本發(fā)明涉及航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)監(jiān)測，具體涉及一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、航空軸承是航空武器裝備的關(guān)鍵部件，特別是發(fā)動機主軸軸承，作為支撐高低壓轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，國內(nèi)外早已將其視為航空發(fā)動機的核心部件。航空軸承具有高速、高溫、載荷大、受力復(fù)雜、苛刻的環(huán)境適應(yīng)性要求等工況特點。在航空發(fā)動機運行過程中，滾動軸承在惡劣的工作條件下會逐漸產(chǎn)生性能退化，并最終可能演化為失效。如果能在其性能發(fā)生退化的早期，尤其在還未發(fā)生嚴重故障時，通過各種方法獲得并分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠及時評估滾動軸承健康狀態(tài)、預(yù)測滾動軸承的剩余使用壽命，并以此為依據(jù)確定滾動軸承的最佳維修策略，對于切實保障航空發(fā)動機的可靠運行具有重要的意義。

2、目前，對滾動軸承的監(jiān)測一般是將傳感器安裝在軸承座上或靠近軸承座的地方，軸承產(chǎn)生故障的位置距離傳感器安裝位置比較遠，信號在傳輸過程中容易存在能量損耗,傳統(tǒng)軸承傳感器采集的信號不僅包含軸承自身運行狀態(tài)信息，還包括機器運行過程中其他運動部件和結(jié)構(gòu)的信息,對軸承自身工況而言，這些信號屬于背景噪聲，且軸承出現(xiàn)早期故障時，信號微弱，當背景噪聲足夠大時，早期故障產(chǎn)生的微弱信號容易被掩蓋，信噪比低，這給滾動軸承早期故障診斷帶來了挑戰(zhàn)。

3、自供電技術(shù)是一種新型的供電技術(shù)，將周圍環(huán)境的機械能、熱能、化學(xué)能、輻射能等形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，從而驅(qū)動低功耗的電子設(shè)備運作。在對軸承長時間的監(jiān)測中，傳統(tǒng)的有線供電不利于嵌入式傳感器的使用，無線供電在傳輸過程中存在能量損耗，傳輸效率低。利用自供電技術(shù)，能夠有效實現(xiàn)零電能損耗，保護環(huán)境，節(jié)約成本。由此，自供電技術(shù)在監(jiān)測軸承中有著無法估量的市場前景。近年來，傳感器技術(shù)迅速發(fā)展，考慮到傳統(tǒng)供電或無線供電方式的缺點，應(yīng)重視傳感器自供電技術(shù)的研發(fā)，促進智能軸承技術(shù)的發(fā)展。

4、因此，需要設(shè)計一種適用于航空發(fā)動機軸承的傳感器，其能夠適用于航空發(fā)動機在正常工況，以及高溫、高速、油霧腐蝕等復(fù)雜惡劣工況下的軸承工作狀態(tài)的在線監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決發(fā)動機軸承在高溫、高速、高油霧腐蝕等復(fù)雜惡劣工況下，傳感器只能設(shè)置在發(fā)動機軸承外圈的外部，以間接獲取軸承內(nèi)圈的溫度和保持架轉(zhuǎn)速參數(shù)，進而不能對軸承工作狀態(tài)進行精準地監(jiān)控的問題，提供了一種基于摩擦納米發(fā)電機的發(fā)動機軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法?；谀Σ良{米發(fā)電機的復(fù)合傳感器穩(wěn)定地固定在發(fā)動機軸承上，并可以在復(fù)雜惡劣工況工作且不會從發(fā)動機軸承上脫離進而影響發(fā)動機軸承及監(jiān)測系統(tǒng)的正常工作。

2、為了實現(xiàn)上述目的，技術(shù)方案如下：

3、一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括軸承本體、自供電電源、傳感器組、信號處理模塊，所述自供電電源用于對傳感器組進行供電，所述傳感器組用于對軸承本體的轉(zhuǎn)動狀態(tài)進行監(jiān)測，所述信號處理模塊用于對所述傳感器組信號進行提取處理；所述自供電電源和傳感器組設(shè)置在軸承本體內(nèi)部。

4、進一步的，所述軸承本體包括外圈、內(nèi)圈、保持架以及設(shè)置在外圈和內(nèi)圈之間的圓柱滾子，所述圓柱滾子包括普通圓柱滾子和裝有自供電傳感器的圓柱滾子。

5、進一步的，所述自供電電源為基于摩擦納米發(fā)電機的自供電裝置，包括摩擦納米發(fā)電機、電路模塊。

6、進一步的，所述摩擦納米發(fā)電機包括氟化乙烯丙烯摩擦電層、金屬電極膜層、尼龍摩擦層、亞克力圓板以及支撐彈簧；所述氟化乙烯丙烯摩擦電層為獨立層，內(nèi)部設(shè)有安裝孔，通過若干個支撐彈簧與所述亞克力圓板連接，所述尼龍摩擦層設(shè)置在所述氟化乙烯丙烯摩擦電層下方，所述金屬電極膜層包括左右設(shè)置的兩片金屬電極膜，垂直于支撐彈簧并放置所述尼龍摩擦層下方；所述電路模塊放置在所述金屬電極膜層下方。

7、進一步的，所述電路模塊包括電源管理電路、電能存儲電路及穩(wěn)壓電路，所述電源管理電路用于對摩擦納米發(fā)電機提供的電能進行整流與升壓-降壓處理，所述電能存儲電路用于存儲整流后的電能；所述穩(wěn)壓電路用于向所述傳感器組提供穩(wěn)定輸出電壓。

8、進一步的，所述傳感器組包括但不限于溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、振動傳感器、力矩傳感器。

9、進一步的，所述裝有自供電傳感器的圓柱滾子包括帶內(nèi)槽圓柱滾子本體以及設(shè)置在內(nèi)槽中的傳感器組和基于摩擦納米發(fā)電機的自供電裝置，并設(shè)置有上蓋進行密封。

10、進一步的，所述信號處理模塊包括信號提取電路、信號處理電路；所述信號提取電路經(jīng)電磁耦合方式與溫度、轉(zhuǎn)速、振動、力矩等傳感器組無線通訊連接，獲取相應(yīng)信號形成初始采集信號；信號提取電路與信號處理電路連接，所述信號處理電路用于對信號提取電路輸出的初始采集信號進行處理。

11、本發(fā)明還提出了一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測方法，基于如上所述的在線監(jiān)測系統(tǒng)進行，包括如下工藝：

12、s1：信號提取電路經(jīng)電磁耦合方式與傳感器組無線通訊連接，獲取相應(yīng)信號形成初始采集信號；

13、s2：信號處理電路利用混沌吸引子及相空間重構(gòu)的理論對初始采集信號進行處理，挖掘信號的隱藏特征，通過處理圖像的方式進行特征的提取實現(xiàn)故障診斷，并建立準確描述滾動軸承剩余壽命規(guī)律的模型實現(xiàn)剩余壽命預(yù)測。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案具有如下有益效果：

15、(1)將傳感器組和基于摩擦納米發(fā)電機的自供電裝置組合均勻設(shè)置在發(fā)動機軸承的不同圓柱滾子內(nèi)部，解決傳統(tǒng)方式中將傳感器設(shè)置在發(fā)動機軸承外部獲取間接數(shù)據(jù)，然后再經(jīng)算法計算，影響檢測數(shù)據(jù)精度的問題。

16、(2)基于摩擦納米發(fā)電機的復(fù)合傳感器穩(wěn)定地固定在發(fā)動機軸承上，并可以在復(fù)雜惡劣工況工作且不會從發(fā)動機軸承上脫離，進而不會影響發(fā)動機軸承及監(jiān)測系統(tǒng)的正常工作；

17、(3)能夠?qū)娇瞻l(fā)動機在正常工況，以及高溫、高速、油霧腐蝕等復(fù)雜惡劣工況下的軸承工作狀態(tài)進行更加精準的在線監(jiān)測。

技術(shù)特征：

1.一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括軸承本體、自供電電源、傳感器組(7)、信號處理模塊，所述自供電電源用于對傳感器組(7)進行供電，所述傳感器組(7)用于對軸承本體的轉(zhuǎn)動狀態(tài)進行監(jiān)測，所述信號處理模塊用于對所述傳感器組(7)信號進行提取處理；所述自供電電源和傳感器組(7)設(shè)置在軸承本體內(nèi)部。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述軸承本體包括外圈(2)、內(nèi)圈(5)、保持架(3)以及設(shè)置在外圈(2)和內(nèi)圈(5)之間的圓柱滾子，所述圓柱滾子包括普通圓柱滾子(4)和裝有自供電傳感器的圓柱滾子(1)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述自供電電源為基于摩擦納米發(fā)電機的自供電裝置(8)，包括摩擦納米發(fā)電機、電路模塊。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述摩擦納米發(fā)電機包括氟化乙烯丙烯摩擦電層(81)、金屬電極膜層(82)、尼龍摩擦層(83)、亞克力圓板(84)以及支撐彈簧(85)；所述氟化乙烯丙烯摩擦電層(81)為獨立層，內(nèi)部設(shè)有安裝孔，通過若干個支撐彈簧(85)與所述亞克力圓板(84)連接，所述尼龍摩擦層(83)設(shè)置在所述氟化乙烯丙烯摩擦電層(81)下方，所述金屬電極膜層(82)包括左右設(shè)置的兩片金屬電極膜，垂直于支撐彈簧(85)并放置所述尼龍摩擦層(83)下方；所述電路模塊(86)放置在所述金屬電極膜層(82)下方。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述電路模塊(86)包括電源管理電路、電能存儲電路及穩(wěn)壓電路，所述電源管理電路用于對摩擦納米發(fā)電機提供的電能進行整流與升-降壓處理，所述電能存儲電路用于存儲整流后的電能；所述穩(wěn)壓電路用于向所述傳感器組(7)提供穩(wěn)定輸出電壓。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器組(7)包括但不限于溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、振動傳感器、力矩傳感器。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述裝有自供電傳感器的圓柱滾子(1)包括帶內(nèi)槽圓柱滾子本體(6)以及設(shè)置在內(nèi)槽中的傳感器組(7)和基于摩擦納米發(fā)電機的自供電裝置(8)，并設(shè)置有上蓋(9)進行密封。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理模塊包括信號提取電路、信號處理電路；所述信號提取電路經(jīng)電磁耦合方式與傳感器組(7)無線通訊連接，獲取相應(yīng)信號形成初始采集信號；信號提取電路與信號處理電路連接，所述信號處理電路用于對信號提取電路輸出的初始采集信號進行處理。

9.一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測方法，基于權(quán)利要求8所述的在線監(jiān)測系統(tǒng)進行，其特征在于，包括如下工藝：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于摩擦納米發(fā)電機的航空發(fā)動機軸承工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括軸承本體、自供電電源、傳感器組、信號處理模塊?；谀Σ良{米發(fā)電機的自供電裝置包括氟化乙烯丙烯摩擦電層、兩片金屬電極膜、尼龍摩擦層、亞克力圓板、支撐彈簧及電路模塊。利用混沌吸引子及相空間重構(gòu)的理論對獲取的信號進行處理，挖掘信號的隱藏特征，通過處理圖像的方式進行特征的提取實現(xiàn)在線狀態(tài)診斷，并建立準確描述滾動軸承剩余壽命規(guī)律的模型實現(xiàn)剩余壽命預(yù)測。通過將復(fù)合傳感器穩(wěn)定地固定在發(fā)動機軸承上，在復(fù)雜惡劣工況工作且不會從發(fā)動機軸承上脫離，能夠?qū)娇瞻l(fā)動機正常工況以及復(fù)雜惡劣工況下的軸承工作狀態(tài)進行更加精準的在線監(jiān)測。

技術(shù)研發(fā)人員：樸鐘宇,姜治國,袁志鵬,周振宇,丁叢,侯文濤,倪鈺民
受保護的技術(shù)使用者：浙江工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9