李翔

摘 要： 聲發(fā)射技術(shù)是一種比較新穎的無損檢測技術(shù)，能夠針對貨車滾動軸承故障進(jìn)行有效診斷，通過對采集到的聲發(fā)射信號進(jìn)行相應(yīng)的帶通濾波處理，能夠得到非常明顯的故障特征信息，方便檢測人員針對貨車滾動軸承的運行狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分和判斷。本文從軸承故障聲發(fā)射信號的診斷機理著眼，配合相應(yīng)的試驗研究，對貨車滾動軸承故障聲發(fā)射診斷進(jìn)行了分析和討論。

關(guān)鍵詞： 貨車；滾動軸承；故障診斷；聲發(fā)射

前言：在鐵路貨運中，滾動軸承是非常重要的部件，其本身工作環(huán)境惡劣，容易受到各種外界因素的影響，而一旦滾動軸承出現(xiàn)問題，將會直接影響列車整體的運行速度和運行安全。將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到鐵路貨車滾動軸承故障診斷中，能夠配合相應(yīng)的儀器設(shè)備，結(jié)合聲發(fā)射信號來實現(xiàn)對滾動軸承故障的無損檢測，準(zhǔn)確區(qū)分軸承狀態(tài)好壞，為故障處理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 軸承故障聲發(fā)射信號診斷機理

所謂聲發(fā)射，指材料在外力作用下出現(xiàn)內(nèi)部晶格錯位、晶界滑移、裂紋擴展或者塑性變形等缺陷的形成及增長時，會通過彈性波來將部分能量釋放出來，利用相應(yīng)的儀器設(shè)備，能夠?qū)β暟l(fā)射信號進(jìn)行檢測、記錄和分析，也可以依照聲發(fā)射信號，實現(xiàn)對發(fā)射源實際運行狀態(tài)的分析及判斷，這也就是所謂的聲發(fā)射技術(shù)。聲發(fā)射技術(shù)本身屬于一種比較新穎的無損檢測技術(shù)，能夠在不對構(gòu)件造成破壞的前提下，檢測其內(nèi)部可能存在的故障和損傷，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

軸承在使用中，存在兩種比較常見的故障，一是表面損傷，主要是因為滾動軸承在使用中經(jīng)常受到?jīng)_擊性交變荷載的影響，導(dǎo)致金屬構(gòu)件很容易出現(xiàn)塑性變形以及位錯運動，嚴(yán)重時會引發(fā)相應(yīng)的疲勞裂紋，加上應(yīng)力的相互作用，如果不能及時進(jìn)行處理，疲勞裂紋會沿著最大剪應(yīng)力方向，向著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部逐漸延伸擴展，在達(dá)到某個臨界點后，會出現(xiàn)瞬間斷裂的問題。表面損傷通常出現(xiàn)在滾動軸承外圈；二是疲勞磨損，主要是指摩擦界面在循環(huán)接觸壓應(yīng)力的周期性作用下出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象，初期可能導(dǎo)致金屬材料內(nèi)部晶格的彈性扭曲問題，如果問題得不到及時處理，當(dāng)彈性應(yīng)力持續(xù)增大，達(dá)到甚至超過構(gòu)件能夠承受的臨界值后，則可能引發(fā)開裂，并持續(xù)擴展，于軸承內(nèi)部或者外圈滾道產(chǎn)生麻點、剝落等問題[1]。無論是哪一種故障，都會引發(fā)聲發(fā)射信號，由此可知，聲發(fā)射信號實際上可以看做是故障的載體，能夠及時準(zhǔn)確地反映缺陷，而通過對聲發(fā)射信號的分析處理，還可以實現(xiàn)對貨車滾動軸承的在線監(jiān)測或者臨近破壞預(yù)報，保證滾動軸承的安全可靠運行。

2 貨車滾動軸承故障聲發(fā)射診斷試驗研究

2.1試驗設(shè)計

為了研究貨車滾動軸承故障聲發(fā)射診斷技術(shù)的應(yīng)用情況，設(shè)計如圖1所示的模擬工況試驗系統(tǒng)。

系統(tǒng)中，V型壓塊一方面可以對外圈進(jìn)行固定，另一方面也能夠?qū)S承在實際運行中受到的徑向荷載進(jìn)行模擬，軸承運轉(zhuǎn)速度為380r/min，為了方便對聲發(fā)射信號進(jìn)行采集，將相應(yīng)的傳感器設(shè)置在軸承外圈貼片上。采集到的聲發(fā)射信號會被傳輸?shù)教┛薚DS3012型示波器，然后運用基于MATLAB的程序針對聲發(fā)射信號進(jìn)行分析。

2.2濾波處理

這里的濾波處理主要是基于小波變換的帶通濾波處理，聲發(fā)射信號本身包含了多組波形，頻譜相當(dāng)豐富。為了最大限度得模擬真實情況，選擇的滾動軸承都是經(jīng)過較長時間的運行，聲發(fā)射信號采樣頻率高，信號頻帶寬度達(dá)，采集到的數(shù)據(jù)信息中存在大量背景噪聲，如果采用常規(guī)處理方法，很難將故障信息準(zhǔn)確提取出來，因此，技術(shù)人員需要采取有效措施來減少濾波干擾問題[2]。

基于小波變換的帶通濾波屬于一種現(xiàn)代化信息處理技術(shù)，基本原理是對信號的分解與重構(gòu)。為了方便進(jìn)行研究，小波基函數(shù)設(shè)定為db5，能夠?qū)⒇涇嚌L動軸承故障的聲發(fā)射信號進(jìn)行8階分解與重構(gòu)。利用TDS3012，對滾動軸承聲發(fā)射信號進(jìn)行簡單傅里葉變換，可以發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射信號的能量集中在900-1400Hz，頻率范圍處于第6階，在這種情況下，對于其他各階的系數(shù)，只需要進(jìn)行置零然后重構(gòu)即可。正常狀態(tài)下26#滾動軸承濾波前后的時域波形圖如圖2所示。

2.3數(shù)據(jù)分析

考慮到開展試驗的最終目的是為了對貨車滾動軸承存在故障囊時的聲發(fā)射信號進(jìn)行分析，這里從頻域分析和時域分析中選擇常用參量來作為特征參量，包括均方根值XRMS、裕度L、峭度K以及峰值XPEAK。從方便對比分析的角度，需要首先對比不同狀態(tài)下滾動軸承聲發(fā)射信號的無量綱參數(shù)，結(jié)合對比結(jié)果分析，不同狀態(tài)下，L和K的數(shù)值并沒有很強的規(guī)律性，舉例說明，如果正常軸承K值處于3.0004-4.4305之間，則當(dāng)滾動軸承存在內(nèi)圈故障時，K值通常在2.2369-4.7226之間，與正常值存在明顯的交叉部分，當(dāng)軸承滾子存在故障時，K值則為2.6140-3.0225之間，同樣與正常值存在重合部分。即便經(jīng)過濾波處理，軸承正常K值可以進(jìn)一步集中在3.2943-3.8497之間，內(nèi)圈損傷聲發(fā)射信號K值范圍處于2.3402-3.7005之間，重合依然無法完全避免[3]。

事實上，不僅是K值，L值也存在相同的問題，因此，無論是否經(jīng)過小波濾波處理，對于滾動軸承聲發(fā)射信號而言，如果采用傳統(tǒng)故障診斷中的無量綱參數(shù)進(jìn)行診斷，則很難保證診斷結(jié)果的全面性和準(zhǔn)確性。

正常情況下，鐵路貨車滾動軸承的聲發(fā)射信號特征頻率集中在1439.7267-1476.3299Hz之間，部分軸承偶爾會出現(xiàn)在1000Hz左右，而軸承內(nèi)圈故障能量多集中在939.4827-1073.6945Hz之間，滾子損傷頻率方位一般為1110.2977 -1183.5041Hz，軸承類型不同，頻率分布可能存在一定差別，不過差距并不大。結(jié)合試驗結(jié)果分析，上述頻率同樣可能出現(xiàn)重疊，給故障診斷工作造成影響。參考均方根值XRMS進(jìn)行分析，正常情況下，軸承濾波前均方根值范圍相對集中，為1.3212-1.5494mV，若存在內(nèi)圈損傷，均方根值會增加到3.0380-3.3099mV，如故障為滾子損傷，均方根值進(jìn)一步增大到5.4076-14.1008mV，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)對比，能夠為故障診斷提供可靠依據(jù)[4]。

3 結(jié)語

總而言之，貨車滾動軸承在使用過程中，可能出現(xiàn)相應(yīng)的故障和損傷，對貨車運行的穩(wěn)定性和安全性造成影響。傳統(tǒng)無量綱診斷的方式并不能有效區(qū)分滾動軸承的運行狀態(tài)，將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到軸承故障診斷中，配合小波變換的濾波手段，能夠突出故障特征信號，對軸承故障進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，提升診斷的實時性和準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]王燕燕.基于聲發(fā)射技術(shù)的鐵路重載貨車滾動軸承故障診斷研究[D].中南大學(xué)，2013.

[2]陳春朝.Lab VIEW軟件在貨車軸承故障診斷中的應(yīng)用[J].河南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，30（1）：61-66.

[3]劉浩，魯五一.鐵路貨車軸承在線故障診斷智能系統(tǒng)研究[J].微計算機信息，2011，（11）：32-33.

[4]范琦山.基于能量分析的列車軸承故障聲發(fā)射信號研究[J].國防交通工程與技術(shù)，2013，（a01）：4-5.