基于声发射检测的滑动轴承状态诊断

基于声发射检测的滑动轴承状态诊断

0声发射检测技术在大型滑动轴承状态检测中的应用油膜滑动轴的安全可靠性对整个汽轮压机的运行有重要影响。人们尝试了许多方法来监控和诊断滑动轴的错误。在机组启动过程中,转子转速、轴承温度场、轴承标高、机组负荷变化幅度大,导致轴承的载荷发生大幅度变化。所以,密切监视轴承的状态信号、快速准确地诊断轴承的状态,是确保机组正常启动、提高机组可靠性的重要措施。与已有的轴承状态监测方法相比,声发射检测方法具有灵敏度高、反应速度快、能检测早期故障等优点,是一种动态无损检测方法,在大型滑动轴承的状态检测中逐步得到应用。但是,声发射检测方法在监测大型滑动轴承的应用中,目前还缺少一些基础性的数据。如,声发射信号特征随转速的关系、声发射特征随轴瓦温度的变化关系、声发射特征随机组负荷的变化关系等。不探明上述定量关系,声发射检测技术难以在轴承状态检测中得到真正应用。因此,本文应用现代检测技术和信号分析技术,利用现场试验方法,研究大型滑动轴承的声发射信号特征。1机组冷态测试本文的研究对象为国产300MW亚临界中间再热双缸双排汽凝汽式汽轮机,所配发电机冷却方式为水-氢-氢。试验前,该机组刚经历了一次小修,准备开机。因此,试验前机组处于完全冷态,这是一次测量轴承状态与轴承声发射信号特征之间关系的好机会。选定机组的4号轴承(汽轮机低压转子后轴承)和5号轴承(发电机前轴承)作为测试对象,测点布置在位置邻近的4号和5号轴承的轴承座上。机组的轴系结构和测试系统如图1所示。2声发射信号的特性轴承的声发射信号测量仪器为美国PAC公司生产的PIC-2型声发射仪,该仪器配置的软件为AEWINforPIC-2softwareversion1.9。声发射传感器为α—seriesR15α,直接粘贴在机组的4号、5号轴承座中分面的垂直方向。轴承声发射检测系统见图1。记录声发射信号时,采样频率为2M,门槛设置为10dB。数据导出后,考虑到在开机以前测量的噪声信号的幅度约为20dB,故在对数据进行分析时将门槛设置为20dB。本文分析提取的声发射特征参数有:(1)事件计数。当脉冲衰减波的包络线超过阈值电平时,产生一个矩形脉冲,将此脉冲作为事件计数。单位时间内产生的事件计数称为事件计数率。(2)当声发射信号每超过一次阈值电压,将产生一个振铃脉冲,产生一个振铃计数。单位时间内产生的振铃计数称为振铃计数率。(3)信号总能量与能量率。一段时间内的声发射能量为:E(t)=∫t2t1x2(t)dt(1)E(t)=∫t1t2x2(t)dt(1)能量率是指单位时间内的能量总和:Eˆ(t)=E(t)t1−t2(2)E^(t)=E(t)t1-t2(2)其中,E(t)为某时刻的累积能量;x(t)为声发射信号;t1、t2分别为事件触发和结束时间。(4)信号的频谱与信号中心频率幅度。以快速傅立叶变换为基础,将声发射时域信号转换为频域信号,获得信号的频域分布,即信号的频谱。离散傅立叶变换的算法为:X(k)=∑n=0N−1x(n)e−j2πNnk(3)X(k)=∑n=0Ν-1x(n)e-j2πΝnk(3)信号中心频率幅度是指信号幅频特性曲线的最大值,即在幅频特性曲线上最大幅值对应的那个频率。它能反映声发射信号的主频范围。(5)频谱能量不稳定度。是信号不稳定程度的一种定量表述。一般情况下,声发射信号是随时间变化的。声发射信号不但幅值大小是波动的,而且其频率范围也总是在一定程度上波动,当声发射信号较强时,其波动程度也加大,由此考虑声发射信号前后两个时刻的能量变化参数。定义频谱能量不稳定度K:K=∫fs20abs(A21(f)−A22(f))df(4)Κ=∫0fs2abs(A12(f)-A22(f))df(4)其中,fs为采样频率;A11(f)、A22(f)分别为紧邻的两个时刻t1、t2的幅值谱函数。(6)自相关最大值。是指声发射信号自相关函数的最大值。自相关函数的一个重要应用是在检验信号中是否含有周期成分。x(t)的自相关函数定义为:RX(τ)=limT→∞12T∫T−Tx(t)x(t+τ)dt(5)RX(τ)=limΤ→∞12Τ∫-ΤΤx(t)x(t+τ)dt(5)x(t)是某各态历经过程的一个记录样本;x(t+τ)是x(t)时移τ后的样本。3现场试验分析和结果3.1设备冲轴过程中的声音传输特征3.1.1声发射参数随转速的变化特性该机组在大修后于2008年6月2日下午第一次冲转,从17:57分第一次暖机开始。图2和图3分别为机组启动过程中4号轴承和5号轴承声发射特征参数与转速的关系。从试验结果可以看出,4号轴承的声发射信号强度大于5号轴承;4号轴承和5号轴承的声发射信号特征参数变化规律相同:(1)振铃计数和事件计数,随转速的升高而降低。这是由于在升速阶段,转速越高,转子在轴承中浮起的位置越高,油膜厚度越大,因粘性而产生的油膜剪切力越小,声发射的振铃计数率和事件计数是下降的。这种变化规律与理论研究的结果相符。(2)其它各参数随转速的升高而升高。随着转速的升高,声发射信号的总能量是提高的,信号的最大幅度是增加的,信号中心频率的幅度也是增加的。(3)声发射信号的总能量、信号幅度、中心频率幅度、频谱能量不稳定度、自相关系数最大值这几个指标都能表达轴承声发射信号的特征。但是,各指标对信号的变化的敏感程度是不一样的。从低速暖机到转速3000r/min,各声发射参数指标的增长系数见表1。从表1中可以看出,在声发射信号的各特征参数中,频谱能量不稳定度和自相关系数最大值这2个参数的增长倍数较大,对转速的变化最为敏感。3.1.2声发射信号分析机组在启动升速到某一转速时,固定转速不变,对机组进行暖机。随着暖机的进行,轴瓦的温度逐步上升。如图4和图5分别为机组暖机、轴瓦温度升高过程中,4号轴承和5号轴承的声发射信号特征参数与轴瓦温度的变化关系。从试验结果可以看出,随着轴瓦温度增加,4号、5号轴承声发射事件计数和振铃计数降低,其余声发射特征参数随瓦温的增加而增加。3.2声发射信号测试结果机组升速到3000r/min时,并网带负荷,根据机组的热状态增加机组的负荷。在机组带负荷的过程中,4号轴承和5号轴承的声发射特征参数随机组负荷发生变化,见图6和图7。从测试结果可以看出,升负荷过程中,4号、5号轴承声发射信号变化趋势总体一致。4号轴承的任何曲线都在5号之上,说明4号轴承声发射信号比5号轴承强;随着负荷的变化,4号轴承声发射信号的变化幅度也比5号轴承的大。从机组定速(3000r/min)至带满负荷,各指标的增长倍数见表2。由表2可知,从机组定速(3000r/min)到带满负荷,4号轴承、5号轴承的频谱能量不稳定度和自相关系数最大值这2个参数的增长倍数较大,说明它们对机组负荷的变化更为敏感。4声发射信号分析通过试验研究,发现滑动轴承的声发射信号特征参数与滑动轴承的状态呈现如下关系:(1)随着转速的增加,滑动轴承声发射信号事件计数和振铃计数减少,反之增大;信号总能量、信号幅度、信号中心频率幅度、频谱能量不稳定度、自相关最大值随转速的增加而增加,随转速的降低而降低。(2)机组负荷上升过程中,4号、5号轴承的声发射信号事件计数和振铃计数总体变化趋势是减小的,其余特征参数则随负荷的增加而增加。(3)随着轴瓦温度的增加,4号、5号轴承声发射信号事件计数和振铃计数降低,其余声发射