CN108957023A - 一种基于超声波的轴承保持架转速的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波的轴承保持架转速的测量系统及方法，一种基于超声波的轴承保持架转速的测量系统，包括：计算机、超声探头、双通道高频超声探头发射接收板卡、两通道虚拟示波器；通过超声探头发射接收板卡对超声探头进行激励，并接收来自超声探头的回波信号，两通道虚拟示波器对信号进行实时采集，并实时通过计算机计算转速。实现了对保持架转速的实时测量，经验证该系统运行稳定可靠，满足设计要求。

Description

一种基于超声波的轴承保持架转速的测量系统及方法

技术领域

本发明属于轴承测速及运行状态检测技术领域，具体涉及一种基于超声波的轴承保持架转 速的测量系统及方法。

背景技术

轴承转子系统是旋机械的核心部件，负责实力与矩传递，同时也是设备安全、高效精密和 稳定运行的主要因素。转子系统动态性能与其支撑轴承直接相关，圆柱滚子作为典型的线接触 副，具有径向承载能力大、摩擦系数小等优点，在大型旋转机械中有着广泛应用。

应用航空航天领域的滚动轴承一般转速较高，工作环境比较苛刻，对滚动轴承的性能要求 也比较高。作为该类轴承一个非常关键的零部件，轴承保持架的动态性能及可靠性会影响到整 个轴承的工作性能，其运动不稳定性易造成轴承早期失效。航空发动机主轴轴承在高速和轻载 运行状态下极易产生打滑现象，在众多轴承故障的原因分析中，打滑是滚动轴承高速空载工况 下常见的失效形式。高速滚动轴承运行过程中发生的打滑现象会引起轴承内外圈滚道和滚动体 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，从而严重威胁航空发动 机的安全运行。

传统测量保持架转速的方法有光学法、电磁法、电涡流法、应力法等，光学法测量时，在 高温高速工况下，轴承中是油雾会遮挡光路；电磁法测量时，磁场会导致轴承内磨碎碎片的结 合，导致轴承的磨损加剧；电涡流法测量范围窄，高速下可能会引起探头和滚子的碰撞；而应 力法容易受振动影响，上述测量方法因各自的缺点限制，均不适用于工业现场及高转速工况下 的轴承保持架转速测量。随着超声技术的发展，超声测量保持架转速方法应运而生。根据超声 法测量保持架转速方法，提出一种测量轴承保持架转速的测控系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于超声波的轴承保持架转速的测量系统及方法， 实现了利用超声波对保持架转速进行实时测量，而不影响轴承自身的运动。

为达到上述目的，本发明所述一种基于超声波的轴承保持架转速的测量系统包括计算机、 超声探头、发射接收电路、虚拟示波器，超声探头与发射接收电路双向通信连接，发射接收电 路和虚拟示波器双向通信连接，虚拟示波器与计算机双向通讯连接，

其中，虚拟示波器用于向发射接收电路发射接收电路发送重复频率信号；接收发射接收电 路传递的放大后的反射波，并将放大后的反射波传递至计算机；

发射接收电路用于接收虚拟示波器发送的重复频率信号，并形成用于激励超声探头的电 压，并将该电压传递给超声探头；接收并放大超声探头发送的反射波，将放大后的反射波传递 至虚拟示波器；

超声探头用于接收激励电压，并向轴承内发射超声信号，然后接收反射波，并将反射波传 递至发射接收电路；

计算机用于接收发射接收电路传递的放大后的反射波，跟根据放大后的反射波计算轴承保 持架的转速。

进一步的，发射接收电路包括功能及时序控制电路、高压脉冲驱动电路及超声回波接收放 大电路；其中，功能及时序控制电路产生驱动电路所需的时序控制信号，并通过串口与上位机 进行通讯，控制脉冲宽度、重复频率和触发方式，实现参数的在线智能调整；时序控制信号作 用于高压脉冲驱动电路产生高压高频脉冲，高压高频脉冲用于驱动高频超声探头；超声回波接 收放大电路用于隔离、接收、滤波和放大超声回波信号。

进一步的，超声探头固定在轴承外圈上。

进一步的，虚拟示波器为两通道虚拟示波器，其最大分辨率为16位，带宽为200MHz， 内存为512MS，并内置任意波形函数发生器。

一种基于超声方法测量轴承保持架转速的方法，通过发射接收电路对设置在轴承外圈上的 超声探头进行激励，然后发射接收电路接收来自超声探头的回波信号，两通道虚拟示波器对回 波信号进行实时采集，并将回波信号实时传递至计算机，计算机根据回波信号计算轴承保持架 的转速。

进一步的，包括以下步骤：

步骤1、通过虚拟示波器内置信号发生器向发射接收电路发送重复频率信号；

步骤2、发射接收电路接收信号后，形成用于激励超声探头的电压，并将该电压传递给超 声探头；

步骤3、超声探头接收到激励电压后，向轴承内发射超声信号，并接收反射波，然后超声 探头将反射波传递至发射接收电路；

步骤4、发射接收电路接收超声探头传递的反射波，然后进行放大，放大后输出超声反射 脉冲回波，并传递至虚拟示波器；

步骤5、虚拟示波器采集发射接收电路输出的超声反射脉冲回波，然后将接收到的超声反 射脉冲回波传输到计算机，计算机根据超声反射脉冲回波计算保持架转速。

进一步的，步骤5中，保持架转速的计算过程为：求取每一超声反射脉冲回波的峰峰值， 对得到的所有峰峰值序列X进行傅里叶变换，根据公式(1)得到时间Δt内轴承滚子的个数a， 通过公式(2)求得Δt，通过公式(3)计算可得保持架转速ω，

[x,a]＝max(fft(X)) (1)，

Δt＝K/f (2)，

公式(1)至公式(3)中，K为每次采集的段数，f为信号发生器频率，M为所测量轴承的滚子个数。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明通过发射接收电路对超声 探头进行激励，并接收来自超声探头的回波信号，两通道虚拟示波器对信号进行实时采集，并 对采集到的信号进行处理。实现了对保持架转速的实时测量，经验证该系统运行稳定可靠，低 速下测量结果与理论保持架转速相一致，轴承滚子滚过时，超声信号的变化明显，通过提高超 声脉冲的重复频率，可以得到滚子经过超声探头的相对精确时间，从而提高测量精度。

采用自制的发射接收电路，提高了可发射超声的重复频率，提高了可测主轴转速的最大值， 可测量主轴转速为60,000rpm～80,000rpm下的保持架转速。通过该系统能实现了对工业现场 高速轴承保持架转速的实时测量，监测轴承保持架在各种工况下的打滑情况。

附图说明

图1为本发明的机构示意图；

图2为本发明的测量系统流程图；

图3为测控软件界面图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、 “后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所 指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的 限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或 者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐 含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个 或两个以上。

参照图1和图3，一种基于超声波的轴承保持架转速的测量系统包括：计算机、超声探头、 发射接收电路、虚拟示波器。其中，超声探头固定在轴承外圈上，超声探头与发射接收电路双 向通信连接，发射接收电路和虚拟示波器双向通信连接，虚拟示波器与计算机双向通讯连接。

其中，虚拟示波器用于向发射接收电路发射接收电路发送重复频率信号；接收由发射接收 电路传递的放大后的反射波，并将放大后的反射波传递至计算机。

发射接收电路用于接收虚拟示波器发送的重复频率信号，并形成用于激励超声探头的电 压，并将该电压传递给超声探头；接收并放大超声探头发送的反射波，将放大后的反射波传递 至虚拟示波器；

超声探头用于接收激励电压，并向轴承内发射超声信号，然后接收反射波，并将反射波传 递至发射接收电路；

计算机用于接收发射接收电路传递的放大后的反射波，跟根据放大后的反射波计算轴承保 持架的转速。

其中，超声探头选用奥林巴斯超声探头，具体型号为XMS-310-B。其参数为：中心频率 为10MHz，直径2mm，采用BNC连接方式。

发射接收电路的发射脉冲的重复频率范围为0-100kHz，在范围内可任意调整。发射接收 电路选用申请号为201410848824.4的专利申请所述的发射接收电路。发射接收电路包括功能 及时序控制电路、高压脉冲驱动电路及超声回波接收放大电路；其中，功能及时序控制电路产 生驱动电路所需的时序控制信号，并通过串口与上位机进行通讯，控制脉冲宽度、重复频率和 触发方式，实现参数的在线智能调整；时序控制信号作用于高压脉冲驱动电路产生高压高频脉 冲，高压高频脉冲用于驱动高频超声探头；超声回波接收放大电路用于隔离、接收、滤波和放 大超声回波信号。通过控制电路和高压脉冲驱动电路可驱动中心频率为20至60MHz的超声 探头，并且超声脉冲重复频率可调节范围为0-100KHz。超声探头触发方式也包括外触发、内 触发以及上位机编程触发等多种方式。通过超声回波电路可实现对超声探头回波的隔离、滤波 和放大，放大倍数可调(-4.5dB至55.5dB)。

虚拟示波器为两通道虚拟示波器，选择Picoscope虚拟示波器，型号为PicoScope5244B， 其最大分辨率为16位，带宽为200MHz，内存为512MS，并内置任意波形函数发生器。

虚拟示波器内置软件，软件选择LabVIEW语言编制，软件的主要功能为控制虚拟示波器 内置信号发生器工作，对超声信号进行采集，计算机用于根据超声反射脉冲回波计算轴承保持 架转速，并实时显示保持架转速，通过测控软件可以设定虚拟示波器的采集通道参数、采集模 式、信号发生器的参数。

参照图2，一种基于超声波的轴承保持架转速测量方法，包括以下步骤：

步骤1、设置虚拟示波器内置信号发生器的参数，对信号波形、幅值、频率(频率影响可 测量的最高转速)进行设定，通过虚拟示波器内置信号发生器向发射接收电路发送重复频率信 号；

步骤2、发射接收电路接收信号后，形成用于激励超声探头的电压，并将该电压传递给超 声探头；

步骤3、超声探头接收到激励电压后，向轴承内发射超声信号，并接收反射波，然后超声 探头将反射波传递至发射接收电路；

步骤4、发射接收电路接收超声探头传递的反射波，然后进行放大，放大后输出超声反射 脉冲回波，并传递至虚拟示波器；

步骤5、虚拟示波器采集发射接收电路输出的超声反射脉冲回波，然后将接收到的超声反 射脉冲回波通过USB数据线将数据传输到计算机，经计算后得到保持架转速。

保持架转速的计算过程为，求取每一脉冲数据(超声反射脉冲回波)的峰峰值，对得到的 所有峰峰值序列X进行傅里叶变换，得到时间Δt内轴承滚子的个数a，见公式(1)，通过公 式(2)求得Δt，通过公式(3)计算可得保持架转速ω。

[x,a]＝max(fft(X)) (1)

Δt＝K/f (2)

式中，K为每次采集的段数，f为信号发生器频率即超声的重复频率，a为时间Δt内滚子 的个数，M为所测量轴承的滚子个数。

以上内容中的所选用的的虚拟示波器、保持架转速计算方法是发明人在实际实施中探索的 结果，不能够认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属的技术领域的技术人员来 说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的演化或者替换，都应当视为本发明 多提交的权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于超声波的轴承保持架转速的测量系统，其特征在于，包括计算机、超声探头、发射接收电路、虚拟示波器，超声探头与发射接收电路双向通信连接，发射接收电路和虚拟示波器双向通信连接，虚拟示波器与计算机双向通讯连接，

其中，虚拟示波器用于向发射接收电路发射接收电路发送重复频率信号；接收发射接收电路传递的放大后的反射波，并将放大后的反射波传递至计算机；

发射接收电路用于接收虚拟示波器发送的重复频率信号，并形成用于激励超声探头的电压，并将该电压传递给超声探头；接收并放大超声探头发送的反射波，将放大后的反射波传递至虚拟示波器；

超声探头用于接收激励电压，并向轴承内发射超声信号，然后接收反射波，并将反射波传递至发射接收电路；

计算机用于接收发射接收电路传递的放大后的反射波，跟根据放大后的反射波计算轴承保持架的转速。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的轴承保持架转速的测量系统，其特征在于，发射接收电路包括功能及时序控制电路、高压脉冲驱动电路及超声回波接收放大电路；其中，功能及时序控制电路产生驱动电路所需的时序控制信号，并通过串口与上位机进行通讯，控制脉冲宽度、重复频率和触发方式，实现参数的在线智能调整；时序控制信号作用于高压脉冲驱动电路产生高压高频脉冲，高压高频脉冲用于驱动高频超声探头；超声回波接收放大电路用于隔离、接收、滤波和放大超声回波信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声波的轴承保持架转速的测量系统，其特征在于，超声探头固定在轴承外圈上。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声波的轴承保持架转速的测量系统，其特征在于，虚拟示波器为两通道虚拟示波器，其最大分辨率为16位，带宽为200MHz，内存为512MS，并内置任意波形函数发生器。

5.一种基于超声方法测量轴承保持架转速的方法，其特征在于，通过发射接收电路对设置在轴承外圈上的超声探头进行激励，然后发射接收电路接收来自超声探头的回波信号，两通道虚拟示波器对回波信号进行实时采集，并将回波信号实时传递至计算机，计算机根据回波信号计算轴承保持架的转速。

6.根据权利要求5所述的一种基于超声方法测量轴承保持架转速的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过虚拟示波器内置信号发生器向发射接收电路发送重复频率信号；

步骤2、发射接收电路接收信号后，形成用于激励超声探头的电压，并将该电压传递给超声探头；

步骤3、超声探头接收到激励电压后，向轴承内发射超声信号，并接收反射波，然后超声探头将反射波传递至发射接收电路；

步骤4、发射接收电路接收超声探头传递的反射波，然后进行放大，放大后输出超声反射脉冲回波，并传递至虚拟示波器；

步骤5、虚拟示波器采集发射接收电路输出的超声反射脉冲回波，然后将接收到的超声反射脉冲回波传输到计算机，计算机根据超声反射脉冲回波计算保持架转速。

7.根据权利要求6所述的一种基于超声方法测量轴承保持架转速的方法，其特征在于，步骤5中，保持架转速的计算过程为：求取每一超声反射脉冲回波的峰峰值，对得到的所有峰峰值序列X进行傅里叶变换，根据公式(1)得到时间Δt内轴承滚子的个数a，通过公式(2)求得Δt，通过公式(3)计算可得保持架转速ω，

[x,a]＝max(fft(X)) (1)，

Δt＝K/f (2)，

公式(1)至公式(3)中，K为每次采集的段数，f为信号发生器频率，M为所测量轴承的滚子个数。