CN114324043B - 一种系泊腿万向节装置的滑动轴承磨损估测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种系泊腿万向节装置的滑动轴承磨损估测系统，涉及轴承磨损预测技术领域，所述磨损估测系统包含：拉力测量模块，其包含光纤光栅解调仪和十个用于测量拉应变的光纤光栅应变传感器，所有光纤光栅应变传感器相互并联后，连接于光纤光栅解调仪；转动测量模块，其包含九个双轴倾角传感器；数据采集模块，用于按照设定的周期接收所有传感器的数据；主机系统，当任一滑动轴承的叠加磨损量超过设定磨损阈值时，主机系统报警并显示磨损滑动轴承的编号。本申请的滑动轴承磨损估测系统及方法，能够对系泊腿万向节装置的所有滑动轴承进行实时监测，并计算滑动轴承的磨损量，实现滑动轴承的磨损预警。

Description

一种系泊腿万向节装置的滑动轴承磨损估测系统及方法

技术领域

本申请涉及轴承磨损预测技术领域，具体涉及一种系泊腿万向节装置的滑动轴承磨损估测系统及方法。

背景技术

目前，海上单点系泊系统的服役寿命（即大修期限）和可靠性，在很大程度上由各类轴承等关键零部件的相互作用界面的耐久性与工作机理决定。系泊腿滑动轴承是海上单点系泊系统的重要组成部件，又是相对容易发生故障的主要薄弱环节。对于系泊腿滑动轴承而言，由于长期在特殊环境下工作，承受重载、冲击、频繁不规则的换向摆动等极端工况，系泊腿滑动轴承的相互作用界面容易发生黏着磨损、胶合、腐蚀等失效，影响整个单点系泊系统的可靠性及寿命。

海上单点系泊系统设计寿命一般长达30年，其系泊腿销轴万向节装置滑动轴承的设计寿命很难达到该寿命，通常需要在大修期内进行更换。而系泊腿滑动轴承一旦在工作期间发生磨损失效，则可能迫使发生非计划停工事故。而一旦发生停工事故，由于单点系泊系统远海离岸，维修人员集结到场慢，待更换设备运抵现场耗时长，设备维修和更换准备工作繁杂，作业受天气影响明显，将会造成极大的损失。因此，有必要对系泊腿万向节装置的滑动轴承开展实时工况监测，实时预测磨损量以掌握轴承磨损程度，实现滑动轴承提前更换尤为重要。

相关技术中，存在一些单点系泊系统的监测方法和监测设备，但监测对象多局限为单点系泊系统的系泊力、单点系泊系统的姿态、风浪流等环境要素，而没有关于系泊腿滑动轴承的磨损量估测系统和方法。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本申请的目的在于提供一种系泊腿万向节装置的滑动轴承磨损估测系统及方法，能够对系泊腿万向节装置的所有滑动轴承进行实时监测，并计算滑动轴承的磨损量，实现滑动轴承的磨损预警。

为达到以上目的，采取的技术方案是：一种系泊腿万向节装置的滑动轴承磨损估测系统，所述系泊腿万向节装置包含上吊耳、系泊腿钢管、下吊耳和两个万向节；所述上吊耳、系泊腿钢管顶端、下吊耳和系泊腿钢管底端均具有两个叉开的支腿；每个万向节均分别包含铸钢座、长销轴和短销轴，所述长销轴和短销轴均分别套设四个滑动轴承，所述磨损估测系统包含：

拉力测量模块，其包含光纤光栅解调仪和十个用于测量拉应变的光纤光栅应变传感器，所有光纤光栅应变传感器相互并联后，连接于光纤光栅解调仪；两个光纤光栅应变传感器分别设置系泊腿钢管的顶端和底端，八个光纤光栅应变传感器一一设置于八个支腿；

转动测量模块，其包含九个双轴倾角传感器，九个双轴倾角传感器一一设置于上吊耳、系泊腿钢管、下吊耳以及两个万向节的铸钢座、长销轴和短销轴；

数据采集模块，用于按照设定的周期接收所有光纤光栅应变传感器和双轴倾角传感器的数据；

主机系统，用于对所有滑动轴承进行编号，根据数据采集模块的数据进行分析，持续计算每个设定的周期每个滑动轴承的磨损量，并叠加计算；当任一滑动轴承的叠加磨损量超过设定磨损阈值时，主机系统报警并显示磨损滑动轴承的编号。

在上述技术方案的基础上，所述滑动轴承磨损估测系统还包含振动测量模块，所述振动测量模块包含四个振动传感器，四个振动传感器一一设置于两个长销轴和两个短销轴；

当振动测量模块的四个振动传感器中任意一个振动传感器监测到周期性的高频振动时，主机系统报警。

本申请还公开了一种基于上述滑动轴承磨损估测系统的磨损估测方法，包含以下步骤：

主机系统对所有滑动轴承进行编号；

数据采集模块按照设定的周期接收所有传感器的数据，并发送给主机系统；

主机系统接收并存储数据采集模块的数据，计算每个设定的周期各个编号滑动轴承的磨损量，并对各个编号滑动轴承的磨损量进行叠加计算；

当任一编号的滑动轴承的叠加磨损量超过设定磨损阈值，主机系统报警并显示磨损滑动轴承的编号。

在上述技术方案的基础上，计算每个设定的周期各个编号滑动轴承的磨损量，并对各个编号滑动轴承的磨损量进行叠加计算，包含：

所述主机系统生成每个滑动轴承的三维图谱，并按设定的周期更新每个滑动轴承的叠加磨损量。

在上述技术方案的基础上，任一设定周期的任一编号滑动轴承的磨损量的计算公式：

其中，p _c是接触压力，其根据拉力测量模块反馈的数据计算得出；

u为相对滑动速度，u=ωr，其中，r为滑动轴承所处销轴的半径；ω为滑动轴承相对所在销轴的相对转动角速度，其根据转动测量模块反馈的信号得出；

H _r为轴承表面硬度，其通过试验测量得出；

k为磨损系数，其通过根据p _c和u查表得出。

在上述技术方案的基础上，任一编号滑动轴承的所述p _c计算步骤如下：

根据设置于系泊腿钢管两端的两个光纤光栅应变传感器监测的拉应力，计算系泊腿钢管两端的拉力值，将系泊腿钢管两端的拉力值分别作为上部万向节400和下部万向节400的所有滑动轴承的拉力总和；

采用该编号滑动轴承所在的销轴两端对应支腿的光纤光栅应变传感器的数据，结合压力线型偏载模型，得到该编号滑动轴承的接触压力p _c。

在上述技术方案的基础上，任一编号滑动轴承的相对转动角速度ω得出方法如下：

利用滑动轴承内圈所在销轴的双轴倾角传感器、以及滑动轴承外圈所在上吊耳、系泊腿钢管、下吊耳或铸钢座的双轴倾角传感器的数据，计算得出滑动轴承的相对转动角速度ω。

在上述技术方案的基础上，主机系统接收并存储数据采集模块的数据，计算每个设定的周期任一编号滑动轴承的磨损量，还包含：

将滑动轴承的工作接触面沿着圆周方向均匀划分网格M个，沿轴向均匀划分网格N个；工作接触面被划分为M×N个弧面单元格；

在一个设定的周期内，根据转动测量模块监测的角度信息确定滑动轴承接触区的中心线所在的弧面单元格，将接触区中心设定为该弧面单元格的中心；

根据拉力测量模块监测的数据计算滑动轴承的微观压力信息；

利用磨损量计算公式结合目标轴承接触区的微观压力信息，根据微观压力信息计算目标轴承的各个弧面单元格的磨损量。

在上述技术方案的基础上，计算每个设定的周期各个编号滑动轴承的磨损量，还包含：

建立磨损量数据库，磨损量数据库根据p _c、u的数值进行分类成若干工况，每种工况具有一个工况编号；

根据拉力测量模块监测并计算所得的滑动轴承的压力信息、转动测量模块监测并计算相对运动速度，对滑动轴承的工况信息进行归类，确定工况编号；

并查找磨损量数据库，判断是否包含该工况编号的数据；如果含有，则该条磨损量即为相应滑动轴承的磨损量；如果不含有该条磨损量数据，则利用磨损量公式计算并导入磨损量数据库。

在上述技术方案的基础上，计算每个设定的周期各个编号滑动轴承的磨损量之后，还包括：

当滑动轴承某一区域最大磨损厚度达到设定磨损厚度时，更新整个滑动轴承的接触界面的表面几何形貌，清空已有的磨损量数据库，重新导入新的磨损量数据库。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请的一种系泊腿万向节装置的滑动轴承磨损估测系统及方法，滑动轴承磨损估测系统包含主机系统、数据采集模块、拉力测量模块和转动测量模块，拉力测量模块和转动测量模块均包含若干传感器，若干传感器设定在特定位置，监测整个系泊腿万向节装置的所有滑动轴承，主机系统对所有滑动轴承进行编号，根据数据采集模块的数据进行储存并分析，持续计算每个设定的周期每个滑动轴承的磨损量，并叠加计算；当任一滑动轴承的叠加磨损量超过设定磨损阈值时，主机系统报警并显示磨损滑动轴承的编号。本申请的系泊腿万向节装置的滑动轴承磨损估测系统及方法，能够对系泊腿的所有滑动轴承进行实时监测，并计算滑动轴承的磨损量，实现滑动轴承的磨损预警；大大增强了整个系泊腿的安全性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1为本申请实施例提供的滑动轴承磨损估测系统的系统示意图。

图2为本申请实施例提供的系泊腿万向节装置的结构示意图；

图3为图2中A-A剖视图；

图4为本申请实施例提供长销轴的编号1、2、3、4的滑动轴承的压力线型偏载模型；

图5为本申请实施例提供的工况分类表；

图6为本申请实施例提供的磨损估测方法的流程图；

附图标记：1、拉力测量模块；2、转动测量模块；21、双轴倾角传感器；3、振动测量模块；4、数据采集模块；5、主机系统；11、光纤光栅解调仪；12、光纤光栅应变传感器；100、上吊耳；200、系泊腿钢管；300、下吊耳；400、万向节；401、长销轴；402、短销轴。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本申请公开了一种系泊腿万向节装置的滑动轴承磨损估测系统，系泊腿万向节装置包含上吊耳100、系泊腿钢管200、下吊耳300和两个万向节400。一个万向节400设置于上吊耳100和系泊腿钢管200顶端之间；另一个万向节400设置于下吊耳300与系泊腿钢管200底端之间。

上吊耳100、系泊腿钢管200顶端、下吊耳300和系泊腿钢管200底端均具有两个叉开的支腿。每个万向节400均分别包含铸钢座、长销轴401和短销轴402，长销轴401和短销轴402异面垂直，且均可转动穿设于铸钢座，两端向铸钢座外伸出。长销轴401和短销轴402均分别套设四个滑动轴承。四个滑动轴承中，两个滑动轴承在上吊耳100、系泊腿钢管200顶端、下吊耳300或系泊腿钢管200的两个支腿与销轴之间，另外两个滑动轴承设置在销轴与铸钢座匹配面的两侧。

具体地，长销轴401的四个滑动轴承中，其中两个滑动轴承安装于上吊耳100的两个支腿与长销轴401之间，另外两个滑动轴承分别设置于铸钢座和长销轴401之间。短销轴402的四个滑动轴承中，其中两个滑动轴承安装于上吊耳100的两个支腿与长销轴401之间，另外两个滑动轴承分别设置于铸钢座和长销轴401之间。

系泊腿万向节装置包含两个长销轴401和两个短销轴402，每个销轴对应四个滑动轴承，系泊腿万向节装置包含16个滑动轴承。本申请的滑动轴承磨损估测系统针对16个滑动轴承进行磨损监测。

如图1和图2中，1、2、3、4、5、6、7、8分别为上部万向节所含的八个滑动轴承的编号；I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII、IX分别为九个双轴倾角传感器21的编号；A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2、E1、E2分别为十个光纤光栅应变传感器的编号；i、ii、iii、iv分别为四个振动传感器的编号。

具体地，滑动轴承磨损估测系统包含拉力测量模块1、转动测量模块2、数据采集模块4和主机系统5。

拉力测量模块1包含光纤光栅解调仪11和十个用于测量拉应变的光纤光栅应变传感器12。光纤光栅应变传感器12和光纤光栅解调仪11搭配使用，用于测量各处的总载荷及大致的偏载情况。所有光纤光栅应变传感器12相互并联后，连接于光纤光栅解调仪11。其中，两个光纤光栅应变传感器12分别设置系泊腿钢管200的顶端和底端，八个光纤光栅应变传感器12一一设置于八个支腿上。八个支腿分别为上吊耳100、系泊腿钢管200顶端、下吊耳300和系泊腿钢管200底端的支腿。

转动测量模块2包含九个双轴倾角传感器21，九个双轴倾角传感器21一一设置于除滑动轴承以外的所有结构件。具体地，除滑动轴承以外的所有结构件指的是上吊耳100、系泊腿钢管200、下吊耳300、以及两个万向节的铸钢座、长销轴401和短销轴402。根据两个邻近双轴倾角传感器21的采集数据（其中一个双轴倾角传感器21位于销轴，另一个双轴倾角传感器21位于其他结构），可得出其他结构与销轴之间的滑动轴承的相对转动角速度。

数据采集模块4按照设定的周期接收所有传感器的数据。例如，将设定周期为1s，这每秒钟数据采集模块4采集一次所有传感器的数据。

主机系统5对所有滑动轴承进行编号，根据数据采集模块4的数据进行储存并分析，持续计算每个设定的周期每个滑动轴承的磨损量，并叠加计算；当任一滑动轴承的叠加磨损量超过设定阈值时，主机系统5报警并显示磨损滑动轴承的编号。

如图1、图2和图3所示，在一个实施例中，滑动轴承磨损估测系统还包含振动测量模块3，振动测量模块3包含四个振动传感器，四个振动传感器一一设置于两个长销轴401和两个短销轴402。优选地，振动传感器设置于销轴侧端面的中心处。如图1和图2所示，i、ii、iii、iv分别为四个振动传感器的编号。

当振动测量模块3的四个振动传感器中任意一个振动传感器监测到周期性的高频振动时，振动异常，主机系统5报警。

具体地，周期性的高频振动指的是，在一段时间内有多次振动，且振动频率大于设定振动频率，表明周期性的高频振动，对销轴损伤极大，主机系统5报警，系泊腿万向节装置需要进行检修或替换。

进一步地，主机系统5包含显示器、I/O设备、计算服务器等硬件，以及倾角传感器上位机程序、光纤光栅解调仪上位机程序、振动传感器上位机程序和磨损计算分析系统等软件。

具体地，滑动轴承通常含有自润滑轴承衬，轴承衬材料主要有巴氏合金、铜合金、铝合金、陶瓷基合金等几类。因为自润滑轴承衬硬度远低于钢制销轴，而成为接触副中的主要磨损对象；所以对滑动轴承接触副磨损量的估算常常假设销轴不磨损，本发明也将采用这一假设。

本申请还公开了一种基于上述滑动轴承磨损估测系统的磨损估测方法，包含以下步骤：

主机系统5对所有滑动轴承进行编号。如图2和图3所示，1、2、3、4、5、6、7、8分别为上部万向节所含的八个滑动轴承的编号。

数据采集模块4按照设定的周期接收所有传感器的数据，并发送给主机系统5；例如，若设定的周期为1s，则每隔1s钟，数据采集模块4接收所有传感器的数据。

主机系统5接收并存储数据采集模块4的数据，计算每个设定的周期各个编号滑动轴承的磨损量，并对各个编号滑动轴承的磨损量进行叠加计算；

任一编号的滑动轴承的叠加磨损量超过设定磨损阈值，主机系统报警并显示磨损滑动轴承的编号。

本申请的滑动轴承磨损估测系统，进行了针对性极强的传感器布置，两个光纤光栅应变传感器12分别设置系泊腿钢管200的顶端和底端，八个光纤光栅应变传感器12一一设置于所述支腿。如图1和图2所示，I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII、IX分别为九个双轴倾角传感器21的编号。转动测量模块2的九个双轴倾角传感器21，九个双轴倾角传感器21一一设置于上吊耳100、系泊腿钢管200、下吊耳300以及两个万向节400的铸钢座、长销轴401和短销轴402。如图1和图2所示，A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2、E1、E2分别为十个光纤光栅应变传感器的编号。在进行上述传感器布置后，可以针对每个滑动轴承进行计算。

在一个实施例中，计算每个设定的周期各个编号滑动轴承的磨损量，并对各个编号滑动轴承的磨损量进行叠加计算，包含：

主机系统5生成各个编号滑动轴承的三维图谱，并按设定的周期更新各个编号滑动轴承的叠加磨损量。三维图谱能够更加直观显示出各个编号滑动轴承的磨损情况，针对性强，辨识度高。

在一个实施例中，任一设定周期的任一编号滑动轴承的磨损量的计算公式：

其中，p _c是接触压力，其根据拉力测量模块1反馈的数据计算得出。

u为相对滑动速度，u=ωr，其中，r为滑动轴承所处销轴的半径；ω为滑动轴承相对所在销轴的相对转动角速度，其根据转动测量模块2反馈的数据得出。

H _r为轴承表面硬度，其通过试验测量得出。

k为磨损系数，其通过根据p _c和u查表得出。

在一个实施例中，任一编号滑动轴承的p _c计算步骤如下：

根据设置于系泊腿钢管200两端的两个光纤光栅应变传感器12监测的拉应力，得出系泊腿钢管200两端的拉力值，将系泊腿钢管200两端的拉力值分别作为上部万向节400和下部万向节400的所有滑动轴承的拉力总和；

采用该编号滑动轴承所在的销轴两端对应支腿的光纤光栅应变传感器12的数据，结合压力线型偏载模型，得到该编号滑动轴承的接触压力p _c。

值得注意的是，为了使系泊腿钢管200的两端万向节400的所有滑动轴承的拉力总和更加精准。

对于下部万向节400，将位于系泊腿钢管200底端的光纤光栅应变传感器12所算得拉力，直接作为下部万向节400的所有滑动轴承的拉力总和。

对于上部万向节400，将位于系泊腿钢管200顶端的光纤光栅应变传感器12所算得拉力，加上部万向节的重力、系泊腿钢管200一半的重力之和，作为上部万向节400的所有滑动轴承的拉力总和。

具体地，如图1和图2中光纤光栅应变传感器12的布置情况，根据编号A1和A2光纤光栅应变传感器12监测的拉应力，得出系泊腿钢管200两端的拉力值。

将编号A2光纤光栅应变传感器12所算得拉力，直接作为下部万向节所有滑动轴承拉力总和。将编号A2光纤光栅应变传感器12所算得拉力，加上部万向节的重力、系泊腿钢管200一半的重力之和，作为上部万向节400的所有滑动轴承的拉力总和。

进一步地，采用该编号滑动轴承所在的销轴两端对应支腿的光纤光栅应变传感器12的数据，结合压力线型偏载模型，得到该编号滑动轴承的接触压力p _c，结合图2、图3和图4包含：

以上部万向节为例：

由于编号B1、B2光纤光栅应变传感器12是对称布置于上吊耳100的两个支腿上，二者所测量数据能够大致反应出上部万向节400的长销轴401的偏载情况。采用线性偏载模型（见图4），即可获得编号1、2、3、4的滑动轴承的具体载荷分布情况，即编号1、2、3、4的滑动轴承的接触压力p _c。

具体地，线性偏载模型假设沿长销轴401的滑动轴承的接触压力均匀变化成直角梯形，已知直角梯形的面积总和（编号1、2、3、4的滑动轴承的拉力总和），已知直角梯形的顶底比例，可计算得出编号1、2、3、4的滑动轴承的对应的直角梯形的面积，即为编号1、2、3、4的滑动轴承的接触压力p _c。

同理，编号为C1、C2的光纤光栅应变传感器12所监测数据，可以获得编号5、6、7、8的滑动轴承的接触压力。同理，在下部万向节中，通过编号为D1、D2、E1、E2的光纤光栅应变传感器12，即可分别获得长销轴401和短销轴402上各个编号的滑动轴承的具体载荷分布情况。

在一个实施例中，任一编号滑动轴承的相对转动角速度ω得出方法如下：

利用滑动轴承内圈所在销轴的双轴倾角传感器21、以及滑动轴承外圈所在上吊耳100、系泊腿钢管200、下吊耳300或铸钢座的双轴倾角传感器21的数据，计算得出滑动轴承的相对转动角速度ω。

具体地，双轴倾角传感器21显示一个周期的角度变化量，两个双轴倾角传感器21可直接计算得出相对转动角速度ω。

具体地，如图1和图2中双轴倾角传感器21的布置情况，

根据转动测量模块的双轴倾角传感器21的实时监测数据，确定各销轴和轴承的相对转动角速度以及受力接触点位置。

以上部万向节涉及的滑动轴承为例。

根据编号为I、II双轴倾角传感器21采集数据可获得长销轴401与编号为1、2滑动轴承之间的相对转动角速度。

根据编号为II、III双轴倾角传感器21测量数据可获得长销轴401与编号为3、4滑动轴承之间的相对转动角速度；

根据编号为III、IV双轴倾角传感器21监测数据可获得短销轴402与编号为7、8滑动轴承之间的相对转动角速度；

根据编号为IV、V双轴倾角传感器21观测数据可计算得短销轴402与编号为5、6滑动轴承之间的相对转动角速度。

本申请除了对滑动轴承的磨损量进行整体监测外，还对滑动轴承进行微观监测。

如图6所示，在一个实施例中，主机系统5接收并存储数据采集模块4的数据，计算每个设定的周期任一编号滑动轴承的磨损量，除了进行整体磨损量的计算外，还包含对滑动轴承的微观磨损量的计算，具体包含：

将滑动轴承与销轴的工作接触面沿着圆周方向均匀划分网格M个，沿轴向均匀划分网格N个；工作接触面被划分为M×N个弧面单元格；

在一个设定的周期内，根据转动测量模块2监测的角度信息确定滑动轴承接触区的中心线所在的弧面单元格，将接触区中心设定为该弧面单元格的中心。即只要落入弧面单元格，默认接触线为弧面单元格的中心线。

根据拉力测量模块1监测的数据计算滑动轴承的微观压力信息。

利用磨损量计算公式结合目标轴承接触区的微观压力信息，计算目标轴承的各个弧面单元格的磨损量。具体地，根据滑动轴承的轴瓦和轴承衬的材料属性、目标轴承的载荷分布情况、接触区几何及表面形貌特征、轴承接触副材料属性，计算目标轴承接触区的微观压力信息；根据微观压力信息计算目标轴承的各个弧面单元格的磨损量。当任一弧面单元格内的累积磨损量大于某个设定阈值，主机系统报警。

更具体地，关于轴承上压力分布的具体计算步骤如下：

如图5所示，将每个轴承工作接触面沿着圆周方向均匀划分网格（记为M个网格），同时沿着轴向均匀划分网格（记为N个网格），这样轴承接触面将被划分成为M×N个相等的柱面单元。周向网格数量与根据双轴倾角传感器21监测数据推算接触线位置时的计算精度相匹配，周向网格数目过大则出现网格冗余，实无必要，网格数过小则降低了整体计算模型的精度，必须避免。轴向网格数目根据精度需求设置，轴承接触线上虽然存在偏载，但是在每个轴向网格内部接触线载荷取均值。

根据转动测量模块监测的角度信息确定目标轴承接触区中心线位于哪一个周向网格单元内，则将接触区中心设定为该单元的中心。就是说经判定接触区中心线位于轴承某个周向网格单元内，则自动将该中心线调整为单元的中心线，以减少算例数目，增加算例的通用性，事实上，只要周向网格划分数目与倾角传感器监测精度匹配，就不会降低本发明的估测精度。

根据拉力测量模块监测的数据计算目标轴承的载荷分布情况。

考虑到轴承的轴瓦和轴承衬分别由属性差距极大的不同材料组成，采用两层材料粗糙面非Hertz法向接触计算模型，带入目标轴承的载荷分布情况、接触区几何及表面形貌特征、轴承接触副材料属性，即可计算获取轴承接触区的微观压力信息。

进一步地，根据转动测量模块2监测的角度信息确定滑动轴承接触区的中心线所在的弧面单元格，将接触区中心设定为该弧面单元格的中心，包含：

以上部万向轴为例

如图1和图2所示，根据编号I、III双轴倾角传感器21采集的数据可获得长销轴401与编号1、2、3、4滑动轴承之间的载荷作用位置；根据编号III、V双轴倾角传感器21监测的数据可获得短销轴402与编号5、6、7、8滑动轴之间的载荷作用位置。

在一个实施例中，计算每个设定的周期各个编号滑动轴承的磨损量，还包含：

建立磨损量数据库，磨损量数据库根据p _c、u的数值进行分类成若干工况，每种工况具有一个工况编号，如图5所示先建立表5中最顶端一行（F ₁~F ₁₀）以及最左端一行（V ₁~V ₁₀）。最开始建立的磨损量数据库，仅包含F ₁~F ₁₀，V ₁~V ₁₀，其余数据是空的，图5中的工况包含了所有的算例情形。同一种工况只需要计算一次，导入至磨损量数据库即可，下次遇到相同工况，直接调用。

具体地，根据工况出现的概率进行合理设置工况种类划分的疏密情况，将可能出现的工况分类表参考示意图进行分类。工况编号的含义解释如下：C11表示相对滑动速度不大于V1、接触线载荷不大于F1的工况，计算时取u=V1和p _c =F1；C56表示相对滑动速度大于V4而不大于V5、接触线载荷大于F5而不大于F6的工况，计算时取p _c =V5和p _c =F6；C20表示相对滑动速度不大于V2、接触线载荷大于F9的工况，计算时取p _c =V2和p _c =F10。设定工况种类目的是缩减实时工况数量，增强算例通用性，加快主机系统5的计算速度。

根据拉力测量模块1监测并计算所得的滑动轴承的载荷信息、转动测量模块2监测并计算相对运动速度，对滑动轴承的工况信息进行归类，确定工况编号；并查找磨损量数据库，判断是否包含该工况编号的数据；如果含有，则该条磨损量即为相应滑动轴承的磨损量；如果不含有该条磨损量数据，则利用磨损量公式计算并导入磨损量数据库。具体地，将拉力测量模块1监测并计算所得的滑动轴承载荷信息、转动测量模块监测并计算所得的滑动轴承接触副接触区位置及两接触面相对滑动速度等工况信息进行编号和记录，对轴承轴向每一段接触区位置的工况信息比照图5所示工况分类示意图进行分类，确定工况编号。查找磨损量数据库，判断是否包含该接触区中心及工况编号的数据；如果含有，则该磨损量数据即为相应滑动轴承磨损量。

如果磨损量数据库不含有该条数据，则利用上述滑动轴承的磨损量计算公式，重新计算，并导入磨损量数据库。具体地，按照前文轴承上压力分布计算步骤计算压力分布，即采用分层材料粗糙面非Hertz法向接触计算模型，带入轴承轴向每一段工况信息，轴承接触副材料属性、接触区几何及表面形貌特征计算接触区的微观压力信息。再将压力信息导入改进的Archard模型，获取轴承接触区在各传感器采样周期的最小公倍数时间内的磨损厚度，并将计算结构导入到磨损量数据库。

当所述磨损量数据库包含该工况编号的磨损量数据时，确定该磨损量数据为该滑动轴承的磨损量；

当所述磨损量数据库不包含该工况编号的数据时，利用磨损量公式计算该滑动轴承的磨损量，并导入磨损量数据库。

在一个实施例中，，计算每个设定的周期各个编号滑动轴承的磨损量之后，还包括：滑动轴承接触界面的表面几何形貌进行阶段性更新，当待某一区域最大磨损厚度达到设定磨损厚度时，更新整个滑动轴承的接触界面的表面几何形貌，清空已有的磨损量数据库，重新导入新的磨损量数据库。具体地，为充分考虑轴承表面形貌的影响，本发明所使用的轴承接触界面的表面几何形貌具备阶段性更新功能，待某一区域最大磨损厚度达到设定值（例如0.1mm）时，则更新整个轴承接触界面的表面几何形貌；此时，轴承磨损量数据库将不再适用，旧的磨损量数据库将清零，所有算例将重新计算并导入生成新的磨损量数据库。

本发明还具有手动优化提升模型估测精度的功能。单点系泊系统大修期间，会更换系泊腿滑动轴承。将所更换的轴承称重后切割为多组待测试件，对试件工作界面的表面轮廓进行测量，获取测量区域的磨损厚度，即为轴承服役期间该处的磨损量。将检测所得各试件磨损量与本系统估算的对应区域磨损量进行对比，分析各处差异情况。用以修正本系统设定的磨损系数，以期提升本系统估测精度。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种系泊腿万向节装置的滑动轴承磨损估测系统，所述系泊腿万向节装置包含上吊耳（100）、系泊腿钢管（200）、下吊耳（300）和两个万向节（400）；所述上吊耳（100）、系泊腿钢管（200）顶端、下吊耳（300）和系泊腿钢管（200）底端均具有两个叉开的支腿；每个万向节（400）均分别包含铸钢座、长销轴（401）和短销轴（402），所述长销轴（401）和短销轴（402）均分别套设四个滑动轴承，其特征在于，所述磨损估测系统包含：

拉力测量模块（1），其包含光纤光栅解调仪（11）和十个用于测量拉应变的光纤光栅应变传感器（12），所有光纤光栅应变传感器（12）相互并联后，连接于光纤光栅解调仪（11）；两个光纤光栅应变传感器（12）分别设置系泊腿钢管（200）的顶端和底端，八个光纤光栅应变传感器（12）一一设置于八个支腿；

转动测量模块（2），其包含九个双轴倾角传感器（21），九个双轴倾角传感器（21）一一设置于上吊耳（100）、系泊腿钢管（200）、下吊耳（300）以及两个万向节（400）的铸钢座、长销轴（401）和短销轴（402）；

数据采集模块（4），用于按照设定的周期接收所有光纤光栅应变传感器（12）和双轴倾角传感器（21）的数据；

主机系统（5），用于对所有滑动轴承进行编号，根据数据采集模块（4）的数据进行分析，持续计算每个设定的周期每个滑动轴承的磨损量，并叠加计算；当任一滑动轴承的叠加磨损量超过设定磨损阈值时，主机系统（5）报警并显示磨损滑动轴承的编号。

2.如权利要求1所述的一种系泊腿万向节装置的滑动轴承磨损估测系统，其特征在于：所述滑动轴承磨损估测系统还包含振动测量模块（3），所述振动测量模块（3）包含四个振动传感器，四个振动传感器一一设置于两个长销轴（401）和两个短销轴（402）；

当振动测量模块（3）的四个振动传感器中任意一个振动传感器监测到周期性的高频振动时，主机系统（5）报警。

3.一种基于权利要求1所述滑动轴承磨损估测系统的磨损估测方法，其特征在于，包含以下步骤：

主机系统（5）对所有滑动轴承进行编号；

数据采集模块（4）按照设定的周期接收所有传感器的数据，并发送给主机系统（5）；

主机系统（5）接收并存储数据采集模块（4）的数据，计算每个设定的周期各个编号滑动轴承的磨损量，并对各个编号滑动轴承的磨损量进行叠加计算；

当任一编号的滑动轴承的叠加磨损量超过设定磨损阈值，主机系统报警并显示磨损滑动轴承的编号。

4.如权利要求3所述的磨损估测方法，其特征在于：

计算每个设定的周期各个编号滑动轴承的磨损量，并对各个编号滑动轴承的磨损量进行叠加计算，包含：

所述主机系统（5）生成每个滑动轴承的三维图谱，并按设定的周期更新每个滑动轴承的叠加磨损量。

5.如权利要求3所述的磨损估测方法，其特征在于，任一设定周期的任一编号滑动轴承的磨损量的计算公式：

其中，p _c是接触压力，其根据拉力测量模块（1）反馈的数据计算得出；

u为相对滑动速度，u=ωr，其中，r为滑动轴承所处销轴的半径；ω为滑动轴承相对所在销轴的相对转动角速度，其根据转动测量模块（2）反馈的信号得出；

H _r为轴承表面硬度，其通过试验测量得出；

k为磨损系数，其通过根据p _c和u查表得出。

6.如权利要求5所述的磨损估测方法，其特征在于，任一编号滑动轴承的所述p _c计算步骤如下：

根据设置于系泊腿钢管（200）两端的两个光纤光栅应变传感器（12）监测的拉应力，计算系泊腿钢管（200）两端的拉力值，将系泊腿钢管（200）两端的拉力值分别作为上部万向节400和下部万向节400的所有滑动轴承的拉力总和；

采用该编号滑动轴承所在的销轴两端对应支腿的光纤光栅应变传感器（12）的数据，结合压力线型偏载模型，得到该编号滑动轴承的接触压力p _c。

7.如权利要求5所述的磨损估测方法，其特征在于，任一编号滑动轴承的相对转动角速度ω得出方法如下：

利用滑动轴承内圈所在销轴的双轴倾角传感器（21）、以及滑动轴承外圈所在上吊耳（100）、系泊腿钢管（200）、下吊耳（300）或铸钢座的双轴倾角传感器（21）的数据，计算得出滑动轴承的相对转动角速度ω。

8.如权利要求5所述的磨损估测方法，其特征在于，主机系统（5）接收并存储数据采集模块（4）的数据，计算每个设定的周期任一编号滑动轴承的磨损量，还包含：

将滑动轴承的工作接触面沿着圆周方向均匀划分网格M个，沿轴向均匀划分网格N个；工作接触面被划分为M×N个弧面单元格；

在一个设定的周期内，根据转动测量模块（2）监测的角度信息确定滑动轴承接触区的中心线所在的弧面单元格，将接触区中心设定为该弧面单元格的中心；

根据拉力测量模块（1）监测的数据计算滑动轴承的微观压力信息；

利用磨损量计算公式结合目标轴承接触区的微观压力信息，根据微观压力信息计算目标轴承的各个弧面单元格的磨损量。

9.如权利要求8所述的磨损估测方法，其特征在于，计算每个设定的周期各个编号滑动轴承的磨损量，还包含：

建立磨损量数据库，磨损量数据库根据p _c、u的数值进行分类成若干工况，每种工况具有一个工况编号；

根据拉力测量模块（1）监测并计算所得的滑动轴承的压力信息、转动测量模块（2）监测并计算相对运动速度，对滑动轴承的工况信息进行归类，确定工况编号；

并查找磨损量数据库，判断是否包含该工况编号的数据；如果含有，则该条磨损量即为相应滑动轴承的磨损量；如果不含有该条磨损量数据，则利用磨损量公式计算并导入磨损量数据库。

10.如权利要求9所述的磨损估测方法，其特征在于，计算每个设定的周期各个编号滑动轴承的磨损量之后，还包括：

当滑动轴承某一区域最大磨损厚度达到设定磨损厚度时，更新整个滑动轴承的接触界面的表面几何形貌，清空已有的磨损量数据库，重新导入新的磨损量数据库。