基于声发射在油液中传输低速重载设备故障诊断的应用

李海颖

（邢台学院，河北邢台 054001）

基于声发射在油液中传输低速重载设备故障诊断的应用

李海颖

（邢台学院，河北邢台 054001）

低速重载设备由于转速低，其早期的振动信号十分微弱，转动频率比较低，因此很容易被周围相对幅度较大的低频环境噪声淹没，无法获得故障信息。采用声发射技术可以检测到故障结构本身发出的高频应力波信号，是目前研究的前沿，为了减少声发射信号的干扰，主要研究声发射传感器放置于油液中以尽可能减少噪声对其的干扰。为了不影响生产并且便于发射传感器的装卸，研制一种用于油箱内部声发射传感器连接装置。通过对某厂50吨转炉倾动机构的故障诊断检测，为声发射在油液中传输下低速重载设备故障诊断起到铺垫作用。

声发射；油液；低速重载；故障诊断

低速重型设备作为现代工业的关键设备，一旦发生事故将严重影响企业经济效益。针对目前国内外以振动监测为手段来识别重载设备的早期故障，成功案例很少。本文结合声发射检测手段，研究声发射信号在低速重载设备油液中的传播和衰减特性，在低速重载设备故障诊断中的应用方法。

炼钢转炉属于多柔动低速重载设备，其早期的振动信号十分微弱，转动频率比较低，因此很容易被周围相对幅度较大的低频环境噪声淹没，无法获得真正的故障信息。声发射信号是发生故障结构本身发出的高频应力波信号，频率一般在20KHz以上，不受机械振动和噪声的干扰，因此，声发射仪器能很好的获得故障信息。目前声发射检测技术在大型故障诊断中的应用还不是很成熟，相关文献也较少，就目前的研究看声发射检测是振动检测较好的补充。

将声发射传感器放置于油液中进行声发射的测量，主要是为了减少声发射信号受到干扰，该研究尚处于起步阶段，国内外少有相关文献、报道，本次的测试也是为基于声发射在油液中传输下低速重载设备故障诊断起到铺垫。

1 声发射原理

声发射检测技术是指用仪器检测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号判断声发射源状况是否正常的技术，其原理如图1所示，从声发射源发出的弹性波通过传输介质（金属、油液、空气等）传播到材料表面，传感器将弹性波转换为电信号，然后再经放大、处理并被记录下来。通过对采集到的信号进行分析和处理，即可知道材料内部的缺陷情况。

图1 声发射检测原理图

声发射信号主要处理方法有参数分析法、波形分析法，参数分析法为以基本的振铃、能量、幅值等参数分析法为主[1]，但是这些参数与原始信号比已经损失了大量的信息，难以表征缺陷的本质特性。在波形分析方面国内外研究人员做了大量工作。I.Bashir通过建立理论模型模拟了直升机齿轮箱中滚动轴承部件细微裂纹扩展时发出的声发射能量，可以实时检测裂纹的扩展过程，在轴承出现表面材料剥落前检测出轴承故障[2]。McFadden P.D利用声发射传感器检测低速运转状态下的角接触滚动轴承信号，发现在低速运转时，声发射传感器能够检测到滚动体集中载荷引起的声发射信号[3]。D.Mba等利用声发射技术结合自回归系数对轴承故障类型进行辨别，取得了实效，但未见实例佐证[4-8]。

2 声发射装置的安装

一般进行声发射检测是将声发射传感器吸附于减速箱的表面，由于声发射信号容易受到干扰，为尽量减少干扰应该将声发射传感器放置于减速箱内部，如有条件最好能放置于油液内。想完成声发射在油液中的检测需要设计一种用于油箱内部声发射传感器连接装置，解决声发射传感器难以放置于设备齿轮内部油液中进行检测的难题。

该连接装置需满足不影响设备结构及正常运行，可以短时间将探头从齿轮箱内取出，而且在不影响正常的生产的基础上满足将声发射探头放入齿轮箱内部，同时传感器引线引出处用密封胶密封，可以防止设备周边粉尘进入，另外连接装置的引线槽向下，还可以防止胶体及杂质进入齿轮箱中，具体结构如图2所示。

图2 一种用于油箱内部声发射传感器连接装置

3 设备参数

某钢厂50吨转炉在日常点检中曾经发现振动值偏大的现象，该设备的一次、二次传动图见图3：

图3 某厂50吨转炉传动系统图

该厂转炉倾动机构1个二次减速箱以及4个一次减速箱组成，4个一次减速箱在二次减速箱四周呈对称布置，图2显示了1个一次减速箱及二次减速箱的简图。其关键参数如下所示：

电机型号：YZP250M1-8额定转速：750r/min

齿轮啮合频率及轴频分别为：

Z1/Z2啮合频率212.5 Hz Ⅰ轴轴频12.50 Hz

Z3/Z4啮合频率47.53 Hz Ⅱ轴轴频2.796 Hz

Z5/Z6啮合频率11.23 Hz Ⅲ轴轴频0.625 Hz

Z7/Z8啮合频率2.150 Hz Ⅳ轴轴频0.126 Hz

4 测点的选择

为了对比声发射信号在油液中与在减速箱外测试的区别选择1#转炉在两个位置进行检测。2#、3#转炉仅在减速箱外进行测试。声发射装置放置于减速箱内的现场如图4所示。声发射装置放置于减速箱外的现场如图5所示。

图4 1#转炉油液中测试图

5 数据波形分析

5.1 1#转炉

图5 1#转炉轴承座测点图

图6 1#炼钢转炉左下方一次减速机（轴承座的测量）的时域波形

图6显示在轴承座进行声发射测量时没有明显的特征。

图7 1#炼钢转炉左下方一次减速机（油液第一次测量）时域波形

图7为在油液中进行测量时的波形，幅值相对轴承座检测比较大，分别出现了 26.2ms和17.48ms的周期，即38.17Hz和57.2Hz（与Z3/Z4的啮合频率47.53H接近），说明1#炼钢转炉左下方一次减速机可能有隐患。

5.2 2#转炉

从时域波形可以看出具有明显的周期性，周期为19.662ms，即50.85Hz，与Z3/Z4的啮合频率47.53H接近，说明2#炼钢转炉左下方一次减速机可能有隐患。

5.3 3#转炉

图8 2#转炉一次减速机（右下方）的时域波形

图9 3#转炉一次减速机（右下方）的时域波形

从时域波形可以看出具有明显的冲击性，幅值较大，并且前面周期性明显，周期为21.847ms，即45.8Hz，与Z3/Z4的啮合频率47.53H接近，所以3#转炉一次减速机右下方可能会有隐患故障。

6 分析结论

1#转炉左下方一次减速箱分别出现了26.2ms和17.48ms的周期，即38.17Hz和57.2Hz，与Z3/ Z4的啮合频率47.53H接近，可能存在隐患故障。

2#转炉左下方一次减速箱出现了周期为19.662ms，即50.85Hz的周期信号，与Z3/Z4的啮合频率47.53H接近，说明可能有隐患。

3#炼钢转炉右下方一次减速机出现了周期为21.847ms， 即 45.8Hz， 与 Z3/Z4的啮合频率47.53Hz接近，可能存在隐患故障。

在1#转炉上分别测试了声发射传感器在油液中与在减速箱外测试，可以看出在油液中的信号较为明显，然而在减速箱外侧的信号收到一定干扰故障特征不明显。

[1]赵元喜. 声发射检测技术在滚动轴承故障诊断中的研究与应用[D]. 北京工业大学,2010.

[2]I. Bashir, R. Bannister, D. Probert. Release of Acoustic Energy During the Fatiguing of A Rolling-element Bearing [J]. Applied Energy. 1999, (62):97～111.

[3]McFadden, P.D, Smith, J. D. Acoustic Emission Transducer for the Vibration Monitoring of Bearings at Low Speeds[M]. Report no. CUED/C-Mech/TR29. 1983.

[4]D. Mba, R.H. Bannister and G.E. Finadlay, Condition Monitoring of Low-Speed Rotating Machinery using Stress Waves[J]. Proc Instn Mech Engrs, 1999, 213 (part E): 153-185.

[5]N．Jamaludin, D. Mba . Monitoring Extremely Slow Rolling Element Bearings[J].part I. NDT&E, International, 2002, (35): 349-358.

[6]N.Jamaludin, D. Mba.Monitoring Extremely Slow Rolling Element Bearings[J].part II. NDT&E, International, 2002, (35): 359-366.

[7]D. Mba and Raj B. K. N. Rao. Development of Acoustic Emission Technology for Condition Monitoring and Diagnosis of Rotating Machines Bearings, Pumps, Gearboxes, Engines, and Rotating Structures[J]. The Shock and Vibration Digest. 2006, 38(1): 3-16.

[8]N. Jamaludin, Dr. D. Mba, Dr. R. H. Bannister. Condition Monitoring of Slow-speed Rolling Element Bearings using Stress Waves[J].Journal of Process Mechanical Engineering, I Mech E. Pro. Inst. Mech Eng., 2001, 215(E): 245-271.

TP391.77

A

1672-4658(2015)04-0160-04

2015-08-22

河北省科技支撑计划项目.课题编号：13210351；河北省高等学校科学技术研究项目.课题编号：Z2014103

李海颖（1976-），女，河北邢台人，硕士，副教授，从事计算机教学与研究工作.