基于小波分析的滚动轴承故障诊断.doc

滚动轴承电化学腐蚀的故障诊断前言滚动轴承的电化学腐蚀是滚动轴承损害的一项重要原因，本文探讨了滚动轴承的电化学腐蚀机理，影响电化学腐蚀的主要原因针对发生电化学腐蚀的滚动轴承，本文叙述了一种滚动轴承的故障诊断的方法，用小波变换的方法分析和处理轴承的振动信号，用来监测滚动轴承的性能状态，并诊断出滚动轴承的故障 关键词： 电化学腐蚀；小波变换；故障诊断 1 轴承的电化学腐蚀1.1 金属的电化学腐蚀过程金属与电介质相互作用而发生的腐蚀称为电化学腐蚀轴承金属零件在大气中的腐蚀主要是电化学腐蚀，电化学腐蚀的生成物一般不能在金属表面形成保护薄膜，因此，比化学腐蚀危害严重电化学反应过程分为阳极过程和阴极过程，阳极过程是金属以水化离子的形式进入电解液中，并把当量电子留在金属中; 阴极过程是某种去极化剂( H + ，O2) 吸收出现在金属中的剩余电子发生电化学腐蚀时，阳极区的金属原子发生离子化过程，转入水溶液介质中而成为金属离子() ，与水分子发生“水化作用”成为水化离子(·mH2O) ，同时把当量电子留在金属中; 阴极区发生阴极反应，溶解在水溶液中的氧原子获得电子而和水分子形成氢氧根离子即阳极反应: M→ + ne， + mH2O→·mH2O ;阴极反应: O2 + 2H2O + 4e→4OH－ ;腐蚀产物反应式: ·mH2O + nOH－→ ( OH)n·mH2O。

水化金属离子与氢氧根离子发生反应，生成金属的腐蚀产物分散在金属表面的水溶液内在中性或碱性溶液中，当金属腐蚀产物的浓度超过溶解度时才有可能沉积; 在酸性溶液中金属的腐蚀产物则不会发生沉积，因此腐蚀速度更快1.2 金属的电化学腐蚀机理1.2.1 金属的电极电位当均匀的纯金属插入电解液中时，金属与溶液的交界面即发生下列反应: 金属以金属离子进入溶液中并与水作用成为水化离子，与此同时，在金属内部留下当量电子使金属带负电在金属离子进入溶液中时，破坏了溶液的电中性而使溶液带正电金属中的负电吸引了溶液中的阳离子，使靠金属表面形成双电层，在金属与溶液界面上产生了一定的电位差，如图1 所示金属愈活泼，离子化倾向愈大，进入溶液中的金属离子就愈多，双电层电位差就愈大如果没有外界作用，这一过程很快就达到平衡，这时金属离子从金属上溶解于溶液中的速度和金属离图1 双电层示意图子沉积于金属表面的速度相等，即建立了物质的动态平衡与电荷平衡这种动态平衡建立时，金属表面( 双电层) 所形成的电位差称作该金属的平衡电极电位它不仅取决于所形成的双电层的性质，还与这种金属离子在溶液中的有效浓度有关金属的种类、状态、电解液性质都会影响金属的平衡电极电位值。

金属的电极电位值负值越大，表明金属转入介质中成为离子的趋势越大，金属受腐蚀的可能性就越大相反，电极电位值正值越大，表明金属离子化倾向越小，金属就更稳定，耐蚀性越强1.2.2 腐蚀原电池的作用上节讨论对象是均匀的纯金属在电解质溶液中的现象，现实的轴承用金属材料却是成分和组织不均匀的合金材料，在加工过程中产生了不同的应力，在与电解液接触时不可能达到金属离子电离与沉积的动态平衡，在金属表面发生的原电池反应是轴承锈蚀的主要原因金属的热力学不稳定性、离子化倾向不同和金属内部的不均匀性造成了金属的电化学不均匀性3个因素导致了轴承金属表面腐蚀原电池的形成，电化学腐蚀的发生有3个必要条件: 金属各部分存在着电极电位差; 有电极电位差的各部分金属被电导体连接; 具有电极电位差的各部分金属处在互相连通的电解液中电化学腐蚀过程由以下3个环节组成1) 阳极区发生氧化反应，金属不断变为离子，留下电子，发生腐蚀: M→ + ne ( 阳极表面) ; + mH2O→·mH2O( 阳极区附近溶液中)2) 释放出的电子从阳极流到阴极: ne 阳→ne 阴3) 在阴极区发生还原反应，即流出来的电子被吸收电子的物质吸收。

吸收电子的物质因电解液性质不同而不同在酸性溶液中: 2H + + 2e→H2↑，在中性或碱性溶液中:O2 + 2H2O + 2e =4OH －总的来说，电化学腐蚀过程由阳极反应、电子流动、阴极反应3个环节组成根据原电池的作用原理，在电解质的溶液中，任何两种电极电位不同的金属相连接都可以构成原电池，而使电极电位为负的金属成为阳极而被腐蚀由于轴承钢自身含有各种杂质和其他金属元素，以及钢材零件本身的物理性质和化学性质的不均匀性，当轴承在大气中吸附一层水膜的时候，就在轴承的表面形成了很多微小的原电池，造成轴承的腐蚀，如图2 所示图2 金属腐蚀过程示意图在阳极发生阳极反应: Fe→ + 2e( 氧化) ，在阴极发生阴极反应: 1/2O2 + H2O + 2e→2OH －( 还原) 随着腐蚀的进行，与OH － 又发生反应，生成Fe( OH) 2: + 2OH － = Fe( OH) 2，氢氧化亚铁又被溶解在水中的氧进一步氧化成为氢氧化铁: 4Fe( OH) 2 + O2 + 2H2O = 4Fe( OH)3一般大气中常见的铁锈，就是氢氧化铁、氢氧化亚铁的混合物，并且含有水分，可以表示为:mFe( OH) 2·nFe( OH)3·pH2O，其中m，n，p 的数值随条件的不同而有很大差异。

铁锈具有疏松结构，无法阻止水和气体进一步侵入，因此不能起保护作用，腐蚀将继续进行并且铁的溶解是在阳极进行的，阴极元素不溶解，因此铁锈是不均匀的轴承在大气中的锈蚀就属于此类1.3 影响轴承电化学腐蚀的主要原因轴承在大气中的腐蚀现象主要是由于金属与大气间所发生的电化学反应造成的，因此，影响金属生锈的因素包括金属本身和大气间的各种因素1 轴承金属材料本身的影响钢材化学成分差别很大，钢号种类很多，金属和非金属类夹杂物不同，耐蚀性有很大差别不锈钢耐蚀性最好，低合金钢次之，碳素钢最差2 大气的影响因素(1)空气中相对湿度的大小是金属腐蚀最重要的因素，因为它影响金属表面水膜的形成和保持的时间天气越潮湿，大气中相对湿度越高，金属生锈就越快; 当相对湿度增大到一定程度时，金属腐蚀的速度突然上升，这个相对湿度的数值称为临界相对湿度而临界相对湿度因金属的种类及其表面状态各有不同一般来说，钢铁生锈的临界相对湿度是75%2) 温度和相对湿度变化的影响温度和相对湿度变化是影响大气腐蚀的重要因素其影响着水的蒸发和凝聚、水膜中气体和盐类的溶解度、电化学反应的速度等一般来说，温度高，金属腐蚀加快，但是它与相对湿度的大小及其变化有很大的关系，在高温、高湿的条件下，金属最易生锈。

然而高温但相对湿度较低的情况，金属不易生锈3）氧气的影响空气中的氧气体积占1 /5，大气中吸附在金属表面的水膜很薄，氧容易渗透到金属表面，使氧的阴极去极化作用加速，腐蚀不断进行大气中其他因素的影响大气成分对腐蚀速度影响很大，当大气中含有二氧化硫(SO2) 、硫化氢(H2S) 、氯化钠盐分及灰尘等物质时，会加速腐蚀3 轴承生产加工过程中的锈蚀轴承零件加工过程复杂，周期长，造成腐蚀的因素很多. 在生产过程中，由于加工过程衔接不通畅，产品在车间停放时间过长而又不及时防锈; 操作人员随便在冷却水或清洗液中洗手、洗抹布等污物，造成冷却水和清洗液变质、失效等，引起轴承零件产生锈蚀2 滚动轴承故障特征分析2．1噪声诊断技术当滚动轴承出现局部损伤时，在受载运行过程中，轴承的其他零件会周期地撞击损伤点，产生的冲击力激励轴承座及其支撑结构，形成一系列由冲击激励产生的减幅振荡，减幅振荡体现在噪声中，发生的频率称为故障特征频率，它由轴的转速、轴承几何尺寸及损伤点位置(外圈、内圈、滚动体)确定，根据故障特征频率可以检测轴承是否出现故障并确定故障的位置噪声诊断技术是近几年兴起的新型诊断技术，是和振动法密切相关的噪声信号是轴承故障的载体，理论上可通过对轴承噪声信号的分析与处理诊断出轴承的所有类型的故障。

轴承外圈、内圈、滚动体或者保持架发生故障时，都会在轴承运行中产生噪声信号这种周期性的信号可由声音拾取设备来接收，通过对噪声信号的分析来诊断轴承的故障它的特点有：非接触测量；噪声诊断技术应用广泛；可实现监测；诊断快；设备简单等2．2噪声法测量的过程本文中以DSP芯片为核心的故障检测系统的硬件方框图如下：图3 滚动轴承故障诊断系统硬件结构图主要是利用传声器、声级计拾取滚动轴承工况信号，经DSP控制AD9042进行信号采样，A／D转换器接收拾取的模拟信号后，经过采样量化处理使之转变为数字信号，通过中断和直接存储器访问方式把转换后的数字信号值存入DSP的存储器中；DSP按一定的算法对信号处理后，如果轴承存在故障，则分析故障的类型、部位、产生原因等2．3数据采集系统的硬件介绍(1)声级计声级计是最基本、最常用的测量噪声的一种轻便携带式仪器可测量环境噪声、机器噪声、车辆噪声的声压级和计权声级如果把电容传声器换成加速度计，还可用来测量振动本课题采用适合微电机噪声测量的HS5660B型声级计,测量范围：22．135dB(A)：32．135dB(C)；40—135dB(线性)频率范围：10Hz．135KHz。

2)传声器传声器是声音采集的一个重要组成部分，依靠电容的充放电来实现声音信号到电信号的转变在综合考虑了性能、价格和服务等因素后，课题选用了HSl4417A型测试电容传声器，它的主要性能指标如下：极化电压：110V灵敏度级：-26dB灵敏度修正值K:-1dB平均温度系数：灵敏度变化≤0.02dB／100mmHg等效容积：10mm2极化电容量：16PF(典型值)动态范围：20Db(A)～140dB由于传声器的容性结构，其输出阻抗很大，不能直接与A／D转换器相连接，在传声器后面必须加入一个前置放大器前置放大器起到一个阻抗变换的作用 (3)AD9042AD9042是一种高速，高性能，低功耗的模数转换器，带有跟踪／保持放大器和基准电源只需+5V电源即能工作，最大采样频率达41MHZ，而且为满足带宽要求，AD9042设计保证在20MHZ带宽上具有80dB的无失真动态范围AD的采样频率由C6701DSP片内控制寄存器(0x3380000)控制采样后的数据存储到IDT7024双口RAM中，容量为4K*32bit需要注意的是AD9042容易受开关电源的辐射，所以选用线性电源，而且模拟+5V电源的变化不超过5％。

2．4轴承的故障信号频率如果保持架产生破损，将造成与其他轴承元件的持续的、没有规律的摩擦，产生的振动是非周期性的，因此不存在明显的特征谱轴承的某个元件的表面出现裂纹时，滚过相邻元件表面时，会产生瞬间的振动由于轴承元件的运动是周期性的，所以振动也是周期性的，其频率可根据运动学的规律计算出来不同轴承元件表面缺陷因其转动的半径与圆心不同，产生周期性振动的频率也就各不同，它们都是轴承转动频率的函数当轴承元件出现故障时，包络信号频率可以通过下面的计算确定设轴承中滚子的个数为Z，滚子的直径为d，轴承内圈和外圈的平均直径(即滚子公转轨迹的直径)为D，轴承转动的频率为五，假定内圈固定而外圈旋转(由于运动是相对的，也可以反过来假设)那么由此可以按下述方法推导出不同轴承元件表面缺陷产生的振动频率1)轴承外圈任意一点的线速度为π(D+d)f0；(2)轴承内圈任意一点的线速度为0；(3)滚子运动的线速度为1/2[π(D+d) f0]；(4)滚子运动的角速度为；(5)当外圈转动一周，滚子相对于内圈转动周，而外圈相对于滚子转动周；(6)如果内圈有故障，那么在外圈转动一周期间，有z(1+d／D)／2个滚子与这故障位置相接触；(7)如果外圈有故障，在外圈转动。