滑動軸承潤滑膜的動態測量方法及測量用光纖傳感器的製作方法

2023-09-22 06:38:45

專利名稱：滑動軸承潤滑膜的動態測量方法及測量用光纖傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種滑動軸承潤滑膜的動態測量方法及測量用光纖傳感器。
技術背景高速流體動壓滑動軸承廣泛用於高速工具機、高速離心機、汽輪發電機組、 鋼鐵和化工聯合企業的大型機械設備中。滑動軸承作為一種關鍵基礎零部件 既是這些關鍵設備的重要支撐零件，又是保證其完成旋轉運動的關鍵摩擦副， 對設備的正常運行起著至關重要的作用。滑動軸承的潤滑膜的狀態在很大的 程度上反映著設備的運行狀態。早在上個世紀的七、八十年代，人們就對其 潤滑油膜的壓力分布，以及潤滑油的進出口溫度等參數進行了有效的監測， 期求對滑動軸承工作狀況下的潤滑膜狀態及其工作特性進行在線分析和認 識，以掌握設備的運行狀態。然而，對於反映潤滑膜狀態或特性最有效且最 直接的參數一潤滑膜厚度及其形狀，人們苦於一直沒有找到可行的方法，至 今仍未實現對其動態變化信息的有效檢測。前人大量的論文僅僅涉及潤滑膜 厚度的靜態精密測量方法，以及潤滑膜狀態的計算機數值模擬分析，而對滑 動軸承工作狀況下潤滑膜動態特性進行有效、精密測量至今未見報。中國科學院光學研究所研製了一種用於檢測大型渦輪機液壓軸承運動狀 態的光纖傳感器系統。該系統採用間接測量法，根據軸心軌跡判定油膜厚度 的變化，傳感探頭採用遮光式位移傳感器，三個傳感探頭光束中心線的法線兩兩互成120度，根據遮光法位移測量原理確定滑動軸承在任意位置上的三 條切線方程，即可以確定軸心的位置坐標，根據軸瓦中心、軸承中心、最小 油膜厚度所在點與軸瓦中心的連線與豎直方向的夾角為^的幾何關係，從而得到最小油膜厚度(如圖1所示)。該測量方法所存在的問題是為了採用遮 光法確定切線方程，入射光纖傳感器調節不便，同時需要使用較為複雜的傳 感器結構，造成測量成本過高，實用性不強。發明內容本發明的目的是提供一種滑動軸承潤滑膜多維特徵的光纖動態測量方法 及測量用光纖傳感器，該方法可解決背景技術中用遮光法確定切線方程造成 的傳感器結構複雜，測量成本過高，實用性不強等問題。為達到以上目的，本發明是採取如下技術方案予以實現的 一種滑動軸承潤滑膜的動態測量方法，包括下述步驟-設潤滑油完全充滿軸頸與軸瓦的間隙，其形狀等效為軸瓦圓與軸頸圓之 間的間隙，第一步設軸瓦內表面圓心坐標為O(O， 0)，軸頸截面圓的圓心坐標為0, (;c， >;)，軸瓦半徑為/ ，軸頸半徑為r,在滑動軸承軸瓦兩個端面上各安 裝兩個互成90度角的雙圈同軸反射式光纖傳感器;相對該兩個傳感器的軸瓦 端面的A、 B兩點的坐標為A(O, R)、 B(R，O)-第二步:用兩個互成90度角的雙圈同軸反射式光纖傳感器直接測量出A 到A'、 B到B'兩處的距離，令|AA'| = a， |BB'l=b，根據A、 B兩點的 坐標可得A'、 B'兩點的坐標分別為A'(0，(/ -。》，B'((i -6)，0);第三步將測量計算得到的A'、 B'兩點坐標值代入軸頸圓的標準方程6(Z-^+(ry)2-一中，進而可以計算出軸頸截面圓;c、 y的值；則可得軸頸的偏心距e，即軸瓦圓心和軸頸圓心的距離IOO'I為formula see original document page 7(2);第四步由(2)式可得最小油膜厚度/^n表達式為最小油膜厚度的位置角^i。為formula see original document page 7(3)formula see original document page 7(5);第五步滑動軸承沿周向任意點油膜厚度可以表達為:formula see original document page 7(7)formula see original document page 7式中，/^)表示沿義軸正向為始邊，逆時針方向旋轉0處的油膜厚度； 0為以X軸正向為始邊，逆時針方向旋轉形成的角度；^in為最小油膜厚 度的位置角。第六步為了後續的故障診斷，對滑動軸承潤滑膜多維特徵進行表述與 提取。上述方法中，所述多維特徵表述如下-1) 滑動軸承端面的相對最小油膜厚度值formula see original document page 72) 滑動軸承端面的相對最小油膜厚度的位置角0'，其與最小油膜厚度 的位置角^ 相同；3) 兩個端面油膜形狀的相對相似度formula see original document page 7式中/^0和/22(0分別為兩個端面處的任意點的油膜厚度，可用(7)式 表述。所述滑動軸承潤滑膜多維特徵提取方法為設特徵向量^H^、 X2、 X3、A、……A" x"、 m、 ^]，其中，x廣X9為潤滑膜厚度信號頻譜中9個頻段上 的不同頻率的譜峰能量值；；cK)為滑動軸承左端面潤滑膜相對最小油膜厚度的 大小；Xu為滑動軸承左端面潤滑膜的相對最小油膜厚度位置角；112為滑動軸 承右端面潤滑膜相對最小油膜厚度的大小；xn為滑動軸承右端面潤滑膜的相 對最小油膜厚度位置角；A4為滑動軸承的兩端面油膜形狀相對相似程度。所 述潤滑膜厚度信號頻譜中9個頻段為0.01/-0.39/， 0.40/~0.49/， 0.50/， 0.51/~0.99/， 1/， 2/， 3/~5/，奇數次/，高頻段。一種用於上述滑動軸承潤滑膜動態測量方法的光纖傳感器，包括光纖探 頭、入射光纖和接收光纖束；其特徵在於，所述入射光纖周圍同軸緊密排列內、 外圈兩圈接收光纖束;其中外圈接收光纖束分為第一組接收光纖束和第二組接 收光纖束。內圈接收光纖束由6根多模光纖組成，外圈接收光纖束由12根多模 光纖組成。外圈第一組多模光纖與第二組多模光纖沿周向相隔。本發明滑動軸承油膜的兩點測量法與現有技術相比較，有以下優點由 於使用雙圈同軸反射式光纖傳感器，可以消除由光源強度、反射表面性質以 及光纖光強損耗和彎曲損耗等因素變化帶來的影響，從而實現潤滑油膜厚度 的精密測量；本發明採用兩點法可以通過雙圈同軸反射式光纖傳感器準確的 確定出軸頸圓的圓心，進而得到油膜厚度，與現有技術比較減少了傳感器的 使用數量，降低了成本；本發明中對滑動軸承潤滑膜多維特徵進行的表述， 即滑動軸承端面的相對最小油膜厚度值/i'、滑動軸承端面的相對最小油膜厚 度的位置角^、滑動軸承兩個端面油膜形狀的相對相似度Z^，可以為後續 的故障診斷提供一種可供參考的特徵量，準確的預測和診斷滑動軸承的故障。滑動軸承油膜的兩點測量法，測量原理簡單，光纖傳感器安裝方便，結 構簡單，有較小的理論誤差


圖l為一種現有技術的測量方法原理圖。圖2為本發明滑動軸承油膜厚度測量系統框圖。 圖3為本發明滑動軸承油膜厚度測量法的原理圖。圖4、圖5為本發明雙圈同軸反射式光纖傳感器的結構示意圖。其中圖5 為圖4的截面圖。圖2到圖5中l為雷射源、2為雙圈同軸反射式光纖位移傳感器的傳感探 頭、3為滑動軸承的軸瓦、4為軸承的軸頸、5為信號調理部分、6為數據採集 部分、7為計算機、8為接收光纖束、9為入射光纖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。 如圖2所示，在滑動軸承一個端面的軸瓦3上安裝兩個互成90度角的雙圈 同軸反射式光纖傳感器探頭2，雷射器l發出兩路雷射束，通過兩路入射光纖 傳輸到雙圈同軸反射式光纖傳感器探頭2，再送至滑動軸承軸頸4的表面，光 束經過軸頸4表面的反射後由四路接收光纖束接收，進而得到反映潤滑膜厚度 信息的四路光強信號，將這四路光強信號送至信號調理部分5進行光電轉換以 及濾波處理，然後，通過數據採集部分6將信號送入計算機7內進行數據處理， 最後，採用兩點測量法可以得到沿滑動軸承周向最小油膜厚度值和最小油膜 厚度位置角以及滑動軸承周向任意點的潤滑油膜厚度。傳感器部分如圖4所示，由於使用多模光纖其接受到的最大光強要比 採用單模光纖高一個數量級左右。所以，為了提高測量的信噪比，設計的光纖傳感器採用多模光纖。雙圈同軸式多模光纖位移傳感器是在同軸式光纖(中心為入射光纖9，周圍為接收光纖同軸排列)的基礎上同軸再增加一圈用於補 償的接收光纖束來實現的。雙圈同軸式光纖傳感器的截面結構參見圖5入射光 纖和接收光纖束的排列方式。圖5中，中間為入射光纖9，同軸緊密排列內、 外兩圈接收光纖束8。內圈接收光纖束由6根多模光纖組成，外圈接收光纖束 由12根多模光纖組成，根據與入射光纖9的距離，將外圈接收光纖束分成兩組, 即第一組6根多模光纖束和第二組6根多模光纖束，第一組多模光纖和第二組 多模光纖在圓周方向相隔。可以利用雙圈同軸光纖束對光源功率波動和反射 面反射率變化的敏感性相同的特點，採用第一組接收光纖接收的光強與第二 組接收光纖的光強的比值來消除測量的影響，從而實現雙圈同軸式光纖位移 傳感器在高精度微位移中的測量。這種傳感器的輸出特性只與光纖束光纖的 半徑、光纖的最大入射角和入射光纖和接收光纖的軸間距離有關。信號調理部分主要包括光電轉換模塊、濾波模塊以及保護模塊。選用 OPT101光電二極體作為光電轉換器，將由滑動軸承兩個端面的軸瓦3上安裝 的4個光纖位移傳感器測得的反映軸承油膜狀態的8路光強信號轉換為電壓信 號，8路電壓信號再經過二階低通濾波器進行濾波處理，處理後的信號最後經 過保護模塊連接到數據採集部分6上。數據採集部分通過NI公司的NI6225數據採集卡實現對光纖位移傳感 器測得的8通道光電信號進行A/D轉換、採集並向上位PC機7傳輸數據。數據處理部分通過LabVIEW軟體對數據採集部分得到的信號進行數 字濾波、數據處理、數據顯示等，並完成系統的參數設置、控制指令和參數 的下達、系統工作狀態的監測。基於雙圈同軸反射式多模光纖束位移傳感器的滑動軸承沿周向任意點油膜厚度兩點測量方法滑動軸承油膜厚度的兩點測量法的原理圖如圖3所示，假定潤滑油完全充 滿軸頸4與軸瓦3的間隙，其油膜形狀等效為軸瓦圓與軸頸圓之間的間隙。兩 點測量法的步驟如下所述第一步假設外圓所示為軸瓦3的內表面，坐標系原點O(O， 0)，軸頸4 截面圓的圓心坐標為O, (;c，力，軸瓦3的半徑為i ，軸頸4的半徑r。則在 軸瓦截面上可分別得到A、 B兩點的坐標，分別為A(O,R)、 B(R,O)。 A'、 B' 分別為互成90度的光纖傳感器2的中心線與軸頸4的交點。第二步用兩個互成90度角的雙圈同軸反射式光纖傳感器直接測量出A 到A'、 B到B'兩處的距離，令|AA'| = a， |BB'| = b，根據A、 B兩點的 坐標可得A'、 B'兩點的坐標分別為A'(O，O -"))， B'((i -40);第三步將測量計算得到的A'、 B'兩點坐標值代入軸頸圓的標準方程(義-32+&-y卜一中，進而可以計算出軸頸截面圓;c、 JV的值，分別為formula see original document page 11則可得軸頸的偏心距e，即軸瓦圓心和軸頸圓心的距離IOO'I為|00'卜"？+/ (2)jc = 0.769 =_0.833將得到的軸頸圓心x，；;的值代入公式(2)可以得到軸頸的偏心距為 |(X>1 = e = V;c2+y2 -扭769)2 +(-0.833)2 -1.1337 將得到的偏心距e的值代入公式(3)可得到最小油膜厚度/^ 為formula see original document page 12 將得到的軸頸圓心x， y的值代入公式(5)可以得到最小油膜厚度的位置角為formula see original document page 12滑動軸承潤滑膜多維特徵的表示與提取方法為了後續的故障診斷，對滑動軸承潤滑膜多維特徵進行了表示。滑動軸承潤滑膜多維特徵如下滑動軸承端面的相對最小油膜厚度值W-i (6)滑動軸承端面的相對最小油膜厚度的位置角e'，其與最小油膜厚度的位置角^nin相同；在滑動軸承的兩個端面分別安裝兩個互成90度角的雙圈同軸反射式光纖 位移傳感器，通過兩點測量法就可以得到滑動軸承兩個端面處的油膜厚度 & 。[ecos(0-^J + ^2cos2(e-^J + 一-e2)] 兩個端面油膜形狀在某一角度下的相對相似度(8)7 — r其中，/h(^和/i2^)分別為兩個端面的任一點油膜厚度，A/z可以表示兩個端面油膜形狀的相似程度，差值較小可以說明是正常運轉，發生較大的差值， 則說明存在故障。油膜厚度信號中含有豐富的故障信息，通過對其進行頻譜分析，分離出 振動信號的主要頻率部分，得出各種振動頻率的幅值。滑動軸承不同故障情況其頻率分布及幅值大小各有不同。分別以頻譜中9個頻段(0.01/~0.39/， 0.40M).49f， 0.50/， 0.51/-0.99/， 1/， 2/， 3/~5/，奇數次/，高頻段)上的不同 頻率的譜峰能量值作為特徵相量。設特徵向量AKx;、 X 、 義3、 X^、 Xw、 ^2、 X"、動軸承一個端面上潤滑膜厚度信號頻譜中9個頻段(0.01/~0.39/; 0.40/~0.49/，0.50/， 0.51/~0.99/， 1/, 2/， 3/~5/，奇數次/，高頻段)上的不同頻率的譜峰 能量值。X/o為滑動軸承左端面潤滑膜相對最小油膜厚度的大小:cw為滑動軸承左端面潤滑膜的相對最小油膜厚度位置角X;2為滑動軸承右端面潤滑膜相對最小油膜厚度的大小 A3為滑動軸承右端面潤滑膜的相對最小油膜厚度位置角:cw為滑動軸承的兩端面油膜形狀相對相似程度該特徵向量Z可以表示處滑動軸承潤滑膜的多維特徵，可以作為特徵的 提取的一種方法。
權利要求
1、一種滑動軸承潤滑膜的動態測量方法，其特徵在於，包括下述步驟設潤滑油完全充滿軸頸與軸瓦的間隙，其形狀等效為軸瓦圓與軸頸圓之間的間隙，第一步設軸瓦內表面圓心坐標為O(0，0)，軸頸截面圓的圓心坐標為O1(x，y)，軸瓦半徑為R，軸頸半徑為r，在滑動軸承軸瓦兩個端面上各安裝兩個互成90度角的雙圈同軸反射式光纖傳感器；相對該兩個傳感器的軸瓦端面的A、B兩點的坐標為A(0，R)、B(R，0)；第二步用兩個互成90度角的雙圈同軸反射式光纖傳感器直接測量出A到A′、B到B′兩處的距離，令|AA′|＝a，|BB′|＝b，根據A、B兩點的坐標可得A′、B′兩點的坐標分別為A′(0，(R-a))，B′((R-b)，0)；第三步將測量計算得到的A′、B′兩點坐標值代入軸頸圓的標準方程(X-x)2+(Y-y)2＝r2中，進而可以計算出軸頸截面圓x、y的值；則可得軸頸的偏心距e，即軸瓦圓心和軸頸圓心的距離|OO』|為<![CDATA[ | OO |=e= x2 + y2 --- ( 2 ); ]]>第四步由(2)式可得最小油膜厚度hmin表達式為<![CDATA[ h min=R-r-e=R-r- x2 + y2 --- ( 3 ) ]]>最小油膜厚度的位置角θmin為<![CDATA[ min=arctan y x--- ( 5 ); ]]>第五步滑動軸承沿周向任意點油膜厚度h(θ)可以表達為<![CDATA[ h ( )=R-[ecos ( - min )+ e2 cos2 (- min) + r2 - e2 ]--- ( 7 ) ]]>式中，h(θ)表示沿X軸正向為始邊，逆時針方向旋轉θ處的油膜厚度；θ為以X軸正向為始邊，逆時針方向旋轉形成的角度；θmin為最小油膜厚度的位置角；第六步為了後續的故障診斷，對滑動軸承潤滑膜多維特徵進行表述與提取。
2、 按照權利要求1所述的滑動軸承潤滑膜的動態測量方法，其特徵在於， 所述多維特徵表述如下1) 滑動軸承端面的相對最小油膜厚度值-(6)i 一r2) 滑動軸承端面的相對最小油膜厚度的位置角0'，其與最小油膜厚度的位置角6min相同；3) 兩個端面油膜形狀的相對相似度- (8)式中h(②和/z2的分別為兩個端面處的任意點的油膜厚度，可用(7)式 表述。
3、 按照權利要求l所述的滑動軸承潤滑膜的動態測量方法，其特徵在於， 所述滑動軸承潤滑膜多維特徵提取方法為-設特徵向量Z-[;c" a:^、 x;、 x^、 x/y人義/2人義/s、 個端面上潤滑膜厚度信號頻譜中9個頻段上的不同頻率的譜峰能量值；c;o為 滑動軸承左端面潤滑膜相對最小油膜厚度的大小；A/為滑動軸承左端面潤滑 膜的相對最小油膜厚度位置角；；^為滑動軸承右端面潤滑膜相對最小油膜厚 度的大小；J^為滑動軸承右端面潤滑膜的相對最小油膜厚度位置角；c"為滑 動軸承的兩端面油膜形狀相對相似程度。
4、 按照權利要求3所述的滑動軸承潤滑膜的動態測量方法，其特徵在於， 所述潤滑膜厚度信號頻譜中9個頻段為0.01/~0.39/， 0.40/ 0.49/, 0.50/， 0.51/~0.99/， 1/, 2/， 3/~5/，奇數次/，高頻段。
5、 一種用於權利要求l滑動軸承潤滑膜的動態測量方法的光纖傳感器，包 括光纖探頭、入射光纖和接收光纖束；其特徵在於，所述入射光纖周圍同軸緊 密排列內、外兩圈接收光纖束。
6、 按照權利要求5所述用於權利要求1滑動軸承潤滑膜的動態測量方法的 光纖傳感器，其特徵在於，其中外圈接收光纖束分為第一組接收光纖束和第二 組接收光纖束。
7、 按照權利要求6所述用於權利要求1滑動軸承潤滑膜的動態測量方法的 光纖傳感器，其特徵在於，外圈第一組多模光纖與第二組多模光纖沿周向相隔。
8、 按照權利要求5所述用於權利要求1滑動軸承潤滑膜的動態測量方法的 光纖傳感器，其特徵在於，所述內圈接收光纖束由6根多模光纖組成，外圈接 收光纖束由12根多模光纖組成。
全文摘要
本發明公開了一種滑動軸承潤滑膜的動態測量方法及測量用光纖傳感器。在滑動軸承軸瓦兩個端面上各安裝兩個互成90度角的雙圈同軸反射式光纖傳感器，直接測量出A到A′、B到B′兩處的距離，將測量計算得到的A′、B′兩點坐標值代入軸頸圓的標準方程中，可以計算出軸頸截面圓x、y的值，從而可得軸頸的偏心距，進而可得最小油膜厚度hmin、最小油膜厚度的位置角θmin、滑動軸承沿周向任意點油膜厚度h(θ)；為了後續的故障診斷，對滑動軸承潤滑膜多維特徵進行表述與提取。用於動態測量方法的光纖傳感器包括光纖探頭、入射光纖和接收光纖束；其特徵在於，入射光纖周圍同軸緊密排列內、外圈兩圈接收光纖束。
文檔編號G02B6/04GK101329167SQ20081015032
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月11日 優先權日2008年7月11日
發明者平 張, 張小棟, 亮 楊, 穎 秦, 萍 陳, 陳玉平 申請人:西安交通大學