評論振動和聲音測量法於檢測滾動軸承之損壞

1. 評論振動和聲音測量法於檢測滾動軸承之損壞

2. 大綱 • 簡介 • 軸承產生的振動和噪音 • 由局部損壞造成的振動響應 • 由分布損壞造成的振動響應 • 聲發射響應檢測軸承損壞 • 噪聲響應檢測軸承損壞 • 結論

3. 1.簡介 • 用於檢測和診斷軸承損壞的各種方法，大致可分為振動和聲音測量，溫度測量和磨屑分析。其中，振動測量是最廣泛被使用的。若干技術已應用於從損壞的軸承中測量振動和聲音的響應。例如，時域和頻域的振動量測，衝擊脈衝法，聲壓，聲強度技術，聲發射方法。

4. 2.軸承產生的振動和噪音 • 軸承產生振動和噪音的原因是由於軸承的損壞。 • 軸承損壞多半分為分布損壞或局部損壞。

5. 分布式損壞 • 分布式損壞包括表面粗糙度、波紋、未重合的環以及不符合尺寸的滾子。 • 分布式損壞可能是由於製造過程出錯、安裝不當或磨損。滾子和滾道間變化的接觸力，由於振動增強導致分布的損壞。因此，品質檢查以及狀態監測相當重要。

6. 局部式損壞 • 局部式損壞包括在滾子上的裂縫，凹陷和碎片。 • 主要的原因是滾動軸承中環或滾子的剝落，導致疲勞裂紋開始於表面下的金屬並且向表面的傳遞，直到表面的一塊金屬破損後留下一小坑或剝落。 • 疲勞的原因可能是超載或在軸承運轉中出現衝擊負荷。 • 每當局部的損壞發生時，突然變化的接觸應力在接觸面產生持續時間極短的脈衝。可監測這個脈衝產生的振動和噪音，以發現軸承的損壞。

7. 3.由局部損壞造成的振動響應 • 有兩種方法設計軸承局部的損壞以研究它們的振動響應。 • 其一是運轉軸承，直到損壞發生並且監測變化的振動響應。通常使損壞較快發生的方法是使軸承超載、超速或潤滑油過少。 • 另一種方法是特意製造軸承損壞的技術，如酸腐蝕，放電加工，劃傷或機械壓痕，測量其振動響應，並與好的軸承比較。 • 若干技術已應用測量和分析振動響應於局部的損壞。這些技術是不完全獨立;在許多情況下，它們是相輔相成為另外一種方法。

8. 3.1時域法 • 這種方法可較簡單的測量全部的根均方根（RMS）和波峰因數。例如，使用峰值跟均方根值的比。該方法已應用於成果有限的局部損壞。 • 局部損壞可由衝擊滾子與損壞在時域透過顯示振動訊號的示波器或繪製圖表記錄和觀察週期尖峰。 • 在時域的帶通濾波技術，由衝擊負荷引起結構共振刺激高頻區，例如環或滾子的剝落使用傳感器檢測找到其共振頻率後調整濾波範圍。

9. 峰度 • 對於一個沒有損壞的軸承高斯分布的峰度值接近3，值大於3判斷即將發生損壞。但必須沒有先前的損壞紀錄 • 峰度值的缺點涉及到完好軸承的等級（即3）。峰度檢測軸承損壞的效果，在某些情況下，無法有效地檢測初期損壞。 • 峰度並沒有成為一個用在工業上軸承狀態監測的主流方法。

10. 衝擊脈衝法 • 它採用了壓電式的換能器，基礎共振頻率為32KHz。 • 衝擊脈衝在共振頻率所造成的影響，開始於在換能器中軸承阻尼的振盪。 • 測量暫態阻尼的最高值，顯示滾動軸承的狀況。 • 低頻振動的機器，所產生滾動軸承以外的訊號，使用電子方法過濾。 • 衝擊脈衝儀器使用簡單，半熟練的人員也可以操作。

11. 3.2頻域法 • 頻域或頻譜分析振動訊號也許是最常用的檢測軸承損壞方法。使用快速傅立葉轉換（FFT）分析，獲得窄頻帶更容易且有效。 • 損壞在滾動軸承產生極短時間的脈衝，這些脈衝的自然頻率刺激軸承和軸承箱，在高頻的時候增加振動能量。 • 可用理論計算出每個軸承的共振頻率。

12. 軸承的特性：隨著軸承的損壞，軸承的旋轉頻率會增加振動能量。軸承的特性：隨著軸承的損壞，軸承的旋轉頻率會增加振動能量。 • 這些損壞頻率的特性，可以計算出運轉時所需注意的地方，如軸承的形狀和轉速。 • 對軸承的固定外環，這些頻率表示如下：

13. 支架頻率: • 球旋轉頻率: • 外環損壞頻率: • 內環損壞頻率: • 滾子損壞頻率:

14. 從這些旋轉頻率，可檢測出軸承損壞。 • 損壞在內環或滾子上，頻譜出現側頻與元件的損壞特徵頻率有關。 • 內環損壞的典型頻譜如圖1。側頻與時間變化有關，出現在損壞的相對位置。

16. 為了改善訊雜比，做更有效的頻譜分析，將訊號分解成週期和基於平均技術的處理方法。為了改善訊雜比，做更有效的頻譜分析，將訊號分解成週期和基於平均技術的處理方法。 • 包絡線檢測或高頻解調分析（HFRT）是重要的訊號處理技術，它有助於鑑別軸承損壞。 • 每當損壞敲擊元件，產生持續時間短的脈衝，它在與特徵頻率有關的損壞位置刺激共振週期。共振在損壞特徵頻率中被調幅。透過解調其中一個共振，可用訊號重新得到軸承狀態。

17. 帶通濾波訊號，由包絡檢測器解調的訊號，經由低通濾波消除不需要的共振頻率。頻譜的包絡訊號在低頻範圍中可獲得軸承的損壞特徵頻率。帶通濾波訊號，由包絡檢測器解調的訊號，經由低通濾波消除不需要的共振頻率。頻譜的包絡訊號在低頻範圍中可獲得軸承的損壞特徵頻率。 • 使用高頻解調分析取出解調頻譜如圖2。

19. 頻譜頻率包絡檢測正規化，可更靈敏地檢測損壞頻率。在這種技術的限制是，如果有先前的損壞，損壞頻率可能被不斷上升的頻譜蓋過。 • 如果使用小波轉換法，它可從非常微弱的訊號中擷取出所需訊號，而FFT是無法做到的。小波轉換提供了可變分辨率，相對於FFT更適合時間頻率的分析。

20. 3.3接近傳感器技術 • 傳感器從滾子下方直接感測外環位移。因此軸承箱多餘的震動可減少或消除且訊雜比得到改善。但是安裝這些探針較困難，因為不僅包括鑽孔和敲擊軸承座，微調探針和外環間的空隙。 • 此技術可以監測振動的狀況，灰塵和熱膨脹。這種監測技術俗稱REBAM（滾動軸承動作監控）

21. 3.4自動診斷系統 • 以上所討論的技術需要人去解釋分析出結果。但是從現代儀器自動化系統收集到的數據量多半是龐大的，簡潔且可靠評估的機械狀況是有必要的。 • 此技術採用短時間訊號處理，從軸承振動擷取有用的特徵，使用模式分類檢測和損壞診斷。使用雙譜分析振動於檢測損壞特徵頻率及其諧波。

22. 神經網絡的模型 • 該系統組成一個時間序列模型參數，為每個分類的軸承損壞做檢測。 • 模型的好處是診斷可採用極短的數據長度，適合應用在慢速和變速機械。 • 然而主要的缺點是，該模型不能處理非常大的數據外，還進行損壞分類。 • 為了克服這一缺點，可在頻域加入神經網路的振動數據以及損壞特徵頻率用於損壞的分類。

23. 4.由分布損壞造成的振動響應 • 如前所述，表面不規則損壞分布，包括像粗糙度，波紋或不符合尺寸的滾子。 • 振動響應主要在頻域研究這些損壞。對振動產生的表面粗糙度或較短波長的特點進行了研究，發現到粗糙破損發生在潤滑膜和接觸面的反面。然而較長的波長特性（波紋）或不同的滾子直徑對振動程度有顯著的影響。

24. 5. 聲發射響應檢測軸承損壞 • 聲發射（AE）是短暫彈性波所引起的現象，因快速的釋放應變能，造成堅固物質結構受到機械或熱應力而改變。產生且傳遞裂縫，成對增長等與塑性變形，這些都是聲發射的主要數據。

25. 它是一個狀態監測的重要工具，透過非破壞性的測試。聲發射儀器包括一個傳感器，前置放大器和訊號處理單元。它具有非常高的自然頻率，具有共振式反應。在頻寬中的聲發射訊號也能控制，在前置放大器使用合適的濾波器。最常用的聲發射測量參數：振盪次數、測量結果和峰值幅度 。 • 典型的聲發射訊號如圖3。

27. 振盪次數：在給定時間內振幅次數超過預設電壓等級（門檻值）。振盪次數：在給定時間內振幅次數超過預設電壓等級（門檻值）。 • 測量結果：由振盪次數和瞬態波組成。 • 聲發射監測相較於振動監測的優點：前者可以監測表面下裂縫的增長，後者只能檢測到出現在表面的損壞。

28. 6.噪聲響應檢測軸承損壞 • 噪聲的測量一般是兩種模式：聲壓和聲音強度。 • 聲壓測量用來檢測損壞的軸向負載球軸承。在不規則表面的作用下，產生滾動接觸的噪音使用聲壓測量進行研究。

29. 聲強度是指時間平均後聲音能量流通過的單位面積的。聲強度是指時間平均後聲音能量流通過的單位面積的。 • 不同於聲壓，這是一個向量的數，並且以兩個麥克風強度探查出方向特性。 • 聲強度在頻域可從交互頻譜的虛部獲得，交互頻譜間的訊號從兩個接近的麥克風產生。 • 使用雙麥克風探針測量強度，交互頻譜的虛部可用雙通道FFT的分析儀獲得。 • 研究顯示聲強度測量的效果比聲壓測量有效。

30. 7.結論 • 從評論研究振動和聲學測量技術來檢測損壞的滾動軸承中可以看出，振動測量法較廣為使用。 • 振動在時域，可用於測量的參數，如總均方根大小，波峰因數，機率密度和峰度。

31. 振動測量在頻域的優點在於它可以檢測損壞的位置。但振動頻譜可能不行直接從損壞軸承顯示出初始階段的損壞。振動測量在頻域的優點在於它可以檢測損壞的位置。但振動頻譜可能不行直接從損壞軸承顯示出初始階段的損壞。 • 因此高頻解調分析用於訊號處理的過程的結果良好，並可用在解調頻譜。但該方法有一個缺點，軸承先前的損壞用這種方法難以檢測。 • 近年來，小波轉換法用在擷取非常微弱的訊號，而FFT無法使用。

32. 聲音強度軸承診斷的技術比起聲壓測量更來得好。聲音強度軸承診斷的技術比起聲壓測量更來得好。 • 聲發射測量也已成功用於檢測滾動軸承的損壞。它優於振動測量並且可以檢測到損壞出現在表面之前。 • 近年來注意的焦點還是集中在自動解釋數據的軸承診斷。 • 模式識別技術和神經網絡從時域和頻域做振動測量並取得數據，用於檢測滾動軸承的損壞。