冲击脉冲技术探讨和应用

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1、西马力内部技术通讯第一期冲击脉冲技术探讨和应用（北京西马力检测仪器有限公司胡立新）摘要：本文重点介绍了冲击脉冲信号如何产生的，针对高速和低速设备如何捕捉冲击脉冲信号，以及信号的处理过程，应用冲击脉冲如何诊断滚动轴承的故障。关键词：冲击脉冲SPM-HD信号处理滚动轴承故障频率故障分析1、概述最早的“冲击脉冲方法”由来自瑞典的EivindSohoel在1969年取得专利，已在全球60多个国家众多领域成功应用40余年。以其简单实用及针对舰船上滚动轴承退化和润滑状况的优异监测能力而倍受亲睐。新的冲击脉冲技术是在原冲击脉冲技术所使用的同种物理学基础上研究出来一种全新的技术。简单的说：在所有的滚动

2、轴承中，滚道和滚动体之间的接触面会产生冲击脉冲信号，捕捉此微弱和短暂的信号是关键，以及如何利用此信号诊断滚动轴承的故障。本文重点阐述冲击脉冲的产生的机理，以及如何测量、量化以及最终如何解读他们。2冲击脉冲方法介绍2．1冲击脉冲信号的产生冲击脉冲是在刚性材料中传播的一种弹性波，是刚性物体之间（如钢）相互碰撞的结果。由于碰撞的原因，冲击点处的分子受到加速度作用，并通过靠近冲击点的分子传递至周围的分子中，直到形成一个波前（我们称为前导波）。若碰撞点上的材料足够坚硬且碰撞发生在极短的时间段内，则会生成非常强烈的波前，且该波在材料中以声速传播。如图1所示。图1：弹性波前的产生为点对点碰撞的结果。

3、波前在钢中的传播速度通常为5000m/s，持续的时间一般为几微秒到几十微秒。我们可以通过“酒瓶演示”对其进行模拟，假设用手指甲敲击一个空的酒瓶，产生的冲击会非常短暂。由于酒瓶质地坚硬，而手指甲也相对坚硬，所以酒瓶上位于碰撞点的分子会受到巨大的加速度，转而影响到周边其他分子。该过程在酒瓶中产生一个弹性波，起点为冲击点随后扩散到整个酒瓶。该波前会碰到其他边界（空气），且被反射回来从而生成独具特征的音色。反过来说，若用手掌来打击瓶子，产生的冲击则更为柔和，不会生成弹性波，更大程度上是物体的运动而非弹性波。我们在时域和频域两种数学方法中来讨论探究弹性波。强脉冲一般在时域中持续上升和下降时间很短

4、，在频域包含的频谱范围较宽，如图2（上）所示；反之，在时域中持续上升和下降时间较长，在频域包含的频谱范围较窄，包含较有限的高频能量，如图2（下）所示。通过对滚动轴承中各个接触面的研究，我们得知：弹性波一般产生自滚道和滚动体表面间的相互作用，包含的能量远大于40KHz。明白弹性波在刚性材料中的属性对于理解后续章节中即将描述的冲击脉冲传感器非常重要。幅值能量傅里叶变换时间频率时域中上升和下降持续时间短的强烈脉冲频域中包含很宽高能量的频率成分幅值能量傅里叶变换时间频率时域中上升和下降持续时间较长的轻微脉冲频域中包含较少高能量的频率成分图2上下：强烈脉冲与轻微冲击在时域和频域中的对比。我们通过

5、对轴承滚动体和滚道间相互作用的研究，我们发现即使在状况非常良好的轴承中，每秒内也会产生上百次的冲击脉冲，这些冲击脉冲正是源自所有滚动轴承中极小的微米级的碰撞。在健康、润滑良好的轴承中，只有粗糙表面中最高的凸起会产生接触（贯穿油膜），所以会产生相对来说比较低幅的冲击脉冲；而在润滑较差的轴承中，重复率和幅值都会增高。我们还发现滚道或滚动体有损坏的轴承会产生很高幅值的冲击脉冲，其重复率取决于轴承的几何参数和轴的转速。冲撞所产生的冲击脉冲的力量和碰撞物体间的相对速度有关。以滚动轴承为例，生成的冲击脉冲的幅值和滚动体的速度成正比。2.2小结冲击脉冲为传播于坚硬材料（如钢）中，具有非常急剧的上升和

6、下降时间的弹性波，在整体材料中的传播速度为音速（一般为5000m/s）。冲击脉冲生成于相碰撞的两个物体的接触点，如滚动体撞击滚道上剥落处的尖锐边缘。冲击脉冲的频率组成范围非常宽，包含很多高频能量。而其他如设备不平衡所产生的比较轻微的机械波，并不属于冲击脉冲，且不含有高频能量。冲击脉冲的幅值与冲击瞬间的相对速度成正比。3冲加脉冲信号捕捉--冲击脉冲传感器的研制3.1冲击脉冲信号捕捉方法如前面冲击脉冲技术所述，上升和下降时间短的强烈脉冲在频率范围中包含的能量很高。在冲击脉冲实验中我们总结到，典型的“钢质球碰撞钢质棒“的测试中，远高于40KHz以上的频率组份很容易就能监测到。根据设计，冲击脉

7、冲传感器以其32KHz的谐振峰值进行工作。也就是说，若冲击脉冲传感器接触到含有32KHz能量的机械信号时，则会以32KHz独特的“激振”方式予以响应。通过对典型的上升和下降持续时间较短的冲击脉冲信号的研究，我们发现其中包含很多不同的频率，我们特别关注到32KHz的频率组份。若将冲击脉冲传感器接触于某冲击脉冲，则其会很容易接收32KHz的频率，并以独特的“激振”方式响应。该“激振”反应被传递到压电陶瓷片中，并使我们能够对传感器内部的“激振”进行测