基于RMS因子的滾動軸承故障聲發射診斷研究*

郭福平

(廣東石油化工學院機電工程學院)

基于RMS因子的滾動軸承故障聲發射診斷研究*

郭福平**

(廣東石油化工學院機電工程學院)

運用聲發射檢測技術對滾動軸承內圈故障、外圈故障和滾動體磨損故障展開試驗研究。為了減少噪聲干擾、突出故障特征、提高信噪比，應用能量因子方法對含噪聲信號進行數據處理，找到不同缺陷形式下的故障特征。結果表明，RMS因子方法用于滾動軸承聲發射信號特征提取是有效的。

滾動軸承 聲發射 故障診斷 RMS因子

在國民經濟領域各生產部門中，滾動軸承不僅是機械設備中最常見的零部件，而且是最重要的基礎易損件之一。其性能與工況的好壞直接影響到與之相聯的轉軸和安裝在轉軸上的其他零部件乃至整個機器設備的性能。與其他機械零部件相比，使用壽命的離散性大是滾動軸承的顯著特點[1]。所以在工程實踐中，有些軸承已超過其設計壽命仍能正常工作，而有些軸承遠未達到設計壽命就出現各種故障[2]。因此，進行滾動軸承工作狀態和故障的早期檢測和故障診斷，對于機器安全平穩運行、保證裝置長周期生產具有重要的意義[3～8]。

聲發射檢測法能彌補目前常用的振動法在發現缺陷和受低頻噪聲干擾方面的不足。筆者應用聲發射檢測方法在不同轉速下對外圈、內圈和滾動體上預加人工缺陷的滾動軸承進行數據采集，提取有效值(Root Meam Square，RMS)參數，再運用有效值電壓因子(Root Mean Square Index，RMSI)參數來判斷軸承是否存在故障。

1 試驗材料及設備

此次滾動軸承故障診斷試驗使用的是單列圓錐滾子軸承，用電火花加工方法在軸承內圈、外圈預加裂紋缺陷，滾子上預加磨損缺陷，如圖1所示。試驗時軸承安裝在專門的組合式旋轉機械試驗平臺上，測量不同轉速下的聲發射試驗信號數據，得到試驗結果。

圖1 預加人工缺陷滾動軸承

滾動軸承故障診斷試驗的聲發射試驗裝置主要由試驗臺、電機、滾動軸承、控制柜及聲發射數據采集系統等組成，如圖2所示。試驗選用美國物理聲學公司(PAC)生產的PCI-2全數字式聲發射采集系統、共振頻率約為0～ 1MHz 的WD寬頻傳感器以及2/4/6前置放大器。聲發射信號采樣使用北京伊麥特科技有限公司生產的EMT390數據采集器。試驗所用30205軸承的滾動體數量Z=17，滾子組節圓直徑Dpw=38.5mm，滾動體直徑Dw=6.4mm ，接觸角α=45°。

圖2 聲發射試驗裝置

2 缺陷特征頻率

由于軸承損傷將以一定的軸承特征頻率來“振響”聲發射傳感器，因此根據軸承產生缺陷元件的不同，滾動軸承的缺陷特征頻率可用以下公式計算[9]：

(1)

(2)

(3)

式中fr——主軸旋轉頻率，fr=n/60，n為主軸轉速，r/min。

3 數據分析

3.1信號有效值電壓因子

聲發射理論體系中，計數法是處理聲發射脈沖信號的常用方法，但樣品幾何形狀、傳感器特性及連接方式、門檻電壓及放大器工作狀況等對測量連續聲發射信號影響很大。所以，早期聲發射采用測量聲發射信號的能量來對連續型信號進行分析。聲發射信號的能量正比于聲發射波形的面積，一般用均方根電壓來進行聲發射信號的能量測量，稱為信號電壓的有效值(RMS)或均方根值，單位為V。

RMS與聲發射信號源所釋放能量的大小有關，不受門檻影響，多用于旋轉機械的連續型信號狀態性能評價。信號的RMS值常反映全部信號或預定時間段信號的能量特征。當滾動軸承出現故障時，采集聲發射信號的RMS值就會增加[10，11]。在滾動軸承早期故障階段，微弱聲發射產生的能量不足以改變整個測試長度內信號的RMS值，故RMS參數對滾動軸承早期故障檢測的有效性不高。為解決RMS值分析局部連續信號的缺點，采用一種相對敏感，而且能有效檢測滾動軸承早期故障信號特征的方法，即RMSI方法[12]。

RMSI因子是一個統計參數，無量綱，其計算公式如下：

(4)

式(4)定義了片選信號的均方根值占全部信號均方根值的不同冪次的比值。比如一個足夠穩定信號，不同片選信號的RMSI值均為1。而對于以瞬時高振幅出現的部分信號，RMSI值將高于1。RMSI值越高，表明特定的部分信號的能量越高。式(4)中需要確定兩個參數：第1個參數是片選信號的長度，用m表示；第2個參數N是部分與全部信號RMS值的比值的冪次。據不同數據信號，可將其長度分成不同長度的片段。比如，旋轉機械運行時，信號長度與軸的旋轉周期一致。可根據故障特征頻率和采樣率確定軸承故障信號的片選信號大小。一般來講，把信號分割的片段越多，用能量因子檢測信號局部變化的敏感性越強，但有可能產生誤報警。反過來把信號分割的片段越少，數據的敏感性越低。對于信噪比高的信號，均方根比值一般取較小冪次，N取1；對于信噪比低的信號，故障特征幾乎淹沒在背景噪聲中，為了突出故障特征，N取較大值。

3.2基于RMSI的滾動軸承聲發射信號處理

以滾動軸承內圈故障為例，當主軸轉速為400r/min時，根據試驗轉速和式(1)可以計算出軸承的故障特征頻率在66.33Hz左右，根據采樣頻率能計算出原始信號中兩個故障脈沖之間數據點的個數大約為16K(1K=1024)。通常為獲得信號的局部敏感信息，片選信號的長度要遠小于故障的脈沖間隔，即片選信號長度m遠小于16K。對于內圈故障的軸承，分別取以片選信號長度m為10、50、100、150，N取1、4、12、20時得到的有效值電壓因子曲線如圖3所示。

圖3 不同N取值時的RMSI曲線

比較不同片選信號長度相同冪次N時的能量因子圖可知，發現當片選信號m=150時，故障信號最為明顯。比較相同片選信號長度不同冪次N時的能量因子圖可知，冪次的增大能夠很好地抑制背景噪聲的干擾，同時也能夠更有效地突出沖擊成分。

同理分析外圈和滾子故障的軸承，圖4是轉速為300r/min時，外圈故障軸承的RMSI曲線，圖5是軸轉速為800r/min時，滾子磨損的RMSI曲線。從圖4、5可以看出，通過分析轉速、故障特征頻率、合適地選取m和N可以突出故障信號、抑制噪聲信號。

圖4 外裂軸承的RMSI曲線

圖5 滾子磨損軸承的RMSI曲線

4 結束語

滾動軸承早期故障的及時診斷預報對動設備的運行安全、企業的經濟效益等具有重要的實際意義。試驗表明，將RMS參數進行改進得到的RMSI能有效突出故障信號成分，并能抑制噪聲信號。研究中發現，對于內圈故障、外圈故障和滾子故障在其特定轉速下采集到的聲發射信號進行RMSI分析可以有效地發現軸承出現的故障。

[1] 鐘秉林，黃仁.機械故障診斷學[M].北京:機械工業出版社,2007.

[2] 韓捷,張瑞林.旋轉機械故障機理及診斷技術 [M]. 北京:機械工業出版社, 1997.

[3] 郝如江,盧文秀,褚福磊.聲發射檢測技術用于滾動軸承故障診斷的研究綜述[J].振動與沖擊.2008,27(3):75～79.

[4] 鳳英，沈玉娣，熊軍．滾動軸承故障的聲發射檢測技術[J]．無損檢測，2005，27(11)：583～586．

[5] 理華，徐春廣，肖定國，等．滾動軸承聲發射檢測技術[J]．軸承，2002，(7)：24～26．

[6] 陸小明.基于EMD的滾動軸承故障診斷方法的研究[D].蘇州:蘇州大學,2012.

[7] 劉霞, 孫美巖,薛海峰，等.基于相關性小波奇異熵的滾動軸承故障特征提取[J]. 化工自動化及儀表.2015,42(7):765～768.

[8] 戴光，余永增，張穎，等.基于小波和EMD的滾動軸承非接觸聲發射診斷方法[J].化工機械.2009,36(4):326～329

[9] 李孟源，尚振東，蔡海潮，等.聲發射檢測及信號處理[M].北京：科學出版社，2010：177.

[10] 袁振明，馬羽寬，何澤云．聲發射技術及其應用[M]．北京：機械工業出版社，1985:5～20.

[11] 沈功田，劉時風，戴光.聲發射檢測[M].北京：機械工業出版社，2004:31～32.

[12] 郝如江，朱勇輝，于新奇．能量因子用于軸承故障聲發射信號的特征提取[J].振動與沖擊.2010,29(z): 160～162.

StudyofAcousticEmissionDiagnosisofRollingBearingFaultsBasedonRMSIndex

GUO Fu-ping

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology,Maoming525000,China)

Making use of acoustic emission testing technology to test internal faults, outer ring faults and wear faults of rolling bearing was discussed. In order to reduce the noise and highlight the fault characteristics and improve the signal-to-noise ratio, the energy index method was applied to process the noise signals so as to find out fault characteristics under different defect forms. The results prove RMS index method’s effectiveness in extracting features of the rolling bearing acoustic emission signals.

rolling bearing, acoustic emission, fault diagnosis, RMS index

*廣東高校省級重點平臺和重大科研項目青年創新人才項目(650477)。

**郭福平，女，1981年9月生，講師。廣東省茂名市，525000。

TQ050.3

A

0254-6094(2016)05-0672-04

2015-12-04，

2016-01-04)

(Continued from Page 644)

lized bioreactor which installed at different heights was implemented, including employing two-phase flow Eulerian-Eulerian model and liquid-phase Standard-epsilon turbulence model to simulate the liquid velocity field in X-axis section and Z-axis section as well as analyzing and comparing the liquid velocity, the mixture of gas and liquid under four schemes in the bioreactor. Results show that the 45cm height for the aerator installation and 37cm height for the microbial column installation are the best.

Keywordsimmobilized bioreactor, gas-liquid flow, aeration position, numerical simulation, CFD