光纖光柵聲發射檢測新技術用于軸承狀態監測的研究

2015-12-30 03:19:46李寧,魏鵬,莫宏等

振動與沖擊 2015年3期

第一作者李寧男，博士后，副研究員，1973年生

李寧1，魏鵬2，莫宏1，梅盛開1，黎敏3

(1.陸軍航空兵學院，北京101123; 2.北京航空航天大學,北京100191; 3.北京科技大學,北京100083)

摘要：軸承的健康狀況對旋轉機械的工作狀況有極大的影響。航空器中的故障軸承會間接造成事故，給飛行安全帶來災難性的后果，需要進行早期故障的有效檢測判別或狀態監測。與振動等傳統的檢測手段相比，聲發射可有效檢測到故障的早期狀態，準確判斷故障類別和嚴重程度。介紹了滾動軸承故障聲發射檢測原理以及光纖光柵聲發射檢測新技術。以預制外圈缺陷的軸承為例，進行了壓電式聲發射傳感系統和光纖光柵聲發射傳感系統檢測的對比實驗，實驗和分析結果表明光纖光柵聲發射方法檢測到的信號譜底噪聲小，譜線清晰、干凈，更容易分辨故障頻率和分析故障的嚴重程度，優于振動和壓電式聲發射傳感方法。最后介紹該技術在直升機維修保障中的應用情況。

關鍵詞：滾動軸承；光纖布拉格光柵；聲發射；故障診斷

收稿日期：2013-11-08修改稿收到日期：2014-01-21

中圖分類號:TP206文獻標志碼：A

Bearing state monitoring using a novel fiber Bragg grating acoustic emission technique

LINing1,WEIPeng2,MOHong1,MEISheng-kai1,LIMin3(1. Army Aviation Institute Beijing 101123, China;2. Beijing University of Aeronautics & Astronautics, Beijing 100191, China; 3. Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China)

Abstract:The health state of a bearing has a tremendous influence on a rotating machinery. A failing bearing can not only jeopardize the safety of flight but also induce collateral damages. It is necessary to monitor and judge the tiny earlier fault in an effective way. Compared with the conventional vibration detection approach, acoustic emission (AE) can be used to detect the earlier state of the fault, and diagnose the fault type and damage level. Here, the detecting principle of rolling bearing fault with AE and the novel AE detection technique using a fiber Bragg grating (FBG) were introduced. A comparative experimental study with FBG sensor and the commercial PZT-based transducers was conducted to detect a precut defect on the outer race of a rolling bearing. The experimental and analysis results showed that the detected signals with FBG have better spectra than those using PZT with clearer lines and lower noise, the fault frequency and damage level can be more easily identified. Finally, the applications of this technique in helicopter maintenance were introduced.

Key words:rolling bearing; fiber Bragg grating; acoustic emission (AE); fault diagnosis

據統計，旋轉機械的故障有30%是軸承故障引起的，軸承的健康狀況對機械的工作狀況有極大的影響。在航空器變速等魯棒性較低的系統中，軸承的早期微弱故障就會導致災難性的后果，需要進行早期故障的有效檢測判別或狀態監測。

傳統的檢測軸承局部損壞的方法往往采用測量靠近軸承處的振動和噪聲信號。軸承故障特征頻率信號被軸承振動信號所調制，頻率為5～20 kHz范圍內。聲發射(Acoustic Emission，AE)方法檢測到的是軸承振動與撞擊使金屬材料內部產生變形而形成聲發射信號，該信號對特征頻率進行調制，其帶寬約為30 kHz～1 MHz范圍，可以避免其他振動源和噪聲對信號的影響，使得聲發射檢測優于振動檢測[1]。該方法可有效檢測到故障的早期狀態，準確判斷故障類別和嚴重程度。近十年來，隨著聲發射檢測儀器的集成程度和性能進一步提高，該方法用于軸承的狀態監測與故障診斷在學術界和工業界已形成普遍共識，并進行了較為廣泛的研究與應用[2]。

光纖光柵聲發射檢測是一種新穎的聲發射檢測技術，它與傳統的基于壓電陶瓷傳感器(PZT)作為超聲換能器的聲-電轉換原理不同，采用光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)作為傳感器，通過AE波調制光柵的布拉格波長，然后由反射光波長的改變來檢測AE信號，經聲-光-電轉換的環節后被計算機拾取。FBG傳感頭結構簡單、尺寸小、重量輕、封裝外形可變，適合在惡劣環境中工作；傳感系統具有高靈敏度、高分辨力、抗電磁干擾的特點。近年來，歐美、日本等學者[3-4]應用FBG傳感器進行了聲發射檢測的理論與實驗研究，從實驗結果可以看出，FBG對材料產生的聲發射信號較為靈敏、檢測頻域較寬，可以代替傳統壓電聲發射傳感器進行檢測與實時監測。我們進行了光纖光柵聲發射的理論研究與工程應用的初步探索，本文重點介紹光纖光柵聲發射原理及在軸承等直升機典型承力部件的損傷檢測的研究與應用情況。

1滾動軸承故障聲發射檢測原理

滾動軸承是由內圈、外圈、滾動體和保持架四種零部件組成。滾動軸承在運行過程中由于各種原因產生十分復雜的信號，產生聲發射激勵源的原因很多，如軸承各零件的制造誤差、材料缺陷；安裝過程中的裝配誤差，如不對中、不平衡等；運行過程中產生的各種故障，如點蝕、剝落、裂紋、磨損、潤滑不良等；軸承部位的結構也會產生激勵信號。可以用理論公式或經驗公式進行計算和估計得到軸承的故障特征頻率。不同位置上的損壞有不同的特征頻率，軸承故障的檢測原理是基于對特征頻率能量的檢測。

軸承故障要經過一個較緩慢的擴展過程，這個階段不足以引起軸承明顯振動和溫度異常，而AE信號則比較明顯。大量的工業和軍事應用研究表明，在軸承的壽命周期中，其故障特征可分為以下4個清晰的階段，如圖1所示。

(1)第Ⅰ階段：微故障階段(目視不可見)，出現超聲波段的頻率；

(2)第Ⅱ階段：出現軸承部件的自然頻率(目視可見細微故障)；

(3)第Ⅲ階段：故障增長階段，出現故障特征頻率及其諧波成分，可能被轉頻調制；

(4)第Ⅳ階段：事故發生前的階段，出現大量故障頻率及其諧波成分，并被調制，軸振動加劇，出現轉軸的轉頻及其諧波成分，區域4信號呈減弱趨勢。

圖1　軸承的故障發展階段及特征示意圖 Fig.1 Typical bearing failure progression with signatures

美國軍方認為直升機上軸承的損傷將導致直接或間接故障，影響飛行安全，會增加額外的維修費用；同時，軸承等有壽件，在退役時仍有50～90%的剩余壽命。為實現視情維修，委托多家公司開發了直升機傳動系統故障監控系統，實時采集振動、聲發射信號、存儲數據進行事后處理，得出相似的軸承故障的經驗與結論[5-6]。

聲發射技術應用于滾動軸承故障診斷時，損傷特征有多種分析方法，例如短時信號處理方法、模糊聚類分析方法、小波分析、包絡分析(共振解調)、神經網絡等[1,7-10]。

2光纖光柵聲發射檢測技術

2.1光纖光柵聲發射檢測原理

選用均勻光纖布拉格光柵(FBG)作為高靈敏度傳感器檢測聲發射信號。其傳感原理是在光纖纖芯中傳播的光將在每個光柵面處發生散射，如果滿足布拉格條件，每個光柵平面反射回來的光逐步累加，最后會在反向形成一個反射峰，中心波長由光纖參數決定。FBG實質是一種窄帶濾波器，將很窄頻帶內的光反射回去，而其余頻帶的光就透射出去，圖2是均勻光纖布拉格光柵(FBG)的結構示意圖。FBG聲發射檢測的簡要原理為：FBG具有很好的線性應變特性。當外界應變作用ε為周期性應力波時，光柵的中心波長λB也會隨之發生周期性改變。設外界作用聲發射應力波為：

圖2　均勻光纖布拉格光柵(FBG)結構示意圖 Fig.2 Diagram showing how light propagates through a FBG

(1)

(2)

在后期信號處理中，分析FBG的中心波長λB的變化情況，就能獲得作用于FBG的外界聲發射信號的相關信息。

2.2光纖光柵聲發射檢測系統

根據上述原理，研制了光纖光柵聲發射傳感系統。系統結構如圖3所示，主要包括光纖傳感部分和信號處理部分。光纖傳感部分包括：FBG傳感器、光源、隔離器、Y型光纖耦合器；信號處理部分包括光電轉換電路、放大電路、濾波電路、A/D電路和FPGA；其中FBG傳感器由膠緊固在封裝材料內，可重復使用，封裝的FBG傳感器與被檢件之間添加耦合劑；光源為可調諧窄帶DFB激光器，譜寬小于0.05 nm；光源經過隔離器與Y型光纖耦合器的A端口相連接；光纖耦合器的B端口與信號處理部分的光電轉換電路相連接，光纖耦合器的C端口與FBG傳感器相連接；光源輸出的光通過隔離器，從光纖耦合器的A端口進C端口出，到達FBG傳感器，符合光柵中心波長的光被FBG反射后，又從C端口返回Y型光纖耦合器，一半的光從端口B出射后被隔離器阻隔，另一半的光從A端口輸出，進入光電轉換電路轉換為電信號，再依次經過放大電路、濾波電路、模數轉換電路，進入FPGA進行數據綜合處理，最后數據經過PCI總線進入計算機。

圖3　光纖布拉格光柵聲發射傳感系統結構圖 Fig.3 Block diagram of the fiber Bragg grating acoustic emission sensing system

系統中，光電轉換電路是光纖傳感中的重要的組成部分，它把光信號轉化為電信號，其性能直接影響傳感系統的性能。考慮到光信號從光源經過一系列光纖通路后光功率通常都在nW量級，以及光信號的波長范圍(C波段)和光電轉換速度的要求，采用偏置電壓低、頻率響應高、光譜響應寬、光電轉換效率高、穩定性好、噪聲小等優點的InGaAs半導體PIN光電二極管光伏探測器作為光電探測器。

傳感系統工作時，首先檢測FBG傳感器的光譜圖，得到其中心波長與3dB帶寬的參數值。調整窄帶激光器輸出光的中心波長至光柵反射譜3dB帶寬附近線性度較好的波長段。此時，系統達到最佳檢測狀態，可以采集各種聲發射信號。

圖4是我們研制的光纖布拉格光柵聲發射傳感系統樣機。對FBG聲發射傳感系統進行模擬裂紋聲發射信號實驗(折斷鉛芯)，并用同一信號與傳統PZT聲發射傳感器進行比較，發現光纖光柵聲發射傳感系統具有獨特的優勢：斷鉛信號波形收斂快，不存在壓電器件本身的振蕩特性，頻域范圍寬，在100～1000kHz均有響應(圖5)。而PZT聲發射傳感器通常為諧振式，中心頻率為150kHz，響應頻帶窄，波形畸變較大。

圖4　光纖布拉格光柵聲發射傳感系統樣機 Fig.4 FBG acoustic emission sensing system prototype machine

對于圖5中的斷鉛波形的差異，我們認為這是因為這兩種傳感器本身的固有結構特性決定的。壓電陶瓷傳感器是由壓電陶瓷晶體構成的，不論其大小與形狀如何，均存在著上表面和下表面，這樣就使得聲發射信號在上下表面之間存在著反復振蕩并逐漸消減的現象，也就是壓電陶瓷傳感器本身成為了一個誤差源，即基于壓電陶瓷聲發射的傳感系統采樣的AE信號是AE源產生的信號與AE波在壓電陶瓷聲發射傳感器中振蕩信號的疊加，這是此種聲發射檢測系統固有的特點和缺陷。對于光纖光柵聲發射檢測系統來說，由于光纖光柵傳感器本身并不存在一個AE波在傳感器內部往復振蕩的問題，因此，采集的波形不會產生畸變，信號頻帶寬、響應快，這是光纖光柵聲發射傳感系統比壓電陶瓷聲發射傳感系統在原理上的優勢所在。

圖5　光纖光柵聲發射傳感系統與壓電陶瓷聲發射傳感系統的斷鉛信號檢測波形對比圖(左為FBG傳感系統、右為PZT傳感系統；上為頻域、下為時域；縱軸：電壓/mV；橫軸：時間/s) 　　Fig.5 Response of a pencil lead breaking event using FBG AE detector and comparison with PZT based transducer (left: FBG, right: PZT; up: frequency domain, down: time domain; x-axis: voltage/mV, y-axis: time/s)

3軸承故障光纖光柵聲發射檢測實驗

3.1軸承實驗臺預制外圈故障軸承檢測對比實驗

實驗如圖6～7所示，在滾動軸承的外圈用電火花加工均勻分布的9個模擬點蝕故障，載荷工況為5 kN，轉速工況為600 r/min、1 200r/min。軸承運行時，故障點與其余部件的碰撞發出的聲發射信號屬于瞬時脈沖信號，它具有信號頻譜寬、低頻信號含量豐富等特點，這也使得聲發射信號常常被低頻干擾信號淹沒，不能得到有效分析。采用共振解調算法，通過一個帶通濾波器將低頻干擾信號和超高頻干擾信號濾除，得到經共振放大的高頻信號，其中亦含有軸承的故障信息；再對放大后的高頻信號進行解調，使用希爾伯特變換(包絡檢波)提取出高頻信號的波形，再經過低通濾波濾除高頻干擾信號，得到包含軸承故障信息的低頻信號，經FFT變換后，得到聲發射信號的頻譜。通過軸承故障的理論公式或經驗公式得到的故障頻率與信號頻率進行比較。圖8、9是對實際故障軸承(外圈點蝕故障)檢測時的情況：在軸轉速分別為600 r/min和1 200 r/min時，采用壓電陶瓷聲發射傳感器與光纖光柵聲發射傳感器采集的滾動軸承故障時域數據利用共振解調算法之后，得到的頻域數據。

圖6　軸承模擬故障聲發射檢測對比實驗裝置 Fig.6 The test rig of the bearings in the laboratory

圖7　傳感器位置局部放大圖 Fig.7 A magnified detail of the location of the FBG and PZT AE sensors

通過對比發現，光纖光柵聲發射和壓電陶瓷聲發射檢測方法所采集到的信號均能有效地反映出軸承外圈故障頻率及其倍頻。壓電陶瓷聲發射傳感器采集到的信號在分析故障頻率的邊頻時，受到譜底噪聲的干擾較為嚴重；而光纖光柵聲發射傳感器采集到信號譜底較為干凈，有利于分析出故障頻率及其倍頻，同時能較好地分辨出故障頻率的邊頻成分，這樣將有助于分析故障的嚴重程度，邊頻越多，且邊頻的幅值占主頻幅值的比例越高，則故障越嚴重。因此，光纖光柵聲發射檢測方法效果更好。一般來說，轉速越高(>600 r/min)，故障頻率越明顯；直升機軸承的工作轉速普遍較高，因此，有很強的針對性。

圖8、9中光柵傳感器采集到信號譜底較為干凈，是因為傳感器本質上沒有壓電傳感器固有的振蕩特征。如3.2節所述，壓電陶瓷聲發射傳感器采集的聲發射信號是聲發射源的聲發射信號與壓電陶瓷傳感器自身的聲發射波振蕩信號的疊加(加上電磁干擾等信號)，因此基礎噪聲較多，故障頻率的譜線在背景譜底中不易分辨。而采用光纖光柵聲發射檢測器則不存在這樣的問題，因此，進行軸承故障信號采集時采用光纖光柵傳感器比壓電陶瓷傳感器信號質量高。同時，本方法具有不受電磁干擾影響的特點。光纖光柵聲發射傳感器較輕，在安裝和固定上，也具有獨特的優勢；如需封裝可以根據被測軸承(座)尺寸和形狀對傳感器基底材料(有機玻璃)進行適應性加工，通過增大耦合面積提高耦合效率。

圖8(a)　600 r/min轉速下壓電陶瓷聲發射傳感器檢測到的滾動軸承外圈故障信號

圖8(b)　600 r/min轉速下光纖光柵聲發射傳感器檢測到的滾動軸承外圈故障信號 Fig.8 The spectra of the seeded defect on the outer race of the test rolling element bearing at the shaft speed of 600 r/min

圖9(a)　1 200 r/min轉速下壓電陶瓷聲發射傳感器檢測到的滾動軸承外圈故障信號

圖9(b)　1 200 r/min轉速下光纖光柵聲發射傳感器檢測到的滾動軸承外圈故障信號 Fig.9 The spectra of the seeded defect on the outer race of the test rolling element bearing at the shaft speed of 1 200 r/min

3.2光纖光柵聲發射軸承故障檢測在直升機上的應用

直升機軸承故障會引起強烈振動或失控，造成發動機空中停車，危機飛行安全。我們在實施直升機軸承故障檢測時，結合日常維護工作，在地面試車時轉速穩定狀態下進行。本方法適用于尾傳動軸支撐軸承、旋翼支撐軸承、尾槳操縱盤軸承、發動機、發電機等直升機滾動軸承以及其他旋轉機械中軸承的故障檢測。應用光纖光柵聲發射檢測系統可實現對直升機滾動軸承的在線原位檢測，目前已在裝備保障工作中得到應用，為直升機維修檢測提供了新手段，對軸承等有壽件的視情維修和延壽均有重要意義。本節僅舉兩例進行說明。

3.2.1直-X型直升機尾傳動軸軸承檢測

圖10　直-X地面試車狀態下尾傳動軸軸承聲發射檢測試驗現場 Fig. 10 AE test of the Z-X helicopter tail supporting bearings

圖11　直-X尾傳動軸軸承聲發射信號共振解調分析 (上部為采集信號的時域波形和頻域FFT；下部為共振解調時域和頻域譜線) Fig.11 Envelope analysis of the AE signal collected from the Z-X helicopter tail supporting bearing, up: signal waveform and FFT, down: spectrum after envelope analysis.

直-X地面試車狀態下尾傳動軸軸承聲發射檢測試驗現場見圖10。該軸承為滾動球軸承，其固定卡箍材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。如使用壓電式聲發射傳感器進行檢測，采用磁座/磁環固定，吸附性較差；而且PZT傳感頭尺寸重量相對較大，在傳動軸高速旋轉(4 009 r/min)時，如固定不牢極易釀成事故。采用FBG傳感器則很好地解決了這一問題。我們對FBG裸柵進行了封裝，將基底有機玻璃加工成與軸承外圈固定卡箍相配合的弧面，制成專用傳感器，使用凡士林作為耦合劑，并由膠帶固定。

檢測時，該架機經歷通電、慢車、大車、慢車、關車階段。由于大車階段的轉速穩定，在該階段的采集數據中隨機抽取一組數據進行共振解調分析。實驗數據如圖11所示。尾傳動軸轉頻為66.8 Hz，分析聲發射檢測信號，出現轉頻及其倍頻極為接近的故障頻率，由此判斷該軸承松動。經驗證，該軸承的故障特征與實際情況吻合。

3.2.2直-XX型直升機旋翼支撐軸承檢測

直-XX型直升機旋翼支撐軸承檢測試驗現場見圖12。對多段采集的聲發射信號進行共振解調分析，發現譜線圖中有與滾子的故障頻率相吻合的頻率(按經驗公式計算為34.5 Hz)，并存在諧波成分(倍頻)；且高頻和中頻段未發現故障頻率諧波成分，也未發現其它故障頻率的調制現象(圖13)，據此判斷為滾子輕微磨損；該軸承有待繼續跟蹤觀察。

圖12　直-XX直升機旋翼支撐軸承檢測試驗現場 Fig.12 AE test of the Z-XX helicopter rotor supporting bearing

圖13　直-XX直升機旋翼支撐軸承某段聲發射信號共振解調分析(上為共振解調后的時域圖，下為共振解調后的低頻段頻域圖) Fig.13 Envelope spectrum of AE signal collected from the Z-XX helicopter rotor supporting bearing, up: time domain, down: frequency domain at lower frequencies part

4結論

本文介紹和分析了光纖光柵聲發射檢測新技術及軸承故障檢測實驗，并進行了直升機軸承在線原位檢測的實踐，光纖光柵聲發射用于軸承狀態監測與故障診斷，有如下優點：

(1)傳統的軸承故障檢測手段(目視、振動、溫度等)故障診斷率不高，難以發現早期故障，光纖光柵聲發射傳感方法具有較高的檢測精度，可結合日常裝備

維護進行，安裝和操作簡單，能夠檢測出軸承的早期故障狀態，準確識別故障類型，對其視情維修和延壽具有重要意義。

(2)與基于振動傳感器以及壓電式聲發射傳感器的檢測方法相比，譜底噪聲小，譜線清晰、干凈，更容易分辨故障頻率和分析故障的嚴重程度。

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