潤(rùn)滑油膜光纖干涉儀測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：光纖邁克爾遜干涉儀是一種非接觸、無(wú)損傷、耐腐蝕和抗干擾及精度高、易安裝的先進(jìn)測(cè)量?jī)x器。滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑油膜厚度的側(cè)量可通過(guò)探測(cè)軸頸位移來(lái)實(shí)現(xiàn)。理論分析表明在滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑油膜測(cè)量中引入光纖邁克爾遜干涉儀具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此可認(rèn)為它極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：潤(rùn)滑油膜；光測(cè)量；光纖邁克爾遜干涉儀

引言

滑動(dòng)軸承作為一種主要的基礎(chǔ)零部件在許多機(jī)械設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，它既是這些關(guān)鍵設(shè)備的重要支撐零件，又是保證其完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵摩擦副，對(duì)這些設(shè)備的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。隨著設(shè)備向高速重載方向發(fā)展，對(duì)軸承的工作載荷和速度的要求不斷提高。在高速、重載、高溫條件下工作的機(jī)器，摩擦、磨損是其發(fā)生故障的最主要原因。潤(rùn)滑則是減少摩擦與磨損的簡(jiǎn)便而有效的方法。為保證軸承處于液體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)，必須滿足最小油膜厚度處軸承兩表面不平度高峰不直接接觸的條件，一些重要場(chǎng)合，對(duì)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)常有嚴(yán)格要求，否則將嚴(yán)重影響軸承的工作性能和使用壽命。因此潤(rùn)滑膜的狀態(tài)在很大的程度上反映著設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。為保證軸承的正常運(yùn)轉(zhuǎn)而對(duì)潤(rùn)滑油膜的動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)和控制就顯得十分必要。

對(duì)測(cè)量滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑油膜厚度的方法曾有許多人作了探索。如Dowson， McNie and Goldsmith等人，用電容傳感器在一個(gè)關(guān)節(jié)模擬器中測(cè)量潤(rùn)滑油膜狀態(tài)[1]。Lijuan， Bai and Yan等人研究了用激光干涉法直接動(dòng)態(tài)觀測(cè)流體動(dòng)力潤(rùn)滑[2]。Jamaludin， Mba and Bannister j等人報(bào)告了如何用高頻應(yīng)力波監(jiān)測(cè)低速滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)[3]。X射線反射率的技術(shù)通過(guò)磁盤記錄還可被用來(lái)獲得潤(rùn)滑薄膜厚度[4]。

但以往由于檢測(cè)手段的限制，往往通過(guò)對(duì)軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和其它故障診斷的分析方法來(lái)間接的控制設(shè)備的運(yùn)行，或者通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)出口溫度等參數(shù)及潤(rùn)滑油連續(xù)供油狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)以保證對(duì)其不斷的供油，建立正常的油膜，防止因缺油或斷油而造成設(shè)備的重大損壞。因而，至今人們并沒(méi)有找到成熟的實(shí)現(xiàn)對(duì)滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑膜的厚度動(dòng)態(tài)變化信息進(jìn)行有效檢測(cè)的方法。

隨著光纖及其傳感技術(shù)的發(fā)展，對(duì)油膜的直接動(dòng)態(tài)測(cè)量成為了可能，從而為滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑膜厚度動(dòng)態(tài)變化信息的監(jiān)測(cè)帶來(lái)了可能性和希望。并通過(guò)它與計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備的連接可有效地對(duì)滑動(dòng)軸承的運(yùn)行狀況進(jìn)行在線監(jiān)控。這一新技術(shù)的深入研究與成功實(shí)現(xiàn)，無(wú)疑將會(huì)大大提高我國(guó)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)水平，推進(jìn)這些關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)時(shí)維修與質(zhì)量保證技術(shù)的迅速發(fā)展。

先前我們?cè)M(jìn)行了使用光纖位移傳感器精確測(cè)量滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑油膜狀態(tài)的研究，然而該方法仍有一些不足[5-7]。

鑒于反射式光纖位移傳感器的工作原理，輸出信號(hào)通常受工作條件所影響，如光源不穩(wěn)定性、環(huán)境和溫度的變化；以及光傳輸介質(zhì)（油）等。因此測(cè)量系統(tǒng)需要一段時(shí)間后重新校準(zhǔn)。該方案的另一個(gè)不足是輸入和輸出關(guān)系是非線性的，這就需要一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理程序。此外，該測(cè)量系統(tǒng)的分辨率對(duì)測(cè)量油膜厚度而言還是不足的。引入光纖邁克爾遜干涉儀后則可望得到改善。

隨著光纖技術(shù)的進(jìn)展，對(duì)光纖邁克爾遜干涉儀的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。如用干涉儀測(cè)量運(yùn)動(dòng)中車輛的重量或距離及動(dòng)態(tài)位移[8]；用來(lái)探測(cè)折射率變化[9]；作為一個(gè)帶通濾波器的功能；檢測(cè)應(yīng)變[10]。此外，光纖邁克爾遜干涉儀也被應(yīng)用在光學(xué)相干層析成像技術(shù)[11，12]。

我們?cè)接懥擞霉饫w邁克爾遜干涉儀測(cè)量潤(rùn)滑油膜厚度的原理[13]，文章則主要探索其具體的設(shè)計(jì)方法，以便它能成功地應(yīng)用在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中。

1 潤(rùn)滑油膜厚度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論，流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，就是依靠被潤(rùn)滑的一對(duì)固體摩擦面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使介于固體間的潤(rùn)滑流體膜內(nèi)產(chǎn)生壓力，以承受外載荷而免除固體相互接觸，從而起到減少摩擦阻力和保護(hù)固體表面的作用。油膜不僅起著承受載荷、減輕摩擦、消除磨損等作用，從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)看來(lái)，它也是轉(zhuǎn)子-支承-基礎(chǔ)這個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。油膜的特性，對(duì)于整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力特性有很大影響。油膜會(huì)影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子不平衡所引起的振幅共振放大倍數(shù)，由轉(zhuǎn)子傳向基礎(chǔ)上時(shí)的傳遞系數(shù)等。油膜還會(huì)影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，例如抵抗氣隙激振，材料內(nèi)摩擦等減穩(wěn)因素的能力以及系統(tǒng)阻力值等。在轉(zhuǎn)速過(guò)高（超過(guò)“失穩(wěn)轉(zhuǎn)速”）時(shí)，許多滑動(dòng)軸承的油膜本身就會(huì)成為使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)喪失運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的原因。在這些問(wèn)題中，油膜通常起著非線性的彈簧和阻尼作用。由于這類問(wèn)題大多數(shù)只牽涉到較小的或無(wú)限小的振幅，所以?？蓪⒂湍そ频乜闯删哂芯€性化的彈簧常數(shù)和阻尼特性，通常即稱這些線性化的動(dòng)力特性為油膜的剛度和阻尼。這些特性的數(shù)值，對(duì)于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算和穩(wěn)定性問(wèn)題是至關(guān)重要的。

另外，由于轉(zhuǎn)子的不平衡，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸中心及轉(zhuǎn)子中心繞其靜平衡位置作橢圓軌跡的變位運(yùn)動(dòng)，此稱為渦動(dòng)。當(dāng)角速度達(dá)到臨界角時(shí)，渦動(dòng)與轉(zhuǎn)子將發(fā)生共振，使振幅急劇增大，發(fā)展成為一種十分危險(xiǎn)的振動(dòng)即“油膜振蕩”。渦動(dòng)（一般稱油膜渦動(dòng)）和油膜振蕩都是由于油膜在此種工況下的動(dòng)力特性使軸心平衡位置不再是穩(wěn)定平衡位置，亦即喪失了動(dòng)力穩(wěn)定性（簡(jiǎn)稱失穩(wěn)），而出現(xiàn)的自激振動(dòng)。一旦發(fā)生油膜失穩(wěn)，即很快進(jìn)入突發(fā)性的油膜振蕩，甚為危險(xiǎn)。許多設(shè)備的故障均與此有關(guān)。綜上所述，軸承的性能在很大程度上取決于潤(rùn)滑油膜的狀態(tài)。因此，為保證軸承的正常運(yùn)行而對(duì)潤(rùn)滑油膜進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和控制就顯得十分必要。

圖1可說(shuō)明的潤(rùn)滑膜的生成機(jī)制。軸靜止時(shí)軸頸貼在軸瓦上，中間并沒(méi)有油膜（但在其余的間隙處卻充滿了潤(rùn)滑油）。只有當(dāng)一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，潤(rùn)滑油才被軸頸在粘附力的作用下帶入逐漸縮小縫隙，這造成了油的加壓，由于壓力的增加使?jié)櫥彤a(chǎn)生了一個(gè)向外的張力，最后導(dǎo)致軸頸被抬起，進(jìn)而產(chǎn)生了潤(rùn)滑油膜。當(dāng)軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時(shí)，一般潤(rùn)滑油膜的厚度保持穩(wěn)定，并保證軸頸和軸瓦表面不接觸以避免摩擦損壞。

從以上對(duì)潤(rùn)滑油膜產(chǎn)生機(jī)理的分析可知，潤(rùn)滑油膜是保證滑動(dòng)軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要支撐，為避免軸頸和軸瓦間的接觸摩擦，對(duì)潤(rùn)滑油膜厚度的監(jiān)測(cè)是十分重要的，且可通過(guò)測(cè)量軸的動(dòng)態(tài)位移來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)滑動(dòng)軸承的動(dòng)態(tài)特性和潤(rùn)滑油膜的形成機(jī)理，潤(rùn)滑油膜厚度可通過(guò)測(cè)量軸的位移來(lái)獲取。因此，對(duì)滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑油膜厚度的測(cè)量方案可設(shè)計(jì)成如圖1所示。

如圖1所示，軸當(dāng)作一個(gè)樣品反射面，把一個(gè)自聚焦透鏡連接在光纖邁克爾遜干涉儀的傳感臂上，并放在滑動(dòng)軸承套下端的外表面，而另一個(gè)自聚焦透鏡則與干涉儀的參考臂連接并被放在鏡子前校準(zhǔn)。引入自聚焦透鏡是為了使出射光束是平行光并放大照射區(qū)域。光纖邁克爾遜干涉儀的輸出端則如圖1所示的指向光電二極管探測(cè)器。信號(hào)處理單元主要處理由光電探測(cè)器經(jīng)光纖邁克爾遜干涉儀采集的干涉條紋信號(hào)，經(jīng)由隔直電容和信號(hào)放大后，干涉圖形中的每個(gè)干涉條紋數(shù)由微處理器計(jì)數(shù)。

當(dāng)油膜厚度改變時(shí)，軸被抬起且該位移信息被探測(cè)器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成電流響應(yīng)信號(hào)。由探測(cè)器輸出的每個(gè)干涉條紋信號(hào)在被隔直后產(chǎn)生一個(gè)電壓跳變，隨后以中斷模式觸發(fā)微處理器的計(jì)數(shù)程序，這樣就獲得了精確的油膜厚度值。

2 結(jié)束語(yǔ)

文章提出了一個(gè)應(yīng)用光纖邁克爾遜干涉儀測(cè)量滑動(dòng)軸承油膜厚度的新方法。從原理分析可知，光纖邁克爾遜干涉儀是一種非接觸、無(wú)損傷、耐腐蝕和抗電磁干擾的先進(jìn)測(cè)量方法。且由于光纖能實(shí)現(xiàn)非直線傳光，因而使系統(tǒng)的安裝較為靈活，便于很多場(chǎng)合使用，同時(shí)由于邁克爾遜干涉儀的分辨率是以光波長(zhǎng)來(lái)計(jì)量的，因而具有很高的精度?；谇懊嫠尸F(xiàn)的理論和實(shí)驗(yàn)探討，可認(rèn)為該測(cè)量方法是切實(shí)可行的。按照該方案，測(cè)量系統(tǒng)將更可靠和準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理程序也更簡(jiǎn)單。今后，我們將進(jìn)一步研究和完善能實(shí)現(xiàn)對(duì)滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑油膜厚度測(cè)量的更精確的測(cè)量系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：陳玉平（1962-），男，漢族，上海市人，講師，博士，研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)。