基于载荷区FBG传感的滚动轴承打滑率近实时估计方法

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Near real-time skidding rate estimation in rolling bearings using Fiber Bragg Grating sensors

　　

研究人员开发了一种用于轴承打滑估计的载荷区光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感架构。研究人员利用滚子通过事件估计瞬时滚动运动学，并提出了一种基于滚动运动学的打滑估计框架。研究人员在恒定转速和变速条件下量化了瞬时打滑率，并通过数学验证、实验验证和文献验证证明了该方法的有效性。

滚动轴承是旋转机械中的关键部件，广泛应用于电机、齿轮箱和高速主轴等装备。轴承失效约占机械故障的三分之一，其中滚子-滚道打滑是重要的早期失效诱因，尤其在高转速轻载荷工况下会引发摩擦发热、表面过早失效，约34%的航空发动机主轴后轴承失效与打滑相关。然而，打滑是轴承运行中最难直接测量的物理现象之一。已有理论模型难以通过实验验证；振动和声发射方法易受传输路径和环境噪声干扰；涡流传感器需要改造保持架；激光光学方法受安装视线制约。应变传感因直接测量轴承表面局部力学相互作用而受到关注，其中光纤布拉格光栅(FBG)传感器具有电磁免疫、高灵敏度和紧凑安装等优势。但已有FBG研究主要集中于故障检测和寿命预测，尚未对打滑这一运动学异常进行显式估计。为此，研究人员提出了一种基于载荷区FBG传感的滚动轴承打滑率近实时估计方法。

研究人员在试验轴承外圈6点钟位置安装FBG传感器，利用滚子通过载荷区产生的局部应变脉冲表征滚子-滚道相互作用；同时采用光电编码器获取瞬时轴转速，结合轴承几何参数计算理论外圈通过频率(Ball Pass Frequency of Outer Race，BPFO)。通过比较测量BPFO与理论BPFO的归一化偏差定义打滑率，正值表示打滑，负值表示过打滑。在恒定转速和变速工况、低载荷和高载荷条件下对方法进行了系统实验验证。结果表明该方法能够在近实时条件下有效估计打滑率和过打滑行为，为轴承打滑监测提供了一条物理一致且低复杂度的技术路径。该论文发表于《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》。

在技术方法层面，研究人员提出了包含五个步骤的信号处理框架。首先，利用滑动窗口中值去趋势和局部均方根(root mean square，RMS)归一化对FBG信号进行调理，抑制缓慢漂移和幅度变化。其次，采用零相位低通滤波、加窗归一化自相关函数和自适应峰值检测，在非均匀脉冲间隔条件下稳健提取滚子通过事件。然后，基于相邻脉冲间隔定义局部BPFO时序，理论BPFO则由编码器转速和轴承几何关系计算。最后，定义打滑率为理论BPFO与测量BPFO之差除以理论BPFO。实验采用SKF N305 ECP单列圆柱滚子轴承，径向载荷范围为近似零载荷至500 N，轴转速范围为0至1800 rpm。

**恒定转速、恒定载荷实验结果**：在径向载荷低于制造商推荐最小载荷时，测量BPFO持续低于理论值，打滑率平均约为15%–18%，且波动显著增大，表明低载荷下滚子-滚道牵引力不足，滚动体运动不稳定。当径向载荷增大至约500 N时，测量BPFO与理论值高度吻合，打滑率接近零并呈现轻微负值，即轻微过打滑，表明足够载荷能稳定滚子运动。对所有载荷-速度组合的统计显示，在100–200 N载荷区间存在明显的滚动状态过渡带，径向载荷是控制打滑的主导因素。

**恒定载荷下的变速实验结果**：低载荷条件下，打滑率在低速时较高，随速度升高先下降后上升，在匀速阶段波动最为显著，反映出轻载荷下滚动体对局部牵引扰动的敏感性。高载荷条件下，打滑率始终在零附近并呈轻微过打滑，波动幅度显著减小，证实了充足载荷对滚动运动学的稳定作用。

**方法验证**：研究人员从数学上证明了FBG脉冲间隔得到的频率与经典BPFO表达式在纯滚动条件下严格一致。利用编码器参考验证了FBG与编码器的时间同步性，相位补偿后两者吻合良好。与文献中实验和动力学模型对比，确认了打滑随载荷和速度变化的趋势一致性，并首次实验表征了高载荷下的过打滑现象。

讨论部分指出，载荷不足是打滑的主要驱动因素，离心效应在高速下会部分抑制过打滑。本研究的局限在于测试速度尚未覆盖航空发动机工况，且未实现独立温度补偿，未来将采用高速试验台并集成温度补偿FBG。研究结论表明，基于FBG的载荷区应变测量能够在近实时条件下可靠估计滚动轴承的瞬时打滑率，并清晰反映载荷和速度对打滑行为的影响，为滚动轴承打滑监测提供了一种实用且物理一致的技术途径。