作者：长沙理工大学 黄琪,李录平,晋风华,余波,叶飞飞

0　前　言
声发射(Acoustic Emission,简称AE)是指物体在受到形变或外界作用时,因迅速释放弹性能量而产生的瞬态应力波的物理现象。从分子晶格理论的角度分析来说,就是当材料受外力或内力作用下产生塑性变形、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[1]。

作为旋转机械支撑部件的滑动轴承,在运行过程中,承担转子高速旋转时巨大的动静载荷,轴承载荷变化、润滑油温(黏度)、供油压力变化、轴瓦偏斜、粗糙度变化等因素,使得轴瓦表面的摩擦力发生改变,甚至导致轴颈与轴瓦之间的油膜发生破裂(或局部油膜破裂)从而产生接触摩擦故障,而轴瓦表面的分子晶格在发生滑移和位错的过程中,将以弹性应力波释放能量,产生声发射信号。在转子的升速和降速过程中,滑动轴承的油膜状态发生剧烈变化,极易引起轴承故障。因此,加强对转子升降速过程的滑动轴承的状态监测,对提高旋转机械的安全可靠性具有重要的意义。
1　滑动轴承功率损失与声发射信号能量的关系
滑动轴承的功率损失来源于轴瓦与油液的摩擦、油液与油液的摩擦、油液与轴颈的摩擦以及轴瓦与轴颈的碰摩。在正常运行时主要是前面三种损失的和。一般来说,滑动轴承的声发射来源于轴颈与轴瓦之间相对运动的剪切作用。在正常运行时,由于油液与油液的摩擦产生的声发射信号十分微弱[2],因此滑动轴承的声发射信号来源于油液与轴瓦的剪切力引起的摩擦功率损失;在异常情况下,声发射信号还来源于轴颈与轴瓦之间的直接摩擦的剪切力。
滑动轴承的功率损失可用下式计算[ 3 ] :
P = Pb + Pt
其中, P为轴瓦表面摩擦功率损失, Pt 为弹性润滑摩擦功率损失,且Pt = FRω, F为支撑力, F = Fa + Fb , R 为半径,ω为角速度, Pb 为边界润滑摩擦功率损失,且Pb = F2 Rω, F2 为
边界润滑时折合的摩擦力。利用式(1) ,以300MW汽轮发电机组模拟实验台滑动轴承为研究对象,计算出滑动轴承的功率损失与转速的关系见图1[ 4 ]。

图1　功率损失与转速的关系
以上的结果与德国卡尔斯厄耳大学的A. Albers等人得到的转速与声发射信号的实验曲线(图2) [ 5 ]相近,部分验证了该计算结果。

图2　声发射平均幅值随转速的关系
2升降速过程中的轴承声发射信号特征分析
本实验在300MW汽轮发电机组模拟转子实验台上进行,通过实验测取滑动轴承的声发射信号,来分析轴承声发射信号特征。实验测试系统见图3。

图3　声发射测试示意图
300MW汽轮发电机组模拟转子实验台采用变速电机驱动,本实验采用手动控制升速,设置声发射测试系统的门槛为48dB,记录升速过程的声发射参数。然后,将声发射测试系统的门槛值设为46dB,手动降速,以及在另一过程中设置门槛为50dB直接打闸停机。实验结果分析如下。
2. 1　升速过程轴承声发射信号特征分析
2. 1. 1　事件计数率
声发射信号是一种能量的释放过程,在所有的特征参数中,由于一个事件数是一个能量的释放过程的准确表达,事件计数率又是单位时间内事件数的总和,即单位时间内能量释放的频度,因此本文选择声发射信号的事件计数率来反映声发射信号能量的强度。图4是声发射信号事件计数率随转速变化关系。

图4　事件计数率随转速的变化曲线
随着转速的升高在低速区域,存在一个峰值,转子在1 500 r/min左右成为柔性转子,在1 500r/min左右发现事件计数率接近直线上升,然后有所回落,到达2 000r/min时,由于轴承支撑的转子存在一阶临界转速,在冲临界转速过程中,事件计数率迅速增大,积累的声发射能量释放完后,又开始回落,过后再恢复增加的趋势,从整个升速过程的曲线来看,大致验证了计算得出的结论,也证明了本实验是成功的。
2. 1. 2　时域波形和频域分析
通过对比不同转速时刻瞬间的声发射信号时域波形,发现在低转速下,由于没有完全建立润滑,轴颈和轴瓦存在接触摩擦,信号比较强,且比较规则和均匀;随着转速的增加,功率损失逐步增大,到1 500r/min时,声发射脉冲开始增大了,信号也增强了;而后转子变为柔性转子,随着转速的增大,从1 550 r/min时可以看出,声发射信号的幅值增大了一倍,但相对前面的转速,脉冲频度并没有增大多少,达到转子的临界转速2 100r/min时,声发射脉冲频度迅速增加,幅值水平和前面的基本持平;到额定工作转速3 000r/min时,信号频度减小,且幅值也有所降低,轴承润滑状态达到比较好的效果。
由以上分析可知,在润滑差的情况下,声发射信号的脉冲明显,幅值较大,声发射脉冲信号的频度清晰可数,其它的干扰成分较小,当润滑状况良好时,受其它信号的干扰,声发射信号的脉冲不十分明显,脉冲信号的频度也不明显了,幅值也比较小。

图5　不同转速下的时域波形图
图6是不同转速下,声发射信号频率中心与总幅值之间的关系。在存在接触摩擦的90r/min时),信号的频率中心在780kHz左右;达到1 500r/min时,频率中心开始往左移,即频率中心的值开始变小;当达到润滑状态较好的2 250r/min时和额定转速3 000r/min时,通过对比,发现建立起较好的油膜润滑后,声发射的频率中心变为500kHz左右。由此可以得出,当润滑状态不好时,声发射频率中心集中在780kHz左右;当润滑状态较好时,频率中心的数值变小,集中在500kHz左右。这将有利于判断轴承运行的润滑状况。
由此可以看出,在润滑状况差的情况下,摩擦剧烈,晶格积聚能量快且大,释放时间快,产生的声发射信号频率大;润滑状况好时,晶格积聚能量慢且小,释放的时间较长,产生的声发射信号频率变小。

图6　不同转速时的频率中心与总幅值关系图

2. 2　降速过程声发射信号特征分析
2. 2. 1　手动控制降速过程声发射信号特征分析
图7是手动控制降速过程中,声发射事件计数率随转速的变化关系曲线,转子降速率除过临界转速时刻较快外,其余时刻均保证降速率为400r/min,声发射测试系统门槛设置为46dB。从得到的曲线来看,在降速过程中,声发射信号的变化相对于升速过程,明显存在滞后,特别是当转速降为0时刻,声发射信号仍然有释放,且比较强。

图7　手动降速事件计数率随转速曲线
2. 2. 2　打闸降速过程声发射信号特征分析
打闸过程中,声发射事件计数率随转速的变化曲线,转子自动降速,降速率为1 000r/min,声发射测试系统门槛设置为50dB。从曲线的3000r/min~2 500r/min这段区间与手动降速的相同区间来看,打闸后的降速曲线更滞后些,由于门槛设置过高,信号被过滤掉,导致后面的事件计数率为0,由此也可以看出,不合适的门槛对事件计数率的影响相当大。因此,在现场测量中,结合信号的时域波形强度来进行门槛设置。

图8　打闸过程中,声发射事件计数率随转速的变化曲线

3　结　论
本文通过理论和实验结果分析可以得出以下结论:
(1)在升降速过程中,声发射信号能比较准确地监测好轴承的润滑状况;
(2)在润滑较差的情况下,声发射信号的频率较高,频度较密;润滑情况较好的情况下,声发射信号的频率降低,润滑状况均能从时域波形、事件计数率、频率中心明显地表现出来;
(3)在降速过程中声发射信号的变化存在滞后,且滞后的程度随降速率不同而不同,主要是晶格变形能量积累要达到一定程度才能释放声发射信号引起的。由这些结论分析可以得出,通过合理的门槛设置,声发射信号能较好地反映出轴承的运行状态,同时将可以通过频率中心等参数反映出轴承的故障。
参考文献（略）