CN101329167A - 滑动轴承润滑膜的动态测量方法及测量用光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑动轴承润滑膜的动态测量方法及测量用光纤传感器。在滑动轴承轴瓦两个端面上各安装两个互成90度角的双圈同轴反射式光纤传感器，直接测量出A到A′、B到B′两处的距离，将测量计算得到的A′、B′两点坐标值代入轴颈圆的标准方程中，可以计算出轴颈截面圆x、y的值，从而可得轴颈的偏心距，进而可得最小油膜厚度h_min、最小油膜厚度的位置角θ_min、滑动轴承沿周向任意点油膜厚度h(θ)；为了后续的故障诊断，对滑动轴承润滑膜多维特征进行表述与提取。用于动态测量方法的光纤传感器包括光纤探头、入射光纤和接收光纤束；其特征在于，入射光纤周围同轴紧密排列内、外圈两圈接收光纤束。

Description

滑动轴承润滑膜的动态测量方法及测量用光纤传感器

技术领域

本发明涉及一种滑动轴承润滑膜的动态测量方法及测量用光纤传感器。

背景技术

高速流体动压滑动轴承广泛用于高速机床、高速离心机、汽轮发电机组、钢铁和化工联合企业的大型机械设备中。滑动轴承作为一种关键基础零部件既是这些关键设备的重要支撑零件，又是保证其完成旋转运动的关键摩擦副，对设备的正常运行起着至关重要的作用。滑动轴承的润滑膜的状态在很大的程度上反映着设备的运行状态。早在上个世纪的七、八十年代，人们就对其润滑油膜的压力分布，以及润滑油的进出口温度等参数进行了有效的监测，期求对滑动轴承工作状况下的润滑膜状态及其工作特性进行在线分析和认识，以掌握设备的运行状态。然而，对于反映润滑膜状态或特性最有效且最直接的参数-润滑膜厚度及其形状，人们苦于一直没有找到可行的方法，至今仍未实现对其动态变化信息的有效检测。前人大量的论文仅仅涉及润滑膜厚度的静态精密测量方法，以及润滑膜状态的计算机数值模拟分析，而对滑动轴承工作状况下润滑膜动态特性进行有效、精密测量至今未见报。

中国科学院光学研究所研制了一种用于检测大型涡轮机液压轴承运动状态的光纤传感器系统。该系统采用间接测量法，根据轴心轨迹判定油膜厚度的变化，传感探头采用遮光式位移传感器，三个传感探头光束中心线的法线两两互成120度，根据遮光法位移测量原理确定滑动轴承在任意位置上的三条切线方程，即可以确定轴心的位置坐标，根据轴瓦中心、轴承中心、最小油膜厚度所在点与轴瓦中心的连线与竖直方向的夹角为θ的几何关系，从而得到最小油膜厚度(如图1所示)。该测量方法所存在的问题是：为了采用遮光法确定切线方程，入射光纤传感器调节不便，同时需要使用较为复杂的传感器结构，造成测量成本过高，实用性不强。

发明内容

本发明的目的是提供一种滑动轴承润滑膜多维特征的光纤动态测量方法及测量用光纤传感器，该方法可解决背景技术中用遮光法确定切线方程造成的传感器结构复杂，测量成本过高，实用性不强等问题。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种滑动轴承润滑膜的动态测量方法，包括下述步骤：

设润滑油完全充满轴颈与轴瓦的间隙，其形状等效为轴瓦圆与轴颈圆之间的间隙，

第一步：设轴瓦内表面圆心坐标为O(0，0)，轴颈截面圆的圆心坐标为O₁(x，y)，轴瓦半径为R，轴颈半径为r，在滑动轴承轴瓦两个端面上各安装两个互成90度角的双圈同轴反射式光纤传感器；相对该两个传感器的轴瓦端面的A、B两点的坐标为A(0，R)、B(R，0)；

第二步：用两个互成90度角的双圈同轴反射式光纤传感器直接测量出A到A′、B到B′两处的距离，令：|AA′|＝a，|BB′|＝b，根据A、B两点的坐标可得A′、B′两点的坐标分别为A′(0，(R-a))，B′((R-b)，0)；

第三步：将测量计算得到的A′、B′两点坐标值代入轴颈圆的标准方程(X-x)²+(Y-y)²＝r²中，进而可以计算出轴颈截面圆x、y的值；则可得轴颈的偏心距e，即轴瓦圆心和轴颈圆心的距离|OO’|为：

$\left|{\mathrm{OO}}^{\′}\right|=e=\sqrt{x^2+y^2}---\left(2\right);$

第四步：由(2)式可得最小油膜厚度h_min表达式为：

$h_{\min }=R-r-e=R-r-\sqrt{x^2+y^2}---\left(3\right)$

最小油膜厚度的位置角θ_min为：

${\mathrm{\θ}}_{\min }=\arctan \frac{y}{x}---\left(5\right);$

第五步：滑动轴承沿周向任意点油膜厚度可以表达为：

$h\left(\mathrm{\θ}\right)=R-[e\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\min })+\sqrt{e^2{\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\min })+r^2-e^2}]---\left(7\right)$

式中，h(θ)表示沿X轴正向为始边，逆时针方向旋转θ处的油膜厚度；θ为以X轴正向为始边，逆时针方向旋转形成的角度；θ_min为最小油膜厚度的位置角。

第六步：为了后续的故障诊断，对滑动轴承润滑膜多维特征进行表述与提取。

上述方法中，所述多维特征表述如下：

1)滑动轴承端面的相对最小油膜厚度值：

$h^{\′}=\frac{h_{\min }}{R-r}---\left(6\right)$

2)滑动轴承端面的相对最小油膜厚度的位置角θ’，其与最小油膜厚度的位置角θ_min相同；

3)两个端面油膜形状的相对相似度：

$\mathrm{\Δh}=\frac{h_1\left(\mathrm{\θ}\right)-h_2\left(\mathrm{\θ}\right)}{R-r}---\left(8\right)$

式中：h₁(θ)和h₂(θ)分别为两个端面处的任意点的油膜厚度，可用(7)式表述。

所述滑动轴承润滑膜多维特征提取方法为：设特征向量X＝[x₁、x₂、x₃、x₄、……x₁₁、x₁₂、x₁₃、x₁₄]，其中，x₁～x₉为润滑膜厚度信号频谱中9个频段上的不同频率的谱峰能量值；x₁₀为滑动轴承左端面润滑膜相对最小油膜厚度的大小；x₁₁为滑动轴承左端面润滑膜的相对最小油膜厚度位置角；x₁₂为滑动轴承右端面润滑膜相对最小油膜厚度的大小；x₁₃为滑动轴承右端面润滑膜的相对最小油膜厚度位置角；x₁₄为滑动轴承的两端面油膜形状相对相似程度。所述润滑膜厚度信号频谱中9个频段为：0.01f～0.39f，0.40f～0.49f，0.50f，0.51f～0.99f，1f，2f，3f～5f，奇数次f,高频段。

一种用于上述滑动轴承润滑膜动态测量方法的光纤传感器，包括光纤探头、入射光纤和接收光纤束；其特征在于，所述入射光纤周围同轴紧密排列内、外圈两圈接收光纤束；其中外圈接收光纤束分为第一组接收光纤束和第二组接收光纤束。内圈接收光纤束由6根多模光纤组成，外圈接收光纤束由12根多模光纤组成。外圈第一组多模光纤与第二组多模光纤沿周向相隔。

本发明滑动轴承油膜的两点测量法与现有技术相比较，有以下优点：由于使用双圈同轴反射式光纤传感器，可以消除由光源强度、反射表面性质以及光纤光强损耗和弯曲损耗等因素变化带来的影响，从而实现润滑油膜厚度的精密测量；本发明采用两点法可以通过双圈同轴反射式光纤传感器准确的确定出轴颈圆的圆心，进而得到油膜厚度，与现有技术比较减少了传感器的使用数量，降低了成本；本发明中对滑动轴承润滑膜多维特征进行的表述，即滑动轴承端面的相对最小油膜厚度值h’、滑动轴承端面的相对最小油膜厚度的位置角θ’、滑动轴承两个端面油膜形状的相对相似度Δh，可以为后续的故障诊断提供一种可供参考的特征量，准确的预测和诊断滑动轴承的故障。

滑动轴承油膜的两点测量法，测量原理简单，光纤传感器安装方便，结构简单，有较小的理论误差。

附图说明

图1为一种现有技术的测量方法原理图。

图2为本发明滑动轴承油膜厚度测量系统框图。

图3为本发明滑动轴承油膜厚度测量法的原理图。

图4、图5为本发明双圈同轴反射式光纤传感器的结构示意图。其中图5为图4的截面图。

图2到图5中：1为激光源、2为双圈同轴反射式光纤位移传感器的传感探头、3为滑动轴承的轴瓦、4为轴承的轴颈、5为信号调理部分、6为数据采集部分、7为计算机、8为接收光纤束、9为入射光纤。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图2所示，在滑动轴承一个端面的轴瓦3上安装两个互成90度角的双圈同轴反射式光纤传感器探头2，激光器1发出两路激光束，通过两路入射光纤传输到双圈同轴反射式光纤传感器探头2，再送至滑动轴承轴颈4的表面，光束经过轴颈4表面的反射后由四路接收光纤束接收，进而得到反映润滑膜厚度信息的四路光强信号，将这四路光强信号送至信号调理部分5进行光电转换以及滤波处理，然后，通过数据采集部分6将信号送入计算机7内进行数据处理，最后，采用两点测量法可以得到沿滑动轴承周向最小油膜厚度值和最小油膜厚度位置角以及滑动轴承周向任意点的润滑油膜厚度。

传感器部分：如图4所示，由于使用多模光纤其接受到的最大光强要比采用单模光纤高一个数量级左右。所以，为了提高测量的信噪比，设计的光纤传感器采用多模光纤。双圈同轴式多模光纤位移传感器是在同轴式光纤(中心为入射光纤9，周围为接收光纤同轴排列)的基础上同轴再增加一圈用于补偿的接收光纤束来实现的。双圈同轴式光纤传感器的截面结构参见图5入射光纤和接收光纤束的排列方式。图5中，中间为入射光纤9，同轴紧密排列内、外两圈接收光纤束8。内圈接收光纤束由6根多模光纤组成，外圈接收光纤束由12根多模光纤组成，根据与入射光纤9的距离，将外圈接收光纤束分成两组，即第一组6根多模光纤束和第二组6根多模光纤束，第一组多模光纤和第二组多模光纤在圆周方向相隔。可以利用双圈同轴光纤束对光源功率波动和反射面反射率变化的敏感性相同的特点，采用第一组接收光纤接收的光强与第二组接收光纤的光强的比值来消除测量的影响，从而实现双圈同轴式光纤位移传感器在高精度微位移中的测量。这种传感器的输出特性只与光纤束光纤的半径、光纤的最大入射角和入射光纤和接收光纤的轴间距离有关。

信号调理部分：主要包括光电转换模块、滤波模块以及保护模块。选用OPT101光电二极管作为光电转换器，将由滑动轴承两个端面的轴瓦3上安装的4个光纤位移传感器测得的反映轴承油膜状态的8路光强信号转换为电压信号，8路电压信号再经过二阶低通滤波器进行滤波处理，处理后的信号最后经过保护模块连接到数据采集部分6上。

数据采集部分：通过NI公司的NI6225数据采集卡实现对光纤位移传感器测得的8通道光电信号进行A/D转换、采集并向上位PC机7传输数据。

数据处理部分：通过LabVIEW软件对数据采集部分得到的信号进行数字滤波、数据处理、数据显示等，并完成系统的参数设置、控制指令和参数的下达、系统工作状态的监测。

基于双圈同轴反射式多模光纤束位移传感器的滑动轴承沿周向任意点油膜厚度两点测量方法

滑动轴承油膜厚度的两点测量法的原理图如图3所示，假定润滑油完全充满轴颈4与轴瓦3的间隙，其油膜形状等效为轴瓦圆与轴颈圆之间的间隙。两点测量法的步骤如下所述：

第一步：假设外圆所示为轴瓦3的内表面，坐标系原点O(0，0)，轴颈4截面圆的圆心坐标为O₁(x，y)，轴瓦3的半径为R，轴颈4的半径r。则在轴瓦截面上可分别得到A、B两点的坐标，分别为A(0，R)、B(R，0)。A′、B′分别为互成90度的光纤传感器2的中心线与轴颈4的交点。

第二步：用两个互成90度角的双圈同轴反射式光纤传感器直接测量出A到A′、B到B′两处的距离，令：|AA′|＝a，|BB′|＝b，根据A、B两点的坐标可得A′、B′两点的坐标分别为A′(0，(R-a))，B′((R-b)，0)；

第三步：将测量计算得到的A′、B′两点坐标值代入轴颈圆的标准方程(X-x)²+(Y-y)²＝r²中，进而可以计算出轴颈截面圆x、y的值，分别为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{{(R-b)}^4+{(R-a)}^2{(R-b)}^2}{2(R-b)({(R-a)}^2+{(R-b)}^2)}\\ -\frac{(R-a)\sqrt{-{(R-a)}^4{(R-b)}^2-2{(R-a)}^2{(R-b)}^4-{{(R-b)}^6+4(R-b)}^4{r}^2+4{(R-a)}^2{(R-b)}^2{r}^2}}{2(R-b)({(R-a)}^2+{(R-b)}^2)}\\ y=\frac{{(R-a)}^3+(R-a){(R-b)}^2}{2({(R-a)}^2+{(R-b)}^2)}\\ -\frac{\sqrt{-{(R-a)}^4{(R-b)}^2-2{(R-a)}^2{(R-b)}^4-{(R-b)}^6+4{(R-b)}^4{r}^2+4{(R-a)}^2{(R-b)}^2{r}^2}}{2({(R-a)}^2+{(R-b)}^2)}\end{array}\right.---\left(1\right)$

则可得轴颈的偏心距e，即轴瓦圆心和轴颈圆心的距离|OO’|为：

$\left|{\mathrm{OO}}^{\′}\right|=e=\sqrt{x^2+y^2}---\left(2\right)$

第四步：由(2)式可得最小油膜厚度h_min；

$h_{\min }=R-r-\sqrt{x^2+y^2}---\left(4\right)$

式中：x、y为正表示轴颈轴心分别向右、向上偏移；相反，x、y为负表示轴颈轴心分别向左、向下偏移。

最小油膜厚度的位置角为：

${\mathrm{\θ}}_{\min }=\arctan \frac{y}{x}---\left(5\right)$

最小油膜厚度的位置角θ_min为X轴与最小油膜厚度方向之间的夹角，以X轴正向为始边，逆时针方向旋转形成的角为正，顺时针方向旋转形成的角为负。

根据图3的几何关系可知，任意点油膜厚度可以表达为：

$h\left(\mathrm{\θ}\right)=R-[e\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\min })+\sqrt{e^2{\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\min })+r^2-e^2}]---\left(6\right)$

式中，h(θ)表示沿X轴正向为始边，逆时针方向旋转θ处的油膜厚度；θ为以X轴正向为始边，逆时针方向旋转形成的角度；θ_min为最小油膜厚度的位置角；

举例分析

假设滑动轴承轴瓦内圆半径R＝20；r＝18；

设经光纤传感器测量出轴承一个端面上A到A′、B到B′两处的距离分别为：|AA′|＝a＝2.850，|BB′|＝b＝1.250

代入公式(1)可以得到轴颈圆心，x，y的值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}x=0.769\\ y=-0.833\end{array}\right.$

将得到的轴颈圆心x，y的值代入公式(2)可以得到轴颈的偏心距为：

$\left|{\mathrm{OO}}^{\′}\right|=e=\sqrt{x^2+y^2}=\sqrt{{\left(0.769\right)}^2+{(-0.833)}^2}=1.1337$

将得到的偏心距e的值代入公式(3)可得到最小油膜厚度h_min为：

$h_{\min }=R-r-\sqrt{x^2+y^2}=20-18-1.1337=0.8663$

将得到的轴颈圆心x，y的值代入公式(5)可以得到最小油膜厚度的位置角为：

滑动轴承润滑膜多维特征的表示与提取方法

为了后续的故障诊断，对滑动轴承润滑膜多维特征进行了表示。滑动轴承润滑膜多维特征如下：

滑动轴承端面的相对最小油膜厚度值 $h^{\′}=\frac{h_{\min }}{R-r}---\left(6\right)$

滑动轴承端面的相对最小油膜厚度的位置角θ’，其与最小油膜厚度的位置角θ_min相同；

在滑动轴承的两个端面分别安装两个互成90度角的双圈同轴反射式光纤位移传感器，通过两点测量法就可以得到滑动轴承两个端面处的油膜厚度h₁(θ)和h₂(θ)。

$h_1\left(\mathrm{\θ}\right)=R-[e\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\min })+\sqrt{e^2{\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\min })+r^2-e^2}]$

$h_2\left(\mathrm{\θ}\right)=R-[e\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\min })+\sqrt{e^2{\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\min })+r^2-e^2}]$

两个端面油膜形状在某一角度下的相对相似度

$\mathrm{\Δh}=\frac{h_1\left(\mathrm{\θ}\right)-h_2\left(\mathrm{\θ}\right)}{R-r}---\left(8\right)$

其中，h₁(θ)和h₂(θ)分别为两个端面的任一点油膜厚度，Δh可以表示两个端面油膜形状的相似程度，差值较小可以说明是正常运转，发生较大的差值，则说明存在故障。

油膜厚度信号中含有丰富的故障信息，通过对其进行频谱分析，分离出振动信号的主要频率部分，得出各种振动频率的幅值。滑动轴承不同故障情况其频率分布及幅值大小各有不同。分别以频谱中9个频段(0.01f～0.39f，0.40f～0.49f，0.50f，0.51f～0.99f，1f，2f，3f～5f，奇数次f，高频段)上的不同频率的谱峰能量值作为特征相量。

设特征向量X＝[x₁、x₂、x₃、x₄、……x₁₁、x₁₂、x₁₃、x₁₄]，其中，x₁～x₉为滑动轴承一个端面上润滑膜厚度信号频谱中9个频段(0.01f～0.39f，0.40f～0.49f，0.50f，0.51f～0.99f，1f，2f，3f～5f，奇数次f，高频段)上的不同频率的谱峰能量值。

x₁₀为滑动轴承左端面润滑膜相对最小油膜厚度的大小

x₁₁为滑动轴承左端面润滑膜的相对最小油膜厚度位置角

x₁₂为滑动轴承右端面润滑膜相对最小油膜厚度的大小

x₁₃为滑动轴承右端面润滑膜的相对最小油膜厚度位置角

x₁₄为滑动轴承的两端面油膜形状相对相似程度

该特征向量X可以表示处滑动轴承润滑膜的多维特征，可以作为特征的提取的一种方法。

Claims (8)

1、一种滑动轴承润滑膜的动态测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

设润滑油完全充满轴颈与轴瓦的间隙，其形状等效为轴瓦圆与轴颈圆之间的间隙，

第一步：设轴瓦内表面圆心坐标为O(0，0)，轴颈截面圆的圆心坐标为O₁(x，y)，轴瓦半径为R，轴颈半径为r，在滑动轴承轴瓦两个端面上各安装两个互成90度角的双圈同轴反射式光纤传感器；相对该两个传感器的轴瓦端面的A、B两点的坐标为A(0，R)、B(R，0)；

第二步：用两个互成90度角的双圈同轴反射式光纤传感器直接测量出A到A′、B到B′两处的距离，令：|AA′|＝a，|BB′|＝b，根据A、B两点的坐标可得A′、B′两点的坐标分别为A′(0，(R-a))，B′((R-b)，0)；

第三步：将测量计算得到的A′、B′两点坐标值代入轴颈圆的标准方程(X-x)²+(Y-y)²＝r²中，进而可以计算出轴颈截面圆x、y的值；则可得轴颈的偏心距e，即轴瓦圆心和轴颈圆心的距离|OO’|为：

$\left|{\mathrm{OO}}^{\′}\right|=e=\sqrt{x^2+y^2}---\left(2\right);$

第四步：由(2)式可得最小油膜厚度h_min表达式为：

$h_{\min }=R-r-e=R-r-\sqrt{x^2+y^2}---\left(3\right)$

最小油膜厚度的位置角θ_min为：

${\mathrm{\θ}}_{\min }=\arctan \frac{y}{x}---\left(5\right);$

第五步：滑动轴承沿周向任意点油膜厚度h(θ)可以表达为：

$h\left(\mathrm{\θ}\right)=R-[e\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\min })+\sqrt{e^2{\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_{\min })+r^2-e^2}]---\left(7\right)$

式中，h(θ)表示沿X轴正向为始边，逆时针方向旋转θ处的油膜厚度；θ为以X轴正向为始边，逆时针方向旋转形成的角度；θ_min为最小油膜厚度的位置角；

第六步：为了后续的故障诊断，对滑动轴承润滑膜多维特征进行表述与提取。

2、按照权利要求1所述的滑动轴承润滑膜的动态测量方法，其特征在于，所述多维特征表述如下：

1)滑动轴承端面的相对最小油膜厚度值：

$h^{\′}=\frac{h_{\min }}{R-r}---\left(6\right)$

2)滑动轴承端面的相对最小油膜厚度的位置角θ’，其与最小油膜厚度的位置角θ_min相同；

3)两个端面油膜形状的相对相似度：

$\mathrm{\Δh}=\frac{h_1\left(\mathrm{\θ}\right)-h_2\left(\mathrm{\θ}\right)}{R-r}---\left(8\right)$

式中：h₁(θ)和h₂(θ)分别为两个端面处的任意点的油膜厚度，可用(7)式表述。

3、按照权利要求1所述的滑动轴承润滑膜的动态测量方法，其特征在于，所述滑动轴承润滑膜多维特征提取方法为：

设特征向量X＝[x₁、x₂、x₃、x₄、……x₁₁、x₁₂、x₁₃、x₁₄]，其中，x₁～x₉为一个端面上润滑膜厚度信号频谱中9个频段上的不同频率的谱峰能量值；x₁₀为滑动轴承左端面润滑膜相对最小油膜厚度的大小；x₁₁为滑动轴承左端面润滑膜的相对最小油膜厚度位置角；x₁₂为滑动轴承右端面润滑膜相对最小油膜厚度的大小；x₁₃为滑动轴承右端面润滑膜的相对最小油膜厚度位置角；x₁₄为滑动轴承的两端面油膜形状相对相似程度。

4、按照权利要求3所述的滑动轴承润滑膜的动态测量方法，其特征在于，所述润滑膜厚度信号频谱中9个频段为：0.01f～0.39f，0.40f～0.49f，0.50f，0.5f～0.99f，1f，2f，3f～5f，奇数次f，高频段。

5、一种用于权利要求1滑动轴承润滑膜的动态测量方法的光纤传感器，包括光纤探头、入射光纤和接收光纤束；其特征在于，所述入射光纤周围同轴紧密排列内、外两圈接收光纤束。

6、按照权利要求5所述用于权利要求1滑动轴承润滑膜的动态测量方法的光纤传感器，其特征在于，其中外圈接收光纤束分为第一组接收光纤束和第二组接收光纤束。

7、按照权利要求6所述用于权利要求1滑动轴承润滑膜的动态测量方法的光纤传感器，其特征在于，外圈第一组多模光纤与第二组多模光纤沿周向相隔。

8、按照权利要求5所述用于权利要求1滑动轴承润滑膜的动态测量方法的光纤传感器，其特征在于，所述内圈接收光纤束由6根多模光纤组成，外圈接收光纤束由12根多模光纤组成。

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