大型轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械碰摩故障分析的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)

摘　要　汽輪發(fā)電機(jī)、空氣壓縮機(jī)等采用油膜支撐的大型轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，由于安裝或運(yùn)行中的原因，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，可能和器壁發(fā)生輕微的摩擦和碰擊，簡(jiǎn)稱碰摩.聲發(fā)射技術(shù)在碰摩發(fā)生特別是故障早期診斷上有優(yōu)越性.本系統(tǒng)的特點(diǎn)是沒(méi)有沿用傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)、幅度、能量和持續(xù)時(shí)間等聲發(fā)射特性參數(shù)，而是在聲發(fā)射包絡(luò)信號(hào)的頻率分析中進(jìn)行特征提取.聲發(fā)射發(fā)生的過(guò)程分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)都表明這種方法對(duì)碰摩檢測(cè)很敏感，在碰摩發(fā)生的起始階段，包絡(luò)譜中與轉(zhuǎn)速同步的周期性分量顯著增加.根據(jù)這種新的設(shè)計(jì)思想自行研制了BUAA碰摩聲發(fā)射檢測(cè)儀并對(duì)此作了介紹.
　　關(guān)鍵詞　聲發(fā)射檢測(cè)裝置；故障診斷；轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；碰摩
　　分類號(hào)　TP 206.3
　　
　　汽輪發(fā)電機(jī)、空氣壓縮機(jī)等用油膜支撐的大型轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，由于各種安裝或運(yùn)行中的因素，在轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，可能和器壁發(fā)生輕微的摩擦和碰擊，稱為碰摩.這種故障，用常規(guī)的振動(dòng)檢測(cè)方法效果不理想，特別是難以發(fā)現(xiàn)早期故障，而作為一種新的無(wú)損檢測(cè)手段，聲發(fā)射技術(shù)AE(Acoustic Emission)卻顯示了它的優(yōu)越性.聲發(fā)射是指材料或構(gòu)件內(nèi)部的局部區(qū)域，在外界(應(yīng)力、溫度等)影響下，伴隨能量快速釋放而產(chǎn)生的瞬態(tài)應(yīng)力波現(xiàn)象[1,2].當(dāng)碰摩發(fā)生時(shí)，常伴有較強(qiáng)的聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，只要能解決好信號(hào)的識(shí)別和特征提取，就可以充分利用AE技術(shù)靈敏、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、便于故障定位等優(yōu)點(diǎn)[1,2]來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子碰摩的早期故障診斷.根據(jù)以上分析，我們研制成功了BUAA碰摩聲發(fā)射檢測(cè)儀.經(jīng)過(guò)多次的模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)方案做了反復(fù)的修改和完善，取得了比較理想的結(jié)果.

1　測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)概述
　　BUAA碰摩聲發(fā)射檢測(cè)儀具有以下特點(diǎn)：
　　1) 在聲發(fā)射檢測(cè)中，傳感器和前置放大器具有特殊的重要性.因?yàn)樗鼈兊男阅軟Q定了整個(gè)AE檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比、動(dòng)態(tài)范圍和信息量[3].在AE檢測(cè)中，除特殊對(duì)象以外，主要工作頻帶在100 kHz～1 MHz.本系統(tǒng)采用的AE傳感器和前置放大器都是我們自行研制的[4,5].傳感器有兩種：一種是寬帶的，在50 kHz～1 MHz頻段有平坦的響應(yīng))典型靈敏度曲線如圖1所示)，便于獲得更豐富的AE信息，但是靈敏度稍低；另一種是諧振式AE傳感器，利用諧振峰附近的高靈敏度(典型曲線如圖2所示)，可以顯著提高接收時(shí)的信噪比，但信息丟失也大.實(shí)驗(yàn)表明，兩種傳感器均能接收到碰摩產(chǎn)生的AE信號(hào)，但從波形分析考慮，寬帶傳感器效果更好一些.前置放大器則從兼顧噪聲(<4 μV)、帶寬(20 kHz～1.5 MHz)、輸入阻抗(1.5 MΩ并聯(lián)30 pf)和增益(40 db)等綜合性能的要求出發(fā)，沒(méi)有采用運(yùn)放電路，而用分立元件實(shí)現(xiàn).為了有效地抑制現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械噪聲和電氣干擾(特別是50 Hz的工頻干擾)，前放內(nèi)部還裝有高通濾波器. 它特別適于各種工業(yè)過(guò)程的連續(xù)監(jiān)控和診斷的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[7].
　　3) BUAA碰摩聲發(fā)射檢測(cè)儀除%A和B%兩路實(shí)際的AE信號(hào)接收和處理通道以外，還有一個(gè)用來(lái)提供外界參數(shù)的%C%通道.前者同時(shí)提供2路AE信號(hào)，還可以給出時(shí)差信息進(jìn)行AE源的線定位，從而確定碰摩發(fā)生的位置.%C通道用來(lái)輸入轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號(hào)或其他相關(guān)信號(hào).轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)在碰摩檢測(cè)中具有重要的作用，它為時(shí)域及頻域的分析提供了一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào).作為時(shí)域的基準(zhǔn)，可用于對(duì)A、B%通道進(jìn)行嚴(yán)格的同步周期采樣，避免或減少信號(hào)Fourier變換(FFT)時(shí)因非周期截?cái)嘣斐傻恼`差，轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)FFT后還為%A、B信號(hào)的頻域分析提供了基波和各次諧波的頻率基準(zhǔn)，以便用于碰摩信號(hào)的頻域識(shí)別.還要指出的是，由C通道引入的轉(zhuǎn)速信號(hào)為系統(tǒng)采用相關(guān)技術(shù)獲得信號(hào)增強(qiáng)和噪聲抑制提供了方便.一般認(rèn)為，%AE%信號(hào)的發(fā)生具有隨機(jī)性，但在特定條件下也可能成為準(zhǔn)周期性的相關(guān)信號(hào).在碰摩發(fā)生的初??，信號(hào)的包絡(luò)相對(duì)于轉(zhuǎn)速信號(hào)有確定的相位關(guān)系，因此可以把轉(zhuǎn)速信號(hào)作為參考信號(hào)，對(duì)采集的包絡(luò)在時(shí)域作量化迭加，結(jié)果是有用信號(hào)相互加強(qiáng)，而噪聲則因彼此不相關(guān)，而趨于抵消.經(jīng)m次平均后，獲得的信噪比改善是m[8].

2　儀器的軟硬件組成
　　系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示.A、B通道的主放及信號(hào)處理框圖如圖4所示.主放增益60 %db，可由衰減器對(duì)增益作調(diào)整.信號(hào)經(jīng)包絡(luò)檢波、低通濾波及幅度調(diào)整后進(jìn)入AD板.在主放板上還設(shè)有增益報(bào)警電路，其目的是為了獲得正確的增益選擇，使AD轉(zhuǎn)換有*佳的動(dòng)態(tài)范圍.

AD板由單片機(jī)控制[9]，來(lái)自%A、B、C% 3個(gè)通道的信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)定的目標(biāo).現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)也取得了一些結(jié)果，尚需進(jìn)一步積累數(shù)據(jù).
　　下面給出一組模擬實(shí)驗(yàn)的典型結(jié)果.圖6和圖7分別是系統(tǒng)采集到的碰摩發(fā)生前后聲發(fā)射信號(hào)包絡(luò)的時(shí)域和頻域波形圖.從圖上可以看出，碰摩發(fā)生時(shí)，包絡(luò)信號(hào)中與轉(zhuǎn)速同步的基頻信號(hào)特征明顯，此外還有若干倍頻成分，這可能與碰摩AE信號(hào)的尖脈沖形狀有關(guān).

　　2) 主機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有采用常見(jiàn)的多通道AE檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的表征參數(shù)(事件、振鈴、門檻計(jì)數(shù)等)[2,6],而采用了新的物理思想和專用系統(tǒng).通過(guò)對(duì)碰摩過(guò)程的分析研究，我們認(rèn)為在碰摩發(fā)生的初期，轉(zhuǎn)子和器壁只是在某個(gè)局部區(qū)域發(fā)生接觸，碰摩激發(fā)出的AE信號(hào)是被低頻的周期性轉(zhuǎn)速信號(hào)(現(xiàn)場(chǎng)大多是50 Hz)調(diào)制的，因此可以拾取AE信號(hào)的包絡(luò)作為檢測(cè)的基本參數(shù).模擬實(shí)驗(yàn)也表明：AE信號(hào)的包絡(luò)是碰摩發(fā)生的敏感參數(shù)，有無(wú)碰摩發(fā)生，所接收到的信號(hào)變化顯著；發(fā)生碰摩時(shí)，包絡(luò)信號(hào)中與轉(zhuǎn)速同頻的基波(有時(shí)還有它的高次諧波)成分明顯增加.這樣做給系統(tǒng)研制帶來(lái)了一系列的優(yōu)點(diǎn)，不僅提高了故障診斷靈敏度和準(zhǔn)確性，而且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了研制成本.AE包絡(luò)不僅保留了碰摩過(guò)程的主要信息，而且可以有效地抑制隨機(jī)噪聲的干擾.例如，大的尖峰脈沖是一般AE系統(tǒng)不易對(duì)付的噪聲之一，它對(duì)振鈴計(jì)數(shù)的影響很大，而且很難通過(guò)提高門檻電平來(lái)加以消除，但包絡(luò)信號(hào)特別是它的基頻分量卻對(duì)此不敏感.另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，碰摩發(fā)生時(shí)的包絡(luò)和AE信號(hào)相比屬低頻信號(hào)，它的后續(xù)處理和AD轉(zhuǎn)換都要比對(duì)AE信號(hào)本身的處理容易得多.另外，類似的專用系統(tǒng)的研制也是當(dāng)前AE技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域，后作AD轉(zhuǎn)換，多通道采樣用開(kāi)關(guān)切換分時(shí)進(jìn)行.由于AD是在包絡(luò)檢波后進(jìn)行的，變換的只是3路低頻信號(hào)，因此盡管每通道的*高采樣率隨通道數(shù)的增加而降低，卻并不影響工作性能.
　　采樣后的數(shù)字信號(hào)暫存在AD板上，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量為4×32 k字節(jié).采樣結(jié)束后通過(guò)接口將板上RAM中的數(shù)據(jù)傳入主機(jī).
　　檢測(cè)系統(tǒng)的軟件包括3部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)采樣，微機(jī)前處理和后處理程序.單片機(jī)采樣程序(圖5)用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，內(nèi)容為接收主機(jī)指令；報(bào)告主機(jī)主放板是否有報(bào)警信號(hào)；如信號(hào)幅度無(wú)溢出則根據(jù)主機(jī)傳來(lái)的采樣頻率、通道組合、采樣長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行采樣，并將數(shù)據(jù)暫存在RAM中；采樣結(jié)束，將RAM中內(nèi)容通過(guò)接口傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)存.這部分程序固化在EPROM中.
　　微機(jī)的前處理軟件包括采樣通道、頻率、長(zhǎng)度的選擇，采樣數(shù)據(jù)的快速Fourier變換(FFT)，圖形顯示，屏幕打印數(shù)據(jù)(采樣和頻譜)，存儲(chǔ)或讀出數(shù)據(jù)(采樣和頻譜)，并提供二次開(kāi)發(fā)(微機(jī)后處理軟件)的接口.為方便使用和維護(hù)，該部分程序采用多重下拉式菜單式結(jié)構(gòu)，大部分參數(shù)可由用戶通過(guò)菜單選項(xiàng)加以選擇.
　　微機(jī)的后處理軟件包括時(shí)差定位，時(shí)域數(shù)據(jù)的迭加平均，故障分析和模式識(shí)別以及由用戶二次開(kāi)發(fā)的其它程序.

3　實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果
　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試包括實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)兩部分.模擬實(shí)驗(yàn)是在油膜支撐的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承上進(jìn)行的，模擬源采用鋁質(zhì)觸頭和轉(zhuǎn)軸的輕微擦碰，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)則在某發(fā)電廠機(jī)組維修時(shí)進(jìn)行.模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好，系統(tǒng)工作正常，達(dá)到了