应力波传感器在风机轴承裂纹监测上的应用

现代化生产对设备的依赖程度越来越高，实现设备安全、可靠、高效、低耗的运行是产品质量、生产安全和环境保护的重要保证。因此，加强对现代设备的管理具有 重大意义。设备检修方式可以分为故障检修、预防性检修和预知性维修３类。

故障检修是在设备故障后进行的被动检修，已经造成停产损失甚至生产事故，且由于缺乏设备运行历史数据，使维修具有盲目和不准确性。

预防性检修是按规定周期进行的检修方式，是目前避免障碍和事故的主要手段，但可能在设备还处于良好状态时停机检修，造成维护过度和资源浪费。

从设备管理的发展趋势看，采用设备状态监测与故障诊断技术作为重要手段的预知性维修已成必然。其主要目的是降低保障费用，提高设备安全性、可靠性，以较少的维修投入，实现基于状态的维修。随着的仪器测量与分析技术、物联网、云计算、 数据挖掘、人工智能等科学技术的发展，仪器系统的数字化、自动化、集成化和网络化水平不断提升，近年来设备 状态监测和故障诊断技术的有效性和可靠性不断提高， 获得了广泛工程应用，在现代企业设备健康管理和预知 维修中起到越来越重要的作用。状态监测与故障诊断一般采用基于振动的测量与分析，油液分析、红外热像、超声探伤以及温度、压力析等 多种技术。其中，利用各种振动传感器和分析仪器获得 振动信号来获取机械设备的运行状态并进行故障诊断由于具有方便性、在线性和无损性等特点，成为目前比较常 用的方法。但是，在对低速旋转设备诊断时，故障特征频率被设备的共振和背景噪声所覆盖，传统的振动方法检测不到 设备的工作频率，而且低速旋转设备有组件失效时对振 动信号也影响不大。目前对应力波理论的研究主要集中在土木建筑和交通施工领域对材料和结构的应用，虽然近年来也 有少量文献表明有研究齿轮中应力波传播机理的成果， 但只限于测试技术探讨及把结果用于算法验证，真正将应力波检测和分析研究成果应用于工业设备状态监控和故障预测的还几乎是空白。本文研究了一种基于应力波分析的状态监控与故障预测技术，它实时测量运行设备摩擦、冲击和动态载荷的 电子信号，这种高频声波传感技术滤除了振动和可听噪声的背景，通过时域和频域特征提取软件，采用基于神经 网络的数据融合技术，可以对设备状态进行定量分析和故障预测，定期提供设备健康诊断分析报告，为企业建立预知性检维修体系。

应力波技术是受到材料在外载荷作用下产生声发射现象的启发而开展研究。其基本思想是，采用驱动器在复合材料表面激发应力波，与此同时，传感器在同一表面的其他一个或多个地方接收应力波信号，并对应力波信号进行分析，据此对结构中的损伤进行监测。结构内部的各种损伤会引起应力集中、裂纹进一步扩展，这一过程伴随着应力波的散射和能量的吸收。

应力波监测原理

应力波是指由失效组件之间的摩擦作用引起的表面波。金属间的摩擦和磨损引起的组件表面不规则变形和断裂都能够产生应力波，其频率范围在38kHz左右。测量使用的加速度传感器经过特殊处理后在32kHz至43kHz频带内的信号将被放大数十倍，经高精度采集仪采集后进行数据处理即可获得信息，从而进行故障诊断和趋势预测。

应力波技术特点

1、诊断轴承的早中期故障,延长预警时间。由于冲击信号能量低,尤其是轴承早中期故障时期的信号,常常被淹没在背景噪声中,采用普通振动传感器检测到当前冲击信号的难度非常大。本方案采用应力波传感器,通过硬件和软件的配合,保证传感器在38kHz频带附近灵敏。与最初的应力波信号相比,所获得的信号被放大了近100倍。针对接收到的应力波信号进行分析,可得到含有故障信息的信号的周期和相应的幅值，比照轴承的特征频率,即可确定故障源。

2、使用应力波传感器测试轴承时,不受其他振动信号的影响。轴承一旦有故障发生,就会产生冲击信号,激励起固有频率的振动,冲击脉冲过程如图2-1所示，振动响应过程如图2-2所示。一般情况下，轴承固有频率频率多在30kHz~40kHz之间。应力波传感器经过特殊的机械和电路方面的处理,使其在传感器的固有频率处发生共振,将低频振动信号滤除,只保留高频的信号,即只对高频的冲击信号有响应。因此,应用应力波传感器对轴承进行测试时,可不受其他振动信号的影响。

图2-1脉冲响应过程

图2-2振动响应过程

3、基于研究表明，基于应力波分析的低速故障诊断方法是一种比较有效的诊断低速滚动轴承故障的分析方法，由于进行多尺度分析和提取特征频率时剔除了其它信号和噪声的干扰，从而进一步提高了信噪比

4、应力波技术基于超声波技术，可以检测到故障早期的轻微损伤迹象。而此时温度或振动信号幅度尚小，因此采用温度检测或者振动检测技术还不能检测到。

5、对应力波数据进行分析可以获得设备趋势化参数，使运行人员了解设备损伤程度和恶化速度，预知故障将造成停机的时间。

6、应力波技术不仅可以检测设备故障，还可以确定此故障是否与生产流程有关，以及是否受操作过程影响。因此还可以为优质高效的生产控制流程提供有效的设备运行基础数据，为优化生产作业提供数据支持。

应力波技术发展前景

对于低速重载变桨轴承的故障诊断与监测，暂无有效便捷的技术。应力波技术在轧钢机等重型机械上已有有效应用，应用此技术对风机变桨轴承进行监测，为风机健康监测开辟了一条新的道路。对后续大型风机尤其是海上风机的故障预测、维修维护计划制定提供数据支持。逐步积累监测数据对后续大数据分析，加快智慧风机的发展有巨大推动作用。

kaiyun开云官网 应力波传感器产品

370A应力波传感器产品是一款测量高频应力波的IEPE加速度传感器, 其特点是采用环形剪切模式的陶瓷晶体为敏感元件，具有长期保持输出稳定的特性。此应力波传感器的内部电路是在IEPE的两线制系统上同时提供恒流源激励和传输低阻抗电压输出信号，信号地内部屏蔽，并与外壳隔离；同时信号放大电路设计考虑了极性反向保护。外壳采用激光焊接工艺以保 证产品的密封性；输出连接头采用标准的MIL-C-5015玻璃绝缘连接器以满足不同环境下使用时输出的稳定性；370A应力波传感器通过1/4-28螺纹孔实现与被测对象的牢固连接和安装。370A应力波传感器的主要特性在于高频响应(>10KHz)，通过放大谐振点的振动信号捕捉机械设备磨损产生的应力波信号，因此适合应用于齿轮箱和轴承的早期磨损监测。

特点：

• 高频响应 • 坚固耐用 • 高灵敏度 • 金属焊接密封 • 外壳隔离 • ESD防护 • 极性反向防护

• EMI/RFI屏蔽 • 高分辨性

应用：

• 设备监控 • 设备应力波检测 • 失效分析 • 耐磨试验