CN113588269A - 轴承服役状态监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴承服役状态监测方法：SAW读写模块将激励信号发送给安装在被测轴承上的低频SAW传感器、中频SAW传感器、高频SAW传感器；所述低频SAW传感器对被测轴承产生的低频故障信号进行灵敏响应；被测轴承产生的中频故障信号作为所述中频SAW传感器的激励信号；被测轴承产生的高频故障信号作为所述高频SAW传感器的激励信号；SAW读写模块将电信号响应传输给信号采集模块；信号采集模块对所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应进行处理并将处理后的数据传给数据终端。本发明解决了现有技术中对轴承运行状态或故障情况监测不全面的问题。本发明还公开了一种用于上述方法的系统。

Description

轴承服役状态监测方法及系统

技术领域

本发明涉及轴承技术领域，具体涉及一种轴承服役状态监测方法及系统。

背景技术

轴承是机械设备中工作条件最为恶劣的部件，它在机械设备中起着载荷和传递载荷的作用。与其他机械零部件相比，轴承有一个很大的特点，其寿命离散型很大，因此齿轮箱轴承故障诊断方法一直是机械故障诊断中重点。

齿轮箱体作为高铁运输机械上的关键部件，保障其安全服役性能，防止严重失效，非常必要。轴承是齿轮箱中最重要的机械零部件之一，也是最容易损坏的部件之一，它的运行状态良好与否直接影响到转向架乃至整个车体的性能，如精度、可靠性及寿命等。轴承的缺陷会导致机械设备的剧烈振动和产生强大刺耳的噪音，严重时会引起设备的损坏、生产的停止、甚至机械事故。

现有技术中一些研究者提出了采用基于SAW技术的监测方法对轴承的运行状态进行监测。上述现有技术的缺陷在于：现有技术对轴承的服役状态监测有局限性，一些监测方法只涉及到对轴承的轴温进行检测，还有一些监测方法在针对轴承运行状态的监测中，仅体现出对应变或应力的响应，因此只能监测到轴承的一般故障，这些方面的问题均导致了对轴承服役状态的监测不全面，无法宏观地判断整个轴承的运行状态。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明公开了一种轴承服役状态监测方法及系统，以解决现有技术对轴承运行状态或故障情况监测不全面的问题。

本发明一方面提供了一种轴承服役状态监测方法，包括以下步骤：

SAW读写模块将激励信号发送给安装在被测轴承上的低频SAW传感器、中频SAW传感器、高频SAW传感器，使得低频SAW传感器、中频SAW传感器、高频SAW传感器开始工作；

所述低频SAW传感器对被测轴承产生的低频故障信号进行灵敏响应，所述低频SAW传感器针对相应的低频故障信号产生相应的低频电信号响应；

被测轴承产生的中频故障信号作为所述中频SAW传感器的激励信号，所述中频SAW传感器在相应的中频故障信号的激励下产生相应的中频电信号响应；

被测轴承产生的高频故障信号作为所述高频SAW传感器的激励信号，所述高频SAW传感器在相应的高频故障信号的激励下产生相应的高频电信号响应；

SAW读写模块通过无线传输接收所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应并将接收的所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应传输给信号采集模块；

信号采集模块对所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应进行处理并将处理后的数据传给数据终端。

进一步地，所述低频SAW传感器的监测频段为30Hz-150 Hz。

进一步地，所述中频SAW传感器的监测频段为150Hz-5kHz。

进一步地，所述高频SAW传感器的监测频段为＞5kHz。

进一步地，所述低频SAW传感器、中频SAW传感器、高频SAW传感器均安装于被测轴承的表面。

一方面，低频SAW传感器作为主动传感器元件，对振动信号、温升信号具有逆压电效应并进行灵敏响应，由此对于故障轴承运行过程中产生的不同的低频故障信号产生不同的低频电信号响应；

另一方面，中频SAW传感器、高频SAW传感器均作为被动传感器元件，故障轴承运行过程中产生的中频故障信号、高频故障信号作为驱动中频SAW传感器、高频SAW传感器工作的激励信号，在正压电效应下会使得S中频SAW传感器、高频SAW传感器分别产生响应的中频电信号响应、高频电信号响应。

即低频段SAW在监测前自身先进行工作，然后再监测最后输出，其每次输出的低频电信号响应是工作频率的频移；中高频SAW传感器均是先被故障信号激励，再输出，每次输出的电信号响应是故障频率信号。

本发明轴承服役状态监测方法根据轴承服役过程中产生的故障信号情况，通过布置在被测轴承上的低、中、高不同监测频段的SAW传感器，对覆盖故障轴承所产的所有频率段的故障信号进行灵敏响应。解决了现有技术中对轴承运行状态或故障情况监测不全面的问题。

本发明另一方面提供了一种轴承服役状态监测系统，包括检测端、读写模块、数据采集模块、数据终端；

检测端，包括低频SAW传感器、中频SAW传感器、高频SAW传感器；

低频SAW传感器，用于对被测轴承产生的低频故障信号进行灵敏响应，并针对相应的低频故障信号产生相应的低频电信号响应；

中频SAW传感器，在相应的中频故障信号的激励下产生相应的中频电信号响应；

高频SAW传感器，在相应的高频故障信号的激励下产生相应的高频电信号响应；

读写模块，包括与低频SAW传感器、中频SAW传感器、高频SAW传感器分别相连的SAW读写模块，用于向检测端的各个SAW传感器发送激励信号并接收相应的电信号响应；

数据采集模块，与读写模块相连，用于处理SAW读写模块传输来的电信号响应并将处理后的数据传输给数据终端；

数据终端，与数据采集模块相连，用于对数据采集模块传输来的数据进行处理分析。

进一步地，所述低频SAW传感器的监测频段为30-150Hz。

进一步地，所述中频SAW传感器的监测频段为150Hz-5kHz。

进一步地，所述高频SAW传感器的监测频段为＞5kHz。

进一步地，还包括分别设置于低频SAW传感器、中频SAW传感器、高频SAW传感器上用于将低频SAW传感器、中频SAW传感器、高频SAW传感器安装到被测轴承上的结构胶。结构胶的作用在于一是用于粘接，将相应的SAW传感器紧密地、牢固地粘接在被测轴承上，防止其在振动检测过程中跌落；二是结构胶层作为传递介质，能够将被测轴承产生的振动信号耦合至相应的SAW传感器检测界面；三是用作缓冲介质，SAW传感器与被测轴承均属于刚性结构，直接接触可能会导致SAW传感器破坏，增加结构胶能够缓冲刚性冲击；四是扩大SAW传感器的线性响应范围。

综上可见，本发明轴承服役状态监测方法根据轴承服役过程中产生的故障信号情况，通过布置在被测轴承上的低、中、高不同监测频段的SAW传感器，对覆盖故障轴承所产的所有频率段的故障信号进行灵敏响应。解决了现有技术中对轴承运行状态或故障情况监测不全面的问题。

以下结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步说明。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中SAW传感器在被测轴承上的安装结构示意图之一。

图2为本发明轴承服役状态监测系统结构示意图。

图3为本发明中SAW传感器在被测轴承上的安装结构示意图之二。

图4为将SAW传感器安装在被测轴承8的外圈上进行静力学分析的结构示意图。

图5为常规振动传感器与SAW传感器分别安装在被测轴承上的安装结构对比示意图。

图6为本发明中不同静态力加载下SAW传感器的频率变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案、技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案、技术特征可以相互组合。

下述说明中涉及到的本发明的优选实施方式、实施例通常仅是本发明一分部的实施方式和实施例。因此，基于本发明中的优选实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。术语“SAW传感器”为声表面波气敏传感器。

轴承服役状态监测方法包括以下步骤：

SAW读写模块将激励信号发送给安装在被测轴承上的低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3，使得低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3开始工作；

所述低频SAW传感器1对被测轴承产生的低频故障信号进行灵敏响应，所述低频SAW传感器1针对相应的低频故障信号产生相应的低频电信号响应；

被测轴承产生的中频故障信号作为所述中频SAW传感器2的激励信号，所述中频SAW传感器2在相应的中频故障信号的激励下产生相应的中频电信号响应；

被测轴承产生的高频故障信号作为所述高频SAW传感器3的激励信号，所述高频SAW传感器3在相应的高频故障信号的激励下产生相应的高频电信号响应；

SAW读写模块通过无线传输接收所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应并将接收的所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应传输给信号采集模块；

信号采集模块对所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应进行处理并将处理后的数据传给数据终端7。

所述低频SAW传感器1的监测频段为30Hz-150 Hz。

所述中频SAW传感器2的监测频段为150Hz-5kHz。

所述高频SAW传感器3的监测频段为＞5kHz。

所述低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3均安装于被测轴承的表面。

轴承服役状态监测系统，包括检测端、读写模块5、数据采集模块6、数据终端7；

检测端，包括低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3；

低频SAW传感器1，用于对被测轴承产生的低频故障信号进行灵敏响应，并针对相应的低频故障信号产生相应的低频电信号响应；

中频SAW传感器2，在相应的中频故障信号的激励下产生相应的中频电信号响应；

高频SAW传感器3，在相应的高频故障信号的激励下产生相应的高频电信号响应；

读写模块5，包括与低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3分别相连的SAW读写模块，用于向检测端的各个SAW传感器发送激励信号并接收相应的电信号响应；

数据采集模块6，与读写模块5相连，用于处理SAW读写模块传输来的电信号响应并将处理后的数据传输给数据终端7；

数据终端7，与数据采集模块6相连，用于对数据采集模块6传输来的数据进行处理分析。

所述低频SAW传感器1的监测频段为30Hz-150 Hz。

所述中频SAW传感器2的监测频段为150Hz-5kHz。

所述高频SAW传感器3的监测频段为＞5kHz。

还包括分别设置于低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3上用于将低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3安装到被测轴承上的结构胶4。

如图1所示，将低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3布设于被测轴承8上，图中A表示SAW传感器与结构胶的安装结构。

如图2所示，本发明轴承服役状态监测系统包括包括检测端、读写模块5、数据采集模块6、数据终端7；检测端，包括低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3；低频SAW传感器1，用于对被测轴承产生的低频故障信号进行灵敏响应，并针对相应的低频故障信号产生相应的低频电信号响应；中频SAW传感器2，在相应的中频故障信号的激励下产生相应的中频电信号响应；高频SAW传感器3，在相应的高频故障信号的激励下产生相应的高频电信号响应；读写模块5，包括与低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3分别相连的SAW读写模块，用于向检测端的各个SAW传感器发送激励信号并接收相应的电信号响应；数据采集模块6，与读写模块5相连，用于处理SAW读写模块传输来的电信号响应并将处理后的数据传输给数据终端7；数据终端7，与数据采集模块6相连，用于对数据采集模块6传输来的数据进行处理分析。结合图2和图3所示，还包括分别设置于低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3上用于将低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3安装到被测轴承上的结构胶4。结构胶的作用在于一是用于粘接，将相应的SAW传感器紧密地、牢固地粘接在被测轴承上，防止其在振动检测过程中跌落；二是结构胶层作为传递介质，能够将被测轴承产生的振动信号耦合至相应的SAW传感器检测界面；三是用作缓冲介质，SAW传感器与被测轴承均属于刚性结构，直接接触可能会导致SAW传感器破坏，增加结构胶能够缓冲刚性冲击；四是扩大SAW传感器的线性响应范围。结构胶有助于提升轴承故障信号监测的有效性。

优选，所述低频SAW传感器1的监测频段为30Hz-150 Hz。所述中频SAW传感器2的监测频段为150Hz-5kHz。所述高频SAW传感器3的监测频段为＞5kHz。

结合图2所示，本发明轴承服役状态监测方法包括以下步骤：

第一步：SAW读写模块将激励信号发送给安装在被测轴承上的低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3，使得低频SAW传感器1、中频SAW传感器2、高频SAW传感器3开始工作；

第二步：所述低频SAW传感器1对被测轴承产生的低频故障信号进行灵敏响应，所述低频SAW传感器1针对相应的低频故障信号产生相应的低频电信号响应；

被测轴承产生的中频故障信号作为所述中频SAW传感器2的激励信号，所述中频SAW传感器2在相应的中频故障信号的激励下产生相应的中频电信号响应；

被测轴承产生的高频故障信号作为所述高频SAW传感器3的激励信号，所述高频SAW传感器3在相应的高频故障信号的激励下产生相应的高频电信号响应；

第三步：SAW读写模块通过无线传输接收所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应并将接收的所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应传输给信号采集模块；

第四步：信号采集模块对所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应进行处理并将处理后的数据传给数据终端7。

SAW传感器包括压电基底31、叉指电极结构、以及集成的RFID芯片32。

本发明中，一方面，低频SAW传感器1作为主动传感器元件，对振动信号、温升信号具有逆压电效应并进行灵敏响应，由此对于故障轴承运行过程中产生的不同的低频故障信号产生不同的低频电信号响应；

另一方面，中频SAW传感器2、高频SAW传感器3均作为被动传感器元件，故障轴承运行过程中产生的中频故障信号、高频故障信号作为驱动中频SAW传感器2、高频SAW传感器3工作的激励信号，在正压电效应下会使得S中频SAW传感器2、高频SAW传感器3分别产生响应的中频电信号响应、高频电信号响应。

本发明轴承服役状态监测系统在工作时，当齿轮箱轴承的受力状态发生变化时，SAW传感器的谐振频率随之改变，通过分析谐振频率的变化量可以判断其振动应力应变、温升等信号；SAW读写模块通过天线实现SAW传感器信号的无线传输，包括射频信号的发射、接收及处理；与SAW读写模块相连的数据终端7采用上位机，用于控制SAW读写模块及实时显示齿轮箱轴承的监测信息。

其中，SAW读写模块的作用在整个状态监测系统中用于发射、接受和处理电磁信号。SAW读写模块主要包括控制模块、射频信号发射链路、射频开关和射频信号接收链路。控制模块的作用主要是控制射频发射链路产生信号以及各模块之间的协调作用，尤其是射频开关的时序；射频信号发射链路的作用是给SAW传感器提供所需的射频电磁波，即在控制模块的作用下以特定的频率产生功率符合要求的射频信号，射频信号的频率应与SAW传感器的中心频率一致，在多传感器同时工作时，射频信号发射链路需要循环发射不同频率的电磁信号，与各传感器的中心频率一一对应；射频开关的作用主要是按照特定时序切换整个读写器的工作模式，使整个监测系统能够按照发射、接收、再发射、再接收的顺序持续工作；射频信号接收链路的主要作用是接收、放大SAW传感器回传的电磁反馈信号，并通过计算发射信号与接收到信号的频率差来完成轴承状态信息的提取。

以下通过对比本发明的轴承服役状态监测效果与采用常规振动传感器的监测效果，对本发明进行进一步说明：

如图4，A表示SAW传感器与结构胶的安装结构。对SAW传感器进行标定，之后将SAW传感器安装在被测轴承8的外圈上进行静力学分析，确定轴承受力时产生应力应变，SAW传感器布置在不同方位时会有不同响应，进而探究其响应灵敏性。

如图5，A表示SAW传感器与结构胶的安装结构。拟对比研究常规振动传感器检测技术与SAW传感器技术，实时地对异常齿轮箱轴承运行时的故障状态、温升信号进行跟踪采集。齿轮箱轴承振动检测的关键在于SAW传感器的布设和安装。通过振动传感器所采集的数据，验证SAW传感器采集的特征信号的可靠性，进而评判SAW传感器的应用效果。SAW传感器与现有振动传感器区别在于，前者属于无线信号传输检测，后者无法实现无线。

如图6所示，(随着加载的静态力增大，SAW传感器的谐振频率逐渐减小。

综上可见，本发明轴承服役状态监测方法根据轴承服役过程中产生的故障信号情况，通过布置在被测轴承上的低、中、高不同监测频段的SAW传感器，对覆盖故障轴承所产的所有频率段的故障信号进行灵敏响应。解决了现有技术中对轴承运行状态或故障情况监测不全面的问题。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他优选实施方式和实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.轴承服役状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

SAW读写模块将激励信号发送给安装在被测轴承上的低频SAW传感器(1)、中频SAW传感器(2)、高频SAW传感器(3)，使得低频SAW传感器(1)、中频SAW传感器(2)、高频SAW传感器(3)开始工作；

所述低频SAW传感器(1)对被测轴承产生的低频故障信号进行灵敏响应，所述低频SAW传感器(1)针对相应的低频故障信号产生相应的低频电信号响应；

被测轴承产生的中频故障信号作为所述中频SAW传感器(2)的激励信号，所述中频SAW传感器(2)在相应的中频故障信号的激励下产生相应的中频电信号响应；

被测轴承产生的高频故障信号作为所述高频SAW传感器(3)的激励信号，所述高频SAW传感器(3)在相应的高频故障信号的激励下产生相应的高频电信号响应；

SAW读写模块通过无线传输接收所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应并将接收的所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应传输给信号采集模块；

信号采集模块对所述低频电信号响应、中频电信号响应以及高频电信号响应进行处理并将处理后的数据传给数据终端(7)。

2.如权利要求1所述的轴承服役状态监测方法，其特征在于，所述低频SAW传感器(1)的监测频段为30Hz-150 Hz。

3.如权利要求1所述的轴承服役状态监测方法，其特征在于，所述中频SAW传感器(2)的监测频段为150Hz-5kHz。

4.如权利要求1所述的轴承服役状态监测方法，其特征在于，所述高频SAW传感器(3)的监测频段为＞5kHz。

5.如权利要求1所述的轴承服役状态监测方法，其特征在于，所述低频SAW传感器(1)、中频SAW传感器(2)、高频SAW传感器(3)均安装于被测轴承的表面。

6.轴承服役状态监测系统，其特征在于，包括检测端、读写模块(5)、数据采集模块(6)、数据终端(7)；

检测端，包括低频SAW传感器(1)、中频SAW传感器(2)、高频SAW传感器(3)；

低频SAW传感器(1)，用于对被测轴承产生的低频故障信号进行灵敏响应，并针对相应的低频故障信号产生相应的低频电信号响应；

中频SAW传感器(2)，在相应的中频故障信号的激励下产生相应的中频电信号响应；

高频SAW传感器(3)，在相应的高频故障信号的激励下产生相应的高频电信号响应；

读写模块(5)，包括与低频SAW传感器(1)、中频SAW传感器(2)、高频SAW传感器(3)分别相连的SAW读写模块，用于向检测端的各个SAW传感器发送激励信号并接收相应的电信号响应；

数据采集模块(6)，与读写模块(5)相连，用于处理SAW读写模块传输来的电信号响应并将处理后的数据传输给数据终端(7)；

数据终端(7)，与数据采集模块(6)相连，用于对数据采集模块(6)传输来的数据进行处理分析。

7.如权利要求1所述的轴承服役状态监测系统，其特征在于，所述低频SAW传感器(1)的监测频段为30Hz-150 Hz。

8.如权利要求1所述的轴承服役状态监测系统，其特征在于，所述中频SAW传感器(2)的监测频段为150Hz-5kHz。

9.如权利要求1所述的轴承服役状态监测系统，其特征在于，所述高频SAW传感器(3)的监测频段为＞5kHz。

10.如权利要求1所述的轴承服役状态监测系统，其特征在于，还包括分别设置于低频SAW传感器(1)、中频SAW传感器(2)、高频SAW传感器(3)上用于将低频SAW传感器(1)、中频SAW传感器(2)、高频SAW传感器(3)安装到被测轴承上的结构胶(4)。

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