阅读说明：本技术 一种轴承保持架转速测量系统 (Bearing retainer rotational speed measurement system ) 是由 聂泳忠 汤银海 高炳攀 李博 骞少阳 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种轴承保持架转速测量系统,包括传感器模块,包括固定在保持架端面的磁性薄膜和用于接收磁性信号的磁阻传感器；采集模块,用于采集磁阻传感器接收的磁性信息并传输给信号处理模块；处理模块,用于对所述磁性信号进行时频分析以计算磁性数据信号的幅值和频率,获得磁性数据信号的频域波形图,并经过波形解析计算得到保持架的转速,本发明在不破坏保持架构造的前提下精确测量转速,运行平稳不丢波,并具有对油雾、振动、环境气流等不敏感的优点,测量系统还设置校验传感器,对失速和丢波现象进行校验。(The invention discloses a bearing retainer rotating speed measuring system, which comprises a sensor module, a sensor module and a sensor module, wherein the sensor module comprises a magnetic film fixed on the end surface of a retainer and a magnetic resistance sensor used for receiving a magnetic signal; the acquisition module is used for acquiring the magnetic information received by the magnetic resistance sensor and transmitting the magnetic information to the signal processing module; the measuring system comprises a magnetic signal processing module, a processing module and a measuring system, wherein the magnetic signal processing module is used for carrying out time-frequency analysis on the magnetic signal to calculate the amplitude and the frequency of the magnetic data signal, obtaining a frequency domain waveform diagram of the magnetic data signal, and obtaining the rotating speed of the retainer through waveform analysis calculation.)

一种轴承保持架转速测量系统

技术领域

本发明实施涉及轴承运行状态检测技术领域，具体涉及一种轴承保持架转速测量系统。

背景技术

众所周知轴承是机械的核心部件，负责力与矩传递，同时也是设备安全、高效精密和稳定运行的主要因素。因此，对航空主轴保持架进行转速测量，探究打滑对滚动轴承稳定运行的影响，为轴承设计优化提供重要数据，对航空发动机的正常运行乃至整个航空工业的持续健康发展都有重要的意义。

应用航空航天领域的轴承一般转速较高，工作环境比较苛刻，对轴承的性能要求也比较高，保持架作为该类轴承非常关键的零部件，保持架的动态性能及可靠性会影响到整个轴承的工作性能，近几年保持架转速测量多选用超声波测量保持架转速速法，如公开号CN108957023A的中国发明专利公开了一种基于超声波的轴承保持架转速的测量系统及方法，利用超声波对保持架转速进行实时测量，超声探头固定在轴承外圈上；又如公开号CN108196259A的中国发明专利公开了一种基于超声的滚动轴承保持瞬时速度的测量方法，利用滚动轴承外圈圆周方向并排安置两个超声波传感器探头，依据两个超声波传感器探头发射信号的反射率，计算得到滚动轴承保持架的瞬时速度。

以上两个发明均使用超声波传感器探头测量保持架转速，但超声波探头易受到外部振动、气流、噪声等容易影响，降低测量精度，且无法实现高温油雾环境下测量。

现有技术中还有采用霍尔传感器轴承测速法，如公开号CN209198485U的中国实用新型专利公开了一种轴承测速传感器，利用霍尔效应，并将被测机构与旋转轴间通过电机轴吸合磁铁吸合，让测速结构形成封闭形式，但霍尔传感器本身存在的灵敏度低、容易受应力和温度影响、响应频率低以及功耗大的缺点，使其测量转速准确度受到限制和影响。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中的存在的，测量保持架转速加装部件、测量精度低、造价高、体积大和不适应高温油雾环境条件问题。

首先，本发明采用的TMR隧道磁阻传感器，具有对油雾、振动、环境气流等不敏感，测试精度高，误差小，噪声小、不丢波等特点，可广泛应用于各类滚动轴承和旋转部件转速测量，包括航空发动机、燃气轮机、飞机、船舶、风电、轨道交通等领域；其次，本发明采用保持架端面安装纳米磁性薄膜，厚度薄、制备简单操作便捷、不破坏结构且无需加装多余配件，解决了该领域研究的难点；最后，本发明所采用电涡流传感器转速设定预定参数值进行校验和故障判断，对失速丢波和现象进行有效地监测。

一种轴承保持架转速测量系统，包括：传感器模块，包括固定在保持架端面的磁性薄膜和用于接收磁性信号的磁阻传感器；采集模块，用于采集磁阻传感器接收的磁性信息并传输给信号处理模块；处理模块，用于对所述磁性信号进行时频分析以计算磁性数据信号的幅值和频率，获得磁性数据信号的频域波形图，并经过波形解析计算得到保持架的转速。

进一步的，所述磁阻传感器为TMR隧道磁阻传感器。

进一步的，所述处理模块包括：存储子模块，用于存储磁性信号数据；

分析子模块，对所述磁性信号数据进行时频分析以得到信号的幅值和频率，并通过快速傅里叶变换得到保持架的转速信息；

诊断子模块，用于将所述轴承保持架的转速与预定参数值进行对比以判定是否存在故障；

诊断子模块，用于将所述轴承保持架的转速与预定参数值进行对比以判定是否存在故障；

进一步的，所述采集模块包括采集器，通过板卡采集TMR隧道磁阻传感器接收的磁性数据；传输子模块，用于将磁性信息数据发送到信号处理显示模块；电源子模块为模块电源供应器。

进一步的，所述磁性薄膜为固定在保持架端面上的一层微米级厚度的磁性层，所述磁性层上具有N极和S极排列的磁性编码信息。

进一步的，所述磁性编码信息排列方法为N极和S极交替排列或磁极同向排列。

进一步的，所述磁性薄膜为纳米材料制成，所述纳米材料采用银包覆钕铁硼、银包覆钐钴磁、聚二甲基硅氧烷包覆钕铁硼磁铁或聚二甲基硅氧烷包覆钐钴磁中的一种或多种。

进一步的，所述磁性薄膜的厚度小于100μm。

进一步的，所述通过控制磁性薄膜厚度控制，可控制携带残磁量。

进一步的，所述磁性薄膜通过烧结、旋涂或丝网印刷中的一种或多种方式固定在保持架端面上；所述磁性薄膜的磁极数量为一个或多个。

进一步的，所述TMR磁阻传感器的探头垂直安装在保持架端面上方。

进一步的，所述TMR磁阻传感器探头与保持架端面磁性薄膜保持1毫米～5毫米的间距。

进一步的，所述测量系统还包括用于校验的电涡流传感器，所述电涡流传感器安装在保护罩上与轴垂直并保持1毫米以内的间距。

进一步的，所述轴承转轴上切割一个小缺口用于配合电涡流传感器测量转轴的转速。

进一步的，所述预定参数值是以电涡流传感器转速为基准设定的阈值。

进一步的，所述TMR隧道磁阻传感器转速超出阈值时，所述诊断子模块判断发出失速故障提示。

进一步的，所述故障子模块对比TMR隧道磁阻传感器和电涡流传感器采集的波形，当TMR隧道磁阻传感器波形间断、不规律、间隔不均匀时即发生丢波，所述诊断子模块判断发出丢波故障提示。

进一步的，所述故障提示报警包括显示器报警和音频报警。

本发明技术方案的有益效果：

(1)通过非接触式测量保持架转速，降低对测量结果的影响，数据准确；

(2)采用纳米磁性薄膜安装在保持架含上，厚度轻薄，残磁量可控，且不破坏保持架结构，避免了安全隐患；

(3)选用磁性薄膜制备操作简单、价格低廉，适合工业推广应用和现有轴承的改造；

(4)采用的TMR磁阻隧道传感器，具有低耗能，寿命长，对环境不敏感的特点；

(5)采用电涡流传感器对磁阻传感器进行校验，可校验失速和丢波并发出报警提示。

附图说明

图1为本发明测量系统结构示意图；

图2为本发明保持架切面示意图；

图3为本发明TMR磁阻隧道传感器和电涡流传感器位置示意图；

图4为本发明TMR隧道磁阻传感器和电涡流传感器测量轴承和电机转速的对比图；

图5为本发明TMR隧道磁阻传感器和电涡流传感器测量转速测试偏差线形图；

图6为本发明采样频率10kHz条件下两种传感器的采集数据波形图对比；

图中：1-保持架、2-磁性薄膜、3-TMR隧道磁阻传感器探头面、4-TMR隧道磁阻传感器、5-电涡流传感器、6-轴承、7-轴、8-电机、9-联轴器、10-防护罩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例1，参见图1所示，一种轴承保持架转速测量系统，包括：传感器模块，包括固定在保持架端面的磁性薄膜和用于接收磁性信号的磁阻传感器；采集模块，用于采集磁阻传感器接收的磁性信息并传输给信号处理模块；处理模块，用于对所述磁性信号进行时频分析以计算磁性数据信号的幅值和频率，获得磁性数据信号的频域波形图，并经过波形解析计算得到保持架的转速。

具体的，磁阻传感器为TMR隧道磁阻传感器，利用的量子遂穿效应，实现对磁性薄膜“编码”信息的读取。TMR隧道磁阻传感器4具有尺寸小，精度高的特点，并且TMR隧道磁阻传感4器对油雾、振动、环境气流等不敏感，适合应用于工程化设计需求测量主轴转速达到50000rpm以上，可广泛应用于各类滚动轴承和旋转部件转速测量，包括航空发动机、燃气轮机、飞机、船舶、风电、轨道交通等领域。

具体的，采集模块包括采集器采集TMR隧道磁阻传感器4接收的磁性信息；传输子模块，用于将磁性信息数据发送到信号处理显示模块；电源子模块为模块电源供应器。采集器中采集板卡为模拟量板卡(A/D卡)、脉冲量板卡或多功能板卡。

具体的，处理模块包括：存储子模块，用于存储磁性信号数据；分析子模块，对磁性信号数据进行时频分析以得到信号的幅值和频率，并通过快速傅里叶变换得到保持架的转速信息；诊断子模块，用于将保持架的转速参数与预定参数值进行对比以判定是否存在故障；

本发明采用的非接触的方式测量获取保持架转速，不仅不破坏保持架结构，测量准确，并且系统结构简单，反应迅速，应用范围较广。

实施例2，参见图2所示为本发明保持架切面示意图，保持架1上安装磁性薄膜2，TMR隧道磁阻传感器探头3垂与磁性薄膜2设置，保持架1端面上的一层微米级厚度的磁性薄膜，磁性薄膜上具有N极和S极排列的磁性编码信息。

具体的，磁性编码信息排列方法为N极和S极交替排列或磁极同向排列。

值得注意的是，当磁性编码信息排列方法为N极和S极交替排列时，保持架端面布满磁性薄膜采集器获取规律波形。当磁极同向排列，磁极间保持距离并且保持架端面留有空白，采集器也可以获得规律的波形。

具体的，所述磁性薄膜2为纳米材料制成，磁性薄膜2为纳米材料制成，纳米材料采用银包覆钕铁硼、银包覆钐钴磁、聚二甲基硅氧烷包覆钕铁硼磁铁或聚二甲基硅氧烷包覆钐钴磁中的一种或多种；磁性薄膜2的厚度小于100μm；磁性薄膜2通过烧结、旋涂或丝网印刷中的一种或多种方式固定在保持架1端面上；磁性薄膜2的磁极数量为一个或多个。

具体的，磁阻传感器3的探头垂直安装在保持架1端面上，磁阻传感器3探头与磁性薄膜2的距离为1毫米～5毫米。

值得注意的是，通过控制磁性薄膜2厚度降低残磁量，降低对轴承6和测量精度的影响。

具体实施中，磁性薄膜2不破坏保持架结构，制备简单，轻薄且不破坏影响测量精度，价格低廉，便于实施在各种滚动轴承上。

实施例3，参见图3所示转速测量系统，其中两个TMR隧道磁阻传感器4设置在轴承6一侧，TMR隧道磁阻传感器4与轴承保持架端面垂直设置，并与保持架上磁性薄膜2保持1毫米～5毫米左右间距，轴承6另一侧伸出轴7通过联轴器9连接高速电机8，轴承6与高速电机8之间设有用于保护联轴器的防护罩10，电涡流传感器5安装在保护罩10上，电涡流传感器5垂直与轴7设置，并与轴7保持大约1毫米以内间距。当电机8带动轴承6转动，TMR隧道磁阻传感器4采集保持架上磁信号计算保持架转速，电涡流传感器5采集轴7的转速，处理模块将两种传感器采集的转速、波形进行比对校验。

值得注意的是，本发明中保护罩10用于保护联轴器9，将电涡流传感器5固定在保护罩10上，也大大减少了震动引起的电涡流传感器5测量误差，相对比固定在支架上，固定在保护罩上震动更小，这是发明人在实践中不断探索到的。

其中，实施例3中转速测量系统采用双TMR隧道磁阻传感器测量轴承保持架转速，进一步提高了转速测量的精准度，并可在单个TMR隧道磁阻传感器故障的情况下接替测量持续检测。本发明转速测量系统设计合理、方法简单、体积小、适合对现有技术轴承上进行加装。

实施例4，参见3-4所示，转速测量系统还包括用于校验的电涡流传感器5，还包括用于校验的电涡流传感器5，所述电涡流传感器5安装在保护罩10上与轴垂直并保持1毫米以内的间距；转轴上切割一个小缺口，用于配合测量转轴的转速，当然，电涡流传感器5对发生装置要求很低，被监测体也可以是小孔眼，小凸键或者是小的凹键，电涡流传感器测量轴的转速，通过波形分析还可以校验丢波和失速情况，操作方法简单、实施便捷。

其中图4线形图，横向为电机转速，纵向为轴承转速，当电机转速的提升，电涡流传感器和TMR隧道磁阻传感器监测到轴承转速呈线性升高，且电涡流传感器测试的轴转速与TMR隧道磁阻传感器测试的采集的转速数据基本重合，电机转速与轴承转速规律上升，上述结构图结合采集数据可见，电涡流传感器适合对TMR隧道磁阻传感器进行校验，且校验结果准确。

实施例5，参见图5所示为TMR隧道磁阻传感器和电涡流传感器转速测试偏差线形图，预定参数值是以电涡流传感器检测转速基准设定阈值，其中，两种传感器采集到的数据波动显示，偏差在±0.2％内，说明TMR隧道磁阻传感器测得转速量精度接近电涡流传感器5，偏差小于±0.2％，证明测量到的保持架转速与轴承转轴转速基本相同，偏差较小，电涡流传感器可以对TMR的转速进行校验。

具体的，实施中将预定参数值阈值设置为电涡流传感器转速±0.2％，TMR磁阻隧道传感器转速超出预定参数值阈值时，故障子模块发出失速故障信号。

当然，在具体实施中，根据不同电机转速不同，自行设置允许偏差。

由上述实施数据可知，TMR隧道磁阻传感器对于保持架转速测量精度较高，偏差小，数据准确稳定，电涡流传感器转速与TMR隧道磁阻传感器转速接近，通过预定参数值设定检验失速的阈值，操作步骤简单、便捷，且根据不同转速轴承设定检验失速的阈值，适合应用于各种转速要求的轴承失速校验。

实施例6，参见图6所示为采样频率10kHz条件下，两种传感器的采集数据波形图对比，进行丢波现象分析。

当轴承正常运行时，波形线型图呈连续规律波形，丢波现象是指数据采集过程中出现的波形遗漏，体现在线形图上，表现为连续波形的中断或不规律的波形出现。

具体的，电涡流传感器和磁阻传感器采集到的信号经过傅里叶变化，得到脉冲波形，图中波形图显示表明，TMR隧道磁阻传感器采集的脉冲幅值为-0.5～3.5V，脉冲稳定，波形规律，间隔均匀，未出现丢波现象；电涡流传感器5采集到的脉冲信号稳定，脉冲幅值±5V，脉冲波稳定，波形规律，间隔均匀，未出现丢波现象；由此电涡流传感器5脉冲幅值宽于且包含TMR磁阻隧道传感器脉冲幅值，电涡流传感器5适合对电磁传感的器漏波、丢波现象进行校验，且步骤简单，判断快速。

具体的，诊断子模块将两种出传感器获得脉冲波形进行对比，比较波形和间隔，当波形出现中断或者幅值非规律变化时，判断丢波发出故障提示。

综合上述，TMR隧道磁阻传感器在不破坏结构的前提下非接触测量保持架转速，且测量准确度高、耐受各种环境因素影响，本发明转速测量系统还设置有用于校验的电涡流传感器，检测失速和丢波，作出故障判断，发出报警提示，本发明轴承保持架转速检测系统，结构合理，检测精度高，适合在现有轴承技术上推广加装。

以上内容中的轴承保持架转速计算方法是发明人在实际实施中探索的结果，不能够认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属的技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的演化或者替换，都应当视为本发明多提交的权利要求书的保护范围。