集成式轴承状态实时监测系统设计.pdf

2024 年第 4 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor基金项目:国家自然科学基金项目(52275552);中国航空发动机集团产学研合作项目(HFZL2020CXY019);中央引导地方科技发展基金项目(YDZJSX2022C007);天津大学精密测量技术与仪器国家重点实验室项目(pilab2206)收稿日期:2023-08-30集成式轴承状态实时监测系统设计徐奥迪1,高利霞2,赵妍琛3,李 晨11.中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室;2.中国燃气涡轮研究院;3.西安航天动力研究所 摘要:为了满足航空发动机高速轴承状态实时监测的迫切需求,研制了一种基于以太网传输的集成式多通道同步在线监测系统。系统集成了电涡流传感器前置器和 IEPE 加速度支持单元,满足了 354 400 MHz 范围内感应探头激励和 IEPE 供电需求,实现转速和振动传感信号高精度采集,并通过硬件抗混叠滤波和滑动滤波算法抑制轴承的杂散干扰。试验结果表明:系统在 09 000 r/min 范围内保持架转速测量误差小于 2 r/min,相对误差小于 0.1%,振动灵敏度为 200 mV/g,实时性能好,实现轴承状态的实时在线监测。关键词:高速轴承;集成式;实时监测;高精度中图分类号:TP274 文献标识码:ADesign of Integrated Bearing Condition Real-time Monitoring SystemXU Aodi1,GAO Lixia2,ZHAO Yanchen3,LI Chen11.State Key Laboratory of Dynamic Measurement Technology,North University of China;2.China Gas Turbine Establishment;3.Xian Aerospace Propulsion InstituteAbstract:To meet the urgent needs of real-time monitoring of aero-engine high-speed bearing condition,an integrated multi-channel synchronous online monitoring system based on Ethernet transmission was developed.The system integrated the eddy cur-rent sensor front-end and IEPE acceleration support unit and met the needs of induction probe excitation and IEPE power supply at 354 400 MHz,realizing high-precision acquisition of speed and vibration sensing signals.It suppressed the stray interference of bearings through hardware anti-aliasing filtering and sliding filtering algorithms.The results show that the measurement error of the cage speed is less than 2 r/min in 09 000 r/min,with the relative error less than 0.1%and the vibration sensitivity 200 mV/g.The real-time online monitoring of the bearing state is realized with excellent real-time performance.Keywords:high-speed bearing;integrated form;real-time monitoring;high-precision0 引言在高端装备制造业中,轴承具有承受载荷和传递运动的作用,常应用于航空航天设施、民用基础设施、精密仪表等领域1-2。轴承运行过程中转速和振动的变化一定程度上反映了轴承的接触应力、滚子油膜厚度等状态3-4。为了保证轴承在工作运行过程中的高可靠性和安全性,原位准确实时监测轴承的转速和振动参数是重要前提5,在故障预防、状态监测和无损评估等方面具有重要的研究意义。常见的数据采集设备6只是被动地采集传感设备的输出信号,一般针对一种或少数几种类型的数据(如电压、电流等信号),少数设备支持 IEPE 模式,因此导致在发动机试验过程中采集设备种类多样、数量繁多以及现场布线复杂等问题,显著增加了试验成本。在轴承转速测量方面,接触式测速方法通常是将转速传感器直接安装在旋转部件表面,存在应用环境严重限制、易对测量装置造成损坏等不足,因此,国内外针对高速轴承的转速状态的监测主要采用磁电式和电涡流式非接触测速的方法7。目前对于电涡流式传感器信号的采集都是配合相应的前置器才能实现,当电涡流传感器探头自谐振频率不同时,前置器也需要重新配置,通用性受限制,增加了传感端的研发成本。在轴承振动测量方面,除了加速度传感器检测和声发射检测等传统方法之外8-9,机器视觉和光子多普勒检测等新型方法也在逐渐兴起10-11。IEPE加速度传感器在内部集成了微型电荷放大器,通过外接恒流源使得传感器输出信号与加速度成正比,具有低阻抗输出、抗干扰、噪声小等特点,但是此类传感器需要恒流源供电,配套的采集设备通常只有 IEPE 一种34 仪 表 技 术 与 传 感 器第 4 期模式,功能比较单一。因此研制一款新型多功能集成式轴承状态实时监测系统对于发动机试验具有重要意义。针对高速轴承转速和振动微弱特征信号的直接测量和实时传输问题,本文设计了一种基于 I.MX RT1050 控制器的高精度 8 通道多功能集成实时在线监测系统,通过上位机指令下发硬件采集设备切换功能模式(常规 ADC 采集、IEPE 模式和射频激励模式),使得电压、IEPE 传感器信号和电涡流等信号经过不同的采集调理电路完成多路同步采集,对采集通道采用信号隔离设计,实现多通道模式独立配置,提高系统的可扩展性和抗干扰能力。监测系统对微弱信号敏感,在-1 1 mV 量程中,其本底噪声最低为5 V,单通道采样率最高为 100 kSPS,保证原始信号数据不丢失。研制了具有抗油污、动态响应好的高频反射式电涡流感应探头可对轴承保持架转速完成高精度测量,设计了基于 ADXL354 的三轴振动传感器实现轴承振动检测;利用工业以太网实现上位机对轴承转速和振动的在线监测,系统满足多种传感器的工作需求,扩展性强,有效降低了监测系统的投入成本,具有一定的工程应用前景。1 监测系统工作原理及总体方案设计轴承在线监测系统总体结构如图 1 所示,主要由电涡流转速传感器和三轴振动传感器阵列、前置放大模块、抗混叠滤波/可编程放大模块、高精度 ADC 采集模块、I.MX RT 处理器、低噪声电源模块、LAN 管理单元、IEPE/射频信号单元和上位机等组成。其中,IEPE/射频信号单元为 ADXL354 三轴振动传感器供电和电涡流传感器提供高频电流信号;前置放大模块将转速-振动传感阵列接收到的信号进行一级放大;抗混叠/可编程放大模块通过上位机调控设置对传感信号进行低通滤波和二级放大;LAN 管理单元控制I.MX RT 处理器实现与上位机之间的以太网通信。图 1 监测系统总体结构上位机基于 G 语言进行开发实现轴承转速-振动的实时显示,I.MX RT 处理器利用高精度 ADC 将经过调理电路的轴承转速-振动传感信号采集,然后通过以太网将数据传输到上位机中进行数据处理、在线显示与定时存储。2 硬件设计轴承在线监测系统的硬件设计集成了针对电涡流信号和 IEPE 信号的 IEPE/射频信号单元,利用锁相环技术(PLL)产生不同频率的高频信号为高频反射式电涡流转速探头提供激励,结合后续的调理电路从而实现对电涡流传感器前置器的完全替代,同时搭建了恒流源为 IEPE 传感器提供工作电流。然后传感信号通过抗混叠滤波器和调理电路传输到主控芯片并采用数据帧结构对数据加密,然后将利用 TCP/IP 协议通过工业以太网将加密数据传输到上位机。下文对监测系统的主要组成部分进行介绍。2.1 IEPE/射频信号单元IEPE/射频信号单元硬件设计结构如图 2 所示。电涡流传感器需要高频信号才能在轴承保持架表面产生涡流效应,因此采用 ADF4351 芯片设计了射频信号发射电路,高频信号通过电涡流传感器向轴承保持架辐射,传感器探头前部产生交变磁场,由于涡流效应,轴承保持架不同位置表面产生不同的电涡流,同时探头接收包含转速信息的反射信号,反射信号与高频激励信号经过耦合后输出到 ADL5511 电路进行包络检波得到转速信号,如图 3 所示。图 2 IEPE/射频信号单元IEPE 振动传感器正常工作时典型激励电压是24 V 和恒流源4 mA,系统采用 SDB628 DC-DC 升压模块将 USB 5V 升压到 24 V,采用 XTR111 恒流输出4 mA,实现 3 轴压电式振动传感器的工作激励,图 4为 4 mA 恒流源电路。ADF4351 是一款集成压控振荡器(VCO)的锁相环芯片,通过对其参考频率和寄存器配置,可输出频率为 35 4 400 MHz。ADF4351 频率输出可通过式(1)和式(2)进行编程。RFout=INT+(FRAC/MOD)(fPFD/RFDivider)(1)fPFD=REFin(1+D)/R(1+T)(2)式中:RFout为 RF 频率输出;INT 为整数分频系数;FRAC 为小数分频的分子(取值范围为 0MOD-1);44 第 4 期徐奥迪等:集成式轴承状态实时监测系统设计 图 3 电涡流转速信号提取电路图 4 恒流源电路RFDivider为细分 VCO 频率的输出分频器;REFin为参考频率输入;D 为 RF 参考输入频率 REFin倍频器位(0或 1);R 为参考分频系数;T 为参考二分频位。2.2 调理电路系统通过模拟开关切换功能模式,图 5 为单通道模式选择电路。TS5A3159A 器件是单极双掷(SPDT)模拟开关,设计的工作电压为 1.655.5 V。该器件提供低导通电阻和导通电阻匹配以及先断后合功能,能够防止信号从一个通道传输至另一通道时失真。监测系统默认供能模式连接到常规 ADC 电压采集模式,通过 I.MX RT1050 控制器使能 IEPE/射频信号单元相应的电路实现系统功能模式的切换。传感信号通过功能电路后再经过信号调理电路滤波放大以满足 ADC 采样需求。图6 所示为系统调理电路硬件设计。调理电路模图 5 功能模式选择块主要包含前置放大、抗混叠滤波、可变增益放大部分,该模块能够对电涡流转速信号和微振动信号进行放大和调理。图 6 调理电路硬件结构由于电涡流转速原始信号比较微弱,实际信号幅度很小,需要进行信号放大,提高信号噪声比。选择ADA4896 低噪声低功耗轨到轨输出放大器以降低系统硬件电路的噪声系数,放大器的 1/f 噪声为 2.4 nV/Hz,无杂散动态范围为-80 dBc(2 MHz)。转速-振动信号通过前置放大后再经过 AD526 可编程增益芯片二级放大,使其能够满足 ADC 输入要求。对噪声的抑制通54 仪 表 技 术 与 传 感 器第 4 期过设计抗混叠低通滤波器实现,由于搭载的高速轴承复合测试平台转速最高可达 10 800 r/min,轴承保持架滚子数为 24,因此设置抗混叠低通滤波器的截止频率 5 kHz 即满足需求。3 软件设计图 7 为上位机软件系统流程图,采集卡通过 USB与 PC 相连再经过电源模块实现硬件系统初始化,当管理人员登录轴承转速-振动在线监测系统后,上位机首先检查采集器是否连接,若采集卡超时未响应则进行预警错误提示;采集卡与 PC 连接后,依次进行轴承参数设置、通道量程选择、数字滤波器设置以及当前存储设置,完成轴承保持架滚子数量输入和信号增益系数、每 个 通 道 模 拟 电 压 输 入 范 围(-20 20 mV、-500500 mV、-11 V、-55 V 等)、数字低通滤波器阶数与截止频率、数据定时存储路径与存储时间间隔等设定,输入通道不同的测量范围其本底噪声也不同,随着输入量程的扩大,本底噪声将从 5 V 增加到0.1 mV,完成基本参数设置后,选择“开始采集”按钮进行数据采集。采集到的数据一方面保存在 PC 上,同时对数据进行转速和振动转换,然后将结果实时显示在上位机界面。转速和振动原始数据传输到上位机后经数字低通二次滤波,进行转速转换,100 个点存入数组中,剔除数组中最大值和最小值,取平均以提高转速检测和振动检测的精确度和系统的抗干扰能力。图 7 上位机软件系统流程图轴承在线监测系统利用 LabVIEW 程序控制 I.MX RT1050 处理器输出高频正弦激励信号和下发指令,图8 所示为 LabVIEW 前面板设计,前面板左侧为参数设置区域,右侧是功能显示区域。上位机发出“开始采集”指令,转速和振动原始信号以及转速和振动测量值将在各自界面实时显示。系统具有预警功能,测量值与根据不同型号轴承标定的阈值进行比较,当长时间接近轴承额定转速或超过额定转速接近极限转速时,系统发出不同级别的预警提示。图 8 LabVIEW 前面板设计4 系统测试在搭载的高速轴承复合测试平台上进行转速和振动测试实验。测试平台主要由转子轴承试验台、试验台控制系统、循环冷却系统以及轴承润滑油站系统组成。将电涡流转速传感器和三轴振动传感器搭载在测试平台上进行测试。如图9 所示,进行了09 000 r/min 转速测试,上位机可以实时地显示保持架转速值,测试结果如表 1 所示,系统转速监测相对误差不大于0.1%,并且随着转速的增加,系统的相对误差逐渐减小,其精确度也越来越高。同时在振动监测界面实时显示当前轴承测试点的振动加速度值,由图 10 可得,随着轴承转速的增加,测试点的振动加速度也随之增加。图 9 09 000 r/min 转速监测图 10 09 000 r/min 轴承振动监测64 第 4 期徐奥迪等:集成式轴承状态实时监测系统设计 表 1 转速测试数据测试点标定值/(rmin-1)测试值/(rmin-1)相对误差/%0 0 0 01134134021 0281 0290.09732 3102 310043 4703 4710.02954 5234 5210.04465 5265 5240.03676 5426 5400.03187 5617 5590.02698 5568 5540.023109 0249 0230.0115 结束语针对航空发动机高速轴承状态的实时监测的需求,本文解决了传统电涡流传感器感应探头与前置器必须一一对应配套才能正常使用的问题,集成设计了IEPE/射频信号单元完成电涡流传感器和 IEPE 传感器的工作激励,根据实际传感器原始信号电压幅度的差异,通过上位机可调增益放大与可选通道输入量程实现传感器与监测系统的输入匹配,利用高频反射式电涡流转速传感器实现了轴承转速 09 000 r/min 高精度采集与在线实时显示,同时利用三轴压电式振动传感器实现振动的实时监测,形成了高速轴承状态在线实时监测系统。结果表明全量程范围内其测量误差小于 0.1%,且能够满足实时性要求,监测系统采用模块化设计方法,具有比较强可扩展性和适用性。参考文献:1 XU F,HUANG Z,YANG F,et al.Constructing a health indi-cator for roller bearings by using a stacked auto-encoder with an exponential function to eliminate concussion J.Applied Soft Computing,2020,89:106119.2 JIN X,CHEN Y,WANG L,et al.Failure prediction,monitor-ing and diagnosis methods for slewing bearings of large-scale wind turbine:A review J.Measurement,2021,172:108855.3 徐立晖,罗勇水,何俊尉,等.载荷、温度和转速对轴承油膜厚度及寿命的影响J.机电工程,2022,39(7):955-960.4 张文涛,孔昊.带封油边滑动轴承转速对其润滑性能的影响研究J.机械传动,2020,44(10):124-128.5 朱永生,张盼,袁倩倩,等.智能轴承关键技术及发展趋势J.振动.测试与诊断,2019,39(3):455-462.6 郁文君,潘理卿,张杰.多通道数据采集与分析系统设计J.工业仪表与自动化装置,2023,291(3):22-26.7 姜晶,张宪,李宝生,等.耐高温转速传感器设计J.传感器与微系统,2019,38(9):88-89.8 徐磊,房立清,齐子元,等.基于 MEMS 加速度传感器的振动加速度测量系统设计J.仪表技术与传感器,2019(2):18-21.9 徐科繁,刘喆,姜海燕,等.基于振动和声发射的滚动轴承故障诊断技术J.热能动力工程,2022,37(12):157-164.10 王延忠,贾彦蓉,鄂世元,等.基于机器视觉的滚动轴承振动检测方法J.机电工程技术,2023,52(4):10-15.11 张琦,王洪斌,姜睿,等.基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验J.航空发动机,2022,48(1):76-82.作者简介:徐奥迪(1997),硕士研究生,主要研究方向为仪器仪表工程。E-mail:xuaodiw 通信作者:李晨(1987),教授,博士,主要研究方向为极端环境下的动态测试技术及微纳传感器件。E-mail:lichen (上接第 18 页)3NAGANO K,TAKAKI A,HIRAKAWA M,et al.Effects of ambient temperature steps on thermal comfort requirementsJ.International Journal of Biometeorology,2005,50:33-39.4 KHAN S,RASHEED A,MARWAT M U,et al.Portable tele-health aggregation manager:A novel approach for remote health monitoringC.2014 4th International Conference on Engineering Technology and Technopreneuship(ICE2T).IEEE,2014:309-313.5 MADEJOVA J.FTIR techniques in clay mineral studiesJ.Vibrational Spectroscopy,2003,31(1):1-10.6 SNYDER R W.FTIR studies of poly imides:thermal curingJ.Macromolecules,1989,22:4166-4172.7 王宏远,印杰,王晓瑞,等.脂环族聚酞亚胺的性能研究J.高分子材料科学与工程,1997,13(1):83-87.8 SCHUBERT P J,NEVIN J H.A polyimide-based capacitive humidity sensor J.IEEE Transactions on Electron Devices,1985,32(7):1220-1223.9 SHIBATA H,ITO M,ASAKURSA M,et al.A digital hygrometer using a polyimi film relative humidity sensor J.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,1996,45(2):564-569.作者简介:张海力(1978),博士研究生,主要研究领域为微波传感器、柔性传感器和智能可穿戴系统。E-mail:158936225 谢光忠(1968),教授,博士,主要研究领域为敏感材料与传感器。E-mail:gzxie 74