一种用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统的制作方法

本发明涉及轴承测速和运行状态监测技术领域，尤其涉及用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统。

背景技术：

轴承作为一种应用于机械设备中的重要的支承部件，是影响机械设备安全，稳定运行的主要因素之一。滚动轴承具有摩擦力小，润滑简单，易于更换等特点，因而被广泛应用于航空航天，精密仪器，交通设备等领域。

应用于航空航天中的滚动轴承，一般处于高速高温轻载的运行状态。运行于高速高温轻载状态下的滚动轴承的滚子极易发生打滑现象，特别是就航空发动机主轴轴承而言，滚子打滑轻则造成发动机寿命减短，重则引发严重的空难事故。在滚动轴承运行过程中，当滚子产生滑动时，滚子对保持架的推动作用将会减弱，此时保持架的滑差率将会增大。由此可见，通过测量保持架的转速，并计算对应转速下的滑差率可以对滚动轴承打滑状况进行监测。

对于像航空发动机主轴轴承这种工作与高温高速且封闭环境下的轴承，传统的测量轴承保持架转速的方法(光学法、电磁法、电涡流法和应力法等等)不可避免的存在不便之处。光学法原理简单，然而对于高温高速且密封的工况下，轴承运行产生的油雾会阻挡光的传播，且不便于进行设备的安装；电磁法则会导致滚子及其磨屑磁化，从而进一步加剧滚子磨损；电涡流法响应速度慢，不适用于高速工况；应力法对轴承振动较为敏感，难以保证测量精度。近些年来，随着超声测量技术的日渐兴起，运用超声测量滚动的轴承滚子的转速的方法得到关注，并得到了一定的发展，但现有的超声测量滚动的轴承滚子的探头为了保证轴承的完整性，一般不安装在所述轴承上，而选择安装在发动机的其他部位，从其他部位朝轴承位置发送超声波，但是由于从其他部位朝轴承位置发送超声波探头距轴承位置较远，探头接收到的回波信号往往会受到其他部件产生的噪音干扰，导致测量不准确，且安装在发动机的其他部位也容易妨碍其他部件工作。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统，用于解决现有的超声波测量转速的系统测量不准确的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统，包括采集组件、放大与转换电路以及控制组件，采集组件与放大与转换电路连接，放大与转换电路与控制组件连接，采集组件用于向轴承滚子发射超声波信号，接收轴承滚子的反射的回波信号并发送给放大与转换电路，放大与转换电路用于接收并将回波信号进行放大及模数转换后，发送给控制组件，控制组件用于接收并根据回波信号解析轴承滚子转动时的转速，采集组件安装在轴承座的通孔内，通孔沿垂直于轴承外圈的切线和滚子的切线方向设置，且采集组件的采集端朝向轴承滚子，并与轴承外圈齐平。

优选的，采集组件为高温超声波探头，高温超声波探头的采集端还涂设有高温耦合剂，高温超声波探头的采集端朝向轴承滚子，并通过高温耦合剂与轴承外圈紧密贴合。

优选的，放大与转换电路包括高速数据采集电路和脉冲发射接收电路，高速数据采集电路与控制组件连接，高速数据采集电路、脉冲发射接收电路以及采集组件依次连接；

高速数据采集电路：用于发送高频脉冲信号给脉冲发射接收电路，接收来自脉冲发射接收电路的模拟的回波信号，并将回波信号转化为数字的回波信号后，发送给控制组件；

脉冲发射接收电路：用于接收高频脉冲信号，并将高频脉冲信号转化为激励电压信号后，发送给高温超声波探头；接收来自采集组件的模拟的回波信号，并将模拟的回波信号放大后，发送给高速数据采集电路；

采集组件：用于接收激励电压信号，并将激励电压信号转化为超声波后，发射到轴承滚子上，接收轴承滚子的反射的模拟的回波信号并发送给脉冲发射接收电路。

优选的，控制组件包括依次连接的包络处理模块、傅里叶变换模块以及转速计算模块，包络处理模块还与高速数据采集电路连接；

包络处理模块用于接收并对采集组件采集的回波信号进行包络处理，提取回波信号的包络信号，并将包络信号传输给傅里叶变换模块；

傅里叶变换模块用于接收并对包络信号进行快速傅里叶变换，得到轴承滚子的转动频率，并将轴承滚子的转动频率传输给转速计算模块；

转速计算模块用于接收转动频率，并根据转动频率和转速之间的计算公式计算轴承滚子的转速。

优选的，包络处理模块通过以下公式对采集组件采集的回波信号进行包络处理：

xt表示包络信号；ft表示回波信号。

优选的，傅里叶变换模块通过以下公式对包络信号进行快速傅里叶变换：

[fz，az]＝max(fft(xt))；

fz表示信号包络线x经过快速傅里叶变换后所得幅频谱第一个峰值所对应的频率，即为本次采样过程轴承滚子的转动频率，单位为hz，az为该频率下的幅值。

优选的，转动频率和转速之间的计算公式为：

n为本次采样过程轴承滚子的转速，z表示轴承滚子的数目。

优选的，控制组件还包括监测模块，监测模块用于根据转速计算轴承滚子的滑差率，并将滑差率与预设的滑差率阈值进行比较，当滑差率大于预设的滑差率阈值时，判断轴承滚子存在打滑风险。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中的用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统，通过将采集组件安装在与所述轴承外圈和滚子保持垂直的轴承座的通孔内，且采集组件的顶端与轴承外圈紧密贴合，能在保证轴承完整性和不影响轴承的运行状态下，准确的接收到轴承滚子的回波信号，进而根据所述轴承滚子的回波信号解析出所述轴承滚子的转速，并且也不会对其他部件的工作状态造成影响，且无需对轴承进行任何的副加工。

2、在优选方案中，采用高温超声波探头和高温耦合剂使得测试结构的精度不会对轴承转动和温度升高等影响因素过度敏感；

3、在优选方案中，由于使用包络分析和快速傅里叶变换，不需要过高的脉冲发射频率也能得到较为精确的结果，在相同的脉冲发射频率之下可以实现更高转速的精确测量。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是是本发明中的采集组件的安装示意图；

图2是本发明中的优选实施例中的用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统的数据传输图；

图3是本发明优选实施例中的优选实施例中的用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统的数据传输图。

图中标注：1、轴承；2、高温耦合剂；3、高温超声波探头；4、轴承座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一：

如图1所示,本发明公开了一种用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统，包括采集组件、放大与转换电路以及控制组件，所述采集组件与所述放大与转换电路连接，所述放大与转换电路与所述控制组件连接，所述采集组件用于向所述轴承滚子发射超声波信号，接收并将所述轴承滚子的反射的回波信号发送给所述放大与转换电路，所述放大与转换电路用于接收并将所述回波信号进行放大、模数转换后，发送给所述控制组件，所述控制组件用于接收并根据所述回波信号解析所述轴承滚子转动时的转速，采集组件安装在轴承座4的通孔内，通孔沿垂直于轴承外圈的切线和滚子的切线方向设置，且采集组件的采集端朝向轴承滚子，并与轴承外圈齐平。

本发明中的轴承1用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统，通过将采集组件安装在与所述轴承1的外圈和滚子保持垂直的轴承座4的通孔内，且采集组件的顶端与轴承1的外圈紧密贴合，能在保证轴承1完整性和不影响轴承1的运行状态下，准确的接收到轴承滚子的回波信号，进而根据所述轴承滚子的回波信号解析出所述轴承滚子的转速，并且也不会对其他部件的工作状态造成影响，且无需对轴承1进行任何的副加工。

实施例二：

实施例二是实施例的拓展实施例，其与实施例一的不同之处在于，对用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统的具体结构和功能进行了细化。

如图2至图3所示，本实施例中公开的用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统包括采集组件、放大与转换电路以及控制组件，所述采集组件与所述放大与转换电路连接，所述放大与转换电路与所述控制组件连接。

在本实施例中，所述采集组件为高温超声波探头3，所述高温超声波探头3的采集端还涂设有高温耦合剂2，高温超声波探头3的采集端朝向轴承滚子，所述高温超声波探头3的采集端通过高温耦合剂2与轴承1的外圈紧密贴合，采用高温超声波探头3和高温耦合剂2使得测试结构的精度不会对轴承1转动和温度升高等影响因素过度敏感，且降低高温超声波探头3使用时超声波的衰减，保证在高温环境当中的稳定和精确测量。

在本实施例中，所述放大与转换电路包括高速数据采集电路和脉冲发射接收电路，所述高速数据采集电路与所述控制组件连接，所述高速数据采集电路、脉冲发射接收电路以及采集组件依次连接；

所述高速数据采集电路：用于发送高频脉冲信号给所述脉冲发射接收电路，接收所述脉冲发射接收电路发送来的、模拟的回波信号，并将所述回波信号转化为数字的回波信号后，发送给所述控制组件；

所述脉冲发射接收电路：用于接收所述高频脉冲信号，并将所述高频脉冲信号转化为激励电压信号后，发送给所述高温超声波探头3；接收所述采集组件发送的、模拟的回波信号，并将所述模拟的回波信号放大后，发送给所述高速数据采集电路；

所述采集组件：用于接收所述激励电压信号，并将所述激励电压信号转化为超声波后，发射到所述轴承滚子上，接收并将所述轴承滚子的反射的、模拟的回波信号发送给所述脉冲发射接收电路。

在本实施例中所述控制组件包括依次连接的包络处理模块、傅里叶变换模块、转速计算模块以及监测模块，所述包络处理模块还与所述高速数据采集电路连接；

所述包络处理模块用于接收并对所述采集组件采集的回波信号进行包络处理，提取所述回波信号的包络信号，并将所述包络信号传输给所述傅里叶变换模块；

其中，所述包络处理模块通过以下公式对所述采集组件采集的回波信号进行包络处理：

xt表示包络信号；ft表示回波信号。

所述傅里叶变换模块用于接收并对所述包络信号进行快速傅里叶变换，得到所述轴承滚子的转动频率，并将所述轴承滚子的转动频率传输给所述转速计算模块；

其中，所述傅里叶变换模块通过以下公式对所述包络信号进行快速傅里叶变换：

[fz，az]＝max(fft(xt))；

fz表示信号包络线x经过快速傅里叶变换后所得幅频谱第一个峰值所对应的频率，即为本次采样过程轴承滚子的转动频率，单位为hz，az为该频率下的幅值。

所述转速计算模块用于接收所述转动频率，并根据转动频率和转速之间的计算公式计算所述轴承滚子的转速。

其中，转动频率和转速之间的计算公式为：

n为本次采样过程轴承滚子的转速，z表示轴承滚子的数目。

所述监测模块用于根据所述转速计算所述轴承滚子的滑差率，并将所述滑差率与预设的滑差率阈值进行比较，当所述滑差率大于预设的滑差率阈值，判断所述轴承滚子存在打滑风险。

此外，在优选方案中，本发明中的监测模块还与一声光报警组件连接，当判断所述轴承滚子存在打滑风险，所述监测模块还用于通过声光报警组件报警，以警醒用户。

在本实施例中，高速数据采集电路优选高速数据采集卡，脉冲发射接收电路优选脉冲发射接收卡板，控制组件优选计算机。

本实施例中的轴承1用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统的工作流程如下：

在控制组件设置高速数据采集电路重复发射高频脉冲信号的频率，并设置脉冲信号的幅值和占空比，此外，进行合适的采样设定，如采样率，采样数等等，完成以上设置后可以开始进行测量；

步骤2，测量开始，高速数据采集电路在计算机软件的控制下向脉冲发射接收电路重复发射高频脉冲信号；

步骤3，脉冲发射接收电路将接收到的重复高频脉冲信号转换为激励电压信号，并将激励电压信号传递给高温超声波探头3；

步骤4，高温超声波探头3在激励电压信号的作用下不断产生并发射超声波，同时，高温超声波探头3会接收反射声波，并将反射声波转换为反射电压信号，即回波信号；

步骤5，脉冲发射接收电路接收回波信号，将回波信号放大后传输至高速数据采集电路；

步骤6，高速数据采集电路接收到来自脉冲发射接收电路的回波信号，并将该回波信号从模拟信号转换为计算机能读取的数字信号，并将所述数字的回波信号发送给所述控制组件；

步骤7，控制组件按照预设的采样设定，采集数据，并通过编写的程序对数据进行显示，处理和记录；

下面介绍轴承滚子转速计算过程：

(1)对采集所得回波信号(ft)进行hilbert(希尔伯特)变换包络处理，获取包络信号(xt)；

(2)，对包络信号进行快速傅里叶变换，并由公式(1)得到此时滚子经过高温超声波探头3的频率fz(hz)；

fz＝max(fft(x))(2)

(3)通过式(2)计算轴承滚子的实时转速n(r/min)；

式(1)中fz表示信号包络线x经过快速傅里叶变换后所得幅频谱第一个峰值所对应的频率，该频率即为本次采样过程轴承滚子经过高温超声波探头3的频率；式(2)中z表示轴承滚子数目。

上述内容中所使用的高速数据采集电路，脉冲发射接收电路和高温超声波探头3均为本次开发实际探索过程当中得装置，但该方法的具体实时方式可以有多种。

综上所述，本发明中的用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统，通过将采集组件安装在与所述轴承外圈和滚子保持垂直的轴承座4的通孔内，且采集组件的顶端与轴承外圈紧密贴合，能在保证轴承1完整性和不影响轴承1的运行状态下，准确的接收到轴承滚子的回波信号，进而根据所述轴承滚子的回波信号解析出所述轴承滚子的转速，并且也不会对其他部件的工作状态造成影响，且无需对轴承1进行任何的副加工。

在优选方案中，采用高温超声波探头3和高温耦合剂2使得测试结构的精度不会对轴承1转动和温度升高等影响因素过度敏感；

在优选方案中，由于使用包络分析和快速傅里叶变换，不需要过高的脉冲发射频率也能得到较为精确的结果，在相同的脉冲发射频率之下可以实现更高转速的精确测量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。