基于光纤光栅的水润滑轴承磨损监测系统设计及研究

俞晓丰，帅长庚，杨 雪，胡晓阳

（1.海军工程大学振动与噪声研究所，武汉 430033；2.船舶振动噪声重点实验室，武汉 430033；

3.武汉船舶职业技术学院，武汉 430050）

0 引 言

水润滑轴承主要安装在船舶艉部，浸泡在水中，利用水作为润滑剂，支承船舶主轴的旋转运行。水润滑轴承的橡胶轴瓦作为弹性体，可有效抑制转轴的旋转振动并改善轴系对中效果。利用状态监测系统对橡胶轴瓦的磨损状态进行监测，分析橡胶轴承的摩擦磨损特性，对增强水润滑轴承的功能、指导船舶维护管理、以及降低维修成本具有重要经济意义。

由于水润滑轴承长期浸泡在水环境中，并且轴瓦内可嵌入的空间有限，超声波及压电等传统电信号传感器难以满足轴瓦复合结构设计及传感器水下信号传输线路舾装要求[1-2]。光纤传感器具有体积小、重量轻、防水防潮、抗电磁干扰等优点[3]，在滚动轴承、机械滑动轴承装置上已有温度、应力、磨损等状态监测应用[4-8]，尚未有光纤传感技术在水润滑轴承橡胶轴瓦中应用的报道。

受橡胶制品制作过程高温、高压工艺以及成型后收缩率高等因素影响，在橡胶制品中直接植入光纤传感器成功率较低[9]。特别是橡胶轴瓦中光纤轴向布置距离较长，光纤更加容易断裂。只能粘贴在橡胶制品表面进行应变检测[10]，不利于工业化应用。在光纤传感器植入橡胶制品的过程中，常采用二次封装工艺，如在橡胶基体加工预留孔后填装光纤传感器[11]或分层敷设光纤传感器[12]。在基体植入光纤传感器进行智能化设计的过程中，必须坚守相容性原则[13]。

文献[8]中，利用光频域反射技术（OFDR），获得光栅拍频信号频谱图，寻找光栅栅区位置，每隔预设时间30 秒，计算栅区长度进行磨损检测。文献[14]中，Morozov 在电机碳刷中开槽埋入光纤光栅，进行碳刷磨损的光功率监测。在不考虑测量精度的情况下，使用多个光栅进行串联，扩大碳刷的磨损监测范围。借鉴上述方法，本文设计了一种结构简单，灵敏性好，可实现在线连续实时磨损监测的水润滑轴承磨损状态监测系统，为进一步研究轴承的摩擦磨损特性及轴承的健康监测做技术准备。

1 光纤光栅磨损检测原理

1.1 FBG栅区长度和反射率关系

在光纤中刻入均匀分布的光栅，形成具有折射率周期性变化的光纤纤芯结构，称为均匀光纤布拉格光栅（FBG），其基本工作原理如图1 所示。根据耦合模理论[3]，当宽带光在光纤光栅中传输时，反射光的中心波长λ与光栅周期Λ和纤芯的等效折射率neff有关，满足以下方程：

图1 反射光谱中心波长偏移特性Fig.1 Shift characteristic of reflectance spectrum center wavelength

FBG入射光反射率和栅区长度存在如下关系：

式中：R为反射率，L为栅区长度；κ为耦合系数，κ=，s为与折射率调制有关的条纹可见度，通常视光栅的反射率强弱在0.5～1 之间取值（强取1，弱取0.5），Δnˉeff为光栅周期的平均折射率变化量，通常为10-5～10-3量级；σ=，δ=β- π/Λ，Λ为光栅周期，β为传播系数，β=。

根据式（2），当FBG光栅参数如表1时，画出栅区长度变化过程的光谱图如图2所示。

图2 均匀光纤布拉格光栅不同长度光谱图Fig.2 Spectral diagram of uniform fiber Bragg grating with different lengths

表1 FBG光栅参数Tab.1 FBG grating parameters

1.2 CFBG栅区长度和反射率关系

啁啾光纤布拉格光栅的折射率调制周期沿光栅轴向（z向）为非均匀分布，一般表示为

式中，f(z)表示光纤光栅的啁啾函数。若f(z)为线性函数，则光栅称为线性啁啾光纤光栅（CFBG），此时有f(z)=cz，其中c为常数，称为线性啁啾系数。若f(z)为z的n阶函数，则光栅为n+ 1 阶啁啾光纤光栅。啁啾光纤光栅反射原理[15]如图3所示。

图3 啁啾光纤光栅反射原理Fig.3 Reflection principle of chirped fiber grating

由于线性啁啾光纤布拉格光栅的耦合模方程没有解析解，使用传输矩阵法对线性啁啾光纤光栅进行数值求解[3]。如图4 中多段光纤光栅模型所示，其中第i段开始于zi-1，结束于zi，长度为Δzi=zi-zi-1。每段的两个输入和两个输出由下列矩阵相联系：

图4 传输矩阵法中的多段光栅模型Fig.4 Multi-segment grating model in the transmission matrix method

式中，矩阵元为

相继地连乘每一小段的矩阵，就可得到整个光栅的透射和反射，

引入边界条件

式中，t为光栅的透射系数，r为光栅的反射系数。线性啁啾光纤布拉格光栅光反射率和栅区长度关系为

根据式（8），在表1中光纤光栅参数的基础上增加参数N= 80 000,c= 1×10-9，画出栅区长度变化过程的光谱图，如图5所示。

图5 线性啁啾光纤布拉格光栅不同长度光谱图Fig.5 Spectral diagrams of linearly chirped fiber Bragg gratings with different lengths

2 轴承磨损监测系统设计

2.1 磨损状态监测仪设计

磨损状态监测仪组成结构设计如图6所示，实物如图7所示。宽带光源输出光信号通过耦合器经光路控制器分配至指定FBG/CFBG 传感器，光纤光栅根据磨损反射变化的光功率信号由原光路返回，由PD 光电检测器测得耦合器上光信号并转换成电信号传送给采集卡，上位机PC/信号处理器处理采集的数据信号进行状态显示及报警处理。其中，光路控制器为具有光路切换功能的磁光开关；所述宽带光源输出光功率大于13 dBm，光谱平坦度优于1.5 dB；耦合器为1分2拉锥式光纤分路器；光电探测器PD为平衡放大光电探测器，在增益为104时，信号带宽为45 MHz,系统响应能力强。

图6 光纤传感解调仪组成结构Fig.6 Structure of optical fiber sensor demodulator

图7 光纤传感解调仪实物Fig.7 Optical fiber demodulator

2.2 光纤植入轴瓦结构及磨损监测

水润滑橡胶轴承结构如图8所示，转轴运动过程中伴有轴向振动、回转振动和摩擦振动[16-17]。轴瓦沟槽常伴有大量泥沙等杂质，同时也是轴瓦磨损磨料的排泄渠道。橡胶轴瓦表面磨损状态如图9所示。

图8 水润滑橡胶轴承结构示意图Fig.8 Schematic diagram of water-lubricated rubber bearings

图9 橡胶轴瓦表面磨损状态Fig.9 Surface wear state of rubber bearing

在橡胶轴瓦模压硫化生产过程中，温度可达150 ℃，压强可达15 MPa，时间可达40 min。所有橡胶制品在成型后又会呈现收缩的现象，收缩率在1.2%～3.5%的范围内，收缩率的存在有利于硫化后制品的起模，但使制品尺寸的稳定性难以控制。因此，常规光纤植入橡胶后，势必容易断裂，成功率低。

采用聚酰亚胺涂层的耐高温特种光纤，具有高模量、高抗拉强度以及良好的化学稳定性，可长期承受300℃高温，短时间承受490 ℃的高温，另外力学性能、耐疲劳性能优异，抗拉强度动态疲劳参数Nd值达到了25.4，断裂应力M值达到了5.35 GPa。经橡胶轴瓦中轴向植入光纤试验发现，橡胶轴瓦长度大于400 mm，由于光纤和橡胶的收缩率相差较大，轴瓦制造成型冷却后，光纤断裂现象严重。

因此，选用聚酰亚胺涂覆的耐高温特种光纤来制作光纤光栅传感器。植入方法设计如下：先将端部刻有光栅的光纤穿过外径0.6 mm 的304 不锈钢材质毛细钢管后使用树脂或橡胶进行填料，再向上弯折使光栅垂直于所述橡胶轴瓦的待测点磨擦面，且光栅的待摩擦部位于所述橡胶轴瓦的磨擦面平齐的位置，然后整体随橡胶轴瓦模压硫化，轴向埋入橡胶轴瓦中。光纤植入橡胶轴瓦结构如图10所示。

图10 光纤植入橡胶轴瓦结构Fig.10 Structure of optical fiber implanted rubber bush

水润滑橡胶轴承磨损监测系统组成设计如图11 所示，监测仪读取植入轴瓦的各路光栅磨损信号，并转换成电信号发送给上位机，上位机经过信号处理及判断，发送报警信号给声光报警装置进行报警。

图11 水润滑轴承磨损状态监测系统组成Fig.11 Components of the monitoring system for the wear state of water-lubricated bearings

3 监测试验及分析

3.1 光纤光栅光谱检测

为更加准确地研究光纤光栅反射率和栅区长度的关系，使用YOKOGAWA 公司的AQ6370C 型光谱仪分别对均匀光线光栅和线性啁啾光纤光栅进行光谱检测。随着光栅长度的减少，光栅光谱检测结果如图12～13所示。

图12 均匀光纤布拉格光栅磨损光谱图Fig.12 Wear spectrum of uniform fiber Bragg grating

在均匀光纤布拉格光栅磨损减少试验中，栅区长度为10 mm，栅区长度每减少1 mm，反射谱的波峰逐渐变小。其中光栅长度5 mm 附近，波峰值变化较大。在线性啁啾光纤布拉格光栅磨损试验中，栅区长度为19 mm。在栅区磨损量较小时，光谱宽度变化较小。在栅区接近完全磨损时，光谱宽度变化较大。两种光纤光栅磨损试验相比，线性啁啾光纤布拉格光栅的磨损检测范围更宽。

图13 线性啁啾光纤布拉格光栅磨损光谱图Fig.13 Wear spectrum of linearly chirped fiber Bragg grating

3.2 光纤植入橡胶试验

为进一步验证在摩擦面附近未受钢管保护的小段弯曲光纤不会因材料收缩而断裂，在模具上钻孔，单端环形植入耐高温特种光纤，在小型平板硫化机上进行高温模压硫化，制作多组试样，如图14所示。加热温度为160 ℃，压强为15 MPa，持续40 min。对成型试样接入红光检查光纤状态，如图15所示。图15（a）显示的试样中，由于光纤布置圆周半径小于2 mm，高温模压过程中，光纤断裂。将试样切片检查光纤断裂原因，断裂位置痕迹表明，光纤硫化受压后断裂。增大光纤布置的环形半径，制作多个试样，光纤未发生断裂现象，成品试样如图15（b）所示。试验表明，光纤在大于2 mm 的弯曲半径下植入橡胶轴瓦，能够承受橡胶轴瓦成型过程中的高温模压工艺。

图14 小型平板硫化机Fig.14 Small flat vulcanizing machine

图15 植入光纤试样Fig.15 Implanted fiber sample

3.3 磨损监测试验

使用磨损状态监测仪对植入橡胶试样的FBG/CFBG 光纤光栅进行在线连续磨损监测。磨损表面如图16所示，光纤光栅对橡胶摩擦表面影响较小。

图16 磨损监测试验Fig.16 Wear monitoring test

对光纤光栅进行全范围磨损监测，结果如图17～18所示，并对线性度较好的数据使用最小二乘法进行曲线拟合。试验表明，FBG在3～6 mm栅区区间磨损监测的线性度较好，CFBG的线性监测范围更宽，范围在2～14 mm之间。

图17 FBG磨损试验结果Fig.17 FBG wear test results

图18 CFBG磨损试验结果Fig.18 CFBG wear test results

由于水润滑轴承橡胶轴瓦的磨损范围在3 mm 左右（见图17），以FBG 光栅栅区5 mm 附件作为磨损监测点，将光纤光栅植入橡胶试样进行磨损监测试验，试验结果如图19所示。其中，光纤光栅的中心波长为1550.821 nm，光栅栅隔间距约为500 nm。

图19 橡胶试样磨损监测试验结果Fig.19 Test results of wear monitoring of rubber specimens

4 结 语

根据当前应用需要，本文使用光纤光栅设计水润滑轴承磨损监测系统，该系统结构简单，传感器及光信号传输部分浸水适应性好。试验表明，橡胶轴瓦植入光纤光栅传感器，能够满足橡胶轴瓦磨损监测需要。后续系统设计及试验还应考虑以下问题：

（1）由于光纤光栅的反射光功率与光栅栅区并非完全线性变化。因此，应选择线性度较好、满足实际应用需要的栅区位置作为磨损检测起始点。

（2）线性啁啾光纤布拉格光栅的监测范围比均匀光纤布拉格光栅的监测范围广，但采用线性啁啾光纤光栅的设计成本会大幅提高。应根据不同橡胶轴瓦的磨损监测要求，合理选择光栅种类。

（3）橡胶轴瓦磨损主要位于靠近螺旋桨侧端部及转轴旋转不平衡的轴瓦区域，应根据船舶水润滑轴承的实际尺寸、轴瓦各区域磨损速度及磨损程度合理布置监测点，监测轴瓦的磨损状态。

（4）水润滑轴承长期浸泡在通海环境，应用工况恶劣，船舶舾装走线难度高，应增强光纤的舾装保护，实现信号的长距离传输及使用寿命。