一种在用球磨机滑动轴承油膜厚度监测装置及其监测方法与流程

本发明属于大型球磨机滑动轴承油膜厚度监测技术领域，涉及一种油膜厚度监测技术，尤其涉及一种在用球磨机滑动轴承油膜厚度监测装置及其监测方法。

背景技术：

众所周知，球磨机是选矿和水泥行业重要的生产设备，是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。它广泛应用于水泥，硅酸盐制品，新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑色与有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业，做为球磨机的重要组成部分，支撑滑动轴承在重载低速、重载高速的高扭矩启动下以及在设备振动、径向冲击的作用下，轴承室或轴承位发生金属疲劳，会产生永久变形；轴承内圈与轴或轴承外圈与轴承室出现间隙配合，从而导致油膜分布不均匀最终造成异常磨损。一旦出现此问题，就会严重影响设备的正常运行。

随着设备维护理念及技术的发展，迫切需求一些新的技术来获取设备运行过程中的各项数据，通过数据来实现，异常磨损初期的预警。因此，做为润滑油膜厚度监测技术在润滑理论中的研究，重大设备运行状态监测等方面的需求促进了膜厚测试技术的发展。长期以来，人们基于润滑油膜的电、磁、声、光特性提出了许多润滑油膜厚度的测量方法。常用的润滑油膜厚度的测量方法主要有电测法、光测法等，但是在使用过程中不断出现各种不足，具体如下表：

在近些年有关摩擦相关的各种理念的发展过程中，轴承润滑油膜厚度检测技术能够为轴承润滑状态监测提供定量化信息。随着工业技术的不断进步，各种机械设备朝着自动化、高速化和复杂程度更高的方向发展，为人类生活的便捷和社会的发展提供了重要保证。但同时，机械设备运行中发生的故障与失效不仅会造成设备财产的损失，并且可能导致灾难性的财产损失和人员伤亡事故，造成恶劣的社会影响。因此，机械设备运行状态监测技术受到越来越多的重视。其中，轴承作为旋转机械的关键零部件，其运行状态监测是设备运行状态监测的重要目标之一。轴承依靠润滑油膜将两个相对运动的摩擦副元件表面隔开，避免摩擦副元件间的直接接触。因此对滑动轴承的油膜监测有利于工业界提高设备智能化水平，并能为设计厂家提供相应的不同环境下滑动轴承的相关润滑数据。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种对球磨机滑动轴承运行过程中的油膜厚度进行实时监测的装置及其监测方法。

本发明的技术方案是：一种在用球磨机滑动轴承油膜厚度监测装置，包括：数据获取流程部分、数据处理传输部分、数据分析及控制部分；数据获取流程部分和数据处理传输部分连接，数据处理传输部分和数据分析及控制部分连接，数据分析及控制部分又和数据获取流程部分连接。

数据获取流程部分包括：脉冲发射器安装支架、超声波传感器安装支架、脉冲发射器、超声波传感器、超声波压电元件、超声波脉冲发射接收仪、精准温度传感器II 、贴片传感器、精准温度传感器I 、电源模块I、通讯卡、电源模块II ；电源模块I1和安装在脉冲发射器安装支架上的脉冲发射器、安装在超声波传感器安装支架5上的超声波传感器以及精准温度传感器II 连接，电源模块II 和超声波压电元件、超声波脉冲发射接收仪、贴片传感器、精准温度传感器I 连接。

数据处理传输部分包括：超声波信号接收卡、信号放大器、AD采集卡、信号采集卡、通讯卡、工业PC；超声波信号接收卡和超声波传感器、超声波压电元件、超声波脉冲发射接收仪连接，超声波信号接收卡和信号放大器连接，信号放大器和信号采集卡连接，信号采集卡和通讯卡连接，通讯卡和工业PC连接，精准温度传感器II 、贴片传感器、精准温度传感器I 分别和AD采集卡连接，AD采集卡和通讯卡连接，通讯卡和工业PC连接。

数据分析及控制部分包括：数据筛选部分、数据运算部分、数据比对部分、数据输出部分；其中数据筛选部分包括超声波数据输入、温度数据输入、异常数据比对筛选；数据运算部分包括测量范围选定、飞行时间算法、共振法、弹簧模型法；数据比对部分包括计算结果、数据比对、数据库预存值； 数据输出部分包括测量结果输出、预警信号输出、紧急停止联动部分、结果打印；其中数据筛选部分和数据运算部分连接，数据运算部分和数据比对部分连接，数据比对部分和数据输出部分连接；异常数据比对筛选分别和超声波数据输入、温度数据输入连接，测量范围选定分别和飞行时间算法、共振法、弹簧模型法连接，计算结果和数据比对连接，数据比对分别和数据库预存值、测量结果输出、预警信号输出连接，预警信号输出和紧急停止联动部分连接，测量结果输出和结果打印连接。

具体监测方法如下：

【1】数据分析及控制部分向数据获取流程部分发出指令，系统开始运行，数据处理传输部分负责将获取到的数据发送给数据分析及控制部分；

【2】将脉冲发射器、超声波传感器借助于脉冲发射器安装支架和超声波传感器安装支架固定在被测部位，电源模块I开始为其供电，传感器开始工作；超声波压电元件为内部镶嵌安装，超声波脉冲发射接收仪负责接收其信号；精准温度传感器II 、贴片传感器、精准温度传感器I 为辅助判别传感器；超声波传感器、超声波压电元件、超声波脉冲发射接收仪将获取的数据发送给超声波信号接收卡；精准温度传感器II 、贴片传感器、精准温度传感器I 将获取的数据发送给AD采集卡；超声波信号接收卡将接收到的数据通过信号放大器将数据传输到信号采集卡；通讯卡将AD采集卡、信号采集卡传输的数据根据指令最终发送给工业PC完成整体动作过程；

【3】数据获取流程部分、数据处理传输部分获取到的数据首先经过数据筛选部分进行数据初步识别；然后数据根据相应的规则进行运算部分的计算；计算出的结果按照数据比对部分规则进行比对分析，以保证数据的可靠性；最终数据通过数据输出部分进行相对应的输出；

【4】工业PC20将获得的超声波数据输入、温度数据输入按照既定的规则完成异常数据比对筛选步骤；比对后确定可用、真实的数据后按照测量范围选定中的判别条件，分别代入飞行时间算法、共振法、弹簧模型法进行计算；

【5】将步骤【4】中的计算结果按照数据库预存值完成数据比对；如果比对结果在阈值范围内进行测量结果输出和结果打印；如果比对结果超出阈值范围执行预警信号输出、紧急停止联动部分两个功能。

本发明采用上述技术方案后可达到如下的有益效果：

（1）实现了球磨机滑动轴承做功过程中油膜厚度的实时监测，提取到球磨机运行过程中有关于摩擦的实时数据；（2）监测过程全部采用弱电采集，安装后可以连续运行，对设备的生产运行不造成任何影响；（3）采用多种测量方法及算法，保证了数据的准确性、可靠性；弥补了以往其它检测方法的不足；（4）具备自学习功能，通过既定的采集周期后，针对监测对象生成对针对性的预警机制，避免因摩擦副的异常造成的设备停机及生产损失；（5）获取的数据是动态形式的，为球磨机的维护、摩擦故障的分析提供更为直观的数据依据。

附图说明

图1为本发明一种在用球磨机滑动轴承油膜厚度监测装置的结构示意图；

图2为本发明一种在用球磨机滑动轴承油膜厚度监测装置的流程结构示意图；

图3为本发明一种在用球磨机滑动轴承油膜厚度监测装置的数据分析及控制部分结构示意图；

图4为本发明一种在用球磨机滑动轴承油膜厚度监测装置的数据计算步骤示意框图；

图5为本发明一种在用球磨机支撑滑动轴承油膜厚度监测装置的输出部分示意框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体技术方案，如图1～5所示。

一种在用球磨机滑动轴承油膜厚度监测装置，包括：数据获取流程部分1、数据处理传输部分2、数据分析及控制部分3；数据获取流程部分1和数据处理传输部分2连接，数据处理传输部分2和数据分析及控制部分3连接，数据分析及控制部分3又和数据获取流程部分1连接。

数据获取流程部分1包括：脉冲发射器安装支架4、超声波传感器安装支架5、脉冲发射器6、超声波传感器7、超声波压电元件8、超声波脉冲发射接收仪9、精准温度传感器II 11、贴片传感器12、精准温度传感器I 13、电源模块I14、通讯卡18、电源模块II 19；动作供电部分：电源模块I14和安装在脉冲发射器安装支架4上的脉冲发射器6、安装在超声波传感器安装支架5上的超声波传感器7以及精准温度传感器II 11连接，电源模块II 19和超声波压电元件8、超声波脉冲发射接收仪9、贴片传感器12、精准温度传感器I 13连接。

数据处理传输部分2包括：超声波信号接收卡10、信号放大器15、AD采集卡16、信号采集卡17、通讯卡18、工业PC20；超声波信号接收卡10和超声波传感器7、超声波压电元件8、超声波脉冲发射接收仪9连接，超声波信号接收卡10和信号放大器15连接，信号放大器15和信号采集卡17连接，信号采集卡17和通讯卡18连接，通讯卡18和工业PC20连接，精准温度传感器II 11、贴片传感器12、精准温度传感器I 13分别和AD采集卡16连接，AD采集卡16和通讯卡18连接，通讯卡18和工业PC20连接。

数据分析及控制部分3包括：数据筛选部分21、数据运算部分22、数据比对部分23、数据输出部分24；其中数据筛选部分21包括超声波数据输入25、温度数据输入26、异常数据比对筛选27；数据运算部分22包括测量范围选定28、飞行时间算法29、共振法30、弹簧模型法31；数据比对部分23包括计算结果32、数据比对33、数据库预存值34； 数据输出部分24包括测量结果输出35、预警信号输出36、紧急停止联动部分37、结果打印38；其中数据筛选部分21和数据运算部分22连接，数据运算部分22和数据比对部分23连接，数据比对部分23和数据输出部分24连接；组成部分：异常数据比对筛选27分别和超声波数据输入25、温度数据输入26连接，测量范围选定28分别和飞行时间算法29、共振法30、弹簧模型法31连接，计算结果32和数据比对33连接，数据比对33分别和数据库预存值34、测量结果输出35、预警信号输出36连接，预警信号输出36和紧急停止联动部分37连接，测量结果输出35和结果打印38连接。

具体监测测方法如下：

步骤1，如图1所示数据获取流程部分1中的脉冲发射器6、超声波传感器7安装于轴承外壳部位，主要借助超声波在不同介质中穿透时间不同的原理，测算出油膜的厚度（也就是飞行时间算法），此步骤要求发射面和接收面垂直系数为1，因此借助脉冲发射器安装支架4和超声波传感器安装支架5将脉冲发射器6、超声波传感器7进行固定；超声波压电元件8选用国外某公司的圆形超声波压电元件，其直径为mm，厚度为0.2mm进行内置安装，进行其它算法的数据获取。精准温度传感器II 11、贴片传感器12、精准温度传感器I13分别对轴承座、润滑油进出温度进行测量。

步骤2，如图2所示脉冲发射器6、超声波传感器7、精准温度传感器I13、精准温度传感器II 11、超声波压电元件8、超声波脉冲发射接收仪9在电源模块I14、电源模块II 19的控制下工作，并将获取的数据通过超声波信号接收卡10、信号放大器15、信号采集卡17、通讯卡18等步骤将数据传输到工业PC20，其中超声波信号接收卡10、信号放大器15、信号采集卡17作为信号处理辅助性部件将模拟量信号转化为数字信号，以RS485转串口的形式进行传输。精准温度传感器II 11、贴片传感器12、精准温度传感器I13输出为0-5V电压信号，通过AD采集卡16将数据转为RS485经过通讯卡18发送数据。由于在工作过程中脉冲发射器6、超声波传感器7、超声波压电元件8、超声波脉冲发射接收仪9需要进行脉冲幅值和脉冲宽度调整，因此采用两路电源进行分别控制。脉冲发射器6、超声波传感器7和精准温度传感器I13、精准温度传感器II 11具备临时监测功能，主要用于检测油膜厚度＞100um的检测对象。

脉冲发射器6供电后给超声波传感器7发出20KHZ以上的脉冲信号，同时向超声波传感器7的同步触发器发出相应的信号，超声波穿透测量介质后被超声波信号接收卡10识别并记录，信号放大器15将信号接收后放大，同时发送给信号采集卡17。此过程中主要涉及到一个飞行穿透时间的收集，当润滑膜层厚度很大时（大于100μm），超声波在润滑膜层上下界面处的反射信号相互分离，已知超声波在润滑膜层中声速便可通过超声波在润滑层上下界面的时间差来获得相应的润滑膜厚度值如下式：

式中：h——润滑膜层厚度；c——超声波在润滑层中的声速；t——超声波在润滑层中的往返时间。

步骤3，如图3所示，超声波数据通过信号采集卡17、通讯卡18等环节将数据转化为数字信号后传输给工业PC20，为了保证数据的可靠性准确性及实现本发明的其它功能工业PC20将获取到的数据依次进行数据筛选、计算、比对和输出。

步骤4，如图4所示，首先根据温度对接收到的超声波传感器7的数据进行比对，按照油膜厚度和轴承温度、润滑油进出口温度成一定函数正比的关系等规则进行筛选，避免超声波传感器7出现异常数据，从而引起的误操作。将有效的超声波传感器7的数据，按照测量范围的不同，按照不同的算法公式（飞行时间算法油膜厚度＞100um ，共振法油膜厚度10-100μm，弹簧模型法油膜厚度＜10um）得出有效的结果。

步骤5，如图5所示，步骤4计算结果进入数据比对部分，比对过程步骤如下，首先装置会经过一个采集周期开始自学习模式，将采集周期内获得的数据+数据库预存的数值生成适用于监测对象的报警阈值，步骤3计算出的数据和报警阈值进行比对，如果在范围内，按照测量结果输出→结果打印流程执行；如果超出阈值，输出预警信号，连续超出阈值上限值后，联动紧急停止部件，避免设备故障的发生。