基于光纖傳感的裝甲車滾動軸承故障診斷技術

魏 鵬，王澤林，尹 渝，陳娟麗，畢京紅，宋 娜，武 盼

(1.北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院, 北京 100191；(2.北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191；3.北京北方車輛集團有限公司，北京 100072)

1 引言

一直以來，裝甲車在陸地人員運輸、戰場作戰以及巡邏預警等方面都發揮著不可替代的作用。軸承作為傳動系統中保障裝甲車運行的關鍵部件，它的工作狀況直接關系到裝甲車能否正常使用。而其在生產加工或正常使用的過程中，會由于加工工藝不當或軸承表面長時間承受較大的壓力、接觸面受力不均勻等原因出現故障[1]。若未及時發現滾動軸承出現的故障，將會影響到人們的生命財產安全，所以針對滾動軸承的故障診斷尤為重要。

目前，滾動軸承故障診斷主要基于振動分析法，即通過采集滾動軸承工作時的振動信號來對其進行故障類型判別。Feldman提出，針對齒輪、軸承等機械部件，可通過共振解調法來對其進行故障類型判別[2]。Zhang等利用優化變分模態分解和共振解調技術提取故障軸承的異常振動頻率[3]。劉佩森利用譜峭度作為區分頻譜共振帶的指標，從而更加準確地利用共振解調技術完成滾動軸承故障診斷[4]。Guo的團隊結合小波變換(WT)和可變形卷積神經網絡(D-CNN)來進行振動信號分解與故障模式判別[5]。以上滾動軸承的故障診斷方法，都依賴電類傳感器進行信號采集，雖然在算法上有所改進，但在裝甲車內部充滿電磁干擾的環境下，電類傳感器的檢測會受到一定影響。傳統的電類振動傳感器主要以壓電式加速度傳感器為主，其具有使用壽命長，測量靈敏度高等優點，但傳感器輸出信號需要經過放大電路放大后才能送檢測電路檢測，且在電磁環境較為復雜的現代戰爭中，其諧振頻率高，極易受到電磁干擾[6]。

光纖傳感在近幾十年間迅速發展，廣泛應用于軍工、航空航天、生物醫學、道路橋梁等領域[7]。其中光纖光柵傳感器作為光纖傳感器的一種，化學性能穩定，不會產生電磁干擾也不易受到電磁干擾的影響。且與一般的電類導線比起來，光纖質量更輕、體積更小，便于實現準分布式測量[8]，Leng等將光纖光柵傳感器嵌入層合板中，實現對復合材料的結構穩定性檢測[9]。德國耶拿高科技物理研究所的Lee等利用光纖光柵傳感器對飛行器機翼進行健康監測[10]。因此，針對裝甲車的滾動軸承故障診斷，光纖光柵振動傳感器在體積、抗電磁干擾性上相較于電類傳感器具有更多優勢。本文將基于光纖光柵傳感器進行某型裝甲車滾動軸承故障診斷方法研究。

2 光纖傳感及滾動軸承故障診斷原理

2.1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵種類繁多，根據光柵傳感原理可以分為透射型光柵(也稱為長周期光柵)和反射性光柵(也稱為布拉格或者短周期光柵)。目前最為常用的就是光纖布拉格光柵傳感器(以下簡稱光纖光柵傳感器),工作原理如圖1所示，光纖光柵感受到的外界物理量如應變、溫度等發生變化時，柵格之間的距離，即光柵的周期會相應的發生改變，進而引起反射光譜發生改變[11]，通過測量反射光中心波長變化值就可以實現對外界物理量的定量檢測。

圖1 光纖光柵傳感器原理框圖

光纖光柵傳感器反射中心波長與光柵柵格間距以及折射率之間的關系為[12]：

λB=2neffΛ

(1)

其中：λB為光柵反射中心波長值；neff為纖芯導模有效折射率；Λ為光柵周期，對于傳感器來說，它們就相當于敏感元件，會受到外界環境如溫度、應變等參量變化的影響。

溫度引起光纖光柵中心波長漂移的3個因素為：光纖自身的熱光效應以及由熱應力引起的熱膨脹效應和彈光效應[13]。而溫度變化所引起的彈光效應對中心波長影響較小，實際工作過程中可以近似忽略，在光纖光柵應變靈敏方面，彈光效應占主要影響，光纖光柵中心波長與溫度和應變的關系為：

(2)

式中：αf為光纖材料的熱膨脹系數；ξ為材料的熱光系數；Pe為有效彈光系數。最后可以簡化為：

Δλ=KTΔT+KεΔε

(3)

式中：KT為裸光纖光柵的溫度靈敏度系數；Kε為裸光纖光柵的軸向應變靈敏度系數，一般在應變量測量過程中，需要去除應變傳感器中因溫度變化導致的波長變化量[14]。

而光纖光柵振動測量原理實質上是進行快速應變的測量，光柵感受到應變變化導致布拉格中心波長發生變化。因此通過觀察布拉格波長變化的時間規律，對波長變化數據進行快速傅里葉變換即可得到結構振動的頻率信息。

2.2 滾動軸承故障信號特點

軸承工作時，外界作用到軸承上的力是不穩定的，隨時間的變化在不停改變。對一個正常的軸承來說，軸承的接觸力是連續的，此時的振動信號是一個普通的振動信號，而當軸承元件的工作表面出現故障時，滾動體運動到這些破損處，會產生一個沖擊信號，持續運行過程中就會出現表征故障的周期性的脈沖信號[15]。這種信號可以由安裝在軸承座上的傳感器來接收，但其中也包含了機械振動，所以必須通過對振動信號的分析和處理來診斷軸承的故障[16]。

假設軸承轉動時滾動體與滾道之間無滑動摩擦，且軸承工作時各部分無變形，軸承內圈轉頻為 fi，軸承外圈轉頻為f0=0(外圈固定)，滾動體公轉頻為fg，滾動體個數為N。滾動軸承的相關尺寸如圖2所示[17]。

圖2 滾動軸承原理示意圖

計算軸承外圈的故障頻率公式為：

(4)

軸承內圈的故障頻率公式為：

(5)

由于軸承實際工作過程中外界噪聲干擾嚴重，原始振動信號很難直接進行故障診斷。共振解調技術是從振動檢測發展到故障分析的一門新技術[18]，其原理是通過傳感器獲取到設備故障產生的沖擊響應信號后，因為信號中包含著無限次的諧波脈沖和豐富的高頻分量，可以通過帶通濾波提取因軸承發生故障而產生的沖擊高頻信號，再通過對高頻信息包絡檢波，得到只含有故障頻率的低頻特征信號，降低后續信號處理的難度。共振解調技術的實現主要包括帶通濾波、包絡解調、快速傅里葉算法3部分。其中，利用希爾伯特變換進行包絡解調。共振解調技術流程圖如圖3所示。

圖3 共振解調技術原理框圖

由于光纖光柵振動傳感器同時對溫度與振動敏感，所以針對一個光纖光柵振動傳感器，其采集到的信號同時包含溫度信息與振動信息，所以一般在振動信號測量過程中，會用一個光纖光柵溫度傳感器單獨測量溫度(即不與待測機械部件接觸，只用于測量光纖光柵振動傳感器周圍環境溫度變化量)，通過溫度補償法去除振動傳感器中因溫度變化導致的波長變化，從而得到只包含機械部件振動信息的信號用于后續處理。

3 滾動軸承故障診斷實驗設計

根據某型裝甲車軸承故障診斷需求，本次實驗所用的是基于體相位光柵解調的光纖光柵解調儀，最大采樣率為 5 000 Hz，解調波長范圍為1 525～1 605 nm，波長分辨率為 1 pm，滿足實驗需求。

所用的滾動軸承結構如圖4所示，實驗軸承內徑為120 mm，外徑為260 mm，滾動體數目為17，滾動體直徑為38 mm，主要由軸承外圈、滾動體、保持架、軸承內圈組成。實驗準備階段先在軸承的內圈和外圈采用點蝕的方法，人為預設了故障缺陷，缺陷大小深度為1 mm，長度為2 mm，寬度為0.5 mm。

圖4 實驗滾動軸承結構示意圖

實驗在軸承壽命強化試驗機上對裝甲車某型號滾動軸承進行故障檢測實驗，試驗機轉速在100～5 000 r/min(可調)。實驗臺如圖5所示。

圖5 軸承故障檢測實驗臺示意圖

實驗過程中固定軸承的裝置如圖6所示，該裝置內部安裝有3個軸承，其中中間固定裝置里的軸承為完好的工作軸承，用于支撐與傳動。左右兩邊的襯套固定裝置里安裝的是實驗軸承(實驗時被檢測的軸承，即內圈故障軸承與外圈故障軸承)。

圖6 軸承固定裝置示意圖

軸承固定完畢后，將該固定裝置放入到壽命強化試驗機來對軸承進行疲勞實驗，該試驗機最大徑向載荷為125 kN，最大軸向載荷為125 kN，最大轉速為5 000 r/min，壽命強化試驗機實物圖如圖7所示。

圖7 壽命強化試驗機實物圖

根據滾動軸承工作特點，本次實驗施加的是徑向載荷。由于實驗在空曠開闊的廠房內進行，整體環境溫度幾乎沒有變化，而軸承座表面溫度變化也極小，所以外界溫度變化對光纖光柵振動傳感器影響很小，故本次實驗不粘貼溫度傳感器。光纖光柵振動傳感器采集到的信號，忽略溫度變化的影響，視為振動信號。對于外圈故障軸承與內圈故障軸承，在試驗軸承的軸承座上沿不同方向各粘貼了3個光纖光柵振動傳感器，且傳感器布置示意圖如圖8所示。

圖8 傳感器布置示意圖

對光纖光柵振動傳感器進行粘貼時，先用3M膠帶固定光纖光柵的一端，用手輕輕拉緊另一端，對傳感器施加預緊力，再用膠帶固定另一端。固定完畢后，將瞬干膠均勻涂抹在光纖光柵振動傳感器上。在粘貼過程中留出足夠長的尾纖長度方便進行熔接操作。實驗工況為：

1)軸承轉速300 r/min，施加負載50 kn，采集3組數據；

2)軸承轉速600 r/min，施加負載50 kn，采集3組數據；

3)軸承轉速900 r/min，施加負載50 kn，采集3組數據。

實驗過程中，操作人員緩慢調整轉速至額定轉速，待轉速穩定后開始光纖光柵振動信號采集，連續采集3組數據，每組數據采集時間為30～60 s。數據采集完成后，緩慢調整轉速為零，再更換下一工況。

4 滾動軸承故障診斷實驗結果分析

4.1 內圈故障檢測結果

滾動軸承內圈外滾道故障采用激光蝕刻，深度為1 mm，長度為2 mm，寬度為0.5 mm。其示意圖如圖9所示。

圖9 滾動軸承內圈故障示意圖

根據式(5)可知，將軸承相關尺寸數據以及滾動體個數和轉頻代入式(5)中,可得在300 r/min、600 r/min、900 r/min軸承內圈故障特征頻率表如表1所示。

表1 滾動軸承內圈故障特征頻率表

1)內圈故障工況1實驗數據分析

工況1的軸承轉速300 r/min，徑向載荷大小50 kN。圖10為工況1下傳感器FBG1和FBG2共振解調后的結果。

從圖10(a)所示的傳感器FBG1的共振解調后頻譜圖中可以看出明顯的轉頻5.43 Hz、2倍頻10.41 Hz以及3倍頻15.62 Hz，還存在幅值較低的內圈故障特征頻率52.13 Hz。圖10(b)所示的光纖光柵傳感器FBG2的共振解調頻譜圖中存在明顯的轉頻5.61 Hz，還存在接近內圈故障特征頻率的頻率分量51.73 Hz以及其二次諧波102.8 Hz。

圖10 300 r/min軸承內圈故障共振解調頻域圖

2)內圈故障工況2實驗數據分析

工況2的實驗條件為軸承轉速600 r/min，徑向載荷大小50 kN。圖11為工況2下光纖光柵振動傳感器FBG1和FBG2共振解調后的結果。

從圖11(a)所示的傳感器FBG1的共振解調后的頻譜圖中可以看出明顯的轉頻10.54 Hz以及2倍頻20.33 Hz，還存在幅值明顯的內圈故障特征頻率102.5 Hz以及其二次諧波203.4 Hz。圖11(b)所示的光纖光柵傳感器FBG2的共振解調頻譜圖中存在明顯的轉頻10.32 Hz以及1倍頻20.14 Hz，但并未發現明顯的內圈故障特征頻率。

圖11 600 r/min軸承內圈故障共振解調頻域圖

3)內圈故障工況3實驗數據分析

工況3的實驗條件為軸承轉速900 r/min，徑向載荷大小50 kN。圖12為工況3下光纖光柵振動傳感器FBG1和FBG2共振解調后的頻譜圖。

從圖12(a)所示的傳感器FBG1的共振解調后的頻譜圖中可以看出明顯的轉頻15.75 Hz、2倍頻30.63 Hz以及3倍頻45.83 Hz，還存在幅值明顯的內圈故障特征頻率 153.3 Hz。圖12(b)所示的光纖光柵傳感器FBG2的共振解調頻譜圖中存在明顯的轉頻15.66 Hz和2倍頻30.48 Hz，還存在接近內圈故障特征頻率的頻率分量153.1 Hz以及其二次諧波304.1 Hz，只是二次諧波的頻率幅值較低。

將以上不同轉速下內圈故障的診斷結果進行匯總，如表2所示。

表2 滾動軸承內圈故障診斷對比表

實驗結果表明3種工況下，絕大多數情況下光纖光柵振動傳感器均能檢測出軸承內圈故障特征頻率，由于傳感器布置位置以及軸承內圈缺陷尺寸因素，在某些工況下光纖光柵傳感器的共振解調結果沒有檢測到故障特征頻率或者頻率幅值比較小。

4.2 外圈故障檢測結果

滾動軸承外圈內滾道故障深度為1 mm，長度為2 mm，寬度為0.5 mm，其示意圖如圖13所示。

圖13 滾動軸承外圈故障示意圖

根據式(4)可知，將軸承相關尺寸數據以及滾動體個數和轉頻代入式(4)中可得在300 r/min、600 r/min、900 r/min軸承內圈故障特征頻率表如表3所示。

表3 滾動軸承外圈故障特征頻率表

1)外圈故障工況1實驗數據分析

工況1的實驗條件為軸承轉速300 r/min，徑向載荷大小為50 kN。圖14為工況1下光纖光柵振動傳感器FBG1和FBG2共振解調后的結果。

圖14 300 r/min軸承外圈故障共振解調頻域圖

從圖14(a)所示的傳感器FBG1的共振解調后的頻譜圖中可以看出明顯的轉頻5.38 Hz，還存在幅值明顯的外圈故障特征頻率33.97 Hz。圖14(b)所示的光纖光柵傳感器FBG2的共振解調頻譜圖中存在明顯的轉頻5.47 Hz和2倍頻10.6 Hz，還存在接近內圈故障特征頻率的頻率分量34.2 Hz以及其二次諧波68.82 Hz。

2)外圈故障工況2實驗數據分析

工況2的實驗條件為軸承轉速600 r/min，徑向載荷大小為50 kN。圖15為工況1下光纖光柵振動傳感器FBG1和FBG2共振解調后的結果。

圖15(a)中光纖光柵振動傳感器FBG1的測量共振解調頻譜圖中存在轉頻10.66 Hz以及2倍頻20.89 Hz，還能明顯看出外圈故障特征頻率69.68 Hz以及二次諧波139.4 Hz。圖15(b)中從傳感器FBG2的頻譜圖結果圖里可以發現轉頻10.66 Hz和外圈故障特征頻率69.18 Hz。

圖15 600 r/min軸承外圈故障共振解調頻域圖

3)外圈故障工況3實驗數據分析

圖16為工況3下光纖光柵振動傳感器FBG1和FBG2共振解調頻譜圖。圖16(a)中光纖光柵振動傳感器FBG1的測量共振解調頻譜圖中存在轉頻15.64 Hz以及2倍頻30.42 Hz，并且存在幅值較為突出的頻率104.7 Hz，與理論外圈故障特征頻率相近。圖16(b)中從傳感器FBG2的頻譜圖結果圖里可以發現轉頻15.81 Hz以及2倍頻30.42 Hz，還存在91 Hz的頻率分量，但對應不上900 r/min下的軸承外圈故障特征頻率。

圖16 900 r/min軸承外圈故障共振解調頻域圖

將以上診斷結果進行匯總，如表4所示。

表4 滾動軸承外圈故障診斷對比表

共振解調后的頻域圖中能發現轉頻信號及其倍頻，也能檢測到幅值較低的外圈故障特征頻率信號及其2倍頻。由于布設的軸承外圈缺陷尺寸較小，并且傳感器是粘貼在軸承座上，而沒有直接粘貼在外圈上，所以有的工況下只能檢測出軸的轉頻或機械系統的其他頻率而無法檢測到故障特征頻率或者頻率幅值較低。

5 結論

本文中使用光纖光柵振動傳感器采集滾動軸承振動信號，并設計滾動軸承內圈故障、外圈故障診斷實驗，結合共振解調技術，實現了滾動軸承的故障診斷。

實驗結果表明，光纖光柵振動傳感器可適應裝甲車軸承箱所處的惡劣環境，捕獲到滾動軸承故障振動信號。在軸承振動信號共振解調頻譜圖中存在幅值明顯的轉頻及其高次諧波，且在滾動軸承內圈或外圈故障診斷實驗中，大多數工況下光纖光柵振動傳感器的解調頻譜結果中都存在相應的故障特征頻率，與理論計算頻率及實際故障類型吻合。

該實驗驗證了光纖光柵振動傳感器可成功用于滾動軸承故障診斷，同時也為故障的早期發現和缺陷尺寸大小的判斷以及軸承剩余壽命的預估提供了一個研究思路。