專利名稱：一種低速滾動軸承的聲學故障診斷方法
技術領域：
本發明涉及無損檢測技術領域，特別涉及一種低速旋轉滾動軸承的聲學故障診斷方法。
背景技術：
滾動軸承應用在機械傳動機構中，包括內圈1、外圈2以及設置在內圈I和外圈2之間的滾動體3 (—般為滾珠)及用于固定滾動體3的保持架4，如圖1所示，具有摩擦阻力小、功率消耗小、機械效率高等優點，廣泛應用在各種旋轉機械中。然而，滾動軸承在長期運轉過程中由于裝配不當、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕等原因都會導致軸承出現疲勞剝落和磨損等故障，且故障發生部位主要有:軸承內圈1、外圈2、滾動體3及保持架4。大型觀覽車、客運索道等大型低速旋轉機械中的滾動軸承為其持續運轉的關鍵受力部件，軸承失效可能直接導致事故的發生，造成人員傷亡。然而，此類軸承一旦安裝投入使用后很難進行拆卸，目前國內對該類軸承的檢測只是通過觀察其運行時有無異常響聲、測量其溫度變化等來判斷軸承是否故障，安全隱患巨大。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，以實現對低速旋轉滾動軸承進行不拆卸快速檢測。(二)技術方案為了解決上述技術問題，本發明提供一種低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，包括以下步驟:分別獲取無缺陷滾動軸承和待檢測滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運轉周期的關系圖，得到正常曲線和檢測曲線；將所述正常曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rtl，將所述檢測曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到R1 ；計算所述檢測曲線與正常曲線有效值電壓平均值的比值k = R1ZR0 ；將k值與預設的含故障軸承的特征值比較，進行滾動軸承狀態的診斷。如上所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，優選的是，所述預設的含故障軸承的特征值包括含輕微故障軸承的特征值h和含明顯故障軸承的特征值k2 ；其中，含輕微故障軸承的特征值Ic1和含明顯故障軸承的特征值1^2通過以下步驟獲取:分別獲取含輕微故障滾動軸承和含明顯故障滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運轉周期的關系圖，得到輕微故障曲線和明顯故障曲線；
將所述輕微故障曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rfl，將所述明顯故障曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rf2 ；
所述含輕微故障滾動軸承的特征值Ic1=RflZiRtl，所述含明顯故障滾動軸承的特征值k2 = Rf2/R0。如上所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，優選的是，所述含輕微故障滾動軸承的特征值h由軸承內圈表面缺陷的深度為內圈厚度2%的含輕微故障滾動軸承測得；所述含明顯故障滾動軸承的特征值k2由軸承內圈表面缺陷的深度為內圈厚度10%的含明顯故障滾動軸承測得。如上所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法,優選的是,滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運轉周期的關系圖通過以下步驟獲取:將聲發射傳感器布置在滾動軸承的軸承座上,啟動并使軸承運轉,連續采集軸承不少于10個運轉周期的聲發射信號，統計并計算各運轉周期聲發射信號的有效值電壓平均值；將軸承的運轉周期數作為橫坐標，軸承各運轉周期對應的聲發射信號的有效值電壓平均值作為縱坐標，得到一系列點，將這些點作曲線擬合，獲得滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運轉周期的關系圖。如上所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，優選的是，所述無缺陷滾動軸承、含輕微故障滾動軸承和含明顯故障滾動軸承均與所述待檢測滾動軸承的型號相同，運轉速度相問。如上所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，優選的是，滾動軸承運轉的轉速低于10轉/分鐘。如上所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，優選的是，所述無缺陷滾動軸承、含輕微故障滾動軸承和含明顯故障滾動軸承均與所述待檢測滾動軸承采用相同的聲傳感器和相同的聲傳感器布置方式進行檢測。如上所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，優選的是，各軸承運轉周期對應的有效值電壓平均值為該周期內所有聲發射信號的有效值電壓累加值除以撞擊數總和。(三)有益效果本發明所提供的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，通過獲取無缺陷滾動軸承和待檢測滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運轉周期的關系圖，得到正常曲線和檢測曲線，并對正常曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rtl，和對檢測曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到R1，計算檢測曲線與正常曲線有效值電壓平均值的比值k = R1ZR00然后將k值與預設的含故障軸承的特征值比較，進行滾動軸承狀態的診斷。聲發射檢測方法不僅能滿足不拆卸滾動軸承的檢測要求，且其信號的高頻特性可以有效抑制周圍環境噪聲的干擾，實現滾動軸承故障的早期預警，從而最大限度的減少事故發生，具有重要的社會意義和巨大的經濟效益。
圖1是本發明實施例中無缺陷滾動軸承的結構示意圖；圖2是本發明實施例中內圈含輕微故障的滾動軸承的結構示意圖；圖3是本發明實施例中無缺陷滾動軸承與內圈含輕微故障的滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值的評價曲線圖4是本發明實施例中無缺陷滾動軸承與內圈含明顯故障的滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值的評價曲線圖；圖5是本發明實施例中無缺陷滾動軸承與待檢測軸承的聲發射信號有效值電壓平均值的評價曲線圖。其中，1:內圈；2:外圈；3:滾動體；4:保持架。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。結合圖1和圖2所示，本發明實施例中將以滾動軸承的內圈I具有缺陷O為例來具體說明低速滾動軸承的聲學 故障診斷方法。圖5中軸承運轉第f 10周期對應的曲線是正常曲線，第(Ν+1Γ(Ν+10)周期對應曲線為檢測曲線。本發明實施例中的滾動軸承的故障檢測方法包括以下步驟:首先，分別獲取無缺陷滾動軸承和待檢測滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運轉周期的關系圖，得到正常曲線和檢測曲線。其中，在聲學故障檢測中，有效值電壓(以下簡稱“RMS”)是聲發射信號的主要參數,表不米樣時間內信號的均方根值，以V表
示，即=，式中，AT是平均時間，v(t)是隨時間變化的信號電壓。該參
數能夠良好的反應聲發射活性，是聲發射故障診斷中的常用參數；然后，將正常曲線中所測運轉周期(即圖5中第f 10周期)對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rtl,將檢測曲線中所測運轉周期(即圖5中第N+f N+10周期)對應的有效值電壓平均值進行平均得到R1 ;最后，計算檢測曲線與正常曲線有效值電壓平均值的比值k = R1Z^Rci，并將k值與預設的含故障軸承的特征值比較，進行檢測信號的評價。本發明實施例中的低速滾動軸承的聲發射故障診斷方法不僅能滿足不拆卸軸承的檢測要求，且其信號的高頻特性可以有效抑制周圍環境噪聲的干擾，實現滾動軸承故障的早期預警，從而最大限度的減少事故發生，具有重要的社會意義和巨大的經濟效益。其中，正常曲線通過以下步驟獲取:將聲發射傳感器布置在無缺陷滾動軸承的軸承座上，啟動軸承以低于10轉/分鐘的轉速低速運轉。本實施例中軸承轉速為0.32轉/分鐘，連續采集軸承10個運轉周期的聲發射信號，對采集數據以軸承運轉周期為單位進行處理，可以將各周期內所有撞擊的有效值電壓(RMS)值累加除以撞擊總數得到該周期的RMS平均值，將依采集時間順序得到的第I至10周期的RMS平均值作為縱坐標，對應周期為橫坐標，由此可以得到10個點(1，2.223),(2,2.310),(3,2.270),(4,2.275),(5,2.289),(6,2.224),(7,2.317),(8,2.271)、(9，2.288)、(10，2.247)，如圖5所示。將這10個點作曲線擬合，得到無缺陷滾動軸承的聲發射信號RMS平均值與軸承運轉周期的關系圖，即正常曲線。檢測曲線通過以下步驟獲取:將聲發射傳感器布置在待檢測滾動軸承的軸承座上，其中，待檢測滾動軸承和無缺陷滾動軸承可以是同一軸承不同時期的前后對比，也可以是型號相同，并以相同轉速運行1000周期以上的不同軸承的對比。并優選待檢測滾動軸承和無缺陷滾動軸承采用相同的聲傳感器和相同的聲傳感器布置方式，保證有效的可比性。啟動待檢測滾動軸承以與無缺陷滾動軸承相同的轉速低速運轉，同樣連續采集軸承10個運轉周期的聲發射信號，對采集數據以軸承運轉周期為單位進行處理，可以將各周期內所有撞擊的有效值電壓(RMS)值累加除以撞擊總數得到該周期的RMS平均值，將依采集時間順序得到的第N+1至N+10周期的RMS平均值作為縱坐標，對應周期為橫坐標，如圖5所示，由此可以得到10個點(N+1，
4.139)、(N+2,3.868)、(N+3,4.010)、(N+4,3.845)、(N+5,3.745)、(N+6,3.670)、(N+7,3.983)、(N+8，4.206)、(N+9，3.929)、(N+10,4.196)。將這 10 個點作曲線擬合，得到待檢測滾動軸承的聲發射信號RMS平均值與軸承運轉周期的關系圖，即檢測曲線。本發明實施例中正常曲線中所測運轉周期對應的RMS平均值進行平均得到R0=2.27，檢測曲線中所測運轉周期對應的RMS平均值進行平均得到1=3.96，則檢測曲線與正常曲線有效值電壓平均值的比值k = R1ZR0=L 74。為了進一步檢測待檢測滾動軸承的缺陷程度，可以設置預設的含故障軸承的特征值包括含輕微故障的軸承特征值ki和含明顯故障的軸承特征值k2。當Kk1時，判定該待檢測滾動軸承無明顯故障，可繼續運行；當ki < Kk2時，判定該待檢測滾動軸承出現輕微故障，應采用其他方法檢測并縮短檢測周期；當k > k2時，判定該待檢測滾動軸承出現明顯故障，應盡快安排維修。其中，含輕微故障的軸承特征值Ic1和含明顯故障的軸承特征值1^2通過以下步驟獲取:首先，分別獲取含輕微故障滾動軸承和含明顯故障滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運 轉周期的關系圖，得到輕微故障曲線和明顯故障曲線。其中，含輕微故障滾動軸承的特征值h由軸承內圈表面缺陷的深度為內圈厚度2%的含輕微故障滾動軸承測得，含明顯故障滾動軸承的特征值k2由軸承內圈表面缺陷的深度為內圈厚度10%的含明顯故障滾動軸承測得。本實施例中優選通過人工加工出含輕微故障的滾動軸承和含明顯故障的滾動軸承，以使其具有可靠的標準性；然后，將輕微故障曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rfl，將明顯故障曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rf2 ；最后，計算輕微故障曲線與正常曲線有效值電壓平均值的比值(即含輕微故障滾動軸承的特征值)h = RflZ^Rci，計算明顯故障曲線與正常曲線有效值電壓平均值的比值(即含明顯故障滾動軸承的特征值)k2 = Rf2/!^具體的，本發明實施例中含輕微故障軸承的特征值Ic1通過以下步驟獲取:可以在無缺陷滾動軸承的內圈I滾道上打磨一條深0.3mm的槽形缺陷(為軸承內圈厚度的2%)，記為含輕微故障的滾動軸承，如圖2所示，圖中O為缺陷位置。同樣，將聲發射傳感器布置于含輕微故障滾動軸承的軸承座上，優選啟動軸承以與無缺陷滾動軸承相同的轉速低速運轉，連續采集10個運轉周期的聲發射信號，統計每個運轉周期聲發射信號的RMS平均值，將依采集時間順序的第N+1至N+10個運轉周期的RMS平均值作為縱坐標，對應周期為橫坐標，如圖3所示，由此可以得到10個點(Ν+1，2.478)、(Ν+2,2.765)、(Ν+3,2.425)、(Ν+4，2.330)、(Ν+5，2.544)、(Ν+6，2.379)、(Ν+7，2.862)、(Ν+8，2.526)、(Ν+9，
2.543)、(Ν+10,2.802)。將這10個點作曲線擬合，得到含輕微故障滾動軸承的聲發射信號RMS平均值與軸承運轉周期的關系圖，即輕微故障曲線。而圖3中第f 10個運轉周期對應的曲線是正常曲線。將輕微故障曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rfl =
2.57，則 Ii1 = Rfl/R0 = 1.13。具體的，本發明實施例中含明顯故障軸承的特征值k2通過以下步驟獲取:在無缺陷滾動軸承的內圈I滾道上的槽形缺陷繼續打磨至深度為1.5mm (為軸承內圈厚度的10%)，記為含明顯故障的滾動軸承。同樣，將聲發射傳感器布置于含明顯故障滾動軸承的軸承座上，優選啟動軸承以與無缺陷滾動軸承相同的轉速低速運轉，連續采集10個運轉周期的聲發射信號，統計每個運轉周期聲發射信號的RMS平均值，將依采集時間順序的第N+1至N+10個運轉周期的RMS平均值作為縱坐標，對應周期為橫坐標，如圖4所示，由此可以得到 10 個點(Ν+1，3.839)、(N+2,3.768)、(N+3,3.709)、(N+4,3.645)、(N+5,
3.645)、(N+6,3.770)、(N+7, 3.583)、(N+8,3.806)、(N+9,3.969)、(N+10, 3.796)。將這 10個點作曲線擬合，得到含明顯故障滾動軸承的聲發射信號RMS平均值與軸承運轉周期的關系圖，即明顯故障曲線。而圖4中第f 10個運轉周期對應的曲線是正常曲線。將明顯故障曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rf2 =
3.75，則 k2 = Rf2/R0 = 1.65。并優選含輕微故障滾動軸承和含明顯故障滾動軸承與待檢測滾動軸承采用相同的聲傳感器和相同的聲傳感器布置方式，保證比較的條件一致，減小誤差。通過比較，得出k>k2，判定該待檢測滾動軸承出現明顯故障。通過對該待檢測滾動軸承進行拆卸檢查，發現軸承內圈出現故障，其滾道表面損傷深度為2.0mm,大于軸承內圈深度的10%。由此可知，采用本發明所提出的方法進行故障診斷的結果與實際相符合。需要說明的是，本實施例中只是以內圈I為例來具體說明滾動軸承的故障檢測原理，并不是一種限定，顯然本發明的滾動軸承的故障檢測方法也適用于軸承外圈2、滾動體3和保護架4 (如圖1所示)的檢測，具體方法與內圈I 一樣，在此不再贅述。由以上實施例可以看出，本發明所提供的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，通過獲取無缺陷滾動軸承和待檢測滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運轉周期的關系圖，得到正常曲線和檢測曲線，并對正常曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rtl,和對檢測曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到R1,計算檢測曲線與正常曲線有效值電壓平均值的比值k = R1/!^然后將k值與預設的含故障的軸承特征值比較，進行滾動軸承狀態的診斷。聲發射檢測方法不僅能滿足不拆卸滾動軸承的檢測要求，且其信號的高頻特性可以有效抑制周圍環境噪聲的干擾，實現滾動軸承故障的早期預警，從而最大限度的減少事故發生，具 有重要的社會意義和巨大的經濟效益。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，其特征在于，包括以下步驟: 分別獲取無缺陷滾動軸承和待檢測滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運轉周期的關系圖，得到正常曲線和檢測曲線； 將所述正常曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rtl,將所述檢測曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到R1 ； 計算所述檢測曲線與正常曲線有效值電壓平均值的比值k = R1ZR0 ； 將k值與預設的含故障軸承的特征值比較，進行滾動軸承狀態的診斷。
2.根據權利要求1所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，其特征在于，所述預設的含故障軸承的特征值包括含輕微故障軸承的特征值h和含明顯故障軸承的特征值k2 ； 其中，含輕微故障軸承的特征值h和含明顯故障軸承的特征值k2通過以下步驟獲取:分別獲取含輕微故障滾動軸承和含明顯故障滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運轉周期的關系圖，得到輕微故障曲線和明顯故障曲線； 將所述輕微故障曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rfl，將所述明顯故障曲線中所測運 轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到Rf2 ； 所述含輕微故障軸承的特征值Ic1=Rfl/!^，所述含明顯故障軸承的特征值k2 = Rf2/!^
3.根據權利要求2所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，其特征在于，所述含輕微故障滾動軸承的特征值Iq由軸承內圈表面缺陷的深度為內圈厚度2%的含輕微故障滾動軸承測得； 所述含明顯故障滾動軸承的特征值k2由軸承內圈表面缺陷的深度為內圈厚度10%的含明顯故障滾動軸承測得。
4.根據權利要求1-3所述的滾動軸承的聲學故障診斷方法，其特征在于，滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運轉周期的關系圖通過以下步驟獲取:將聲發射傳感器布置在滾動軸承的軸承座上，啟動并使軸承運轉，連續采集軸承不少于10個運轉周期的聲發射信號，統計并計算各運轉周期聲發射信號的有效值電壓平均值；將軸承的運轉周期數作為橫坐標，軸承各運轉周期對應的聲發射信號的有效值電壓平均值作為縱坐標，得到一系列點，將這些點作曲線擬合，獲得滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運轉周期的關系圖及相應曲線。
5.根據權利要求4所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，其特征在于，所述無缺陷滾動軸承、含輕微故障滾動軸承和含明顯故障滾動軸承均與所述待檢測滾動軸承的型號相同，運轉速度相同。
6.根據權利要求4所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，其特征在于，滾動軸承運轉的轉速低于10轉/分鐘。
7.根據權利要求4所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，其特征在于，所述無缺陷滾動軸承、含輕微故障滾動軸承和含明顯故障滾動軸承均與所述待檢測滾動軸承采用相同的聲傳感器和相同的聲傳感器布置方式進行檢測。
8.根據權利要求4所述的低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，其特征在于，各軸承運轉周期對應的有效值電壓平均值為該周期內所有聲發射信號的有效值電壓累加值除以撞擊數總和。
全文摘要
本發明屬于無損檢測技術領域，公開了一種低速滾動軸承的聲學故障診斷方法，通過獲取無缺陷滾動軸承和待檢測滾動軸承的聲發射信號有效值電壓平均值與軸承運轉周期的關系圖，得到正常曲線和檢測曲線，并對正常曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到R0，和對檢測曲線中所測運轉周期對應的有效值電壓平均值進行平均得到R1，計算檢測曲線與正常曲線有效值電壓平均值的比值k＝R1/R0。然后將k值與預設的含故障軸承的特征值比較，進行滾動軸承狀態的診斷。聲發射檢測方法不僅能滿足滾動軸承的不拆卸檢測要求，且其信號的高頻特性可以有效抑制周圍環境噪聲的干擾，以實現滾動軸承故障的早期預警。
文檔編號G01M13/04GK103175689SQ20131004965
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月7日 優先權日2013年2月7日
發明者沈功田, 吳占穩, 張君嬌, 胡振龍 申請人:中國特種設備檢測研究院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
