預(yù)測性維護：從數(shù)據(jù)采集開始

卓越制造，就是以極具競爭力的價格生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，滿足市場的需要?，F(xiàn)代制造企業(yè)是在準(zhǔn)時生產(chǎn)的環(huán)境的下運營，無疑肩負(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，因為一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，危害將會在方方面面。

作為旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備中的關(guān)鍵零件，軸承是狀態(tài)監(jiān)測中的重要監(jiān)測對象，始終保障其穩(wěn)定可靠運行是預(yù)測性維護工作的重要內(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，軸承的振動信號非常微弱，與來自機械設(shè)備其它部件的振動信號混在一起，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)將有可能檢測到疲勞損傷造成的裂紋擴展，從而對滾動軸承故障的早期預(yù)報和診斷具有很大的優(yōu)勢。

全波形采集聲發(fā)射信號

聲發(fā)射是對材料或結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)測的重要方法。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)射信號的頻譜較寬，從數(shù)千Hz到數(shù)兆Hz，在進行數(shù)據(jù)采集的同時，還要進行濾波、參數(shù)特征提取等處理，因此對數(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用聲發(fā)射儀價格高昂，不利于聲發(fā)射研究中起步階段工作的開展。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開發(fā)的聲發(fā)射測試系統(tǒng)，同樣可實時完成聲發(fā)射信號采集、存儲、振鈴特征參數(shù)提取等功能，為實驗室中開展聲發(fā)射研究提供了一種切實可行的解決方法。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是聲發(fā)射測試硬件的核心。由于聲發(fā)射信號的頻率能夠達(dá)到數(shù)兆Hz，為了對聲發(fā)射的波形進行準(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，由于聲發(fā)射信號較為微弱，原始的聲發(fā)射信號一般處于μV范圍，即使經(jīng)過前置放大后也只有若干mV，并且信號波形幅度變化范圍較大，因此對采集設(shè)備的采樣精度和動態(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來進行聲發(fā)射信號的采集，其主要參數(shù)與目前使用較為廣泛的美國物理聲學(xué)公司(PAC)的PCI-2采集卡的主要性能對比見表1，除部分專有功能缺乏外，完全能夠達(dá)到聲發(fā)射全波形采集的要求。

聲發(fā)射信號采集的實現(xiàn)

凌華科技為 PCI-9846提供了LabVIEW驅(qū)動。安裝DAQPilot驅(qū)動程序后，在LabVIEW的函數(shù)庫中可以找到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對應(yīng)，使用非常方便。例如，由下圖中的四個函數(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)字信號的輸入、輸出等各種功能的LabVIEW范例程序，方便開發(fā)者快速上手。

圖1 PCI-9846 連續(xù)數(shù)據(jù)采集程序

本文開發(fā)的聲發(fā)射測試系統(tǒng)中信號采集模塊基于圖1中的采集程序。用戶設(shè)置輸入通道、前置放大器增益、濾波等參數(shù)后，啟動連續(xù)數(shù)據(jù)采集。原始信號經(jīng)過放大倍數(shù)還原后，再進行數(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)信號可以二進制或文本形式存盤。圖2是在運行中的軸承上采集到的聲發(fā)射信號，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

聲發(fā)射信號的參數(shù)分析

經(jīng)過濾波后的連續(xù)采集信號送入一個幅值檢測器，根據(jù)設(shè)定的幅度閾值和時間長度，從連續(xù)信號中截取出突發(fā)性聲發(fā)射的波形數(shù)據(jù)(圖3為滾動體表面缺陷的軸承在運行中產(chǎn)生的突發(fā)性聲發(fā)射波形)，再對每個波形數(shù)據(jù)進行振鈴計數(shù)、幅度、頻率、能量、上升時間、持續(xù)時間等特征參數(shù)計算，并存入一個聲發(fā)射特征參數(shù)表格中，供直接查看以及進一步的統(tǒng)計分析。檢測出的聲發(fā)射波形數(shù)據(jù)可以文本文件的形式存盤。波形數(shù)據(jù)的存儲和連續(xù)數(shù)據(jù)存儲的功能是獨立的，即兩者可以同時存儲，也可以只保存一種。

實際上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，減少計算量。在實驗測試過程中，發(fā)現(xiàn)信號容易受到環(huán)境中電磁等因素的干擾，需要在檢測波形前進行濾波處理，而PCI-9846不具有可編程濾波功能。在后續(xù)的系統(tǒng)改進中可以在采集卡的前端添加一個濾波模塊，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)射信號波形

有效性的驗證

為了檢驗該聲發(fā)射測試系統(tǒng)功能的有效性，在QPZZ-Ⅱ旋轉(zhuǎn)機械振動及故障模擬實驗臺上，對滾動體故障的軸承進行了聲發(fā)射與振動信號的對比測試。故障軸承型號為NU205，節(jié)圓直徑39mm，滾動體直徑7.5mm，滾動體數(shù)目12，接觸角0º。通過線切割在滾動體表面加工出一微小縫隙來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。計算可得滾動體通過頻率為18.3 Hz。

圖4軸承故障聲發(fā)射與振動信號對比