方成剛，陳捷，謝冬華，孫冬梅，王華

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210009)

智能軸承，即在軸承上合理地集成各類傳感器的軸承，通過測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承內(nèi)部參數(shù)變化，通過數(shù)據(jù)處理提取特征故障信號(hào)用以在早期找到軸承故障點(diǎn)，及時(shí)掌握軸承的運(yùn)行狀態(tài)，采取控制措施，減少事后維修，最大程度地延長(zhǎng)軸承的壽命，降低維護(hù)成本[1]。智能風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承是在直徑大于1 500 mm的風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承上集成測(cè)控系統(tǒng)，達(dá)到智能監(jiān)測(cè)和控制的目的。

目前，智能軸承技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)有了迅速的發(fā)展，國(guó)際知名的軸承制造公司均已開發(fā)出集成有特殊功能傳感器的軸承單元，廣泛地應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械等重要領(lǐng)域[1-4]。在智能軸承的實(shí)現(xiàn)方式上，文獻(xiàn)[5-7]提出將微型化的傳感器和信號(hào)放大電路直接植入到軸承的外圈中。文獻(xiàn)[6-9]重點(diǎn)探討了應(yīng)用于智能軸承的薄膜傳感器的特點(diǎn)、種類和安裝形式，并指出智能軸承用薄膜傳感器制備的關(guān)鍵技術(shù)問題。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了嵌入式多參量傳感器的智能軸承，將各種功能的傳感器嵌入軸承外圈的槽式結(jié)構(gòu)中, 實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中振動(dòng)信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、內(nèi)圈(軸)和外圈溫度信號(hào)的采集。文獻(xiàn)[11-14]研究了1.5 MW偏航軸承為植入傳感器而導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)改變對(duì)智能偏航轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，并提出了智能軸承相關(guān)的設(shè)計(jì)思想。

風(fēng)電偏航軸承是風(fēng)機(jī)的重要部件，位于風(fēng)機(jī)的機(jī)艙底部并承載著風(fēng)機(jī)的全部重量；風(fēng)電變槳軸承承受風(fēng)機(jī)葉片的重量和復(fù)雜載荷，由于安裝的位置不易拆卸且拆卸費(fèi)用較高，一般要求其能有20年以上的使用壽命。因此，開發(fā)一種內(nèi)植各種傳感器的智能風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承非常必要。經(jīng)有限元計(jì)算[14]，在1.5 MW的轉(zhuǎn)盤軸承機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要安裝各類傳感器，其開孔尺寸為6～14 mm，通過風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)[14]，對(duì)于高速小尺寸的軸承，機(jī)械結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵；但對(duì)于大型的轉(zhuǎn)盤軸承，傳感器安裝開孔位置足夠，智能化的關(guān)鍵是測(cè)試系統(tǒng)，特別是故障診斷系統(tǒng)，在此重點(diǎn)討論測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1 測(cè)試原理

由于設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用過程中的各種因素，會(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)體、滾道點(diǎn)蝕磨損，導(dǎo)致間隙增大；無油干摩擦；保持架碎裂；滾動(dòng)體、滾道嚴(yán)重磨損并出現(xiàn)凹坑；內(nèi)、外圈與上、下金屬結(jié)構(gòu)的連接螺栓松動(dòng)；金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋等故障，并在振動(dòng)、溫度、摩擦力矩、噪聲、齒根應(yīng)力等方面有所變化[15]。所以，這些參數(shù)都可以作為轉(zhuǎn)盤軸承的監(jiān)測(cè)對(duì)象，通過信號(hào)處理技術(shù)，提取故障特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承的故障診斷，同時(shí)報(bào)警及早注油。

2 系統(tǒng)硬件組成

風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承轉(zhuǎn)速極低(偏航轉(zhuǎn)速低于0.15 r/min，變槳轉(zhuǎn)速低于26 r/min)，而低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷一直是國(guó)內(nèi)、外研究的難點(diǎn)，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的成熟方法難以直接用于風(fēng)電軸承。若僅用時(shí)域方法進(jìn)行診斷，針對(duì)不同類型的轉(zhuǎn)盤軸承，時(shí)域閥值指標(biāo)難以確定；若用頻譜分析方法，由于沖擊成分的能量占總能量的比值較低，也很難對(duì)轉(zhuǎn)盤軸承故障進(jìn)行有效識(shí)別。在風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承的應(yīng)用中對(duì)加速度傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行基于小波的故障診斷，取得了一定的研究成果，但需要采用復(fù)雜的時(shí)頻分析方法對(duì)故障進(jìn)行判斷，如小波、HHT等算法[16]。在大型風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承的測(cè)試系統(tǒng)中如果采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)于復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算會(huì)產(chǎn)生大量的軟件工作。因此，本測(cè)試系統(tǒng)擬采用集成度高的數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，可以利用PC機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能，以避免設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集卡和減少復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算軟件設(shè)計(jì)調(diào)試的工作，可以更專注于風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的研究，有更好的可靠性。

各種傳感器一般安裝在定圈上，但風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承的驅(qū)動(dòng)齒輪在風(fēng)機(jī)上有內(nèi)齒驅(qū)動(dòng)和外齒驅(qū)動(dòng)，為方便安裝和檢查，傳感器全部安裝于風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承的內(nèi)圈，這就有可能出現(xiàn)部分傳感器安裝在動(dòng)圈上。為避免風(fēng)機(jī)和葉片的旋轉(zhuǎn)帶來傳感器的接線不便，擬采用可以固定安裝在轉(zhuǎn)盤軸承上的無線數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡可以和風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承同時(shí)旋轉(zhuǎn)。圖1為風(fēng)電智能軸承硬件系統(tǒng)。其主要由風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、無線傳輸模塊及工控機(jī)組成。監(jiān)測(cè)智能軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的參數(shù)由數(shù)據(jù)采集卡采集(NI9239)，通過無線網(wǎng)絡(luò)(NI WLS-9163)傳輸至工控機(jī)，工控機(jī)中的虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、保存、處理和控制等工作。

圖1 多組智能軸承遠(yuǎn)距離虛擬儀器系統(tǒng)

2.1 傳感器的選擇和布局

在智能軸承中最容易實(shí)現(xiàn)采集的是溫度、加速度和摩擦力矩。

風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承轉(zhuǎn)速低于25 r/min，故障特征頻率低于5 Hz，振動(dòng)能量較小，應(yīng)選擇高靈敏度的傳感器,在此采用Endevco7290A-10電容式加速度傳感器，有利于減少測(cè)試噪聲并提高信噪比。在智能軸承系統(tǒng)中采用2～4個(gè)低頻加速度傳感器吸附于轉(zhuǎn)盤軸承定圈上。

轉(zhuǎn)盤軸承在實(shí)際運(yùn)行過程中，溫升是最容易采集的信號(hào)，采用2～4個(gè)溫度傳感器成90°或180°安裝于轉(zhuǎn)盤軸承注油孔中。由于溫升受到環(huán)境溫度的影響，智能軸承中有一個(gè)溫度傳感器用于測(cè)量環(huán)境溫度，采用油脂溫度與環(huán)境溫度的差值作為評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)更為準(zhǔn)確。

扭矩信號(hào)通過安裝電流傳感器測(cè)量，根據(jù)被測(cè)量找到匹配傳感器并合理布局，布局如圖2所示。

圖2 智能軸承傳感器布局圖

2.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

2.2.1 傳輸方式選擇

目前，測(cè)試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸主要有無線和有線兩種方式。傳統(tǒng)上一般使用有線技術(shù)，但是在轉(zhuǎn)盤軸承之類的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，傳感器的安裝受到了限制。隨著無線技術(shù)不斷發(fā)展完善，無線傳輸已經(jīng)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械、有毒化工行業(yè)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中大量應(yīng)用。無線傳輸可以是數(shù)據(jù)的無線傳輸或無線的傳感器，由于目前用于高頻的無線加速度傳感器成本高昂，無線數(shù)據(jù)采集卡目前可以滿足振動(dòng)級(jí)應(yīng)變的數(shù)據(jù)采集，所以智能軸承虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)采用短距離無線傳輸。

2.2.2 無線傳輸協(xié)議的比較

當(dāng)前，流行的短距離無線傳輸技術(shù)主要有：藍(lán)牙、ZigBee和WiFi。藍(lán)牙的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、成本低、功耗低、傳播速率高，缺點(diǎn)是傳播距離短、網(wǎng)絡(luò)容量小。WiFi技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是傳播速率最高、傳播距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)容量大，缺點(diǎn)是抗干擾能力一般，功耗大。然而WiFi廠商開發(fā)了低功耗的WiFi模塊，彌補(bǔ)了功耗大的缺點(diǎn)。ZigBee的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)容量大，功耗低，成本低、帶控制功能，缺點(diǎn)是傳輸速度慢[17]。對(duì)于振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集來說，單位時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸量很大，要求傳輸速度快，同時(shí)要求一定距離傳播，所以智能軸承測(cè)試系統(tǒng)采用WiFi無線傳輸。

2.3 數(shù)據(jù)采集卡的選擇和特點(diǎn)

為方便使用PC的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能，采用Labview開發(fā)應(yīng)用軟件，方便實(shí)現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)搭建和WiFi無線傳輸?shù)氖褂?，本系統(tǒng)使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡NI9239及無線傳輸模塊NI WLS-9163組合搭建出如圖1所示的硬件測(cè)試系統(tǒng)。NI9239數(shù)據(jù)采集卡用于同步采集轉(zhuǎn)盤軸承的振動(dòng)信號(hào)及溫度信號(hào)；NI WLS-9163是無線通信的機(jī)殼，可提供標(biāo)準(zhǔn)10/100 Mbps以太網(wǎng)連接至主機(jī)。對(duì)于由多個(gè)轉(zhuǎn)盤軸承組成的系統(tǒng)，可以采用多組無線數(shù)據(jù)模塊同時(shí)與主機(jī)通信而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)非常適合對(duì)于像風(fēng)力發(fā)電機(jī)這種具有偏航及變槳多個(gè)轉(zhuǎn)盤軸承的機(jī)構(gòu)，對(duì)于內(nèi)齒驅(qū)動(dòng)且傳感器不方便進(jìn)行布線的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，采用這種基于虛擬儀器的智能軸承系統(tǒng)可以有效快速集成且能在遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。

3 智能軸承的軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件功能分析及實(shí)現(xiàn)

針對(duì)智能軸承中所需測(cè)得的信號(hào)，采用Labview開發(fā)了如圖3所示的應(yīng)用軟件，包括了數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)保存、報(bào)警顯示和后處理分析等功能，系統(tǒng)軟件界面如圖4所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)軟件部分

圖4 測(cè)試系統(tǒng)軟件界面

本系統(tǒng)的難點(diǎn)在于無線通信組網(wǎng)設(shè)置和軟件的后處理功能。通過Labview自帶的Measure-ment & Automation軟件設(shè)置NI WLS-9163與主機(jī)的通信方式，通信方式采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，將傳感器接線接入NI9239數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)置采樣率， NI9239即可通過NI WLS-9163與工控機(jī)通信。

3.2 后處理軟件功能分析及實(shí)現(xiàn)

智能軸承測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能還具有信號(hào)分析和控制算法等后處理功能。信號(hào)分析功能包括時(shí)域分析、頻域分析及時(shí)頻域分析，如圖5所示?？刂乒δ馨ㄔ浇鐖?bào)警和控制處理，如燈光、聲音報(bào)警、及時(shí)注油和降低轉(zhuǎn)速等，如圖6所示。

圖5 信號(hào)處理過程

圖6 越界報(bào)警及控制處理

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照(NI WLS-9163)使用說明，其無線傳輸距離在100 m之內(nèi)。為在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)際傳輸距離和采樣頻率的性能測(cè)試，設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)：

(1)單一無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸，相同頻率正弦波輸入，在不同采樣頻率下，考察最遠(yuǎn)的無線傳輸距離；

(2)多個(gè)無線模塊組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，在不同采樣頻率下，考察最遠(yuǎn)的無線傳輸距離。

表1為單模塊無線通信距離試驗(yàn)結(jié)果，圖7為±5 V，450 Hz的正弦信號(hào)輸入的無線采集效果圖，幅值誤差在1.3%以內(nèi)，相位誤差在5%以內(nèi)，在智能軸承中可以滿足數(shù)據(jù)分析的需要。

表1 單模塊無線通信距離試驗(yàn)結(jié)果

圖7 單無線模塊通信效果

采用同樣的方法將兩組無線傳輸模塊與主機(jī)組網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)兩組模塊同時(shí)傳輸至主機(jī)與單個(gè)無線模塊傳輸至主機(jī)效果相同，可見多個(gè)無線模塊組網(wǎng)的智能軸承測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

智能軸承配備布置合理的傳感器，采用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡和無線傳輸模塊及Labview 軟件組建的智能軸承系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多信號(hào)并行傳輸并且能滿足高頻信號(hào)較長(zhǎng)距離的實(shí)時(shí)采集，可以很好地完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及控制等一系列的工作，為后續(xù)降低成本，實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)闹悄苻D(zhuǎn)盤軸承嵌入式測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。