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基于超声波技术的轴承和一般机械故障检测

描述：

机械运动产生范围广泛的声音, ULTRAPROBE仅专注于接收其中的高频短波部分，并探测其声幅和音质的细微变化。通过“外差法”将接收到的超声信号转化为人耳可听范围内的声音信号，这样就可以通过观察仪表，用耳机收听，进而对机械设备的状态进行监测。

利用ULTRAPROBE超声波检测技术的优点：

1.    先于红外和振动技术，检测到早期的故障状态。

2.    应用广泛，包括任何种类的高速和低速轴承。

3.    超声波是一种高频短波信号，可以过滤掉大部分环境噪音。

4.    检测方法简单而实用，仅需少量培训。

5.    可以记录数据，并和电脑相连，可以进行趋势分析。

6.    仪器配有专用接口，可以和振动分析技术相结合使用。

超声波轴承监测

检测内容

1.    早期失效状态

2.    轴承表面摩擦腐蚀

3.    轴承过度润滑

4.    轴承润滑短缺

轴承故障模式

根据NASA（美国国家航空和宇宙航行局）的研究结果，超声波监测可以提供早期的轴承故障预警，并且已经建立各阶段的轴承故障模式：

超过基线8dB表明预故障或润滑短缺

12dB表明各种故障模式已经开始

16dB表明进一步的故障状态

35-50dB增加表明已经进入灾难性故障阶段

检测方法

比较法：如果有同一类型的多个轴承，这些轴承就可以放在一起比较。用同一种测试方法或从同一个角度来检测每一个轴承。分析分贝值和声音强度的变化。

历史法：在一定时期内，记录并比较同一轴承不同时期历史趋势，进而进行分析。

检测轴承失效

用比较法和历史法对轴承进行检测。使用历史法时，如果分贝值超过基线12分贝，并伴有音质的变化，则表明轴承进入早期的失效阶段。轴承缺润滑常表现为超过基线值8分贝，并伴有很大的“沙沙声”。如果怀疑是缺润滑，可以在加注润滑油的同时，观察仪表的变化。一次加少量的润滑油直到分贝值水平降低至基线值，或者在加润滑油的同时，使用Ultraprobe 201油脂盒进行收听。如果读数水平持续很高且没有降低的趋势，可以考虑轴承进入失效模式并且需要经常检测。

缺少润滑

为了避免缺油，请注意以下事项：

1.      由于轴承润滑油膜的减少，声音强度值将增加，如果分贝值超过基线8分贝且伴有一致的“沙沙声”，可以认为是缺油。

2.      在加润滑脂过程中，保证适当的量使分贝值等于基准值。注意：一些润滑脂需要一定时间才能充分的覆盖轴承的表面，请每次加入适量的润滑脂。

过度润滑

轴承失效的一个常见原因是过度润滑。润滑过度产生的压力经常损坏轴承的密封，或引起轴承的过热而产生压力和缺陷。避免过度润滑：

1.      如果读数维持在基线值上且音质良好，请不要加润滑脂。

2.      润滑过程中，尽可能使用适量的润滑脂使读数回到基准值。

3.      如上所述，注意：一些润滑剂需要时间覆盖轴承表面，请每次加入适量的润滑脂。

低速轴承

用超声波传感器可以监测低速轴承（低于200RPM）。由于灵敏度范围和频率的可调，可以收听到轴承的音质。对于极端低速轴承（低于25RPM），常需要不考虑读数的具体值，仅仅收听音质的不同。在这种极端条件下，通常是大型轴承并且用高粘性的润滑脂。常常仅能够接收到低程度的声音信号，因为润滑脂会吸收大部分的声音能量。如果高程度音或“渣渣音”被听见，这将表明轴承失效的发生。

频谱分析

在收听声音信号的同时，通过UE公司的频谱分析软件还可以对仪器记录的声音信号进行频谱和时域分析。

      

轴承良好状态下频谱图          轴承失效状态下的频谱图

 

一般机械故障解答

当运转的设备由于部件磨损、损坏或位置不正而开始失效时，超声波信号的变化就会产生。通过监测声音模式的改变可以节省诊断问题的时间和预算。因此，关键设备的超声波监测历史可以避免无计划的停机。如果设备可能在现场失效，对其进行分析，用超声波传感器对于状态监测中的问题解决是非常有帮助的。

压缩机好的阀门           压缩机问题阀门

在齿轮箱检测中，在脱齿之前会检测到异常的咔嗒声，需要了解正常状况下齿轮的声音。                       齿轮脱齿频谱图

 

UE还可以通过在机械上安装超声波探头或延长电缆对一些无法直接接触的情况进行检测。

超声波预测性维护

如何确定机械问题

 

轴承磨损监测

超声波检查与监测轴承故障是目前监测轴承早期故障（如缺少润滑）最有效的方法。超声波比轴承温度升高或与低频振动水平的增加的预警都要早。用超声波可以检测轴承以下方面：

A 早期疲劳损坏；B 轴承表面磨损；C 过量或者润滑不足

滚珠轴承，当金属在沟槽里滚动，滚轴或滚珠开始疲劳时，会出现细微的变形。因这种变形而产生的不规则的表面，在运转中会使超声波的发射增多。

强度读数的变化可以作为轴承早期故障的征兆。当读数超过基线8分贝，且在音质上没有大的变化，可视为轴承润滑不足。当超声波读数超过基线，达到12分贝时，可以假定为轴承已经开始进入失效模式。

这些信息最初是由美国太空总署（NASA）对滚珠轴承的试验而发现的。试验中，用24HZ到50HZ的频段对轴承进行监测，他们发现强度改变所突显的早期轴承失效比任何指标包括热像及振动分析的改变都要早。一种基于侦测和分析轴承调制共振频率信号的超声波检测系统，具有可以提供检测细微缺陷的能力，而传统的检测手段都无法检测。当滚珠经过沟槽表面的小坑或缺陷时，会产生某种冲击，由于持续的这种作用，结构性的共振会造成轴承部件的振动或响声。在监测轴承超声频率时，可以观察到声音强度的增加。用耳机也可以收听到音质的变化。

当滚珠由球形趋于扁平化的过程中，轴承表面的磨损也会产生类似振幅的增加。这些扁平点也会产生重复的声响，监测频率时也会观察到类似的振幅增加。

超声波传感器检测超声频率，如Ultraprobe®，是通过复制为可听的声音。这种经“外差法”处理过的信号可以帮助使用者确定轴承的问题。这种信号可以通过专门的分析软件或和振动分析仪器相连进行分析。在收听声音的时候，我们建议用家首先熟悉良好状态下轴承的声音。

正常的轴承听起來像沙沙声或嘶嘶声。脆裂声或暴裂声显示轴承处于损坏狀态。某些特定的狀况，损坏的滚珠听起來像脆裂声，然而强度高且均匀的暴裂声可能显示沟槽损坏或均匀的滚珠损坏。与正常轴承的嘶嘶声相同，但较响且稍粗糙的嘶嘶声，可知道是因为缺乏润滑。持续很短的粗糙的或刮擦声声音水平的增加，表示滚体和不平点的撞击，以及在轴承表面的滑动而不是滚动。

如果检测到上述轴承的变化，就需要计划进行更多的测试。记录数据以分析分贝上升的趋势。除此之外，还需要用专门的分析软件或将超声波仪器和振动分析相结合对轴承声音进行分析。

声音的质量还可以通过UE频谱分析软件进行录音和回放，并进行深入的分析。声音样本在频率视图和时域视图，均可同时观察和收听。

正常轴承的频谱                                               异常轴承的频谱

检测轴承失效

检测轴承问题有两个基本方法：比较法与历史趋势法。比较法将两个或更多的相类似的轴承比较他们潜在的不同。历史趋势法要求定期监测该轴承并做好历史记录。通过分析轴承历史记录，可以轻易的观察到特定频率下磨损模式和分贝值的改变。可以在早期发现轴承问题并解决。

比较法

1.      使用接触式（听诊器）探头

2.      在选频盘上选择预定频率。（如果只有一个频率被监测，建议用30 kHz）

3.      在轴承座上选择一个点作为永久的“测试点”，用接触式模块接触测试点。超声波经过的介质越多，距离传播的越长，准确性就越低。因此需要将探头直接接触轴承的外壳。如果这样有困难，可以接触加油孔，或者尽量靠近轴承的外壳。

4.      轴承外壳测量时尽可能是相同角度而且接触的是同一区域。

5.      降低灵敏度以接收到清晰的超声波信号。

6.      通过耳机仔细听取轴承信号音质作出适当判断。

7.      选择相同型号，和相似负载与转速的轴承听其音质。

8.      比较读数的不同与音质的不同。

历史趋势法：

在进行轴承监测的历史趋势法之前，需要用比较法来确定轴承的基线值。

1.      按照上述的1-8步骤进行操作

2.      记录数据作为以后的参考

3.      将现在测试的结果和之前记录的数据进行比较。在以后的测试中，需要保持和之前测试相同的频率。

如果分贝值超过基线12分贝，并伴有音质的变化，则表明轴承进入早期的失效阶段。轴承缺润滑常表现为超过基线值8分贝，并伴有大的“沙沙声”。如果猜测是缺润滑，可以在加注润滑油的同时，观察仪表的变化。一次加少量的润滑油直到分贝值水平降低至基线值。或者使用Ultraprobe 201油脂盒在加润滑油进行收听。如果读数水平持续很高且没有降低的趋势，可以考虑轴承进入失效模式并且需要经常检测。

缺少润滑

为了避免缺油，请注意以下事项：

1.      由于润滑膜的减少，声音强度值将增加，如果分贝值超过基线8分贝且伴有一致的“沙沙声”，可以认为是缺油。

2.      在加润滑脂过程中，保证适当的量使分贝值等于基准值。

注意：一些润滑脂需要一定时间才能充分的覆盖轴承的表面，请每次加入适量的润滑脂。

避免过度润滑

过度润滑：

一个最轴承失效的一个常见原因是过度润滑。润滑过度产生的压力经常损坏轴承的密封，或引起轴承的过热而产生压力和缺陷。

避免过度润滑：

1.      如果读数维持在基线值上且音质良好，请不要加润滑脂。

2.      润滑过程中，尽可能使用适量的润滑脂使读数回到基准值。

3.      如上所述，注意：一些润滑剂需要时间覆盖轴承表面，请每次加入适量的润滑脂。

低速轴承

用超声波传感器可以监测低速轴承（低于200RPM）。由于灵敏度范围和频率的可调，可以收听到轴承的音质。对于极端低速轴承（低于25RPM），常需要不考虑读数的具体值，仅仅收听音质的不同。在这种极端条件下，通常是大型轴承并且用高粘性的润滑脂。常常仅能够接收到低程度的声音信号，因为润滑脂会吸收大部分的声音能量。如果高程度音或“渣渣音”被听见，这将表明轴承失效的发生。

对于其它低速的轴承，可以用前述的方法设置基线值并进行监测。

振动分析（FFT接口）

超声波传感器如Ultraprobe可以和振动分析仪器相连，以增强诊断的程序。振动分析仪可以和Ultraprobe的耳机接口连接，这样，其就可以接收经仪器“外差法”处理过的声音信息，用来监测和判断轴承的状态和趋势，同时也包括低速轴承。也扩展了振动仪器的范围至各种机械信息记录，如压缩机阀门的泄漏、气蚀、齿轮磨损等。如果没有振动分析仪，通过专门的分析软件如UE的频谱分析软件可以通过电脑对声音进行记录和回放。

一般机械故障解答

当运转的设备由于部件磨损、损坏或位置不正而开始失效时，超声波信号的变化就会产生。通过监测声音模式的改变可以节省诊断问题的时间和预算。因此，关键设备的超声波监测历史可以避免无计划的停机。如果设备可能在现场失效，对其进行分析，用超声波传感器对于状态监测中的问题解决是非常有帮助的。

故障解答/状态分析：

1.      使用接触式（听诊器）探头

2.      触碰测试区 ：用耳机收听声音并观察测量仪器。

3.      调节灵敏度直到清楚听到设备机械运作的声音且仪器的强度显示来回波动。

4.      用探头触碰各种可疑区域

5.      如果存在环境噪音，并影响目前的测试，可以尝试：接触设备直到听到潜在问题的声音或缓缓调节频率直到听到清楚的问题声音。

6.      专注于问题的声音，当使用接触式探头时，常需要缓缓调节仪器的灵敏度，以对问题声音的最大点进行定位。

运行设备的监测：为了掌握和预知运行设备的潜在问题，有必要建立数据库并观察其数据的变化。可以通过仪器本身进行读数的数据录入，也可以通过存储卡或录音设备对声音进行记录。

注意：在对任何种类的设备进行诊断时，知道设备如何运作是非常重要的。对设备声音变化的解释常基于对测试设备的基本了解。例如，一些往复式压缩机，在进气端管道阀门的诊断，取决于对正常情况下清晰的咔嗒声与在“内漏”情况下含混的咔嗒声的理解。

压缩机好的阀门           压缩机问题阀门

在齿轮箱检测中，在脱齿之前会检测到异常的咔嗒声，需要了解正常状况下齿轮的声音。

 

齿轮脱齿

其它辅助

其它辅助：可能在某些情况下接近轴承是非常困难的。如，一些复杂机械中，轴承包含在设备的内部区域，只有润滑管延伸到外面的箱体。如果润滑管是可传导信号的金属，如黄铜，轴承还是可以检测，并设定润滑的水平。如果是不传导声音信号的材料，如塑料，这时就安装一种独立的可以传导声波的组件，以进行轴承的监测。该组件可以通过橡胶屏蔽材料屏蔽机械内部的环境噪音。如果不能放置传导声波的组件，还有以下方案。可以在轴承外罩上永久安装传感器，用电缆连接到外面。这种电缆可以和专门的连接件相连，方便的插入超声波的传感器，如下图所示。

超声的优点

超声波状态监测的优点有很多：

使用者可以实时的听到运转中设备的声音

超声波是一种方向性很强的信号，可以帮助操作者辨别声源

超声波提供失效状况的早期预警提示

外差后的声音信号可以记录并可以在电脑上进行分析

在电脑上分析声音样本的同时，可以听到样本的声音

声音样本可以在振动分析仪上使用，提供更高的解决方案

超声波可以监测润滑短缺并避免润滑过度

超声波仪器在润滑状态检测程序中是非常有效的

超声波可以有效的监测低速轴承

超声波可以有效的监测任何速度的轴承

软件可以提供趋势分析，报警组和分析的重要数据

超声波可以监测气蚀问题

超声波可以检测齿轮磨损

超声波仪器可以使用在噪音的环境中

超声波仪器可以辅助其它技术使用