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外文翻译正文
低速轴的状态监测和轴承声发射
作者:
M.Elforjani和D.Mba
工程学院,克兰菲尔德大学,克兰菲尔德,英国
摘要:
自从19世纪60年代后期,对各种旋转机械状态监测的应用程序,使用高频声发射(AE)技术的状态监测一直是一项激烈的研究项目。
本文论证了在低速旋转机械中使用AE技术检验和监测的自然裂纹萌生和扩展的调查结果。
除了之前由作者出版的关于低速旋转机械状态监测的著名作品以外,本文呈现了在缺乏润滑的条件下加速轴承疲劳的实验结果。
为了这些调查,专用测试设备被用来生成一个轴承和一个轴的自然降解。
得出的结论是AE技术能够检测到在低速的轴承和轴中自然裂纹的萌生和扩展。
关键词:
声学排放、状态监测、天然裂缝、旋转机械、缓慢速度
介绍
未能监测到机床部件的状况不仅令人难以忍受而且还会导致不必要的维护成本。
因此,了解缺陷发展阶段,预测机器部件的寿命是非常重要的。
高频声发射(AE)分析是一个在检测旋转机械有无缺陷方面经常使用的方法。
在机器部件的状况监测方面有三个临界状态:
故障的监测,故障严重程度的确定,及其剩余使用寿命的确定。
在数篇文章中已经讨论过应用程序和AE技术的成功。
AE是一个术语,用来描述一种现象,瞬态弹性波通过快速释放物体内部或表面局部来源的的能量生成。
AE在旋转机械的来源包括冲击、摩擦、湍流、穴蚀现象和泄漏。
和AE有关的典型的频率范围是在100千赫和1兆赫之间。
即使许多关于旋转机械的状态监测的研究在一些文献中呈现出来,Yoshioka从事的项目才是为数不多的出版物之一,它强调了关于运用AE技术旋转电机组件(轴承)的自然机械降解。
这项工作的基础是Yoshioka进一步工作,不仅监测裂缝的出现而且监测它对传统的轴承剥落或表面缺陷的传播。
在这个特定的调查,特制的测试平台被用来连续的监测AE的慢速旋转机械部件(轴承和轴)的整个生命周期。
轴承状态监测
试验台布局和试验装置
需要一个特别设计的能够承受一个测试轴承的自然损坏条件的试验台。
其中一个挑战就是在缺陷发展的早期阶段要促进和加深天然的裂缝特征。
要实现这个,要挑选一个推力球轴承和推力滚子轴承的组合。
如图1所示,一个种推力球轴承(SKF51210)被同等截面积的源自于推力滚子轴承的同等轴承座圈所替代。
因此,相对于槽轨道来说,这样的安排会导致在平坦的轨道更高的接触压力,这是由于球元素之间接触面积的减少。
下列程序旨在确定试验轴承的地下应力,从而估计周期的时间或数量,跟踪表面疲劳。
图1轴承超速试验图
应用于本程序的理论,尤其是用于同等轴承座圈,包括赫兹理论来确定表面压力和变形,托马斯和Hoersh理论确定地下应力,伦德伯格和Palmgren理论评价疲劳值。
正如BS5512所描述的,对于单向深槽来说,标准的过程被用来确定动态负载评级。
最后,限定压力的预期寿命被单向深槽和同等轴承座圈计算。
一个试验台的布局在图2中呈现出来。
它包含一个液压加载装置,一个齿轮减速电机,一个耦合和支撑结构。
在固定推力加载轴和覆盖单向深槽的旋转圆盘中间放置测试轴承。
同等轴承座圈是安装到在加载轴上在一个专门设计的轴承盖上。
轴承盖建造造成能直接把AE传感器放在座圈上。
推力轴是由一个液压缸驱动,它往前移动是加载轴承,往后移动能够定期检查测试轴承面。
旋转圆盘通过轴连接在一个72r.p.m齿轮减速电机上驱动。
一个推力轴承放置在耦合和测试轴承之间来和轴向载荷反应。
一个灵活的耦合用在轴和齿轮减速电动机之间。
图2测试钻井平台布局
原理图的数据采集过程在图3中有详细说明。
AE采集系统采用一个操作频率范围在200-750千赫,温度范围在65到177°C的商用压电传感器。
四个声学传感器使用超强力胶水连接到后面的测试轴承,参见图1。
声学传感器通过设定在40分贝增益的前置放大器连接到一个数据采集系统,参见图3.该系统设置成时间间隔2MHz的情况下采样率持续接收AE发射波形同时AE绝对能量(焦耳)记录在一个10ms的时间常数和100赫兹采样速率。
绝对的能量是检验真正能源的尺度而且来源于电压信号平方的积分除以参考电阻(10k欧姆)过程中AE信号。
所有来自于传感器的的AE数据总是在持续时间为1500ls的AE事件得到同步(同一实例)和运算。
图3数据采集系统原理图
轴承试验
四个实验案例被呈现了出来,他们反映出超过12个实验测试的总体观点。
用通过两种不同的方法来确定适用性的AE技术来检测裂缝在低速轴承的延伸。
第一种方法是在测试轴承上分别加载20KN、35KN、50KN的载荷加速其裂纹剥落的产生。
第二种方法是让缺少润滑的测试轴承在50KN的载荷下运行。
特别说明,在测试中轴承采用嘉实钼润滑脂(650-EL)润滑。
图4轴承测试结果:
运行失败
在第一个小时的测试中,观察监测三个负载条件下的AE能量的连续变化,平均AE能量的变化,见图4。
因于磨合期阶段,这段时间后(约1小时),测量的AE能量保持相对恒定。
根据观察大约在终止前几个小时所有的测试AE能量平均值开始上升;6.5-h50KN测试,6小时35KN试验和5小时20KN测试。
同时,它是指出在最后阶段的轴承寿命,AE能量水平高更高的负载条件。
一个示例的AE波形在的开始和结束测试如图5和6。
有趣的是,关于受损的轴承的AE波形,显示水平便会爆发相关AE更高的测试负载,例如图6的50KN和35KN。
进一步的说,轴承的缺陷频率是9赫兹。
在测试期间确保一致的润滑剂粘度情况下,测量温度的方法可行。
这个的意义是为了确保摩擦性能的润滑剂轴承元素之间的相对恒定。
值得说明的是,磨合期(0—1小时)轴承温度稳定在35°C以及测试临近结束时轴承的温度达到最大值将近40°C,见图7。
图5轴承测试早期的AE波形图(不同垂直比例)
图6轴承测试末期的AE波形图(不同垂直比例)
图7试车时期的AE波形图
这些测试清楚地说明疲劳磨损,如剥落,对于同样的座圈根据负载条件几天之内可以发生。
应该指出的是,由于可能夹杂物在钢材料位于座圈的最高负荷区。
理论估算的滚动接触疲劳是已知的受可变性或散射相比实验结果。
值得注意的是实际的测试周期导致座圈的损伤速度远远超过了理论计算。
这种变化是随机的,但总是早于预期;参见表1。
偏差和不平衡的问题不纳入理论寿命的估计中,而且无法避免这些问题。
表1轴承座圈的预期寿命和实验寿命表
AE源位置
实时下载资料使得源位置信号的确定是AE提供的一个主要优势,超越其他非破坏性测试(无损检测)技术。
用信号传播速度的知识,可以识别AE发射源的位置。
对于这个调查,一个52的分贝阈值与AE传感器之间的已知距离,AE波形的速度在这种情况下是通过实验确定为4000ms)1AE记录的主导频率的内容大约300千赫。
4000ms)1的波速度的对应对称零的兰姆波模式(所以)对钢在1.8毫米MHz(0.3兆赫兹·6毫米厚度)。
这个速度是用于所有源位置的调查,和发作之前的测试,几个Hsu-Nielsen来源是不同位置上制作的在表面上建立这个速度的精度和特定的阈值水平。
结果在Hsu-Nielsen来源的精确的几何位置的4%以内。
在图9中呈现了源位置布局的应用,基本上是“打开”中轴承线性位置的方式。
只有那些在52分贝阈值以上的的AE事件贡献于源位置。
当阈值被超过时,源位置才被计算和确认。
更进一步,AE能量被分配到几何位置(源);在测试阶段一个固定的来源会把最大能量贡献给源位置绘图。
在测试的持续周期中,源位置绘图的观察在图10—13呈现,在这段时期试验轴承是由一个35kN轴向载荷的加载。
这些数据表明,在实验的初期,如图10显示,AE活动分布在围绕着轴承的圆周长度。
这并不足为奇,因为在磨合过程伴随相当程度的AE事件。
如图11所示,在13小时操作中,同样的散射标注出来。
图8案例中破损轴承示意图
图9线性检测波源位置示意图
图101小时AE波能量分布示意图
图1113小时AE波能量分布示意图
在14小时操作中,特定的几何AE来源标注在表面损害最终被发现的位置。
在16-20h的操作后,AE源的集中点显然位于两个突出显示的区域。
在源位置绘图中观察到的大型AE能量集群,直接和实际损害有关,详见图12,图13。
图1213小时AE波能量分布示意图
图1320小时AE波能量分布示意图
这指出一个广泛分散的声源能在1—13个小时的操作中观察得到,详见图10,图11,但是在14小时的操作中,AE的浓度被限制在的特定的几何位置上。
在实验的最后,这些区域符合疵点缩在的具体位置。
作者假设起于13到14小时操作的裂缝就基于这些证据。
轴状态监测
试验台布局和试验装置
图14中展示的实验测试平台用来调查轴故障和AE相关特征。
轴是由电子齿轮传动马达驱动的。
两个锥形轴承被用来支持轴,放置在它的末端。
一个悬垂推力轴承被用来定位液压负载轴到轴。
为了加速裂纹萌生和增长,需要设计一个长为235.5毫米和直径35mm的v形切口轴。
一个径向载荷通过液压系统的端部轴承应用到轴上。
轴的设计程序见附录B。
测试平台的转速一直保持在72r.p.m.由于齿轮减速电动机的附加轴,需要一个灵活的耦合来吸收任何摆动。
在AE测量中,把AE传感器尽可能的放在距离源近的地方是极为重要的。
这样,AE传感器被放置在轴上。
这样安排后,一个滑环可以用来连接旋转传感器与数据采集系统。
在这个研究中,作者提出了一个使用一个专门设计的充油缸的替代方法。
这类似于一个水动力轴承,但在这种情况下,气缸是完全装满油,详见图14.一个平面要在封闭气缸的外边缘上进行加工来获得AE传感器的位置。
一个在缸头两边橡胶密封用以确保无渗漏,因此,这样在轴和油浴没有可能导致AE噪声产生的机械接触。
这个封闭的循环浴允许转轴和石油之间的直接接触。
图14测试钻井平台布局
AE采集系统使用两个运行范围在200-750千赫,温度在65到177°C之间的物理声学公司的WD传感器。
AE传感器使用超强力胶水连接到悬垂轴承和充油缸上,详见图14。
声学传感通过一个设定在40dB的前置放大器连接到一个数据采集系统。
该系统设置为可以持续接收AE绝对能量(焦耳),记录为时间常数为10ms,采样速率为100赫兹的。
此外,AE的波形以2MHz的采样率定期获取。
轴要一直进行测验直到完全骨折,先于那些在视觉上可观察到的裂纹。
轴材料属性,压力范围和裂纹尺寸控制裂纹扩展速率。
影响裂缝增长速度的一个关键因素就是裂纹尖端处的应力。
应该指出的是,低应力水平,裂纹萌生占据了断裂之前的大部分时间,虽然高应力水平倾向于支持更短的起始时间但需要更长的裂纹扩展时间。
在轴材料的特性、转速和对齐的精准性正常的负载情况下,由于高应力集中在该区域,,附近的切口就会引起裂缝,需要设计出轴在横截面积急剧变化。
计算出既定的压力水平的预期寿命,结果清楚表明了根据负载条件疲劳可以在几小时内确定。
为了这个特殊的论文,两个实验实例呈现出来,它们反映了和负载4kN和8kN有关的其他实验的大致观察。
实例1是一个8kN的负载条件,而第二种情况提出了4kN的测试负载结果。
轴测试
案例1(8KN)
连续观察轴运行130分钟的AE变化,见图15。
在测试的开始阶段,AE值持续上升,大约80分钟后AE值突然快速上升,从90分钟直到测试结束AE活动继续逐渐增加,见图15。
AE能量水平的增加从早期的测试条件的可观察到的伤害开始大约34900%。
图15轴测试结果:
运行失败
还指出在AE波形是出现了瞬时AE波幅随着测试进行增长的情况,结束时的测试(120分钟)时,最终发生非常高的瞬态和连续AE活动,见图16。
一个非常有趣的观察对声发射波形(120分钟)显示部分的连续型声发射活动,通常关联着摩擦交配的组件。
视觉检查断裂表面显示有沿圆周的轴产生的疲劳裂纹。
此外,在轴旋转的过程中破碎的表面被摩擦,见图17。
图168KN主轴测试的AE波形(注:
不同垂直比例)
图17案例1和案例2观察到的磨损程度
案例2
在测试的最后(513分钟),疲劳失效发生在v型缺口的地方,详见图17.AE能量的相对增长在操作的95分钟和130分钟之间显示出。
根据作者而言,裂纹的萌生是导致这样的确切原因。
在运行的130分钟左右,AE水平降低到之前AE活动增长的程度,详见图15.据观察,大约在实验的430分钟,AE在水平上有一个显著增长,尽管在本质上是瞬态的。
在430分钟的运行中,AE水平保持持续增长知道最后断裂。
在断裂之前,能清楚的观察到裂缝的开闭,最后的断裂发生在513分钟之前。
更早的关于裂缝开闭的负载型的设想将会引起裂纹面的摩擦。
有趣的是,AE波形的观察,在抽取的2兆兹的样本中显示了其作为函数的变化特征,如图18所示。
这些波形在50分钟、100分钟、150分钟和500分钟的状况记录到实验里。
需指出的是,在运行100分钟出现的AE波形显示了相对较高的瞬态特性,这减少了增长之前所看到的的水平。
在运行50分钟到150分钟处的AE波形在程度上和电子噪声水平相等。
有趣的是,在运行500分钟处的波形显示了在连续型声发射方面较高的AE瞬变脉冲叠加。
图184KN主轴测试的AE波形(注:
不同垂直比例)
为了根据间距确定信号的强度和通过轴承套管的测量,评估监测破解轴的可行性,AE传感器的的测量要在所有的实验中同时进行。
槽道1(充油的汽缸槽道)的AE数据测试结果和槽道2(悬垂滚动轴承槽道)的AE测试结果相比较。
由于轴承滚子的摩擦,槽道2的AE测量的背景噪音明显比槽道1的多,详见图15。
槽道1的工位比槽道2的工位有一个很大的优势,是因为槽道1可以在测试的最后产生一个AE排放水平稳步增加的明确示值.
案例1和案例2中的AE观察中有许多不同点。
首先,在案例2中的负载量是案例1中的负载量的一半。
裂纹的萌生导致了相对较早的AE活动(95-130分钟)。
由于裂纹产生后迅速传播,AE将已经生成但并不在起始阶段记录的同等强度和能量水平上,这是非常合理的。
这样的AE观察在130分钟和450分钟之间是相对较低的水平,直到裂纹扩展加速最终的断裂。
在案例2中,裂缝在v型缺口边缘开始(进入测试后95分钟),最终导致快速的上升到AE轴的失效(456-570分钟)。
在萌生和最后裂纹扩展之间的持续时间大约为320分钟。
在案例1中,需要运用一个相对更高的负载,这里没有一个明确定义的区域,来鉴定裂纹的萌生,并把它和AE活动相联系。
这是由于在萌生和加速裂纹扩展中的时间远远少于低负荷中的时间,这解释了案例1中标注的AE的观察。
作者还假定如图16和图18中显示的高AE瞬态波(高频组件)和轴上裂纹的快速扩展有关,同时连续性的波形归于裂纹面的剪切和摩擦,详见图16(100分钟)和图17(500分钟)。
和持续发射相比,这个活动是由瞬态破裂的相对更高的频率加筋,这由破碎面的摩擦导致,在120分钟出的AE波形要做成一个谱图,如图16所示。
如图19中呈现的谱图,可以能明显的看出,大的瞬态AE点包含高达600千兹的频率,同时持续性的AE包含100到150千兹的频率。
有人可能认为,连续发射包含高于150千兹的频率,但在些特定的测试中没有强调。
图19案例1的光谱图结果(图15中高招两区域的波形,运行120分钟处)
结论
综上所述,这项研究表明,这项研究表明AE技术可以适用于轴承和轴裂纹萌生和扩展的检测上。
它也表明,本次研究通过使用一个线性源定位技术,一个轴承的存在的缺陷及其后续变化可以通过AE技术监测和定位。
这个调查结果表明,测量轴承和轴操作无法同时实现本文中描述。
对于轴承和轴制造商来说,该方法的识别出现裂纹扩展可以使用作为一个质量控制工具,尤其是对材料均匀性的检测。
参考文献
1、沃尔特,d.p.(1997)彼得森的应力集中因素,第二版。
约翰•威利父子公司,美国纽约。
2、彼得,r.n.(1998)蔡尔兹,机械设计。
安东尼罗有限公司,英国伊斯特本。
3、约瑟夫·E·E和查尔斯,R.M.(1989).机械工程设计,第五版。
麦格劳-希尔图书有限公司,新加坡。
4、Palmgren·A(1959)球和滚子轴承工程,第三版。
5、哈里斯,T·A.(2001)滚动轴承分析,第四版。
约翰•威利父子公司,美国纽约。
6、吉冈,T.(1992)检测的滚动接触疲劳裂纹地下使用声发射技术。
Lubr。
英格。
现年49岁,303-308。
7、FDISISO(国际标准化组织文档)(2007)22096;状态监测和诊断的机器-声发射。
8、Rao,R.B.K.N.andMba,D.(2006)开发的声发射技术对状态监测和诊断旋转机械:
轴承、水泵、变速箱、发动机、旋转结构。
9、Al-Ghamd,A.M.andMba,D.(2006)比较试验研究使用声发射和振动分析轴承缺陷识别和估计的缺陷尺寸。
机械系统信号流程,20岁,1537-1571。
10、Miettinen,J.andPataniitty,P.(1999)声发射监测极其缓慢旋转的滚动轴承。
COMADEM学报99。
Coxmoor出版社,牛津,289-297。
11、Price,E.D.,Lees,A.W.andFriswell,M.I.(2005)检测严重滑动和点蚀疲劳磨损政权通过使用宽带声发射。
12、用声发射技术检测低转速轴中自然裂纹的萌生和生长(2009)Eng.Fail.Anal.,16,2121–2129.
13、应用声发射来播种齿轮故障检测Toutountzakis,T.,Tan,C.K.andMba,D.(2005)NDT&EInt.,38,27–36.
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