基于無線傳輸?shù)闹悄茱L電轉(zhuǎn)盤軸承測試系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

方成剛，陳捷，謝冬華，孫冬梅，王華

(南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，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，通過測試系統(tǒng)實時監(jiān)測軸承內(nèi)部參數(shù)變化，通過數(shù)據(jù)處理提取特征故障信號用以在早期找到軸承故障點，及時掌握軸承的運行狀態(tài)，采取控制措施，減少事后維修，最大程度地延長軸承的壽命，降低維護成本[1]。智能風電轉(zhuǎn)盤軸承是在直徑大于1 500 mm的風電轉(zhuǎn)盤軸承上集成測控系統(tǒng)，達到智能監(jiān)測和控制的目的。

目前，智能軸承技術(shù)在國外已經(jīng)有了迅速的發(fā)展，國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，廣泛地應用于汽車、工程機械等重要領域[1-4]。在智能軸承的實現(xiàn)方式上，文獻[5-7]提出將微型化的傳感器和信號放大電路直接植入到軸承的外圈中。文獻[6-9]重點探討了應用于智能軸承的薄膜傳感器的特點、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[10]設計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, 實現(xiàn)對軸承運轉(zhuǎn)過程中振動信號、轉(zhuǎn)速信號、內(nèi)圈(軸)和外圈溫度信號的采集。文獻[11-14]研究了1.5 MW偏航軸承為植入傳感器而導致局部結(jié)構(gòu)改變對智能偏航轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)構(gòu)強度的影響，并提出了智能軸承相關(guān)的設計思想。

風電偏航軸承是風機的重要部件，位于風機的機艙底部并承載著風機的全部重量；風電變槳軸承承受風機葉片的重量和復雜載荷，由于安裝的位置不易拆卸且拆卸費用較高，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電轉(zhuǎn)盤軸承非常必要。經(jīng)有限元計算[14]，在1.5 MW的轉(zhuǎn)盤軸承機械機構(gòu)設計中，需要安裝各類傳感器，其開孔尺寸為6～14 mm，通過風電轉(zhuǎn)盤軸承試驗臺的試驗過程發(fā)現(xiàn)[14]，對于高速小尺寸的軸承，機械結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵；但對于大型的轉(zhuǎn)盤軸承，傳感器安裝開孔位置足夠，智能化的關(guān)鍵是測試系統(tǒng)，特別是故障診斷系統(tǒng)，在此重點討論測試系統(tǒng)的設計和技術(shù)實現(xiàn)。

1 測試原理

由于設計、制造、安裝和使用過程中的各種因素，會產(chǎn)生滾動體、滾道點蝕磨損，導致間隙增大；無油干摩擦；保持架碎裂；滾動體、滾道嚴重磨損并出現(xiàn)凹坑；內(nèi)、外圈與上、下金屬結(jié)構(gòu)的連接螺栓松動；金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋等故障，并在振動、溫度、摩擦力矩、噪聲、齒根應力等方面有所變化[15]。所以，這些參數(shù)都可以作為轉(zhuǎn)盤軸承的監(jiān)測對象，通過信號處理技術(shù)，提取故障特征，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)盤軸承的故障診斷，同時報警及早注油。

2 系統(tǒng)硬件組成

風電轉(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)機械的故障診斷一直是國內(nèi)、外研究的難點，高速旋轉(zhuǎn)機械的成熟方法難以直接用于風電軸承。若僅用時域方法進行診斷，針對不同類型的轉(zhuǎn)盤軸承，時域閥值指標難以確定；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，也很難對轉(zhuǎn)盤軸承故障進行有效識別。在風電轉(zhuǎn)盤軸承的應用中對加速度傳感器采集的信號進行基于小波的故障診斷，取得了一定的研究成果，但需要采用復雜的時頻分析方法對故障進行判斷，如小波、HHT等算法[16]。在大型風電轉(zhuǎn)盤軸承的測試系統(tǒng)中如果采用嵌入式系統(tǒng)設計，對于復雜的數(shù)學計算會產(chǎn)生大量的軟件工作。因此，本測試系統(tǒng)擬采用集成度高的數(shù)據(jù)采集卡和計算機，可以利用PC機的強大計算功能，以避免設計數(shù)據(jù)采集卡和減少復雜數(shù)學計算軟件設計調(diào)試的工作，可以更專注于風電轉(zhuǎn)盤軸承的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的研究，有更好的可靠性。

各種傳感器一般安裝在定圈上，但風電轉(zhuǎn)盤軸承的驅(qū)動齒輪在風機上有內(nèi)齒驅(qū)動和外齒驅(qū)動，為方便安裝和檢查，傳感器全部安裝于風電轉(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圈上。為避免風機和葉片的旋轉(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)采集卡可以和風電轉(zhuǎn)盤軸承同時旋轉(zhuǎn)。圖1為風電智能軸承硬件系統(tǒng)。其主要由風電轉(zhuǎn)盤軸承、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、無線傳輸模塊及工控機組成。監(jiān)測智能軸承運轉(zhuǎn)的參數(shù)由數(shù)據(jù)采集卡采集(NI9239)，通過無線網(wǎng)絡(NI WLS-9163)傳輸至工控機，工控機中的虛擬儀器系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行顯示、保存、處理和控制等工作。

圖1 多組智能軸承遠距離虛擬儀器系統(tǒng)

2.1 傳感器的選擇和布局

在智能軸承中最容易實現(xiàn)采集的是溫度、加速度和摩擦力矩。

風電轉(zhuǎn)盤軸承轉(zhuǎn)速低于25 r/min，故障特征頻率低于5 Hz，振動能量較小，應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，有利于減少測試噪聲并提高信噪比。在智能軸承系統(tǒng)中采用2～4個低頻加速度傳感器吸附于轉(zhuǎn)盤軸承定圈上。

轉(zhuǎn)盤軸承在實際運行過程中，溫升是最容易采集的信號，采用2～4個溫度傳感器成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，智能軸承中有一個溫度傳感器用于測量環(huán)境溫度，采用油脂溫度與環(huán)境溫度的差值作為評價的標準更為準確。

扭矩信號通過安裝電流傳感器測量，根據(jù)被測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)機械、有毒化工行業(yè)的監(jiān)測系統(tǒng)中大量應用。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級應變的數(shù)據(jù)采集，所以智能軸承虛擬儀器測試系統(tǒng)采用短距離無線傳輸。

2.2.2 無線傳輸協(xié)議的比較

當前，流行的短距離無線傳輸技術(shù)主要有：藍牙、ZigBee和WiFi。藍牙的優(yōu)點是抗干擾能力強、成本低、功耗低、傳播速率高，缺點是傳播距離短、網(wǎng)絡容量小。WiFi技術(shù)的優(yōu)點是傳播速率最高、傳播距離遠、網(wǎng)絡容量大，缺點是抗干擾能力一般，功耗大。然而WiFi廠商開發(fā)了低功耗的WiFi模塊，彌補了功耗大的缺點。ZigBee的優(yōu)點是網(wǎng)絡容量大，功耗低，成本低、帶控制功能，缺點是傳輸速度慢[17]。對于振動信號的數(shù)據(jù)采集來說，單位時間數(shù)據(jù)的傳輸量很大，要求傳輸速度快，同時要求一定距離傳播，所以智能軸承測試系統(tǒng)采用WiFi無線傳輸。

2.3 數(shù)據(jù)采集卡的選擇和特點

為方便使用PC的強大數(shù)據(jù)處理功能，采用Labview開發(fā)應用軟件，方便實現(xiàn)虛擬儀器系統(tǒng)搭建和WiFi無線傳輸?shù)氖褂茫鞠到y(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)盤軸承的振動信號及溫度信號；NI WLS-9163是無線通信的機殼，可提供標準10/100 Mbps以太網(wǎng)連接至主機。對于由多個轉(zhuǎn)盤軸承組成的系統(tǒng)，可以采用多組無線數(shù)據(jù)模塊同時與主機通信而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)非常適合對于像風力發(fā)電機這種具有偏航及變槳多個轉(zhuǎn)盤軸承的機構(gòu)，對于內(nèi)齒驅(qū)動且傳感器不方便進行布線的旋轉(zhuǎn)機構(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距離實時采集數(shù)據(jù)。

3 智能軸承的軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件功能分析及實現(xiàn)

針對智能軸承中所需測得的信號，采用Labview開發(fā)了如圖3所示的應用軟件，包括了數(shù)據(jù)參數(shù)設置、數(shù)據(jù)保存、報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 測試系統(tǒng)軟件部分

圖4 測試系統(tǒng)軟件界面

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

3.2 后處理軟件功能分析及實現(xiàn)

智能軸承測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能還具有信號分析和控制算法等后處理功能。信號分析功能包括時域分析、頻域分析及時頻域分析，如圖5所示。控制功能包括越界報警和控制處理，如燈光、聲音報警、及時注油和降低轉(zhuǎn)速等，如圖6所示。

圖5 信號處理過程

圖6 越界報警及控制處理

4 試驗驗證

按照(NI WLS-9163)使用說明，其無線傳輸距離在100 m之內(nèi)。為在實驗室完成實際傳輸距離和采樣頻率的性能測試，設計了以下試驗：

(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，考察最遠的無線傳輸距離；

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

表1為單模塊無線通信距離試驗結(jié)果，圖7為±5 V，450 Hz的正弦信號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組網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)兩組模塊同時傳輸至主機與單個無線模塊傳輸至主機效果相同，可見多個無線模塊組網(wǎng)的智能軸承測試系統(tǒng)可以實現(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)，可實現(xiàn)多信號并行傳輸并且能滿足高頻信號較長距離的實時采集，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，實現(xiàn)無線傳輸?shù)闹悄苻D(zhuǎn)盤軸承嵌入式測試系統(tǒng)設計打下了基礎。