多參數監測智能軸承的設計與研究

張凱 梁波 高昕星 袁峰

(1.國機傳感科技有限公司 遼寧 沈陽 110043; 2.國機集團科學技術研究院有限公司 北京 100080; 3.國機集團工程振動控制技術研究中心 北京 100080;4.國機傳感科技有限公司傳感技術中心 遼寧 沈陽 110041)

軸承是支撐機械旋轉體的重要零件。大量事實證明：許多由軸承損壞引起的機器故障是在軸承預期壽命前就出現了。對軸承的運行狀態進行有效監測，是避免因軸承故障造成災難性后果的有效手段。傳感器測點選擇是軸承狀態監測首要解決的問題[1]。一般情況下，對軸承的監測是通過在軸承座或箱體上安裝振動傳感器獲取軸承的工作狀態信號，通過這種方法采集到的信號除去軸承本身的工作信息外，還包含設備中其他運動部件產生的噪聲信號，對軸承故障的監測非常不利[2]。因此，提供一種高精度軸承監測方法成為必要。

隨著軟件、硬件技術的不斷更新迭代，軸承監測診斷正朝著自動化、智能化、集成化的方向發展[3]。本文研發了一種多參數監測智能軸承，用以監測軸承運轉過程中的振動加速度、溫度和轉速。智能軸承是指在傳統軸承的基礎上集成不同用途的傳感器，使其結合成為一體而形成獨特的結構單元，再通過計算機進行信息處理，達到實時在線監測的目的。

國外智能軸承產品主要有SKF 集團研發的SKF Insight 系列外掛式智能軸承和舍弗勒集團生產的FAG-VarioSence 智能軸承系統[4]。相較于國外，國內技術差距明顯，掌握軸承生產與傳感器開發技術的企業為數不多，智能軸承停留在研究階段，并未有產品進入市場。

本研究的技術路線主要包括智能軸承總體結構設計、振動加速度的測量、轉速的測量、溫度的測量、智能軸承測試，重點研究了軸承振動加速度的測量方式，通過對軸承工況下振動特性的研究與軸承內部結構的分析，選擇采用三軸振動加速度計作為研究基礎進行測量；通過對軸承內圈結構的改造，采用霍爾傳感器與磁編碼體相結合的方式測量軸承轉速；采用溫度傳感器測量軸承內圈的溫度。經過測試，智能軸承具有良好的監測功能，監測精度較傳統軸承座監測系統有很大提升。

本研究研發的智能軸承為軸承故障預警提供了良好的技術基礎，為工業生產提供了更好的安全保障，使軸承行業在智能化、高端化道路上邁出堅實的一步。

1 智能軸承的功能實現

針對國內市場智能軸承產品的空白，綜合軸承實際運轉工況中出現的多發性故障，基于目前傳感器應用行業的技術水平，設計并研發了一款對軸承運轉過程中的振動加速度、轉速和溫度進行實時監測的智能軸承。該智能軸承以6012深溝球軸承為本體，通過軸承與多參數智能傳感器的緊密結合乃至“一體化”，在很大程度上減少了信號在傳輸過程中的損失，提高了測量精度。智能軸承將采集的數據通過無線網絡傳遞給云端數據管控平臺，實現對軸承運轉狀態的監測與故障的預測。

1.1 智能軸承總體結構

嵌入式智能軸承技術是通過改變傳統軸承結構來實現的，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部結構，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加速度傳感器、溫度傳感器與轉速傳感器。智能軸承的結構框圖如圖1所示。其中，微控制器、加速度計、溫度傳感器、轉速傳感器與協議轉換器位于軸承本體，無線通信模塊位于軸承外部，與軸承本體有線連接。

軸承運轉過程中，加速度計、溫度傳感器、轉速傳感器將采集到的數據通過A/D 轉換或I2C 協議格式傳遞給微處理器，微處理器通過對收到的數據進行分析、運算和整理，將有效數據編譯成數據幀，通過協議轉換器以RS485 協議的格式輸出給無線通信模塊；無線通信模塊將數據信息傳遞給云端數據管控平臺進行軸承運轉狀態監測和故障預警。

智能軸承外觀結構見圖2。

圖2 智能軸承外觀結構圖

1.2 振動加速度的測量

據統計，由于機體振動而引起的故障占到航空發動機故障的70%以上。造成滾動軸承處于振動環境的原因有很多，包括滾動軸承內部原因和外部原因[6]。

L.Douglas Berry 對振動載荷與軸承壽命的關系進行了詳細的研究，由表1 可以看出載荷的增長導致軸承壽命的下降，由表2 可以看出減小振動使軸承壽命得到延長。由此可見，振動對軸承壽命的影響非常顯著，對軸承振動的研究非常重要。

表1 載荷增加對軸承壽命的影響

表2 減振對軸承壽命的影響

表征軸承的振動載荷有兩種方式：一是通過對軸承及其周圍部件的研究，結合機理分析和數據推動，利用公式計算出軸承的振動載荷；二是從軸承本身入手，利用振動加速度來表征振動載荷，使用加速度計測量軸承的振動加速度。基于高端化、智能化的目的，選擇了第二種方案。

軸承在運轉過程中的振動為不規則振動，方向無法判定。要想準確表示軸承的振動大小與方向，需要分別測量軸承的軸向振動分量與徑向振動分量。軸承的軸向振動平面與徑向振動平面相互垂直，計算二者的矢量和得到軸承的振動加速度合量。

目前，市場上加速度計分為單軸、兩軸與三軸3種類型。為了測量軸承的振動加速度，設計了3種方案：第一種方案采用3 個單軸加速度計進行測量；第二種方案采用一個兩軸加速度計與一個單軸加速度計匹配的方式進行測量；第三種方案采用一個三軸加速度計進行測量。根據3 種方案分別進行了研究后發現：由于軸承3 個方向上的振動加速度分量分別互相垂直，而加速度計的放置方向必須嚴格符合振動加速度的方向，所以當采用第一種與第二種方案時，勢必會出現兩個加速度計相互垂直的情況，這在平面電路板上是無法實現的；如果使用異形電路板，軸承內部結構狹窄將導致安裝困難，且同一時間點上不同方向的振動加速度應采用不同加速度計進行測量，測量結果關于時間的準確擬合增加了計算量，同時存在很大誤差。因此，選用了第三種方案，基于Analog Devices公司三軸加速度計進行研究。

為了提高振動加速度的測量效果，對加速度計的安裝位置進行了研究。出于嚴謹性考慮，測量軸承的振動加速度時，理想狀態下應該將加速度計置于軸承本體上并緊密貼合，使軸承與加速度計一同振動。但由于信號輸出與供電等原因，加速度計只能置于電路板上。因此，對智能軸承內部結構進行了設計，將加速度計置于電路板上，電路板置于傳感器模塊內部并與其牢牢固定，傳感器模塊與軸承本體牢固固定。理論上，這種設計會導致軸承本體的振動加速度傳遞到加速度計時產生一定的衰減。為了最大程度降低振動加速度的衰減，對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行了特殊設計，盡可能實現軸承本體、傳感器模塊外殼與電路板的同步振動，從結構上實現智能軸承的“一體化”。

測得三軸振動加速度后，設計了兩種途徑對振動加速度分量進行矢量運算。第一種途徑是在微控制器內部使用C 語言程序計算合矢量，再將數據傳遞給云端管控平臺；第二種途徑是直接將分矢量傳遞給云端管控平臺，在上位機使用Java語言程序完成矢量計算。考慮到微處理器程序編寫的復雜性與對微控制器內存的要求，同時出于降低芯片功耗的目的，選擇將各振動加速度分量以時間作為基準進行匹配后傳輸給云端數據管控平臺，在上位機進行軸承振動加速度的矢量計算，在微控制器上省去該步驟。

1.3 轉速的測量

由于軸承處于高速轉動狀態，選用了非接觸式轉速測量方式，采用霍爾元件與磁編碼器組合的形式測量振動加速度。軸承旋轉時，軸承外圈處于靜止狀態，內圈處于旋轉狀態。將霍爾元件安裝在軸承外圈的端面上，其敏感區貼近軸承內圈的端面。在軸承內圈端面上貼裝磁編碼器，當軸承旋轉使磁編碼器中的磁化區域周期性通過霍爾元件的敏感區時，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，求得軸承當前的轉速。選用了Honeywell 公司出品霍爾效應器作為測量元件。轉速傳感器安裝在軸承端面上，安裝方式如圖3所示。

圖3 轉速傳感器安裝示意圖

1.4 溫度的測量

軸承運轉過程中，其內部可能產生較高的溫度，同時向外側具有很高的溫度衰減，軸承內圈的溫度最能表征軸承運轉的狀態。對軸承內圈溫度的監測在一定程度上可以反映軸承狀態變化與運行故障，是軸承狀態監測的研究方向之一。但軸承工作時內圈處于高速運轉狀態，無法采用接觸式測溫方式。另外，由于軸承內部潤滑劑、油污等干擾，紅外測溫的方式可能存在較大誤差。因此，從穩定性與安全性的角度出發，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圈，最大程度上還原軸承內圈的工作溫度。選用了一個量程范圍為-55～125 ℃的低功耗模擬輸出溫度傳感器進行溫度測量。

1.5 微控制器

考慮到軸承運轉過程中內部溫度較高，微控制器應選用工作溫度為-40～125 ℃的汽車級微控制器芯片。同時，由于6012 深溝球軸承體積較小，選擇的芯片體積應盡量小。經過調研，發現由于目前國內芯片市場受到限制，可供選擇的微控制器數量不多。經過綜合考慮后選擇了STM32L0 系列ARM 處理器作為微控制器。

1.6 軸承載體的型號與尺寸

本項目所使用的軸承載體型號為6012 深溝球軸承，即軸承內徑為60 mm，外徑為95 mm，軸向寬度為18 mm。智能軸承測量模塊擬外掛安裝在軸承的環形端面，可用空間為徑向寬度為15 mm的環形區域，軸向長度也限定在15 mm之內。智能軸承測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 智能軸承測試

傳統故障監測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。通過對智能軸承與傳統故障監測系統兩種方法的故障監測能力進行了對比。

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峰值為39.8 g，軸承座上的振動加速度信號峰值為6.2 g。軸承座上的振動加速度信號幅值遠小于智能軸承上的振動加速度信號幅值。

圖5 智能軸承振動加速度信號時域圖

圖6 傳統軸承監測系統振動加速度信號時域圖

同時，在轉速與溫度的測量過程中，智能軸承較傳統軸承監測系統在性能方面都有顯著提升，測量精度更高，故障預測能力更強。

3 結語

本次研發的智能軸承在監測軸承運轉過程中的振動加速度、溫度和轉速等參數時具備良好的性能表現，相較傳統軸承監測系統有顯著的提升，其中振動加速度的監測信號幅值達到了傳統軸承監測系統的3倍以上，能更好地判斷軸承的運轉狀態，具有優秀的故障預測預警能力。同時，該產品造價低廉，安全性高，移植性強，技術成熟，滿足市場推廣的必備條件，可廣泛應用于工業生產中。