CN104459182A - 内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置及测速方法 - Google Patents

Abstract

内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置及测速方法，涉及轴承测速及运行状态监测领域。本发明是为了解决现有的测轴承保持架转速的方法，需要改变轴承保持架结构，并且不能测内外圈同时转动的滚动轴承保持架转速和不能测量打滑的问题。本发明所述外圈拖动装置带动一号轴旋转，内圈拖动装置带动二号轴旋转，1号测速装置和2号测速装置分别测量外圈拖动装置和内圈拖动装置转速，光纤放大器产生光信号经发射端光纤发出，透过外圈安装工装上排布光纤散射形成稳定的光斑，透过滚动轴承被接收端光纤接收，被光纤放大器接收的光信号将光信号进行放大处理后产生脉冲信号给计数器，计数器输出端连显示器输入端。它可用于高速滚动轴承状态监测中。

Description

内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置及测速方法

技术领域

本发明涉及高速滚动轴承保持架光纤测速装置及测速方法。属于轴承测速及运行状态监测领域。

背景技术

航空发动机的主轴轴承经常运行于高速轻载工况下，是滚动轴承在极端苛刻及特殊工况下应用的典型代表。航空轴承由于高速、高温的工况条件，其失效形式有别于常规轴承，其中打滑是引起高速轻载航空轴承失效和故障最常见的原因之一。高速滚动轴承运行过程中发生的打滑现象会引起轴承内圈和滚动体表面的磨损和早期失效，这会对滚动轴承的正常工作产生极大的影响。

高速滚动轴承中，在轻载或者过量的润滑条件下，由于受到惯性力的影响，会造成滚动体与套圈滚道各自接触点的线速度存在差异，此时，将在两接触体之间出现滑动现象，该现象即为打滑。如果高速运行的轴承发生打滑现象，会导致滚动体与内外圈滚道之间产生很大的剪应力，破坏两接触面之间的润滑膜，从而使滚动体与滚道直接接触，进而产生蹭伤，甚至引起两者之间的高温灼伤，导致轴承的打滑失效。

在轴承运行过程中，随着径向载荷的减小，转动速度的升高，滚动体数目的增多，由于受到离心力的作用，使得作用于每个滚动体的摩擦拖曳力减小，保持架的滑差率增大。因此，保持架的转速可以表征轴承运行状态，特别是轴承存在滑动的运行状态。

目前的发展现状：现有的轴承保持架的转速测量主要有磁化滚动体、放置放射源、加装辅助部件、腐蚀镀层、脉动信号分析等方法。但是磁化滚动体仅适用于低速、低精度场合，磁场会使高速、高精度的轴承的磨损碎片聚合，导致磨损加剧。放置放射源法结构复杂、价格昂贵，而且放射性元素对人体有危害。加装辅助部件有可能使探头与保持架发生碰撞，而且加装的信号产生部件会破坏保持架运行的初始状态，导致受力不平衡和强度降低，与此同时传感器的应用环境也受到很大的限制。其它的方法也都有相同或相似的缺点和不足。因此，建立测量内外圈同时转动的滚动轴承保持架转速的新的可靠方法非常必要。

发明内容

本发明是为了解决现有的测轴承保持架转速的方法，需要改变轴承保持架结构，并且不能测内外圈同时转动的滚动轴承保持架转速和不能测量打滑的问题。现提供内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置及测速方法。

内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置，它包括显示器、计数器、光纤放大器、发射端光纤、接收端光纤、排布光纤、外圈安装工装、滚动轴承、外圈拖动装置、内圈拖动装置、1号测速装置、2号测速装置、收发端固定装置、一号轴和二号轴，

外圈安装工装上设置有多个通孔，该多个通孔以外圈安装工装的中心为圆心沿圆周方向均匀分布，每个通孔内嵌入有一根光纤，构成排布光纤，

所述排布光纤、外圈安装工装和滚动轴承均设置在收发端固定装置内，一号轴和外圈安装工装连接为一体，二号轴连接滚动轴承内圈，发射端光纤、排布光纤和接收端光纤同轴放置，一号轴和二号轴同轴放置，且一号轴和二号轴的轴向与发射端光纤、排布光纤和接收端光纤的轴向平行，

外圈拖动装置用于带动一号轴旋转，1号测速装置用于测量外圈拖动装置的转速，内圈拖动装置用于带动二号轴旋转，2号测速装置用于测量内圈拖动装置的转速，

光纤放大器产生的光信号经发射端光纤发出，透过外圈安装工装上的排布光纤散射形成稳定的光斑，稳定的光斑透过滚动轴承保持架和内外圈之间的缝隙被接收端光纤接收，通过光纤放大器接收接收端光纤的光信号，将光信号进行放大处理后产生的脉冲信号传递给计数器，计数器的显示信号输出端连接显示器的显示信号输入端。

根据内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置实现的测速方法，它包括以下步骤：

外圈拖动装置用于带动一号轴旋转，内圈拖动装置用于带动二号轴旋转，

光纤放大器发出的光信号经发射端光纤发出，透过外圈安装工装上的排布光纤散射形成稳定的光斑，稳定的光斑透过滚动轴承保持架和内外圈之间的缝隙被接收端光纤接收，通过光纤放大器接收接收端光纤的光信号，产生的脉冲信号由光纤放大器放大处理后输出给计数器，对计数器内置设定保持架实际转速f_c'的公式：

f_c'＝60N/z，

获得滚动轴承保持架实际转速f_c'，

其中，N为脉冲信号个数，z为滚动轴承外圈安装工装和内外圈之间的缝隙数。

根据内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置测量滚动轴承打滑的方法，外圈拖动装置用于带动一号轴旋转，1号测速装置用于测量外圈拖动装置的转速，1号测速装置测量的转速记为f_o；

内圈拖动装置用于带动二号轴旋转，2号测速装置用于测量内圈拖动装置的转速，2号测速装置测量的转速记为fi，

根据公式： $f_c=\frac{V_i+V_o}{2\mathrm{\π}{d}_m}=\frac{1}{2}[(1-\frac{D}{d_m}\cos \mathrm{\α})f_i+(1+\frac{D}{d_m}\cos \mathrm{\α})f_o],$

获得滚动轴承保持架转速的理论值f_c，

式中，f_c为滚动轴承保持架的理论转速，单位为r/min，V_i为轴承内圈线速度，单位为mm/min，V_o为轴承外圈线速度，单位为mm/min，d_m为轴承节圆直径，单位为mm，D为滚动体直径，单位为mm，α为接触角，单位为rad，f_i为轴承内圈转速，单位为r/min，f_o为轴承外圈转速，单位为r/min，

光纤放大器产生的光信号经发射端光纤发出，透过外圈安装工装上的排布光纤散射形成稳定的光斑，稳定的光斑透过滚动轴承保持架和内外圈之间的缝隙被接收端光纤接收，通过光纤放大器接收接收端光纤的光信号，产生的脉冲信号由光纤放大器放大处理后输出给计数器，对计数器的内置设定保持架实际转速f_c'的公式：

f_c'＝60N/z，

获得滚动轴承保持架的实际转速f_c'，

其中，N为脉冲信号个数，z为滚动轴承保持架和内外圈之间的缝隙数，

当f_c'<f_c时，滚动轴承发生打滑。

根据内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置判断滚动轴承打滑的方法，根据打滑度公式：

$S=\frac{(f_c-f_c^{\text{\&prime;}})}{f_c},$

获得打滑度S，打滑度S与滚动轴承打滑成正比。

本发明的有益效果为：通过1号测速装置来测定外圈拖动装置转速，通过2号测速装置来测定内圈拖动装置转速，同时，光信号从发射端光纤发出，透过外圈套圈上的排布光纤散射形成较为稳定的光斑，该光斑透过滚动轴承保持架和内外圈之间的缝隙被接收端光纤接收，产生的脉冲信号由光纤放大器放大处理后输出给计数器，对计数器的内置设定转速f_c'的公式，获得滚动轴承保持架的实测转速f_c'。并且，与现有技术相比该装置不需要改变轴承保持架结构。通过1号测速装置和2号测速装置分别测量滚动轴承外圈和内圈的转速，获得滚动轴承保持架的转速理论值f_c，当f_c'<f_c时，滚动轴承发生打滑。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置的结构示意图，

图2为外圈固定的高速滚动轴承保持架光纤测速装置的结构示意图，

图3为本发明中内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速方法的结构图，

图4为本发明中保持架光纤测速工作原理图，

图5为外圈安装工装上的光纤排布图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置，它包括显示器1、计数器2、光纤放大器3、发射端光纤4、接收端光纤5、排布光纤6、外圈安装工装7、滚动轴承8、外圈拖动装置9、内圈拖动装置10、1号测速装置11、2号测速装置12、收发端固定装置13、一号轴14和二号轴15，

外圈安装工装7上设置有多个的通孔，该多个通孔以外圈安装工装7的中心为圆心沿圆周方向均匀分布，每个通孔内嵌入有一根光纤，构成排布光纤6，

所述排布光纤6、外圈安装工装7和滚动轴承8均设置在收发端固定装置13内，一号轴14和外圈安装工装7加工为一体，二号轴15连接滚动轴承8内圈，发射端光纤4、排布光纤6和接收端光纤5同轴放置，一号轴14和二号轴15同轴放置，且一号轴14和二号轴15的轴向与发射端光纤4、排布光纤6和接收端光纤5的轴向平行，

外圈拖动装置9用于带动一号轴14旋转，1号测速装置11用于测量外圈拖动装置9的转速，内圈拖动装置10用于带动二号轴15旋转，2号测速装置12用于测量内圈拖动装置10的转速，

光纤放大器3产生的光信号经发射端光纤4发出，透过外圈安装工装7上的排布光纤6散射形成稳定的光斑，稳定的光斑透过滚动轴承8保持架和内外圈之间的缝隙被接收端光纤5接收，通过光纤放大器3接收接收端光纤5的光信号，将光信号进行放大处理后产生的脉冲信号传递给计数器2，计数器2的显示信号输出端连接显示器1的显示信号输入端。

本实施方式中，滚动轴承8内部的保持架和内外圈之间的缝隙与发射端光纤4和接收端光纤5同轴。

本实施方式中，为了获得准确的测量结果，可以根据实际转速，滚动轴承8尺寸，外圈安装工装7强度等不同应用实际情况的相关因素来调整排布光纤6的数量，外圈安装工装7上设置的通孔直径的大小也可以根据光纤直径的不同而改变。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括供电电源，供电电源用于给整个测试装置供电。

具体实施方式三：参照图3和图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置实现的测速方法，它包括以下步骤：

外圈拖动装置9用于带动一号轴14旋转，内圈拖动装置10用于带动二号轴15旋转，

光纤放大器3发出的光信号经发射端光纤4发出，透过外圈安装工装7上的排布光纤6散射形成稳定的光斑，稳定的光斑透过滚动轴承8保持架和内外圈之间的缝隙被接收端光纤5接收，通过光纤放大器3接收接收端光纤5的光信号，产生的脉冲信号由光纤放大器3放大处理后输出给计数器2，对计数器2内置设定保持架实际转速f_c'的公式：

f_c'＝60N/z，

获得滚动轴承8保持架实际转速f_c'，

其中，N为脉冲信号个数，z为滚动轴承8外圈安装工装和内外圈之间的缝隙数。

具体实施方式四：根据具体实施方式三所述的内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置判断滚动轴承打滑的方法，外圈拖动装置9用于带动一号轴14旋转，1号测速装置11用于测量外圈拖动装置9的转速，1号测速装置11测量的转速记为f_o；

内圈拖动装置10用于带动二号轴15旋转，2号测速装置12用于测量内圈拖动装置10的转速，2号测速装置12测量的转速记为f_i，

根据公式： $f_c=\frac{V_i+V_o}{2\mathrm{\&pi;}{d}_m}=\frac{1}{2}[(1-\frac{D}{d_m}\cos \mathrm{\&alpha;})f_i+(1+\frac{D}{d_m}\cos \mathrm{\&alpha;})f_o],$

获得滚动轴承保持架转速的理论值f_c，

式中，f_c为滚动轴承保持架的理论转速，单位为r/min，V_i为轴承内圈线速度，单位为mm/min，V_o为轴承外圈线速度，单位为mm/min，d_m为轴承节圆直径，单位为mm，D为滚动体直径，单位为mm，α为接触角，单位为rad，f_i为轴承内圈转速，单位为r/min，f_o为轴承外圈转速，单位为r/min，

光纤放大器3产生的光信号经发射端光纤4发出，透过外圈安装工装7上的排布光纤6散射形成稳定的光斑，稳定的光斑透过滚动轴承8保持架和内外圈之间的缝隙被接收端光纤5接收，通过光纤放大器3接收接收端光纤5的光信号，产生的脉冲信号由光纤放大器3放大处理后输出给计数器2，对计数器2的内置设定保持架实际转速f_c'的公式：

f_c'＝60N/z，

获得滚动轴承8保持架的实际转速f_c'，

其中，N为脉冲信号个数，z为滚动轴承8保持架和内外圈之间的缝隙数，

当f_c'<f_c时，滚动轴承8发生打滑。

具体实施方式五：根据具体实施方式四所述的根据内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置判断滚动轴承打滑的方法，根据打滑度公式：

$S=\frac{(f_c-f_c^{\&prime;})}{f_c},$

获得打滑度S，打滑度S与滚动轴承8打滑成正比。

本实施方式中，根据打滑公式，判断打滑的严重程度。

如图2所示，当外圈安装工装7固定时，该装置就变为单转子的状况，此时，由于外圈固定，外圈安装工装7上就不需要排布光纤，发射端光纤4、接收端光纤5直接对准滚动轴承8保持架和内外圈之间的间隙即可，滚动轴承8的外圈转速f_o＝0，可将其作为一种特殊状况，依旧可以用公式1计算保持架转速f_c。

初步的实验结果表明了用光纤线测量保持架的转速，从而进行高速轻载航空轴承的打滑监测和分析的可行性。

Claims (5)

1.内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置，其特征在于，它包括显示器(1)、计数器(2)、光纤放大器(3)、发射端光纤(4)、接收端光纤(5)、排布光纤(6)、外圈安装工装(7)、滚动轴承(8)、外圈拖动装置(9)、内圈拖动装置(10)、1号测速装置(11)、2号测速装置(12)、收发端固定装置(13)、一号轴(14)和二号轴(15)，

外圈安装工装(7)上设置有多个通孔，该多个通孔以外圈安装工装(7)的中心为圆心沿圆周方向均匀分布，每个通孔内嵌入有一根光纤，构成排布光纤(6)，

所述排布光纤(6)、外圈安装工装(7)和滚动轴承(8)均设置在收发端固定装置(13)内，一号轴(14)和外圈安装工装(7)连接为一体，二号轴(15)连接滚动轴承(8)内圈，发射端光纤(4)、排布光纤(6)和接收端光纤(5)同轴放置，一号轴(14)和二号轴(15)同轴放置，且一号轴(14)和二号轴(15)的轴向与发射端光纤(4)、排布光纤(6)和接收端光纤(5)的轴向平行，

外圈拖动装置(9)用于带动一号轴(14)旋转，1号测速装置(11)用于测量外圈拖动装置(9)的转速，内圈拖动装置(10)用于带动二号轴(15)旋转，2号测速装置(12)用于测量内圈拖动装置(10)的转速，

光纤放大器(3)产生的光信号经发射端光纤(4)发出，透过外圈安装工装(7)上的排布光纤(6)散射形成稳定的光斑，稳定的光斑透过滚动轴承(8)保持架和内外圈之间的缝隙被接收端光纤(5)接收，通过光纤放大器(3)接收接收端光纤(5)的光信号，将光信号进行放大处理后产生的脉冲信号传递给计数器(2)，计数器(2)的显示信号输出端连接显示器(1)的显示信号输入端。

2.根据权利要求1所述的内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置，其特征在于，它还包括供电电源，供电电源用于给整个测试装置供电。

3.根据权利要求1所述的内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置实现的测速方法，其特征在于，它包括以下步骤：

外圈拖动装置(9)用于带动一号轴(14)旋转，内圈拖动装置(10)用于带动二号轴(15)旋转，

光纤放大器(3)发出的光信号经发射端光纤(4)发出，透过外圈安装工装(7)上的排布光纤(6)散射形成稳定的光斑，稳定的光斑透过滚动轴承(8)保持架和内外圈之间的缝隙被接收端光纤(5)接收，通过光纤放大器(3)接收接收端光纤(5)的光信号，产生的脉冲信号由光纤放大器(3)放大处理后输出给计数器(2)，对计数器(2)内置设定保持架实际转速f_c'的公式：

f_c'＝60N/z，

获得滚动轴承(8)保持架实际转速f_c'，

其中，N为脉冲信号个数，z为滚动轴承(8)外圈安装工装和内外圈之间的缝隙数。

4.根据内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置判断滚动轴承打滑的方法，其特征在于，外圈拖动装置(9)用于带动一号轴(14)旋转，1号测速装置(11)用于测量外圈拖动装置(9)的转速，1号测速装置(11)测量的转速记为f_o；

内圈拖动装置(10)用于带动二号轴(15)旋转，2号测速装置(12)用于测量内圈拖动装置(10)的转速，2号测速装置(12)测量的转速记为f_i，

根据公式： $f_c=\frac{V_i+V_o}{2\mathrm{\&pi;}{d}_m}=\frac{1}{2}[(1-\frac{D}{d_m}\cos \mathrm{\&alpha;})f_i+(1+\frac{D}{d_m}\cos \mathrm{\&alpha;})f_o],$

获得滚动轴承保持架转速的理论值f_c，

式中，f_c为滚动轴承保持架的理论转速，单位为r/min，V_i为轴承内圈线速度，单位为mm/min，V_o为轴承外圈线速度，单位为mm/min，d_m为轴承节圆直径，单位为mm，D为滚动体直径，单位为mm，α为接触角，单位为rad，f_i为轴承内圈转速，单位为r/min，f_o为轴承外圈转速，单位为r/min，

光纤放大器(3)产生的光信号经发射端光纤(4)发出，透过外圈安装工装(7)上的排布光纤(6)散射形成稳定的光斑，稳定的光斑透过滚动轴承(8)保持架和内外圈之间的缝隙被接收端光纤(5)接收，通过光纤放大器(3)接收接收端光纤(5)的光信号，产生的脉冲信号由光纤放大器(3)放大处理后输出给计数器(2)，对计数器(2)的内置设定保持架实际转速f_c'的公式：

f_c'＝60N/z，

获得滚动轴承(8)保持架的实际转速f_c'，

其中，N为脉冲信号个数，z为滚动轴承(8)保持架和内外圈之间的缝隙数，

当f′_c<f_c时，滚动轴承(8)发生打滑。

5.根据权利要求4所述的内外圈同时转动的高速滚动轴承保持架光纤测速装置判断滚动轴承打滑的方法，其特征在于，根据打滑度公式：

$S=\frac{(f_c-f_c^{\&prime;})}{f_c},$

获得打滑度S，打滑度S与滚动轴承(8)打滑成正比。