滚动轴承声发射检测技术

    滚动轴承在旋转机械中是最容易损坏的机械零件之一。因此,滚动轴承的故障检测一直是研究的热点。对于高速行驶的铁路货车轴承的不分解检测,更是研究的重点。传统货车轴承的检测是利用加速度传感器拾取滚动轴承产生的振动信号,经信号分析、阈值判断来进行检测。但是这种方法需要一套转速不低于300 rPmin的滚动轴承大型拖动装置[1],有些装置还需要加载荷。一套货车滚动轴承在正常使用时所承受的载荷约为10 t,转速大约为400 rPmin,传统的检测方法需要在检测时模拟正常使用的工况,但无法在列检和站修时使用。本文研制了基于声发射检测技术的滚动轴承故障检测仪,能够在低速(<40 rPmin)轻载下有效检测货车轴承的故障。

    1 滚动轴承声发射信号机理

    滚动轴承的疲劳故障,是由于轴承经常受到交变载荷作用,使轴承金属件内部产生位错运动和塑性变形,首先产生疲劳裂纹源,然后沿着最大切应力方向向金属内部扩展,当扩展到某一临界尺寸时就会发生瞬时断裂。而疲劳磨损是由于循面材料疲劳而产生微粒脱落的现象。这种故障的发生过程是在初期阶段,金属内晶格发生弹性扭曲;当晶格的弹性应力达到临界值后,开始出现微观裂纹;微观裂纹再进一步扩展,就会在轴承的内、外圈滚道上出现麻点、剥落等疲劳损坏故障。保持架断裂处在轴承转动过程中会与滚动体及内外滚道或断裂部分之间相互摩擦碰撞,导致声发射现象。这些故障的发生与发展,都伴随着声发射信号的产生。各种材料声发射的频率范围很宽,金属材料声发射频率可达几十到几百兆赫,其信号的强度差异一般只有几微伏[2、3]。

    目前国内外采用的诊断方法有振动谱分析法、铁谱分析法和铁磁分析法。在实际现场中应用会受到不同程度的限制,如铁谱分析法适用于安装和工作状况的影响;铁磁分析法易受到现场电磁干扰。为了适应RD2型货车轴承现场检测的要求,提出了使用声发射技术进行轴承的现场在线检测。

    由于滚动轴承的故障信息较微弱,而背景噪声强,因此与传统的振动信号分析法比较,用声发射法进行故障监测诊断有以下主要优点。

    (1)特征频率明显。声发射信号频谱较宽,而振动信号相对较低。用声发射的高频信号特性(几十千赫以上)可有效抑制干扰,提高检测正确率。

    (2)预报故障时间早。载荷和工作转速完全相同的条件下,同时用声发射和振动信号监测轴承工作状态时,由于轴承微裂纹要经过一个慢扩展阶段,这个阶段还不足以引起轴承明显振动,而声发射信号已经比较明显,因而声发射法能早期预报和诊断故障。