李彬彬，寇志海，郭宇航

（1.沈陽航空航天大學(xué) 教學(xué)質(zhì)量與評估處，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué) 航空發(fā)動機(jī)學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

軸承作為當(dāng)代機(jī)械設(shè)備的重要基礎(chǔ)零部件，起著支撐和傳遞動力的作用，是機(jī)械平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的保證，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)、高速列車、汽車、機(jī)床、水輪機(jī)等機(jī)械裝備中。隨著軸承轉(zhuǎn)速的不斷提高，相應(yīng)地帶來了軸承摩擦生熱加劇、疲勞壽命降低、保持架及滾動體打滑、滾動表面損傷和保持架不穩(wěn)定等一系列由于軸承高速運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的問題，這將直接影響主軸-軸承系統(tǒng)的工作性能和壽命。特別是摩擦生熱的急劇增加將導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)軸承工作溫度異常升高。因此，溫度被認(rèn)為是影響高速旋轉(zhuǎn)軸承部件壽命和性能的最重要參數(shù)，它經(jīng)常被選為觀測高速旋轉(zhuǎn)軸承狀態(tài)監(jiān)測的功能參數(shù)。

根據(jù)測量軸承溫度所需的范圍、精度、靈敏度、壽命、尺寸、成本、可靠性及測量可行性等因素選擇不同的溫度測量與測試方法。高速旋轉(zhuǎn)軸承的溫度測量方式主要有熱電偶測溫法、紅外輻射測溫法、光纖光柵傳感器測溫法、LC電子振蕩測溫法。

1 熱電偶測溫

熱電偶測溫方法是利用熱電效應(yīng)原理將溫度信號轉(zhuǎn)變成熱電動勢信號的一種接觸式溫度測量方法。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單，測溫精度較高，便于遠(yuǎn)程測量操控，價格低等優(yōu)點，是目前軸承溫度測量領(lǐng)域中使用較廣泛的測溫方法。但熱電偶測溫法屬于點測溫方法，不能反映區(qū)域溫度分布的變化，存在一定的局限性。

RADIL等[1]對徑向空氣軸承的內(nèi)部溫度分布進(jìn)行了試驗研究。通過在軸承中心和邊緣布置9個K型熱電偶，對不同旋轉(zhuǎn)速度和載荷條件下軸承的局部溫度進(jìn)行了測量，估算軸向和周向溫度梯度。轉(zhuǎn)速和徑向載荷都是軸承摩擦生熱造成溫度升高的重要影響因素，其中轉(zhuǎn)速的影響更為明顯。

GLAVATSKIH[2]研究了一種監(jiān)測軸承油膜溫度的方法。利用熱電偶測量軸承襯套背面和襯套的溫度，如圖1所示。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，由相關(guān)數(shù)據(jù)采集分析軟件顯示所測溫度，從而實現(xiàn)對推力滑動軸承的實時監(jiān)控。

圖1 熱電偶的安裝

CRISTEA等[3]在低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)條件下對周向溝槽徑向滑動軸承進(jìn)行溫度和壓力分布的實驗測定。通過在每個測量平面上布置等間距的熱電偶對軸承溫度進(jìn)行測量，如圖2所示，并對軸承的壓力和溫度場進(jìn)行分析。軸承的最高溫度出現(xiàn)在急劇的壓降區(qū)域。

圖2 軸承上熱電偶的連接

AHMAD等[4]利用12個熱電偶測量了不同徑向載荷和轉(zhuǎn)速下油槽供油位置對軸承溫度分布的影響。結(jié)果表明，當(dāng)油槽供油位置位于靠近最小膜厚位置的收斂段時，軸承溫度分布有減小的趨勢。

TARAWNEH等[5]利用K型熱電偶對帶有內(nèi)環(huán)和外環(huán)缺陷的軸承工作過程進(jìn)行了70次溫度測試實驗。結(jié)果表明，具有相當(dāng)大尺寸缺陷的軸承在健康無缺陷軸承的溫度范圍內(nèi)或以下運行時，許多有缺陷的軸承無法被檢測到，目前采用軸承監(jiān)測溫度狀態(tài)的檢測方法是不充分的。

CRISTEA等[6]基于K型熱電偶，通過實驗確定了低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)條件下從靜止啟動到熱穩(wěn)定運行狀態(tài)過程中軸承槽內(nèi)潤滑膜的周向和軸向溫度分布。軸承油膜壓力場比溫度場建立得更快。在油膜壓力最低的區(qū)域，軸承的油膜溫度最高。NAJAR等[7]對水冷推力軸承的性能進(jìn)行了試驗研究。安裝了15個熱電偶測量軸承油膜溫度分布。試驗結(jié)果表明，墊體內(nèi)部采用冷卻回路對軸承的性能有較大影響。采用水冷卻裝置可大幅度降低軸承的油膜溫度，從而大大提高了軸承的效率和壽命。

KAKUDO等[8]為了測量在使用燃?xì)饫鋮s劑下火箭發(fā)動機(jī)渦輪泵軸承的性能，利用熱電偶對不同軸承轉(zhuǎn)速、推力載荷、冷卻劑流量條件下的軸承溫度進(jìn)行試驗測量。軸承溫度隨著轉(zhuǎn)速和推力載荷的增加而迅速增加。在較高的流量條件下，軸承溫度保持較低。

2 紅外輻射測溫法

紅外輻射測溫法是根據(jù)一切溫度高于熱力學(xué)零度的物體都具有以電磁波的形式向外輻射能量特性，基于紅外光的溫度效應(yīng)，利用普朗克分布定律將紅外光轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的測溫方式。紅外輻射測溫方式安全、快速、可靠、方便，屬于非接觸式測溫方法，可在軸承運行過程中獲得軸承溫度的動態(tài)變化特性。

YUSHA等[9]基于紅外輻射測溫技術(shù)，提出并設(shè)計了一種用于測定非潤滑軸承摩擦加熱過程中旋轉(zhuǎn)軸的表面溫度的實驗臺，軸承溫度測量誤差不超過2.6%。

WANG等[10]采用紅外熱像儀測量透明軸承的襯套內(nèi)表面溫度，研究了轉(zhuǎn)速和軸向位置對襯套內(nèi)表面溫度的影響。結(jié)果表明，襯套內(nèi)表面溫度和螺旋油楔動壓軸承溫升隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。回油孔周圍溫度較高。轉(zhuǎn)速越高，軸套內(nèi)表面最高溫度和溫升越高。

CHEN等[11]根據(jù)軸承的槽位和槽尺寸，將滿足小型化、低功耗的紅外測溫傳感器和振動信號傳感器集成到軸承體中，如圖3所示。將傳感器模塊用環(huán)氧樹脂粘接在監(jiān)測軸承上。紅外測溫傳感器的探頭對準(zhǔn)軸承內(nèi)圈以測量軸承內(nèi)圈的溫度，實現(xiàn)對軸承運行狀態(tài)的實時智能監(jiān)控。

圖3 軸承和傳感器的集成

3 光纖光柵傳感器測溫法

光纖光柵傳感器測溫法是利用光纖材料的光敏特性，使光纖折射率發(fā)生沿軸向周期或非周期的永久性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。光纖光柵測溫法具有尺寸小、重量輕、不受電磁干擾、靈敏度高、抗腐蝕、傳輸距離遠(yuǎn)等特點。

DREYER等[12]給出了一種用于測量水電廠水輪發(fā)電機(jī)軸承的準(zhǔn)分布式溫度測量的光纖布拉格光柵溫度傳感器。與Pt100鉑熱敏電阻傳感器相比，光纖布拉格光柵傳感器在使用校準(zhǔn)實驗裝置進(jìn)行的12 h測試中測溫的最高誤差為1.0℃，更為符合水輪發(fā)電機(jī)軸承溫度監(jiān)測的要求。

LIU等[13]采用準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵傳感器對推力滑動軸承軸瓦穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度分布進(jìn)行實驗測量。實驗結(jié)果表明，光纖布拉格光柵溫度傳感器在測量軸承軸瓦溫度分布時具有良好的精度、穩(wěn)定性和一致性，并且其溫度響應(yīng)迅速。與熱電偶測溫結(jié)果相比，光纖布拉格光柵傳感器的測溫誤差小于2℃。

ZHOU等[14-15]針對雙列圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)特點，在軸承的周向、軸向和徑向布置了15個光纖布拉格光柵傳感器，如圖4所示，實現(xiàn)軸承內(nèi)、外圈多點溫度的實時測量。軸承的周向、軸向和徑向溫差受其旋轉(zhuǎn)速度和外載荷的影響，轉(zhuǎn)速對軸承溫升的影響比外載荷更加明顯。軸承內(nèi)環(huán)的平均溫度高于外環(huán)。對于重載或高速軸承，有必要注意固定軸承套圈的周向溫度問題。

圖4 光纖光柵傳感器的布置

LIU等[16]提出了一種基于嵌入式光纖布拉格光柵傳感器的多點準(zhǔn)分布式傳感方法，分別測量了空轉(zhuǎn)、軸向上傳和徑向切削力3種不同工況下軸承外圈的溫度場。實驗結(jié)果表明，光纖光柵與熱電偶之間的溫度測量誤差在10%以內(nèi)。這種準(zhǔn)分布式傳感方法可以很好地應(yīng)用于主軸軸承溫度場分布的測量。

4 LC電子振蕩測溫法

LC電子振蕩測溫法是通過由全無源器件構(gòu)成的LC傳感器，通過溫敏材料，將被測溫度轉(zhuǎn)化為LC諧振回路的諧振頻率進(jìn)行測量的測溫方式。這種測溫方式不再依賴各種線信號，可應(yīng)用于復(fù)雜惡劣工作環(huán)境下的軸承溫度測量。

NICKEL等[17]利用LC電子振蕩器的頻率調(diào)制來測量圓錐滾子軸承中的滾子溫度。研究證實，軸承元件所達(dá)到的溫度對軸承運行條件比外殼溫度更敏感。JOSHI等[18]在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了兩種用于軸承測溫的溫度遙測儀，即電池供電、遠(yuǎn)程供電，并證明了它們作為軸承狀態(tài)監(jiān)測儀器的有效性。試驗表明，保持架溫度對摩擦學(xué)變化的響應(yīng)非常快。保持架溫度是確定滾動軸承溫度狀態(tài)的一個很好的監(jiān)測參數(shù)。

HENAO等[19-20]給出了一種基于Colpitts振蕩器的、用于監(jiān)測軸承保持架溫度的無電池?zé)o線傳感技術(shù)，傳感器的安裝如圖5所示。在振蕩器的輸出端附加一個小天線，輻射的電磁信號被附近的接收機(jī)檢測到。該溫度測量電路具有體積小、功耗低、動態(tài)范圍寬、成本低等特點。

圖5 溫度傳感器在球軸承上的安裝

DRANEY[21]給出了一種基于LC電子振蕩的傳感方法的軸承溫度傳感器，該傳感器具有小型化、低功耗、能夠承受較高溫度等特點。能夠在300℃的高溫下進(jìn)行工作，可用于在渦輪發(fā)動機(jī)等惡劣環(huán)境中確定軸承健康狀況的監(jiān)測。

SHAHIDI等[22]提出了一種基于LC振蕩電路的、用于軸承保持架多點溫度健康監(jiān)測的無線溫度傳感器。采用無源雙傳感器設(shè)計，如圖6所示，每個傳感器可校準(zhǔn)至90℃。這種傳感器概念可以擴(kuò)展到包括兩個以上的LC振蕩電路，從而能夠檢測更多的局部溫度。在此基礎(chǔ)上，SHAHIDI等[23]開發(fā)一種用于實時監(jiān)測軸承狀態(tài)的無線溫度和振動傳感器，能夠利用電感耦合同時測量軸承保持架的溫度和振動特征。實現(xiàn)了從轉(zhuǎn)速1 280 r/min到3 250 r/min時軸承保持架溫度從20℃到90℃的測量。

圖6 LC溫度傳感器在軸承上的安裝

另外，GUPTA等[24]提出了一種用于軸承狀態(tài)監(jiān)測的無線溫度傳感器。該傳感器是一個環(huán)形永久釤鈷磁鐵和霍爾效應(yīng)傳感器的組合，溫度變化引起的磁場變化檢測軸承的溫度。傳感器在軸承上的安裝位置如圖7所示。在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、負(fù)載為100~150磅的情況下進(jìn)行動態(tài)測試。該磁體溫度傳感器額定工作溫度可達(dá)150℃，預(yù)計使用壽命大于10 000 h。

圖7 磁場和霍爾效應(yīng)傳感器在軸承上的安裝

5 結(jié)論

（1）熱電偶測溫法相對成熟，結(jié)構(gòu)簡單，測溫精度較高，便于遠(yuǎn)程測量操控，價格低，在軸承測溫領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但熱電偶測溫只能反映監(jiān)控點的溫度，而不能研究軸承的區(qū)域溫度分布，并且熱電偶的動態(tài)溫度測量精度不高。

（2）紅外輻射測溫法作為非接觸式測溫方法，能夠反映軸承的溫度分布，并能進(jìn)行動態(tài)特性監(jiān)測。但紅外輻射測溫法易受到環(huán)境背景輻射的干擾而導(dǎo)致溫度測量精度不高，需要對軸承紅外溫度測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償和修正。

（3）光纖光柵傳感器測溫法作為無源敏感元件的測溫方式，具有體積小、重量輕、測量范圍大、靈敏度高、防爆、防燃、抗電磁干擾等特點。但光纖光柵傳感器的價格昂貴，在高溫、高旋轉(zhuǎn)速度惡劣環(huán)境下對軸承溫度進(jìn)行測量的可靠性還需進(jìn)一步驗證。

（4）LC電子振蕩測溫法基于無源器件特性，可應(yīng)用于工作環(huán)境惡劣下軸承溫度測量，但對于超高旋轉(zhuǎn)速度環(huán)境下軸承溫度的精確測量還需進(jìn)一步突破。

（5）開發(fā)航空發(fā)動機(jī)等超高速旋轉(zhuǎn)條件下軸承溫度的精確測量技術(shù)，將是軸承溫度測量領(lǐng)域需要重點突破的研究方向之一。最近的CdTe量子點溫度傳感器在理論上不受軸承轉(zhuǎn)速的限制，已成功應(yīng)用于15 000 r/min超高旋轉(zhuǎn)速度下軸承的溫度監(jiān)測[25-26]，可望在航空發(fā)動機(jī)等超高速旋轉(zhuǎn)情況下軸承溫度測量領(lǐng)域具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>