本发明涉及一种轴承的磨损状态检测传感设备及监测系统。
背景技术：
目前，船舶艉部使用的水润滑橡胶轴承，由于不能实时了解其工作状态，有时甚至损坏也无从知晓，只有上岸拆卸艉轴才能知道轴承是否损坏，这给橡胶轴承的维护和保养带来了极大不便和浪费。设计开发水润滑橡胶轴承磨损状态监测系统，对橡胶轴瓦条的磨损状态进行实时连续在线监测，分析橡胶轴承的工作特性，对增强水润滑轴承的功能，提高使用寿命以及降低维修成本具有重要经济意义。
目前，光纤等传感技术在橡胶制品、机械滑动轴承等装置上已有应用。现有技术(美国专利公开号us007432821b1)，在船舶艉轴承中嵌入光纤，利用光纤的透射检测原理进行轴承内测的磨损监测，结构相对复杂，生产难度大、安装维护不便。现有技术(美国专利公告号us008790074b2)，在燃气涡轮发动机定子内表面嵌入光纤布拉格光栅(fbg)传感器，利用fbg传感器被磨损破坏，不能检测到相应光纤光栅的中心波长λb，实现磨损位置监测，其只能检测磨损发生的有无，并不能检测磨损量状态，更不能实现实时监测。
现有技术(中国专利申请号cn10072961)，在滑动轴承的轴瓦预留的检测孔中安装光纤光栅传感器进行磨损量，由于需要通过分析光栅磨损过程中的光谱变化特征，因此需要时间进行解调，只能每隔30秒解调出一次光纤光栅磨损量，并不是真正意义上的实时在线测量。并且，从图中可以看到，预留的检测孔设置在相邻两个轴瓦之间，如果是橡胶材料，则这种开孔形式会破坏橡胶轴瓦的支承性能，另一方面，实际生产过程中，橡胶材质的轴瓦在经过高温处理，冷却过程中预留的检测孔会发生收缩变形，存在难以安装传感器，甚至发生位置改变的问题；而若在模压硫化时直接复合光纤，则受高温工艺条件影响，植入成功率低，并且橡胶产品高温模压成型后，具有较高的收缩率，橡胶轴瓦条中沿着轴向植入的光纤，因材料差异，收率较小，因此，橡胶轴瓦条高温模压轴向植入耐高温的特种光纤后，光纤轴向布置的长度比径向布置的长度大很多，橡胶轴瓦条基体和光纤的收缩率差异较大，致使光纤容易断裂。
综上所述，水润滑橡胶轴承中植入光纤进行磨损监测，主要存在以下难点：(1)用于监测的传感器不能破坏橡胶轴瓦的支承性能。(2)橡胶产品成型过程，存在高温或高压状态，光纤直接植入橡胶制品的成功率低。(3)轴承工作环境及传感器线路舾装环境恶劣，传感器及信号传输应考虑工作环境的影响。(4)难以实现线连续实时磨损监测。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种系统简单、可靠好、使用寿命长、灵敏性好、可实现线连续实时磨损监测的水润滑轴承磨损状态监测系统。
本发明还提供一种结构简单、密封性好、易于生产制造、不影响橡胶轴瓦的支承性能、使用寿命长、易于植入的用于上述监测系统的水润滑轴承磨损状态检测传感装置。
本发明水润滑轴承磨损状态检测传感装置，包括多根橡胶轴瓦条组成的橡胶轴瓦，至少一根橡胶轴瓦条内埋装有光纤光栅传感单元，所述光纤光栅传感单元包括沿轴向埋装在所述橡胶轴瓦条内的毛细管和前端穿过毛细管后向上弯曲的光纤，所述光纤的前端设有光栅，所述光栅垂直于所述橡胶轴瓦条待测点的磨擦面；所述光纤为聚酰亚胺涂覆的耐高温光纤，所述光栅为均匀光纤布拉格光栅或线性啁啾光纤布拉格光栅。
所述光栅的待摩擦部与所述橡胶轴瓦条的磨擦面平齐。
所述毛细管和光纤之间填装有填料。
所述毛细管为毛细钢管、毛细铜管或者毛细塑料管；所述填料为橡胶或树脂材料。
所述光纤光栅传感单元的预埋方法为：先将端部设有装有光栅的光纤穿过毛管后再向上弯折，使光栅垂直于所述橡胶轴瓦条的待测点的磨擦面，且光栅的待摩擦部位于所述橡胶轴瓦条的磨擦面平齐的位置，然后整体随橡胶轴瓦模压硫化，埋入橡胶轴瓦条中。
本发明水润滑轴承磨损状态监测系统，至少包括：
上述检测传感装置、光开关、耦合器、宽带光源、光电探测器、采集卡、数据采集控制系统和报警控制系统，其中所述检测传感装置通过光纤连接到光开关，耦合器与宽带光源、光开关和光电探测器同时光路相连；光电探测器和采集卡使用数据线连接，传送电信号；数据采集控制系统连接采集卡和光开关，并传送磨损数据给报警控制系统。
还包括有与报警控制系统连接的显示器。
还包括有与报警控制系统连接的声光报警器。
所述光开关为具有光路切换功能的磁光开关；所述宽带光源输出光功率大于13dbm，光谱平坦度优于1.5db。
所述耦合器为1分2拉锥式光纤分路器；光电探测器为平衡放大光电探测器
有益效果：
1.采用光纤光栅来对水润滑橡胶轴承磨损状态进行监测，将聚酰亚胺涂覆的耐高温光纤封装至毛细管中后直接预埋在橡胶轴瓦条中，耐高温光纤配合毛细管的保护，有效避免高温模压硫化过程中高温或高压条件对光纤及光栅的影响，大大提高了光纤光栅传感单元植入的成功率和可靠性；并且，这种埋装方式不需要预留安装孔，不会对破坏橡胶轴瓦的支承性能，同时这种预埋方式使得轴瓦条的橡胶材料能够完全包裹光纤和光栅，避免恶劣工作环境对传感单元的负面影响。
2.为解决橡胶轴瓦条基体和光纤的收缩率差异较大，致使光纤容易断裂的问题，发明人一方面采毛细管封装部分光纤，保护光纤引入至检测点附近，避免光纤因轴瓦变形断裂；另一方面必须引出毛细管的部分光纤通过向上弯曲的形式巧妙的预留出收缩余量，使光纤能够适应轴瓦条的局部变形，以利于施工。
3.所述光纤的前端设有光栅，所述光栅垂直于所述橡胶轴瓦条待测点的磨擦面，通过监测光栅栅区的长度与光栅反射率线性关系可以非常直接快速的反映检测轴瓦的磨损状态，从而可以实现实时、连续在线监测轴承磨损量，进行磨损量显示和磨损等级报警。
4.本发明传感装置结构紧凑、易于生产制造、可靠好、使用寿命长、灵敏性高，特别适用于橡胶材质的水润胶轴承磨损状态的检测；本发明系统灵敏性好、可实现线连续实时磨损监测。
附图说明
图1为本发明水润滑轴承磨损状态检测传感装置的安装结构示意图。
图2为毛细管复合在橡胶轴瓦条中的结构示意图。
图3为水润滑轴承磨损状态监测系统图。
图4均匀光纤布拉格光栅栅区长度变化的光谱图
图5均匀光纤布拉格光栅栅区长度变化的光反射功率检测图
图6线性啁啾光纤布拉格光栅栅区长度变化的光谱图
图7线性啁啾光纤布拉格光栅栅区长度变化的光反射功率检测图。
其中，1-橡胶轴瓦、2-橡胶轴瓦条、3-毛细管、4-光纤、5-光栅、6-填料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步解释说明：
参见图1和图2，本发明水润滑轴承磨损状态检测传感装置，包括多根橡胶轴瓦条2组成的橡胶轴瓦1，至少一根橡胶轴瓦条2内埋装有光纤光栅传感单元，所述光纤光栅传感单元包括沿轴向埋装在所述橡胶轴瓦条2内的毛细管3和前端穿过毛细管3后向上弯曲的光纤4，所述光纤4的前端设有光栅5，所述光栅5垂直于所述橡胶轴瓦条2待测点的磨擦面，且其光栅5的待摩擦部与所述橡胶轴瓦条2的磨擦面平齐；所述光纤4为聚酰亚胺涂覆的耐高温光纤，所述光栅5为均匀光纤布拉格光栅或线性啁啾光纤布拉格光栅。所述毛细管3和光纤4之间填装有填料6；
所述毛细管4优选为毛细钢管、毛细铜管或者毛细塑料管；所述填料4优选为橡胶或树脂材料。
进一步的，所述光纤光栅传感单元的预埋方法为：先将端部设有装有光栅5的光纤4穿过毛细管3后再向上弯折，使光栅5垂直于所述橡胶轴瓦条2的待测点的磨擦面且光栅5的待磨擦部与磨擦面平齐的位置，然后整体随橡胶轴瓦条模压硫化，预埋入橡胶轴瓦条2中。
参见图3，本发明水润滑轴承磨损状态监测系统，至少包括：
上述检测传感装置、光开关、耦合器、宽带光源、光电探测器、采集卡、数据采集控制系统和报警控制系统，其中所述检测传感装置的多个光纤光栅传感单元分别通过光纤连接到光开关，耦合器与宽带光源、光开关和光电探测器同时光路相连；光电探测器和采集卡使用数据线连接，传送电信号；数据采集控制系统连接采集卡和光开关，并传送磨损数据给报警控制系统，所述报警控制系统连接显示器(包括磨损状态显示器和磨损等级显示器)和声光报警器。
优选的，所述光开关为具有光路切换功能的磁光开关；所述宽带光源输出光功率大于13dbm，光谱平坦度优于1.5db；所述耦合器为1分2拉锥式光纤分路器；光电探测器为平衡放大光电探测器。
当光栅为均匀光纤布拉格光栅时，对橡胶轴瓦磨损状态的监测实施例：
光栅栅区位于毛细管3外部，垂直于橡胶轴瓦条2摩擦面并与之平齐，通过监测光栅栅区的长度与光栅反射率线性关系来检测轴瓦的磨损状态，摩擦面上的磨损监测点位于光栅栅区监测范围内。均匀光纤光反射率和栅区长度关系如下：
其中：
r为反射率。
l为栅区长度。
κ为耦合系数；
由图4和图5中可以看出橡胶轴瓦的磨损量即均匀布拉格光栅栅区的长度的变化，可以通过监测光栅反射的光功率进行在线连续检测，并且不受环境温度的影响。
宽带光源将光信号通过耦合器、射入光开关选择的均匀光纤布拉格光栅；同时均匀光纤布拉格光栅将橡胶轴瓦条2的磨损信号反射，经过光开关、耦合器被光电探测器检测；光电探测器将探测到的磨损光信号，转换成790mv左右的电信号，随着轴瓦磨损的加剧，监测电压逐渐变小；采集卡将采集到的磨损电信号转化成数字量的数据信号发送给数据采集控制系统；数据采集控制系统将磨损数据信号进行滤波处理，并将磨损数据对应的光纤光栅通道序号发送给报警控制系统；报警控制系统根据设置磨损报警等级阀值，将轴瓦的磨损状态、磨损等级发显示器显示，若达到磨损报警阀值，马上进行声光报警。
使用线性啁啾光纤布拉格光栅对橡胶轴瓦磨损状态的监测
在橡胶轴瓦中植入毛细钢管封装的线性啁啾光纤布拉格光栅传感器，其中光栅栅区位于毛细钢管外部，垂直于轴瓦摩擦面，通过监测光栅栅区的长度与光栅反射率线性关系来检测轴瓦的磨损状态，摩擦面上的磨损监测点位于光栅栅区监测范围内。线性啁啾光纤布拉格光栅反射率和栅区长度关系如下：
其中：
r为反射率。
l为栅区长度。
κ为耦合系数；λ为光波波长；
由图6和图7中可以看出橡胶轴瓦的磨损量即啁啾光纤布拉格光栅栅区的长度的变化，可以通过监测光栅反射的光功率进行在线连续检测，并且不受环境温度的影响。
宽带光源将光信号通过耦合器、射入光开关选择的线性啁啾光纤布拉格光栅；同时线性啁啾光纤布拉格光栅将轴瓦的磨损信号反射，经过光开关、耦合器供光电探测器检测；光电探测器将探测到的磨损光信号，转换成1500mv左右的电信号，随着轴瓦磨损的加剧，监测电压逐渐变小；采集卡将采集到的磨损电信号转化成数字量的数据信号发送给数据采集控制系统；数据采集控制系统将磨损数据信号进行滤波处理，并将磨损数据对应的光纤光栅通道序号发送给报警控制系统；报警控制系统根据设置磨损报警等级阀值，将轴瓦的磨损状态、磨损等级发显示器显示，若达到磨损报警阀值，马上进行声光报警。
技术特征：
1.一种水润滑轴承磨损状态检测传感装置，包括多根橡胶轴瓦条组成的橡胶轴瓦，其特征在于，至少一根橡胶轴瓦条内埋装有光纤光栅传感单元，所述光纤光栅传感单元包括沿轴向埋装在所述橡胶轴瓦条内的毛细管和前端穿过毛细管后向上弯曲的光纤，所述光纤的前端设有光栅，所述光栅垂直于所述橡胶轴瓦条待测点的磨擦面；所述光纤为聚酰亚胺涂覆的耐高温光纤，所述光栅为均匀光纤布拉格光栅或线性啁啾光纤布拉格光栅。
2.如权利要求1所述的水润滑轴承磨损状态检测传感装置，其特征在于，所述光栅的待摩擦部与所述橡胶轴瓦条的磨擦面平齐。
3.如权利要求1或2所述的水润滑轴承磨损状态检测传感装置，其特征在于，所述毛细管和光纤之间填装有填料。
4.如权利要求3所述的水润滑轴承磨损状态检测传感装置，其特征在于，所述毛细管为毛细钢管、毛细铜管或者毛细塑料管；所述填料为橡胶或树脂材料。
5.如权利要求1所述水润滑轴承磨损状态检测传感装置，其特征在于，所述光纤光栅传感单元的预埋方法为：先将端部设有装有光栅的光纤穿过毛管后再向上弯折，使光栅垂直于所述橡胶轴瓦条的待测点的磨擦面，且光栅的待摩擦部位于所述橡胶轴瓦条的磨擦面平齐的位置，然后整体随橡胶轴瓦模压硫化，埋入橡胶轴瓦条中。
6.一种水润滑轴承磨损状态监测系统，其特征在于，至少包括：
权利要求1-4任一项所述的检测传感装置、光开关、耦合器、宽带光源、光电探测器、采集卡、数据采集控制系统和报警控制系统，其中所述检测传感装置通过光纤连接到光开关，耦合器与宽带光源、光开关和光电探测器同时光路相连；光电探测器和采集卡使用数据线连接，传送电信号；数据采集控制系统连接采集卡和光开关，并传送磨损数据给报警控制系统。
7.如权利要求6所述的水润滑轴承磨损状态监测系统，其特征在于，还包括有与报警控制系统连接的显示器。
8.如权利要求6或7所述的水润滑轴承磨损状态监测系统，其特征在于，还包括有与报警控制系统连接的声光报警器。
9.如权利要求6所述的水润滑轴承磨损状态监测系统，其特征在于，所述光开关为具有光路切换功能的磁光开关；所述宽带光源输出光功率大于13dbm，光谱平坦度优于1.5db。
10.如权利要求6所述的水润滑轴承磨损状态监测系统，其特征在于，所述耦合器为1分2拉锥式光纤分路器；所述光电探测器为平衡放大光电探测器。
技术总结
本发明公开了一种轴承的磨损状态检测传感设备及监测系统，技术方案包括多根橡胶轴瓦条组成的橡胶轴瓦，至少一根橡胶轴瓦条内埋装有光纤光栅传感单元，所述光纤光栅传感单元包括沿轴向埋装在所述橡胶轴瓦条内的毛细管和前端穿过毛细管后向上弯曲的光纤，所述光纤的前端设有光栅，所述光栅垂直于所述橡胶轴瓦条待测点的磨擦面；所述光纤为聚酰亚胺涂覆的耐高温光纤，所述光栅为均匀光纤布拉格光栅或线性啁啾光纤布拉格光栅。所述监测系统至少包括所述检测传感装置、光开关、耦合器、宽带光源、光电探测器、采集卡、数据采集控制系统和报警控制系统。本发明系统简单、可靠好、使用寿命长、灵敏性好、可实现线连续实时磨损监测。
技术研发人员：帅长庚;俞晓丰;杨雪
受保护的技术使用者：中国人民解放军海军工程大学
技术研发日：.10.11
技术公布日：.02.21
如果觉得《水润滑轴承磨损状态检测传感装置及监测系统的制作方法》对你有帮助，请点赞、收藏，并留下你的观点哦！
