滚动轴承性能退化静电监测范文

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《机械工程学报》2014年第十二期

1静电传感器基本原理及特点

根据工作原理的不同静电传感器分为电荷直接传递和感应式两种。本试验采用感应式静电传感器，即磨损颗粒不与传感器直接接触，而将传感器感应面尽可能接近磨损区域，当磨损过程中产生的各种电荷通过感应探极区域时，将在探极上产生相应的感应电量，感应探极表面电子将重新分配，从而产生能够被采集到的静电信号。图2为理想状态下带电颗粒经过静电传感器时所产生的感应电荷的原理示意图[4]。图3为本试验所采用静电传感器的结构示意图和实物图。静电传感器等效测量电路如图4所示，其中R为测量回路的等效电阻，C为测量回路的等效电容，A为传感器感应面积，q为施感电荷，运动速度为v，探极与施感电荷运动路径间的垂直距离为h。设t时刻，带电颗粒在传感器探极上的感应电荷量为Qt，则t时刻静电传感器实际输出信号，感应电压Ut与传感器感应电荷量Qt的关系为静电传感器有棒状、点状和圆环状等形式。本试验传感器采用棒状形式，其主要优点有：（1）结构简单，紧凑，对于轴承运转所引起的振动具有较好的抗干扰能力，容易达到静电屏蔽的效果，且价格便宜；（2）由于其为非接触式，所以不会对轴承的运转产生任何影响，也不会给润滑油液带来压力损失；（3）灵敏度高，响应时间快，测量范围大；（4）性能较稳定，适用于恶劣的工业环境。

2滚动轴承加速疲劳寿命试验

2.1试验仪器及设备本试验所用试验机为杭州轴承实验中心的ABLT-1A型轴承寿命强化试验机。该试验机包括加载系统、传动系统、润滑系统、电气控制系统、计算机监控系统、试验头和试验头座。该试验机的特点是加载自动稳压、试验轴承外圈温度自动显示、试验时间自动累计显示、疲劳剥落自动停机等。所安装的传感器的位置如下图5所示，通过温度、静电、振动传感器，来分别采集信号，以便更加准确的监测轴承的状态。本试验主要是对轴承进行径向加载，轴承节径为D，滚动体的直径为d，滚动体个数为Z，接触角为，轴承在运动过程中外圈固定，内圈随轴一起转动，轴承载荷分布及结构如图6所示。本试验中所用所有轴承均为单列深沟球轴承6207，其主要参数如下表1所示。

2.2试验方案及流程试验具体步骤如下：（1）对将进行试验的轴承进行清洗，保证轴承性能完好（2）按固定位置安装好静电传感器、温度传感器、振动传感器。（3）对编好号的轴承进行安装，开始时在轴上同时安装4个6207轴承。（4）依次调试各传感器及采集设备，当各项设备都调试完成时，准备开始试验并记录数据。轴承与静电传感器相对位置示意图如图7所示。（5）将油液润滑系统打开，不加载启动机器，运转1-2小时在额定动载范围内逐步进行径向加载，打开数据采集系统开始记录各项运行数据。（6）定期检查轴承试验机运行状况，通过观察静电信号方均根值(Rootmeansquare，RMS)等参数判断轴承运转情况。图8所示为数据采集系统流程图。（7）当4个轴承中一个发生故障时，试验机将会自动报警并停机。（8）拆卸下轴承并详细检查各轴承的状况并加以记录，同时将坏损的轴承进行更换，换上新的轴承。（9）循环重复（3-8）的过程，直到轴承全部更替完结束，则一次试验结束。试验中采用油液浇注润滑方式，试验主要参数见表2

3轴承静电信号特征提取及性能退化评估

3.1特征参数提取对滚动轴承进行性能退化评估之前，首先必须对原始信号进行处理，即特征提取。不同的特征参数对于轴承状态的敏感程度也不同。考虑到静电感应信号的特殊性，主要采用时域特征参数提取方法。本文所采用时域特征提取参数主要有：方均根值、峰-峰值、峰值指标、波形指标、脉冲指标、裕度指标和峭度指标等。具体时域特征参数见表3。除了前两项外其他项均为无量纲参数，可用于无量纲诊断。主要优点在于可直接使用检测信号而不需要进行信号处理，无量纲参数受转速或者轴承工况的影响较小，因此能较好地反应轴承的工作状态。

3.2基于静电的滚动轴承性能退化评估根据滚动轴承的工作机理，其从正常工作状态到早期故障包括轻微的点蚀、击蚀以及摩擦腐蚀，再到产生裂纹、剥落等严重磨损阶段直至最后由于严重变形和断裂等最终完全失效的整个过程为轴承性能退化的过程。因此本试验利用静电方法对轴承全寿命周期进行监测和分析。在滚动轴承静电监测试验过程中，每1分钟采集10000个静电信号数据，利用以上公式计算各特征参数的值，对全寿命周期进行研究。限于篇幅，选取具有代表性的一组滚动轴承全寿命周期变化如图9所示。本次寿命试验从机器开始运作（采集开始）到采集结束总共持续时间为4509分钟。从图9中可以看出静电信号RMS幅值基本在0~6mV直接波动。对该信号进行进一步分析，可以明显看出在全寿命周期试验过程中滚动轴承的运行状态可以分为四个阶段，即早期磨合阶段，平稳阶段，早期磨损阶段，严重磨损阶段。分布对应图10、图11、图12和图13。这与轴承运转的实际情况非常符合，也从侧面说明了信号的真实性和准确性。在早期磨合阶段，由于加工工艺和装配工艺等的问题，使轴承在刚开始运转产生了比较大的摩擦磨损，因此静电监测信号比平稳阶段要大一些。随着早期磨合阶段的结束，轴承运转逐渐趋于平稳，而静电信号也相应地趋于平稳。本次试验中早期磨合阶段大约在0~400分钟，试验的大部分时间轴承都处于平稳运转状态，时间大约在400~3000分钟左右。当轴承运行到3200分钟左右时，静电信号明显出现了一个尖峰，虽然此后略有下降又逐步增大，但根据静电监测原理可以判断出此时出现了一个比较严重的早期磨损，这也意味着故障从此刻开始产生。当轴承运行到大约4013分钟时静电信号开始急剧上升，直到4049分钟时达到静电RMS值达到最大值5.51mV，说明此时轴承已经到达严重磨损状态，直到4056分钟时轴承试验机因轴承故障而停机。在试验机停机后又采集了大约500分钟止采集，从图14可以看出，当试验机停止采集时，静电信号稳定在0.24mV左右，与正常采集的静电信号相差10倍左右，属于传感器的背景噪声，这也从另一个侧面反映出该静电传感器的可靠性。RMS参数作为一个非常重要的机械设备检测诊断参数，其计算值的大小常常能直接反映信号的能量情况，因此也被广泛地应用于各种信号的参数提取与分析中。本文针对静电信号也采用了这一参数，试验证明效果非常明显，因此也验证了RMS值也适用于滚动轴承静电信号。对于其他峰-峰值，波形指标等参数经过分析也有类似规律与退化趋势，限于篇幅仅列出峰-峰值（如图15所示），其他就不一一列出。另外，其他多组试验也证明了上述分析的正确性，限于篇幅仅给出其中一组全寿命试验信号时域图像，如图16所示。

3.3与振动温度信号对比验证振动与温度是轴承监测的常用方法，相关技术已经十分成熟并被广泛应用于各个领域。因此，考虑同一次试验下所采集的振动与温度信号与静电信号进行对比分析与验证。图17所示为与前文分析的静电信号同一组试验下同时采集得到并处理过的RMS值的时域信号图。可以清楚看到振动信号的RMS值在3200分钟时突然增大，表示此时开始出现早期磨损，至4056分钟时停止。这与上文针对静电信号分析的结果完全一致，证明了静电信号的正确性。同时可以看出振动信号无法反应早期磨合的过程，而静电信号却十分明显，从这个角度上可以体现出静电信号比振动信号要更为优越。图18所示为同一组试验下同时采集得到的时域温度信号，可以清楚看到早起磨合阶段温度不断上升，直到400分钟左右时开始温度趋于稳定，这与静电信号中反映的早起磨合阶段相一致。在平稳阶段温度基本保持不变甚至略有下降，直到最后失效。后期磨损过程基本不能体现，直到轴承失效停机温度下降到常温。由此对比可以看出静电信号要远优于温度信号。

4结论

本文采用磨损区域静电监测的方法对滚动轴承全寿命周期的性能退化进行研究与分析，得出以下结论：（1）利用静电原理自制了磨损区域静电传感器并成功安装到滚动轴承寿命试验台上，实现了滚动轴承磨损区域的静电监测。（2）通过对信号的采集和特征提取，获得了滚动轴承磨损区域的静电信号，通过对全寿命周期的静电信号分析，将滚动轴承的运行状态清晰的分成四个阶段，并做了详细了性能退化评估与分析。（3）与传统监测方法振动和温度进行对比，不仅验证了静电监测方式的可行性和准确性，同时还体现出了静电监测的优越性。为以后静电监测方法在工程实践中的真正应用奠定了基础。后续将进一步利用摩擦磨损试验机对测得电量与磨损量间的量化曲线进行重点研究。

作者：刘若晨左洪福张营梁坤单位：南京航空航天大学民航学院