摘要:滑动轴承的代表性故障是轴承与轴颈的接触摩擦故障,在试验台上采用从正常润滑状态逐步向干摩擦状态过渡的方法模拟故障,并利用声发射信号对滑动轴承的工作状态进行监测。结果表明,声发射技术用于滑动轴承的在线状态监测具有很多优越性。
关键词:滑动轴承;摩擦;状态监测;声发射
滑动轴承的常见故障是轴承与轴颈的接触干摩擦[1],严重的干摩擦会导致轴承温度和润滑油温度升高,粘度下降,承载能力降低,酿成粘瓦、烧轴等恶性事故,甚至损坏设备并威胁人身安全。因此,滑动轴承工作状态实时监测和故障诊断的研究受到广泛重视。
目前有如下常用的滑动轴承故障诊断方法:①检测滑油温度、轴承温度及主油道滑油压力波等物理参数;②测轴心轨迹、油膜厚度、油膜压力;③光铁谱分析和振动分析等。这些方法各有其特点,能在一定程度上反映故障特征,但也存在局限性。如振动信号具有信息丰富、传感器安装方便等优点,但信号的主要能量集中在1500Hz以下的低频区,而干扰信号的频率也多为低频,从而使信号分离较为困难。声发射信号与普通振动信号相比,具有较宽的频率范围,信息量更大,利用高频段信号进行故障诊断,可以有效地排除其它低频干扰信号,因此信噪比高。此外传感器安装也较方便,可以对运行中的设备进行无损状态监测。
1 声发射方法的诊断原理
声发射(acoustic emission,AE)技术是20世纪60年代开始发展起来的一种评价材料力学性能和压力容器完整性的新方法。从分子晶格理论的角度分析,当材料受外力或内力作用而产生塑性变形、裂纹及相变时,材料内原先稳定的低能态晶格变为不稳定的高能态晶格,当这种不稳定的高能态能量积聚到一定程度,即超过高能态的位垒时,晶格将滑向相邻的下一个低能态,达到新的稳态。在分子晶格发生位错及滑移的过程中,晶格释放应变能,其中一部分应变能以弹性应力波的形式从材料内部传至表面,这种与动态过程伴生的能量释放现象称为声发射[2]。不同的材料声发射的频率范围不同,当振源频率低于20Hz时称为次声波,高于20 000Hz时称为超声波。通过对轴承声发射信号的频谱分析可以看出,轴承声发射信号的主要能量在30 000Hz以上(见图1)。

声发射诊断就是利用灵敏的仪器,在材料表面接收材料内部在缺陷发生发展过程中材料本身发出的弹性波,从而进行动态无损检测。当轴颈与轴瓦之间发生接触摩擦,导致轴瓦表面擦伤、表面层脱落或其它故障时,都会引起缺陷周围区域的应力再分布,导致晶格的错位与滑移,伴随这些动态过程的同时产生声发射信号。我们的目的就是当轴与轴瓦之间出现一定程度的接触干摩擦时,通过声发射信号的特征变化及时发出警报。
2 试验方案与故障模拟
本试验在滑动轴承试验台上进行,试验滑动轴承选用S195柴油机连杆轴承,装在轴的中部,轴的两端用6310型滚动轴承支承,在试验滑动轴承上加挂砝码模拟轴承载荷。轴承盖上表面加工成一平台用来安放传感器,轴的驱动采用电机驱动,通过调压器改变供给驱动电机的电压,达到调速的目的。
由滑动轴承的故障机理分析可知,尽管引起接触摩擦的原因很多[3],但不论是什么原因,结果都是导致轴与瓦之间的油膜破坏,产生接触干摩擦。故障模拟采用从正常润滑状态逐步向干摩擦状态过渡的方法。具体做法是在轴承达到正常润滑工作状态一段时间后关断润滑油路,随着关断时间的延长,残留的润滑油越来越少,润滑状态被破坏,摩擦越来越严重。本文将轴与轴瓦之间是否产生一定程度的接触干摩擦作为判断轴承故障的依据。在轴与轴瓦之间构造的测量电路见图2。

图2中R1为油膜电阻,R2为平衡电阻。当轴与瓦不接触(液体润滑)时,油膜电阻R1很大,电路不通,此时灯泡不亮,R2两端的电压值U(接触电压)近似为零;反之,当轴与瓦完全接触时,油膜电阻几乎为零,电路接通,灯泡变亮,U值较高。因此可设置一个阈值电压,超过该阈值称为高电压,此时认为轴与瓦接触,计数器进行计数。高电压的数据个数与整个样本的数据个数之比可以反映轴承与轴的相对接触时间,本文称该比值为轴与瓦接触率。该值为0表示完全不接触,为1则表示完全接触。此外通过测量轴承温度用以辅助判断轴承的工作状况。
3 结果分析
从关断润滑油前3min开始隔一段时间记录一次轴承温度和声发射及电压信号波形。当温度和电压急剧增大后(断油后第31min时),停止试验。然后拆下轴承观察,发现轴承表面有明显擦痕,表明曾有较严重的干摩擦。在本试验中轴承温度和电压不仅被作为判断轴承是否出现故障的判据,而且还将作为评价声发射故障诊断结果正确性的标准。
图3为从正常润滑状态过渡到故障状态的一组声发射波形。从上到下依次为正常润滑状态、断油后9min和21min时的半干摩擦状态,断油后29min时的严重干摩擦故障状态。由图3看出,正常状态时,声发射信号幅值很小,基本上可看作本底噪声;随着断油时间的延长,冲击脉冲的幅值越来越大,出现的频率也越来越高,表明故障程度越来越严重。

根据图3声发射信号波形的变化特征,本文选事件计数率反映脉冲的频度,选振铃计数率描述声发射事件能量。一个声发射事件(简称事件)是指一个声发射脉冲激发产生的一个阻尼振荡波形。单位时间内的事件数,称为事件计数率,一段时间内(或一个样本中)的事件总数,称为事件总计数或总事件数[4]。事件数与阈值电压和不计数延时时间的选择有关。一般说来,若阈值电压选取太小,会使事件数计数太多;若太大,又会遗漏较小的事件数。其次,由于每个脉冲信号其实都是一个衰减信号,如不设延时时间或延时时间太短,会对同一事件重复计数;反之,又会遗失事件。对具体声发射信号应根据其脉冲幅值、持续时间以及发生频率等特征选取。本文选阈值电压为0.5V,不计数延时时间为0.5ms,振铃计数与事件数的区别在于没有延时,为幅值大于阈值电压的数目。一个事件可以有若干次振铃计数。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以下所需的时间越长,振铃计数越多。按照摩擦学的能量理论,振铃计数可以反映摩擦能量的大小。
表1列出了试验过程中(规定开始断油时刻为0秒,断油前时间为负)轴承温度、声发射信号的事件计数率、总振铃数及轴与瓦接触率等数据。

事件计数率、振铃计数率及轴与瓦接触率的变化曲线。由于轴与瓦的接触率太小,所以在图上看不出差异,温度和电压也有类似情况,故没有绘出。由表1可看出,断油后,轴承温度随断油时间的增加而缓慢增加,这是由于轴承具有一定的热容量,温度的变化较为迟钝。而其余各项指标则随断油时间的增加呈波浪形上升趋势,各参数增幅较为明显的2次出现在断油后的第3min和第24min。表明在断油后第3min时,轴与瓦已出现了一定程度的接触摩擦,可将此时的事件计数率或振铃计数率作为报警门限值。第24min后各项指标的值又一次急剧增加,此时轴承已处于严重的干摩擦状态,应提醒人们马上停机,否则将酿成严重事故。当然从第一次报警后应不断地重复报警,提醒人们及早采取措施,如通过自动控制系统起作用则更好。从各项指标先缓后急的变化趋势来看,表明在断油初期轴与轴瓦的接触可能是间歇式的,接触面积和接触强度都较小,微小的凹凸在接触碾压后重又趋于平滑。但随着摩擦的出现,轴承温度升高,滑油粘度降低,油膜越来越薄,于是又出现了新的接触点,而且接触面积和接触强度也有所加大。这种周而复始的恶性循环使得摩擦越来越严重,各诊断参数所反映的这种故障发展规律
符合摩擦学理论。在这种周而复始的渐趋严重的接触摩擦过程中,一部分摩擦功以势能的形式在材料内部积存起来,持续一段时间后,能量积累至一定量(临界值),使材料表面剥离形成磨屑,此时轴与轴瓦在持续接触的严重干摩擦状态下很快损坏。由于温度变化不敏感,所以轴承温度在整个过程中与其它参数相比具有一定的滞后性,因此温度出现急速上升的时间也比其它指标稍晚。可以证明用温度反映故障较迟钝,不利于故障预报,而声发射信号则具有较好的故障反映能力,且现场实用方便。
4 结论
以上试验分析表明,声发射信号对轴承工作状态的变化敏感度好,响应时间短,抗干扰性能好,且传感器安装方便。通过选择合理的报警事件计数率或反映声发射事件能量的参数(如振铃计数率),可以对静载荷旋转机械设备滑动轴承进行在线状态监测和故障预报。对于动载荷往复机械,如内燃机,由于气体力及往复惯性力的强干扰和各摩擦副的干扰,会使故障特征的提取较为困难。正因为如此,本文的研究工作,可看作是复杂机械滑动轴承故障的基础研究。