滾動軸承性能退化靜電監測范文

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《機械工程學報》2014年第十二期

1靜電傳感器基本原理及特點

根據工作原理的不同靜電傳感器分為電荷直接傳遞和感應式兩種。本試驗采用感應式靜電傳感器，即磨損顆粒不與傳感器直接接觸，而將傳感器感應面盡可能接近磨損區域，當磨損過程中產生的各種電荷通過感應探極區域時，將在探極上產生相應的感應電量，感應探極表面電子將重新分配，從而產生能夠被采集到的靜電信號。圖2為理想狀態下帶電顆粒經過靜電傳感器時所產生的感應電荷的原理示意圖[4]。圖3為本試驗所采用靜電傳感器的結構示意圖和實物圖。靜電傳感器等效測量電路如圖4所示，其中R為測量回路的等效電阻，C為測量回路的等效電容，A為傳感器感應面積，q為施感電荷，運動速度為v，探極與施感電荷運動路徑間的垂直距離為h。設t時刻，帶電顆粒在傳感器探極上的感應電荷量為Qt，則t時刻靜電傳感器實際輸出信號，感應電壓Ut與傳感器感應電荷量Qt的關系為靜電傳感器有棒狀、點狀和圓環狀等形式。本試驗傳感器采用棒狀形式，其主要優點有：（1）結構簡單，緊湊，對于軸承運轉所引起的振動具有較好的抗干擾能力，容易達到靜電屏蔽的效果，且價格便宜；（2）由于其為非接觸式，所以不會對軸承的運轉產生任何影響，也不會給潤滑油液帶來壓力損失；（3）靈敏度高，響應時間快，測量范圍大；（4）性能較穩定，適用于惡劣的工業環境。

2滾動軸承加速疲勞壽命試驗

2.1試驗儀器及設備本試驗所用試驗機為杭州軸承實驗中心的ABLT-1A型軸承壽命強化試驗機。該試驗機包括加載系統、傳動系統、潤滑系統、電氣控制系統、計算機監控系統、試驗頭和試驗頭座。該試驗機的特點是加載自動穩壓、試驗軸承外圈溫度自動顯示、試驗時間自動累計顯示、疲勞剝落自動停機等。所安裝的傳感器的位置如下圖5所示，通過溫度、靜電、振動傳感器，來分別采集信號，以便更加準確的監測軸承的狀態。本試驗主要是對軸承進行徑向加載，軸承節徑為D，滾動體的直徑為d，滾動體個數為Z，接觸角為，軸承在運動過程中外圈固定，內圈隨軸一起轉動，軸承載荷分布及結構如圖6所示。本試驗中所用所有軸承均為單列深溝球軸承6207，其主要參數如下表1所示。

2.2試驗方案及流程試驗具體步驟如下：（1）對將進行試驗的軸承進行清洗，保證軸承性能完好（2）按固定位置安裝好靜電傳感器、溫度傳感器、振動傳感器。（3）對編好號的軸承進行安裝，開始時在軸上同時安裝4個6207軸承。（4）依次調試各傳感器及采集設備，當各項設備都調試完成時，準備開始試驗并記錄數據。軸承與靜電傳感器相對位置示意圖如圖7所示。（5）將油液潤滑系統打開，不加載啟動機器，運轉1-2小時在額定動載范圍內逐步進行徑向加載，打開數據采集系統開始記錄各項運行數據。（6）定期檢查軸承試驗機運行狀況，通過觀察靜電信號方均根值(Rootmeansquare，RMS)等參數判斷軸承運轉情況。圖8所示為數據采集系統流程圖。（7）當4個軸承中一個發生故障時，試驗機將會自動報警并停機。（8）拆卸下軸承并詳細檢查各軸承的狀況并加以記錄，同時將壞損的軸承進行更換，換上新的軸承。（9）循環重復（3-8）的過程，直到軸承全部更替完結束，則一次試驗結束。試驗中采用油液澆注潤滑方式，試驗主要參數見表2

3軸承靜電信號特征提取及性能退化評估

3.1特征參數提取對滾動軸承進行性能退化評估之前，首先必須對原始信號進行處理，即特征提取。不同的特征參數對于軸承狀態的敏感程度也不同?？紤]到靜電感應信號的特殊性，主要采用時域特征參數提取方法。本文所采用時域特征提取參數主要有：方均根值、峰-峰值、峰值指標、波形指標、脈沖指標、裕度指標和峭度指標等。具體時域特征參數見表3。除了前兩項外其他項均為無量綱參數，可用于無量綱診斷。主要優點在于可直接使用檢測信號而不需要進行信號處理，無量綱參數受轉速或者軸承工況的影響較小，因此能較好地反應軸承的工作狀態。

3.2基于靜電的滾動軸承性能退化評估根據滾動軸承的工作機理，其從正常工作狀態到早期故障包括輕微的點蝕、擊蝕以及摩擦腐蝕，再到產生裂紋、剝落等嚴重磨損階段直至最后由于嚴重變形和斷裂等最終完全失效的整個過程為軸承性能退化的過程。因此本試驗利用靜電方法對軸承全壽命周期進行監測和分析。在滾動軸承靜電監測試驗過程中，每1分鐘采集10000個靜電信號數據，利用以上公式計算各特征參數的值，對全壽命周期進行研究。限于篇幅，選取具有代表性的一組滾動軸承全壽命周期變化如圖9所示。本次壽命試驗從機器開始運作（采集開始）到采集結束總共持續時間為4509分鐘。從圖9中可以看出靜電信號RMS幅值基本在0~6mV直接波動。對該信號進行進一步分析，可以明顯看出在全壽命周期試驗過程中滾動軸承的運行狀態可以分為四個階段，即早期磨合階段，平穩階段，早期磨損階段，嚴重磨損階段。分布對應圖10、圖11、圖12和圖13。這與軸承運轉的實際情況非常符合，也從側面說明了信號的真實性和準確性。在早期磨合階段，由于加工工藝和裝配工藝等的問題，使軸承在剛開始運轉產生了比較大的摩擦磨損，因此靜電監測信號比平穩階段要大一些。隨著早期磨合階段的結束，軸承運轉逐漸趨于平穩，而靜電信號也相應地趨于平穩。本次試驗中早期磨合階段大約在0~400分鐘，試驗的大部分時間軸承都處于平穩運轉狀態，時間大約在400~3000分鐘左右。當軸承運行到3200分鐘左右時，靜電信號明顯出現了一個尖峰，雖然此后略有下降又逐步增大，但根據靜電監測原理可以判斷出此時出現了一個比較嚴重的早期磨損，這也意味著故障從此刻開始產生。當軸承運行到大約4013分鐘時靜電信號開始急劇上升，直到4049分鐘時達到靜電RMS值達到最大值5.51mV，說明此時軸承已經到達嚴重磨損狀態，直到4056分鐘時軸承試驗機因軸承故障而停機。在試驗機停機后又采集了大約500分鐘止采集，從圖14可以看出，當試驗機停止采集時，靜電信號穩定在0.24mV左右，與正常采集的靜電信號相差10倍左右，屬于傳感器的背景噪聲，這也從另一個側面反映出該靜電傳感器的可靠性。RMS參數作為一個非常重要的機械設備檢測診斷參數，其計算值的大小常常能直接反映信號的能量情況，因此也被廣泛地應用于各種信號的參數提取與分析中。本文針對靜電信號也采用了這一參數，試驗證明效果非常明顯，因此也驗證了RMS值也適用于滾動軸承靜電信號。對于其他峰-峰值，波形指標等參數經過分析也有類似規律與退化趨勢，限于篇幅僅列出峰-峰值（如圖15所示），其他就不一一列出。另外，其他多組試驗也證明了上述分析的正確性，限于篇幅僅給出其中一組全壽命試驗信號時域圖像，如圖16所示。

3.3與振動溫度信號對比驗證振動與溫度是軸承監測的常用方法，相關技術已經十分成熟并被廣泛應用于各個領域。因此，考慮同一次試驗下所采集的振動與溫度信號與靜電信號進行對比分析與驗證。圖17所示為與前文分析的靜電信號同一組試驗下同時采集得到并處理過的RMS值的時域信號圖?？梢郧宄吹秸駝有盘柕腞MS值在3200分鐘時突然增大，表示此時開始出現早期磨損，至4056分鐘時停止。這與上文針對靜電信號分析的結果完全一致，證明了靜電信號的正確性。同時可以看出振動信號無法反應早期磨合的過程，而靜電信號卻十分明顯，從這個角度上可以體現出靜電信號比振動信號要更為優越。圖18所示為同一組試驗下同時采集得到的時域溫度信號，可以清楚看到早起磨合階段溫度不斷上升，直到400分鐘左右時開始溫度趨于穩定，這與靜電信號中反映的早起磨合階段相一致。在平穩階段溫度基本保持不變甚至略有下降，直到最后失效。后期磨損過程基本不能體現，直到軸承失效停機溫度下降到常溫。由此對比可以看出靜電信號要遠優于溫度信號。

4結論

本文采用磨損區域靜電監測的方法對滾動軸承全壽命周期的性能退化進行研究與分析，得出以下結論：（1）利用靜電原理自制了磨損區域靜電傳感器并成功安裝到滾動軸承壽命試驗臺上，實現了滾動軸承磨損區域的靜電監測。（2）通過對信號的采集和特征提取，獲得了滾動軸承磨損區域的靜電信號，通過對全壽命周期的靜電信號分析，將滾動軸承的運行狀態清晰的分成四個階段，并做了詳細了性能退化評估與分析。（3）與傳統監測方法振動和溫度進行對比，不僅驗證了靜電監測方式的可行性和準確性，同時還體現出了靜電監測的優越性。為以后靜電監測方法在工程實踐中的真正應用奠定了基礎。后續將進一步利用摩擦磨損試驗機對測得電量與磨損量間的量化曲線進行重點研究。

作者：劉若晨左洪福張營梁坤單位：南京航空航天大學民航學院