技術(shù)前沿 | 新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)用集成智能軸承

滾動(dòng)軸承是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一。對(duì)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有助于檢測(cè)軸承故障及預(yù)測(cè)軸承壽命。所研發(fā)的智能集成傳感軸承可實(shí)現(xiàn)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該軸承被稱為智能軸承。滾動(dòng)軸承是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一。對(duì)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有助于檢測(cè)軸承故障及預(yù)測(cè)軸承壽命。

所研發(fā)的智能集成傳感軸承可實(shí)現(xiàn)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該軸承被稱為智能軸承。滾動(dòng)軸承是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一。對(duì)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承智能軸承，由低功耗小型傳感器構(gòu)成，對(duì)于無(wú)線通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\(yùn)行具有自供能力，將在線運(yùn)作狀態(tài)監(jiān)測(cè)提升到新的水平。然而，目前大多數(shù)現(xiàn)有的智能軸承技術(shù)可用于汽車、鐵路、風(fēng)電設(shè)備等，由于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境及操作條件復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性，包括極高的主軸轉(zhuǎn)速、高振動(dòng)頻率及高溫等，因此能用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的智能軸承的研制卻十分有限。

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主軸及渦輪機(jī)用軸承分別暴露在溫度約為200℃及300℃的環(huán)境中。

高溫潤(rùn)滑油同樣為傳感器呈現(xiàn)惡劣的環(huán)境。其他挑戰(zhàn)包括：有限的輸入功率、有限的空間及有線通道的可用性，以及市面上的耐高溫電子元件的不可用性。

開(kāi)發(fā)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)智能軸承面臨的挑戰(zhàn)

如上所述，雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)出在其他領(lǐng)域使用的智能軸承，但是由于存在一些重大挑戰(zhàn)，目前仍沒(méi)有智能軸承可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，主要難度在于：
1. 第一挑戰(zhàn)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承在三高超強(qiáng)狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)：
高轉(zhuǎn)速（3000rpm-10000rpm）
高溫（＞200℃）
高振動(dòng)（振動(dòng)＞100g）

此外，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)停留在所謂的熱浸回態(tài)中，將熱量?jī)?chǔ)存下來(lái)，即使發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作后也不能散熱，因而將軸承溫度升高到了250℃。

為了模擬噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境，將在150℃到250℃范圍內(nèi)對(duì)軸承進(jìn)行計(jì)劃試驗(yàn)。這對(duì)于大多數(shù)現(xiàn)有的電子設(shè)備來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冎荒茉谧罡?0℃的環(huán)境中工作。找到適用于高溫環(huán)境的傳感器及相關(guān)技術(shù)是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)智能軸承開(kāi)發(fā)過(guò)程中的主要障礙。90%以上的加速計(jì)都是為低于80℃環(huán)境中使用的設(shè)備設(shè)計(jì)制造的。

2. 第二大挑戰(zhàn)是主軸轉(zhuǎn)速高（3000rpm-10000rpm），因而產(chǎn)生了一個(gè)高振動(dòng)的環(huán)境，具有高振幅。這不僅為提高傳感器的耐久性增加了困難，而且為測(cè)量振動(dòng)及保持架轉(zhuǎn)速等數(shù)值提出了重大挑戰(zhàn)。此外，為了模擬噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，試驗(yàn)臺(tái)上使用較小的軸承，因而將運(yùn)行至較高的轉(zhuǎn)速（25000rpm到30000rpm之間）來(lái)達(dá)到與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相似的節(jié)圓直徑。

3. 除了溫度限制之外，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)智能軸承要求低能耗，以便使用合適的能量收集技術(shù)完成無(wú)線電力與數(shù)據(jù)傳輸。在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境中還有進(jìn)一步限制，例如低能耗要求（導(dǎo)致機(jī)載數(shù)據(jù)處理及儲(chǔ)存受限），傳感器安裝空間較小，添加客戶要求后發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)不靈活，由于金屬碎屑堵塞而不能運(yùn)用磁性傳感器，以及不能使用光學(xué)傳感器（油的使用會(huì)阻礙光學(xué)性能）等。

傳感器的選擇

開(kāi)發(fā)集成智能軸承中最重要的任務(wù)之一是認(rèn)真選擇適用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承操作條件的傳感器商用現(xiàn)貨（COTS）。最初，在安裝/嵌入軸承中的完全集成智能軸承開(kāi)發(fā)出來(lái)以前，傳感器安裝于試驗(yàn)臺(tái)上的軸承座中。

為確保為智能軸承選擇最適合的傳感器，采用如圖1所示的方法選擇了COTS傳感器。

為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)智能軸承選擇能夠測(cè)量振動(dòng)、保持架轉(zhuǎn)速及載荷的傳感器，以下幾個(gè)分段提供了選擇的詳細(xì)情況。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)是軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)最重要也是最常用的方法之一，因?yàn)檎駝?dòng)監(jiān)測(cè)能根據(jù)軸承特定的特征頻率提供診斷信息，用于識(shí)別故障部件。甚至軸承配合面上很小的缺陷，如不及時(shí)檢測(cè)，也能導(dǎo)致軸承失效。

為了有效測(cè)量振動(dòng)，應(yīng)把傳感器安裝在緊挨著接觸區(qū)域（靠近負(fù)載區(qū)域）的軸承上，在這一區(qū)域軸承的滾動(dòng)體直接接觸滾道。安裝傳感器的靠近負(fù)載區(qū)域同樣是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的高溫區(qū)域，溫度可高達(dá)250℃。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很快，導(dǎo)致缺陷頻率同樣很高。因此，充電模式加速計(jì)技術(shù)滿足要求，而位移及基于振動(dòng)的技術(shù)并不合適。

除了對(duì)加速計(jì)溫度及頻率范圍方面的嚴(yán)苛要求，傳感器共振頻率也十分重要。對(duì)于要求的頻率范圍（＞25kHz）來(lái)說(shuō)，共振頻率必須至少是加速計(jì)操作頻率的兩倍或三倍。這意味著加速計(jì)的共振頻率至少為50kHz以上。

在選擇傳感器過(guò)程中，安裝方法是另一個(gè)需要考慮的因素。

為了確保將加速計(jì)在高振動(dòng)及高溫環(huán)境中牢固安裝在軸承上，僅螺栓和螺釘安裝傳感器適用。將加速計(jì)通過(guò)粘合安裝的方法粘貼在軸承上是不可行的，因?yàn)樗粌H會(huì)降低操作與共振頻率，而且還會(huì)充當(dāng)振動(dòng)衰減器。此外，處在高溫環(huán)境中，粘合能力會(huì)隨著時(shí)間衰減，無(wú)法滿足長(zhǎng)期操作使用要求。

02保持架轉(zhuǎn)速

在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，軸承各部件轉(zhuǎn)速很快，滾道與滾動(dòng)體之間的滑動(dòng)會(huì)引起早期失效。配合面之間的相對(duì)滑動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量級(jí)的表面剪切應(yīng)力。

對(duì)于高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的軸承來(lái)說(shuō)，滑動(dòng)會(huì)造成滾動(dòng)體實(shí)際轉(zhuǎn)速比理論值低?；瑒?dòng)效應(yīng)無(wú)法通過(guò)振動(dòng)來(lái)監(jiān)測(cè)，但是可通過(guò)測(cè)量保持架轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

可用渦流、電容式傳感器、磁性及光學(xué)傳感器等非接觸方式測(cè)量保持架轉(zhuǎn)速。然而，由于一系列原因，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣的環(huán)境限制了磁性、電容及光學(xué)傳感器的使用，例如不允許將磁性部件放入空氣-油槽中，因?yàn)榇判詡鞲衅鲿?huì)聚集磨屑，造成危險(xiǎn)。光學(xué)傳感器無(wú)法做精確測(cè)量，因?yàn)楣庠谳S承潤(rùn)滑油環(huán)境中會(huì)發(fā)生衍射和散射。電容式傳感器測(cè)量范圍有限，且潤(rùn)滑油對(duì)測(cè)量精度有重大影響。

渦流傳感器滿足所有關(guān)于測(cè)量噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承保持架轉(zhuǎn)速的要求，包括高溫、高轉(zhuǎn)速及發(fā)動(dòng)機(jī)軸承周圍可用空間等。通過(guò)計(jì)算每個(gè)球通過(guò)渦流檢測(cè)探頭的時(shí)間來(lái)測(cè)量保持架轉(zhuǎn)速。

如圖2所示，每次球通過(guò)探頭時(shí)，都會(huì)因磁場(chǎng)干擾而產(chǎn)生一個(gè)失真的方波。當(dāng)達(dá)到某個(gè)速率而生成脈沖時(shí)，這個(gè)速率被稱為開(kāi)關(guān)頻率，可通過(guò)利用球的數(shù)量乘以保持架轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算。對(duì)于在偏小尺寸試驗(yàn)臺(tái)上的軸承來(lái)說(shuō)，保持架轉(zhuǎn)速的理論值約為主軸轉(zhuǎn)速的一半，在12500rpm到15000rpm之間，球的數(shù)量為20。結(jié)果得出的開(kāi)關(guān)頻率在250000到300000之間。測(cè)量如此高的開(kāi)關(guān)頻率值對(duì)大多數(shù)COTS傳感器來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。結(jié)合其他需要考慮的因素，如溫度、探頭范圍及反應(yīng)時(shí)間、球的表面積及油浸，選擇一個(gè)適用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的渦流傳感器就變得具有挑戰(zhàn)性。

空氣-油槽中軸承周圍的溫度可高達(dá)200℃。一個(gè)典型的渦流傳感器由連接電子元件的傳感單元構(gòu)成，其可承受80℃高溫。解決這一問(wèn)題的方法是利用電纜將傳感單元與電子元件分離，但不幸的是，這樣會(huì)大幅減慢傳感器的反應(yīng)時(shí)間，降低開(kāi)關(guān)頻率。大多數(shù)可在高溫中使用的渦流傳感器的開(kāi)關(guān)頻率僅能達(dá)到幾百赫茲，而噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)保持架轉(zhuǎn)速測(cè)量的開(kāi)關(guān)頻率大約為幾千赫茲。一種可能的解決方法是每個(gè)循環(huán)都在保持架內(nèi)施加一個(gè)渦輪傳感器可測(cè)量到的擠壓。然而，這基于更換現(xiàn)有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承設(shè)計(jì)的可行性。

渦流探頭的選擇往往基于其測(cè)量范圍、探頭面積及測(cè)量目標(biāo)的尺寸。同樣，測(cè)量范圍與探頭尺寸直接相關(guān)，即：當(dāng)探頭尺寸增大時(shí)，測(cè)量范圍同樣會(huì)增大，反之亦然。然而，對(duì)于給定的目標(biāo)，推薦探頭尺寸小于或等于目標(biāo)尺寸（見(jiàn)圖2）。為使檢測(cè)最大化，測(cè)量目標(biāo)的形狀（例如保持架）最好是矩形（見(jiàn)圖2）。如果是球軸承，渦流探頭可見(jiàn)的表面積非常小，因此最好選擇偏小的探頭。然而，這樣轉(zhuǎn)而將縮小探頭的測(cè)量范圍。如果傳感器緊挨軸承安裝，則這一點(diǎn)可以調(diào)節(jié)。此外，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的保持架可能出現(xiàn)小量級(jí)的軸向位移，這要求傳感器的安裝保持安全的距離，以免在運(yùn)行過(guò)程中與軸承發(fā)生接觸。

結(jié)合選擇過(guò)程中所有的挑戰(zhàn)，發(fā)現(xiàn)只有兩種渦流探頭滿足條件，并選擇用于智能軸承的開(kāi)發(fā)。這兩種探頭將在偏小的軸承試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)其測(cè)量軸承保持架轉(zhuǎn)速的能力進(jìn)行評(píng)估。在項(xiàng)目的后期，同樣會(huì)探索特意設(shè)計(jì)的保持架的可行性。 

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承在軸向與徑向上均承受載荷。

對(duì)于軸承上載荷的實(shí)時(shí)監(jiān)控可幫助了解發(fā)動(dòng)機(jī)在復(fù)雜操作條件下的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。通常利用測(cè)壓元件測(cè)量載荷，但是由于其質(zhì)量過(guò)重、尺寸過(guò)大，不具有實(shí)用性，因此不適用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承。因而在該應(yīng)用中選擇另一種替代的方法，通過(guò)利用應(yīng)變計(jì)測(cè)量固定軸承套圈的彈性變形來(lái)評(píng)估載荷。

測(cè)量應(yīng)變的方法很多，其中有三種可能適用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的惡劣環(huán)境中，包括電阻應(yīng)變計(jì)、光線光柵及表面聲波裝置。光線光柵測(cè)量系統(tǒng)很大，需要大量能源支持運(yùn)轉(zhuǎn)。同樣，表面聲波傳感器需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，以便能夠在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所處的惡劣環(huán)境中測(cè)量應(yīng)變。因此在本項(xiàng)目中選擇電阻應(yīng)變計(jì)來(lái)測(cè)量噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的應(yīng)變。

為了測(cè)量外圈的彈性變形，建議直接將應(yīng)變計(jì)安裝在軸承（固定的）外圈上。應(yīng)變計(jì)應(yīng)安裝于軸承外側(cè)，沿著次要的一側(cè)分別測(cè)量徑向與軸向應(yīng)變。在外圈上，應(yīng)變計(jì)暴露于高達(dá)250℃以上的高溫區(qū)域中。如上所述，應(yīng)選擇合適的膠（或粘合劑）來(lái)完成長(zhǎng)時(shí)間的傳感。同樣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，潤(rùn)滑油的化學(xué)侵蝕性也會(huì)減弱粘合效果。因此，必須保護(hù)應(yīng)變計(jì)不受侵蝕性潤(rùn)滑油的侵害。當(dāng)應(yīng)變計(jì)連接器之間出現(xiàn)油滲透情況時(shí)，立即就會(huì)引起傳感器故障。

此外，在操作過(guò)程中，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的外圈經(jīng)歷劇烈的溫度變化，應(yīng)變測(cè)量很大程度上依賴于其所在環(huán)境的溫度。為了獲得精確的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果，必須應(yīng)用溫度補(bǔ)償?？赏ㄟ^(guò)T型應(yīng)變計(jì)（見(jiàn)圖3）來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)建立板橋電路來(lái)測(cè)量差應(yīng)變。然而，由于軸承套圈（尤其是滾道一側(cè)）上可用空間有限，這又帶來(lái)另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。圖3表明，為測(cè)量徑向應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)應(yīng)安裝在套圈外側(cè)。然而，計(jì)劃試驗(yàn)外圈的總寬度為5.5mm。考慮到所有的限制與要求，認(rèn)定只有兩種T型應(yīng)變計(jì)適用于試驗(yàn)軸承。這兩種應(yīng)變計(jì)的尺寸為5.6mm×5.6mm（矩形）×5.4mm（圓形）。

通過(guò)初步研究，很明顯，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣的環(huán)境為智能軸承的開(kāi)發(fā)提出了巨大挑戰(zhàn)。

其中兩個(gè)主要的挑戰(zhàn)——高溫及高轉(zhuǎn)速，還有許多其他的挑戰(zhàn)同樣限制了適用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的傳感器的選擇。基于文獻(xiàn)描述及行業(yè)經(jīng)驗(yàn)中的工作，選擇的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)軸承監(jiān)測(cè)中最重要的參數(shù)是振動(dòng)、溫度、保持架轉(zhuǎn)速、主軸位移及載荷。利用一種方法論來(lái)選擇適用于航空軸承的傳感技術(shù)。經(jīng)過(guò)對(duì)COTS傳感器進(jìn)行綜合篩選之后，發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)傳感器滿足要求。未來(lái)的工作將聚焦于在偏小軸承試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)之前，對(duì)選擇的傳感器在高溫及浸油環(huán)境中的預(yù)試驗(yàn)。

(來(lái)源：航空制造技術(shù))

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進(jìn)成傳感軸承可實(shí)現(xiàn)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該軸承被稱為智能軸承。