卓越制造，就是以極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要?，F(xiàn)代制造企業(yè)是在準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)的環(huán)境的下運(yùn)營(yíng)，無(wú)疑肩負(fù)巨大的壓力，而始終保證設(shè)備的最優(yōu)表現(xiàn)是重要的支撐，因?yàn)橐坏┰O(shè)備出現(xiàn)故障，危害將會(huì)在方方面面。

作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵零件，軸承是狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的重要監(jiān)測(cè)對(duì)象，始終保障其穩(wěn)定可靠運(yùn)行是預(yù)測(cè)性維護(hù)工作的重要內(nèi)容。就目前而言，軸承故障的主要形式是由于接觸疲勞造成的滾道或滾動(dòng)體表面材料破裂，形成表面缺陷。在軸承疲勞損傷發(fā)展的早期階段，即在材料疲勞剝落形成凹坑之前，軸承的振動(dòng)信號(hào)非常微弱，與來(lái)自機(jī)械設(shè)備其它部件的振動(dòng)信號(hào)混在一起，加之噪聲的干擾，往往不易清晰地判別出故障。而利用聲發(fā)射技術(shù)將有可能檢測(cè)到疲勞損傷造成的裂紋擴(kuò)展，從而對(duì)滾動(dòng)軸承故障的早期預(yù)報(bào)和診斷具有很大的優(yōu)勢(shì)。

全波形采集聲發(fā)射信號(hào)

聲發(fā)射是對(duì)材料或結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要方法。聲發(fā)射逐漸從早期的參數(shù)采集發(fā)展到目前的全波形采集，聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。由于聲發(fā)射信號(hào)的頻譜較寬，從數(shù)千Hz到數(shù)兆Hz，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，還要進(jìn)行濾波、參數(shù)特征提取等處理，因此對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備有較高的要求。

目前，具有全波形采集功能的專(zhuān)用聲發(fā)射儀價(jià)格高昂，不利于聲發(fā)射研究中起步階段工作的開(kāi)展。而以凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀的高速、高精度采樣能力為硬件基礎(chǔ)，使用LabVIEW開(kāi)發(fā)的聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)，同樣可實(shí)時(shí)完成聲發(fā)射信號(hào)采集、存儲(chǔ)、振鈴特征參數(shù)提取等功能，為實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展聲發(fā)射研究提供了一種切實(shí)可行的解決方法。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是聲發(fā)射測(cè)試硬件的核心。由于聲發(fā)射信號(hào)的頻率能夠達(dá)到數(shù)兆Hz，為了對(duì)聲發(fā)射的波形進(jìn)行準(zhǔn)確的采集，往往要求采集器的采樣率能夠達(dá)到20MS/s甚至更高。同時(shí)，由于聲發(fā)射信號(hào)較為微弱，原始的聲發(fā)射信號(hào)一般處于μV范圍，即使經(jīng)過(guò)前置放大后也只有若干mV，并且信號(hào)波形幅度變化范圍較大，因此對(duì)采集設(shè)備的采樣精度和動(dòng)態(tài)范圍也有較高的要求。

使用凌華科技的高速數(shù)字化儀PCI-9846來(lái)進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)的采集，其主要參數(shù)與目前使用較為廣泛的美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)的PCI-2采集卡的主要性能對(duì)比見(jiàn)表1，除部分專(zhuān)有功能缺乏外，完全能夠達(dá)到聲發(fā)射全波形采集的要求。

聲發(fā)射信號(hào)采集的實(shí)現(xiàn)

凌華科技為 PCI-9846提供了LabVIEW驅(qū)動(dòng)。安裝DAQPilot驅(qū)動(dòng)程序后，在LabVIEW的函數(shù)庫(kù)中可以找到DAQPilot工具包，其中提供了數(shù)據(jù)采集的控制函數(shù)，其功能與調(diào)用方法與NI的DAQmax對(duì)應(yīng)，使用非常方便。例如，由下圖中的四個(gè)函數(shù)：PLT Create Virtual Channel、PLT Timing、PLT Read以及PLT Clear Task就構(gòu)成了完整的連續(xù)數(shù)據(jù)采集功能。另外，DAQPilot中還提供了模擬和數(shù)字信號(hào)的輸入、輸出等各種功能的LabVIEW范例程序，方便開(kāi)發(fā)者快速上手。

圖1 PCI-9846 連續(xù)數(shù)據(jù)采集程序

本文開(kāi)發(fā)的聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)中信號(hào)采集模塊基于圖1中的采集程序。用戶(hù)設(shè)置輸入通道、前置放大器增益、濾波等參數(shù)后，啟動(dòng)連續(xù)數(shù)據(jù)采集。原始信號(hào)經(jīng)過(guò)放大倍數(shù)還原后，再進(jìn)行數(shù)字濾波處理，以去除噪聲及不需要的頻帶，濾波后的連續(xù)信號(hào)可以二進(jìn)制或文本形式存盤(pán)。圖2是在運(yùn)行中的軸承上采集到的聲發(fā)射信號(hào)，采樣參數(shù)為2MS/s，濾波器為四階Butterworth低通濾波，截止頻率50KHz。

圖2 連續(xù)采集的聲發(fā)射信號(hào)

聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)分析

經(jīng)過(guò)濾波后的連續(xù)采集信號(hào)送入一個(gè)幅值檢測(cè)器，根據(jù)設(shè)定的幅度閾值和時(shí)間長(zhǎng)度，從連續(xù)信號(hào)中截取出突發(fā)性聲發(fā)射的波形數(shù)據(jù)(圖3為滾動(dòng)體表面缺陷的軸承在運(yùn)行中產(chǎn)生的突發(fā)性聲發(fā)射波形)，再對(duì)每個(gè)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行振鈴計(jì)數(shù)、幅度、頻率、能量、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等特征參數(shù)計(jì)算，并存入一個(gè)聲發(fā)射特征參數(shù)表格中，供直接查看以及進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析。檢測(cè)出的聲發(fā)射波形數(shù)據(jù)可以文本文件的形式存盤(pán)。波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和連續(xù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能是獨(dú)立的，即兩者可以同時(shí)存儲(chǔ)，也可以只保存一種。

實(shí)際上PCI-9846高速數(shù)字化儀提供了豐富的觸發(fā)采集模式，包括邊沿、窗口、參考等模擬觸發(fā)方式，非常適合進(jìn)行聲發(fā)射波形的硬件觸發(fā)采集，從而省掉軟件提取算法，減少計(jì)算量。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)信號(hào)容易受到環(huán)境中電磁等因素的干擾，需要在檢測(cè)波形前進(jìn)行濾波處理，而PCI-9846不具有可編程濾波功能。在后續(xù)的系統(tǒng)改進(jìn)中可以在采集卡的前端添加一個(gè)濾波模塊，從而充分利用其硬件觸發(fā)能力，提供系統(tǒng)性能。

圖3 軸承中突發(fā)性聲發(fā)射信號(hào)波形

有效性的驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)該聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)功能的有效性，在QPZZ-Ⅱ旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)及故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)滾動(dòng)體故障的軸承進(jìn)行了聲發(fā)射與振動(dòng)信號(hào)的對(duì)比測(cè)試。故障軸承型號(hào)為NU205，節(jié)圓直徑39mm，滾動(dòng)體直徑7.5mm，滾動(dòng)體數(shù)目12，接觸角0º。通過(guò)線切割在滾動(dòng)體表面加工出一微小縫隙來(lái)模擬表面材料疲勞剝落造成的缺陷。轉(zhuǎn)速為570 r/min，即轉(zhuǎn)頻為9.5 Hz。計(jì)算可得滾動(dòng)體通過(guò)頻率為18.3 Hz。

圖4軸承故障聲發(fā)射與振動(dòng)信號(hào)對(duì)比

在軸承座上與軸心對(duì)應(yīng)的垂直位置安裝傳感器。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由加速度傳感器、NI USB9234動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器組成，振動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行分析。在保證轉(zhuǎn)速不變的情況下，在加速度傳感器的安裝位置安裝聲發(fā)射傳感器，使用本文的聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中進(jìn)行分析。圖4中給出了聲發(fā)射與振動(dòng)加速度信號(hào)的對(duì)比，從圖中可以看出，滾子表面缺陷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)信噪比遠(yuǎn)高于振動(dòng)加速度信號(hào)。圖5給出了兩種信號(hào)經(jīng)窄帶濾波后的包絡(luò)頻譜圖，可以看到，聲發(fā)射信號(hào)的包絡(luò)譜譜線結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，更容易找出故障的特征頻率。

圖5軸承故障聲發(fā)射與振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)譜對(duì)比

這一聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)綜合了PCI-9846性?xún)r(jià)比突出與LabVIEW簡(jiǎn)單易用的優(yōu)勢(shì)，具有成本低、開(kāi)發(fā)方便、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。利用該系統(tǒng)測(cè)試了含有滾動(dòng)體表面缺陷的軸承在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，并與傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試進(jìn)行了對(duì)比，聲發(fā)射信號(hào)具有更高的信噪比。不難看出，聲發(fā)射方法對(duì)于滾動(dòng)軸承故障的早期預(yù)報(bào)和診斷具有很大的潛力。