CN108051122A - 基于光纤光栅的回转支承应力分布监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤光栅的回转支承应力分布监测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤(1)、在回转支承定圈(4)端面开均匀分布的凹槽(8)；步骤(2)、用环氧树脂将光纤光栅应变传感器(7)粘贴在回转支承定圈凹槽(8)中，每个光纤光栅应变传感器附近安装光纤光栅温度传感器(6)进行温度补偿；步骤(3)、通过空分复用开关将各支路接入到解调模块，进行数据处理分析，获得回转支承应力分布。本发明的基于光纤光栅的回转支承应力分布监测方法，利用光纤光栅应变传感器测量回转支承定圈端面变形，光纤光栅温度传感器进行温度补偿，排除温度对光纤光栅应变传感器的影响，采用空分复用技术将各支路接入解调模块进行解调，然后进行数据分析处理，获得回转支承应力分布，达到在线监测回转支承的功能。
Description
技术领域
本发明涉及基于光纤光栅的回转支承应力分布监测方法，具体说是一种运用光纤光栅应变传感器在线测量回转支承应力分布的监测方法。
背景技术
回转支承是近几十年快速发展起来的机械关键零部件，可实现两结构相对回转和传递载荷的功能。与一般滚动轴承相比，其可承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩，而且结构尺寸小，中间空间大，工作时具有回转阻力小，转动灵活，结构简单紧凑，安装和维护方便等优点。因此回转支承应用十分广泛，在起重机械(港口起重机、汽车起重机、塔式起重机)、工程机械(挖掘机)、化工机械、医疗设备、军事装备(雷达、坦克等)、风力发电设备和娱乐设施等领域。回转支承使用频繁，冲击载荷大，工作环境恶劣，在实际使用中容易出现各种事故，严重影响正常使用，甚至造成无法弥补的人员损伤和巨大的财产损失。
回转支承内外圈上有螺栓孔，通过高强度螺栓对内外圈两端面与上下连接件端面进行绑定。以前对回转支承的健康监测主要采用常规的电类测试传感技术，电感传感元件的安装空间大，而回转支承结构紧凑，无法在不损伤机械结构的情况进行安装，往往在内外圈开槽挖孔，这些对回转支承机械结构强度影响巨大，承载能力显著降低，而且回转支承的工作环境恶劣，电感传感元件寿命短，易受环境影响，不能对回转支承进行长期应力分布监测。
光纤光栅测试传感技术可以将多个相同或不同的传感器串并连在一根光纤上，集成度高；单根光纤上传感器可以间隔几厘米或十几千米，可实现远程监测；分辨率和测试精度高；可安装在高温、高湿等恶劣环境中；重量轻，体积小，安装使用方便；光纤光栅以光信号中心波长值作为测量值，属于数字量，光源的老化衰减及光纤布设，弯曲或扰动引入光信号衰减不影响测量精度；电绝缘，耐腐蚀，安全性好，可埋于结构内部，无源无电，适合在线测量；系统安装和长期使用过程中不需要定标，光纤光栅本身稳定，不存在零点漂移；粘贴或嵌入到结构中不会对结构和性能产生影响。
光纤光栅传感器由光纤光栅、金属基片、胶粘剂和光栅四部分组成，光纤光栅封装在基片上，基片通过环氧树脂粘贴在回转支承定圈端面凹槽中，光纤光栅应变传感器本体作为传感原件并不直接承受外部载荷，回转支承受载变形，通过基片和粘接剂传递到光纤光栅，使光纤光栅产生伸长或缩短，导致波长的变化，通过光纤光栅解调器解调后传输到后处理，进行数据分析，获得回转支承应力分布。
回转支承设备作为特种设备之一，常规检验不能对安全状态做出及时准确判断，为了保障设备运行安全，提高经济效益，建立回转支承实时在线监测系统十分必要和迫切。基于光纤光栅应变传感器的回转支承应力分布监测方法对设备运行状态进行实时监测，将运行情况和安全状况记录存储，提高工作效率和安全性，具有很高的经济性和实用性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于光纤光栅的回转支承应力分布监测方法，回转支承定圈受载后产生形变，粘贴于定圈端面凹槽中的光纤光栅应变传感器产生同步变形，继而引起光纤光栅中光波波长的变化，因此，通过波长变化值即可反应回转支承的变形量，光纤光栅温度传感器进行温度补偿，经过解调器解调，然后进行数据处理得到回转支承定圈的应力，对回转支承进行在线应力分布测量。
本发明的技术方案如下：
一种基于光纤光栅的回转支承应力分布监测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)、在回转支承定圈(4)端面开均匀分布的凹槽(8)，凹槽的形状和分布在不影响回转支承机械结构强度的情况下保证测试的精度；
步骤(2)、用环氧树脂将光纤光栅应变传感器(7)粘贴在回转支承定圈凹槽(8)中，每个光纤光栅应变传感器附近安装光纤光栅温度传感器(6)进行温度补偿，光纤光栅温度传感器(6)靠近光纤光栅应变传感器(7)，不接触回转支承定圈(4)和下连接件(5)；光纤光栅温度传感器(6)通过光纤(12)与光纤光栅应变传感器(7)连接，光信号通过空分复用开关进入解调模块解调；
步骤(3)、光源发出光信号，经过耦合器传输给并联的各支路传感器，光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器串联，回转支承受载后，定圈产生变形，在定圈上的基片同时产生变形，各支路的光纤光栅应变传感器造成传输过来的光信息发生变化，在总波长变化中减去温度引起的波长变化得到应变引起的波长变化，进而完成应变测量，通过空分复用开关将各支路接入到解调模块，进行数据处理分析，获得回转支承应力分布。
所述回转支承的回转支承动圈(3)通过高强度螺栓(2)与上连接件(1)连接，回转支承定圈(4)通过高强度螺栓(2)与下连接件(5)连接。
还包括步骤(1)与步骤(2)之间还包括将光纤光栅(11)通过胶粘剂(10)固定在基片(9)上，分别制作光纤光栅应变传感器(7)和光纤光栅温度传感器(6)的步骤，光纤光栅(11)两端通过光纤(12)传输光信号，及时准确的显示其受载变形情况，光纤光栅温度传感器抵消温度对应力测量的影响。
所述步骤(3)数据分析处理包括在线监测，远程控制，状态分析，预警预报和信息查询。
本发明的有益效果是：
基于光纤光栅的回转支承应力分布监测方法，利用光纤光栅应变传感器测量回转支承定圈端面变形，光纤光栅温度传感器进行温度补偿，排除温度对光纤光栅应变传感器的影响，采用空分复用技术将各支路接入解调模块进行解调，然后进行数据分析处理，获得回转支承应力分布，达到在线监测回转支承的功能。
本发明在不影响回转支承结构强度的情况下，在回转支承定圈端面与下连接件端面之间的狭小空间进行安装，测量快速准确，可实现长期在线监测和预警，提高回转支承安全性和可靠性，填补回转支承应力分布监测的空白。
回转支承设备作为特种设备之一，常规检验不能对安全状态做出及时准确判断，为了保障设备运行安全，提高经济效益，建立回转支承实时在线监测系统十分必要和迫切。基于光纤光栅应变传感器的回转支承应力分布监测方法对设备运行状态进行实时监测，将运行情况和安全状况记录存储，提高工作效率和安全性，具有很高的经济性和实用性。
(1)在线监测：了解回转支承在工作过程中，随载荷变化情况的结构应力，判断回转支承的安全工作等级，尤其对于最大受载部分。
(2)远程管理：光纤光栅应变传感器通过波长变化完成应力测量，长距离传输过程中没有衰减，实现远距离控制管理。
(3)状态评估：了解回转支承工作状态下的载荷状态，真实反应回转支承的工作级别，描绘不同工况的载荷谱。
(4)预警预报：设置报警值，当回转支承受载超过极限载荷，基于光纤光栅的回转支承应力分布监测方法会提出报警，避免回转支承过载失效，造成经济损伤和人员伤亡。
(5)信息查询：回转支承内圈均布光纤光栅应变传感器，不同传感器进行编码，可以监测出回转支承各位置的应力大小，进行信息查询。
附图说明
图1是本发明中回转支承连接结构图。
图2是本发明中回转支承内圈凹槽结构和布局图。
图3是本发明中基片封装光纤光栅传感器结构。
图4是本发明中光纤光栅应变传感器安装示意图。
图5是本发明中在线监测方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作详细的说明。
如图1至图5，一种基于光纤光栅的回转支承应力分布监测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)、在回转支承定圈(4)端面开均匀分布的凹槽(8)，凹槽的形状和分布在不影响回转支承机械结构强度的情况下保证测试的精度；
步骤(2)、用环氧树脂将光纤光栅应变传感器(7)粘贴在回转支承定圈凹槽(8)中，每个光纤光栅应变传感器附近安装光纤光栅温度传感器(6)进行温度补偿，光纤光栅温度传感器(6)靠近光纤光栅应变传感器(7)，不接触回转支承定圈(4)和下连接件(5)；光纤光栅温度传感器(6)通过光纤(12)与光纤光栅应变传感器(7)连接，光信号通过空分复用开关进入解调模块解调；
步骤(3)、光源发出光信号，经过耦合器传输给并联的各支路传感器，光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器串联，回转支承受载后，定圈产生变形，在定圈上的基片同时产生变形，各支路的光纤光栅应变传感器造成传输过来的光信息发生变化，在总波长变化中减去温度引起的波长变化得到应变引起的波长变化，进而完成应变测量，通过空分复用开关将各支路接入到解调模块，进行数据处理分析，获得回转支承应力分布。
所述回转支承的回转支承动圈(3)通过高强度螺栓(2)与上连接件(1)连接，回转支承定圈(4)通过高强度螺栓(2)与下连接件(5)连接。
还包括步骤(1)与步骤(2)之间还包括将光纤光栅(11)通过胶粘剂(10)固定在基片(9)上，分别制作光纤光栅应变传感器(7)和光纤光栅温度传感器(6)的步骤，光纤光栅(11)两端通过光纤(12)传输光信号，及时准确的显示其受载变形情况，光纤光栅温度传感器抵消温度对应力测量的影响。
所述步骤(3)数据分析处理包括在线监测，远程控制，状态分析，预警预报和信息查询。
参照图3，通过胶粘剂将光纤光栅(11)固定在基片(9)上，分别制作光纤光栅应变传感器(7)和光纤光栅温度传感器(6)。
参照图2和4，在回转支承定圈(4)的端面均匀开出12个凹槽(8)，在不影响回转支承结构强度和保证安装空间的情况下，凹槽的深度为5毫米，凹槽的粗糙度和平行度与回转支承定圈端面相同，打磨粗糙并去除表面杂质。用环氧树脂将光纤光栅应变传感器(7)粘贴在凹槽中，保证光纤光栅应变传感器的轴向方向和回转支承的半径方向相同。光纤光栅温度传感器(6)安装在光纤光栅应变传感器(7)附近，但不与回转支承定圈接触。
参照图1，将装有光纤光栅应变传感器(7)和光纤光栅温度传感器(6)的回转支承定圈(4)通过高强度螺栓(2)与下连接件(5)连接，回转支承动圈(3)通过高强度螺栓(2)与上连接件(1)连接。
参照图5，基于光纤光栅的回转支承应力分布监测方法，光源发出光信号，经过耦合器传输给并联的各支路传感器，光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器串联，回转支承受载后，定圈产生变形，在定圈上的基片同时产生变形，各支路的光纤光栅应变传感器造成传输过来的光信息发生变化，在总波长变化中减去温度引起的波长变化得到应变引起的波长变化，进而完成应变测量，通过空分复用开关将各支路接入到解调模块，进行数据处理分析，获得回转支承应力分布。
参照图5根据回转支承受载后获得的数据，进行在线监测，实时监测回转支承的最大载荷和载荷分布情况；进行远程管理，管理人员可以在距离设备几十米或几十千米的地方进行监测管理；进行状态评估，监测回转支承在一定使用年数时，承载能力的状况；进行预警预报，根据回转支承承受极限载荷时的应力值设置报警值，超过该值进行报警，保证回转支承工作的安全稳定，避免经济损伤和人员伤亡；进行信息查询，基于光纤光栅的回转支承应力分布监测方法将各时期的数据进行存储，记录回转支承的载荷谱和使用情况，方便随时查阅。
光纤光栅应变传感器(7)封装在基片(9)上，然后粘贴于回转支承凹槽(8)上，粘贴前对光纤光栅施加轴向预应力，有效消除光栅残余应力对所测应力的影响。
在回转支承定圈(4)端面开12个平坦凹槽(8)，均匀分布，凹槽表面粗糙度和平行度与内外圈端面一样，打磨粗糙并去除表面杂质，以增强胶体粘贴牢固。
在实际工况中，光纤光栅在测量时无法分辨应力和温度分别引起的波长变化，所以必须采取补偿或区分措施。采用参考光纤光栅法，在光纤光栅应变传感器(7)附近额外加入一根或多根温度参考光栅，对应变光栅进行温度补偿，抵消温度对应力测量的影响。
采用空分复用技术接入解调模块进行解调，由多根光纤支路组成，通过开关矩阵完成不同支路之间的连接切换，接入解调系统中，简单可靠。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作出任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种基于光纤光栅的回转支承应力分布监测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)、在回转支承定圈(4)端面开均匀分布的凹槽(8)，凹槽的形状和分布在不影响回转支承机械结构强度的情况下保证测试的精度；
步骤(2)、用环氧树脂将光纤光栅应变传感器(7)粘贴在回转支承定圈凹槽(8)中，每个光纤光栅应变传感器附近安装光纤光栅温度传感器(6)进行温度补偿，光纤光栅温度传感器(6)靠近光纤光栅应变传感器(7)，不接触回转支承定圈(4)和下连接件(5)；光纤光栅温度传感器(6)通过光纤(12)与光纤光栅应变传感器(7)连接，光信号通过空分复用开关进入解调模块解调；
步骤(3)、光源发出光信号，经过耦合器传输给并联的各支路传感器，光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器串联，回转支承受载后，定圈产生变形，在定圈上的基片同时产生变形，各支路的光纤光栅应变传感器造成传输过来的光信息发生变化，在总波长变化中减去温度引起的波长变化得到应变引起的波长变化，进而完成应变测量，通过空分复用开关将各支路接入到解调模块，进行数据处理分析，获得回转支承应力分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述回转支承的回转支承动圈(3)通过高强度螺栓(2)与上连接件(1)连接，回转支承定圈(4)通过高强度螺栓(2)与下连接件(5)连接。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤(1)与步骤(2)之间还包括将光纤光栅(11)通过胶粘剂(10)固定在基片(9)上，分别制作光纤光栅应变传感器(7)和光纤光栅温度传感器(6)的步骤，光纤光栅(11)两端通过光纤(12)传输光信号，及时准确的显示其受载变形情况，光纤光栅温度传感器抵消温度对应力测量的影响。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(3)数据分析处理包括在线监测，远程控制，状态分析，预警预报和信息查询。
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