滑動軸承潤滑油膜厚度光纖動態精密檢測模型

張平,張小棟,董曉妮,趙妮,凌寒

(1.西安建筑科技大學機電工程學院,710055,西安;2.西安交通大學機械工程學院,710049,西安)

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滑動軸承潤滑油膜厚度光纖動態精密檢測模型

張平1,2,張小棟2,董曉妮2,趙妮1,凌寒1

(1.西安建筑科技大學機電工程學院,710055,西安;2.西安交通大學機械工程學院,710049,西安)

為了實現滑動軸承關鍵參數潤滑油膜厚度的精密動態檢測,構建了基于雙路光纖的油膜厚度動態精密檢測模型,以對光纖傳感器的非線性特性進行補償并對油膜厚度動態信號中的噪聲進行濾除。該模型系統集成強度調制式光纖檢測技術、光強補償技術、非線性校正與濾噪技術,由光纖傳感器調制函數、調理電路、上位機處理3個模塊組成,其原理與優勢在于:基于光強調制原理實現了油膜厚度對接收光功率信號的調制;采用光強補償技術有效消除了光功率波動及反射率變化對檢測結果的影響;利用非線性校正與濾噪技術實現了光電信號與油膜厚度信號的精確映射。靜態標定實驗和滑動軸承油膜厚度動態檢測實驗結果證明了該模型的正確性。

滑動軸承;油膜厚度;光纖傳感器;檢測模型

滑動軸承作為支承核電機組、現代大型軋機等領域大型重載轉子的核心部件,其潤滑性能和動力學性能隨潤滑油膜厚度變化最為敏感,因此潤滑油膜厚度的準確檢測對于評價這些設備的工作狀態具有重大的工程意義。同時,動態檢測獲取的油膜厚度數據還能豐富旋轉機械的監測診斷信息,是現有監測方法及技術的重要補充。

對潤滑油膜厚度的檢測方法有電阻、電容、光干涉、激光誘導熒光等方法,這些測量方法容易受到機組轉子軸電壓、熒光添加劑、安裝條件、測量范圍、設備成本等因素的影響[1-3]。此外,國內外學者將超聲波法用于膜厚的檢測[4-7]。根據測量原理不同,超聲波方法分為脈沖反射法和反射系數法,其中脈沖反射法的檢測結果容易受到傳播材料、結構缺陷、傳播方向等因素的影響,而反射系數法則存在計算復雜、測量范圍受限的問題。同時,超聲檢測過程中需要聲波發射、聲波接收并進行相關計算,因此超聲波法不適合動態檢測。

反射式光纖傳感器具有抗電磁干擾的特性,頻帶寬適合動態測量,同時還具有體積小、成本低、測量范圍大、標定容易等特點,已經實現振動、葉尖間隙、應變等多個物理量的檢測,也為潤滑油膜厚度的檢測提供了手段[8-12]。然而,目前還未提出一種適合滑動軸承潤滑油膜厚度精密動態檢測的模型以實現光電信號與油膜厚度動態信號的精確映射。因此,在分析光纖檢測結果影響因素的基礎上,構建潤滑油膜厚度精密檢測模型,并對光纖傳感器輸出特性的非線性補償方法、動態檢測過程中油膜空穴和油液雜質對傳輸光的干擾噪聲的濾除方法做進一步研究,具有重要的意義。

1 潤滑油膜厚度光纖檢測原理

滑動軸承潤滑油膜厚度檢測,其實質是進行間隙距離檢測,其中的介質是潤滑油。潤滑油具有透光性,當發射光纖發射具有一定功率的光后,經潤滑油和發射面,接收光纖的接收光功率會隨著油膜厚度的變化而變化,即油膜厚度對接收光功率光進行了調制,通過對接收光纖的接收光進行處理就可以實現油膜厚度的檢測。

如圖1所示,將光纖傳感器布置在與y軸夾角為φ的方向上,安裝初始間距為w。轉子未工作時,軸頸處于軸承最下端,光纖傳感器測得光纖探頭至軸頸表面的油膜厚度為z0。根據軸承、軸頸的幾何參數,此時測點處油膜厚度為

(1)

由式(1)可知,轉子未工作時的油膜厚度只與傳感器安裝位置、軸承和軸頸的幾何參數有關,因此對于確定的轉子-軸承系統及傳感器安裝位置,轉子未工作時測點處的油膜厚度為確定值。

圖1 傳感器安裝初始間距

根據圖1可知,傳感器的安裝初始間距為

w=z0-h0=

(2)

如圖2所示,轉子工作時,光纖傳感器所檢測的油膜厚度為z,其安裝初始間距為w,則測點處的油膜厚度為

(3)

圖2 測點處油膜厚度的幾何關系

2 光纖動態精密檢測模型構建

2.1 模型構建

由式(3)可知,實現測點處油膜厚度檢測的關鍵在于對光纖探頭至軸頸表面距離的檢測。采用單光纖對光纖傳感器時,接收光功率會受到光源功率及反射面反射率的影響,因此單光纖對光纖傳感器要實現油膜厚度的精確測量,需要發光功率穩定的光源和確定的反射面反射率。然而實際上,軸頸處于運動狀態時,表面反射率是實時變化的,對于光源,需要設計復雜的電路來保證光源發光功率穩定。

接收光功率需通過調理電路轉換成電壓信號,以供采集系統進行采集,通過上位機將采集的電壓信號進行反變換,得到探頭至反射面的距離,再減去初始安裝距離,便獲得測點處油膜厚度。在此過程中,需對光纖傳感器的非線性特性進行補償,以提高檢測的精度。

在實際的油膜厚度光纖檢測過程中,除了入射光功率、潤滑介質及軸頸表面對檢測結果有影響之外,環境光的干擾、油膜中的空穴及雜質對油膜厚度檢測結果也有較大的影響[13]。環境光會改變光電轉換中的光功率,可以通過對檢測電路進行屏蔽及提高入射光功率增加接收光纖的光功率進行補償,以減小環境光對檢測結果的影響。油膜中的空穴及雜質會改變光傳播的角度,并使得光纖最大入射角及光強調制函數發生改變,導致油膜檢測信號中存在噪聲干擾。對于此種干擾無法通過硬件方法進行補償,需在上位機中設置相應的濾波環節對油膜厚度信號進行濾波處理,以得到準確的油膜厚度信號。

通過上述分析,本文構建如圖3所示的帶軟件濾波環節的油膜厚度雙路接收光纖動態檢測模型。在此模型中,光纖傳感器采用雙路接收光纖,對于環境光的干擾可采取屏蔽及適當提高入射光功率降低前置放大系數來進行消除,通過非線性補償環節,對光纖傳感器的非線性進行校正。對測量過程中的空穴和噪聲干擾,通過設置相應的濾波環節F(h′(n))進行消除。

圖3 雙路接收光纖精密檢測模型

雙路接收光纖檢測模型采用雙路接收光纖,其調制函數分別為f1和f2,通過對兩路接收光的光功率轉換成的電壓信號進行比值處理,在光纖參數、潤滑油、反射面形狀都確定的情況下,調理電路輸出的電壓信號僅與油膜厚度有關。因此,根據上述雙路接收光纖檢測模型,此時油膜厚度測量的一般表達式為

(4)

式中:Uof為調理電路輸出的電壓信號;δ為反射面反射系數;Pt為發射光功率;To為潤滑油影響系數;θc1為潤滑油環境下的光纖最大入射角;k為光電轉換系數;R為放大系數;c為除法電路放大轉換系數;PE為環境光的光功率;f1為第1路接收光纖的調制函數;f2為第2路接收光纖的調制函數。

由式(4)可以看出,經過雙路接收光纖的接收光功率進行比值處理,輸出值僅與除法補償電路的放大系數和調制函數輸出比值有關,從理論上可以消除光功率波動、潤滑油影響系數及反射面反射率對油膜厚度測量結果的影響。

獲得的油膜厚度電壓信號經采集器采集后,為了提高檢測精度,通過軟補償方法對檢測結果進行非線性校正,即

(5)

式中:(a0,a1,a2,…,an)為反變換系數組,數值可根據傳感器靜態標定結果利用最小二乘法得到,對應的階次可根據擬合精度進行選擇。

獲得的油膜厚度為探頭至反射面之間的油膜厚度zm,根據式(3),用zm減去初始距離w即為測點處軸承油膜厚度。對于環境光的干擾,通過雙路接收光纖并不能很好地消除,因此在設計后續檢測系統時,可通過屏蔽環境光和增大發射光功率Pt以消除環境光對測量結果的影響。對于檢測過程中油膜內空穴及雜質的干擾,在上位機中設置相應的濾波環節進行濾除。設對應的濾波器的濾波算法為F(h′(n)),則最終的油膜厚度為

(6)

2.2 雙段曲線擬合的非線性補償方法

光纖傳感器在測量滑動軸承潤滑油膜厚度前,必須在潤滑油環境下和相同曲率半徑的反射面條件下對其標定,以確定反射面曲率半徑、潤滑油折射率以及傳感器輸出特性的非線性對光纖檢測系統檢測精度的影響[13]。在此基礎上,需根據標定結果對傳感器進行非線性補償并得到相應的反變換系數,最終在上位機軟件中進行處理,以提高光纖傳感器的檢測精度。

本文采用雙段曲線擬合法對傳感器非線性特性進行補償以提高測量精度,擬合算法采用最小二乘法,過程如下:

(1)假設z為標定的輸入(位移),Uof為輸出(輸出電壓),則標定點的數據為

(7)

(2)為減小測量誤差,提高測量精度,將測量范圍劃分為兩段分別進行擬合;

(3)假設每段測量范圍對應的反非線性特性擬合方程為

(8)

(4)利用最小二乘法分別求解不同測量范圍對應的a0、a1和a2;

(5)根據每段測量范圍對應的采樣值Uof,確定Uof所在的測量范圍,再將Uof代入對應的反非線性特性擬合方程得到被測位移z。

2.3 濾波算法

對于檢測過程中油膜內空穴、雜質的干擾,模型采用具有保相功能、運算速度快的形態濾波算法。根據光纖傳感器在潤滑油中的傳輸特性,空穴對傳感器檢測的影響主要是造成信號中出現脈沖噪聲,而雜質的影響則是隨機的。形態濾波算法中結構元素的形式對噪聲濾除有顯著影響,研究表明,選擇三角結構元素可有效濾除信號中的脈沖噪聲,選擇半圓結構元素可有效濾除信號中的隨機噪聲[14-15]。根據油膜厚度信號噪聲特點,形態濾波環節采用三角結構元素和半圓形結構元素進行復合級聯的方式,復合級聯的方法為

(9)

(10)

選擇三角結構元素gs,通過式(9)對采集到的原始油膜厚度信號h′(n)進行濾波,得到濾波信號ys(n);再選擇半圓結構元素gb,通過式(10)對ys(n)進行處理,得到最終的油膜厚度信號h(n)。

3 靜態標定實驗

本文所采用的光纖傳感器的光纖排列方式為雙圈同軸式,光纖為多模石英光纖,纖芯半徑為96 μm,數值孔徑為0.22 μm,包層厚度為4 μm。搭建的靜態標定實驗裝置如圖4所示。將油槽放置在微位移平臺上,光纖傳感器固定在位移平臺上,將光纖傳感器垂直對準反射面,通過微位移傳感器的控制器調整反射面距光纖探頭的距離,并通過上位機的標定程序進行顯示和記錄數據,標定結果如表1所示,雙段曲線擬合的反變換系數如表2所示。

圖4 靜態標定實驗裝置

厚度/μm電壓/V厚度/μm電壓/V厚度/μm電壓/V1800-1.9962150-3.4132500-4.9571850-2.2062200-3.6432550-5.1831900-2.4182250-3.8692600-5.3931950-2.6012300-4.0752650-5.5752000-2.8182350-4.3052700-5.8122050-3.0012400-4.5382750-6.0052100-3.2002450-4.7442800-6.204

表2 雙段曲線擬合反變換系數表

采用一次線性擬合和雙段曲線的非線性補償方法的結果對比如表3所示。由表3可知,采用雙段曲線擬合方法可提高檢測精度,減小測量誤差。

表3 擬合結果對比

4 油膜厚度動態檢測實驗

在圖5所示的單跨滑動軸承支承的實驗臺上測取油膜厚度動態信號,轉子實驗臺參數如表4所示。該實驗臺轉子兩端由圓柱形滑動軸承支承,轉子由可調速電機驅動,傳感器采用雙圈同軸式光纖傳感器。實驗中,在轉子靜止的情況下測點傳感器探頭距軸頸表面的距離為2 011.5 μm,傳感器安裝角φ為45°。通過調速器將轉子的轉速調整到1 800 r/min,同時通過數據采集器CBOOK2000E的上位機程序將采樣頻率設置為1 024 Hz,采樣點數設置為1 024個。通過數據采集,最終獲得油膜厚度動態信號。

圖5 油膜厚度動態檢測實驗臺

名稱參數名稱參數轉子跨度/mm600軸承寬度/mm45轉子直徑/mm29.918半徑間隙/μm46圓盤質量/kg30.21相對間隙/%0.3

圖6 轉速1 800 r/min時測點A油膜厚度信號時域波形

圖7 經濾波后測點A油膜厚度信號時域波形

模型中復合級聯形態濾波器的兩種結構元素的結構高度取值為5,結構寬度取值為8。圖6為未處理的A測點油膜厚度動態信號波形,圖7為經模型濾波環節后的信號波形。從圖6可以看出,轉子轉速為1 800 r/min時,因軸心軌跡隨時間在靜態工作點附近變化,為此測點油膜厚度信號為波動信號,其中含有明顯的噪聲。從圖7可以看出,濾波后油膜厚度信號的噪聲得到很好抑制,測點處的油膜厚度基本在其平均值附近波動,且幅值不超過5 μm。

5 結 論

在分析油膜厚度光纖檢測原理的基礎上,構建了具有補償和抗干擾功能的油膜厚度光纖動態精密檢測模型。雙路接收光纖光強調制方式和調理電路比值處理可消除發射光功率波動、反射率變化對測量結果的影響;雙曲線擬合法的非線性補償可減小傳感器測量誤差,提高測量精度;復合級聯形態濾波算法可有效濾除油膜厚度動態信號中的噪聲干擾。靜態標定實驗和油膜厚度動態檢測實驗結果證明了本文所構建模型的正確性。

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(編輯 趙煒 荊樹蓉)

Optical Fiber Dynamic Precision Measuring Model for Lubricating Oil Film Thickness of Journal Bearings

ZHANG Ping1,2,ZHANG Xiaodong2,DONG Xiaoni2,ZHAO Ni1,LING Han1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China; 2. School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To realize dynamic precision measurement for lubricating film thickness of journal bearings, a double-receiving optical fiber dynamic precision measuring model for oil film thickness was built. The model can compensate the nonlinearity of optical fiber sensor and filter the noise in the dynamic oil film thickness signal. The model was built through integrating intensity-modulated optical fiber measuring technology, light intensity compensation, nonlinear correction and filtering technology. The model consists of optical intensity modulation function module, and conditioning circuit module, and master computer module. The principle and advantages of the model are as follows: the received optical power is modulated by the oil film thickness using the light intensity modulation function; the effects of changing optical power and reflectivity on the measuring results are eliminated by light intensity compensation; and the accurate mapping between photoelectric signal and oil film thickness signal is finished by nonlinear correction and filtering technology. The correctness of the measuring model was verified by calibration experiment and dynamic measuring experiment on the oil film thickness of journal bearing.

journal bearing; oil film thickness; optical fiber sensor; measuring model

10.7652/xjtuxb201605007

2015-11-22。作者簡介:張平(1980—),男,博士,講師。基金項目:國家自然科學基金資助項目(51405366)。

TH113.2

A

0253-987X(2016)05-0045-06