专利名称：轴系工况受力及故障实时检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及力或应力的一般计量，特别是一种轴系工况受力测量及故障实时检测装置。
西德FAG公司生产一种“轴力测量器”。该测量器的核心元件为一柔性很大的轴承座，在轴承座的薄弱点上设置应变片。在轴受力时，力通过轴承传递到轴承座上，引起薄弱点的弹性变形和应变片电阻的变化。将电阻变化信号联入应变仪，即可测得轴上受力的大小。
但该测量器外形尺寸较大；不能测量轴承内力(预紧力)；轴承座很单薄(否则不灵敏)，使整个系统刚度降低；采用电阻应变片，使工艺复杂，可靠性降低。并且原有轴系结构必须作较大改造，以配合它的轴承座才能采用；结构复杂，成本高。因此，应用范围受到局限。
本发明的目的是在不改变原有轴系结构及其传动功能的前提下，将原轴承改为同型号的测力轴承，使之对任何装有滚动轴承的轴进行测量的轴系及故障实时监测装置。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是它包括能安装在被测轴承外圈上的两组互成90°分布的压电陶瓷，一组从压电陶瓷绝缘层引出的电信号分别经第一、二前置放大电路，第一、二带通滤波电路，接第一、二包络线检波电路，第二前置放大电路还经高通滤波电路，接绝对值处理电路；另一组从压电陶瓷绝缘层引出的电信号分别经第三、四前置放大电路，第三、四带通滤波电路，接第三、四包络线检波电路，从包络线检波电路输出的四路信号，经第一模拟开关和调零电路，接入峰值检测电路和有效值检测电路，还和绝对值处理电路输出的信号一起，再经第二模拟开关、A/D电路输入到微机CPU。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明装置的结构框图；图2是轴承外圈应力变化情况；图3是前置放大电路图；图4是带通滤波电路图；图5是包络线检波电路图；图6是模拟开关和调零电路图；
图7是峰值检测电路图；图8是有效值检测电路图；图9是高通滤波电路图；图10是绝对值电路图。
如图1所示，它包括能安装在被测轴承3外圈上的两组互成90°分布的压电陶瓷1、1′和2、2′，一组从绝缘层引出的压电陶瓷1、1′引出的电信号分别经第一、二前置放大电路4.1、4.2，第一、二带通滤波电路5.1、5.2，接第一、二包络线检波电路6.1、6.2，第二前置放大电路4.2还经高通滤波电路7，绝对值处理电路8，由微机控制模拟开关13，接入A/D电路，输入到微机CPU进行自相关处理；另一组从压电陶瓷2、2′绝缘层引出的电信号分别经第三、四前置放大电路4.3、4.4，第三、四带通滤波电路5.3、5.4，接第三、四包络线检波电路6.3、6.4。从包络线检波电路输出的四路信号，由微机CPU控制模拟开关9和调零电路10，接入峰值检测电路11、有效值检测电路12，同时保留一路调零电路10处理后的电信号。峰值检测电路11和有效值检测电路12输出的二路信号，以及调零电路10输出的信号和绝对值处理电路8输出的信号共四路信号，由微机控制模拟开关13，接入A/D电路，输入到微机CPU。其中，模拟开关13芯片型号为CD4051，A/D芯片型号为AD574A，CPU型号为MCS8031。
如图3所示，前置放大电路4.1、4.2、4.3、4.4主要完成信号的第一级放大作用，为带通滤波电路5.1、5.2、5.3、5.4和高通滤波电路7提供信噪比较高的电信号。前置放大电路4.1、4.2、4.3、4.4分别包括INA118仪表放大器U1，压电陶瓷感应的信号分别接U1的正负极，输出电压接入带通滤波电路和高通滤波电路，电阻R1用来进行放大倍数调整。
如图4所示，带通滤波电路5.1、5.2、5.3、5.4完成对测试信号中有效频段的信号拾取，为包络线检测电路6.1、6.2、6.3、6.4提供消除干扰信号后的含有轴系工况受力变化信息的电信号。带通滤波电路5.1、5.2、5.3、5.4，分别包括LM324运算放大器U2A，输入电压电阻R2、电容C1、电阻R3接U2A的负极，电阻R4、电容C2跨接在U2A的输入端和输出端。
如图5所示，包络线检波电路6.1、6.2、6.3、6.4消除滚动轴承的滚动体引起的载波信号，还原受力变化的电信号。包络线检波电路6.1、6.2、6.3、6.4，分别包括LM324运算放大器U2B、U2C、U2D，二极管D1、D2、D3、D4，输入电压经电阻R5接U2B的负极，其输出电压经二极管D2、电阻R12、R13接U2D的负极，电阻R14接电位器P1的中端，电阻R7、R10、R11、电容C6一端接地。
如图6所示，模拟开关9完成信号通道的切换，调零电路10完成对电信号校准处理，满足相对值测量的要求，同时也可以消除温飘和时飘的影响，为下一步峰值检测电路11，有效值检测电路12和CPU提供有效电信号。模拟开关9和调零电路10，包括4052模拟开关U9和LM741运算放大器U10，包络线检波电路输出的四路电压信号V1、V2、V3、V4分别接U9的X0、X1、X2、X3脚，选通信号1、2是微机CPU输出的控制数字信号；U9的输出信号分别经电阻R57、R58接U10的正、负极。
如图7所示，峰值检测电路11完成电信号的正、负峰值跟踪，并输出峰值信号电压到模拟开关13。它包括LM324运算放大器U11A、LM358运算放大器U12A、U12B，输入信号接U11A的正极，U11A的负极经电阻R59、R60接U12A的正极，U12A的负极经电阻R62接U12B的正极，电阻R61一端接-12V电压，另一端接U12A的负极和电阻R62、电容C25。
如图8所示，有效值检测电路12完成电信号的功率谱密度检测，并输出电信号的有效值到模拟开关13。它包括LM324运算放大器U11B和LH0091专用集成电路U13，输入信号接U11B的正极，U11B的负极经电阻R63和输出信号接电位器P5的中端，电阻R64接电位器P6的中端，P6和电位器P7相连，接+12V电压，电阻R65接P7中端，另一端接电容C26和U13的10脚，电容C26接输出电压信号，电位器P8中端接输出电压信号，另一端接U13的9脚。
如图9所示，高通滤波电路7为两阶高通滤波，拾取信号的高频部分，输入电压经电容C2、C28接LM324运算放大器U14A的正极，电阻R69、R70、R71构成反馈电路；其输出电压经电容C29、C30接LM324运算放大器U14B的正极，电阻R73、R74、R75构成反馈电路。
如图10所示，绝对值处理电路8将双极性电信号变为单极性电信号，输入到模拟开关13，经A/D电路转换后，输入到微机CPU后进行自相关处理。它包括LM324运算放大器U14C、C14D，输入信号经电阻R76接U14C的负极，U14C的负极电阻R78与U14C输出信号经二极管D17接U14D的正极，电阻R77跨接在U14C的负极和U14D的输出端。
如图2所示，工作轴所受之力将通过滚动轴承的内圈和滚动体(球、圆柱滚子、滚针)传递到外圈上。轴旋转时，滚动体在外圈中滚动。对于外圈上某一点来说，当滚动体14滚动该点时，如图2中16所示，是受拉应力作用；当该点处于两滚动体之间时，如图2中15所示，是受压应力作用。这样，轴在运转时，轴承外圈上任何一点都受交应变力的作用，其振幅与滚动体对外圈的作用力成正比。滚动体对外圈的作用力由三部分力引起轴上受力F轴，轴承的预紧力F预，及滚动体的离心力F离。
本发明的关键如图1所示，在滚动轴承的外圈3，沿圆周经电加工形成四方形小孔，该孔的深度即压电陶瓷和绝缘层的总高度与轴承外圈3厚度之比为1/4～1/3。对于轻型轴承取下限，重型轴承取上限。压电陶瓷和绝缘层的总高度与轴承外圈3对应孔的过盈量为0.01～0.05mm；压电陶瓷的边长为轴承滚动体直径的20～60％。滚道沿周向均匀布置四方形压电陶瓷1、1′和2、2′。从垂直方向布置的这对压电陶瓷1、1′引出的信号经处理后，反映出垂直方向的分力大小；水平方向布置的这对2、2′反映轴上水平分力的大小。
由相对设置的一对压电陶瓷1、1′或2、2′引出的电荷信号转换成电压信号后，再经过前置放大电路、带通滤波电路、包络线检波电路、模拟开关、调零电路，进入CPU作加减运算。如前所述，滚动体对外圈的作用力F滚由轴上受力F轴，预紧力F预，与离心力F离组成，即F滚＝(F轴+F预+F离)，对于互成180°，即相对设置的压电陶瓷两点来说，F预+F离是相等的，一般F预大于F轴，故F轴相差一个符号，也就是说，如果上面或左边的压电陶瓷受力为F滚＝F轴+F预+F离则下面或右面的为F滚＝-F轴+F预+F离如果执行减法运算，则F轴部分，其值为2F轴。如果执行加法运算，则只是轴承的内力部分，因而，本发明不仅能测轴上受力，还能测量轴承预紧力。轴系(包括轴承)的损伤引起周期性脉冲，脉冲的周期一般在μs级，它将激起系统或结构的高频响应，响应幅度与被激系统或结构的固有频率及阻尼及关。该装置中，由压电陶瓷测得的故障高频信号经放大器后，再经高通滤波和绝对值处理，用数理统计分析的方法，包括电平幅度计权(“振铃”计数)，事件计数，发射率(单位时间计数)和累计计数等。最终分析得到故障的形式。
本发明具有以下优点1)能同时用于轴承外力(即轴上受力)与轴承内力的测量，即工况受力测量，同时又作为轴系的故障监测；2)不采用传统的电阻应变片，而采用灵敏度高，动态相应范围宽，且可靠的压电陶瓷；
3)不影响轴系结构，制造使用方便，成本低廉；4)不影响原系统的刚度。
本发明可用于造纸机滚筒，轧钢机轧辊，自动机床主轴的工作受力监测和自动控制，也可用于大转速范围主轴(如加工中心主轴)轴承预紧力的监测和自动控制，也可用于机床刀具磨损、破碎的预报，以及轴系的故障诊断。
权利要求
1.轴系工况受力及故障实时检测装置，其特征在于它包括能安装在被测轴承[3]外圈上的两组互成90°分布的压电陶瓷[1]、[1′]和[2]、[2′]，一组从压电陶瓷[1]、[1′]绝缘层引出的电信号分别经第一、二前置放大电路[4.1]、[4.2]，第一、二带通滤波电路[5.1]、[5.2]，接第一、二包络线检波电路[6.1]、[6.2]，第二前置放大电路[4.2]还经高通滤波电路[7]，接绝对值处理电路[8]；另一组从压电陶瓷[2]、[2′]绝缘层引出的电信号分别经第三、四前置放大电路[4.3]、[4.4]，第三、四带通滤波电路[5.3]、[5.4]，接第三、四包络线检波电路[6.3]、[6.4]，从包络线检波电路输出的四路信号，经第一模拟开关[9]和调零电路[10]，接入峰值检测电路[11]和有效值检测电路[12]，还和绝对值处理电路[8]输出的信号一起，再经第二模拟开关[13]、A/D电路输入到微机CPU。
2.根据权利要求1所述的轴系工况及故障实时检测装置，其特征在于1)前置放大电路[4.1]、[4.2]、[4.3]、[4.4]分别包括INA118仪表放大器[U1]，压电陶瓷感应的信号分别接[U1]的正负极，输出电压接入带通滤波电路和高通滤波电路，电阻[R1]用来进行放大倍数调整；2)带通滤波电路[5.1]、[5.2]、[5.3]、[5.4]分别包括LM324运算放大器[U2A]，输入电压电阻[R2]、电容[C1]、电阻[R3]接[U2A]的负极，电阻[R4]、电容[C2]跨接在[U2A]的输入端和输出端；3)包络线检波电路[6.1]、[6.2]、[6.3]、[6.4]分别包括LM324运算放大器[U2B]、[U2C]、[U2D]，二极管[D1]、[D2]、[D3]、[D4]，输入电压经电阻[R5]接[U2B]的负极，其输出电压经二极管[D2]、电阻[R12]、[R13]接[U2D]的负极，电阻[R14]接电位器[P1]的中端，电阻[R7]、[R10]、[R11]、电容[C6]一端接地；4)模拟开关[9]和调零电路[10]包括CD4052模拟开关[U9]和LM741运算放大器[U10]，包络线检波电路输出的四路电压信号V1、V2、V3、V4分别接[U9]的X0、X1、X2、X3脚，选通信号1、2是微机CPU输出的控制数字信号；[U9]的输出信号分别经电阻[R57]、[R58]接[U10]的正、负极；5)峰值检测电路[11]包括LM324运算放大器[U11A]、LM358运算放大器[U12A]、[U12B]，输入信号接[U11A]的正极，[U11A]的负极经电阻[R59]、[R60]接[U12A]的正极，[U12A]的负极经电阻[R62]接[U12B]的正极，电阻[R61]一端接-12V电压，另一端接[U12A]的负极和电阻[R62]、电容[C25]；6)有效值检测电路[12]包括LM324运算放大器[U11B]和LH0091专用集成电路[U13]，输入信号接[U11B]的正极，[U11B]的负极经电阻[R63]和输出信号接电位器[P5]的中端，电阻[R64]接电位器[P6]的中端，[P6]和电位器[P7]相连，接+12V电压，电阻[R65]接[P7]中端，另一端接电容[C26]和[U13]的10脚，电容[C26]接输出电压信号，电位器[P8]中端接输出电压信号，另一端接[U13]的9脚；7)高通滤波电路[7]为两阶高通滤波，输入电压经电容[C2]、[C28]接LM324运算放大器[U14A]的正极，电阻[R69]、[R70]、[R71]构成反馈电路；其输出电压经电容[C29]、[C30]接LM324运算放大器[U14B]的正极，电阻[R73]、[R74]、[R75]构成反馈电路；8)绝对值电路[8]包括LM324运算放大器[U14C]、[C14D]，输入信号经电阻[R76]接[U14C]的负极，[U14C]的负极电阻[R78]与[U14C]输出信号经二极管[D17]接[U14D]的正极，电阻[R77]跨接在[U14C]的负极和[U14D]的输出端。
3.根据权利要求1所述的轴系工况受力及故障实时检测装置，其特征在于压电陶瓷和绝缘层的总高度与轴承外圈[3]的厚度之比为1/4～1/3。
4.根据权利要求1所述的轴系工况受力及故障实时检测装置，其特征在于压电陶瓷和绝缘层的总高度与轴承外圈[3]对应孔的过盈量为0.01～0.05mm。
5.根据权利要求1所述的轴系工况受力及故障实时检测装置，其特征在于压电陶瓷的边长为轴承滚动体直径的20～60％。
全文摘要
一种轴系工况受力及故障实时检测装置,包括安装在被测轴承外圈上的两组互成90°分布的压电陶瓷,引出的信号分别经各自的前置放大电路,带通滤波电路,包络线检波电路,四路信号经模拟开关和调零电路,接入峰值检测电路和有效值检测电路和一路前置放大电路还经高通滤波电路,绝对值处理电路,一起再经模拟开关、A/D电路输入到微机CPU。本发明采用灵敏度高,动态相应宽的压电陶瓷,能进行轴系工况受力和预紧力测量及故障实时监测。
文档编号G01M13/04GK1289041SQ0013076
公开日2001年3月28日 申请日期2000年10月19日 优先权日2000年10月19日
发明者陈宗农, 郭明, 詹建潮 申请人:浙江大学