3 0 f a u l ta r ec a u s e d b y t h ed a m a g e d b e a r i n g s ：b e c a u s eo fw r o n gd e s i g n ， p o o rw o r k i n g c o n d i t i o no ra j u m p h e a v yl o a d ，b e a r i n gw i l lb ed a m a g e d a n db em o r e a n dm o r ew o r s e d u r i n gt h er u n n i n g t i m e s oa tp r e s e n t ，m o n i t o ra n d d i a g n o s i st ot h e c o n d i t i o no f b e a r i n gi sar e s e a r c hh o t s p o t 。i nt h i sp a p e r , r e s e a r c h e sw e r em a d eo n d i a g n o s i n gt h er o l l i n gb e a r i n g so nt h ef r e i g h ti nt h eh i g h - s p e e df r e i g h tt r a i nb y u s i n g a em e t h o d ： w ea n a l y s et h et h en o n - d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r sd i a g n o s i s ( n d p d ) i nt i m e d o m a i no fv i b r a t i o n ，w h i c hh a v eb e e n a d o p t e di n 也e l a b 。a n dt h ed i a g n o s i sd e v i c e o ft h er o l l i n gb e a r i n g sf a u l th a sa l s ob e e nd e s i g n e da n d m a d e l a r g ea m o u n t so f e x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d ei nd e p o tb ya d o p t i n gn d p d b yt h er e s u l to ft h e s e e x p e r i m e n t s ，a c o u s t i ce m i s s i o n ( a e ) w a sc h o s e nt ou s ei nt h er e s e a r c h 。a tt h e s a m et i m e ，w ea n a l y s et h ep h e n o m e n o no fa c o u s t i ce m i s s i o na tt h eb a s eo f t h e o r y , t h ec h a r a c t e r i s ti c s i g n a lo fa c o u s t i ce m i s s i o nw h i c hc o m e sf r o mt h ef a u l t y b e a r i n ga tt h ea n g l eo fa p p l i c a t i o n , a n dt h ee x p r e s s i o no ft h ec h a r a c t e r is ti c s i g n a l 。c o n t r a s tw a sa l s om a d eo nt h ed a t aa c h i e v e ds e p a r a t e l yf r o mv i b r a t i o n a l s i g n a la n da es i g n a l ，a n di ti sp r o v e dt h a ta ei sf e a s i b l ea n da v a i l a b l et ot h e d i a g n o s i s t ot h ef a u l to f t h e r o l l i n gb e a r i n g b yw o r d s ：a ef a u l td i a g n o s i s r o l l i n gb e a r i n g 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 选题的意义 第1 章绪论 铁路运输的安全运行关系到国民经济的健康发展，因此，一直是铁路 车辆部门关心的焦点。而滚动轴承在旋转机械中是最容易损坏的机械零件 之一，约有3 0 的旋转机械故障是由于轴承的损坏造成的。由于设计不当 和安装工艺不好，或轴承的使用条件不佳，或突发载荷的影响，使轴承在 承载运转一段时间后会产生各种各样的缺陷，并且在继续运行中迸一步扩 展i ”，使轴承运行状态发生变化，而运行状态是否正常则直接影响到车辆 的运行安全。在高速重载下运行的滚动轴承，其故障往往会迅速扩大，在 短时间内会造成热轴、燃轴、切轴而最终导致列车颠覆等重大行车事故啦】， 产生重大的经济损失。为了彻底排除因滚动轴承故障引起的行车事故，需 要两个方面进行保证：一方面是对运行的列车进行动态监测，及时发现运 行列车的安全隐患：另一方面，在对列车进行定期检修时，检查每个轴承 的状态，发现故障轴承，使其不再投入运行。当前，在各车辆段进行定期 检修时主要靠搬转轴承外圈凭手感检查这样的人工经验【3 】。这种检测方式 因其操作强度大、生产效率低、诊断的准确性差，极易使漏检轴承继续投 入运行而危及车辆行车安全，造成严重后果。特别是近年来铁路运输车辆 的运行速度一再提高，货车车辆的构造速度将达到1 2 0 1 6 0 k i n h ，而且 货车载重吨位也向7 0 吨以上发展1 41 ，这对滚动轴承的工作状态要求将更 加严格。显然，传统的人工经验型轴承检测方式己不能满足安全运行的需 要。各路局、车辆段迫切需要一种现代化的货车滚动轴承在线( 段修时) 故 障诊断方法来替代人工经验检修，于是故障诊断研究迫在眉睫。自从开展 各种故障诊断技术以来，铁路事故1 9 8 6 年比1 9 7 8 年减少1 1 4 。相当于增 加年收入2 亿元【5 l 。因此，开展故障诊断技术研究，具有重要的现实意义 和社会意义。 对本车辆段的几种典型状态的3 5 2 2 2 6x ，一2 z ( 原1 9 7 7 2 6 ) 型轴承， 在模拟检测现场工况的基础上进行了试验，提出采用声发射法进行滚动轴 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 页 承的故障检测，进行了大量的实验分析，证明了声发射法检测的可行性。 1 2 铁路货车滚动轴承的在线故障诊断现状 在不分解轴承的前提下，对其进行在线故障诊断，一直是重点的研 究课题。国外在这方面以美国领先。美国以从传统的红外轴温探测发展到 采用车载系统、声发射系统和综合检测系统【6 1 。由于受当前的经济、技术 和设备现状的限制，我国在现阶段只能对客车滚动轴承用轴温报警装置进 行在线运行状态监测【7 l ，而对处在运行状态中的货车滚动轴承的故障目前 只能运用远红外线进行监测。目前在各路局、车辆段的检测线上，对滚动 轴承的状态检测主要靠搬转轴承外圈凭手感检查。但由于人工方面的天然 缺陷，很容易产生误判、漏判，潜伏着巨大的危险。因此，伴随着微机技 术的高速发展，融合现代传感技术、信号分析与处理技术及微机处理技术 为一体的机械设备诊断技术近年来引起了国内外研究者的重视。国内普遍 采用共振解调技术诊断轴承故障【8 1 1 9 1 ，但现有的共振解调分析方法存在某 些局限性，在生产中经过不断的实践表明，采用这种技术原理研制的诊断 系统对某些故障的诊断准确性较差，且系统结构复杂，稳定性差，维修保 养不便，所以不能很好推广应用。 滚动轴承的工况监视与故障诊断在国外大概开始于2 0 世纪6 0 年代 1 0 l ，在其后的2 0 多年的时间里，随着科学技术的不断发展，特别是1 9 6 5 年f f t 方法出现后，产生了数字信号处理和分析技术这一新的分支，为故 障诊断和检测技术的发展奠定了重要的技术基础。随着各种分析方法和技 巧的不断产生、发展和完善，以及应用的领域不断扩大监视与诊断的有 效性不断提高，有力的推动了故障诊断技术的向前发展，为铁路运输的安 全做出了巨大贡献。 1 3 本文的研究内容 本课题通过对几种典型状态货车滚动轴承的模拟工况的试验，结合铁 路货车滚动轴承段修检测的特点，对前期采用振动信号幅值域无量纲数诊 断方法在车辆段检修线上应用出现的问题进行了分析，并探讨了声发射法 检测的可行性。本文的研究内容主要为： 匿南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 1 分析总结前期采用的振动法幅值域无薰纲诊断在现场试验所出现 的问题： 2 通过研究声发射原理，并分析采用声发射检测货车滚动轴承的可 行性： 3 在货车滚动轴承豹模拟工况试验系统中，进行振动幅值域法与声 发射诊断法检测对比实验，蒡讨论、分析。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 第2 章滚动轴承故障诊断的基本环节 及其方法简介 2 1 滚动轴承故障诊断的基本环节 滚动轴承故障诊断的目的是保证轴承在一定的工作环境( 承受一定的 载荷，以一定的转速运转等) 下和一定的工作期间( 一定寿命) 内有效可靠 地运行，以保证整个机械( 系统) 的工作精度。同此目的相适应，轴承故障 诊断就是要通过对能够反映轴承工作状态信号的观测、分析与处理来识别 轴承的状态。所以，从一定程度上来说，轴承故障诊断就是轴承状态识别。 具体来说，轴承故障诊断过程一般包含以下几个环节1 。其全过程如图2 - - 1 所示。 1 信号测取根据轴承的工作环境和性质，选择并测取能够反映轴承 工作情况或状态的信号： 图2 1 轴承故障诊断过程图解 2 特征( 征兆) 抽取从测取的信号中以一定的信号分析与处理方法 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 抽取能够反映轴承状态的有用信息( 征兆) ； 3 监视( 状态识别)根据征兆，以一定的状态识别方法识别轴承的状 态，即简单判断轴承工作是否正常或者说有无故障； 4 诊断( 状态分析) 根据征兆，进一步分析有关状态的情况及其发展 趋势。当轴承有故障时，详细分析故障的类型、性质、部位、产生原因与 趋势等。 2 2 滚动轴承故障诊断的方法 滚动轴承的在线故障诊断主要是对轮对检测。由于货车轮对的两端都 装有滚动轴承，为了提高检测的效率，通常采用对轮对轴承同时检测。图 2 2 为货车轮对的示意图。 图2 - 2 货车轮对图 滚动轴承故障诊断方法，人们主要是根据监测与诊断所采用的状态量 来分类的，即按照测取信号的性质来分类。按照这一分类方法，滚动轴承 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 工况监视与故障诊断的方法有：温度法、油液分析法、振动( 噪声) 分析法、 声发射法等”“。 1 温度法 温度法通过监测轴承座( 或箱体) 处的温度来判断轴承工作是否正常。 温度监测对轴承载荷、速度和润滑情况的变化反映比较敏感，尤其对润滑 不良而引起的轴承过热现象很敏感。所以，用于这种场合比较有效。但是， 当轴承出现诸如早期点蚀、剥落、轻微磨损等比较微小的故障时，温度监 测基本上没有反应。只有当故障达到一定的严重程度时，用这种方法才能 监测到。也就是说，温度检测不适于点蚀、局部剥落等所谓的局部损伤类 故障。 2 油液分析法 滚动轴承失效的主要方式是磨损断裂和腐蚀等，其原因主要是润滑不 当，因此对正在运行时使用的润滑油进行系统分析，即可了解轴承的润滑 与磨损状态，并对各种故障隐患进行早期预报，查明故障的原因和部位， 及时采取措施遏制恶性事故的发生。油液分析法应采用系统方法，实践证 明，由以下五方面，即理化分析、污染度测试、发射光谱分析、红外光谱 分析和铁铺分析构成的油液分析系统在设备状态检测中发挥了重要作用。 但不管是哪种方法，都需要精密的仪器，实验环境也有很高的要求，取样 时不能受污染，所以不能用于在线测量。 3 振动法 振动法是通过安装在轴承座或箱体适当地方的加速度传感器测取轴 承振动信号，并对此信号进行分析与处理来判断轴承工况与故障的。振动 检测按测量原理分为相对式与绝对式( 惯性式) 两类：按测量方法可分为接 触式与非接触式两类。振动检测主要是指振动的位移、速度、加速度、频 率、相位等参数的测量。由于被测信号振动强度近似与被测体的振动加速 度成正比，所以现行的测量滚动轴承振动所用的参数基本上是加速度“。 由于振动法具有适用于各种类型各种工况的轴承，信号测试与处理简 单、直观，诊断结果可靠等优点，所以在实际中得到了极为广泛的应用。 目前，国内外开发生产的各种滚动轴承检测与诊断仪器和系统大都是根据 振动法的原理制成的，有关轴承检测与诊断方面的文献8 0 以上讨论的是 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 振动法。 4 声发射法 从物理上讲金属材料由于内部晶格的错位、晶界滑移、或者由于内部 裂纹的发生和发展，均会释放应变能量和短暂性的弹性应力波，这种现象 被称为声发射现象( a e - - a c o u s t i ce m i s s i o n ) 。例如，轴承的疲劳断裂， 是由于轴承经常受到冲击的交变载荷作用，使金属产生位错运动和塑性变 形，首先产生疲劳裂纹，然后沿着最大切应力方向向金属内部扩展，当扩 展到某一临界尺寸时就会发生瞬时断裂，这种故障经常发生在滚动轴承的 外圈。而疲劳磨损是由于循环接触压应力周期性地作用在摩擦表面上，使 表面材料疲劳而产生微粒脱落的现象，这种故障的发生过程是在初期阶 段，金属内晶格发生弹性扭曲，当晶格的弹性应力达到临界值后，开始出 现微观裂纹，微观裂纹再进一步扩展，就会在滚动轴承的内、外圈滚道上 出现麻点、剥落等疲劳损坏故障。这些故障的发生与发展，都伴随着声发 射信号的产生。各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声 频，金属村料声发射频率可达几十到几百兆赫，而其信号的强度差异一般 只有几微伏。由于声发射诊断方法是一种无损检测方法并且对滚动轴承的 故障信息能有效地进行识别，在检测时几乎不受材料种类的限制，特别适 用于在现场的检测。因此，受到越来越多的重视，得到越来越多的应用 【14 【i 钉 。 随着现代传感技术与信号分析方法的发展，一些新的检测技术不断出 现并应用于滚动轴承的工况监视与诊断中，例如模式识别、故障树分析、 模糊诊断、智能诊断专家系统等等“。但这些技术用于3 5 2 2 2 6 x ：m 2 z 轴 承在段修线上的故障诊断受到了限制。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 第3 章3 5 2 2 2 6 x ：- 2 z 轴承故障信号 无量纲诊断分析 3 1 轴承故障的类型 轴承在工作时，外圈与车箱联接、固定；内圈与车轴相联接。随轴 一起转动。轴承振动的主要原因有轴承本身的结构特点、精加工表面的波 纹度及轴承运行故障等。具有早期故障的滚动轴承在运转时，每当缺陷部 位与其它工作表面接触时，都将产生一次冲击力的作用。这种冲击力将激 起轴承系统的振动，并通过适当的振动传递通道以振动和声音的形式传 出。其信号传递过程如图3 一l 所示。 嶝圜咽警圜二嚣 图3 一l 轴承振动信号传递过程 滚动轴承在运行过程中出现的故障按其振动信号的特征不同可分为 两大类：一类称为磨损类故障：另一类称为表面损伤类故障，包括点蚀、 剥落、擦伤等。 1 磨损：一般来说，滚动轴承工作表面磨损故障是一种渐变性故障。 轴承表面磨损后产生的振动同正常轴承的振动具有相同的性质，两者的波 形都是无规则的，且随机性较强。磨损故障引起的振动信号除了振动水平 ( 幅值) 高于正常轴承外没有别的特征差别“，如图3 2 所示。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 图3 - 2 正常轴承与磨损轴承的振动波形 诊断这类故障的通常做法是检测振动的有效值和峰值，如果明显高于 正常轴承，即判定为磨损。由于磨损不会马上引起轴承破坏，其危害程度 远小于表面损伤类故障。 2 表面损伤类故障：当表面损伤点滚过轴承其它元件表面时要产生突 变的冲击脉冲力，该脉冲力是一宽带信号，所以必然覆盖轴承系统的高频 固有振动频率而引起谐振，从而产生如图3 3 所示的冲击振动。这就是 损伤类故障引起的振动信号的基本特点“。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 0 页 “ h _ h “ e 扣 r 。 f ，_ _ 1 ：l 叫 忖w 水蜘晰 ：2 图3 3 外圈损伤轴承的振动信号 3 2 振动信号的无量纲参数法 。采用振动法检测的故障信号其处理方法很多，常见的有：幅值域无量 纲处理、频域分析、时域分析、时频域分析等“”。 频域分析方法可以对轴承早期故障进行精密诊断，直接对轴承信号进 行频谱分析，结合频谱图的频率结构和特征频率的和频及差频分析，也可 以判别出轴承的好坏。由于流体动力噪声及其旋转部件振动的干扰，仅适 宜于简单机械的简单诊断。共振解调法。儿”被认为是频域分析法中最有效 的一种方法。该方法以轴承系统的共振频率区为监测频带，振动信号经放 大、滤波和解调，获得脉动冲击的低频脉动信号，以此作为分析的依据。 无量纲诊断( n o n - - d i m e n s i o np a r a m e t e r sd i a g n o s i s ) 是一种将“无 量纲参数”( d i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r s ) 用于设备故障诊断的技术方法。 采用幅值域处理所得到的是概率密度函数和概率分布函数。而无量纲幅域 参数只取决于概率密度函数的形状。其无量纲参数诊断指标主要有波形指 标sr 、峰值指标c ，、脉冲指标i ，、裕度指标c l ，、峭度指标k v 和均方根值 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第”页 x 。这五个指标。通过大量的实验及国内众多学者的研究表明，这些参数 指标的敏感性与稳定性比较如表3 2 所示： 表3 2 量纲为1 的幅域参数指标比较 序号幅域参数敏感性稳定性 1波形指标s ，差好 2 峰值指标c ，一般一般 3脉冲指标i ，较好一般 4 裕度指标c l ，好一般 5 峭度指标k v好好 6 均方根值x 册s较差较好 从表可以看出，裕度因子和峭度因子对故障和缺陷有较强的敏感性而 对信号幅值和频率变化有较强的稳定性，因而在前期的在线故障诊断系统 中采用了裕度因子和峭度因子两个指标进行故障信号的幅值域处理。 轴承振动信号的无量纲指标由信号的幅值参数演化而来，无量纲振 幅诊断参数定义为如下的形式： ，旧石v p ( x ) d x 爿 z 2 亨可 ( 3 - 1 ) l p g i 砌 则其裕度指标和峭度指标的定义为： ， 罴篙譬冀鬈纛：了品删亿c l ：2 詈2 峭度指标的定义为o ： 胁：壁竺垦堕= f x 2 p g 2 峰值方根幅值 ( 3 - 2 ) 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第12 页 1 一虹垡 其中p ( x ) = 赢一p 2 。2 ，一 x j ： i - 巾蕊。除l u j厂 v v - 图4 - 1 声发射信号的有关参数的图解 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第19 页 t 一时间：v 一电压：t r _ 上升时间； v 。一输出的幅值最大的信号： v 广门槛电压：t 。一事件宽度：t i 一事件间隔 当声发射应力波激发传感器并使之谐振时，输出的电压信号v p 幅值 最大，此段所需的时间称为上升时间t ，。传感器输出信号达到最大幅值后， 在下一个声发射时间到达之前，传感器由于阻尼而逐渐衰减，输出信号的 幅值也逐渐减小，上升时间及其衰减快慢均与传感器的特性有关。此后， 传感器可能接收到反射波或变形波，又使输出信号扩大，使波形出现一个 小峰。 我们把这个时域图形上，传感器每振荡一次输出的一个脉冲称为振 铃，振铃脉冲的峰值包络线所形成的信号称为发射事件。在声发射检测中， 为排除噪声和干扰信号，要设置门槛电压v 。，低于它的信号均被剔除。因 此，从包络线越过v 。的一点开始到包络线降至v 。的一段时间，称为事件 宽度t 。，在信号处理中，为了防止同一事件的反射信号错误的当作另一个 事件处理，故设置了事件间隔t i ，将t 称为事件持续时问。 2 事件与振铃计数 如图4 一l 所示，声发射信号的处理中，在事件持续时间段计一次数。 如在事件持续时间内到达另一个越过门槛的事件，当作是前一事件的反射 信号来处理，不计入事件计数内。事件计算，可以计单位时间的事件数目， 称为事件计数率。也可以计从试验开始到结束( 或某一阶段) 的事件总数， 称为事件总计数。事件总计数对时间的微分为事件计数率。事件计算方法 注重声发射事件出现的数目和频度，而不注意事件的幅度，它相当于裂纹 扩展一次，产生一次声发射事件，用它表达裂纹扩展的前进次数。 振铃计数是计振铃脉冲越过问槛的次数或单位时间内的振铃数，称为 振铃计数率。计到某一特定时间的总的振铃数称为振铃总计数，也可以用 事件为单位进行振铃计数，称为振铃事件数。 从上述分析得知，振铃计数与传感器的特性( 诸振频率，阻尼特性) 、 试件的几何形状、门槛电压、信号幅度以及系统增益等有关。对于一个给 定脉冲持续时间，振铃计数与事件的能量有关。振铃计数可以把连续性声 发射信号，看作是时间为无限长的事件，只要峰值幅度越过门槛就计一次 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 0 页 数。 3 幅度与幅度分布 声发射信号的幅度和幅度分布是能说明声发射本质的两个测量参数。 从力学角度讲，可以把声发射信号的幅度大小作为信号能量的量度。幅度 分布是指按声发射信号峰值幅度的大小分别进行事件计数，其表示方法 有： 累计事件幅度分布，它是计信号峰值幅度高于v 的事件数。i 可 以取5 、1 0 、1 0 0 和1 0 0 0 。 微分事件幅度分布，它是按各档对事件进行计数，即幅度位于v ， 到v i + i 之间的声发射事件数。通常用直方图表示，横轴为幅度的档，纵轴 为各档的事件计数。 4 能量( 能率) 在声发射技术中，多用振铃计数法作为检测手段，但此法有下列缺点： 振铃计数随信号频率而变；仅能间接地考虑了信号的幅度；计数与重要的 物理量之间没有直接的联系。因此，提出能量测量的方法。一个瞬交信号 的能量定义为e ： e ：上广y 2 0 ) a t r 出 、 式中r 一电压测量线路的输入阻抗； v ( t ) 一与时间有关的电压。 据此，将声发射信号的幅度平方，然后进行包络检波，求出检波后的 包络线所围的面积，作为信号所包含的能量的量度。能量量度的另一种方 法是测量事件的宽度，把能量与事件宽度联系起来。 能量的测量方式有三种：测单位时间的能量，称为能量率：测从试验 开始到某一阶段的能量，称为总能量；测每个事件所包含的能量。在声发 射技术中，频谱分析逐渐受到重视，主要是测声发射信号的幅频特性， 用以研究声发射源的特性。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第2 1 页 第5 章3 5 2 2 2 6 x ：一2 z 轴承故障检测装置的研制 在对轴承故障理论和实验分析后，研制了用于段修现场使用的 3 5 2 2 2 6 x ，- - 2 z 轴承故障检测装置z m d - - 6 0 0 。该设备是用于轮对轴承磨 合实验及检测的专用设备，自动化程度高，操作方便，采用了西门子可编 程控制器控制、液压操作，具有独立刹车和自动推轮功能。该设备即可自 动完成整个检测过程，也可手动分步完成步进步退操作，运行安全。 z m d - - 6 0 0 轮对滚动轴承检测装置主要由机械系统、液压系统、电气 控制系统及检测系统组成。其主要结构组成包括机架、升降机构、压紧油 缸、摩擦轮、刹车推轮机构、轴向油缸、振动传感器、操作油缸及液压站、 电器柜及信号处理系统等。 z m d - - 6 0 0 在每个轴承的上方装有一振动加速度传感器，用于轴承的 振动检测，以判断轴承的运行状态。同时，每个轴承侧方各装有2 个远红 外测温点，测取轴承运行过程的温度变化。 轮对转速由变频器( 0 - 6 0 0 转分) 控制，可实现软启动和无机调速， 速度可根据需要设定。 5 1 轴承故障检测装置的轮对安装 货车轮对轴承实行不拆解检测，所以无需将轴承从轮对两端拆解下 来。人工将轮对沿轨道推入检测装景的轮对检测位置，如图5 1 所示，此 时轮对与机架的相对位置如图5 - 2 左半图( 升轮状态) 所示，升轮油缸处 于最大行程状态，即升轮装置为最高点，轮对处于悬空状态，不能进行检 测。 当按下控制柜的运行按钮，升轮装置在油缸和轮对自重的作用下降轮 运行，直至轮对两端轴承落入检测槽中，如图5 2 右半图( 降轮状态) ， 升轮装置继续向下运行，并与轮对脱开。升轮装置脱开后，轮对一端轴承 轴向油缸运行，带动一端的检测槽运动。由于检测槽的端面和轴承外圈相 接触，从而带动了该轴承外圈移动，直至消除运转过程中两轴承的轴向窜 动，完成了轮对轴承的安装。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 图5 1段修现场滚动轴承故障检测装置及轮对安装图 5 2 旋转驱动 为增加机架的稳定性，机架采用了槽钢、钢板焊接而成，用地脚螺栓 与地基相连接。压紧油缸( 见图5 2 ) 与驱动电机板采用铰接，并采用弹 性连杆以保持锥形摩擦轮与轮对之间的摩擦力稳定，压紧油缸下部装有调 整螺钉，可调左右驱动电机的左右偏摆量。 轴向油缸前进并延时后，压紧油缸运行，通过铰链结构推动摩擦轮压 紧轮对。当压紧到位，即发出信号，压紧油缸被锁死，检测装置进入运行 状态。 驱动电机得到信号后即刻旋转带动摩擦轮驱动轮对正转，当轮对速度 稳定后，传感器油缸下降的同时，压紧油缸松开，驱动电机停止旋转。待 传感器测取完轴承振动信号，传感器油缸上升，驱动电机反转，再次带动 摩擦轮对刹车，并进入反转，重复正转过程进入第二次( 反转) 的采样处 理阶段。随后驱动电机再次对轮对进行刹车。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 3 页 oo 逊阱潮 轴向油妊 脚瞒缸 塑= 二= 图5 2 轴承检测装置及轮对安装示意图 采样处理结束后，对轮对进行升轮操作将轮对升起，检测装置有一自 动的推轮油缸将检测轮对推出机架，从而完成了整个检测过程。 5 3 检测装置 5 3 1 速度的设定 轮对的速度可通过调整变频器的频率来选择。打开电器柜前门，由变 频器上的操作面板上的按键来调整频率。频率与轮对对应关系可参照表 5 - 1 ( n m i n h z ) 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 4 页 表5 1 电机频率与轮对转速对应关系 转速 2 0 0 2 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 5 5 06 0 0 频率 1 31 61 9 2 22 52 83 1 7 43 4 9 23 8 0 9 5 3 2 温度测量 轴承运转始末的温度测量是由4 只远红# i - ；n 温器件及对应的变送器组 成。输出为o o 1 0 0 o ，4 - 2 0 m a 。由于远红外测温传感器为光学元件， 因此设计中考虑其安装位置。勿将液体物质落入镜头孔内。 5 3 3 振动信号的测量 当摩擦轮完全脱离轮对，传感器油缸下降并压紧轴承外圈时，数据采 集板的一路得到信号，启动程序由传感器拾取，经电缆线、电荷放大器和 a d 板采集并处理，同时显示轴承状态。振动检测装置工作状态如图5 3 。 图5 3 振动检测装置工作状态 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 5 页 第6 章声发射法和振动法诊断 测试结果的分析与比对 6 1 段修在线轴承振动信号故障诊断试验系统分析 多条轮对的试验表明，利用裕度和峭度指标进行轴承的故障检测是可 行的，所测结果与轴承的实际状态相吻合，检测指标与实验室检测结果也 极为相近。现场实验中标号为1 8 的轴承人工检修时认为轴承内圈损伤， 通过此装置检测的裕度和峭度值接近正常值，后经人工拆解，发现该轴承 内圈没有故障。因此，该检测装置及其检测方法是基本可行的。 在段修现场实验过程中也发现了一些问题： 8 ) 由于从传感器采集到振动信号送到工控机需要很长的电缆线，而 在检测过程中发现，变频调速电机对电缆线有很强的电磁干扰，经过测试 其干扰电压最大可达5 6 m y 。 b ) 轮对检测系统置于车辆段的段修车间，因生产的需要，车间位于 铁路运输线旁，频频来往的列车产生的振动对加速度的测量带来很大影 响。这些都使在采用裕度和峭度两个指标测量时数据离散性很大。 c ) 系统偶有泄漏电荷，使采集信号过载，造成误诊。 由于滚动轴承的故障信息较微弱，而背景噪声很强。美国联邦铁路协 会在1 9 9 5 1 9 9 6 年对轴承缺陷进行了声发射研究表明，在轴承使用寿命的 后期，因内部组件迅速失效，带缺陷的轴承会产生很大的热量。由于过热 发展非常迅速，轴承有可能在线路两个红外线检测装置之间迅速发热烧损 而造成切轴事故【2 1 】。采用声发射法在机器的载荷和工作转速等相同的条件 下，故障轴承微裂纹扩展要经过一个慢扩展阶段，而这个阶段还不足以引 起轴承的振动，但采用声发射检测信号已经很明显了。因此，通过声发射 法对轴承缺陷进行早期准确检测，能防止一些与轴承失效有关的切轴事 故，也可作预防性维护。 目前国内把声发射法应用于轴承的故障检测的研究不多，本文旨在探 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 6 页 讨把声发射法应用在滚动轴承故障的在线检测中，以期达到更好的诊断效 果。检测特征频率明显，且由于声发射频谱较宽，而振动信号相对较低， 因此，利用声发射的高频信号特性可以有效的抑制干扰，提高检测正确率， 取得更好的诊断效果。 由于声发射法是有别于振动法的种故障检测的方法，其检测过程是 从声发射源发出的信号，经介质到传感器，传感器输出电信号根据电信号 对声发射源做出正确的解释【2 5 l f 2 6 】【2 7 】【2 9 j 【2 9 1 3 0 】。因此，根据声发射法检测的 特点，需要开发一套新的故障检测试验系统来实现对故障轴承的检测。 由于段修生产线在铁路运输线旁，检测系统工作环境恶劣，因此，需 要很强的抗干扰能力和稳定的工作性能。检测时轴承外圈固定，内圈随轴 旋转。每个轴承布置一个测点，测点处安装一个压电加速度计用来拾取轴 承的故障信号。如图6 - 1 所示是采用振动法对3 5 2 2 2 6 x ，- - 2 z 型轴承进行 故障诊断的试验系统结构框图。 被 宏拓 梭 埋舟 p c 7 4 2 9 潮 辕 承 a i d 扳 图6 一l 试验系统结构框图 采用工控机的原因是因为现场的环境恶劣，用工控机可以提高系统的 稳定性和抗干扰性。压电式加速度传感器由于体积小、质量小，传感器附 加质量对被测物体的影响也小，频响范围宽，因而在系统中采用压电加速 度传感器。电荷放大器的选择，要考虑到电缆分布电容的影响，考虑到放 大器性能的稳定性，也要考虑到被测信号受电缆长度变化的影响等各种因 素。而a d 板的选择要考虑： 要考虑a d 板与用户所使用的微机相匹配。 要考虑a d 板的性能指标是否满足用户的实际需要，比如：a d 板的位数、转换时间、通道数等。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 7 页 a d 板的稳定性和抗干扰性。 从系统的硬件来看，由于采用振动法进行故障诊断所需要的诊断系统 需要考虑很多的问题，而在现场检测中会遇到更多的问题，比如：抗干扰 性能差，系统稳定性不好等，因此，我们对采用振动法和声发射法检测进 行了试验研究。 6 2 振动法和声发射法比对试验系统 在试验中对某现场提供的多套具有典型状态的3 5 2 2 2 x 2 2 z 重型滚动 轴承的声发射和振动信号进行了测定。图6 2 为a e 和振动对比试验系统 方块图。 图6 - 2a e 和振动对比试验系统方块图 测点的选择如图6 3 所 图6 3 比较试验系统 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 8 页 1 为声发射探头，2 为压电传感器，3 为数字荧光示波器。 声发射传感器测取被测轴承的声发射信号，压电传感器测取振动信 号。声发射传感器的型号为r 15 0 ，其谐振频率为1 5 0 k h z 。压电传感器的 型号为y d 6 1 ，其主要特征参数如下： 1 电荷灵敏度：5 0 9 p c m 一 2 横向灵敏度：1 3 谐振频率：2 6 k h z ，峰值3 6 d b 实验中的数字荧光示波器是t e k t r o n i x 公司的t d s 3 0 1 2 数字式荧光示 波器。该示波器功能强大，其主要功能如下： 1 可进行高速数据采集和储存功能：采集波形和谱分析数据结果 存为e x c e l 或内部文件格式，同时可以保存波形。 2 配有相关的分析模块( 如f f t 等) 。 3 具有记忆储存功能：能将移动磁盘中或是内存中存储的内部格 式文件( i s f ) 恢复为原有波形，并实行分析处理。 4 通过软件选择滤波频段。 3 5 2 2 2 x 2 2 z 货车轴承结构复杂。由两列圆锥滚子( 共4 2 个) 、两个 实体保持架、中间隔套、内外套圈和密封圈组成，内径为2 6 0 m m ，其额定 载荷可达2 0 吨，试验中将外圈加载固定，主轴带动内圈以3 7 0 r p m 左右旋 转。声发射传感器直接安装在其中一列滚子所对应的轴承外圈表面的贴片 上，压电加速度传感器则对应于另一列滚子以螺纹固定在轴承座上。 从试验系统硬件来看，采用振动加速度传感器需用电荷放大器将电荷 量转化为电压量。而a e 传感器则不需要此转换仪器，从而简化了检测系 统。若考虑现场工况，则对电荷放大器的抗干扰能力等方面的性能有一定 的要求。对于a e 信号的放大可使用前置放大器。其体积远小于电荷放大 器，且现场工况对其影响很小。因此，从硬件角度来讲，a e 检测装置简 单、体积小、可靠性高、抗干扰性好、使用方便等特点使得a e 法更为适 用于现场的检测。 6 3 振动法、声发射法试验结果分析 在对多套轴承进行反复实验后，选取状态分别为正常、滚子损伤和 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 9 页 保持架损伤的a e 信号和振动信号的时域和频域波形，如图6 - 4 、图6 5 、 图6 - 6 所示。每一种状态又选取了不同时刻的时域和频域波形进行比较。 图中的a e 信号和振动信号均为同时采集的波形。 图中一通道为a e 信号，二通道为振动信号，“m ”代表频谱图。“ ” 代表实线光标所对应的值，“”实线与虚线光标之间的差值。 在进行了大量的对比实验后，从图形中可以看出： 每一组轴承运转过程中实时采集的两波形在时域图中都极为相 似，但振动信号中“毛刺”明显多于a e 信号，干扰信号较多。初步得出 振动信号在频域中分布较a e 信号要广，这一点在各信号的频谱图中也得 到证实。 对于同时采集的a e 和振动信号，我们分别对其做频谱分析，如 图6 - 4 6 中的“m ”对应的波形。图b 为不同状态下滚动轴承的a e 信号， 图c 为它的振动信号。由于a e 传感器不受结构和旋转状态振动噪声的影 响，因此，在对a e 信号和振动信号的频谱图作比较时，可清楚的看到： a e 信号在频域能量比较集中，峰值明显。而在振动信号的频谱分析图中 除正常的轴承频谱分析图中峰值明显( 见图6 - 4 c ) 外，其余的没有突出 的峰值，能量分布较广。从不同时刻采集的振动信号和a e 信号的对比中 我们也验证了这一点。 比较声发射信号和振动信号频谱图中的峰值也可以看出，不同状态的 轴承有很明显的差别。 比较a e 频谱图中峰值所对应的频率值，不同状态的轴承的a e 信号， 频谱图中的峰值对应的频率有很大的区别，部分a e 信号分析数据列入表 1 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 0 页 o 0 0v 一2 0 0 m v 0 0 0s 一5 0 2 1 1 1 5 4 月2 0 0 3 ：0 4 ：1 9 0 0 0v 一5 0 0 i l l v 0 0 0s s 0 0 1 1 1 s 4 月2 0 0 3 1 4 ：4 0 图6 - 4a ) 不同时段正常轴承的a e 信号和振动信号的时域图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 1 页 0 ：1g 2 m v ：19 2 m v a ：1 0 s k h z 瓣 删 ：1 0 5 k h z _ ：l 西剜 i | l j ； 聊憾纛 m l l 0 二旦m ga l c h lj - 0 0 0v - ，；| 一- 州删州 ! 。一t 11+ + ! 卜- o 捌扼娃! o j + v 扣”巾娜耵k 俐卜批州 4 “； ； ； m 【1 m q m 目a ic h l ，o o ov 1 34 月2 0 0 3 17 ：0 7 ：2 9 ：3 o o m v ：1 4 1 m v ：9 0 oh z ：1 0 0 k h z 髓目 煎丽e 二阙髓， 二4 a q 0 o m s j ；：星3 ；0 0 3 图6 - 4b ) 不同时段正常轴承a e 信号的时域图和频谱图 ；!； ： 棚籼 h 忡 黼 ，0 0 二， j 飙删弧删避l j w 唾曲卜 ； ；j _ m 1 1 0 o m s l a i c 1 1 1 j - 0 0 0v ：2 2 0 m v ： 5 6 4 i 1 1 v ：2 6 6 k h z 西：5 8 0h z 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 3 页 m v 1 ，0 0 0 ：0 0 0v ：一2 0 0 m v ：0 0 0s ：一s 0 0 r i i $ 3 04 月2 0 0 3 1 1 ：3 3 ：2 0 图6 - 5a ) 不同时段滚子损伤轴承的a e 信号和振动信号时域图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 4 页 _ ：1 4 0 m v ：2 1 2 i l l v ：9 9 0h z ：1 9 8 k h z 州 蝴槲蝴黼姗 酬渊 i+ i 。1 1 l 一1 一 = _ 1 幻；。：“，“，n r 孵4 一协i - “：； 回 已。赫硎一1 j 1 i ，。，1 ，i c h l l5 0 0 m v i m 1 10 0 m s la i c h l _ ro 0 0v 图6 5b ) 不同时段滚子损伤轴承a e 信号时域图和频域图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 5 页 ! ! 。： ： 9 0 0 p v 1 ：4 7 0 f f l v 0 ；：! ： i a ：2 0 4 k h z ：_ k - | _ - i 厶 。“l 上h 且山： 渺 啼母砷 ：2 9 6 k h z _ p 。_丌1 1 一：1 1 。r * 十q 十 l + 叫一+ - - + j 一+ w + 一一+ - 一 四 微协冰椭帖一帆毹删k 抵溉b 脚 c h 2 l 5 0 0 m v m 匹! ! 塑ga | c h l ， o o ov i 腮曾 甄嘲二二煎翮洳，贼丽觋口潲星1 尹3 i 。i l ! ! ! 、h il_ - n j i l i - _ “ti 。l ! 。l j 上二。t 二l 二。j ：”_ 甲一 h t 7 1 ， r ”1r t ”f f ， i ； - h - - - - - - ； 褂藏忠蕊艚棚枷赫舢4脚奸州小l 吖“ ；i l ； c h 2 l5 0 0 m v l m l l 0 0 m d a i c h l ，o o ov ： 6 0 0 j v 西：4 9 0 m v ：2 6 8 k h z ：3 13 k h z 豳翳 】丽圃e 二勇匝暖 小，网厕亘蕊 ；：躲2 7 2 0 0 3 图6 - 5c ) 不同时段滚子损伤轴承振动信号时域图和频域图 ! ! ：! j 帅蝌删 j 。+ 一 + o