（安全技术及工程专业论文）基于声发射技术的滚动轴承故障诊断研究.pdf

f a u l td i a g n o s i sr e s e a r c ho fr o l l i n gb e a r i n g sb a s e do n t h ea c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n i q u e a b s t r a c t r o l l i n ge l e m e n tb e a r i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e m e n t si nm e c h a n i c a le q u i p m e n t s ， m o s to ft h ef a u l t so fr o t a r ym a c h i n e sr e l a t e dt or o l l i n gb e a t i n g i ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yt h e c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so fr o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g s t h i st h e s i sa i m sa tt h e i n v e s t i g a t i o no ff e a t u r ee x t r a c t i o no fa c o u s t i ce m i s s i o n ( a e ) s i g n a la n dt h e f a u l tp a t t e m r e c o g n i t i o nt e c h n i q u e t h et h e s i sa i m sa tt h ea c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lp r o d u c e db yf a u l tr o l l i n gb e a r i n g ；t h e a p p l i c a t i o no fw a v e l e ta n a l y s i so na c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lp r o c e s s i n gw a ss t u d i e di nt h e t h e s i s a tf i r s t ，t h er u l e so fh o wt os e l e c tt h es u i t a b l ew a v e l e t sf o ra c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l p r o c e s s i n gw e r ep r o p o s e db a s e d o nt h ef e a t u r e so fa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lo fr o l l i n gb e a r i n g i nt e r m so ft h er u l e s ，d a u b e c h i e sw a v e l e t ，s y m l e t sw a v e l e ta n dc o i f l e t sw a v e l e tw e r e c o n s i d e r e dt ob es u i t a b l ef o ra c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lo fr o l l i n gb e a r i n g s e c o n d l y , t h e f r e q u e n c yd e c o m p o s i t i o nb a n do fw a v e l e ta n a l y s i s w a sf o r m u l a t e da n dt h em a x i m u m d e c o m p o s i t i o n l e v e lo fw a v e l e ta n a l y s i sw a sa l s of o r m u l a t e d t h er e s e a r c hr e s u l t sa b o v ew e r e v e r yi m p o r t a n tt ou s ew a v e l e ta n a l y s i sf o ra c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lp r o c e s s i n g t h r e ef e a t u r e e x t r a c t i o nm e t h o d sf o ra c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lb a s e do nw a v e l e ta n a l y s i sw e r ep r o p o s e d ： w a v e l e tf e a t u r ef r e q u e n c ya n a l y z i n gm e t h o d ，w a v e l e tf e a t u r ee n e r g yf r e q u e n c yc o e f f i c i e n t m e t h o da n dw a v e l e td e c o m p o s i t i o nc o e f f i c i e n tm e t h o d t h er e s u l t so fp r a c t i c a le n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o ns h o w e dt h a tt h et h r e em e t h o d sc a l le f f i c i e n t l ye x t r a c tt h ef e a t u r e s o fa c o u s t i c e m i s s i o ns i g n a lo fr o l l i n gb e a r i n g s t h ec o m m o np r o b l e m sc o n f r o n t e di nt h ea p p l i c a t i o no fb pa n dr b fn e u r a ln e t w o r ko n t h ep a t t e r nr e c o g n i t i o no fa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lo fr o l l i n gb e a t i n gw e r es t u d i e d t h e c o n s t r u c t i o no ft h el e a n i n gs a m p l e su s e di nt h eb pa n dr b fn e u r a ln e t w o r k ，t h e d e t e r m i n a t i o no ft h en u m b e ro fo u t p u ta n di n p u tl a y e r , t h en u m b e ro fh i d d e nl a y e r , a n dt h e o p t i m i z a t i o no f t h es t r u c t u r eo ft h en e u r a ln e t w o r kw e r ea l s os t u d i e di nt h et h e s i s t oi m p r o v e t h en e u r a ln e t w o r kp e r f o r m a n c e ，t h et h e s i sp u r p o s e ds u c hf i v em e t h o d sa si m p r o v e db p a l g o r i t h m ，n o i s e a d d e dr e p e t i t i o u st r a i n i n gm e t h o du s e di ns m a l ls a m p l e s ，c o m b i n a t i o no f w a v e l e ta n a l y s i sa n dn e u r a ln e t w o r k ，a n di n t e g r a t e dn u e r a ln e t w o r k e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a tn e u r a ln e t w o r k sb a s e do nt h ef o u rm e t h o d sa b o v ec a l lg e tb e r e rr e s u l t sf o rt h e p a r e mr e c o g n i t i o no fa c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a lo fr o l l i n gb e a r i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a x i m u m a m p l i t u d e ，r o o t m e a n 。s q u a r e ，k u r t o s i s o f a c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a la n dt h es e v e r i t yo ft h ef a u l to fr o l l i n gb e a r i n gw e r es t u d i e db y e x p e r i m e n t a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h et h r e ep a r a m e t e r sa b o v ec a nb eu s e dt od e s c r i b et h e f a u l tf e a t u r e so f r o l l i n gb e a t i n g ，a n da l s oc a nb eu s e dt ot h ef a u l tp a t t e mr e c o g n i t i o no fr o l l i n g b e a r i n g k e y w o r d s ：r o l l i n gb e a r i n g ，w a v e l e ta n a l y s i s ，n e u r a ln e t w o r k ，i n t e g r a t e dn e u r a ln e t w o r k ， a c o u s t i ce m i s s i o n ，c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：兰蚕之壁塑曰期：2 功3 年岁月勰日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：生重主壁塾 指导教师签名：主邈 f t 期：溯8 年岁月翻日 日期：如g 年占月2 , 9 日 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 滚动轴承是许多机械的重要组成部分。一般来说，轴承工作环境恶劣，因而也是机 器中极易损坏的元件。滚动轴承的故障预测和诊断技术也是近年来国内外研究的热点。 传统的方法也有不少，但检测效果不太理想，主要原因在于环境噪声太大，轴承故障信 号与振动噪声信号混在一起，无法判别。就滚动轴承的振动检测而言，由于故障信息较 弱，噪声信号有时会掩盖甚至湮没故障信号。因此，任何一种检测方法，首先是必须尽 可能地消除干扰，尤其是消除流体动力的干扰和机械振动噪声，提高信噪比；其次，尽 可能及早预报故障的发生。因而，及时准确地提取出故障信息是诊断轴承故障的前提。 由于声发射信号的频谱较宽，用其高频特性，可以有效抑制干扰，提高诊断的准确性。 此外，轴承裂纹从产生到扩展阶段，所产生的声发射信号很明显。相比而言，对于微裂 纹的缓慢扩展，振动信号就没有明显的变化。振动信号虽然能够提供较多的滚动轴承故 障信息，但是由于信号构成比较复杂，故障信号经常与正常振动信号混在一起，而且频 率成分与噪声干扰成分混在一起，往往不易清晰地判别出故障，因此需要较复杂的信号 处理技术【1 】。此外，利用声发射技术对滚动轴承故障进行早期预报和诊断有很大的优势。 滚动轴承的状态监测与故障诊断技术是随着设备状态监测与故障诊断技术的发展 而发展起来的一门综合性的应用学科，它综合吸收了现代科学技术在数学、物理学、力 学、化学、特别是电子学、信号处理技术、计算机技术以及人工智能等方面的最新成就， 形成了多种监测诊断技术。滚动轴承故障诊断技术发展的重要意义就在于能够促进设备 维修体制向现代化的预知性维修体制发展，提高企业的经济效益以及防止或大幅度降低 事故的发生。自二十世纪六十年代中后期以来，美国，日本以及欧洲一些发达国家在故 障诊断理论及应用方面取得了突飞猛进的发展，同时也促进了滚动轴承故障诊断技术的 发展。我国在这方面的研究和应用始于1 9 7 9 年，起步相对较晚，但近些年发展较快， 不少学者针对设备故障诊断做了大量的研究【2 卅，也大大的促进了我国滚动轴承故障诊 断技术的发展。 滚动轴承状态监测与故障诊断技术是指对滚动轴承的运行状态，使用各种监测手段 采集信号，通过对这些采集信号进行分析，判别其工作状态是否正常，如果不正常，经 过分析与判断，找出发生的故障类型，便于设备的管理与维修；或者在故障未发生之前， 第一章绪论 对可能会发生的故障进行预报，预测滚动轴承的剩余使用寿命，便于设备管理人员尽早 采取措施，避免发生故障，从而避免停机停产给生产带来重大经济损失【5 1 。 1 2 本课题研究的目的和意义 随着故障诊断技术的发展和普及，通过故障诊断技术来对在役的大型机械系统进行 故障诊断和状态监测变得越来越普遍。由于滚动轴承在现代企业当中应用的范围特别广 泛，好多大型的故障诊断系统都是针对滚动轴承的故障诊断来实现对整个系统的故障诊 断，因此，研究滚动轴承的故障诊断技术对提高企业的生产水平、降低故障率和提高整 个企业的效率具有非常重要的意义。 随着现代化工业的不断发展，无损检测在保障安全生产和产品质量中发挥着越来越 重要的作用。声发射检测技术作为无损检测技术当中的一种，与超声波等常规的其他无 损检测方法相比，声发射检测技术具有如下三大优点：声发射检测的信号来自检测对 象本身，因此能够对检测对象实现实时监测和监控；声发射检测的覆盖面广，对于大 型构件，不需要移动传感器做繁杂的扫查操作，只需要布置好足够数量的传感器就可以 对大型构件进行声发射监测；应用范围广泛，几乎所有的材料都可以进行声发射检测， 同时声发射检测不受检测对象的尺寸、几何形状、工作环境等影响；可检测对安全更 为有害的活动性缺陷，由于声发射检测可以提供缺陷在应力作用下的动态信息，适于评 价缺陷对结构的实际有害程度；可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化时的 实时或连续信息。因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。如今声发射检 测已经广泛地应用到了石油化工工业、电力工业、材料试验、民用工程、航天和航空工 业、金属加工、交通运输业等领域，而且应用领域正在生物等领域拓宽。在某些场合， 如压力容器、油罐等大型构件的在役检测和完整性检测，声发射技术已经成为必要的检 测手段之一【6 j 训。 声发射是指材料受到压力时，在材料内部产生瞬态弹性波的一种现象。当材料受到 一定水平的压力时，应变能量的快速释放将以弹性波的形式产生出来，弹性波可以被放 置在材料上的声发射传感器检测到。弹性形变和裂纹的增长是材料中声发射的主要来 源，在外部条件作用下，固体( 材料或零部件) 的缺陷或潜在缺陷状态改变时会自动发出 瞬态弹性波，声发射弹性波能反映出材料或零部件的性质，因此采用检测声发射信号的 方法，可以判断材料或零部件的某种状态。因此如何对声发射信号进行分析和处理来获 取有用的声发射源信息是声发射技术应用的关键问题【1 5 d 踟。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 至今还不能够直接检测到从声发射源发射出的原始声发射信号，只能够通过对传感 器接收到的声发射信号的分析和处理来获取声发射源的信息，这也是目前所采用的唯一 有效的声发射源信号获取方法。声发射检测技术最为常用的信号处理方法是声发射参数 分析法，通过分析声发射信号的统计特征参数，如：振铃计数、幅度、上升时间、持续 时间等获取声发射源的相关信息。该方法的硬件实现比较容易，至今仍然得到了广泛的 使用。但是由于特征参数的数量小，因此能够提供的信息量有限，对声发射源的信息分 析能力也有限。随着现代化工业的发展，声发射检测技术应用领域也不断的扩展，检测 对象的种类越来越多，因此对声发射检测技术的要求和精度也越来越高，仅靠几个统计 参数来进行缺陷判断和结构完整性评估已经无法满足现代工业无损检测的要求。声发射 信号当中蕴含着大量的声发射源信息，因此通过对声发射波形信号的分析来获耿声发射 源的信息成为必然【1 9 之1 1 。 滚动轴承的疲劳故障，是由于滚动轴承经常受到变载荷作用，使滚动轴承金属件内 部产生错位运动和塑性变形，首先产生疲劳裂纹源，然后沿着最大切应力方向向金属内 部扩展，当扩展到某一监界尺寸时就会发生瞬时断裂。而疲劳磨损是由于循环接触应力 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，品格的弹性应力达到临界值后，开始出 现微观裂纹再进一步扩展，就会在滚动轴承的内、外圈滚道上都出现麻点、脱落等疲劳 损坏故障。保持架断裂处在滚动轴承转动过程中会与滚动体及内外滚道或断裂部分之间 相互摩擦碰撞，导致声发射现象。这些故障的发生与扩展，都伴随着声发射信号的产生。 各种材料声发射信号的频率范围很宽，金属材料声发射频率可达几十到几百兆赫，其信 号的差异一般只有几微伏2 2 。2 3 1 。 滚动轴承的故障诊断，目前国内外采用的诊断方法有振动谱分析法、铁谱分析法和 铁磁分析法。在实际工程应用中，这些分析方法都将受到或多或少的限制。如振动谱分 析法受到轴承的安装和工作状况的影响；铁磁分析法易受到现场电磁的干扰。因此本文 将使用声发射技术来实现滚动轴承的现场故障诊断和在线监测。 滚动轴承的故障信息比较微弱，而其背景噪声比较强，与传统的振动信号分析法比 较，利用声发射对轴承进行故障诊断具有如下的优点：故障特征频率明显。滚动轴承 的故障声发射信号的频谱较宽，而振动信号相对较低。利用声发射信号的高频特性( 几 十千赫兹以上) 可有效抑制干扰，提高检测正确率。提前预报故障。在载荷和转速完 全相同的条件下，如果同时利用声发射和振动信号监测轴承的工作状态，由于轻微的裂 3 第一章绪论 纹需要经过一个缓慢的扩展阶段，这个阶段还不足以引起轴承明显振动，而声发射信号 已经表现出明显的故障特征，因此声发射可以实现故障的早期预报和诊断。 由于声发射源信号本身具有的不确定性、不可预知性、突发瞬态性和多样性等特点， 使得声发射波形信号处理和分析成为声发射技术中的难点。如何采用有效的信号处理方 法来对声发射信号进行处理，更多地获取声发射源信息，成为推动声发射检测技术发展 的关键2 4 。2 6 1 。 本课题就是根据上述声发射技术发展的需求，结合滚动轴承声发射信号特点，开展 了如下几个方面的研究：研究先进的信号处理方法- d , 波分析在声发射信号特征分析中 的应用；研究人工神经网络在声发射信号模式识别中的应用；根据上述研究的结论，利 用实验来对其进行验证。 本课题的研究对于推动声发射技术在实际滚动轴承故障诊断当中的应用起到积极 的作用，同时对提高滚动轴承声发射源特征信息的获取具有重要意义和实际应用价值。 本论文研究的结果将能够实现对滚动轴承的当前状态进行实时监测、对出现的故障进行 分类、对当前故障的严重程度进行评估、对设备的维修提供建议和对故障的未来发展趋 势进行预测。因此研究基于a e ( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 技术的滚动轴承故障诊断技术具有很 大的实际生产意义，能够有效的控制生产过程中故障的产生，为生产过程中的设备维修 提供指导性建议。 1 3 声发射检测技术的发展现状 声发射技术作为一门新型的无损检测技术起步于2 0 世纪5 0 年代的德国【2 7 】。德国科 学家凯瑟( k a i s e r ) 通过对多种金属材料的声发射现象进行研究，发现了声发射不可逆 效应一凯瑟效应，即声发射现象仅在第一次加载时产生，第二次加载以及以后各次加载 将对声发射事件产生微不足道的影响，除非后来所加外部应力超过了前面各次载荷的最 大值。凯瑟效应在工业上得到广泛应用，成为声发射检测技术应用的依据四j 。 6 0 年代初，g r e e n 等人首先开始研究将声发射技术应用到无损检测领域，成功地把 声发射检测技术应用到了焊接延迟裂纹监测、压力容器泄漏检测、裂纹扩展检测、核反 应堆冷却液泄漏等的检测【2 9 圳】；d u n e g a n 利用窄带仪器在频域内研究声发射信号，把声 发射检测技术的测试频率范围移到超声频段( 数十到百k h z ) ，通过这种方式，大大地 减少了声发射信号中的背景噪声，使得声发射的应用更加广泛；同时，美国和日本的科 学家，也加快了声发射检测技术应用方面的研究工作，并且取得了一定的成绩1 3 姒。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 7 0 年代，声发射技术得到了蓬勃发展。随着第一台商用现代声发射检测仪器的出现， 标志着声发射技术从实验室研究阶段走向实际应用，随后大量的声发射仪器公司相继出 现，如n o r t e c 公司、d u n e g a n 公司、s a c r a m e n t o 声发射科技公司、p a c 公司等。同时， 声发射传播理论、声发射传感器校正理论以及声发射信号分析等领域都开展了广泛、系 统、深入的研究，并取得一定的进展 3 3 1 。 8 0 年代初，美国p a c 公司将现代微处理计算机技术引入到声发射检测系统，成功 的设计出了体积小、重量轻的第二代声发射检测仪器，并开发出了一系列多功能检测和 数据分析软件。在此阶段，声发射检测技术在金属、压力容器、储罐、管道等重要领域 的应用已经进入到了工业化应用的阶段1 3 q 。 9 0 年代以后，美国p a c 公司、德国v a l l e ns y s t e m e 公司、中国声华公司和日本日 铁株式会社分别开发出了计算机化程度高、体积和重量更小的新一代数字化多通道声发 射检测分析系统，这些系统除了能够完成常规的声发射参数实时测量和声发射源定位 外，还可直接对检测到的声发射波形进行观察、显示、记录和对声发射信号进行频谱分 析。声发射检测仪器进入到声发射参数和波形混合分析阶段，不过声发射检测系统仍然 是以参数分析为主。随着计算机技术和现代信号分析技术的发展，声发射检测技术的应 用深度和广度都得到了较大的发展，如今美国p a c 公司已经开发出商用的多通道数字 式声发射检测系统以及配套的声发射信号处理软件p 5 1 。 声发射技术于2 0 世纪7 0 年代初开始引入我国，当时正是我国断裂力学发展的高峰， 人们希望利用声发射预报和测量裂纹的开裂点。随后中科院沈阳金属研究所、航空部6 2 1 所、航天部7 0 3 所、上海交通大学、武汉大学等一些科研院所和大学开展了金属和复合 材料的声发射特性研究。2 0 世纪8 0 年代中期劳动部锅炉压力容器检测研究中心从美国 p a c 公司引进的s p a r t a n 源定位声发射检测与信号处理分析系统，并在全国一些石化 和煤气公司开展了大量球形储罐和卧罐等压力容器的检测。随后，冶金部武汉安全环保 研究院、大庆石油学院和石油大学等许多单位相继从p a c 引进先进的s p a r t a n 和 l o c a n 等型号的声发射仪器，开展了压力容器、飞机、金属材料、复合材料和岩石的 检测和应用。2 0 世纪9 0 年代初燕山石化、天津石化、大庆油田、胜利油田、辽河油田 和深圳锅炉压力容器检验所等石油、石化企业检验单位和专业检验所相继进口大型声发 射仪器，广泛开展压力容器的检验。2 0 世纪9 0 年代中期空军第一研究所和航天部7 0 3 所从美国p a c 公司引进了第三代可以存储声发射信号波形的m i s t m s 2 0 0 1 多通道声发射 检测仪器，从而开展了以波形分析为基础的航空航天设备的声发射检测与信号处理分 5 第一章绪论 析。2 0 0 2 年国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心从德国v a l l e n 公 司引进了最新型号的a s m 5 型3 6 通道声发射仪，广州锅炉所购买了声华科技有限公司 4 0 通道全波形声发射检测系统。目前声发射技术已在我国石油、石化、电力、航空、航 天、冶金、铁路、交通、煤炭、建筑、机械制造与加工等领域得到了广泛的应用。据估 计，我国目前约有6 0 多个科研院所、大专院校和专业检验单位在各个部门和领域从事 声发射技术的研究、检测应用、仪器开发、制造和销售工作。 1 4 滚动轴承故障诊断技术国内外的发展现状 1 4 1 滚动轴承故障诊断技术的国内发展现状 目前，国内学者将a e 技术应用于滚动轴承故障诊断技术的研究已经取得了一定的 成效，但声发射信号的处理和分析方法主要是采用传统的参数分析方法，还没有形成一 套完整的滚动轴承声发射故障诊断理论系统。国内声发射检测技术的应用主要集中在设 备状态监测当中，在大型压力容器缺陷监测和大型储罐的状态监测当中应用得比较广 泛。同时也有少数的研究学者将a e 技术应用到了滚动轴承的故障诊断技术当中，其中 在铁路机车状态检测中应用得最广泛，但是都只是针对滚动轴承某一方面的故障进行研 究。1 9 9 6 年，沈阳师范学院的黄涛、张浑以a e 技术在滚动轴承故障诊断的应用为研究 题目，设计组成了以计算机为中心的声发射信号提取与分析系统；采用高频声发射信号 的共振解调法，实现了对滚动轴承的故障和无故障两种状态判断；研究结果表明，利用 a e 共振解调法可以检测低速及普通转速下滚动轴承的故障，且具有早期预滚动轴承故 障的特点p 6 j 。2 0 0 0 年，杨占才、张来斌、王朝晖、樊建春研究了声发射事件谱分析技 术在滚动轴承故障诊断中的应用，研究认为基于声发射技术的滚动轴承故障诊断常用时 间序列和谱分析方法来提取隐含于a e 信号中的故障特征信息，不能够很好的确定某一 个声发射信号是否与轴的旋转过程有关，特别是在故障的早期阶段，因此使滚动轴承故 障诊断的可靠性降低，而采用声发射信号的事件谱分析方法来对声发射信号进行处理， 得到了比较理想的效果，其检测水平优于传统的功率谱分析方法【3 7 】。2 0 0 2 年，北京理 工大学的理华等人以滚动轴承声发射检测技术为题，利用a e 技术对铁路货车的滚动轴 承进行故障诊断，研究结果表明，传统的振动检测无法在在列检和站修时使用，采用声 发射检测技术来对货车的轴承进行检测，可以在低速( 4 0 r m i m ) 轻载作用下完成对轴 承的故障检测和诊断【38 1 。2 0 0 3 年，郭浩针对目前铁路车辆检修中，运用人工判断轴承 故障随意性较大的问题，研制开发了基于声发射技术的r d 2 货车滚动轴承故障诊断仪， 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 为r d 2 货车滚动轴承故障的准确判断提供了有效手段f 3 9 】。2 0 0 4 年，河南科技大学机电 工程学院的姜诚君、孟源将声发射技术用于重载滚动轴承故障诊断的实验研究。特别是 对具有典型状态( 正常、保持架损伤、滚子损伤) 的重载( 1 0 t ) 低速( 3 0 0 r m i n ) 轴承， 在振动加速度检测诊断的基础上，采用声发射技术对其进行诊断检测的对比试验；实验 验证结果表明，在重载荷条件下，利用声发射技术对轴承进行故障诊断要比振动检测好 【4 0 1 。2 0 0 6 年，陈春朝、李孟源等利用声发射技术对铁路货车轴承进行故障诊断，利用 小波包分析提取轴承声发射信号的特征向量，并用概率神经网络的模式识别功能来实现 轴承故障状态识别。总的来说，国内学者对声发射技术产生的原理研究比较少，大型 的实验研究也比较少，进行的实验研究也只是针对某一个具体的方面，而很少综合考虑 各种故障存在的可能性，因此所得的试验数据大都有一定的局限性。同时，从事声发射 信号处理理论研究的人也比较少，声发射信号处理软件的编制更少。 1 ，4 2 滚动轴承故障诊断技术的国外发展现状 声发射技术起初被发展用于对静态结构进行无损伤测试，然而，经过数年的应用与 发展，声发射技术的应用已经扩展到旋转机械和轴承健康监测。与振动分析相比，声发 射具有对早期缺陷进行检测的能力。然而，一些限制条件限制了声发射技术成功的应用 到轴承的状态监测当中，如处理、理解所获取的数据比较困难，对所获取的数据进行分 类也存在着一定的困难。 a m o r h a i n f 4 2 】在轴承的故障诊断与声发射检测技术一文当中，利用传统的声发射信 号参数分析方法对采集到的声发射信号进行分析、处理和解释，取得了比较显著的成效。 文章主要研究标准声发射特征参数在轴承故障诊断中的应用，实验用的轴承通过人工的 方式在轴承的外圈和内圈上加工缺陷，同时实验装置具有提供高分贝声发射噪声的能 力，用于模拟实际工程应用的环境。通过应用当前a e 参数分析方法来对轴承故障诊断 的方法进行探讨，即利用声发射总数、均方根、振幅和能量声发射参数来对诊断结果进 行验证。此外，还提出了利用声发射总数来敛故障诊断肘的最佳阂值水平的方法。 c a t l i n 4 3 】研究报告当中提到的来自于轴承缺陷的a e 活动，归因于四个主要的因素， 这些主要因素包括了很多与轴承缺陷相关的瞬态和随机a e 信号。除此之外，报告当中 还提出，在a e 频率范围内所检测到的信号，代表着轴承的缺陷，如：不平衡、偏移、 轴弯曲和其他主要结构部件的共振，c a t t i n 在文章中也讲到了，高频的a e 信号衰减迅 速。因此，如果传感器放到离轴承比较近的地方，就可能检测到主要由轴承故障而引起 7 第一章绪论 的高频信号，因为由其他机械部件所产生的信号在达到传感器之前就已经大大的被衰 减。r o g e r 4 4 l 将声发射技术用于煤气生产的低速旋转耐磨回转轴承的状态监测中，与振 动监测技术相比，获得了一些令人比较兴奋的结果：裂缝面之间的相互摩擦、轴承内部 金属碎片之间的相互摩擦、载荷区域内滚动体与损害部件之间的相互撞击都被认为是可 以检测到的a e 信号源。 t a n d o n & n a k r a 利用共振传感器来对外圈具有缺陷的轴承的声发射总数和幅值进行 研究【4 5 1 。研究结果表明，声发射总数随着转速与载荷的增加而不断的增加。同时，研究 结果还发现，利用a e 发射总数来对滚动轴承进行故障诊断时，只能够实现对直径小于 2 5 0 p m 的缺陷进行检测。c h o u d h a r y 利用a e 技术来对轴承大小不一样和旋转转速在 5 0 0 r p m 到1 5 0 0 r p m 之间的轴承进行故障诊断【4 6 1 ，研究结果表明，对于无故障轴承来讲， 声发射总数的数值比较小；除此之外，对于故障轴承和无故障的轴承来讲，声发射总数 的数值随着转速的增加而变大；载荷的增加并不能够导致故障轴承和无故障的声发射总 数的数值发生大幅度的变化。v i b h ab a n s a l 将a e 技术作为已经检修完成的轴承的质量 控制工具，轴承在额定负载的3 进行测试，试验结果表明，随着载荷的增加，对于标 准( 运转的) 和已经维修好了的轴承来讲，它们的峰间幅值变化的幅度比较小，然而， 对于已经维修好了的轴承来讲，其峰间幅值大概为新轴承的5 倍1 4 ”。 1 5 声发射技术概念 声发射( a e ) 是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性应力波的现象。声 发射也称为应力波发射，因此本质上声发射信号是一种机械波，具有波的基本特性：波 动性和衰减性。材料内部每发生一次能量释放就会产生一个应力波，根据前后两次弹性 应力波出现的时间间隔的不同，通常把声发射信号分为连续型声发射信号和突发型声发 射信号，如果前后两次弹性应力波出现的时间间隔比较短，不足以把两次弹性波分开， 而产生相互重叠，则为连续声发射信号；反之，如果时间间隔长，能区分开，则为突发 型声发射信号【4 钔。 但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器 才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的 技术称为声发射技术。声发射技术是一种新兴的动态无损检测技术，涉及声发射源、波 的传播、声电转换、信号处理、数据显示与记录、解释与评定等基本概念，基本原理如 图1 1 所示。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 - 1 声发射技术基本原理 f i g l - 1 t h ep r i n c i p l e so ft h ea c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g y 声发射源发出的弹性波，经介质传播到达被检测物体表而，引起表面的机械振动， 经声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号。声发射信号再经放大、处理后，形成 其特征参数，并被记录与显示；最后，经数据解释，评定出声发射源的特性。 声发射检测的主要目标是：确定声发射源的部位；分析声发射源的性质；确 定声发射发生的时间和载荷条件；评定声发射源的严重性。一般而言，对超标声发射 源，要用其他无损检测方法进行局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。 声发射检测得到的是一些电信号，根据这些电信号来解释结构内部缺陷的变化往往 比较复杂，需要丰富的知识和其它试验手段的配合。另一方面，声发射检测环境常有较 强的噪声干扰，虽然声发射技术中已有多种消除噪声的方法，但在某些情况下还会使声 发射技术的应用受到限制。 1 6 声发射信号的产生 引发声发射的材料局部变化称为声发射事件。而声发射源，是指声发射事件的物理 源点或发生声发射波的机制源。在工程材料中，有许多损伤和破坏机制可产生声发射源。 下面对滚动轴承在运行过程当中能够引起故障的最常见二种声发射源进行讨论。 1 6 1 塑性变形 一切固体在受到外力作用时，体积和形状都要发生变化，我们把这两种变化统称为 形变，单位长度和单位体积的形变叫应变，而单位面积上所受的力叫应力。对于绝大多 数的变形固体，当外力不超过各自能够承受的外力范围时，它去除外力后，将完全恢复 ( 或者说几乎完全恢复) 原有形状和尺寸，这种性质称为弹性。去除外力后能够消失的 变形称为弹性变形。但当外力过大时，在外力去除后，变形只能部分地消失而残留一部 分不能消失的变形，材料的这种性质称为塑性。去除外力后不能消失而残余下来的变形 称为塑性变形【4 9 】。 晶体材料的塑性变形是形成声发射源的一个重要机制之一，当许多金属材料在拉伸 9 第一章绪论 变形时，可以看到在屈服点附近出现声发射计数率高峰，在进入加硬化阶段，声发射计 数率急剧减少。对于运行当中的滚动轴承来讲，无论是轴向的载荷还是径向的载荷，当 载荷超过了轴承能够承受的载荷范围时，将会出现塑性变形。 1 6 2 裂纹的形成和扩展 裂纹的形成和扩展也是一种主要的声发射源，尤其对无损检测更为重要。裂纹的形 成和扩展与材料的塑性变形有关，一旦裂纹形成，材料局部地区的应力集中得到卸载， 将会产生声发射信号。 材料的断裂过程大体上可分为三个阶段：裂纹成型；裂纹扩展；最终断裂， 这三个阶段都可以成为强烈的声发射源。 在微观裂纹扩展成为宏观裂纹之前，需要经过裂纹的慢扩展阶段。理论计算表明， 裂纹扩展所需要的能量比裂纹形成需要的能量约大1 0 0 倍到1 0 0 0 倍。裂纹扩展是间断 进行的，大多数金属都具有一定的塑性，裂纹向前扩展一步，将积蓄的能量释放出来， 在裂纹尖端区域卸载。这样，裂纹扩展产生的声发射信号很可能比裂纹形成的声发射信 号强烈。当裂纹扩展到接近临界裂纹长度时，就开始失稳扩展，成为快速断裂。这时产 生的声发射强度更大，产生入耳可以听得见的声音。利用此特性，可以提前发现滚动轴 承当中出现的故障，实现提前对轴承故障进行预测的功能。 1 7 滚动轴承故障声发射信号的机理 根据声发射现象产生的机理，即声发射是材料或者结构受外力或内力作用产生变形 或断裂，以弹性应力波形式释放出应变能的现象。到目前为止，还无法对声发射源进行 直接检测。因此在运用声发射方法对滚动轴承进行监测时，声发射源发出的声发射信号 要经过一定媒质的传播后才能够被声发射传感器接收。声发射信号在媒质中传播时要产 生衰减、反射和折射，这些因素都将直接导致声发射检测结果的正确性。 1 7 1 滚动轴承的振动机理 滚动轴承在工作时，一般是外圈与轴承座或机壳相联接，保持固定或相对固定的状 态；内圈与机械的传动轴相联接，随传动轴一起转动。机械运转过程中，由于轴承本身 的结构特点、加工装配误差及运行过程中出现的故障等内部因素，以及传动轴上其它零 部件的运动和力的作用等外部因素，因此，当传动轴以一定的速度并在一定的载荷下运 转时，将对轴承和轴承座或外壳组成的振动系统产生激励，使该系统振动，其振动产生 i o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的机理可用图1 2 表示。 - - _ _ 一 i 内 f 茎 l 素 图1 - 2 滚动轴承的振动产生机理 f i g l - 2r a i s i n gm e c h a n i s m o fv i b r a t i o no ft h er o l l i n gb e a r i n g 滚动轴承的实际故障诊过程断中，人们通过布置在轴承座或外壳适当位置的传感器 拾取轴承的故障声发射信号，拾取的故障声发射信号是上述各种内部和外部机理源施加 于轴承以及轴承座和外壳组成的振动系统的综合振动。如果不考虑轴承加工和装配误 差，在综合振动中，最感兴趣的是运行故障这一内部因素所引起的故障声发射信号。 1 7 2 滚动轴承的故障类型 滚动轴承常见的故障类型有：麻点、剥离、擦伤、烧附、辗皮、热变色、腐蚀、微 振磨蚀、凹痕、压痕、拉伤、裂损、断裂等。根据国家的相关规定，轴承在缺油而磨损 时也算正常，而此时轴承转动肘所发出来的声发射信号比油膜正常时所发出的声发射信 号的频率要高。 1 7 3 滚动轴承的声发射现象 滚动轴承的故障声发射信号按其故障类型的不同，可以分为如下两类： ( 1 ) 当滚动轴承发生擦伤、凹痕、压痕、腐蚀等类型的故障时，随着周期性的旋 转，轴承的滚动体与滚动轴承的内表面、外表面相互进行碰撞，会产生一个很强的突发 性声发射事件。由此类故障所导致的声发射信号，经过传感器检测以后，输出的信号可 以近似的简化成指数衰减的正弦波信号。 ( 2 ) 通过材料的变形和破坏的声发射试验表明，大多数金属和合金在均匀塑性变 形时所呈现的声发射特性是在屈服时出现声发射峰。当滚动轴承发生辗皮、剥离、裂损、 断裂之类的故障时，滚动轴承的声发射故障检测也遵循这一规律。因此通过检测滚动轴 承所产生的高能量声发射信号就可以识别轴承当前是否存在着故障。 1 8 声发射信号的处理 a e 信号表示一个或多个声发射事件经过传感器接收并经过系统处理后以某种形式 出现的电信号。根据声发射信号的特点，可以将声发射信号分成突发型和和连续型两种。 1 1 第一章绪论 突发型信号，指的是时域上可以分离的波形。实际上所有声发射过程，均经过突发 过程。当声发射频度高达时域上不可分离的程度时，就以连续型信号显示出来。实际检 测过程中，也会出现由突发信号和连续信号相互组成的混合型信号。对于不同类型的声 发射信号，需要采用不同的信号处理方法。早期的通用系统，多以突发型信号检测为主， 而在专用的声发射检测系统当中具有连续型声发射信号检测功能。本次实验所采用的声 发射检测系统可以同时采集两类信号。 由于材料不同、工艺差异、) j n t 条件差异等原因，材料中或多或少存在一定的缺陷， 在一定条件下就会有声发射信号发生。同时因为材料界面形成的传感衰减、折射影响等， 以及摩擦信号、机械噪声、电磁噪声、环境噪声等共同叠加在检测信号中，这会给现场 检测提出一个问题，即如何从检测得到的信号中将真正有用的表征不同类型缺陷的声发 射信号提取出来。 1 8 1 声发射信号处理方法的研究状态和进展 如前所述，声发射信号处理方法是声发射检测技术中的一个关键因素。声发射信号 是声发射检测技术对检测对象做出评定的主要依据，由于声发射信号是一种复杂的波 形，包含着丰富的声发射源信息，同时声发射信号在波的传播过程中，声发射信号的波 形将会发生畸变并会引入干扰噪声。如何选择合适的声发射信号处理方法来对声发射信 号进行分析，获取能够对声发射源进行正确描述的特征，一直是声发射检测技术发展中 的难点和研究热点。由于声发射信号具有不可预知性、突发瞬态性、声发射源信号的多 样性和干扰噪声的多样性等特点，因此在声发射技术的历史上，各种可能的信号处理方 法都曾被尝试过。根据分析对象不同，可以把声发射