李樹豪, 文振華*, 趙小飛, 郭 霄, 方鵬亞, 李 勇

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 航空工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 材料學(xué)院，河南 鄭州 450046)

隨著科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)步和制造業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域中的應(yīng)用愈發(fā)重要，其數(shù)量也在迅速增加；而隨著機(jī)械設(shè)備向多樣化、智能化方向發(fā)展，其復(fù)雜程度也在日益增加。機(jī)械設(shè)備的運行情況直接決定了行業(yè)的發(fā)展，可以說機(jī)械設(shè)備的安全、高效運行對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。對機(jī)械設(shè)備運行狀態(tài)及其健康程度的精準(zhǔn)監(jiān)控是實施合理維修策略的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，而狀態(tài)的準(zhǔn)確把握則需要依賴于可靠的監(jiān)測技術(shù)和完善的評估方法。因此，機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測是實現(xiàn)其健康管理的必要技術(shù)手段[1-4]。

潤滑系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)備的重要組成部分，潤滑油在降低摩擦磨損、延長各系統(tǒng)及其元件的使用壽命等方面扮演了關(guān)鍵角色，其性能會隨著設(shè)備運行狀態(tài)而變化，同時潤滑油品質(zhì)的優(yōu)劣程度也決定了機(jī)械設(shè)備運行的可靠性和安全性[1-3]。一方面，潤滑油潤滑性能的衰退或者泄露等將會直接導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障；另一方面，機(jī)械設(shè)備在正常工作時，由于自身零部件的摩擦磨損導(dǎo)致機(jī)械零部件表面材料的脫落而產(chǎn)生磨粒，并隨著油液在潤滑系統(tǒng)中循環(huán)流動，進(jìn)而改變了潤滑油的性能。潤滑油中攜帶了磨損過程產(chǎn)生的磨粒，且磨粒含有極其豐富的磨損過程信息，其數(shù)量、大小、形狀、顏色、形貌特征等能全面地反映出磨粒產(chǎn)生時機(jī)械設(shè)備的運行狀態(tài)和材料的磨損方式。相比于光學(xué)、振動、超聲等監(jiān)測技術(shù)在機(jī)械設(shè)備健康管理中的應(yīng)用，潤滑油監(jiān)測技術(shù)受外界環(huán)境的干擾相對較小，其監(jiān)測與診斷結(jié)論也更為可靠，能夠為及時制定維修維護(hù)決策提供有效依據(jù)。因而，油液監(jiān)測技術(shù)受到各國的高度重視[5-7]。

潤滑油監(jiān)測技術(shù)的核心是掌握潤滑油油液的理化性能、污染物和磨損產(chǎn)物的變化趨勢，采用油液的實時監(jiān)測信息及其綜合處理結(jié)果，迅速且準(zhǔn)確地找到機(jī)械系統(tǒng)的故障位置及其誘因，進(jìn)而及時、有序地采取合理措施以防止設(shè)備的性能迅速衰退或引起重大機(jī)械故障的發(fā)生，最終保障機(jī)械裝備的安全、高效運行。隨著電子信息水平的不斷提高，油液在線監(jiān)測傳感技術(shù)也在不斷發(fā)展，國內(nèi)外目前已經(jīng)采用介電常數(shù)、電磁感應(yīng)、靜電、光譜、超聲等技術(shù)原理成功研制了多種類型的油液在線檢測傳感器，為油液在線監(jiān)測技術(shù)提供了堅實的硬件基礎(chǔ)[4-5]。王文瑾等[8]研究了三線圈結(jié)構(gòu)電磁感應(yīng)傳感器在油液磨粒傳感器綜合測試平臺中的應(yīng)用，豐富了油液監(jiān)測技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)故障診斷及預(yù)測中的測試手段。Shi等[9]基于電容式傳感器和電感式傳感器開發(fā)了一種集成式油液磨粒監(jiān)測傳感器，可有效鑒別油液中的氣泡和金屬屑，并區(qū)分鐵磁性或非鐵磁性金屬屑。吳迪恒[10]、谷麗東[11]、Gao[12]等分別系統(tǒng)地探究了用于油液監(jiān)測的不同類型傳感器及相應(yīng)的監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點，并討論了各種傳感方法的優(yōu)缺點，指出了未來傳感器將朝著集成式、智能化、無線傳輸?shù)姆较虬l(fā)展。

采用油液油品性能分析對設(shè)備的健康程度進(jìn)行定量或定性表征，可實現(xiàn)采用狀態(tài)的預(yù)測性視情維護(hù)和健康管理，從而盡可能地節(jié)約財力、人力和時間等成本，可有效增加經(jīng)濟(jì)收益，同時能夠較好地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境。黎秋瑩等[13]基于油液監(jiān)測技術(shù)對大型船舶艉管異常磨損故障進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該艉管因油品混用引起潤滑油性能下降而造成軸瓦的嚴(yán)重磨損，避免了重大事故的發(fā)生，也極大地節(jié)約了事后維修的成本。因此，油液監(jiān)測技術(shù)在航空航天、船舶、風(fēng)力發(fā)電、大型工程設(shè)備等機(jī)械裝備的故障診斷、預(yù)測和健康管理中得到了廣泛應(yīng)用，并取得顯著成效[4-7]。

潤滑油在使用時常會發(fā)生油品性能退化和油液污染問題[5,7]。對潤滑油理化性能及其磨粒特征等信息的實時在線監(jiān)測，可為按質(zhì)換油提供重要的指導(dǎo)依據(jù)，并可實現(xiàn)對機(jī)械設(shè)備磨損程度和潛在風(fēng)險進(jìn)行提前預(yù)警，進(jìn)而確保機(jī)械設(shè)備的安全性和有效性。滾動軸承作為機(jī)械設(shè)備傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。由于軸承在一定的負(fù)載下運行且容易受復(fù)雜環(huán)境因素的影響，因此其極易發(fā)生故障，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)械設(shè)備失效。鑒于此，為了保障設(shè)備的安全性和可靠性，避免災(zāi)難事故發(fā)生，滾動軸承的在線狀態(tài)監(jiān)測、健康狀態(tài)評估和壽命預(yù)測得到了研究學(xué)者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注[14-15]。目前針對滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測與早期故障診斷系統(tǒng)研究與設(shè)計主要基于軸承振動信號開展，在實際處理時也可結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，對振動信號進(jìn)行特征提取和處理，從而實現(xiàn)滾動軸承全生命周期的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測[16-17]。然而目前較多的滾動軸承故障診斷主要側(cè)重不同的故障位置，忽略了對其全壽命周期內(nèi)不同故障時期的綜合分析；在滾動軸承性能初始退化階段，由于其微弱的損傷不會影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)且振動信號微弱，故難以有效捕捉，而隨著軸承損傷的不斷累積，其退化程度由中度退化急劇發(fā)展成重度退化，最終會造成設(shè)備的故障損傷與停機(jī)。因此，需要結(jié)合油液監(jiān)測技術(shù)和振動信號來實現(xiàn)滾動軸承全壽命周期內(nèi)的不同退化階段的實時監(jiān)測和故障診斷。

因此，以機(jī)械設(shè)備中最常見的部件——滾動軸承為對象，對其潤滑系統(tǒng)中的油液開展實時監(jiān)測，并對其油品性能進(jìn)行全面分析，結(jié)合軸承振動狀態(tài)監(jiān)測信號等手段，建立其與油品性能的關(guān)聯(lián)，為機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)和早期故障提供可靠的綜合監(jiān)測技術(shù)，進(jìn)而可為設(shè)備的視情維護(hù)和壽命預(yù)測提供指導(dǎo)。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置及綜合監(jiān)測技術(shù)

本文以機(jī)械設(shè)備中常見的部件——軸承為對象，對其全壽命過程(通過滾動軸承加速壽命試驗臺快速實現(xiàn)其全壽命)進(jìn)行振動和油液監(jiān)測。滾動軸承加速壽命試驗臺主要包含軸承試驗腔體、加載系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。為提高試驗效率、節(jié)約時間成本，試驗在保證不破壞軸承退化機(jī)理的前提下，通過加大軸承的載荷或者提高軸承的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對軸承全壽命周期的加速縮短。為研究滾動軸承全壽命周期過程中其運行狀態(tài)表征參量的變化規(guī)律，采用該試驗臺并以6207深溝球軸承為對象開展加速壽命試驗，結(jié)合在線跟蹤監(jiān)測參量的變化，對監(jiān)測手段、表征參量以及軸承性能退化原因進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究，試驗中主要的裝置及其技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 滾動軸承加速壽命試驗臺的油液及振動在線監(jiān)測原理及其技術(shù)框圖

振動信號監(jiān)測技術(shù)是目前機(jī)械設(shè)備監(jiān)測的主流方法之一，在滾動軸承整個壽命周期內(nèi)可直觀、有效地監(jiān)測并反映出設(shè)備的運行狀態(tài)，振動信號在時域、頻域和時頻域中均可呈現(xiàn)出豐富且有效的信息；而在不同域中提取軸承振動信號等特征信息是準(zhǔn)確評估和預(yù)測滾動軸承性能退化狀態(tài)的基礎(chǔ)[18-19]。一般情況下，采用時域、頻域信息的特征提取應(yīng)用最為廣泛，尤其是時域的均方根值(Root Mean Square,RMS)可較好地表征滾動軸承的性能退化狀態(tài)信息，進(jìn)而可以預(yù)測其剩余壽命。

為了獲取試驗軸承實時的運行狀態(tài)，本試驗將一個PCB352C33型加速度傳感器安裝在加速壽命試驗臺軸承的箱體上，并采用DAQ505E 型數(shù)據(jù)采集卡及LabVIEW軟件完成軸承振動信號的采集與存儲，對應(yīng)圖1(a)中部件5，其中振動傳感器的采樣頻率為20 kHz，采樣時間間隔為1 min。選擇RMS值為軸承性能退化的主要指標(biāo)，并采用其他油液參數(shù)的監(jiān)測，建立其與RMS的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而為軸承性能退化的評估和預(yù)測提供更多的方法和支撐。

油液在線監(jiān)測技術(shù)是在機(jī)械設(shè)備運行的情況下，通過在線傳感器對在用油液的理化性能品質(zhì)參數(shù)、磨損微粒等進(jìn)行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測所得參數(shù)的異常變化來判定或預(yù)測設(shè)備的運行工況和狀態(tài)，診斷設(shè)備的異常部件、異常程度，進(jìn)而為開展視情維修提供依據(jù)，從而及時有效地避免事故發(fā)生[4-7,20]。

試驗中潤滑油的監(jiān)測采用的航空軸承油液狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對應(yīng)圖 1(a)中部件6，其主要基于流體特性傳感器、微水傳感器和顆粒傳感器工作；本工作采用FPS2800B12C4型流體傳感器實現(xiàn)了油液溫度(Temperature)、黏度(Viscosity)、相對介電常數(shù)(Permittivity)等主要油液品質(zhì)參數(shù)的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)直接將監(jiān)測模塊連接于待檢部位的回油路中，對監(jiān)測對象實施連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)測。通過對潤滑油理化性質(zhì)指標(biāo)的持續(xù)采集，并分析其趨勢走向，進(jìn)而判斷油液品質(zhì)和機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)。

潤滑油中存在的磨損顆粒，尤其是金屬磨粒，大多來自于摩擦副接觸面之間的磨損，因此，可以采用油液中金屬顆粒的信息，對機(jī)械設(shè)備的磨損狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，并由此開展設(shè)備的失效和壽命分析研究。本試驗中使用的滑油磨粒在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于電磁感應(yīng)傳感器研發(fā)的滑油金屬屑末在線監(jiān)測系統(tǒng)，對應(yīng)圖1(a)中部件7，它能夠?qū)崿F(xiàn)在線、全液流油液監(jiān)測，通過捕獲油液中的鐵磁性及非鐵磁性金屬顆粒，自動測量油液系統(tǒng)中磨損顆粒的數(shù)量和顆粒分布，并為設(shè)備的隱患提供可靠的早期預(yù)警。需要說明的是，系統(tǒng)顯示的監(jiān)測信號主要由油液中最大粒徑的金屬屑激發(fā)產(chǎn)生，因此，測量的金屬屑粒徑為流經(jīng)傳感器的油液內(nèi)所有顆粒中的最大粒徑。嚴(yán)重磨損產(chǎn)生的磨粒的直徑一般都在 100 μm以上，因此，當(dāng)油液中出現(xiàn)直徑大于 100 μm的磨粒時會向系統(tǒng)用戶發(fā)出警報信息。

1.2 試驗方案

本次軸承加速壽命試驗中使用的軸承是采用高碳鉻軸承鋼制成的6207型深溝球軸承，其在電機(jī)進(jìn)驅(qū)動下轉(zhuǎn)動。試驗時可通過液壓力對滾動軸承施加徑向載荷，其中轉(zhuǎn)速和載荷可根據(jù)工況條件不同或試驗需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而用于模擬滾動軸承的真實運行工況。試驗過程中試驗軸承主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗中滾動軸承的主要參數(shù)

開啟試驗平臺后，首先讓新安裝的滾動軸承空載運行一段時間，在1.7 h后開始步進(jìn)式加載試驗載荷(Load,kN)，其中1.7～122.3 h內(nèi)施加徑向載荷為11.8 kN，122.3～139.8 h為15.7 kN，139.8～153.2 h為19.6 kN。同時開啟數(shù)據(jù)采集設(shè)備，試驗通過觀測振動信號RMS值、溫度等參量，反映滾動軸承實時運行狀態(tài)。本試驗平臺設(shè)定 RMS值、溫度值作為停機(jī)閾值，從而達(dá)到試驗軸承中一套軸承失效自動停機(jī)的特點。根據(jù)實驗臺操作說明書以及大量案例證明，當(dāng)軸承振動信號 RMS 值達(dá)到剛開始運行RMS值的3倍或者軸承溫度達(dá)到 90 ℃時，表明軸承發(fā)生失效。試驗中對軸承實現(xiàn)潤滑的油液是美孚公司生產(chǎn)的DTE-24 32號抗磨液壓油。在試驗臺工作后，油液在線監(jiān)測系統(tǒng)與磨粒在線監(jiān)測系統(tǒng)將對油液的品質(zhì)參數(shù)和金屬屑進(jìn)行實時監(jiān)控。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗數(shù)據(jù)合理性的判斷

在整個試驗中，采用步進(jìn)式的方式分別對滾動軸承施加了3個遞增的徑向載荷，加速了軸承的失效和性能的衰退，可直接通過振動信號的RMS值反映，如圖2所示，隨著不同時間內(nèi)徑向載荷的施加，軸承磨損開始加重，軸承的振動開始加大，振動信號的RMS值也隨之上升，同時在此過程中產(chǎn)生的高溫和磨粒直接作用到潤滑系統(tǒng)的油液中，油液品質(zhì)也開始劣化，其品質(zhì)參數(shù)也隨之發(fā)生變化。

圖2 軸承壽命周期內(nèi)徑向載荷與RMS值的比較

首先采用變異系數(shù)的方法對軸承的全壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過比較各組數(shù)據(jù)的變異程度來判斷數(shù)據(jù)的合理性。尤其是對于一些不同量綱、不同尺度的數(shù)據(jù)，可以采用變異系數(shù)(Coefficient of Variation,CV)對其進(jìn)行比較。主要以油液品質(zhì)參數(shù)和振動信號為對象，對其數(shù)據(jù)的變異度進(jìn)行計算，進(jìn)而對其數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行判斷。另外，在進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析時，如果該組數(shù)據(jù)的變異系數(shù)大于15%，則要考慮其可能不正常，應(yīng)該剔除。對于一組數(shù)據(jù)X=[x1,x2,…,xn]，對其計算變異程度時，其變異系數(shù)的計算公式為

CV(X)=[stdev(X)/avg(X)]×100%

(1)

式中：stdev為求解數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差函數(shù)；avg為求解數(shù)據(jù)的平均值函數(shù)。為了更科學(xué)地評估數(shù)據(jù)的合理性，將在軸承的壽命周期中分別對在3種不同載荷(11.8 kN、15.7 kN、19.6 kN)下的4種監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，結(jié)果如圖3所示。圖3中，數(shù)據(jù)變異程度最大的為RMS數(shù)據(jù)，其變異系數(shù)最大為13.6%，但仍然符合數(shù)據(jù)的預(yù)期；油液監(jiān)測的數(shù)據(jù)的變異程度較小，就算載荷在19.6 kN時，其變異系數(shù)最大為3.6%，其中介電常數(shù)的3組數(shù)據(jù)的變異系數(shù)均在0.1%以下，說明介電常數(shù)的穩(wěn)定性非常優(yōu)越，采用此進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的可靠性較好。綜上，根據(jù)以上結(jié)果的分析可知，文中所用的監(jiān)測手段均可靠、合理，可用于后續(xù)軸承性能衰退等特性的研究中。

圖3 不同載荷下各組監(jiān)測數(shù)據(jù)的變異系數(shù)

2.2 油液品質(zhì)參數(shù)的關(guān)系

根據(jù)油液品質(zhì)參數(shù)的變化分析了軸承壽命周期內(nèi)載荷對軸承狀態(tài)和性能的影響，統(tǒng)計了不同載荷下油液的介電常數(shù)、黏度、溫度的平均值，如圖4所示。由圖4可知，隨著對軸承施加的徑向載荷增大，軸承的運行工況環(huán)境變壞，磨損加劇，軸承溫度因此升高，進(jìn)而引起了潤滑系統(tǒng)中油液的溫度升高，尤其是載荷從15.7 kN增大到19.6 kN時，油液的溫度升高愈加顯著；油液相應(yīng)的平均黏度隨之降低，而介電常數(shù)在載荷為15.7 kN時最大，其與溫度的相關(guān)性較弱。

圖4 不同載荷下的介電常數(shù)、黏度和油液溫度

黏度是表示油品油性和流動性的一項重要理化指標(biāo)，油液的動力黏度(單位為CP,1 CP=1 mPa·s)直接表征了潤滑油的潤滑性能，并較為全面地反映了流體的黏性，其與溫度存在強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)。一般溫度升高，油液分子間距離增大，分子間的內(nèi)聚力降低進(jìn)而使油液的黏度下降，且二者變化率的時效性非常吻合，如圖5所示。結(jié)果表明，在軸承全壽命的早期，其所受載荷較低時，軸承磨損較小，隨之產(chǎn)生的熱量也較低；在外界室溫的影響下，油液溫度在41 ℃附近呈現(xiàn)出波動，但是隨著軸承所受徑向載荷增大至19.6 kN，軸承磨損情況加劇，摩擦熱更快、更多地釋放，使得油液的溫度快速升高至44 ℃以上，也直接導(dǎo)致了油液黏度的急劇下降。

圖5 滾動軸承壽命周期內(nèi)油液黏度與溫度的關(guān)系

介電常數(shù)一般情況下與油液中的水分、金屬屑濃度等因素密切關(guān)聯(lián)，圖6表明其與油液溫度的變化存在一定的關(guān)聯(lián)。在軸承壽命早期，介電常數(shù)在2.35附近波動，到了后期出現(xiàn)了較為明顯的下降，介電常數(shù)在整個壽命周期中雖總體變化率不明顯，但其波動特征與溫度的變化在時間維度上卻有較好地契合度。這可能主要是由于軸承的磨損，同時引起油液中溫度與金屬屑濃度的變化，使介電常數(shù)展現(xiàn)出了其隨溫度變化而波動的特征。另外，如果油液中導(dǎo)電金屬屑的濃度較低，或者電容傳感器受到外界干擾，對介電常數(shù)的測量均會產(chǎn)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

圖6 滾動軸承壽命周期內(nèi)油液介電常數(shù)與溫度的關(guān)系

為了分析在滾動軸承壽命周期中油液性能的衰退趨勢，對軸承臺工作時不同溫度下油液黏度與新油黏度進(jìn)行比較。為了與實際運行工況更加貼近，需要明確整個時間周期內(nèi)不同溫度時新油的黏度。采用文獻(xiàn)[21]提出的黏度換算公式來計算在實際油液溫度區(qū)間內(nèi)新油的黏度值：

log log(νT+ 0.6)=b+mlogT

(2)

式中：νT為油液在不同溫度下的運動黏度(mm2/s)；T為溫度(K)；b、m為經(jīng)驗常數(shù)(b>0，m<0)；0.6為適用于我國的油品黏度計算時所需的經(jīng)驗常數(shù)。通過查詢試驗中所用潤滑油的40 ℃和100 ℃時的運動黏度，計算出式(2)中b和m的值分為9.4511和-3.6996；然后根據(jù)GB/T 265—1988石油產(chǎn)品運動黏度測定法中計算公式ηT=νT×ρT獲得新油的動力黏度，其中液壓油的密度按照0.87 kg/L計算，因為油液溫度在整個周期內(nèi)在40～45 ℃范圍內(nèi)變化，忽略溫度變化對密度的影響。

油液黏度對比結(jié)果如圖7所示，可知在不同溫度下，新油的黏度一直大于軸承臺的實際油液的黏度，油液劣化較為明顯；實際油液黏度的下降由諸多因素造成，例如油液本身的分解引起的黏度降低，或因潤滑油的剪切安定性較低，在機(jī)械剪壓中導(dǎo)致黏指劑分子鏈變短，進(jìn)而引起油液黏度降低等。本研究工作中，油液僅對滾動軸承進(jìn)行潤滑，在其加速壽命試驗中，徑向載荷的不斷增大導(dǎo)致軸承運轉(zhuǎn)過程存在較強(qiáng)的剪切力，因此有理由相信實際油液黏度的降低主要是剪切力引起的。

圖7 滾動軸承壽命周期內(nèi)油液的黏度比較

2.3 油液監(jiān)測與振動監(jiān)測結(jié)果對比分析

在軸承加速壽命試驗臺上，油液監(jiān)測與振動監(jiān)測技術(shù)同時在線使用，有必要對二者的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究，以便對軸承的性能從多個角度進(jìn)行較為全面的分析。因此，采用油液監(jiān)測中的黏度、介電常數(shù)、油液溫度等參數(shù)，以及振動監(jiān)測中軸承溫度、振動RMS值等監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

為選擇合適的振動信號特征去表征軸承性能狀態(tài)，在試驗軸承運行的全壽命周期內(nèi)分析了軸承振動信號的RMS值、峰值因子(Crest Factor,CF)和峭度(Kurtosis)的演變。圖8為振動信號RMS值與CF值的對比圖，由圖8可知，CF值對試驗軸承沖擊脈沖故障比較敏感，但趨勢不太明顯，不利于分析軸承性能退化過程的趨勢。圖9為振動信號RMS值與Kurtosis值的對比圖，由圖9可以看出，Kurtosis值對沖擊信號非常敏感，但運行全過程表現(xiàn)較為雜亂，表明其對早期點蝕類故障具有一定的監(jiān)測能力，但是對于軸承整體的性能衰退趨勢的跟蹤能力較弱。因此，以上兩個參量不適合表征軸承性能退化過程。由圖8和圖9可知，RMS值在軸承正常運行階段較為平穩(wěn)，但是隨著施加載荷的增加，在軸承性能迅速退化的較短時間內(nèi)，RMS陡然增大；因此，RMS能較好地反映軸承性能退化特征，尤其適用于軸承因故障或接近失效時的監(jiān)測。

圖8 振動信號RMS值與CF值的對比

圖9 振動信號RMS值與Kurtosis值的對比

軸承溫度與油液溫度的對比如圖10所示，結(jié)果表明在滾動軸承全壽命周期內(nèi)，二者的溫度演變趨勢一致，但是二者的差值變化較為明顯，在前期基本維持不變，但是后期快速增高，可能是由于軸承后期出現(xiàn)碰磨故障，使得溫度快速升高，而油液的熱傳遞能力一定，不能將熱量快速轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致溫度差值升高。在軸承運行120 h前，溫差基本在14 ℃左右；在130 h時，溫差達(dá)到17 ℃左右，有理由相信，此時的軸承故障已經(jīng)開始發(fā)生；到了140 h后，此時的溫差更是升至約22 ℃，此時的軸承在較大徑向載荷的作用下，其故障已經(jīng)開始惡化。圖11為滾動軸承壽命周期內(nèi)油液溫度與RMS值的關(guān)系圖，也展示了在軸承性能快速衰退時，對其潤滑的油液溫度也在迅速升溫。因此，可以采用此溫差來對實際機(jī)械設(shè)備中軸承的性能進(jìn)行初步判斷，當(dāng)溫差發(fā)生較大躍遷時，需要注意檢查軸承的磨損，以防帶來較大的事故。

圖10 滾動軸承壽命周期內(nèi)軸承溫度與油液溫度的比較

圖11 滾動軸承壽命周期內(nèi)油液溫度與RMS值的關(guān)系

油液的黏度與振動信號RMS值的關(guān)系如圖12所示，當(dāng)RMS值增加時，油液中由于混入了金屬屑，軸承箱中的剪切力更強(qiáng)，使油液的分子鏈變短，會引起油液的黏度值下降。另外，隨著軸承上施加的徑向載荷的增大，軸承溫度升高，潤滑油在對軸承潤滑的同時，也將帶走軸承的部分熱量引起油液溫度增高，進(jìn)而導(dǎo)致油液黏度降低。因此，在以上兩個主要因素的作用下，油液黏度變化顯著，尤其是軸承壽命的后期，在軸承性能衰退和油液品質(zhì)劣化的雙重影響下，油液的黏度下降尤為明顯。

圖12 滾動軸承壽命周期內(nèi)油液黏度與RMS值的關(guān)系

潤滑油在長時間使用后，油液中會混入一定量的金屬磨屑，影響潤滑油的介電常數(shù)，改變潤滑油污染程度。因此，利用介電常數(shù)變化，監(jiān)測潤滑油金屬磁性顆粒含量情況的研究也是近年來介電常數(shù)與潤滑油性能評定研究的熱點之一。軸承壽命周期內(nèi)介電常數(shù)與RMS值的關(guān)系如圖13所示。

圖13 滾動軸承壽命周期內(nèi)介電常數(shù)與RMS值的關(guān)系

由圖13可知，軸承前期正常運轉(zhuǎn)期間油液的介電常數(shù)在2.35上下波動，而RMS值大都維持在1附近；但是到了120 h之后，由于試驗載荷增大，軸承磨損加重，其RMS值也迅速升高，進(jìn)而引起金屬磨粒的產(chǎn)生并混入到潤滑油中；但此時油液的介電常數(shù)變化同樣不顯著，仍然維持在2.35附近；到了140 h后，油液介電常數(shù)呈現(xiàn)一個相對明顯的降低趨勢。需要指出的是，以上現(xiàn)象與“隨著金屬屑濃度增大，油液介電常數(shù)增大”這一共識結(jié)論并不違背，這是由于本次試驗中油液的金屬屑主要源于4個滾動軸承的磨損，監(jiān)測結(jié)果也顯示，在整個周期內(nèi)，油液中金屬屑的質(zhì)量最大不超過0.004 mg，其質(zhì)量濃度不超過3.5×10-6，所以，油液中金屬屑濃度極低，其對油液介電常數(shù)的影響會因傳感器靈敏度的受限或運行環(huán)境的干擾等因素而被削弱。

2.4 磨粒監(jiān)測與振動監(jiān)測的對比

在機(jī)械設(shè)備磨損的分析方法中，一般情況下油液磨粒在線監(jiān)測比振動分析方法更加可靠，尤其是針對機(jī)械設(shè)備的早期微弱故障，此時振動信號無法捕捉該信息，但依據(jù)磨損金屬顆粒的在線監(jiān)測能夠直接實時反映機(jī)械部件的磨損和疲勞狀態(tài)等信息。本文采用的磨損金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)能及時獲取油液中軸承因磨損而產(chǎn)生的金屬屑情況，可為軸承的早期損壞以及壽命預(yù)測提供支撐。

圖14給出了軸承壽命周期內(nèi)，振動信號的RMS值與油液中金屬屑粒徑的關(guān)系。由圖14可知，在120 h前RMS值沒有出現(xiàn)顯著躍遷時，油液中已經(jīng)開始出現(xiàn)約為70 μm的鐵磁性金屬屑，且在軸承運行不到100 h時，其磨損信息已經(jīng)被油液磨粒在線監(jiān)測系統(tǒng)捕獲，此時軸承早期磨損已經(jīng)開始發(fā)生；而當(dāng)RMS值在4附近時，油液中的金屬屑粒徑增大至90 μm，此時的軸承在較高的徑向載荷下已經(jīng)被破壞，磨損已經(jīng)惡化?；谟鸵耗チ１O(jiān)測能夠較早實現(xiàn)故障預(yù)警，油液監(jiān)測技術(shù)在軸承性能衰退監(jiān)控中具有一定的優(yōu)越性。

圖14 滾動軸承壽命周期內(nèi)油液中粒徑與RMS值的關(guān)系

3 結(jié)束語

筆者對滾動軸承加速壽命試驗臺的振動監(jiān)測以及潤滑油的在線監(jiān)測進(jìn)行了研究，系統(tǒng)地比較了振動監(jiān)測、油品理化性能監(jiān)測、磨粒監(jiān)測等技術(shù)的應(yīng)用特點，探究了滾動軸承性能與油液監(jiān)測的關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，綜合的油液在線監(jiān)測技術(shù)能迅速、準(zhǔn)確地反映機(jī)械裝備的運行狀況，油液磨粒監(jiān)測可實現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的早期故障預(yù)警。另外，在故障診斷中推薦使用綜合在線監(jiān)測技術(shù)，進(jìn)而全方位地對機(jī)械設(shè)備實現(xiàn)準(zhǔn)確的故障診斷，實現(xiàn)設(shè)備的視情維修的快速性、精準(zhǔn)性、及時性，進(jìn)而保障機(jī)械裝置的安全、經(jīng)濟(jì)運行，可在復(fù)雜環(huán)境下重大裝備的健康管理中大力推廣和應(yīng)用。