朱永生, 張 盼, 袁倩倩， 閆 柯, 洪 軍

(西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安，710049)

引 言

軸承是回轉(zhuǎn)支撐單元的核心零部件，被譽(yù)為回轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)的“心臟”，廣泛應(yīng)用于航空航天、高鐵與汽車輪轂、大型轉(zhuǎn)子及精密機(jī)床等各個(gè)領(lǐng)域，其發(fā)展水平的高低往往代表或制約著一個(gè)國家機(jī)械工業(yè)和其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平[1]。我國高度重視高端滾動(dòng)軸承的發(fā)展，推出了一系列支持政策，如《國家中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》、《裝備制造業(yè)調(diào)整與振興規(guī)劃》(國務(wù)院，2009年)、《智能制造“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》(科技部，2012年)及《工業(yè)強(qiáng)基專項(xiàng)行動(dòng)》(工信部，2014年)等，特別是2015年國務(wù)院發(fā)布的制造強(qiáng)國戰(zhàn)略行動(dòng)綱領(lǐng)《中國制造2025》，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)要強(qiáng)化高性能滾動(dòng)軸承等工業(yè)基礎(chǔ)件研發(fā)能力。智能化是現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展趨勢，智能技術(shù)已引起各個(gè)國家的高度重視，在此大背景下高端軸承的發(fā)展必然離不開智能化趨勢，智能軸承應(yīng)運(yùn)而生[2-3]。

1 智能軸承的定義和特點(diǎn)

智能軸承是在傳統(tǒng)軸承的基礎(chǔ)上集成不同用途的傳感裝置和調(diào)控裝置，使其結(jié)合成為一體而形成獨(dú)特的軸承結(jié)構(gòu)單元，利用信息處理、自動(dòng)控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)軸承運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、故障檢測以及狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)控，其系統(tǒng)簡圖[4]如圖1所示。

圖1 智能軸承系統(tǒng)Fig.1 Smart bearing system

相比于普通軸承，智能軸承具備以下特點(diǎn)。

1) 自感知：智能軸承基于微傳感器技術(shù)集成轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度、載荷及潤滑狀態(tài)等多源服役信息采集傳感裝置，傳感器集成化程度高，可實(shí)現(xiàn)對外圈、內(nèi)圈、保持架甚至滾動(dòng)體服役信息的監(jiān)測與識別，信息覆蓋程度高；由于傳感器直接集成于軸承本體，監(jiān)測信號的信噪比高，能更靈敏、更早期地發(fā)現(xiàn)設(shè)備及軸承狀態(tài)的異常。

2) 自決策：基于海量軸承服役數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)，提取軸承健康狀態(tài)下的服役信息特征，識別當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)與軸承歷史數(shù)據(jù)趨勢，評估軸承的服役健康狀態(tài)，對可能出現(xiàn)的異常工況做出預(yù)警判斷。

3) 自調(diào)控：在軸承服役狀態(tài)監(jiān)測與評估診斷的基礎(chǔ)上，結(jié)合滾動(dòng)軸承服役狀態(tài)機(jī)理研究，通過潤滑劑量、冷卻參數(shù)、預(yù)緊狀態(tài)及工況(如轉(zhuǎn)速、切削量)等調(diào)節(jié)滾動(dòng)軸承的服役狀態(tài)，提高重大裝備服役的安全可靠性及維修的可預(yù)知性。

2 智能軸承發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法是將傳感器安裝在設(shè)備上，雖然傳感器布置方便，但是能監(jiān)測的信號類型少，并且由于傳感器距離被測位置遠(yuǎn)，信號衰減及干擾問題較為突出。智能軸承將傳感器集成于軸承本體，傳感器距信號源近，所獲得的信號信噪比高且對軸承狀態(tài)變化的反應(yīng)更為迅速。

早期的智能軸承技術(shù)主要停留在“傳感器軸承”層面，通過在軸承上集成傳感器實(shí)現(xiàn)自感知功能，如第3代汽車輪轂單元中就集成了ABS轉(zhuǎn)速傳感器。按照監(jiān)測目的不同，可集成的傳感器的類型多樣，主要以監(jiān)測轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)及載荷等為主。如國外軸承企業(yè)NTN公司[5]將含有三軸負(fù)荷傳感器和旋轉(zhuǎn)傳感器的輪轂軸承與等速萬向節(jié)集為一體，開發(fā)出了等速萬向節(jié)輪轂軸承單元。NSK[6]開發(fā)完成的鐵路客車用帶傳感器軸箱軸承在日本新干線為首的鐵路列車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，該傳感器軸承具有多種傳感功能，可監(jiān)測軸承溫度、振動(dòng)以及轉(zhuǎn)速。SKF[7]開發(fā)出具有振動(dòng)、溫度無線監(jiān)測的鐵路車輛軸承。

國內(nèi)關(guān)于智能軸承的研究目前主要集中在高校，如劉浩等[8-9]研究了嵌入式結(jié)構(gòu)的智能軸承，通過在軸承外圈開槽嵌入振動(dòng)加速度傳感器的方式來監(jiān)測軸承的運(yùn)行狀態(tài)信號。邵毅敏等[10]提出了一種基于嵌入式多參量傳感器的智能軸承結(jié)構(gòu)，該復(fù)合傳感器包括2個(gè)微型振動(dòng)加速度傳感器、2個(gè)微型轉(zhuǎn)速傳感器和2個(gè)微型溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中水平和垂直地面兩方向的振動(dòng)信號、軸承轉(zhuǎn)速信號、內(nèi)圈(軸)和外圈溫度信號的采集。王方哲[11]設(shè)計(jì)完成了一種集成振動(dòng)系統(tǒng)，將傳感器采集系統(tǒng)固定至軸承的外圈，使測試系統(tǒng)與軸承成為一體，從而獲得較高的信號質(zhì)量。

近年來，國際軸承行業(yè)巨頭SKF[12]提出了一種革命性的軸承狀態(tài)管理技術(shù)——SKF Insight(洞悉)技術(shù)，洞悉軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要集成了轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)、載荷及潤滑狀態(tài)等多種傳感器，并具備自發(fā)電、無線信號傳輸?shù)裙δ?。該軸承技術(shù)目前已在風(fēng)電、鐵路及汽車等高端領(lǐng)域得到了應(yīng)用，結(jié)合Internet網(wǎng)絡(luò)、云技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測及信號處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對軸承運(yùn)行工況及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、評估及預(yù)測。同時(shí)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)智能組網(wǎng)，使得多個(gè)軸承實(shí)現(xiàn)相互通信形成“網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)”，將狀態(tài)信息發(fā)送到云端進(jìn)行決策分析，在自感知的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一定意義上的自決策，是智能軸承技術(shù)目前最具有代表性的成果。

圖2 SKF洞悉Fig.2 SKF insight

SKF提出的智能軸承狀態(tài)評估技術(shù)框架如圖3所示，該技術(shù)框架包括數(shù)據(jù)采集、信號處理、特征提取、故障檢測、剩余壽命評估及狀態(tài)調(diào)控等多個(gè)關(guān)鍵步驟，構(gòu)建了智能軸承完整的技術(shù)框架。

圖3 SKF狀態(tài)評估技術(shù)框架Fig.3 The technical framework of SKF condition assessment

舍弗勒集團(tuán)[13]結(jié)合其軸承自動(dòng)潤滑系統(tǒng)、智能控制器以及傳感器軸承，提出了如圖4所示的智能潤滑系統(tǒng)。通過準(zhǔn)確監(jiān)控和測量潤滑狀態(tài)、磨損顆粒、溫度、振動(dòng)等軸承運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及力、扭矩和速度等工況參數(shù)，獲得精確的設(shè)備狀態(tài)信息及大多數(shù)工藝(過程監(jiān)測)和生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)綜合數(shù)據(jù)信息可以自我“診斷病情”，若軸承存在問題則命令潤滑系統(tǒng)做出相應(yīng)動(dòng)作調(diào)節(jié)潤滑參數(shù)，傳感器繼續(xù)采集軸承狀態(tài)信息并將之反饋給計(jì)算機(jī)，當(dāng)軸承狀態(tài)健康時(shí)其自我維修動(dòng)作完成。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對軸承運(yùn)行狀態(tài)的在線調(diào)整功能，具備了初步的智能軸承自調(diào)控功能。

圖4 舍弗勒智能潤滑系統(tǒng)Fig.4 Schaeffler intelligent lubricating system

同時(shí)，舍弗勒集團(tuán)近年來推出了可靈活組態(tài)的FAG-Variosense系列智能軸承[14]，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。其主要的特點(diǎn)是模塊化監(jiān)測功能，可根據(jù)需求，靈活配置相應(yīng)的監(jiān)測模塊完成多種物理量的監(jiān)測，如可監(jiān)測軸承溫度、轉(zhuǎn)速、徑向軸位移以及載荷等數(shù)據(jù)。傳感器組的外殼與徑向軸密封圈的外圈固定在一起，而旋轉(zhuǎn)的測量件與軸承內(nèi)環(huán)固定連接在一起，形成了一個(gè)結(jié)構(gòu)很緊湊的單元，能夠與各種不同尺寸軸承相適配。

圖5 舍弗勒FAG-Variosense智能軸承Fig.5 Schaeffler FAG-Variosense intelligent bearing

基于上述Variosense傳感器單元，舍弗勒集團(tuán)提出的智能生態(tài)系統(tǒng)概念如圖6所示，該系統(tǒng)具備和SKF洞悉軸承類似的架構(gòu)，提供了一個(gè)基于云的、全面的硬件和軟件基礎(chǔ)設(shè)施，包括從配備傳感器組件到數(shù)字化服務(wù)的每個(gè)數(shù)字化增值階段。

圖6 舍弗勒智能生態(tài)系統(tǒng)Fig.6 Schaeffler intelligent ecosystem

綜合以上研究進(jìn)展可知，目前智能軸承技術(shù)的發(fā)展大多關(guān)注在傳感器軸承層面，通過對傳感器的集成、對基于云的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了軸承自感知及一定程度的自決策功能，在自調(diào)控技術(shù)方面主要以簡單的潤滑調(diào)整技術(shù)為主，缺乏對軸承載荷、工況、冷卻等的綜合調(diào)控。相比于國外的技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)在此方面的研究有很大的空白。

3 智能軸承關(guān)鍵技術(shù)

3.1 傳感器技術(shù)

傳感器作為智能軸承的前端感知工具，是信息獲取的關(guān)鍵。隨著智能軸承對傳感器體積、功能等方面要求的提高，傳感器技術(shù)的發(fā)展主要強(qiáng)調(diào)以下幾個(gè)方面的創(chuàng)新[15-18]。

1) 智能化：智能傳感器主要由傳感元件、微處理器以及相關(guān)電路相結(jié)合而構(gòu)成，相對于傳統(tǒng)傳感器僅能輸出待監(jiān)測物理量原始信號而言，智能傳感器能在傳感器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的加工處理，進(jìn)而與外界實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，其智能化主要體現(xiàn)在應(yīng)用階段信息數(shù)據(jù)自動(dòng)收集與處理、信息存儲與記憶、自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)、自校自檢自補(bǔ)償及自診斷等，其能力決定了智能化傳感器具有高精度、高分辨率、高穩(wěn)定性、高可靠性、強(qiáng)適應(yīng)性以及較高性價(jià)比。

2) 微型化：傳感器尺寸趨于微小型化，既有利于集成化傳感裝置與軸承，又有利于保持軸承性能。隨著集成微電子機(jī)械加工技術(shù)的日趨成熟，將半導(dǎo)體加工工藝引入傳感器的生產(chǎn)制造，不但實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，而且為傳感器微型化發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐。

3) 集成化：智能軸承要求同時(shí)監(jiān)測軸承多種運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)，將所需傳感元件以及數(shù)據(jù)處理、存儲、通信的相應(yīng)電路集成在同一芯片上制成集成化傳感器，具有高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性、高信噪比、高分辨率和高性價(jià)比等諸多優(yōu)點(diǎn)。

4) 多樣化：探索新型敏感材料與感知方法擴(kuò)大了智能軸承的感知范圍以及選擇性，除了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料、陶瓷材料等，有機(jī)敏感材料、光導(dǎo)纖維、超導(dǎo)材料、納米材料和生物材料等的發(fā)展為傳感器多樣化發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2 自供電/無線供電技術(shù)

智能軸承技術(shù)需要對軸承進(jìn)行長期的在線監(jiān)測，供電問題是必須解決的一個(gè)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的有線供電技術(shù)大大限制了智能軸承在設(shè)備內(nèi)部、在無外接電源等條件下的使用，因此自供電技術(shù)和無線供電技術(shù)在智能軸承中具有巨大的應(yīng)用前景。

自供電技術(shù)之一是自發(fā)電，如圖2所示SKF洞悉軸承所采用的技術(shù)。另外一種是通過捕獲周圍環(huán)境中的各種能量，如熱能、機(jī)械能、輻射能及化學(xué)能等形式，利用震動(dòng)模塊通過敲擊、震動(dòng)、按壓和平推等動(dòng)作將這些能量收集起來，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電能。利用自供電技術(shù)，能夠有效實(shí)現(xiàn)零電能消耗[19]。

無線供電技術(shù)是使用非輻射性的無線能量傳輸方式來驅(qū)動(dòng)電器，可以采用電磁耦合、光電耦合及電磁共振等方式。無線供電技術(shù)由于其便捷性而得到了廣泛的關(guān)注，但目前其能量傳輸效率等技術(shù)難題還未完全解決，要將其應(yīng)用于智能軸承還需要進(jìn)一步的研究[20]。王方哲等[11,21]建立了諧振無線供電系統(tǒng)，對無線供電技術(shù)在智能軸承中的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖7所示。通過分析供電過程中供電頻率、線圈直徑等因素對供電性能以及渦流效應(yīng)的影響，確定了供電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)并對供電系統(tǒng)進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)，為軸承旋轉(zhuǎn)套圈溫度監(jiān)測系統(tǒng)提供可靠的電能供給。

圖7 供電結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The diagram of wireless power supply system

3.3 信號無線傳輸技術(shù)

傳感器采集的信息需要通過信號傳輸技術(shù)穩(wěn)定可靠地傳輸?shù)椒?wù)器、用戶端或云端。信號傳輸技術(shù)可分為有線通信和無線通信兩類。無線通信由于不受地域和空間限制，對分布式應(yīng)用的智能軸承非常適用。目前常用的無線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙無線通信技術(shù)、ZigBee技術(shù)及Wi-Fi技術(shù)等，但是要將其應(yīng)用于智能軸承工程實(shí)際，其信號傳輸?shù)陌踩?、可靠性以及?shù)據(jù)傳輸速率等問題有待進(jìn)一步提高。

針對智能軸承應(yīng)用范圍廣、數(shù)量多等特點(diǎn)，自組網(wǎng)技術(shù)在智能軸承技術(shù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。軸承單元的智能化、無線化，使得大范圍內(nèi)多個(gè)智能軸承的監(jiān)測成為可能，而自組網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)多軸承信息互通的關(guān)鍵。自組網(wǎng)的所有節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備連接作用，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，如果終端要與覆蓋范圍之外的終端進(jìn)行通信，中間節(jié)點(diǎn)就可以充當(dāng)傳輸介質(zhì)的作用。數(shù)據(jù)傳輸能力、組網(wǎng)能力及網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性是自組網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵，由于其無線傳輸、高度的動(dòng)態(tài)拓?fù)洹o中心以及多跳路由等特點(diǎn)，依然有許多復(fù)雜而難以實(shí)現(xiàn)的問題需要解決。

3.4 軸承狀態(tài)智能評估及智能診斷技術(shù)

自感知是智能軸承的核心技術(shù)之一，軸承狀態(tài)智能評估及智能診斷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自感知的前提。隨著智能軸承的應(yīng)用，需要監(jiān)測的軸承群體規(guī)模大，單個(gè)軸承需要采集信號的部位(外圈、內(nèi)圈、保持架和滾動(dòng)體)及信號種類(溫度、診斷、聲音、載荷和潤滑等)多樣，數(shù)據(jù)采集及處理的時(shí)間跨度覆蓋軸承全壽命周期，因此智能軸承將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，需要綜合多信息融合以及現(xiàn)代信號處理方法對其進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

傳統(tǒng)的狀態(tài)評估及診斷方法如專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等過分依賴診斷專家和專業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)知識，稀缺的診斷專家已經(jīng)不能滿足海量數(shù)據(jù)的處理和故障診斷。智能軸承的多狀態(tài)量在線監(jiān)測功能將大大豐富軸承的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此大數(shù)據(jù)背景下軸承狀態(tài)智能監(jiān)測及智能診斷技術(shù)擁有巨大的機(jī)遇[22]。如何利用大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)構(gòu)建智能軸承在線健康狀態(tài)評估模型，實(shí)時(shí)精確自動(dòng)地識別軸承故障類型、嚴(yán)重程度以及變化趨勢，從而及時(shí)采取有效措施，是需要解決的重要問題。

3.5 軸承狀態(tài)智能調(diào)控技術(shù)

自調(diào)控是智能軸承的主要特點(diǎn)之一。其目標(biāo)是在在軸承服役狀態(tài)評估及智能診斷的基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化算法結(jié)合滾動(dòng)軸承服役狀態(tài)機(jī)理研究，通過潤滑劑量、冷卻參數(shù)、預(yù)緊狀態(tài)以及工況(如轉(zhuǎn)速、切削量)等調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對滾動(dòng)軸承性能調(diào)控，從而保證重大裝備服役全壽命周期性能的優(yōu)化。

自調(diào)控技術(shù)目前還處在發(fā)展階段，除了在自動(dòng)潤滑技術(shù)上的研究較多外，其他調(diào)控技術(shù)研究相對較少，如前述的舍弗勒自動(dòng)潤滑系統(tǒng)。SKF公司研發(fā)了用于高速主軸和高速軸承的智能微量潤滑系統(tǒng)MDS[23]，該系統(tǒng)在不損耗空氣的情況下進(jìn)行連續(xù)潤滑，可以對潤滑劑加注量進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)優(yōu)化軸承潤滑狀態(tài)。此外，軸承預(yù)緊力在線調(diào)節(jié)技術(shù)在機(jī)床主軸中被廣泛研究，如文獻(xiàn)[24-25]為消除由于軸承在外載荷作用下的傾斜導(dǎo)致的主軸變形(見圖8)，設(shè)計(jì)了主軸非均勻預(yù)緊調(diào)控系統(tǒng)，如圖9所示。通過調(diào)整主軸軸承系統(tǒng)非均勻分布的預(yù)緊力，為軸承偏轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差提供了一種新的補(bǔ)償控制方法。另外，在軸承溫度調(diào)控方面也有一定的研究和應(yīng)用，如周子超[26]根據(jù)工況要求合理設(shè)計(jì)主軸結(jié)構(gòu)布局和進(jìn)行冷卻參數(shù)優(yōu)化，保證系統(tǒng)運(yùn)行的熱穩(wěn)定性和預(yù)防熱響應(yīng)特性的影響，提高了系統(tǒng)整體綜合性能，延長了主軸運(yùn)行的壽命。

圖8 軸承非均勻預(yù)緊目的Fig.8 Purpose of applying non-uniform preload on bearing

現(xiàn)有的軸承狀態(tài)智能調(diào)控技術(shù)大多是采用單一性能調(diào)控，但是單項(xiàng)指標(biāo)調(diào)控往往會(huì)造成其他指標(biāo)惡化，如通過預(yù)緊力調(diào)控可以提高主軸的剛度特性，同時(shí)也會(huì)引起電主軸溫度升高。因此，軸承狀態(tài)智能調(diào)控既要研究調(diào)控模式多樣化問題，也要通過機(jī)理研究，考慮調(diào)控后的綜合性能指標(biāo)。

4 發(fā)展趨勢

結(jié)合智能軸承的定義及目前技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，可以從以下幾個(gè)方面深入開展智能軸承的研究工作。

4.1 系統(tǒng)化

智能軸承并不是簡單的將傳感器集成到軸承上感知軸承運(yùn)行狀態(tài)，而是要形成自感知、自決策、自調(diào)控的閉環(huán)系統(tǒng)。傳感器采集軸承多源服役信息，利用無線網(wǎng)絡(luò)將軸承服役數(shù)據(jù)傳輸至云端(決策終端)；云端利用專用智能算法處理評估軸承運(yùn)行狀態(tài)，并對軸承性能調(diào)控系統(tǒng)發(fā)送指令，通過調(diào)控預(yù)緊力、潤滑劑量、冷卻參數(shù)及工況參數(shù)(如轉(zhuǎn)速、切削量等)等調(diào)節(jié)軸承狀態(tài)。由此看出，智能軸承相較于傳統(tǒng)軸承，將從一個(gè)單一軸承發(fā)展成為一個(gè)軸承單元或軸承系統(tǒng)。

4.2 監(jiān)測信息多樣化

監(jiān)測信息單一不僅會(huì)割裂軸承不同故障之間的聯(lián)系，而且難以完整描述軸承的健康信息狀態(tài)。監(jiān)測信息多樣化包括軸承監(jiān)測信息類型多樣化和軸承監(jiān)測部位多樣化。傳統(tǒng)的軸承在線監(jiān)測指標(biāo)只有溫度、轉(zhuǎn)速等簡單信息，隨著傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，更多樣的監(jiān)測手段可以被集成在智能軸承中，如振動(dòng)、潤滑狀態(tài)等，如某潤滑脂傳感器可同時(shí)監(jiān)測水量、污染度、溫度及機(jī)械磨損等指標(biāo)。另外，受軸承自身的結(jié)構(gòu)特性及運(yùn)行后的動(dòng)態(tài)特性限制，傳統(tǒng)的信息監(jiān)測更多是針對其外圈靜止組件的監(jiān)測，而內(nèi)圈、滾動(dòng)體及保持架等動(dòng)態(tài)組件往往無法監(jiān)測。Andrew等[27]對滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈之間的溫度差異研究表明，軸承正常運(yùn)行溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，內(nèi)圈與外圈溫度相差近30℃，如圖10(a)所示；軸承失穩(wěn)臨界點(diǎn)內(nèi)圈溫度急劇增大，而外圈溫度變化很小并且相對滯后，如圖10(b)所示。軸承動(dòng)態(tài)組件通常含有更豐富的軸承狀態(tài)信息，對它們的監(jiān)測更能靈敏并準(zhǔn)確地反映軸承運(yùn)行狀態(tài)。

圖10 滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈溫度響應(yīng)趨勢Fig.10 Temperature response of inner and outer rings

目前已有多種監(jiān)測手段可以監(jiān)測軸承內(nèi)圈、保持架的溫度。如文獻(xiàn)[21]基于電氣技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)，將溫度測試系統(tǒng)嵌入到軸承鎖緊螺母中，利用鎖緊螺母與軸承接觸配合實(shí)現(xiàn)對軸承內(nèi)圈溫度采集，其原理圖如圖11所示。文獻(xiàn)[28-30]基于量子點(diǎn)材料的感溫感光特性合成了量子點(diǎn)溫敏傳感器，實(shí)現(xiàn)了高速軸承服役條件下旋轉(zhuǎn)部件的溫度測量，其原理圖如圖12所示。通過選用兩種不同熒光發(fā)射波長的量子點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了軸承內(nèi)圈-保持架溫度同步監(jiān)測。

圖11 嵌入式滾動(dòng)軸承內(nèi)圈溫度無線監(jiān)測Fig.11 Embedded wireless temperature monitoring of bearing inner ring

圖12 基于量子點(diǎn)傳感器的滾動(dòng)軸承內(nèi)部溫度監(jiān)測Fig.12 Internal temperature monitoring of rolling bearing based on quantum dot sensor

4.3 智能化

智能軸承技術(shù)得到的海量軸承數(shù)據(jù)依靠人工處理是不可能完成的任務(wù)，智能化是智能軸承的必然發(fā)展方向。人工智能技術(shù)、微傳感器技術(shù)以及精密加工技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及診斷的智能化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。將人工智能技術(shù)應(yīng)用于軸承狀態(tài)評估及自動(dòng)控制中，可以解決傳統(tǒng)方法人為依賴嚴(yán)重的問題，提高信息評估及行為反饋的自動(dòng)化程度。智能化軸承不再需要人們不斷地將傳感器監(jiān)測信號提取出來進(jìn)行分析，而是以信號處理技術(shù)為基礎(chǔ)，以人工智能等先進(jìn)技術(shù)為核心構(gòu)建智能化軸承系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以綜合分析軸承海量運(yùn)行數(shù)據(jù)與軸承歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行軸承狀態(tài)智能評估及智能診斷。

5 結(jié)束語

軸承的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系著機(jī)械設(shè)備的工作性能和運(yùn)行安全，現(xiàn)代工業(yè)對高端軸承的需求使得智能軸承成為必然發(fā)展方向。智能軸承具備自感知、自決策、自調(diào)控功能，是國外軸承企業(yè)高端軸承發(fā)展的主要方向之一。筆者總結(jié)了國內(nèi)外智能軸承發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢，由調(diào)研結(jié)果看，智能軸承技術(shù)在國外已經(jīng)得到了足夠的重視，近兩年來技術(shù)發(fā)展迅速；國內(nèi)的研究尚處在技術(shù)研發(fā)的初級階段，但具備良好的研發(fā)基礎(chǔ)。我國軸承行業(yè)應(yīng)高度重視智能軸承技術(shù)及產(chǎn)品的研發(fā)，搶占未來高端軸承技術(shù)的制高點(diǎn)。