基于光纖光柵的水潤滑軸承磨損監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究

俞曉豐，帥長庚，楊 雪，胡曉陽

（1.海軍工程大學(xué)振動與噪聲研究所，武漢 430033；2.船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033；

3.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)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(zhuǎn)運(yùn)行。水潤滑軸承的橡膠軸瓦作為彈性體，可有效抑制轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)振動并改善軸系對中效果。利用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對橡膠軸瓦的磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，分析橡膠軸承的摩擦磨損特性，對增強(qiáng)水潤滑軸承的功能、指導(dǎo)船舶維護(hù)管理、以及降低維修成本具有重要經(jīng)濟(jì)意義。

由于水潤滑軸承長期浸泡在水環(huán)境中，并且軸瓦內(nèi)可嵌入的空間有限，超聲波及壓電等傳統(tǒng)電信號傳感器難以滿足軸瓦復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yōu)點(diǎn)[3]，在滾動軸承、機(jī)械滑動軸承裝置上已有溫度、應(yīng)力、磨損等狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用[4-8]，尚未有光纖傳感技術(shù)在水潤滑軸承橡膠軸瓦中應(yīng)用的報(bào)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(jìn)行應(yīng)變檢測[10]，不利于工業(yè)化應(yīng)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(yù)留孔后填裝光纖傳感器[11]或分層敷設(shè)光纖傳感器[12]。在基體植入光纖傳感器進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)的過程中，必須堅(jiān)守相容性原則[13]。

文獻(xiàn)[8]中，利用光頻域反射技術(shù)（OFDR），獲得光柵拍頻信號頻譜圖，尋找光柵柵區(qū)位置，每隔預(yù)設(shè)時(shí)間30 秒，計(jì)算柵區(qū)長度進(jìn)行磨損檢測。文獻(xiàn)[14]中，Morozov 在電機(jī)碳刷中開槽埋入光纖光柵，進(jìn)行碳刷磨損的光功率監(jiān)測。在不考慮測量精度的情況下，使用多個(gè)光柵進(jìn)行串聯(lián)，擴(kuò)大碳刷的磨損監(jiān)測范圍。借鑒上述方法，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單，靈敏性好，可實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)實(shí)時(shí)磨損監(jiān)測的水潤滑軸承磨損狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，為進(jìn)一步研究軸承的摩擦磨損特性及軸承的健康監(jiān)測做技術(shù)準(zhǔn)備。

1 光纖光柵磨損檢測原理

1.1 FBG柵區(qū)長度和反射率關(guān)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(jié)構(gòu)，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(jù)耦合模理論[3]，當(dāng)寬帶光在光纖光柵中傳輸時(shí)，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(guān)，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(qū)長度存在如下關(guān)系：

式中：R為反射率，L為柵區(qū)長度；κ為耦合系數(shù)，κ=，s為與折射率調(diào)制有關(guān)的條紋可見度，通常視光柵的反射率強(qiáng)弱在0.5～1 之間取值（強(qiáng)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(shù)，β=。

根據(jù)式（2），當(dāng)FBG光柵參數(shù)如表1時(shí)，畫出柵區(qū)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(shù)Tab.1 FBG grating parameters

1.2 CFBG柵區(qū)長度和反射率關(guān)系

啁啾光纖布拉格光柵的折射率調(diào)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(shù)。若f(z)為線性函數(shù)，則光柵稱為線性啁啾光纖光柵（CFBG），此時(shí)有f(z)=cz，其中c為常數(shù)，稱為線性啁啾系數(shù)。若f(z)為z的n階函數(shù)，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(jìn)行數(shù)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(jié)束于zi，長度為Δzi=zi-zi-1。每段的兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出由下列矩陣相聯(lián)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(gè)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(shù)，r為光柵的反射系數(shù)。線性啁啾光纖布拉格光柵光反射率和柵區(qū)長度關(guān)系為

根據(jù)式（8），在表1中光纖光柵參數(shù)的基礎(chǔ)上增加參數(shù)N= 80 000,c= 1×10-9，畫出柵區(qū)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(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 磨損狀態(tài)監(jiān)測儀設(shè)計(jì)

磨損狀態(tài)監(jiān)測儀組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示，實(shí)物如圖7所示。寬帶光源輸出光信號通過耦合器經(jīng)光路控制器分配至指定FBG/CFBG 傳感器，光纖光柵根據(jù)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(zhuǎn)換成電信號傳送給采集卡，上位機(jī)PC/信號處理器處理采集的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行狀態(tài)顯示及報(bào)警處理。其中，光路控制器為具有光路切換功能的磁光開關(guān)；所述寬帶光源輸出光功率大于13 dBm，光譜平坦度優(yōu)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(shí)，信號帶寬為45 MHz,系統(tǒng)響應(yīng)能力強(qiáng)。

圖6 光纖傳感解調(diào)儀組成結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of optical fiber sensor demodulator

圖7 光纖傳感解調(diào)儀實(shí)物Fig.7 Optical fiber demodulator

2.2 光纖植入軸瓦結(jié)構(gòu)及磨損監(jiān)測

水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)如圖8所示，轉(zhuǎn)軸運(yùn)動過程中伴有軸向振動、回轉(zhuǎn)振動和摩擦振動[16-17]。軸瓦溝槽常伴有大量泥沙等雜質(zhì)，同時(shí)也是軸瓦磨損磨料的排泄渠道。橡膠軸瓦表面磨損狀態(tài)如圖9所示。

圖8 水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of water-lubricated rubber bearings

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

在橡膠軸瓦模壓硫化生產(chǎn)過程中，溫度可達(dá)150 ℃，壓強(qiáng)可達(dá)15 MPa，時(shí)間可達(dá)40 min。所有橡膠制品在成型后又會呈現(xiàn)收縮的現(xiàn)象，收縮率在1.2%～3.5%的范圍內(nèi)，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(wěn)定性難以控制。因此，常規(guī)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(qiáng)度以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可長期承受300℃高溫，短時(shí)間承受490 ℃的高溫，另外力學(xué)性能、耐疲勞性能優(yōu)異，抗拉強(qiáng)度動態(tài)疲勞參數(shù)Nd值達(dá)到了25.4，斷裂應(yīng)力M值達(dá)到了5.35 GPa。經(jīng)橡膠軸瓦中軸向植入光纖試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象嚴(yán)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(shè)計(jì)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(zhì)毛細(xì)鋼管后使用樹脂或橡膠進(jìn)行填料，再向上彎折使光柵垂直于所述橡膠軸瓦的待測點(diǎn)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(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 光纖植入橡膠軸瓦結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of optical fiber implanted rubber bush

水潤滑橡膠軸承磨損監(jiān)測系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)如圖11 所示，監(jiān)測儀讀取植入軸瓦的各路光柵磨損信號，并轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)過信號處理及判斷，發(fā)送報(bào)警信號給聲光報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警。

圖11 水潤滑軸承磨損狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成Fig.11 Components of the monitoring system for the wear state of water-lubricated bearings

3 監(jiān)測試驗(yàn)及分析

3.1 光纖光柵光譜檢測

為更加準(zhǔn)確地研究光纖光柵反射率和柵區(qū)長度的關(guān)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(jìn)行光譜檢測。隨著光柵長度的減少，光柵光譜檢測結(jié)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(yàn)中，柵區(qū)長度為10 mm，柵區(qū)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(yàn)中，柵區(qū)長度為19 mm。在柵區(qū)磨損量較小時(shí)，光譜寬度變化較小。在柵區(qū)接近完全磨損時(shí)，光譜寬度變化較大。兩種光纖光柵磨損試驗(yàn)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(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證在摩擦面附近未受鋼管保護(hù)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(huán)形植入耐高溫特種光纖，在小型平板硫化機(jī)上進(jìn)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(qiáng)為15 MPa，持續(xù)40 min。對成型試樣接入紅光檢查光纖狀態(tài)，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(huán)形半徑，制作多個(gè)試樣，光纖未發(fā)生斷裂現(xiàn)象，成品試樣如圖15（b）所示。試驗(yàn)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。

圖14 小型平板硫化機(jī)Fig.14 Small flat vulcanizing machine

圖15 植入光纖試樣Fig.15 Implanted fiber sample

3.3 磨損監(jiān)測試驗(yàn)

使用磨損狀態(tài)監(jiān)測儀對植入橡膠試樣的FBG/CFBG 光纖光柵進(jìn)行在線連續(xù)磨損監(jiān)測。磨損表面如圖16所示，光纖光柵對橡膠摩擦表面影響較小。

圖16 磨損監(jiān)測試驗(yàn)Fig.16 Wear monitoring test

對光纖光柵進(jìn)行全范圍磨損監(jiān)測，結(jié)果如圖17～18所示，并對線性度較好的數(shù)據(jù)使用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合。試驗(yàn)表明，F(xiàn)BG在3～6 mm柵區(qū)區(qū)間磨損監(jiān)測的線性度較好，CFBG的線性監(jiān)測范圍更寬，范圍在2～14 mm之間。

圖17 FBG磨損試驗(yàn)結(jié)果Fig.17 FBG wear test results

圖18 CFBG磨損試驗(yàn)結(jié)果Fig.18 CFBG wear test results

由于水潤滑軸承橡膠軸瓦的磨損范圍在3 mm 左右（見圖17），以FBG 光柵柵區(qū)5 mm 附件作為磨損監(jiān)測點(diǎn)，將光纖光柵植入橡膠試樣進(jìn)行磨損監(jiān)測試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖19所示。其中，光纖光柵的中心波長為1550.821 nm，光柵柵隔間距約為500 nm。

圖19 橡膠試樣磨損監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果Fig.19 Test results of wear monitoring of rubber specimens

4 結(jié) 語

根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用需要，本文使用光纖光柵設(shè)計(jì)水潤滑軸承磨損監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，傳感器及光信號傳輸部分浸水適應(yīng)性好。試驗(yàn)表明，橡膠軸瓦植入光纖光柵傳感器，能夠滿足橡膠軸瓦磨損監(jiān)測需要。后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)還應(yīng)考慮以下問題：

（1）由于光纖光柵的反射光功率與光柵柵區(qū)并非完全線性變化。因此，應(yīng)選擇線性度較好、滿足實(shí)際應(yīng)用需要的柵區(qū)位置作為磨損檢測起始點(diǎn)。

（2）線性啁啾光纖布拉格光柵的監(jiān)測范圍比均勻光纖布拉格光柵的監(jiān)測范圍廣，但采用線性啁啾光纖光柵的設(shè)計(jì)成本會大幅提高。應(yīng)根據(jù)不同橡膠軸瓦的磨損監(jiān)測要求，合理選擇光柵種類。

（3）橡膠軸瓦磨損主要位于靠近螺旋槳側(cè)端部及轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)不平衡的軸瓦區(qū)域，應(yīng)根據(jù)船舶水潤滑軸承的實(shí)際尺寸、軸瓦各區(qū)域磨損速度及磨損程度合理布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測軸瓦的磨損狀態(tài)。

（4）水潤滑軸承長期浸泡在通海環(huán)境，應(yīng)用工況惡劣，船舶舾裝走線難度高，應(yīng)增強(qiáng)光纖的舾裝保護(hù)，實(shí)現(xiàn)信號的長距離傳輸及使用壽命。