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《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2014年第十二期

1靜電傳感器基本原理及特點(diǎn)

根據(jù)工作原理的不同靜電傳感器分為電荷直接傳遞和感應(yīng)式兩種。本試驗(yàn)采用感應(yīng)式靜電傳感器，即磨損顆粒不與傳感器直接接觸，而將傳感器感應(yīng)面盡可能接近磨損區(qū)域，當(dāng)磨損過(guò)程中產(chǎn)生的各種電荷通過(guò)感應(yīng)探極區(qū)域時(shí)，將在探極上產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電量，感應(yīng)探極表面電子將重新分配，從而產(chǎn)生能夠被采集到的靜電信號(hào)。圖2為理想狀態(tài)下帶電顆粒經(jīng)過(guò)靜電傳感器時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷的原理示意圖[4]。圖3為本試驗(yàn)所采用靜電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖。靜電傳感器等效測(cè)量電路如圖4所示，其中R為測(cè)量回路的等效電阻，C為測(cè)量回路的等效電容，A為傳感器感應(yīng)面積，q為施感電荷，運(yùn)動(dòng)速度為v，探極與施感電荷運(yùn)動(dòng)路徑間的垂直距離為h。設(shè)t時(shí)刻，帶電顆粒在傳感器探極上的感應(yīng)電荷量為Qt，則t時(shí)刻靜電傳感器實(shí)際輸出信號(hào)，感應(yīng)電壓Ut與傳感器感應(yīng)電荷量Qt的關(guān)系為靜電傳感器有棒狀、點(diǎn)狀和圓環(huán)狀等形式。本試驗(yàn)傳感器采用棒狀形式，其主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，對(duì)于軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所引起的振動(dòng)具有較好的抗干擾能力，容易達(dá)到靜電屏蔽的效果，且價(jià)格便宜；（2）由于其為非接觸式，所以不會(huì)對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生任何影響，也不會(huì)給潤(rùn)滑油液帶來(lái)壓力損失；（3）靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，測(cè)量范圍大；（4）性能較穩(wěn)定，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。

2滾動(dòng)軸承加速疲勞壽命試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)儀器及設(shè)備本試驗(yàn)所用試驗(yàn)機(jī)為杭州軸承實(shí)驗(yàn)中心的ABLT-1A型軸承壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)包括加載系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、試驗(yàn)頭和試驗(yàn)頭座。該試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)是加載自動(dòng)穩(wěn)壓、試驗(yàn)軸承外圈溫度自動(dòng)顯示、試驗(yàn)時(shí)間自動(dòng)累計(jì)顯示、疲勞剝落自動(dòng)停機(jī)等。所安裝的傳感器的位置如下圖5所示，通過(guò)溫度、靜電、振動(dòng)傳感器，來(lái)分別采集信號(hào)，以便更加準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)軸承的狀態(tài)。本試驗(yàn)主要是對(duì)軸承進(jìn)行徑向加載，軸承節(jié)徑為D，滾動(dòng)體的直徑為d，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)為Z，接觸角為，軸承在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中外圈固定，內(nèi)圈隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承載荷分布及結(jié)構(gòu)如圖6所示。本試驗(yàn)中所用所有軸承均為單列深溝球軸承6207，其主要參數(shù)如下表1所示。

2.2試驗(yàn)方案及流程試驗(yàn)具體步驟如下：（1）對(duì)將進(jìn)行試驗(yàn)的軸承進(jìn)行清洗，保證軸承性能完好（2）按固定位置安裝好靜電傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器。（3）對(duì)編好號(hào)的軸承進(jìn)行安裝，開(kāi)始時(shí)在軸上同時(shí)安裝4個(gè)6207軸承。（4）依次調(diào)試各傳感器及采集設(shè)備，當(dāng)各項(xiàng)設(shè)備都調(diào)試完成時(shí)，準(zhǔn)備開(kāi)始試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。軸承與靜電傳感器相對(duì)位置示意圖如圖7所示。（5）將油液潤(rùn)滑系統(tǒng)打開(kāi)，不加載啟動(dòng)機(jī)器，運(yùn)轉(zhuǎn)1-2小時(shí)在額定動(dòng)載范圍內(nèi)逐步進(jìn)行徑向加載，打開(kāi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)始記錄各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。（6）定期檢查軸承試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行狀況，通過(guò)觀察靜電信號(hào)方均根值(Rootmeansquare，RMS)等參數(shù)判斷軸承運(yùn)轉(zhuǎn)情況。圖8所示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖。（7）當(dāng)4個(gè)軸承中一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，試驗(yàn)機(jī)將會(huì)自動(dòng)報(bào)警并停機(jī)。（8）拆卸下軸承并詳細(xì)檢查各軸承的狀況并加以記錄，同時(shí)將壞損的軸承進(jìn)行更換，換上新的軸承。（9）循環(huán)重復(fù)（3-8）的過(guò)程，直到軸承全部更替完結(jié)束，則一次試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)中采用油液澆注潤(rùn)滑方式，試驗(yàn)主要參數(shù)見(jiàn)表2

3軸承靜電信號(hào)特征提取及性能退化評(píng)估

3.1特征參數(shù)提取對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行性能退化評(píng)估之前，首先必須對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理，即特征提取。不同的特征參數(shù)對(duì)于軸承狀態(tài)的敏感程度也不同。考慮到靜電感應(yīng)信號(hào)的特殊性，主要采用時(shí)域特征參數(shù)提取方法。本文所采用時(shí)域特征提取參數(shù)主要有：方均根值、峰-峰值、峰值指標(biāo)、波形指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)和峭度指標(biāo)等。具體時(shí)域特征參數(shù)見(jiàn)表3。除了前兩項(xiàng)外其他項(xiàng)均為無(wú)量綱參數(shù)，可用于無(wú)量綱診斷。主要優(yōu)點(diǎn)在于可直接使用檢測(cè)信號(hào)而不需要進(jìn)行信號(hào)處理，無(wú)量綱參數(shù)受轉(zhuǎn)速或者軸承工況的影響較小，因此能較好地反應(yīng)軸承的工作狀態(tài)。

3.2基于靜電的滾動(dòng)軸承性能退化評(píng)估根據(jù)滾動(dòng)軸承的工作機(jī)理，其從正常工作狀態(tài)到早期故障包括輕微的點(diǎn)蝕、擊蝕以及摩擦腐蝕，再到產(chǎn)生裂紋、剝落等嚴(yán)重磨損階段直至最后由于嚴(yán)重變形和斷裂等最終完全失效的整個(gè)過(guò)程為軸承性能退化的過(guò)程。因此本試驗(yàn)利用靜電方法對(duì)軸承全壽命周期進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。在滾動(dòng)軸承靜電監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中，每1分鐘采集10000個(gè)靜電信號(hào)數(shù)據(jù)，利用以上公式計(jì)算各特征參數(shù)的值，對(duì)全壽命周期進(jìn)行研究。限于篇幅，選取具有代表性的一組滾動(dòng)軸承全壽命周期變化如圖9所示。本次壽命試驗(yàn)從機(jī)器開(kāi)始運(yùn)作（采集開(kāi)始）到采集結(jié)束總共持續(xù)時(shí)間為4509分鐘。從圖9中可以看出靜電信號(hào)RMS幅值基本在0~6mV直接波動(dòng)。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分析，可以明顯看出在全壽命周期試驗(yàn)過(guò)程中滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)可以分為四個(gè)階段，即早期磨合階段，平穩(wěn)階段，早期磨損階段，嚴(yán)重磨損階段。分布對(duì)應(yīng)圖10、圖11、圖12和圖13。這與軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際情況非常符合，也從側(cè)面說(shuō)明了信號(hào)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。在早期磨合階段，由于加工工藝和裝配工藝等的問(wèn)題，使軸承在剛開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生了比較大的摩擦磨損，因此靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)比平穩(wěn)階段要大一些。隨著早期磨合階段的結(jié)束，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)逐漸趨于平穩(wěn)，而靜電信號(hào)也相應(yīng)地趨于平穩(wěn)。本次試驗(yàn)中早期磨合階段大約在0~400分鐘，試驗(yàn)的大部分時(shí)間軸承都處于平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，時(shí)間大約在400~3000分鐘左右。當(dāng)軸承運(yùn)行到3200分鐘左右時(shí)，靜電信號(hào)明顯出現(xiàn)了一個(gè)尖峰，雖然此后略有下降又逐步增大，但根據(jù)靜電監(jiān)測(cè)原理可以判斷出此時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)比較嚴(yán)重的早期磨損，這也意味著故障從此刻開(kāi)始產(chǎn)生。當(dāng)軸承運(yùn)行到大約4013分鐘時(shí)靜電信號(hào)開(kāi)始急劇上升，直到4049分鐘時(shí)達(dá)到靜電RMS值達(dá)到最大值5.51mV，說(shuō)明此時(shí)軸承已經(jīng)到達(dá)嚴(yán)重磨損狀態(tài)，直到4056分鐘時(shí)軸承試驗(yàn)機(jī)因軸承故障而停機(jī)。在試驗(yàn)機(jī)停機(jī)后又采集了大約500分鐘止采集，從圖14可以看出，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)停止采集時(shí)，靜電信號(hào)穩(wěn)定在0.24mV左右，與正常采集的靜電信號(hào)相差10倍左右，屬于傳感器的背景噪聲，這也從另一個(gè)側(cè)面反映出該靜電傳感器的可靠性。RMS參數(shù)作為一個(gè)非常重要的機(jī)械設(shè)備檢測(cè)診斷參數(shù)，其計(jì)算值的大小常常能直接反映信號(hào)的能量情況，因此也被廣泛地應(yīng)用于各種信號(hào)的參數(shù)提取與分析中。本文針對(duì)靜電信號(hào)也采用了這一參數(shù)，試驗(yàn)證明效果非常明顯，因此也驗(yàn)證了RMS值也適用于滾動(dòng)軸承靜電信號(hào)。對(duì)于其他峰-峰值，波形指標(biāo)等參數(shù)經(jīng)過(guò)分析也有類似規(guī)律與退化趨勢(shì)，限于篇幅僅列出峰-峰值（如圖15所示），其他就不一一列出。另外，其他多組試驗(yàn)也證明了上述分析的正確性，限于篇幅僅給出其中一組全壽命試驗(yàn)信號(hào)時(shí)域圖像，如圖16所示。

3.3與振動(dòng)溫度信號(hào)對(duì)比驗(yàn)證振動(dòng)與溫度是軸承監(jiān)測(cè)的常用方法，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)十分成熟并被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。因此，考慮同一次試驗(yàn)下所采集的振動(dòng)與溫度信號(hào)與靜電信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析與驗(yàn)證。圖17所示為與前文分析的靜電信號(hào)同一組試驗(yàn)下同時(shí)采集得到并處理過(guò)的RMS值的時(shí)域信號(hào)圖。可以清楚看到振動(dòng)信號(hào)的RMS值在3200分鐘時(shí)突然增大，表示此時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)早期磨損，至4056分鐘時(shí)停止。這與上文針對(duì)靜電信號(hào)分析的結(jié)果完全一致，證明了靜電信號(hào)的正確性。同時(shí)可以看出振動(dòng)信號(hào)無(wú)法反應(yīng)早期磨合的過(guò)程，而靜電信號(hào)卻十分明顯，從這個(gè)角度上可以體現(xiàn)出靜電信號(hào)比振動(dòng)信號(hào)要更為優(yōu)越。圖18所示為同一組試驗(yàn)下同時(shí)采集得到的時(shí)域溫度信號(hào)，可以清楚看到早起磨合階段溫度不斷上升，直到400分鐘左右時(shí)開(kāi)始溫度趨于穩(wěn)定，這與靜電信號(hào)中反映的早起磨合階段相一致。在平穩(wěn)階段溫度基本保持不變甚至略有下降，直到最后失效。后期磨損過(guò)程基本不能體現(xiàn)，直到軸承失效停機(jī)溫度下降到常溫。由此對(duì)比可以看出靜電信號(hào)要遠(yuǎn)優(yōu)于溫度信號(hào)。

4結(jié)論

本文采用磨損區(qū)域靜電監(jiān)測(cè)的方法對(duì)滾動(dòng)軸承全壽命周期的性能退化進(jìn)行研究與分析，得出以下結(jié)論：（1）利用靜電原理自制了磨損區(qū)域靜電傳感器并成功安裝到滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)軸承磨損區(qū)域的靜電監(jiān)測(cè)。（2）通過(guò)對(duì)信號(hào)的采集和特征提取，獲得了滾動(dòng)軸承磨損區(qū)域的靜電信號(hào)，通過(guò)對(duì)全壽命周期的靜電信號(hào)分析，將滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)清晰的分成四個(gè)階段，并做了詳細(xì)了性能退化評(píng)估與分析。（3）與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法振動(dòng)和溫度進(jìn)行對(duì)比，不僅驗(yàn)證了靜電監(jiān)測(cè)方式的可行性和準(zhǔn)確性，同時(shí)還體現(xiàn)出了靜電監(jiān)測(cè)的優(yōu)越性。為以后靜電監(jiān)測(cè)方法在工程實(shí)踐中的真正應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)將進(jìn)一步利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)測(cè)得電量與磨損量間的量化曲線進(jìn)行重點(diǎn)研究。

作者：劉若晨左洪福張營(yíng)梁坤單位：南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院