冲击脉冲技术探讨和应用

西马力内部技术通讯第一期冲击脉冲技术探讨和应用（北京西马力检测仪器有限公司胡立新）摘要：本文重点介绍了冲击脉冲信号如何产生的，针对高速和低速设备如何捕捉冲击脉冲信号，以及信号的处理过程，应用冲击脉冲如何诊断滚动轴承的故障。关键词：冲击脉冲SPM-HD信号处理滚动轴承故障频率故障分析1、概述昀早的“冲击脉冲方法”由来自瑞典的EivindSohoel在1969年取得专利，已在全球60多个国家众多领域成功应用40余年。以其简单实用及针对舰船上滚动轴承退化和润滑状况的优异监测能力而倍受亲睐。新的冲击脉冲技术是在原冲击脉冲技术所使用的同种物理学基础上研究出来一种全新的技术。简单的说：在所有的滚动轴承中，滚道和滚动体之间的接触面会产生冲击脉冲信号，捕捉此微弱和短暂的信号是关键，以及如何利用此信号诊断滚动轴承的故障。本文重点阐述冲击脉冲的产生的机理，以及如何测量、量化以及昀终如何解读他们。2冲击脉冲方法介绍2．1冲击脉冲信号的产生冲击脉冲是在刚性材料中传播的一种弹性波，是刚性物体之间（如钢）相互碰撞的结果。由于碰撞的原因，冲击点处的分子受到加速度作用，并通过靠近冲击点的分子传递至周围的分子中，直到形成一个波前（我们称为前导波）。若碰撞点上的材料足够坚硬且碰撞发生在极短的时间段内，则会生成非常强烈的波前，且该波在材料中以声速传播。如图1所示。图1：弹性波前的产生为点对点碰撞的结果。波前在钢中的传播速度通常为5000m/s，持续的时间一般为几微秒到几十微秒。我们可以通过“酒瓶演示”对其进行模拟，假设用手指甲敲击一个空的酒瓶，产生的冲击会非常短暂。由于酒瓶质地坚硬，而手指甲也相对坚硬，所以酒瓶上位于碰撞点的分子会受到巨大的加速度，转而影响到周边其他分子。该过程在酒瓶中产生一个弹性波，起点为冲击点随后扩散到整个酒瓶。该波前会碰到其他边界（空气），且被反射回来从而生成独具特征的音色。反过来说，若用手掌来打击瓶子，产生的冲击则更为柔和，不会生成弹性波，更大程度上是物体的运动而非弹性波。我们在时域和频域两种数学方法中来讨论探究弹性波。强脉冲一般在时域中持续上升和下降时间很短，在频域包含的频谱范围较宽，如图2（上）所示；反之，在时域中持续上升和下降时间较长，在频域包含的频谱范围较窄，包含较有限的高频能量，如图2（下）所示。通过对滚动轴承中各个接触面的研究，我们得知：弹性波一般产生自滚道和滚动体表面间的相互作用，包含的能量远大于40KHz。明白弹性波在刚性材料中的属性对于理解后续章节中即将描述的冲击脉冲传感器非常重要。时域中上升和下降持续时间短的强烈脉冲频域中包含很宽高能量的频率成分能量频率时间幅值傅里叶变换时域中上升和下降持续时间较长的轻微脉冲频域中包含较少高能量的频率成分幅值能量时间频率傅里叶变换图2上下：强烈脉冲与轻微冲击在时域和频域中的对比。我们通过对轴承滚动体和滚道间相互作用的研究，我们发现即使在状况非常良好的轴承中，每秒内也会产生上百次的冲击脉冲，这些冲击脉冲正是源自所有滚动轴承中极小的微米级的碰撞。在健康、润滑良好的轴承中，只有粗糙表面中昀高的凸起会产生接触（贯穿油膜），所以会产生相对来说比较低幅的冲击脉冲；而在润滑较差的轴承中，重复率和幅值都会增高。我们还发现滚道或滚动体有损坏的轴承会产生很高幅值的冲击脉冲，其重复率取决于轴承的几何参数和轴的转速。冲撞所产生的冲击脉冲的力量和碰撞物体间的相对速度有关。以滚动轴承为例，生成的冲击脉冲的幅值和滚动体的速度成正比。2.2小结冲击脉冲为传播于坚硬材料（如钢）中，具有非常急剧的上升和下降时间的弹性波，在整体材料中的传播速度为音速（一般为5000m/s）。冲击脉冲生成于相碰撞的两个物体的接触点，如滚动体撞击滚道上剥落处的尖锐边缘。冲击脉冲的频率组成范围非常宽，包含很多高频能量。而其他如设备不平衡所产生的比较轻微的机械波，并不属于冲击脉冲，且不含有高频能量。冲击脉冲的幅值与冲击瞬间的相对速度成正比。3冲加脉冲信号捕捉--冲击脉冲传感器的研制3.1冲击脉冲信号捕捉方法如前面冲击脉冲技术所述，上升和下降时间短的强烈脉冲在频率范围中包含的能量很高。在冲击脉冲实验中我们总结到，典型的“钢质球碰撞钢质棒“的测试中，远高于40KHz以上的频率组份很容易就能监测到。根据设计，冲击脉冲传感器以其32KHz的谐振峰值进行工作。也就是说，若冲击脉冲传感器接触到含有32KHz能量的机械信号时，则会以32KHz独特的“激振”方式予以响应。通过对典型的上升和下降持续时间较短的冲击脉冲信号的研究，我们发现其中包含很多不同的频率，我们特别关注到32KHz的频率组份。若将冲击脉冲传感器接触于某冲击脉冲，则其会很容易接收32KHz的频率，并以独特的“激振”方式响应。该“激振”反应被传递到压电陶瓷片中，并使我们能够对传感器内部的“激振”进行测量。如下图3所示。图3：冲击脉冲传感器的原理图和反应方式。图3冲击脉冲传感器内部结构当冲击脉冲信号波前（前导波）进入传感器内部，通过压电晶体，再传递到黄铜棒中，当波前到达黄铜棒末端时，被反射回来。经反射的波前在黄铜棒底部再次被反射，持续相对较短的一段时间，直到机械波衰减为零。这些反射在黄铜棒内部形成一个频率为32KHz的标准机械波。冲击脉冲传感器昀主要的一个属性是“激振”反应的衰减时间。当传感器被正在传播的冲击脉冲冲击时，其将以32KHz的频率开始共振。初次的振动幅值较高，其后的则逐渐降低。若传感器在第一次振动消失前又接收到另一个冲击脉冲的作用，那么第二组脉冲将叠加至第一组之中，产生不真实的幅值，这样会导致测试误判。所以至关重要的就是“激振作用”消失的时间越短越好。对于振动包络技术来说，其加速度传感器“激振”作用持续时间较长，要解决这个问题非常困难，在诊断界这是个非常棘手的问题。而冲击脉冲传感器的设计则充分考虑到这个因素。再次回到酒瓶模拟实验，当用指甲敲击酒瓶，会产生非常独特的声响，其频率和酒瓶的形状、材料以及是否装有液体有关。酒瓶的共振频率通常要比32KHz低很多（一般在1KHz以下），但是与冲击脉冲传感器的原理相似。使用手掌来打击酒瓶不会产生这样的声响，因为其不属于冲击脉冲。冲击脉冲传感器与振动传感器的昀大区别在于冲击脉冲传感器内部设置一个黄铜棒和一个带通滤波器。内部的黄铜棒具有自己的质量，其作用是确保能在32KHz附近共振，且紧压于接触低频振动并能产生电流信号的压电水晶上。直接测量水晶的话，还会测量到由不平衡所产生的低频信号和“激振”作用的组合信号。如何消除低频信号的影响，需将带通滤波器和冲击脉冲传感器搭配使用。该TMU（传感器匹配单元）和仪器上的接口组合行形成一个带通滤波器，能非常有效地消除不需要的低频信号。这也是为什么不可能将冲击脉冲传感器和振动接口组合使用的原因。冲击脉冲传感器和冲击脉冲接口组成一个整体工作组件。黄铜棒的结构共振和带通滤波器的组合可以总结为一句话，即：冲击脉冲传感器是以机械和电相协调的方式来监测弹性波的。所有冲击脉冲传感器都经过一致校准，在接触冲击脉冲时，能具有完全同等的性能，即幅值和衰减时间都是一致的，且所有传感器几乎完全相同。这也振动传感器做不到的主要原因，我们都知道每个振动传感器都有自己的灵敏度，需要单独设置。与使用标准振动传感器的振动包络技术比较，由于其技术是基于设备自身的结构共振频率，不同设备结构共振频率差异很大，所以当振动传感器接触冲击脉冲时，其性能表现特征非常不明显。32KHz的共振频率是个昀佳的折中办法，因为其大于由不平衡、不对中和齿轮啮合所产生的干扰性低频信号的频率，又也低于设备所产生的超声段频率信号。3.2小结冲击脉冲传感器包含黄铜棒和带通滤波器的设计，确保每个传感器都在32KHz发生共振。由于冲击脉冲包含很宽范围的频率信号，其中必然含有触发传感器振动的32KHz频率成分，这样冲加脉冲传感器在接触冲击脉冲时由于共振放大的作用，使得传感器反应很明显。所有冲击脉冲传感器都通过一致校准，性能方便几乎完全相同。例如，由不平衡状态产生的轻微信号不包含有高频组份，所以不会被冲击脉冲传感器接收。冲击脉冲传感器另一个很重要的性能是有效消除相邻两次冲击脉冲信号叠加相互影响。该性能同振动传感器所采用的包络技术相比，是一个非常明显的优势。4冲击脉冲振幅的量化和标准4.1冲击脉冲振幅的量化和标准如冲击脉冲介绍章节所述，冲击脉冲的幅值与碰撞物体的相对速度成正比。以滚动轴承为例：相对于滚道来说，滚动体的速度取决于其直径和轴的旋转速度。冲击脉冲的幅值和碰撞瞬间相互接触的两个物体的相对速度，这样一来在建立报警极限时会产生难题。例如，轴承轴转速的改变会严重影响冲击脉冲的幅值，使得使用固定报警极限变得困难或者不可用。解决该问题的一个办法是：在测量冲击脉冲的同时，对轴的转速进行测量，并使报警水平适应转速，以此来允许较高转速下较高的冲击脉冲水平；另外一个办法是：采用一个标准化因数，不管滚动体和滚道之间的相对速度如何，都能有效地对冲击脉冲幅值进行标准化。即就是，冲击脉冲的读数将以标准化的标度来表示。通过定义轴承直径和测量转速（或手动输入转速），可根据测量到的原始值为不同的直径和转速算出一个标准化因数，即dBi(或SPMHD方法中的HDi），我们成为冲击脉冲初始值。计算标准化因数的算法根据经验建立，且基于长时间、很多次的实验得出的结果。例如，一个状态良好的轴承，若其直径比较大、转速很高，则测量到的冲击脉冲幅值的高值会很正常。在这样的情况下，当滚动体碰到小的表面凸起物时，由于速度很高，产生的冲击脉冲则会很强，生成的标准化因数也会较高，当从高的测量结果中减出该值时，其差值则会很低，表示轴承处在健康状态。同振动包络技术相比，标准化因数具有显著优势；在不同的转速作用下，包络振动值会受到影响，而冲击脉冲值不管转速怎么改变，都能提供稳定的数值，这一些都归功于标准化处理过程。4.2小结为了获得完整且简便的方法来解释冲击脉冲的标度，我们通常使用标准化因数，即HDi。使用标准化标度能使得冲击脉冲力量得到完整诠释，以：绿、黄、红来直接评估工作状态。标准化因素和振动包络技术比较，具有非常明显的优势，例如，在那些数值很容易受到不同转速严重影响的时候。4.3冲击脉冲的量化方法以下部分为全新的SPMHD技术参量介绍。当从不同的方面来研究冲击脉冲时，可建立一些关于轴承运行状况的重要论据。昀高冲击值的重复率可用于解释冲击脉冲的来源。通过冲击脉冲频谱或冲击脉冲时间信号，可以精确地分析出冲击源是否来源于内滚道、外滚道或位于滚动体或保持架。同时，也可以确定其他冲击源，如齿轮啮合、液压发动机的交换频率等。如下表1所示。表一冲击脉冲中各种值的简写概览dBsv为未经标准化的“原始”冲击脉冲数值（“原始”冲击幅值受转速和轴承直径影响较大）HDi为用于对冲击幅值进行标准化的标准化因数。HDi值会随着转速（或轴的直径）的增大而增大，随其减小而减小。dBn标准化后使用的单位。想象当一位观察者处在HDi水平上来研究测量到的冲击脉冲，HDi线将会随着转速的变化上下移动，观察者也同样。通过标准化过程处理，相对于观察者来说，幅值不会因转速的变化而变化。完全标准化的标度被称作dBn（n=normalized=标准化的），其等级分别为：绿、黄、红，可用来直接评估轴承状况。HDm此为在标准化标度上所表示的测量过程中发现的昀高冲击脉冲，通常为表示轴承的损伤值。HDcHDc为阈值水平，在该水平上每秒有200个冲击显示在标准化标度上，一般用来表示轴承的润滑情况。举例说明：在下图4中，未经标准化的昀高测量冲击脉冲值为45dB，计算得到的HDi值为20dB（转速860，直径100mm）。经标准化后的HDm=25（45dB-20dB=25dB）。同理，对于图中的HDc值，原始的每秒200个冲击脉冲的阈值水平为32dB，HDi为20dB，生成的HDc值为12dB（32dB-20dB=12dB）。该例中经标准化的HDm值为25dB，表示有某种情况在影响轴承状态。图6：dBsv,HDi,dBn,HDm以及HDc说明对测量过程中所发现的可体现轴承潜在坏损的冲击脉冲的力