CN106596104A - 一种滚动轴承监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚动轴承监测装置及方法，涉及检测技术领域。一种滚动轴承监测装置，通过在滚动轴承的外圈开设有容纳第一光纤的环形凹槽，第一光纤上设有多个间隔设置的用于监测外圈的应变或振动的光纤光栅；光纤光栅一旦检测到外圈的工作情况异常，便会触发报警器件工作。该监测装置结构简单，操作方便；利用光纤光栅对滚动轴承的应变和振动进行监测，从而判断轴承的健康状况。一种滚动轴承监测方法，基于上述的滚动轴承监测装置，能够实现滚动轴承的实时监测，具有防爆、抗电磁干扰、耐高温高压、易于多路复用组网、适于远距离监测等特点。

Description

一种滚动轴承监测装置及方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体而言，涉及一种滚动轴承监测装置及方法。

背景技术

滚动轴承作为旋转机械的基本部件，同时作为承受非线性和时变性载荷的典型零部件，在众多行业都有着广泛的应用，并且占据着主导作用。因此，针对滚动轴承的运行状态和安装环境，进行深度感知、智能监测与故障诊断技术一直是机械装备状态监测领域极为关注的热点和迫切需要的技术。

目前包括滚动轴承在内的多数机械设备的状态监测主要采用传统的电磁类传感器固定到设备的外壳上，因为壳体与被测部件之间的耦合程度不高导致信号的传输质量不好；并且该类传感器具有测点参数单一、抗电磁干扰能力弱、以及信号远距离传输能力较差等局限性，从而使得其在机械设备多参数分布式动态监测中的应用受到限制。再者，针对某些特殊装备，由于受空间和设计缺陷等的限制，轴承所处位置空间狭小，传统传感器安装受限难以获取高质量的轴承状态信号。

发明内容

本发明实施例的目的之一在于提供一种基于光纤光栅的滚动轴承监测装置。在滚动轴承的外圈开设有容纳第一光纤的环形凹槽，第一光纤上设有多个间隔设置的用于监测外圈的应变或振动的光纤光栅；光纤光栅一旦检测到外圈的工作情况异常，便会触发报警器件工作。该监测装置结构简单，操作方便；利用光纤光栅对滚动轴承的应变和振动进行监测，从而判断轴承的健康状况；具有测量范围大、抗电磁干扰和响应速度快的优点，其嵌入式设计既不会对轴承的正常工作产生负面影响，也能够获取高质量的轴承状态信号。

本发明实施例的目的之二在于提供一种滚动轴承监测方法，基于上述的滚动轴承监测装置，能够实现滚动轴承的实时监测，具有防爆、抗电磁干扰、耐高温高压、易于多路复用组网、适于远距离监测等特点。

本发明的实施例是这样实现的：

一种滚动轴承监测装置，包括滚动轴承、检测器件、报警器件、控制装置与分光器件；检测器件包括第一光纤和设于第一光纤上的多个间隔分布的光纤光栅；滚动轴承的外圈开设有容纳第一光纤的环形凹槽；光纤光栅用于监测外圈的应变或振动并生成光信号。分光器件包括第二光纤、第一光传输器件与第二光传输器件；第二光纤连接于第一光传输器件与第二光传输器件之间；第一光纤与第二光传输器件相连；第一光传输器件和报警器件与控制装置分别相连。第一光传输器件用于将接收到的光信号进行处理之后沿第二光纤发送至光纤光栅；第二光传输器件用于将光纤光栅检测到的光信号沿第二光纤反射回第一光传输器件；第一光传输器件将接收的光信号发送至控制装置。控制装置用于将第一光传输器件发送的光信号与预存光信号进行对比，判断发送的光信号与预存光信号的差异度是否超预设阀值，当超过预设阀值时，则触发报警器件工作。

发明人发现：现有的滚动轴承设备的状态监测主要采用将传统的电磁类传感器固定到设备的外壳上；该类传感器具有测点参数单一、抗电磁干扰能力弱、以及信号远距离传输能力较差等局限性；而且针对某些特殊装备，由于受空间和设计缺陷等的限制，轴承所处位置空间狭小，传统传感器安装受限难以获取高质量的轴承状态信号。

旨在解决上述情况，发明人设计了一种滚动轴承监测装置，其包括滚动轴承、检测器件、报警器件、控制装置与分光器件。在滚动轴承的外圈开设有容纳第一光纤的环形凹槽，第一光纤上设有多个间隔设置的用于监测外圈的应变或振动的光纤光栅。第二光传输器件用于将光纤光栅检测到的光信号沿第二光纤反射回第一光传输器件；第一光传输器件将接收的光信号发送至控制装置。控制装置用于将第一光传输器件发送的光信号与预存光信号进行对比，判断发送的光信号与预存光信号的差异度是否超预设阀值，当超过预设阀值时，则触发报警器件工作。该监测装置结构简单，操作方便；利用光纤光栅对滚动轴承的应变和振动进行监测，从而判断轴承的健康状况；具有测量范围大、抗电磁干扰和响应速度快的优点，其嵌入式设计既不会对轴承的正常工作产生负面影响，也能够获取高质量的轴承状态信号。

在本发明的一种实施方式中：

控制装置包括控制器与调制解调器；分光器件还包括光源；调制解调器与控制器、第一光传输器件分别相连；光源与第一光传输器件相连。

在本发明的一种实施方式中：

滚动轴承监测装置还包括开关件，开关件与控制器相连，并设于第一光传输器件与第二光传输器件之间，控制器通过开关件向光源发送控制光源的开启闭合状态的控制指令。

在本发明的一种实施方式中：

第一光传输器件包括至少一个第一耦合器，第二光传输器件包括多个第二耦合器，多个第二耦合器的一端分别与多个检测器件的第一光纤一一对应连接，另一端通过多个第二光纤与第一耦合器连接。

在本发明的一种实施方式中：

第一光纤与第二耦合器以热熔接的方式连接，第二光纤与第一耦合器、第二耦合器之间以热熔接的方式连接。

在本发明的一种实施方式中：

控制器与报警器件相连。

在本发明的一种实施方式中：

相邻两个光纤光栅之间的距离，根据滚动轴承的直径大小以及监测点数决定。

在本发明的一种实施方式中：

滚动轴承监测装置还包括粘贴件，粘贴件使第一光纤与凹槽的内表面紧密连接。

在本发明的一种实施方式中：

粘贴件为树脂胶。

一种滚动轴承监测方法，基于上述滚动轴承监测装置，包括如下步骤：

S1：控制装置控制光源将光信号依次通过第一光传输器件与第二光传输器件传输给光纤光栅；

S2：光纤光栅用于检测外圈的应变或振动并生成光信号并将光信号反射回第一光传输器件；

S3：第一光传输器件将光信号发送至控制装置，控制装置判断接收的光信号与预存光信号的差异度是否超预设阀值，当超过预设阀值时，则触发报警器件工作。

本发明的实施例具有以下有益效果：

本发明的实施例提供的一种基于光纤光栅的滚动轴承监测装置。在滚动轴承的外圈开设有容纳第一光纤的环形凹槽，第一光纤上设有多个间隔设置的用于监测外圈的应变或振动的光纤光栅；光纤光栅一旦检测到外圈的工作情况异常，便会触发报警器件工作。该监测装置结构简单，操作方便；利用光纤光栅对滚动轴承的应变和振动进行监测，从而判断轴承的健康状况；具有测量范围大、抗电磁干扰和响应速度快的优点，其嵌入式设计既不会对轴承的正常工作产生负面影响，也能够获取高质量的轴承状态信号。

本发明的实施例提供的一种滚动轴承监测方法，基于上述的滚动轴承监测装置，能够实现滚动轴承的实时监测，具有防爆、抗电磁干扰、耐高温高压、易于多路复用组网、适于远距离监测等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中滚动轴承监测装置的第一种连接框图；

图2为本发明实施例中滚动轴承的第一种结构示意图；

图3为本发明实施例中滚动轴承的第二种结构示意图；

图4为本发明实施例中滚动轴承监测装置的第二种连接框图。

图标：100-滚动轴承监测装置；10-滚动轴承；101-外圈；103-凹槽；105-内圈；107-滚动体；20-检测器件；201-第一光纤；203-光纤光栅；30-报警器件；60-开关件；40-控制装置；401-控制器；403-调制解调器；50-分光器件；501-第二光纤；502-第一光传输器件；503-第二光传输器件；504-光源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”应做广义理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种滚动轴承监测装置100的第一种连接框图。所述滚动轴承监测装置100，其包括报警器件30、控制装置40、分光器件50与检测器件20。所述分光器件50连接于所述检测器件20与所述控制装置40之间，所述检测器件20与所述分光器件50通过第二光纤501连接；所述控制装置40与所述报警器件30相连。

所述滚动轴承监测装置100应用于如汽车、机床与电机等机械设备系统，该系统包括用于承受径向载荷与轴向载荷的待监测的滚动轴承10。

请参照图2，图2为滚动轴承10的结构示意图。所述滚动轴承10包括用于与轴承座配合的外圈101与用于与轴转动配合的内圈105；所述外圈101的径向尺寸大于所述内圈105的径向尺寸。由所述外圈101与所述内圈105共同限定的呈环状的容纳空间，在所述容纳空间里均匀分布着多个滚动体107。所述滚动体107作为滚动轴承10的核心元件，其种类包括球、圆柱滚子、圆锥滚子与滚针等；在本实施例中，所述滚动体107为钢球。

请参照图3并结合图2，在所述滚动轴承10的所述外圈101上开设有容纳所述检测器件20的凹槽103，所述凹槽103呈环状且其两端延伸的方向沿着所述外圈101围绕。

所述检测器件20包括第一光纤201和设于第一光纤201上的多个间隔分布的光纤光栅203；所述光纤光栅203用于监测所述外圈101的应变或振动并生成光信号。相邻两个所述光纤光栅203之间无焊接点，即所述第一光纤201与多个设于所述第一光纤201上的所述光纤光栅203为一个整体；而且相邻两个所述光纤光栅203之间的距离由所述滚动轴承10的直径大小以及监测点数决定；监测点数即外圈101与光纤光栅203接触的对应点。

为了进一步提高对于所述滚动轴承10的监测质量，在所述检测器件20上还设置有粘贴件；该粘贴件用于使所述第一光纤201包括设于所述第一光纤201上的所述光纤光栅203与所述凹槽103接触的内表面紧密连接，其作用在于能更好地将所述外圈101的应变与振动等变化传递给所述光纤光栅203；从而所述光纤光栅203能够获得所述外圈101的较为精确的工作信号。其中所述粘贴件多种多样，在本实施例中，所述粘贴件为树脂胶。树脂胶具有以下优点，不仅防水，耐油、强酸强碱；而且具有一定的弹性恢复力的特点，用于在受到外力作用下由稠变稀，外力停止后又恢复原有的稠度；该特点保持粘贴件与光纤光栅203的弹性模量一致，也能够起到更好地使外圈101的应变与振动等变化传递给光纤光栅203的效果。

请具体参照图4，图4为本发明实施例提供的一种滚动轴承监测装置100的第二种连接框图。所述分光器件50包括光源504、第一光传输器件502、第二光传输器件503。所述第一光传输器件502包括至少一个所述第一耦合器，所述第二光传输器件503包括多个所述第二耦合器；所述第一耦合器通过所述第二光纤501分别与所述光源504与所述第二耦合器相连；所述第二耦合器与所述第一光纤201相连。在本实施例中，所述光源504为ASE宽带光源504，具有输出功率大、稳定性高与接口简单的优点。所述第一耦合器与所述光源504相连，用于将所述光源504的光信号通过所述第二耦合器分配给所述第一光纤201上的所述光纤光栅203。在本实施例中，所述第一耦合器与所述第二耦合器的耦合比均为50:50.

所述控制装置40包括控制器401与调制解调器403。所述控制器401与所述报警器件30相连；所述调制解调器403连接于所述第一耦合器与所述控制器401之间。所述调制解调器403用于接受所述第一耦合器返回的光信号并将所述光信号解调成相应的电信号，并将所述电信号发送至所述控制器401。所述控制器401用于接受并分析所述电信号和控制所述报警器件30的开启或闭合；为了进一步优化控制效果，在所述第一光传输器件502与所述控制器401之间设置了开关件60，从而所述控制器401可以通过所述开关件60控制所述光源504的开启或闭合。

在本实施例中，所述控制器401可以是微型控制器，所述控制器401内预存有电信号。所述控制器401用于判断接受的所述电信号与预存的电信号进行对比，一旦接受的所述电信号与预存的电信号之间的差异度超过预设阀值，就会触发报警器件30工作；反之其差异度没有超过预设阀值，就不会触发报警器件30工作。所述控制器401内还预存有控制所述光源504开启或闭合的指令，所述控制器401通过所述开关件60向所述光源504发送控制所述光源504的开启或闭合的控制指令。

综上，本实施例提供的一种滚动轴承监测装置100，其包括待监测的滚动轴承10、报警器件30、控制装置40、分光器件50与检测器件20。所述滚动轴承10的外圈101开设有容纳所述第一光纤201的环形凹槽103103；所述光纤光栅203用于监测所述外圈101的应变或振动并生成光信号。所述分光器件50包括第二光纤501、第一光传输器件502与第二光传输器件503；所述第二光纤501连接于所述第一光传输器件502与第二光传输器件503之间；所述第一光纤201与所述第二光传输器件503相连；所述第一光传输器件502和报警器件30与所述控制装置40分别相连。所述第一光传输器件502用于将接收到的光信号进行处理之后沿所述第二光纤501发送至所述光纤光栅203；所述第二光传输器件503用于将所述光纤光栅203检测到的光信号沿所述第二光纤501反射回所述第一光传输器件502；所述第一光传输器件502将接收的光信号发送至所述控制装置40。所述控制装置40用于将所述第一光传输器件502发送的光信号与预存光信号进行对比，判断所述发送的光信号与所述预存光信号的差异度是否超预设阀值，当超过预设阀值时，则触发所述报警器件30工作。该监测装置结构简单，操作方便；利用所述光纤光栅203对所述滚动轴承10的应变和振动进行监测，从而判断轴承的健康状况；具有测量范围大、抗电磁干扰和响应速度快的优点，其嵌入式设计既不会对轴承的正常工作产生负面影响，也能够获取高质量的轴承状态信号。

需要说明的是，本实施例中提供的滚动轴承监测装置100，可以实现对机械系统中的多个待监测的滚动轴承10实时同步监测。其具体操作是：所述开关件60可以配设有多根用于输出光信号的所述第二光纤501，多根所述第二光纤501分别与多个所述第二耦合器一一对应连接；然后多个所述第二耦合器与多个所述滚动轴承10上设有的多个所述光纤光栅203一一对应连接。

本发明的实施例还提供了一种滚动轴承10监测方法，所述方法基于上述的滚动轴承监测装置100，能够实现滚动轴承10的实时监测，具有防爆、抗电磁干扰、耐高温高压、易于多路复用组网、适于远距离监测等特点；包括如下步骤：

S1：所述控制器401控制所述光源504将所述光信号依次通过所述第一光传输器件502、开关件60与所述第二光传输器件503传输给光纤光栅203；

S2：所述光纤光栅203用于检测所述外圈101的应变或振动并生成相应的光信号，并将所述光信号反射回所述第一光传输器件502；

S3：所述第一光传输器件502将所述光信号发送至所述调制解调器403，所述调制解调器403将所述光信号解调成相应的电信号，并将所述电信号发送至所述控制器401；控制器401判断接收的光信号与预存光信号的差异度是否超预设阀值，当超过预设阀值时，则触发报警器件30工作。

在本实施例中，所述开关件60与所述调制解调器403分别具有RS232通信接口，且分别通过RS232数据线与所述控制器401相连。而某些部件之间均通过光纤热熔接的方式连接，譬如：所述第一光纤201与所述第二耦合器的输出尾纤热熔接；所述开关件60的输出尾纤与所述第二耦合器的输入尾纤热熔接；所述开关件60的输入尾纤与所述第一耦合器的输出尾纤热熔接。上述输出尾纤与输入尾纤均可以为所述第二光纤501，具体为单模光纤SMF-28；在其他具体实施例中，上述输出尾纤与输入尾纤根据需求不限于上述具体型号。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种滚动轴承监测装置，其特征在于：

包括滚动轴承、检测器件、报警器件、控制装置与分光器件；所述检测器件包括第一光纤和设于所述第一光纤上的多个间隔分布的光纤光栅；所述滚动轴承的外圈开设有容纳所述第一光纤的环形凹槽；所述光纤光栅用于监测所述外圈的应变或振动并生成光信号；

所述分光器件包括第二光纤、第一光传输器件与第二光传输器件；所述第二光纤连接于所述第一光传输器件与第二光传输器件之间；所述第一光纤与所述第二光传输器件相连；所述第一光传输器件和报警器件与所述控制装置分别相连；

所述第一光传输器件用于将接收到的光信号进行处理之后沿所述第二光纤发送至所述光纤光栅；所述第二光传输器件用于将所述光纤光栅检测到的光信号沿所述第二光纤反射回所述第一光传输器件；所述第一光传输器件将接收的光信号发送至所述控制装置；

所述控制装置用于将所述第一光传输器件发送的光信号与预存光信号进行对比，判断所述发送的光信号与所述预存光信号的差异度是否超预设阀值，当超过预设阀值时，则触发所述报警器件工作。

2.根据权利要求1所述的一种滚动轴承监测装置，其特征在于：所述控制装置包括控制器与调制解调器；所述分光器件还包括光源；所述调制解调器与所述控制器、所述第一光传输器件分别相连；所述光源与所述第一光传输器件相连。

3.根据权利要求2所述的一种滚动轴承监测装置，其特征在于：所述滚动轴承监测装置还包括开关件，所述开关件与所述控制器相连，并设于所述第一光传输器件与所述第二光传输器件之间，所述控制器通过所述开关件向所述光源发送控制所述光源的开启闭合状态的控制指令。

4.根据权利要求3所述的一种滚动轴承监测装置，其特征在于：所述第一光传输器件包括至少一个第一耦合器，所述第二光传输器件包括多个第二耦合器，多个所述第二耦合器的一端分别与多个所述检测器件的所述第一光纤一一对应连接，另一端通过多个所述第二光纤与所述第一耦合器连接。

5.根据权利要求4所述的一种滚动轴承监测装置，其特征在于：所述第一光纤与所述第二耦合器以热熔接的方式连接，所述第二光纤与所述第一耦合器、所述第二耦合器之间以热熔接的方式连接。

6.根据权利要求2所述的一种滚动轴承监测装置，其特征在于：所述控制器与所述报警器件相连。

7.根据权利要求1所述的一种滚动轴承监测装置，其特征在于：相邻两个所述光纤光栅之间的距离，根据所述滚动轴承的直径大小以及监测点数决定。

8.根据权利要求7所述的一种滚动轴承监测装置，其特征在于：所述滚动轴承监测装置还包括粘贴件，所述粘贴件使所述第一光纤与所述凹槽的内表面紧密连接。

9.根据权利要求8所述的一种滚动轴承监测装置，其特征在于：所述粘贴件为树脂胶。

10.一种滚动轴承监测方法，所述方法基于上述权利要求1-9中任意一项所述的滚动轴承监测装置，包括如下步骤：

S1：所述控制装置控制所述光源将光信号依次通过所述第一光传输器件与所述第二光传输器件传输给所述光纤光栅；

S2：所述光纤光栅用于检测所述外圈的应变或振动并生成光信号并将所述光信号反射回所述第一光传输器件；

S3：所述第一光传输器件将所述光信号发送至所述控制装置，所述控制装置判断所述接收的光信号与所述预存光信号的差异度是否超预设阀值，当超过预设阀值时，则触发所述报警器件工作。