張凱 梁波 高昕星 袁峰

(1.國機(jī)傳感科技有限公司 遼寧 沈陽 110043; 2.國機(jī)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京 100080; 3.國機(jī)集團(tuán)工程振動(dòng)控制技術(shù)研究中心 北京 100080;4.國機(jī)傳感科技有限公司傳感技術(shù)中心 遼寧 沈陽 110041)

軸承是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體的重要零件。大量事實(shí)證明：許多由軸承損壞引起的機(jī)器故障是在軸承預(yù)期壽命前就出現(xiàn)了。對(duì)軸承的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，是避免因軸承故障造成災(zāi)難性后果的有效手段。傳感器測(cè)點(diǎn)選擇是軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)首要解決的問題[1]。一般情況下，對(duì)軸承的監(jiān)測(cè)是通過在軸承座或箱體上安裝振動(dòng)傳感器獲取軸承的工作狀態(tài)信號(hào)，通過這種方法采集到的信號(hào)除去軸承本身的工作信息外，還包含設(shè)備中其他運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，對(duì)軸承故障的監(jiān)測(cè)非常不利[2]。因此，提供一種高精度軸承監(jiān)測(cè)方法成為必要。

隨著軟件、硬件技術(shù)的不斷更新迭代，軸承監(jiān)測(cè)診斷正朝著自動(dòng)化、智能化、集成化的方向發(fā)展[3]。本文研發(fā)了一種多參數(shù)監(jiān)測(cè)智能軸承，用以監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)加速度、溫度和轉(zhuǎn)速。智能軸承是指在傳統(tǒng)軸承的基礎(chǔ)上集成不同用途的傳感器，使其結(jié)合成為一體而形成獨(dú)特的結(jié)構(gòu)單元，再通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理，達(dá)到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的目的。

國外智能軸承產(chǎn)品主要有SKF 集團(tuán)研發(fā)的SKF Insight 系列外掛式智能軸承和舍弗勒集團(tuán)生產(chǎn)的FAG-VarioSence 智能軸承系統(tǒng)[4]。相較于國外，國內(nèi)技術(shù)差距明顯，掌握軸承生產(chǎn)與傳感器開發(fā)技術(shù)的企業(yè)為數(shù)不多，智能軸承停留在研究階段，并未有產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。

本研究的技術(shù)路線主要包括智能軸承總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動(dòng)加速度的測(cè)量、轉(zhuǎn)速的測(cè)量、溫度的測(cè)量、智能軸承測(cè)試，重點(diǎn)研究了軸承振動(dòng)加速度的測(cè)量方式，通過對(duì)軸承工況下振動(dòng)特性的研究與軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，選擇采用三軸振動(dòng)加速度計(jì)作為研究基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量；通過對(duì)軸承內(nèi)圈結(jié)構(gòu)的改造，采用霍爾傳感器與磁編碼體相結(jié)合的方式測(cè)量軸承轉(zhuǎn)速；采用溫度傳感器測(cè)量軸承內(nèi)圈的溫度。經(jīng)過測(cè)試，智能軸承具有良好的監(jiān)測(cè)功能，監(jiān)測(cè)精度較傳統(tǒng)軸承座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有很大提升。

本研究研發(fā)的智能軸承為軸承故障預(yù)警提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，為工業(yè)生產(chǎn)提供了更好的安全保障，使軸承行業(yè)在智能化、高端化道路上邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

1 智能軸承的功能實(shí)現(xiàn)

針對(duì)國內(nèi)市場(chǎng)智能軸承產(chǎn)品的空白，綜合軸承實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況中出現(xiàn)的多發(fā)性故障，基于目前傳感器應(yīng)用行業(yè)的技術(shù)水平，設(shè)計(jì)并研發(fā)了一款對(duì)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)加速度、轉(zhuǎn)速和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智能軸承。該智能軸承以6012深溝球軸承為本體，通過軸承與多參數(shù)智能傳感器的緊密結(jié)合乃至“一體化”，在很大程度上減少了信號(hào)在傳輸過程中的損失，提高了測(cè)量精度。智能軸承將采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給云端數(shù)據(jù)管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與故障的預(yù)測(cè)。

1.1 智能軸承總體結(jié)構(gòu)

嵌入式智能軸承技術(shù)是通過改變傳統(tǒng)軸承結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，即在軸承上開槽，嵌入微傳感器模塊[5]。但該方法改變了軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響了軸承正常的使用壽命。

本文智能軸承的核心部件是振動(dòng)加速度傳感器、溫度傳感器與轉(zhuǎn)速傳感器。智能軸承的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中，微控制器、加速度計(jì)、溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器與協(xié)議轉(zhuǎn)換器位于軸承本體，無線通信模塊位于軸承外部，與軸承本體有線連接。

軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，加速度計(jì)、溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過A/D 轉(zhuǎn)換或I2C 協(xié)議格式傳遞給微處理器，微處理器通過對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算和整理，將有效數(shù)據(jù)編譯成數(shù)據(jù)幀，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器以RS485 協(xié)議的格式輸出給無線通信模塊；無線通信模塊將數(shù)據(jù)信息傳遞給云端數(shù)據(jù)管控平臺(tái)進(jìn)行軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警。

智能軸承外觀結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 智能軸承外觀結(jié)構(gòu)圖

1.2 振動(dòng)加速度的測(cè)量

據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于機(jī)體振動(dòng)而引起的故障占到航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障的70%以上。造成滾動(dòng)軸承處于振動(dòng)環(huán)境的原因有很多，包括滾動(dòng)軸承內(nèi)部原因和外部原因[6]。

L.Douglas Berry 對(duì)振動(dòng)載荷與軸承壽命的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的研究，由表1 可以看出載荷的增長導(dǎo)致軸承壽命的下降，由表2 可以看出減小振動(dòng)使軸承壽命得到延長。由此可見，振動(dòng)對(duì)軸承壽命的影響非常顯著，對(duì)軸承振動(dòng)的研究非常重要。

表1 載荷增加對(duì)軸承壽命的影響

表2 減振對(duì)軸承壽命的影響

表征軸承的振動(dòng)載荷有兩種方式：一是通過對(duì)軸承及其周圍部件的研究，結(jié)合機(jī)理分析和數(shù)據(jù)推動(dòng)，利用公式計(jì)算出軸承的振動(dòng)載荷；二是從軸承本身入手，利用振動(dòng)加速度來表征振動(dòng)載荷，使用加速度計(jì)測(cè)量軸承的振動(dòng)加速度?；诟叨嘶?、智能化的目的，選擇了第二種方案。

軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)為不規(guī)則振動(dòng)，方向無法判定。要想準(zhǔn)確表示軸承的振動(dòng)大小與方向，需要分別測(cè)量軸承的軸向振動(dòng)分量與徑向振動(dòng)分量。軸承的軸向振動(dòng)平面與徑向振動(dòng)平面相互垂直，計(jì)算二者的矢量和得到軸承的振動(dòng)加速度合量。

目前，市場(chǎng)上加速度計(jì)分為單軸、兩軸與三軸3種類型。為了測(cè)量軸承的振動(dòng)加速度，設(shè)計(jì)了3種方案：第一種方案采用3 個(gè)單軸加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量；第二種方案采用一個(gè)兩軸加速度計(jì)與一個(gè)單軸加速度計(jì)匹配的方式進(jìn)行測(cè)量；第三種方案采用一個(gè)三軸加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)3 種方案分別進(jìn)行了研究后發(fā)現(xiàn)：由于軸承3 個(gè)方向上的振動(dòng)加速度分量分別互相垂直，而加速度計(jì)的放置方向必須嚴(yán)格符合振動(dòng)加速度的方向，所以當(dāng)采用第一種與第二種方案時(shí)，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)加速度計(jì)相互垂直的情況，這在平面電路板上是無法實(shí)現(xiàn)的；如果使用異形電路板，軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)狹窄將導(dǎo)致安裝困難，且同一時(shí)間點(diǎn)上不同方向的振動(dòng)加速度應(yīng)采用不同加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果關(guān)于時(shí)間的準(zhǔn)確擬合增加了計(jì)算量，同時(shí)存在很大誤差。因此，選用了第三種方案，基于Analog Devices公司三軸加速度計(jì)進(jìn)行研究。

為了提高振動(dòng)加速度的測(cè)量效果，對(duì)加速度計(jì)的安裝位置進(jìn)行了研究。出于嚴(yán)謹(jǐn)性考慮，測(cè)量軸承的振動(dòng)加速度時(shí)，理想狀態(tài)下應(yīng)該將加速度計(jì)置于軸承本體上并緊密貼合，使軸承與加速度計(jì)一同振動(dòng)。但由于信號(hào)輸出與供電等原因，加速度計(jì)只能置于電路板上。因此，對(duì)智能軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將加速度計(jì)置于電路板上，電路板置于傳感器模塊內(nèi)部并與其牢牢固定，傳感器模塊與軸承本體牢固固定。理論上，這種設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致軸承本體的振動(dòng)加速度傳遞到加速度計(jì)時(shí)產(chǎn)生一定的衰減。為了最大程度降低振動(dòng)加速度的衰減，對(duì)電路板與模塊外殼連接處、傳感器模塊與軸承本體的連接處進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，盡可能實(shí)現(xiàn)軸承本體、傳感器模塊外殼與電路板的同步振動(dòng)，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)智能軸承的“一體化”。

測(cè)得三軸振動(dòng)加速度后，設(shè)計(jì)了兩種途徑對(duì)振動(dòng)加速度分量進(jìn)行矢量運(yùn)算。第一種途徑是在微控制器內(nèi)部使用C 語言程序計(jì)算合矢量，再將數(shù)據(jù)傳遞給云端管控平臺(tái)；第二種途徑是直接將分矢量傳遞給云端管控平臺(tái)，在上位機(jī)使用Java語言程序完成矢量計(jì)算?？紤]到微處理器程序編寫的復(fù)雜性與對(duì)微控制器內(nèi)存的要求，同時(shí)出于降低芯片功耗的目的，選擇將各振動(dòng)加速度分量以時(shí)間作為基準(zhǔn)進(jìn)行匹配后傳輸給云端數(shù)據(jù)管控平臺(tái)，在上位機(jī)進(jìn)行軸承振動(dòng)加速度的矢量計(jì)算，在微控制器上省去該步驟。

1.3 轉(zhuǎn)速的測(cè)量

由于軸承處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，選用了非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)量方式，采用霍爾元件與磁編碼器組合的形式測(cè)量振動(dòng)加速度。軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸承外圈處于靜止?fàn)顟B(tài)，內(nèi)圈處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。將霍爾元件安裝在軸承外圈的端面上，其敏感區(qū)貼近軸承內(nèi)圈的端面。在軸承內(nèi)圈端面上貼裝磁編碼器，當(dāng)軸承旋轉(zhuǎn)使磁編碼器中的磁化區(qū)域周期性通過霍爾元件的敏感區(qū)時(shí)，引起霍爾元件輸出電壓的周期性變化，通過分析該電壓的周期，求得軸承當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。選用了Honeywell 公司出品霍爾效應(yīng)器作為測(cè)量元件。轉(zhuǎn)速傳感器安裝在軸承端面上，安裝方式如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速傳感器安裝示意圖

1.4 溫度的測(cè)量

軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，其內(nèi)部可能產(chǎn)生較高的溫度，同時(shí)向外側(cè)具有很高的溫度衰減，軸承內(nèi)圈的溫度最能表征軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。對(duì)軸承內(nèi)圈溫度的監(jiān)測(cè)在一定程度上可以反映軸承狀態(tài)變化與運(yùn)行故障，是軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究方向之一。但軸承工作時(shí)內(nèi)圈處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，無法采用接觸式測(cè)溫方式。另外，由于軸承內(nèi)部潤滑劑、油污等干擾，紅外測(cè)溫的方式可能存在較大誤差。因此，從穩(wěn)定性與安全性的角度出發(fā)，將溫度傳感器置于電路板上，并使溫度傳感器盡量靠近軸承內(nèi)圈，最大程度上還原軸承內(nèi)圈的工作溫度。選用了一個(gè)量程范圍為-55～125 ℃的低功耗模擬輸出溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。

1.5 微控制器

考慮到軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中內(nèi)部溫度較高，微控制器應(yīng)選用工作溫度為-40～125 ℃的汽車級(jí)微控制器芯片。同時(shí)，由于6012 深溝球軸承體積較小，選擇的芯片體積應(yīng)盡量小。經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)由于目前國內(nèi)芯片市場(chǎng)受到限制，可供選擇的微控制器數(shù)量不多。經(jīng)過綜合考慮后選擇了STM32L0 系列ARM 處理器作為微控制器。

1.6 軸承載體的型號(hào)與尺寸

本項(xiàng)目所使用的軸承載體型號(hào)為6012 深溝球軸承，即軸承內(nèi)徑為60 mm，外徑為95 mm，軸向?qū)挾葹?8 mm。智能軸承測(cè)量模塊擬外掛安裝在軸承的環(huán)形端面，可用空間為徑向?qū)挾葹?5 mm的環(huán)形區(qū)域，軸向長度也限定在15 mm之內(nèi)。智能軸承測(cè)量模塊與軸承本體之間的安裝示意圖如圖4所示。

圖4 智能軸承模塊安裝示意圖

2 智能軸承測(cè)試

傳統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)診斷方法一般是將傳感器安放在軸承座上，智能軸承的傳感器則更接近故障源。通過對(duì)智能軸承與傳統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩種方法的故障監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行了對(duì)比。

由圖5、圖6 可知，在相同工況條件下的豎直方向上，智能軸承的加速度信號(hào)峰值為39.8 g，軸承座上的振動(dòng)加速度信號(hào)峰值為6.2 g。軸承座上的振動(dòng)加速度信號(hào)幅值遠(yuǎn)小于智能軸承上的振動(dòng)加速度信號(hào)幅值。

圖5 智能軸承振動(dòng)加速度信號(hào)時(shí)域圖

圖6 傳統(tǒng)軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)加速度信號(hào)時(shí)域圖

同時(shí)，在轉(zhuǎn)速與溫度的測(cè)量過程中，智能軸承較傳統(tǒng)軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在性能方面都有顯著提升，測(cè)量精度更高，故障預(yù)測(cè)能力更強(qiáng)。

3 結(jié)語

本次研發(fā)的智能軸承在監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)加速度、溫度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)時(shí)具備良好的性能表現(xiàn)，相較傳統(tǒng)軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有顯著的提升，其中振動(dòng)加速度的監(jiān)測(cè)信號(hào)幅值達(dá)到了傳統(tǒng)軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的3倍以上，能更好地判斷軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，具有優(yōu)秀的故障預(yù)測(cè)預(yù)警能力。同時(shí)，該產(chǎn)品造價(jià)低廉，安全性高，移植性強(qiáng)，技術(shù)成熟，滿足市場(chǎng)推廣的必備條件，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。