陳關(guān)君，咸婉婷，劉宗瑞，梁明珅

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

大型齒輪是艦船、車輛及大型傳動(dòng)設(shè)備中重要的部件之一，連接齒輪的軸承在旋轉(zhuǎn)過程中，由于摩擦力等因素將會(huì)隨著轉(zhuǎn)速升高出現(xiàn)溫度提升的現(xiàn)象，因此，對于齒輪軸承溫度的測量對于軸承使用、軸承設(shè)計(jì)以及軸承壽命分析具有重大意義。對于齒輪軸承溫度的測量只有在軸旋轉(zhuǎn)的過程中才有實(shí)際意義，軸的旋轉(zhuǎn)為直接測量帶來不便，數(shù)據(jù)傳輸與供電均無法實(shí)現(xiàn)布線，因此，常規(guī)的測試測量設(shè)備無法在這一特殊應(yīng)用環(huán)境下進(jìn)行安裝［1］。

在某些特殊的應(yīng)用環(huán)境下，物理量的測量可采用遙測系統(tǒng)來完成。如，測試設(shè)備無法進(jìn)行安裝的高溫、高壓環(huán)境、旋轉(zhuǎn)體測量、生物過程監(jiān)測、核輻射環(huán)境、海洋考察、大氣監(jiān)測以及微小空間環(huán)境等［2］。對于齒輪軸承溫度的測量，可歸為旋轉(zhuǎn)體測量，可以通過遙測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

本文根據(jù)這一應(yīng)用的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種齒輪軸承溫度遙測系統(tǒng)，以達(dá)到在軸旋轉(zhuǎn)過程中測量軸承溫度的目的。通過對非接觸感應(yīng)供電技術(shù)和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究，解決了遙測系統(tǒng)中電能傳輸和數(shù)據(jù)傳輸兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)［3］，完成了齒輪軸承溫度測量系統(tǒng)的研制。

1 工作原理

軸承溫度的測量通過6個(gè)帶冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紒韺?shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)主要分為兩部分，即信號(hào)采集發(fā)射一體機(jī)和接收機(jī)。信號(hào)采集發(fā)射一體機(jī)中包含信號(hào)調(diào)理和采集模塊以及無線發(fā)射機(jī);接收機(jī)包含無線接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理器以及模擬/數(shù)字輸出模塊。

齒輪軸承溫度遙測系統(tǒng)的工作原理框圖見圖1。

信號(hào)采集發(fā)射一體機(jī)中的信號(hào)調(diào)理和采集模塊包含7個(gè)模擬通道，其中前6個(gè)通道可接熱電偶，第7通道用作熱電偶的冷端補(bǔ)償。每個(gè)熱電偶通道都有獨(dú)立的信號(hào)調(diào)理電路，以保證信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量和數(shù)據(jù)采集器的采集精度。

圖1 齒輪軸承溫度遙測系統(tǒng)原理框圖Fig 1 Principle block diagram of temperature remote measurement system of axletree on gear

數(shù)據(jù)處理器按照一定的時(shí)鐘節(jié)拍同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集器對相應(yīng)通道的熱電偶信號(hào)進(jìn)行采集，以保證所測得的數(shù)據(jù)為同一時(shí)刻不同位置的軸溫?cái)?shù)據(jù)。

信號(hào)采集發(fā)射一體機(jī)中的無線發(fā)射機(jī)將數(shù)據(jù)采集器輸出的信號(hào)進(jìn)行基帶調(diào)制，并將信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻處理后通過射頻功率放大器耦合到天線進(jìn)行發(fā)射。無線接收機(jī)將接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，然后輸出給數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)處理器的作用相當(dāng)于解釋器，它將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)和并行的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出。

信號(hào)采集發(fā)射一體機(jī)中的非接觸供電模塊是電能耦合的次級(jí)，其中包含了補(bǔ)償電路、整流電路、濾波電路等。非接觸供電系統(tǒng)中，初級(jí)和次級(jí)線圈均需要補(bǔ)償電路與之配合來完成電能耦合。接收機(jī)的非接觸供電模塊是電能耦合的初級(jí)，包含功率放大器、匹配電路等。

通過信號(hào)采集發(fā)射一體機(jī)和接收機(jī)的協(xié)同工作，軸承溫度遙測系統(tǒng)可以完成對溫度信號(hào)的采集、發(fā)射及接收。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 雙熱電偶設(shè)計(jì)

為了保證雙熱電偶工作的可靠性，在設(shè)計(jì)時(shí)采用雙熱電偶方式，由2只熱電極材料相同的有效熱電偶組成。這樣的冗余設(shè)計(jì)可以保證當(dāng)其中一個(gè)熱電偶失效時(shí)，另一個(gè)熱電偶仍然能夠正常工作，而不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)遙測系統(tǒng)失效。雙熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

雙熱電偶的熱電極材料選擇鉻鎳—考銅（分度號(hào)EA-2），由襯套、保護(hù)管、固定式法蘭以及熱電偶線纜組成。熱電偶線纜外層包有用于保護(hù)熱電偶的金屬編織網(wǎng)。

2．2 非接觸式供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 雙熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure diagram of double-thermocouple

針對固定電力系統(tǒng)向移動(dòng)用電設(shè)備供電的問題，新西蘭奧克蘭大學(xué)Boys教授為首的課題組率先研究并實(shí)現(xiàn)了基于電磁耦合原理的電力能量傳導(dǎo)技術(shù)，產(chǎn)生感應(yīng)耦合電能傳輸（inductive coupled power transfer，ICPT）技術(shù)［4］。

本文設(shè)計(jì)的非接觸式供電系統(tǒng)基于ICPT原理，其組成包含初級(jí)變換器、非接觸變壓器以及次級(jí)變換器，如圖3。

圖3 非接觸式供電系統(tǒng)組成Fig 3 Constitution of inductive power supply system

本文采用振蕩器結(jié)合功率放大器的方式實(shí)現(xiàn)初級(jí)繞組的驅(qū)動(dòng)，使用2個(gè)環(huán)形繞組作為初、次級(jí)繞組組成非接觸變壓器，初、次級(jí)繞組均附加補(bǔ)償電路，以達(dá)到最佳的電能耦合效果。振蕩器產(chǎn)生單頻正弦波，由功率放大器放大，用以驅(qū)動(dòng)非接觸變壓器的初級(jí)繞組，初級(jí)繞組上將產(chǎn)生交變的電流從而在其周圍的空間產(chǎn)生交變磁場，次級(jí)繞組切割初級(jí)繞組產(chǎn)生的交變磁場，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。齒輪軸承溫度遙測系統(tǒng)中非接觸式供電系統(tǒng)原理見圖4。

非接觸變壓器采用罐狀鐵芯變壓器結(jié)構(gòu)，同軸安裝的方式可達(dá)到較好的電磁耦合效果。圖5為罐狀鐵芯變壓器結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。

圖4 非接觸式供電系統(tǒng)原理圖Fig 4 Principle diagram of inductive power supply system

圖5 罐狀鐵芯變壓器示意圖Fig 5 Diagram of pot type iron-core transformer

2．3 信號(hào)采集發(fā)射一體機(jī)設(shè)計(jì)

信號(hào)采集發(fā)射一體機(jī)分為電源模塊、傳感器、信號(hào)放大模塊、信號(hào)濾波模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、調(diào)制器和遙測發(fā)射機(jī)7個(gè)模塊，它們共同完成溫度信號(hào)的拾取、調(diào)理、采集、數(shù)字調(diào)制和無線發(fā)射，完成溫度信號(hào)到無線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。信號(hào)采集發(fā)射一體機(jī)的工作原理框圖如圖6所示。

信號(hào)放大模塊采用了高輸入阻抗的信號(hào)放大技術(shù)，具有較高的共模抑制比，提高了噪聲的抑制性能。信號(hào)濾波模塊采用了二階低通有源濾波技術(shù)，具有良好的濾波效果，達(dá)到了通帶平坦度和帶外衰減的最佳平衡，提高了溫度信號(hào)的信噪比。數(shù)據(jù)采集部分采用了多路復(fù)用技術(shù)，以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高集成度。調(diào)制器模塊采用了先進(jìn)的可編程數(shù)字邏輯技術(shù)，區(qū)別于處理器的軟件控制技術(shù)，直接由硬件控制溫度數(shù)據(jù)信號(hào)的編碼。

圖6 信號(hào)采集發(fā)射一體機(jī)原理框圖Fig 6 Principle block diagram of integrator of signal collecting and sending

信號(hào)采集發(fā)射一體機(jī)通過信號(hào)放大、濾波、多路復(fù)用及采集、數(shù)字調(diào)制和無線發(fā)射5個(gè)步驟將溫度信號(hào)通過無線信道發(fā)送給無線信號(hào)接收機(jī)，無線信號(hào)接收機(jī)通過對無線信號(hào)進(jìn)行接收、數(shù)字解調(diào)、數(shù)據(jù)輸出以及信號(hào)調(diào)理完成電壓信號(hào)的輸出，最終完成溫度信號(hào)的遙測功能。

2．4 無線信號(hào)接收機(jī)設(shè)計(jì)

無線信號(hào)接收機(jī)包含遙測接收機(jī)、數(shù)字解調(diào)器、數(shù)據(jù)分配模塊、輸出基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)輸出模塊以及輸出濾波器模塊（LPF）6種功能模塊。其中，使用了固化的數(shù)字邏輯技術(shù)、數(shù)字解調(diào)技術(shù)以及二階有源低通濾波器技術(shù)。這些模塊共同完成無線信號(hào)的接收、解碼和數(shù)據(jù)拆分、數(shù)據(jù)分配、數(shù)據(jù)輸出以及濾波整型，完成溫度數(shù)據(jù)到標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。無線信號(hào)接收機(jī)的原理框圖如圖7所示。

遙測接收機(jī)使用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，通過對無線通信信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)和相應(yīng)的其他解調(diào)操作，將無線通信數(shù)據(jù)包進(jìn)行恢復(fù);解調(diào)器模塊采用先進(jìn)的可編程數(shù)字邏輯技術(shù)，產(chǎn)生固化的數(shù)字邏輯，直接由硬件控制數(shù)據(jù)包的解碼，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。解調(diào)器首先對接收到的無線通信數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼操作，將其恢復(fù)成由普通二進(jìn)制數(shù)據(jù)位組成的數(shù)據(jù)包，如解調(diào)器計(jì)算得到的差錯(cuò)控制字段與數(shù)據(jù)包相同，解調(diào)器就對數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，將拆分后的數(shù)據(jù)以并行的方式傳送給數(shù)據(jù)分配模塊;數(shù)據(jù)分配模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行分配，它將解調(diào)器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)的標(biāo)記將其分配給相對應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出模塊。

圖7 無線信號(hào)接收機(jī)原理框圖Fig 7 Principle block diagram of wireless signal receiver

本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分配模塊采用固化的數(shù)字可編程邏輯技術(shù)，具有較高的實(shí)時(shí)性和可靠性。數(shù)據(jù)分配模塊通過系統(tǒng)工作時(shí)鐘與數(shù)字解調(diào)器、數(shù)據(jù)輸出模塊同步工作，完成溫度數(shù)據(jù)的解碼、拆分、分配和輸出等工作。數(shù)據(jù)輸出模塊有專用輸出基準(zhǔn)，用于為溫度電壓信號(hào)提供基準(zhǔn)電壓。數(shù)據(jù)輸出模塊輸出的電壓信號(hào)是對輸出基準(zhǔn)的詳細(xì)劃分，劃分功能由數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，通過高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出模塊的高精度輸出。

3 性能測試與軸承溫度遙測實(shí)驗(yàn)

3．1 非接觸供電電壓實(shí)驗(yàn)

齒輪軸承溫度遙測系統(tǒng)中的無線信號(hào)發(fā)射機(jī)的正常工作需要一定的工作電壓，該電壓由非接觸供電電源提供。為保證小型感應(yīng)供電電源的能量供應(yīng)滿足無線信號(hào)發(fā)射機(jī)的需求，應(yīng)對非接觸供電電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

按照圖8所示連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接關(guān)系框圖Fig 8 Relation block diagram of experimental equipment connection

表1 供電電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab 1 Experimental result of voltage of power supply

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:非接觸供電電壓可達(dá)到供電電壓（峰峰值）22 V左右，由于滿足10 V即可保證信號(hào)采集發(fā)射一體機(jī)正常工作，因此，本文中的非接觸式感應(yīng)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，可滿足實(shí)際需求。

3．2 軸承溫度遙測實(shí)驗(yàn)

在不同工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 軸承溫度遙測實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab 2 Experimental result of temperature of axletree

通過對比齒輪油膜溫度，該軸承溫度數(shù)據(jù)與另一系統(tǒng)測得的油膜溫度變化趨勢相符，證明測量結(jié)果真實(shí)有效。

4 結(jié)論

齒輪軸承溫度遙測系統(tǒng)的研制融合了溫度測量技術(shù)、非接觸式感應(yīng)供電技術(shù)和無線通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，解決了在軸承旋轉(zhuǎn)過程中的對溫度進(jìn)行測量工程問題。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對齒輪軸承溫度的遙測、采集和存儲(chǔ)功能，不僅能夠使用戶在動(dòng)力系統(tǒng)加載過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承溫度的異常變化，其所得的不同轉(zhuǎn)速下的溫度數(shù)據(jù)還可作為軸承設(shè)計(jì)和軸承壽命分析的參考。

［1］ 魯旭濤，黃 錚，孫運(yùn)強(qiáng)．動(dòng)態(tài)扭矩測試儀的研制［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2006（16）:39－40．

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