基于光纖光柵的水潤滑軸承磨損監測系統設計及研究

2022-04-21 03:48:26俞曉豐帥長庚胡曉陽

船舶力學 2022年4期

俞曉豐，帥長庚，楊雪，胡曉陽

（1.海軍工程大學振動與噪聲研究所，武漢 430033；2.船舶振動噪聲重點實驗室，武漢 430033；

3.武漢船舶職業技術學院，武漢 430050）

0 引言

水潤滑軸承主要安裝在船舶艉部，浸泡在水中，利用水作為潤滑劑，支承船舶主軸的旋轉運行。水潤滑軸承的橡膠軸瓦作為彈性體，可有效抑制轉軸的旋轉振動并改善軸系對中效果。利用狀態監測系統對橡膠軸瓦的磨損狀態進行監測，分析橡膠軸承的摩擦磨損特性，對增強水潤滑軸承的功能、指導船舶維護管理、以及降低維修成本具有重要經濟意義。

由于水潤滑軸承長期浸泡在水環境中，并且軸瓦內可嵌入的空間有限，超聲波及壓電等傳統電信號傳感器難以滿足軸瓦復合結構設計及傳感器水下信號傳輸線路舾裝要求[1-2]。光纖傳感器具有體積小、重量輕、防水防潮、抗電磁干擾等優點[3]，在滾動軸承、機械滑動軸承裝置上已有溫度、應力、磨損等狀態監測應用[4-8]，尚未有光纖傳感技術在水潤滑軸承橡膠軸瓦中應用的報道。

受橡膠制品制作過程高溫、高壓工藝以及成型后收縮率高等因素影響，在橡膠制品中直接植入光纖傳感器成功率較低[9]。特別是橡膠軸瓦中光纖軸向布置距離較長，光纖更加容易斷裂。只能粘貼在橡膠制品表面進行應變檢測[10]，不利于工業化應用。在光纖傳感器植入橡膠制品的過程中，常采用二次封裝工藝，如在橡膠基體加工預留孔后填裝光纖傳感器[11]或分層敷設光纖傳感器[12]。在基體植入光纖傳感器進行智能化設計的過程中，必須堅守相容性原則[13]。

文獻[8]中，利用光頻域反射技術（OFDR），獲得光柵拍頻信號頻譜圖，尋找光柵柵區位置，每隔預設時間30 秒，計算柵區長度進行磨損檢測。文獻[14]中，Morozov 在電機碳刷中開槽埋入光纖光柵，進行碳刷磨損的光功率監測。在不考慮測量精度的情況下，使用多個光柵進行串聯，擴大碳刷的磨損監測范圍。借鑒上述方法，本文設計了一種結構簡單，靈敏性好，可實現在線連續實時磨損監測的水潤滑軸承磨損狀態監測系統，為進一步研究軸承的摩擦磨損特性及軸承的健康監測做技術準備。

1 光纖光柵磨損檢測原理

1.1 FBG柵區長度和反射率關系

在光纖中刻入均勻分布的光柵，形成具有折射率周期性變化的光纖纖芯結構，稱為均勻光纖布拉格光柵（FBG），其基本工作原理如圖1 所示。根據耦合模理論[3]，當寬帶光在光纖光柵中傳輸時，反射光的中心波長λ與光柵周期Λ和纖芯的等效折射率neff有關，滿足以下方程：

圖1 反射光譜中心波長偏移特性Fig.1 Shift characteristic of reflectance spectrum center wavelength

FBG入射光反射率和柵區長度存在如下關系：

式中：R為反射率，L為柵區長度；κ為耦合系數，κ=，s為與折射率調制有關的條紋可見度，通常視光柵的反射率強弱在0.5～1 之間取值（強取1，弱取0.5），Δnˉeff為光柵周期的平均折射率變化量，通常為10-5～10-3量級；σ=，δ=β- π/Λ，Λ為光柵周期，β為傳播系數，β=。

根據式（2），當FBG光柵參數如表1時，畫出柵區長度變化過程的光譜圖如圖2所示。

圖2 均勻光纖布拉格光柵不同長度光譜圖Fig.2 Spectral diagram of uniform fiber Bragg grating with different lengths

表1 FBG光柵參數Tab.1 FBG grating parameters

1.2 CFBG柵區長度和反射率關系

啁啾光纖布拉格光柵的折射率調制周期沿光柵軸向（z向）為非均勻分布，一般表示為

式中，f(z)表示光纖光柵的啁啾函數。若f(z)為線性函數，則光柵稱為線性啁啾光纖光柵（CFBG），此時有f(z)=cz，其中c為常數，稱為線性啁啾系數。若f(z)為z的n階函數，則光柵為n+ 1 階啁啾光纖光柵。啁啾光纖光柵反射原理[15]如圖3所示。

圖3 啁啾光纖光柵反射原理Fig.3 Reflection principle of chirped fiber grating

由于線性啁啾光纖布拉格光柵的耦合模方程沒有解析解，使用傳輸矩陣法對線性啁啾光纖光柵進行數值求解[3]。如圖4 中多段光纖光柵模型所示，其中第i段開始于zi-1，結束于zi，長度為Δzi=zi-zi-1。每段的兩個輸入和兩個輸出由下列矩陣相聯系：

圖4 傳輸矩陣法中的多段光柵模型Fig.4 Multi-segment grating model in the transmission matrix method

式中，矩陣元為

相繼地連乘每一小段的矩陣，就可得到整個光柵的透射和反射，

引入邊界條件

式中，t為光柵的透射系數，r為光柵的反射系數。線性啁啾光纖布拉格光柵光反射率和柵區長度關系為

根據式（8），在表1中光纖光柵參數的基礎上增加參數N= 80 000,c= 1×10-9，畫出柵區長度變化過程的光譜圖，如圖5所示。

圖5 線性啁啾光纖布拉格光柵不同長度光譜圖Fig.5 Spectral diagrams of linearly chirped fiber Bragg gratings with different lengths

2 軸承磨損監測系統設計

2.1 磨損狀態監測儀設計

磨損狀態監測儀組成結構設計如圖6所示，實物如圖7所示。寬帶光源輸出光信號通過耦合器經光路控制器分配至指定FBG/CFBG 傳感器，光纖光柵根據磨損反射變化的光功率信號由原光路返回，由PD 光電檢測器測得耦合器上光信號并轉換成電信號傳送給采集卡，上位機PC/信號處理器處理采集的數據信號進行狀態顯示及報警處理。其中，光路控制器為具有光路切換功能的磁光開關；所述寬帶光源輸出光功率大于13 dBm，光譜平坦度優于1.5 dB；耦合器為1分2拉錐式光纖分路器；光電探測器PD為平衡放大光電探測器，在增益為104時，信號帶寬為45 MHz,系統響應能力強。

圖6 光纖傳感解調儀組成結構Fig.6 Structure of optical fiber sensor demodulator

圖7 光纖傳感解調儀實物Fig.7 Optical fiber demodulator

2.2 光纖植入軸瓦結構及磨損監測

水潤滑橡膠軸承結構如圖8所示，轉軸運動過程中伴有軸向振動、回轉振動和摩擦振動[16-17]。軸瓦溝槽常伴有大量泥沙等雜質，同時也是軸瓦磨損磨料的排泄渠道。橡膠軸瓦表面磨損狀態如圖9所示。

圖8 水潤滑橡膠軸承結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of water-lubricated rubber bearings

圖9 橡膠軸瓦表面磨損狀態Fig.9 Surface wear state of rubber bearing

在橡膠軸瓦模壓硫化生產過程中，溫度可達150 ℃，壓強可達15 MPa，時間可達40 min。所有橡膠制品在成型后又會呈現收縮的現象，收縮率在1.2%～3.5%的范圍內，收縮率的存在有利于硫化后制品的起模，但使制品尺寸的穩定性難以控制。因此，常規光纖植入橡膠后，勢必容易斷裂，成功率低。

采用聚酰亞胺涂層的耐高溫特種光纖，具有高模量、高抗拉強度以及良好的化學穩定性，可長期承受300℃高溫，短時間承受490 ℃的高溫，另外力學性能、耐疲勞性能優異，抗拉強度動態疲勞參數Nd值達到了25.4，斷裂應力M值達到了5.35 GPa。經橡膠軸瓦中軸向植入光纖試驗發現，橡膠軸瓦長度大于400 mm，由于光纖和橡膠的收縮率相差較大，軸瓦制造成型冷卻后，光纖斷裂現象嚴重。

因此，選用聚酰亞胺涂覆的耐高溫特種光纖來制作光纖光柵傳感器。植入方法設計如下：先將端部刻有光柵的光纖穿過外徑0.6 mm 的304 不銹鋼材質毛細鋼管后使用樹脂或橡膠進行填料，再向上彎折使光柵垂直于所述橡膠軸瓦的待測點磨擦面，且光柵的待摩擦部位于所述橡膠軸瓦的磨擦面平齊的位置，然后整體隨橡膠軸瓦模壓硫化，軸向埋入橡膠軸瓦中。光纖植入橡膠軸瓦結構如圖10所示。

圖10 光纖植入橡膠軸瓦結構Fig.10 Structure of optical fiber implanted rubber bush

水潤滑橡膠軸承磨損監測系統組成設計如圖11 所示，監測儀讀取植入軸瓦的各路光柵磨損信號，并轉換成電信號發送給上位機，上位機經過信號處理及判斷，發送報警信號給聲光報警裝置進行報警。

圖11 水潤滑軸承磨損狀態監測系統組成Fig.11 Components of the monitoring system for the wear state of water-lubricated bearings

3 監測試驗及分析

3.1 光纖光柵光譜檢測

為更加準確地研究光纖光柵反射率和柵區長度的關系，使用YOKOGAWA 公司的AQ6370C 型光譜儀分別對均勻光線光柵和線性啁啾光纖光柵進行光譜檢測。隨著光柵長度的減少，光柵光譜檢測結果如圖12～13所示。

圖12 均勻光纖布拉格光柵磨損光譜圖Fig.12 Wear spectrum of uniform fiber Bragg grating

在均勻光纖布拉格光柵磨損減少試驗中，柵區長度為10 mm，柵區長度每減少1 mm，反射譜的波峰逐漸變小。其中光柵長度5 mm 附近，波峰值變化較大。在線性啁啾光纖布拉格光柵磨損試驗中，柵區長度為19 mm。在柵區磨損量較小時，光譜寬度變化較小。在柵區接近完全磨損時，光譜寬度變化較大。兩種光纖光柵磨損試驗相比，線性啁啾光纖布拉格光柵的磨損檢測范圍更寬。

圖13 線性啁啾光纖布拉格光柵磨損光譜圖Fig.13 Wear spectrum of linearly chirped fiber Bragg grating

3.2 光纖植入橡膠試驗

為進一步驗證在摩擦面附近未受鋼管保護的小段彎曲光纖不會因材料收縮而斷裂，在模具上鉆孔，單端環形植入耐高溫特種光纖，在小型平板硫化機上進行高溫模壓硫化，制作多組試樣，如圖14所示。加熱溫度為160 ℃，壓強為15 MPa，持續40 min。對成型試樣接入紅光檢查光纖狀態，如圖15所示。圖15（a）顯示的試樣中，由于光纖布置圓周半徑小于2 mm，高溫模壓過程中，光纖斷裂。將試樣切片檢查光纖斷裂原因，斷裂位置痕跡表明，光纖硫化受壓后斷裂。增大光纖布置的環形半徑，制作多個試樣，光纖未發生斷裂現象，成品試樣如圖15（b）所示。試驗表明，光纖在大于2 mm 的彎曲半徑下植入橡膠軸瓦，能夠承受橡膠軸瓦成型過程中的高溫模壓工藝。