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基於超聲波技術的軸承和一般機械故障檢測

描述：

機械運動產生範圍廣氾的聲音, ULTRAPROBE僅專注于接收其中的高頻短波部分，並探測其聲幅和音質的細微變化。通過“外差法”將接收到的超聲信號轉化為人耳可聽範圍內的聲音信號，這樣就可以通過觀察儀表，用耳機收聽，進而對機械設備的狀態進行監測。

利用ULTRAPROBE超聲波檢測技術的優點：

1.    先于紅外和振動技術，檢測到早期的故障狀態。

2.    應用廣氾，包括任何種類的高速和低速軸承。

3.    超聲波是一種高頻短波信號，可以過濾掉大部分環境噪音。

4.    檢測方法簡單而實用，僅需少量培訓。

5.    可以記錄數據，並和電腦相連，可以進行趨勢分析。

6.    儀器配有專用接口，可以和振動分析技術相結合使用。

超聲波軸承監測

檢測內容

1.    早期失效狀態

2.    軸承表面摩擦腐蝕

3.    軸承過度潤滑

4.    軸承潤滑短缺

軸承故障模式

根據NASA（美國國家航空和宇宙航行局）的研究結果，超聲波監測可以提供早期的軸承故障預警，並且已經建立各階段的軸承故障模式：

超過基線8dB表明預故障或潤滑短缺

12dB表明各種故障模式已經開始

16dB表明進一步的故障狀態

35-50dB增加表明已經進入災難性故障階段

檢測方法

比較法：如果有同一類型的多個軸承，這些軸承就可以放在一起比較。用同一種測試方法或從同一個角度來檢測每一個軸承。分析分貝值和聲音強度的變化。

曆史法：在一定時期內，記錄並比較同一軸承不同時期曆史趨勢，進而進行分析。

檢測軸承失效

用比較法和曆史法對軸承進行檢測。使用曆史法時，如果分貝值超過基線12分貝，並伴有音質的變化，則表明軸承進入早期的失效階段。軸承缺潤滑常表現為超過基線值8分貝，並伴有很大的“沙沙聲”。如果懷疑是缺潤滑，可以在加註潤滑油的同時，觀察儀表的變化。一次加少量的潤滑油直到分貝值水平降低至基線值，或者在加潤滑油的同時，使用Ultraprobe 201油脂盒進行收聽。如果讀數水平持續很高且沒有降低的趨勢，可以考慮軸承進入失效模式並且需要經常檢測。

缺少潤滑

為了避免缺油，請注意以下事項：

1.      由於軸承潤滑油膜的減少，聲音強度值將增加，如果分貝值超過基線8分貝且伴有一致的“沙沙聲”，可以認為是缺油。

2.      在加潤滑脂過程中，保証適當的量使分貝值等於基準值。注意：一些潤滑脂需要一定時間才能充分的覆蓋軸承的表面，請每次加入適量的潤滑脂。

過度潤滑

軸承失效的一個常見原因是過度潤滑。潤滑過度產生的壓力經常損坏軸承的密封，或引起軸承的過熱而產生壓力和缺陷。避免過度潤滑：

1.      如果讀數維持在基線值上且音質良好，請不要加潤滑脂。

2.      潤滑過程中，盡可能使用適量的潤滑脂使讀數回到基準值。

3.      如上所述，注意：一些潤滑劑需要時間覆蓋軸承表面，請每次加入適量的潤滑脂。

低速軸承

用超聲波傳感器可以監測低速軸承（低於200RPM）。由於靈敏度範圍和頻率的可調，可以收聽到軸承的音質。對於極端低速軸承（低於25RPM），常需要不考慮讀數的具體值，僅僅收聽音質的不同。在這種極端條件下，通常是大型軸承並且用高粘性的潤滑脂。常常僅能夠接收到低程度的聲音信號，因為潤滑脂會吸收大部分的聲音能量。如果高程度音或“渣渣音”被聽見，這將表明軸承失效的發生。

頻譜分析

在收聽聲音信號的同時，通過UE公司的頻譜分析軟件還可以對儀器記錄的聲音信號進行頻譜和時域分析。

      

軸承良好狀態下頻譜圖          軸承失效狀態下的頻譜圖

 

一般機械故障解答

當運轉的設備由於部件磨損、損坏或位置不正而開始失效時，超聲波信號的變化就會產生。通過監測聲音模式的改變可以節省診斷問題的時間和預算。因此，關鍵設備的超聲波監測曆史可以避免無計劃的停機。如果設備可能在現場失效，對其進行分析，用超聲波傳感器對於狀態監測中的問題解決是非常有幫助的。

壓縮機好的閥門           壓縮機問題閥門

在齒輪箱檢測中，在脫齒之前會檢測到異常的咔嗒聲，需要了解正常狀況下齒輪的聲音。                       齒輪脫齒頻譜圖

 

UE還可以通過在機械上安裝超聲波探頭或延長電纜對一些無法直接接觸的情況進行檢測。

超聲波預測性維護

如何確定機械問題

 

軸承磨損監測

超聲波檢查與監測軸承故障是目前監測軸承早期故障（如缺少潤滑）最有效的方法。超聲波比軸承溫度升高或與低頻振動水平的增加的預警都要早。用超聲波可以檢測軸承以下方面：

A 早期疲勞損坏；B 軸承表面磨損；C 過量或者潤滑不足

滾珠軸承，當金屬在溝槽里滾動，滾軸或滾珠開始疲勞時，會出現細微的變形。因這種變形而產生的不規則的表面，在運轉中會使超聲波的發射增多。

強度讀數的變化可以作為軸承早期故障的征兆。當讀數超過基線8分貝，且在音質上沒有大的變化，可視為軸承潤滑不足。當超聲波讀數超過基線，達到12分貝時，可以假定為軸承已經開始進入失效模式。

這些信息最初是由美國太空總署（NASA）對滾珠軸承的試驗而發現的。試驗中，用24HZ到50HZ的頻段對軸承進行監測，他們發現強度改變所突顯的早期軸承失效比任何指標包括熱像及振動分析的改變都要早。一種基於偵測和分析軸承調製共振頻率信號的超聲波檢測系統，具有可以提供檢測細微缺陷的能力，而傳統的檢測手段都無法檢測。當滾珠經過溝槽表面的小坑或缺陷時，會產生某種衝擊，由於持續的這種作用，結構性的共振會造成軸承部件的振動或響聲。在監測軸承超聲頻率時，可以觀察到聲音強度的增加。用耳機也可以收聽到音質的變化。

當滾珠由球形趨於扁平化的過程中，軸承表面的磨損也會產生類似振幅的增加。這些扁平點也會產生重複的聲響，監測頻率時也會觀察到類似的振幅增加。

超聲波傳感器檢測超聲頻率，如Ultraprobe®，是通過複製為可聽的聲音。這種經“外差法”處理過的信號可以幫助使用者確定軸承的問題。這種信號可以通過專門的分析軟件或和振動分析儀器相連進行分析。在收聽聲音的時候，我們建議用家首先熟悉良好狀態下軸承的聲音。

正常的軸承聽起來像沙沙聲或嘶嘶聲。脆裂聲或暴裂聲顯示軸承處於損坏狀態。某些特定的狀況，損坏的滾珠聽起來像脆裂聲，然而強度高且均勻的暴裂聲可能顯示溝槽損坏或均勻的滾珠損坏。與正常軸承的嘶嘶聲相同，但較響且稍粗糙的嘶嘶聲，可知道是因為缺乏潤滑。持續很短的粗糙的或刮擦聲聲音水平的增加，表示滾體和不平點的撞擊，以及在軸承表面的滑動而不是滾動。

如果檢測到上述軸承的變化，就需要計劃進行更多的測試。記錄數據以分析分貝上升的趨勢。除此之外，還需要用專門的分析軟件或將超聲波儀器和振動分析相結合對軸承聲音進行分析。

聲音的質量還可以通過UE頻譜分析軟件進行錄音和回放，並進行深入的分析。聲音樣本在頻率視圖和時域視圖，均可同時觀察和收聽。

正常軸承的頻譜                                               異常軸承的頻譜

檢測軸承失效

檢測軸承問題有兩個基本方法：比較法與曆史趨勢法。比較法將兩個或更多的相類似的軸承比較他們潛在的不同。曆史趨勢法要求定期監測該軸承並做好曆史記錄。通過分析軸承曆史記錄，可以輕易的觀察到特定頻率下磨損模式和分貝值的改變。可以在早期發現軸承問題並解決。

比較法

1.      使用接觸式（聽診器）探頭

2.      在選頻盤上選擇預定頻率。（如果只有一個頻率被監測，建議用30 kHz）

3.      在軸承座上選擇一個點作為永久的“測試點”，用接觸式模塊接觸測試點。超聲波經過的介質越多，距離傳播的越長，準確性就越低。因此需要將探頭直接接觸軸承的外殼。如果這樣有困難，可以接觸加油孔，或者儘量靠近軸承的外殼。

4.      軸承外殼測量時盡可能是相同角度而且接觸的是同一區域。

5.      降低靈敏度以接收到清晰的超聲波信號。

6.      通過耳機仔細聽取軸承信號音質作出適當判斷。

7.      選擇相同型號，和相似負載與轉速的軸承聽其音質。

8.      比較讀數的不同與音質的不同。

曆史趨勢法：

在進行軸承監測的曆史趨勢法之前，需要用比較法來確定軸承的基線值。

1.      按照上述的1-8步驟進行操作

2.      記錄數據作為以後的參考

3.      將現在測試的結果和之前記錄的數據進行比較。在以後的測試中，需要保持和之前測試相同的頻率。

如果分貝值超過基線12分貝，並伴有音質的變化，則表明軸承進入早期的失效階段。軸承缺潤滑常表現為超過基線值8分貝，並伴有大的“沙沙聲”。如果猜測是缺潤滑，可以在加註潤滑油的同時，觀察儀表的變化。一次加少量的潤滑油直到分貝值水平降低至基線值。或者使用Ultraprobe 201油脂盒在加潤滑油進行收聽。如果讀數水平持續很高且沒有降低的趨勢，可以考慮軸承進入失效模式並且需要經常檢測。

缺少潤滑

為了避免缺油，請注意以下事項：

1.      由於潤滑膜的減少，聲音強度值將增加，如果分貝值超過基線8分貝且伴有一致的“沙沙聲”，可以認為是缺油。

2.      在加潤滑脂過程中，保証適當的量使分貝值等於基準值。

注意：一些潤滑脂需要一定時間才能充分的覆蓋軸承的表面，請每次加入適量的潤滑脂。

避免過度潤滑

過度潤滑：

一個最軸承失效的一個常見原因是過度潤滑。潤滑過度產生的壓力經常損坏軸承的密封，或引起軸承的過熱而產生壓力和缺陷。

避免過度潤滑：

1.      如果讀數維持在基線值上且音質良好，請不要加潤滑脂。

2.      潤滑過程中，盡可能使用適量的潤滑脂使讀數回到基準值。

3.      如上所述，注意：一些潤滑劑需要時間覆蓋軸承表面，請每次加入適量的潤滑脂。

低速軸承

用超聲波傳感器可以監測低速軸承（低於200RPM）。由於靈敏度範圍和頻率的可調，可以收聽到軸承的音質。對於極端低速軸承（低於25RPM），常需要不考慮讀數的具體值，僅僅收聽音質的不同。在這種極端條件下，通常是大型軸承並且用高粘性的潤滑脂。常常僅能夠接收到低程度的聲音信號，因為潤滑脂會吸收大部分的聲音能量。如果高程度音或“渣渣音”被聽見，這將表明軸承失效的發生。

對於其它低速的軸承，可以用前述的方法設置基線值並進行監測。

振動分析（FFT接口）

超聲波傳感器如Ultraprobe可以和振動分析儀器相連，以增強診斷的程序。振動分析儀可以和Ultraprobe的耳機接口連接，這樣，其就可以接收經儀器“外差法”處理過的聲音信息，用來監測和判斷軸承的狀態和趨勢，同時也包括低速軸承。也擴展了振動儀器的範圍至各種機械信息記錄，如壓縮機閥門的洩漏、氣蝕、齒輪磨損等。如果沒有振動分析儀，通過專門的分析軟件如UE的頻譜分析軟件可以通過電腦對聲音進行記錄和回放。

一般機械故障解答

當運轉的設備由於部件磨損、損坏或位置不正而開始失效時，超聲波信號的變化就會產生。通過監測聲音模式的改變可以節省診斷問題的時間和預算。因此，關鍵設備的超聲波監測曆史可以避免無計劃的停機。如果設備可能在現場失效，對其進行分析，用超聲波傳感器對於狀態監測中的問題解決是非常有幫助的。

故障解答/狀態分析：

1.      使用接觸式（聽診器）探頭

2.      觸碰測試區 ：用耳機收聽聲音並觀察測量儀器。

3.      調節靈敏度直到清楚聽到設備機械運作的聲音且儀器的強度顯示來回波動。

4.      用探頭觸碰各種可疑區域

5.      如果存在環境噪音，並影響目前的測試，可以嘗試：接觸設備直到聽到潛在問題的聲音或緩緩調節頻率直到聽到清楚的問題聲音。

6.      專注于問題的聲音，當使用接觸式探頭時，常需要緩緩調節儀器的靈敏度，以對問題聲音的最大點進行定位。

運行設備的監測：為了掌握和預知運行設備的潛在問題，有必要建立數據庫並觀察其數據的變化。可以通過儀器本身進行讀數的數據錄入，也可以通過存儲卡或錄音設備對聲音進行記錄。

注意：在對任何種類的設備進行診斷時，知道設備如何運作是非常重要的。對設備聲音變化的解釋常基於對測試設備的基本了解。例如，一些往復式壓縮機，在進氣端管道閥門的診斷，取決于對正常情況下清晰的咔嗒聲與在“內漏”情況下含混的咔嗒聲的理解。

壓縮機好的閥門           壓縮機問題閥門

在齒輪箱檢測中，在脫齒之前會檢測到異常的咔嗒聲，需要了解正常狀況下齒輪的聲音。

 

齒輪脫齒

其它輔助

其它輔助：可能在某些情況下接近軸承是非常困難的。如，一些複雜機械中，軸承包含在設備的內部區域，只有潤滑管延伸到外面的箱體。如果潤滑管是可傳導信號的金屬，如黃銅，軸承還是可以檢測，並設定潤滑的水平。如果是不傳導聲音信號的材料，如塑料，這時就安裝一種獨立的可以傳導聲波的組件，以進行軸承的監測。該組件可以通過橡膠屏蔽材料屏蔽機械內部的環境噪音。如果不能放置傳導聲波的組件，還有以下方案。可以在軸承外罩上永久安裝傳感器，用電纜連接到外面。這種電纜可以和專門的連接件相連，方便的插入超聲波的傳感器，如下圖所示。

超聲的優點

超聲波狀態監測的優點有很多：

使用者可以實時的聽到運轉中設備的聲音

超聲波是一種方向性很強的信號，可以幫助操作者辨別聲源

超聲波提供失效狀況的早期預警提示

外差后的聲音信號可以記錄並可以在電腦上進行分析

在電腦上分析聲音樣本的同時，可以聽到樣本的聲音

聲音樣本可以在振動分析儀上使用，提供更高的解決方案

超聲波可以監測潤滑短缺並避免潤滑過度

超聲波儀器在潤滑狀態檢測程序中是非常有效的

超聲波可以有效的監測低速軸承

超聲波可以有效的監測任何速度的軸承

軟件可以提供趨勢分析，報警組和分析的重要數據

超聲波可以監測氣蝕問題

超聲波可以檢測齒輪磨損

超聲波儀器可以使用在噪音的環境中

超聲波儀器可以輔助其它技術使用