摘 要：光纖邁克爾遜干涉儀是一種非接觸、無損傷、耐腐蝕和抗干擾及精度高、易安裝的先進(jìn)測量儀器?；瑒虞S承潤滑油膜厚度的側(cè)量可通過探測軸頸位移來實現(xiàn)。理論分析表明在滑動軸承潤滑油膜測量中引入光纖邁克爾遜干涉儀具有明顯的優(yōu)勢，因此可認(rèn)為它極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：潤滑油膜；光測量；光纖邁克爾遜干涉儀

引言

滑動軸承作為一種主要的基礎(chǔ)零部件在許多機(jī)械設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，它既是這些關(guān)鍵設(shè)備的重要支撐零件，又是保證其完成旋轉(zhuǎn)運動的關(guān)鍵摩擦副，對這些設(shè)備的正常運行起著至關(guān)重要的作用。隨著設(shè)備向高速重載方向發(fā)展，對軸承的工作載荷和速度的要求不斷提高。在高速、重載、高溫條件下工作的機(jī)器，摩擦、磨損是其發(fā)生故障的最主要原因。潤滑則是減少摩擦與磨損的簡便而有效的方法。為保證軸承處于液體動力潤滑狀態(tài)，必須滿足最小油膜厚度處軸承兩表面不平度高峰不直接接觸的條件，一些重要場合，對軸承的潤滑狀態(tài)常有嚴(yán)格要求，否則將嚴(yán)重影響軸承的工作性能和使用壽命。因此潤滑膜的狀態(tài)在很大的程度上反映著設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。為保證軸承的正常運轉(zhuǎn)而對潤滑油膜的動態(tài)在線監(jiān)測和控制就顯得十分必要。

對測量滑動軸承潤滑油膜厚度的方法曾有許多人作了探索。如Dowson， McNie and Goldsmith等人，用電容傳感器在一個關(guān)節(jié)模擬器中測量潤滑油膜狀態(tài)[1]。Lijuan， Bai and Yan等人研究了用激光干涉法直接動態(tài)觀測流體動力潤滑[2]。Jamaludin， Mba and Bannister j等人報告了如何用高頻應(yīng)力波監(jiān)測低速滾動軸承的潤滑狀態(tài)[3]。X射線反射率的技術(shù)通過磁盤記錄還可被用來獲得潤滑薄膜厚度[4]。

但以往由于檢測手段的限制，往往通過對軸承的振動監(jiān)測和其它故障診斷的分析方法來間接的控制設(shè)備的運行，或者通過對潤滑油進(jìn)出口溫度等參數(shù)及潤滑油連續(xù)供油狀況進(jìn)行監(jiān)測以保證對其不斷的供油，建立正常的油膜，防止因缺油或斷油而造成設(shè)備的重大損壞。因而，至今人們并沒有找到成熟的實現(xiàn)對滑動軸承潤滑膜的厚度動態(tài)變化信息進(jìn)行有效檢測的方法。

隨著光纖及其傳感技術(shù)的發(fā)展，對油膜的直接動態(tài)測量成為了可能，從而為滑動軸承潤滑膜厚度動態(tài)變化信息的監(jiān)測帶來了可能性和希望。并通過它與計算機(jī)等智能設(shè)備的連接可有效地對滑動軸承的運行狀況進(jìn)行在線監(jiān)控。這一新技術(shù)的深入研究與成功實現(xiàn)，無疑將會大大提高我國設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)水平，推進(jìn)這些關(guān)鍵設(shè)備的實時維修與質(zhì)量保證技術(shù)的迅速發(fā)展。

先前我們曾進(jìn)行了使用光纖位移傳感器精確測量滑動軸承潤滑油膜狀態(tài)的研究，然而該方法仍有一些不足[5-7]。

鑒于反射式光纖位移傳感器的工作原理，輸出信號通常受工作條件所影響，如光源不穩(wěn)定性、環(huán)境和溫度的變化；以及光傳輸介質(zhì)（油）等。因此測量系統(tǒng)需要一段時間后重新校準(zhǔn)。該方案的另一個不足是輸入和輸出關(guān)系是非線性的，這就需要一個復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理程序。此外，該測量系統(tǒng)的分辨率對測量油膜厚度而言還是不足的。引入光纖邁克爾遜干涉儀后則可望得到改善。

隨著光纖技術(shù)的進(jìn)展，對光纖邁克爾遜干涉儀的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。如用干涉儀測量運動中車輛的重量或距離及動態(tài)位移[8]；用來探測折射率變化[9]；作為一個帶通濾波器的功能；檢測應(yīng)變[10]。此外，光纖邁克爾遜干涉儀也被應(yīng)用在光學(xué)相干層析成像技術(shù)[11，12]。

我們曾探討了用光纖邁克爾遜干涉儀測量潤滑油膜厚度的原理[13]，文章則主要探索其具體的設(shè)計方法，以便它能成功地應(yīng)用在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中。

1 潤滑油膜厚度測量系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)流體動壓潤滑理論，流體動壓潤滑，就是依靠被潤滑的一對固體摩擦面間的相對運動，使介于固體間的潤滑流體膜內(nèi)產(chǎn)生壓力，以承受外載荷而免除固體相互接觸，從而起到減少摩擦阻力和保護(hù)固體表面的作用。油膜不僅起著承受載荷、減輕摩擦、消除磨損等作用，從動力學(xué)觀點看來，它也是轉(zhuǎn)子-支承-基礎(chǔ)這個系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。油膜的特性，對于整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性有很大影響。油膜會影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子不平衡所引起的振幅共振放大倍數(shù)，由轉(zhuǎn)子傳向基礎(chǔ)上時的傳遞系數(shù)等。油膜還會影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，例如抵抗氣隙激振，材料內(nèi)摩擦等減穩(wěn)因素的能力以及系統(tǒng)阻力值等。在轉(zhuǎn)速過高（超過“失穩(wěn)轉(zhuǎn)速”）時，許多滑動軸承的油膜本身就會成為使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)喪失運動穩(wěn)定性的原因。在這些問題中，油膜通常起著非線性的彈簧和阻尼作用。由于這類問題大多數(shù)只牽涉到較小的或無限小的振幅，所以?？蓪⒂湍そ频乜闯删哂芯€性化的彈簧常數(shù)和阻尼特性，通常即稱這些線性化的動力特性為油膜的剛度和阻尼。這些特性的數(shù)值，對于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)計算和穩(wěn)定性問題是至關(guān)重要的。

另外，由于轉(zhuǎn)子的不平衡，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，軸頸中心及轉(zhuǎn)子中心繞其靜平衡位置作橢圓軌跡的變位運動，此稱為渦動。當(dāng)角速度達(dá)到臨界角時，渦動與轉(zhuǎn)子將發(fā)生共振，使振幅急劇增大，發(fā)展成為一種十分危險的振動即“油膜振蕩”。渦動（一般稱油膜渦動）和油膜振蕩都是由于油膜在此種工況下的動力特性使軸心平衡位置不再是穩(wěn)定平衡位置，亦即喪失了動力穩(wěn)定性（簡稱失穩(wěn)），而出現(xiàn)的自激振動。一旦發(fā)生油膜失穩(wěn)，即很快進(jìn)入突發(fā)性的油膜振蕩，甚為危險。許多設(shè)備的故障均與此有關(guān)。綜上所述，軸承的性能在很大程度上取決于潤滑油膜的狀態(tài)。因此，為保證軸承的正常運行而對潤滑油膜進(jìn)行在線監(jiān)測和控制就顯得十分必要。

圖1可說明的潤滑膜的生成機(jī)制。軸靜止時軸頸貼在軸瓦上，中間并沒有油膜（但在其余的間隙處卻充滿了潤滑油）。只有當(dāng)一個軸旋轉(zhuǎn)時，潤滑油才被軸頸在粘附力的作用下帶入逐漸縮小縫隙，這造成了油的加壓，由于壓力的增加使?jié)櫥彤a(chǎn)生了一個向外的張力，最后導(dǎo)致軸頸被抬起，進(jìn)而產(chǎn)生了潤滑油膜。當(dāng)軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)時，一般潤滑油膜的厚度保持穩(wěn)定，并保證軸頸和軸瓦表面不接觸以避免摩擦損壞。

從以上對潤滑油膜產(chǎn)生機(jī)理的分析可知，潤滑油膜是保證滑動軸承正常運轉(zhuǎn)的重要支撐，為避免軸頸和軸瓦間的接觸摩擦，對潤滑油膜厚度的監(jiān)測是十分重要的，且可通過測量軸的動態(tài)位移來實現(xiàn)。

根據(jù)滑動軸承的動態(tài)特性和潤滑油膜的形成機(jī)理，潤滑油膜厚度可通過測量軸的位移來獲取。因此，對滑動軸承潤滑油膜厚度的測量方案可設(shè)計成如圖1所示。

如圖1所示，軸當(dāng)作一個樣品反射面，把一個自聚焦透鏡連接在光纖邁克爾遜干涉儀的傳感臂上，并放在滑動軸承套下端的外表面，而另一個自聚焦透鏡則與干涉儀的參考臂連接并被放在鏡子前校準(zhǔn)。引入自聚焦透鏡是為了使出射光束是平行光并放大照射區(qū)域。光纖邁克爾遜干涉儀的輸出端則如圖1所示的指向光電二極管探測器。信號處理單元主要處理由光電探測器經(jīng)光纖邁克爾遜干涉儀采集的干涉條紋信號，經(jīng)由隔直電容和信號放大后，干涉圖形中的每個干涉條紋數(shù)由微處理器計數(shù)。

當(dāng)油膜厚度改變時，軸被抬起且該位移信息被探測器檢測并轉(zhuǎn)換成電流響應(yīng)信號。由探測器輸出的每個干涉條紋信號在被隔直后產(chǎn)生一個電壓跳變，隨后以中斷模式觸發(fā)微處理器的計數(shù)程序，這樣就獲得了精確的油膜厚度值。

2 結(jié)束語

文章提出了一個應(yīng)用光纖邁克爾遜干涉儀測量滑動軸承油膜厚度的新方法。從原理分析可知，光纖邁克爾遜干涉儀是一種非接觸、無損傷、耐腐蝕和抗電磁干擾的先進(jìn)測量方法。且由于光纖能實現(xiàn)非直線傳光，因而使系統(tǒng)的安裝較為靈活，便于很多場合使用，同時由于邁克爾遜干涉儀的分辨率是以光波長來計量的，因而具有很高的精度?；谇懊嫠尸F(xiàn)的理論和實驗探討，可認(rèn)為該測量方法是切實可行的。按照該方案，測量系統(tǒng)將更可靠和準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理程序也更簡單。今后，我們將進(jìn)一步研究和完善能實現(xiàn)對滑動軸承潤滑油膜厚度測量的更精確的測量系統(tǒng)。

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作者簡介：陳玉平（1962-），男，漢族，上海市人，講師，博士，研究方向為光電檢測。