基于声发射信号的转子碰摩故障诊断方法

    转子动静碰摩是旋转机械常见故障之一,传统检测碰摩故障的方法为振动法。由于在早期碰摩检测时,振动信号中的碰摩信息非常微弱,故障信息常湮没在噪声中,很难准确判定。声发射信号的频谱较宽,用其高频特性可以有效抑制干扰,提高诊断的准确性。

    由于转子在初始时一般发生周期性碰摩,产生周期为T0的冲击脉冲。根据付氏级数理论,该脉冲串的频谱为包含f0=1/T0在内的一系列谐波分量,其中某阶高次谐波若与结构系统或传感器的固有频率f0相吻合(f010 kHz),则将激发起周期性的高频自由衰减振动。该振动信号大,周期为脉冲串的周期,而衰减振动的频率则为结构系统或传感器的固有频率。机器的其他工作频率远低于该固有频率,对引起该频率的振动影响极小,故实际上消除了其他振动信号的干扰。该高频自由衰减振动信号经检波和低通滤波(解调)后,得到一个与原脉冲串相对应的并经过放大的信号,根据该信号便可求出原脉冲串的周期和相应幅值[1]。

    笔者采集早期碰摩声发射信号,经过小波滤波后进行包络解调分析,找出转子在碰摩故障下的故障特征,得出转子碰摩故障声发射信号诊断的可行性。

    1 转子碰摩故障声发射信号特点

    利用设备在出现故障或破坏时所发出的声发射信号与正常状态下的差异可以确定设备的运行状态。根据声发射信号的特点,把声发射信号分为突发型和连续型两种。连续型信号由一系列低幅值的连续信号组成,对应变速率敏感,与材料的位错和交叉滑移等塑性变形有关;突发型信号具有高幅值、不连贯和持续时间为微秒级等特点,主要与材料中的堆跺层错的形成和机械孪晶以及裂纹的形成和断裂有关。很多时候两种信号同时发生[2]。

    旋转机械在发生动静碰摩故障时,金属材料在外载荷作用下产生晶格的滑移变形和孪生变形,就会发生声发射现象。图1为转子碰摩时产生的声发射信号,可归为突发型声发射信号。

    2 声发射信号处理方法

    2.1 特征参数法

    目前常用的声发射信号处理方法为统计特征参数法。一般有振铃计数与计数率、事件计数与计数率、振幅与振幅分布、能量和能量率以及有效值和频谱分布等[3]。根据声发射信号的主要类型和研究的需要,可以确定选择合适的声发射特征参数。通过比较正常状态和故障状态下的特征参数值,即可对故障进行识别。但是必须注意门槛电压值的设定,门槛值过高将不能检测出轻微故障,门槛值过低则又可能出现误判。