基於聲發射技術的轉軸故障檢測

03-12

一、原理與方法

高速運行的轉軸，由於其受到的力為交變載荷，而且工作環境惡劣，經常發生損壞，比如斷裂事故，因此有必要進行現場檢測。隨著檢測技術的發展，無損檢測（NUT）越來越受到人們的重視。無損檢測的方法很多，諸如超聲、射線、電磁渦流、磁粉、滲透、紅外以及聲發射等技術。材料或結構受到外力或內力作用產生變形或者斷裂時，以彈性波的形式釋放應變能的現象稱為聲發射現象[1]。材料裂紋在萌發與擴展時釋放出的聲發射信號不但頻度高，而且集中。由於聲發射信號來自缺陷本身，因此研究缺陷所產生的聲發射信號的特點，以分析缺陷所處的位置和在其不同應力狀態的損傷程度。

利用設備在出現故障或破壞時，所發出的聲發射信號與正常狀態下的差異可以確定設備的運行狀態。根據聲發射信號的特點，可以把聲發射信號分為突髮型和連續型兩種。連續型信號由一系列低幅值和連續信號組成，這種信號對應變速率敏感，主要與材料的位錯和交叉滑移等塑性變形有關；突髮型信號具有高幅值、不連貫、持續時間為微秒級等特點，主要與材料中的堆跺層錯的形成和機械孿晶以及裂紋的形成和斷裂有關。但是這兩種分類也不是絕對的，因為在很多時候，這兩種信號是同時發生的。中國資產管理網

利用聲發射信號檢測時可以分為兩個步驟。首先是對故障的位置進行確定，其次對故障的性質進行分析。本文利用廣義線性定位法[5]確定故障的位置，然後利用聲發射的特徵參數對故障的嚴重程度進行檢測。對從藕合表面的感測器測得的聲發射信號的輸出波形經過一定的處理後進行分析。

目前分析所使用的特徵參數一般有振鈴計數與計數率、事件計數與計數率、振幅與振幅分布、能量和能量率、有效值和頻譜分布等[3]。根據聲發射信號的主要類型和研究的需要，可以確定選擇合適的聲發射特徵參數。

聲發射信號的典型參數如圖1所示[7]，波形超過預置的闌值電壓後便形成一個個矩形脈衝，這些矩形脈衝就稱為事件脈衝，將信號進行包絡檢波後再進行事件脈衝計數就是事件計數，單位時間的事件計數為事件計數率，計數累計就稱為事件總數。設置閡值電壓的重要作用就是對低於闌值電壓的信號不予考慮，這在一定程度上抑制了干擾雜訊，故又稱為幅值剔噪法。此外還有加權振鈴計數法等。

能量法通常以能量值和能量率的形式給出。能量值是指在給定的測量時間範圍內所得到的能量大小，單位時間的能量稱為能量率。能量分析法是直接度量振幅或者有效值和信號的持續時間，反映聲發射能量的特性[4]。能量法與其他的聲發射參數相比，更能反映裂紋擴展的特徵。

二、試驗與分析

本文通過現場的試驗說明聲發射技術在機械故障檢測中的應用，原理如圖2。

圖3a、b分別是2002年12月1日和2003年1月28日對某機組的兩次檢測。第一次為機組運行正常的情況，第二次為機組出現異常的情況。

圖3a中的正常信號沒有明顯的變化，基本上是環境雜訊所引起的。而經過近兩個多月的運行，圖3b所示的信號幅值變化就很明顯，為典型的連續聲發射信號。隨時間的持續，信號特徵也在不斷變化，由經驗判斷該故障可能為機組的轉軸裂紋擴展，因此首先確定對轉軸進行故障檢測。

一般採用聲發射波到達的時間差決定聲發射源的位置[6]。本文採用廣義線性定位法來確定裂紋的位置，廣義線性定位的原理如圖4所示。假設在A和B兩點處布置聲發射感測器，A、B距離為l，建立局部坐標系，原點O在AB連線的中點，假定聲發射源C在偏離聲發射感測器連線，坐標為（x，a），聲發射信號從C處傳至A處的時間為t1，傳至B處的時間為t2，聲波在材料中的傳播速度為υ，則

式中 tc—聲發射信號從C點發出的時刻

tA—聲發射信號到感測器A的時刻

tB—聲發射信號到感測器B的時刻

本試驗現場檢測採用兩個頻響為300kHz的聲發射感測器（A、B）。安裝位置如圖2所示。試驗中兩個感測器的距離l為150cm，軸材料為45鋼，聲發射信號在結構中的傳播速度為3400m/s，對於時間差τ的求法，採用兩個感測器所採集的信號的互相關函數來確定。互相關的函數定義如下：

採樣頻率取為10MHz，即周期T為0.25μs。由信號的互相關函數計算得到滯後時間差為τ= 73μs，則：

距A的距離：

距B的距離：

x2＝l-x1＝150-81.2＝68. 8cm

確定出聲發射源的大致位置以後，還要對裂紋擴展的嚴重程度進行分析。裂紋的擴展是能量累積到一定程度的結果，因此對信號所包含的能量進行分析，由一聲發射信號的能量可以表示為：

聲發射信號的能量是可以用振幅來表示的。

本文採用Hilbert運算元解調法對信號幅值的平方進行解調處理。Hilbert解調法通過構造原始調製信號的復解析信號，並對復解析信號進行包絡處理的方法實現信號的解調，其解調結果與調製信號完全相同，經過構造的解析信號為：

q (t)＝x (t)+jH〔x (t)〕

其中

對正常機組的聲發射的信號和故障機組的聲發射信號分別進行幅值平方，經過Hilbert幅值解調得到的包絡如圖5所示。

計算所得到正常信號所包含的能量為11.2037，而故障包絡線所圍成的面積即能量為53.2996，能量率為0.5329。正是因為能量的不斷累積增大導致裂紋失穩擴展，從而產生劇烈的聲發射信號。由能量分析的特點和計算，可以初步確定裂紋的位置和擴展狀態，停機檢查的結果證實了這一點。

三、結論

將聲發射技術運用於轉軸等機械部件的裂紋故障診斷中，可以及時準確地預測並診斷出設備在運行時的故障，尤其對於早期的故障。通過對聲發射信號一些特徵參數的分析，表明聲發射信號能夠清晰地辨別和確定裂紋擴展故障的變化過程，對提高機械設備運行的安全性有重要的作用。該方法無論是作為單獨的診斷手段還是與其他方法結合起來，對故障診斷的準確率和可信度都會有很大的提高。