转子升速过程中滑动轴承油膜状态演变与声发射信号特征参数的关系

转子升速过程中滑动轴承油膜状态演变与声发射信号特征参数的关系

0转子升速过程中轴承断油故障是造成轴承滑动轴承故障机制根据轴承滑动轴承是重要的旋转机械，如大型旋转机械。由于其巨大的支柱设备、复杂的结构、较差的工作环境和沉重的负荷，因此很容易在运行过程中失败。滑动轴承常见的故障是轴与轴瓦的接触摩擦,严重的干摩擦会使润滑油温升高,黏度下降,承载力降低,甚至导致轴承损坏,从而影响设备的安全运行。转子升速过程,是滑动轴承油膜润滑状态最不稳定阶段,容易引起滑动轴承的损坏。轴承突然断油或缺油,会引起轴承润滑状态的急剧恶化,引起严重的轴承故障。因此,加强对转子升速过程的轴承运行状态的检测和诊断,以及对轴承断油工况的快速诊断,具有很重要的实际意义。目前常用的滑动轴承故障诊断方法如油温检测、测轴心轨迹、光铁谱分析、振动分析等,在一定程度上能够反映出故障特性,但都存在很多局限性。声发射检测应用在旋转机械滑动轴承的故障检测,已有研究在理论上证明了其可行性与传统方法相比声发射检测具有响应时间短反应故障快、传感器安装简便、能定位故障等特点。1实验设备和过程1.1检测系统软件的选择图1为实验台装置图。转子由电机带动旋转,通过调压器改变供给驱动电机的电压达到调速的目的。转轴两端采用油膜轴承支撑,声发射传感器贴在靠近电机侧的滑动轴承座上,传感器与轴承座之间采用耦合剂粘合;在该实验台上,可以模拟转子碰磨故障、油膜涡动、油膜振荡等故障。本文选择Labview为检测系统软件的开发工具。检测系统选用NI公司生产的PCI-6110多功能数据采集卡,采样频率设置为5M,采样点数256K,声发射传感器选用北京声华公司生产的SR-150M声发射传感器,频响范围为60kHz～400kHz。1.2实验方法和过程(1)轴与轴瓦接触干的测量电路根据滑动轴承的故障机理分析可知,虽然引起滑动轴承故障的原因很多,但不论什么原因,最终都是导致滑动轴承轴与轴瓦之间的油膜破坏,产生接触干摩擦。为了判别是否出现摩擦,在轴与轴瓦之间构造了如图2所示的测量电路。图2中,R1为油膜电阻,R2为平衡电阻,当轴与轴瓦之间润滑良好时,R1的电阻很大,电路开路,灯泡不亮,此时R2两端电压值近似为零;相反,当轴与轴瓦完全接触时,油膜电阻R1为零,此时电路接通,灯泡变亮,R2两端的电压值达最大。因此根据R2两端的电压值的变化情况就能判断轴与轴瓦之间的润滑情况,判断是否发生了接触摩擦。(2)转速稳定时轴承声发射特性轴承润滑状态的模拟分两个阶段进行:第一阶段,转子由0缓慢升速到3000r/min,然后稳定在3000r/min。模拟轴承油膜从无(静止状态)到逐渐建立的过程,转速稳定时,轴承油膜趋于稳定。第二阶段,在恒定转速下,断掉轴承的供油,模拟轴承突然断油的工况。做法为:将转速稳定在3000r/min,大约2min后切断润滑油停止供油,同时测量灯泡两端的电压值和轴承的声发射信号。电压值每分钟记录一次,声发射信号采用检测软件实现了实时监测记录。实验过程中,电路中的灯泡由开始前亮逐渐变暗至不亮,停止供油一段时间后又开始慢慢变亮,直到实验进行到20min左右时,灯泡亮度跟实验前亮度基本相同,转速突然有所降低同时转轴旋转所发出的机械声音改变,此时停止实验。2结果分析2.1声发射事件分析实验过程记录的油膜电阻R1两端的电压值变化情况如图3所示。可以看出,转子升速过程中,随转速的升高油膜逐渐建立,R1两端的电压逐渐降低,3000r/min后R1两端的电压基本保持不变。切断润滑油后,由于没有新的润滑油补充,轴与轴瓦之间仅靠残留的润滑油支撑,随着时间的延长,油膜开始变薄,R1的电压值开始增高,此时认为轴与轴瓦之间发生了局部接触摩擦当残留的润滑油完全消耗油膜消失,轴与轴瓦之间完全接触,R1两端的电压达到最大,可以判定此时轴与轴瓦发生了严重的干摩擦。实验过程中的声发射信号如图4所示,其中,图4(a～f)分别为不同转速对应的声发射信号谱图。在低转速(500r/min)由于此时转速低油膜没有建立,轴与轴瓦之间有局部接触摩擦,此时声发射时域波形如图4(b)所示,对应频率在100kHz下有峰值出现。随转速的升高,油膜逐渐建立,同时,轴与润滑油之间的摩擦也加大,声发射信号特征如图4(c、d)所示。在转子临界转速附近时,由于振动增大导致油膜受到威胁,声发射信号明显增强,对应频谱图如图4(e)所示。当转子转速稳定(3000r/min)后,此时油膜建立良好,声发射信号稳定,如图4(f)其时域波形比较规则,且幅值很低。实验记录的声发射信号各特征参数的变化趋势如图5所示。本文将着重对事件数、振铃数和频率中心进行分析。一个声发射事件是指一个声发射脉冲激发产生的一个阻尼振荡波形,单位时间内的事件个数称作事件数,事件数与阈值电压的选择有关,若阈值电压选择太小则会使事件数太多,太大则又会漏掉小的声发射事件;振铃数是指幅值电压超过阈值电压的个数,一个事件可以包含若干个振铃计数。一般说来,在阈值电压相同的条件下,事件能量越大,幅值衰减至阈值电压下所消耗的时间越长,单个事件包含的振铃数越多。按摩擦能量学的理论,振铃计数可以反映摩擦能量的大小。因此,根据单个事件包含的振铃数的大小就可以反映出碰磨故障的严重程度。在转子开始升速瞬间,事件数、振铃数都突然增大,频率中心突然降低,这是由于在转子从静止突然转动升速时,油膜还没有建立,轴与轴瓦之间处于接触摩擦阶段,随后,油膜开始逐渐建立,但由于此时的转速比较低,轴与轴瓦之间还会存在偶尔的局部轻微的接触摩擦,此时声发射事件数和振铃数都很小,频率中心也有所回升。随着转速的升高,润滑油摩擦力增大,声发射事件数、振铃数呈逐渐增大趋势,频率中心呈缓慢降低趋势。从图5(b)和(c)中可以看出,当升速速率增大时,声发射事件数、振铃数会出现一个陡增,随着升速速率的降低又会有一个陡降过程,这是由于此时油膜还不是很稳定,当升速率增大时,转子会产生一个很大的径向加速度力,使得油膜变薄,当加速度力消失后,油膜恢复原来状态。当升速到2400r/min左右时,转子进入临界转速阶段,当升速率降低后,声发射事件数、振铃数并没有降低,当转速超过2500r/min后,此时转子不再处于临界转速区,声发射事件数、振铃数降低,由于此时转速较高,油膜基本很稳定,升速所产生的加速度力已不能对油膜形成破坏,事件数、振铃数不再出现陡增陡降现象。2.2声发射信号特征润滑油切断后,由于没有新的润滑油补充,仅靠残留的润滑油建立油膜,随着时间的延长油膜受到威胁并开始变薄,此时声发射信号如图6所示。在时域波形图中有多个明显的突发信号产生,对应声发射事件数和振铃数也开始出现较大的波动并逐渐增大,这是由于润滑状态开始变坏,轴、瓦之间存在轻微碰磨而产生的间断性的声发射信号。断油7min多后,残留的润滑油基本消耗完,此时没有油膜支撑,轴与轴瓦之间处于接触干摩擦状态。金属的接触摩擦产生强烈的连续的声发射信号,图6(b)为发生干摩擦后的声发射信号特征,可以看出时域波形幅值很大且波形衰减很慢,对应频谱频率集中在50kHz～200kHz宽频范围内。从图5中声发射特征参数的变化趋势看,发生干摩擦后,事件数突增了3倍后很快降低到非常小值(200);振铃数陡增了2倍多,单个事件数包含的振铃数非常多,说明单个声发射事件的能量很大,此时发生了非常严重的干摩擦;声发射的频率中心也突降到150kHz并稳定下来,由此可知发生干摩擦时的声发射故障频率中心为150kHz。从以上的变化特征可以看出,当润滑状态开始慢慢变坏时,声发射频率中心会改变,事件数、振铃数会出现波动并逐渐增大,并随着状态的恶化程度增加而增大的更快,当润滑状态完全变化后,对应的声发射特征参数会出现明显的突变3声发射信号分析(1)从实验结果可以看出,声发射信号能比较准确的监测出轴承的润滑状况;(2)润滑状态良好的升速过程,在低转速阶段声发射特征信号会有峰值出现,高转速阶段特征信号稳定