智能滾動(dòng)軸承內(nèi)圈溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

陳金海，張文遠(yuǎn)，羅夢(mèng)婷，王 恒

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019)

0 引言

滾動(dòng)軸承作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械中重要組成零件，廣泛應(yīng)用于航空航天、高鐵、機(jī)床等領(lǐng)域，及時(shí)有效檢測(cè)軸承運(yùn)行狀態(tài)對(duì)保證旋轉(zhuǎn)設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義[1]。溫升及溫度分布不僅對(duì)滾動(dòng)軸承性能產(chǎn)生影響，而且也是影響主軸系統(tǒng)工作性能和壽命的關(guān)鍵因素。由于滾動(dòng)體與滾道之間存在摩擦阻力和滾動(dòng)阻力，使內(nèi)外圈滾道與滾動(dòng)體接觸區(qū)域溫度升高較快。同時(shí)，長(zhǎng)期處在高速重載工況中的軸承，內(nèi)圈散熱條件比較差，潤(rùn)滑油粘度隨溫度升高而降低，導(dǎo)致軸承內(nèi)部溫度遠(yuǎn)高于外圈溫度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中50%的失效源于軸承發(fā)熱問題[2]。因此，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)變化以及運(yùn)行故障，是軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究方向之一。

傳統(tǒng)的軸承溫度監(jiān)測(cè)是將傳感器安裝在軸承座上，難以有效檢測(cè)復(fù)雜工作條件下軸承內(nèi)部滾動(dòng)區(qū)域的溫度狀況。隨著微傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)的發(fā)展，“智能軸承”應(yīng)運(yùn)而生[3]，為解決上述問題提供了一種可行的思路。智能軸承是指由通過的經(jīng)過改進(jìn)的軸承本體及相關(guān)輔件、鑲嵌在軸承體內(nèi)或相關(guān)輔件內(nèi)微傳感器、處理傳輸電路(專用芯片)、采集卡、信號(hào)處理與分析軟件和軸承服役狀態(tài)調(diào)控裝置組成，可實(shí)現(xiàn)服役狀態(tài)的自感知、自診斷、自適應(yīng)的軸承系統(tǒng)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)軸承溫度場(chǎng)的研究，主要是根據(jù)軸承負(fù)荷分布，計(jì)算軸承發(fā)熱量，通過仿真軟件建立模型，模擬軸承內(nèi)外圈的溫度分布[4]。針對(duì)軸承旋轉(zhuǎn)部件溫度的監(jiān)測(cè)，由于受內(nèi)部空間及高速旋轉(zhuǎn)的影響，對(duì)內(nèi)圈溫度的監(jiān)測(cè)研究相對(duì)較少，已有的方法主要是采用紅外測(cè)溫和無線電遙感測(cè)溫的非接觸式測(cè)量。A. Kovacs[5]等利用無線高溫遙測(cè)儀對(duì)滾動(dòng)軸承保持架溫度進(jìn)行監(jiān)控，但由于采用電磁耦合的方式進(jìn)行傳輸，信號(hào)容易受周圍環(huán)境磁場(chǎng)的干擾。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了可集成在保持架上的無線電遙感溫度傳感器，但該方法不利于保持架其自身的運(yùn)行。文獻(xiàn)[7]采用無線傳輸設(shè)備系統(tǒng)，根據(jù)磁環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨溫度升高而降低的原理，利用霍爾傳感器采集磁場(chǎng)的大小來反映軸承內(nèi)圈溫度，但該方法在一定程度上會(huì)受周圍磁場(chǎng)的影響。閆柯[8]等利用量子點(diǎn)材料的感溫感光特性設(shè)計(jì)了量子點(diǎn)薄膜溫度傳感器探針，以7008C雙列角接觸球軸承為對(duì)象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承內(nèi)圈溫度，該傳感器具有較高的熱穩(wěn)定性，但在油污、腐蝕等惡劣工況下還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。王方哲[9]等提出滾動(dòng)軸承內(nèi)圈溫度無線監(jiān)測(cè)技術(shù)，將熱電偶嵌入在軸承的鎖緊螺母中，實(shí)現(xiàn)軸承內(nèi)圈溫度監(jiān)測(cè)，但整體系統(tǒng)較為復(fù)雜。

針對(duì)軸承內(nèi)圈溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在可靠性差、測(cè)量易受監(jiān)測(cè)環(huán)境影響的不足，本文提出一種嵌入式智能軸承結(jié)構(gòu)與內(nèi)圈溫度監(jiān)測(cè)方法，并設(shè)計(jì)了軸承內(nèi)圈溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用結(jié)果表明本文所提方法的可行性和有效性。

1 智能軸承溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 智能軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以內(nèi)圈直徑為100 mm、外圈直徑180 mm、寬度34 mm的6220軸承為研究對(duì)象，該型號(hào)軸承的主要工作方式為內(nèi)圈隨軸旋轉(zhuǎn)，外圈不動(dòng)，此時(shí)軸承外圈不受慣性力。根據(jù)Stribeck理論，當(dāng)軸承只受徑向載荷時(shí)，外圈所受載荷沿軸向分布，如圖1所示。考慮深溝球軸承主要受徑向載荷，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承內(nèi)圈溫度的監(jiān)測(cè)，本文提出對(duì)軸承外圈進(jìn)行徑向開槽的新結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)赫茲彈性接觸理論，當(dāng)深溝球外圈承載在彈性極限范圍內(nèi)時(shí)，滾動(dòng)體與軸承外圈滾道的接觸面為橢圓形。因此，當(dāng)軸承外圈徑向開槽時(shí)，若外圈承載在彈性極限范圍內(nèi)，滾動(dòng)體與外圈的接觸面形狀不會(huì)發(fā)生變化。由Palmgren簡(jiǎn)化計(jì)算方法可以確定滾動(dòng)軸承橢圓形接觸面的尺寸[10]：

(1)

式中：a為長(zhǎng)半軸；μ為兩物體的接觸區(qū)尺寸，可查表得到[10]；Q為載荷；ρ為接觸物體的主曲率。

(2)

式中：b為短半軸；v為兩物體的接觸區(qū)尺寸，可查表得到[10]；Q為載荷；ρ為接觸物體的主曲率。

因此，當(dāng)已知軸承徑向載荷時(shí)，即可確定軸承外圈滾道與滾動(dòng)體接觸面的尺寸，為仿真施加載荷區(qū)域尺寸的確定提供理論依據(jù)。

軸承外圈最大變形與徑向載荷的關(guān)系如圖3所示，圖4為軸承外圈最大應(yīng)力與徑向載荷的關(guān)系。由圖3可以看出普通軸承與智能軸承的外圈最大變形量差值隨著徑向載荷增加而增大。由圖4可知當(dāng)徑向載荷增加時(shí)，普通軸承與智能軸承外圈的最大應(yīng)力也隨之增加，但普通軸承與智能軸承外圈最大應(yīng)力近似相等。因此，當(dāng)軸承只承受徑向載荷時(shí)，徑向開槽對(duì)軸承承載能力的影響較小。

1.2 智能軸承外圈徑向開槽尺寸分析

徑向開槽時(shí)，軸承外圈最大變形與槽深、槽長(zhǎng)的關(guān)系如圖5所示，隨著開槽長(zhǎng)度與深度的增加，軸承外圈最大變形量的變化較小，由此可知，開槽長(zhǎng)度在2～20 mm、深度在2～7 mm的范圍內(nèi)變化對(duì)軸承外圈最大變形量的影響可忽略不計(jì)。軸承外圈最大應(yīng)力與槽深、槽長(zhǎng)的關(guān)系如圖6所示，隨著開槽長(zhǎng)度與深度的增加，軸承外圈最大應(yīng)力的增加趨勢(shì)相對(duì)顯著，但最大增幅小于3%，開槽長(zhǎng)度與深度的變化對(duì)軸承外圈最大應(yīng)力的影響也相對(duì)較小。因此，可以認(rèn)為軸承外圈的小型開槽對(duì)軸承承載能力影響不大。

2 智能軸承內(nèi)圈溫度監(jiān)測(cè)研究

2.1 滾動(dòng)軸承溫度場(chǎng)建模

滾動(dòng)軸承接觸區(qū)域的溫度升高是由于滾動(dòng)體與滾道之間的摩擦損失和滾動(dòng)阻力產(chǎn)生，然后以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射等形式消耗，摩擦力矩是導(dǎo)致滾動(dòng)軸承接觸區(qū)域發(fā)熱的主要原因[11]。軸承摩擦力矩是滾動(dòng)摩擦、滑動(dòng)摩擦和潤(rùn)滑劑摩擦等各種摩擦因素的總和對(duì)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的阻力矩，滾動(dòng)軸承摩擦力矩的大小決定了軸承的功率消耗和發(fā)熱量大小，對(duì)軸承的溫升失效產(chǎn)生重要影響[12]。因此，軸承發(fā)熱量的計(jì)算關(guān)鍵在于摩擦力矩的確定。由于摩擦力矩受到軸承結(jié)構(gòu)、材料、摩擦、潤(rùn)滑、工作載荷、轉(zhuǎn)速等眾多因素，本文采用Palmgren摩擦力矩經(jīng)驗(yàn)公式分析滾動(dòng)軸承溫度場(chǎng)的變化[13]。

M=Mf+Me

(3)

式中：M為總摩擦力矩，N·mm；Mf為載荷摩擦力矩，N·mm；Me為粘性摩擦力矩，N·mm。

Mf=f1pdm

(4)

式中：f1為軸承類型及承受載荷有關(guān)的系數(shù)；p為當(dāng)量動(dòng)載荷，N；dm為軸承節(jié)圓直徑，mm。

(5)

式中：f0與軸承類型和潤(rùn)滑方式有關(guān)；v為工作溫度下潤(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)粘度，mm2/s；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

軸承的發(fā)熱量：

H=1.047×10-4×M×n

(6)

式中H為滾動(dòng)體與內(nèi)外圈之間的總發(fā)熱量，W。

應(yīng)用Solidworks建立深溝球軸承模型，將其導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，根據(jù)Palmgren摩擦力矩經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算n=1 500 r/min，徑向載荷為50 kN時(shí)滾動(dòng)軸承的發(fā)熱量。在有限元瞬態(tài)溫度分析模塊中，根據(jù)Burton和Staph研究結(jié)果[14]，將發(fā)熱量按1∶1比例分布加載到滾動(dòng)體與軸承內(nèi)外圈滾道上，在內(nèi)外圈的外表面上加載對(duì)應(yīng)熱對(duì)流。圖7為不同仿真時(shí)間對(duì)應(yīng)的內(nèi)外圈溫度，由圖7可知，軸承內(nèi)外圈溫度有著顯著差異，且內(nèi)圈溫度明顯高于外圈溫度，因此，內(nèi)圈溫度更能實(shí)時(shí)反映滾動(dòng)軸承的工作狀態(tài)，對(duì)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷具有重要意義。

2.2 溫度傳感器選型

為了降低對(duì)軸承承載能力的影響，需減小傳感器安裝的空間尺寸，因此需要選擇合適傳感器對(duì)軸承內(nèi)圈溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。最常用的非接觸式溫度傳感器是基于黑體輻射的基本定律，通過測(cè)量目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射強(qiáng)度計(jì)算出物體的表面溫度，測(cè)量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，同時(shí)不易干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)，常用的非接觸式溫度傳感器主要有MT系列、MLX90614系列、歐姆龍D6T系列、DFROBOTTS01等，技術(shù)參數(shù)如表1所示[15]。

表1 常用非接觸式紅外傳感器技術(shù)參數(shù)

由于軸承在服役狀態(tài)下內(nèi)圈溫度遠(yuǎn)高于歐姆龍D6T系列測(cè)溫范圍，而DFROBOTTS01溫度傳感器測(cè)量精度較低，且在高溫測(cè)量時(shí)靈敏度較低不利于復(fù)雜工況下溫度的檢測(cè)。因此，綜合考慮傳感器安裝空間尺寸、工作溫度范圍及測(cè)量精度的要求，本文選擇MLX90614系列非接觸式溫度傳感器。MLX90614系列傳感器集成了紅外感應(yīng)熱電堆探測(cè)器芯片MLX81101和信號(hào)處理專用集成芯片MLX90302。

2.3 智能軸承溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滾動(dòng)軸承內(nèi)圈溫度測(cè)試系統(tǒng)主要由溫度傳感器、STM32F103單片機(jī)及上位機(jī)三部分組成。溫度傳感器采集到的信號(hào)通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過兩線SMBus兼容協(xié)議接口輸出，由STM32F103進(jìn)行接收并傳輸，在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示溫度，當(dāng)溫度超過設(shè)定的閾值時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，完成軸承內(nèi)圈溫度的在線監(jiān)測(cè)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)軸承內(nèi)圈溫度的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，還可對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。

本文所提方案屬于非接觸式測(cè)試系統(tǒng)，與基于霍爾傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，其測(cè)量精度不受工作磁場(chǎng)的干擾。同時(shí)，由于該溫度傳感器具有良好的封裝特性，軸承工作過程中油霧環(huán)境對(duì)溫度的測(cè)量影響較低，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。

3 智能軸承溫度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

采用6220深溝球軸承作為試驗(yàn)對(duì)象，為安裝內(nèi)圈溫度傳感器，通過電極加工方式，對(duì)其外圈徑向開槽，其尺寸為長(zhǎng)20 mm、寬11 mm、深7 mm，將溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝至型號(hào)為ABLT-2的軸承壽命試驗(yàn)機(jī)上開展壽命測(cè)試試驗(yàn)，如圖8所示。

試驗(yàn)中電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，施加徑向載荷50 kN，使用L-HM68液壓油對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行油潤(rùn)滑，當(dāng)實(shí)驗(yàn)軸承失效時(shí)試驗(yàn)機(jī)停機(jī)。由于本實(shí)驗(yàn)中軸承承受純徑向載荷，為方便施加載荷與軸承固定，一次性安裝4套軸承，其中3套軸承為普通軸承，1套為智能軸承，將4套6220軸承安裝在主軸上，如圖9所示。

安裝軸承夾具前，需先將溫度傳感器通過環(huán)氧樹脂膠固定在智能軸承徑向開槽處，靜置24 h等環(huán)氧樹脂膠固化后裝入軸承座中，如圖10(a)所示，4個(gè)Pt100溫度傳感器分別與4套6220軸承外圈接觸，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)4套軸承外圈溫度，如圖10(b)所示。與振動(dòng)信號(hào)相比，軸承工作時(shí)，溫度變化較為緩慢，因而可采用較低的采樣頻率采集軸承內(nèi)圈的溫度。溫度傳感器采集的信號(hào)經(jīng)STM32F103處理后發(fā)送至上位機(jī)，圖11為上位機(jī)溫度顯示界面。在上位機(jī)設(shè)置溫度閾值為100 ℃，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度超過閾值時(shí)，系統(tǒng)將報(bào)警。

此外，為了對(duì)比溫度信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)效果，在軸承座上與外圈開槽處同時(shí)安裝振動(dòng)傳感器測(cè)量普通軸承和智能軸承的振動(dòng)信號(hào)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得全壽命歷程的智能軸承與普通軸承振動(dòng)信號(hào)如圖12、圖13所示。由實(shí)驗(yàn)過程并結(jié)合圖12、圖13振動(dòng)信號(hào)分析可知，智能軸承在2 900 min失效，而普通軸承在3 000 min失效，表明軸承在只承受徑向載荷條件下，徑向開槽結(jié)構(gòu)對(duì)軸承壽命的影響不大，驗(yàn)證了本文提出的智能軸承結(jié)構(gòu)的可行性。

當(dāng)施加徑向載荷F=50 kN，轉(zhuǎn)速為n=1 500 r/min時(shí)，軸承內(nèi)外圈溫度變化曲線如圖14所示。由圖14可知，軸承在載荷加載過程中，內(nèi)圈溫度迅速上升，內(nèi)外圈溫度差異逐漸變大，由此可知內(nèi)圈溫度對(duì)載荷的變化非常敏感。隨著軸承運(yùn)行狀態(tài)逐漸平穩(wěn)，內(nèi)外圈溫度差保持在10 ℃左右。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間在2 400～2 850 min時(shí)，內(nèi)圈溫度由93 ℃上升到98 ℃，平均溫升速率約為0.01 ℃/min，但此時(shí)外圈溫度變化平均速率為0.004 ℃/min，而在2 850～3 050 min時(shí)外圈溫度由85 ℃上升到88 ℃，平均溫升速率約為0.015 ℃/min。同時(shí)，對(duì)比圖13可知，智能軸承的振動(dòng)信號(hào)在第2 900 min左右出現(xiàn)異常，而軸承內(nèi)圈溫度在2 500 min左右出現(xiàn)急劇變化。由此可以可見，相比于軸承外圈溫度與振動(dòng)，在重載條件下內(nèi)圈溫度對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)的變化更為敏感。因此，內(nèi)圈溫度有效監(jiān)測(cè)對(duì)于軸承早期異常檢測(cè)和故障診斷具有重要作用。

4 結(jié)論

本文提出了一種軸承外圈徑向開槽的新型智能軸承結(jié)構(gòu)，利用嵌入式技術(shù)將非接觸式溫度傳感器安裝在軸承內(nèi)部，并設(shè)計(jì)了溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軸承內(nèi)圈溫度在線監(jiān)測(cè)，主要結(jié)論如下：

(1)提出了一種外圈徑向開槽的智能軸承新結(jié)構(gòu)，理論仿真結(jié)果表明當(dāng)軸承只承受徑向載荷時(shí)，徑向開槽結(jié)構(gòu)、開槽尺寸的大小對(duì)軸承承載能力影響不大。以6220深溝球軸承為對(duì)象開展了實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)施加徑向載荷50 kN時(shí)，智能軸承與普通軸承壽命相比差異不大，驗(yàn)證了所提智能軸承結(jié)構(gòu)的合理性。

(2)本文設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸承內(nèi)圈溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，內(nèi)圈溫度明顯高于外圈溫度，且內(nèi)圈溫度隨著載荷的增加，升高趨勢(shì)顯著加快。因此，軸承內(nèi)圈溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是很有必要的。

(3)內(nèi)圈溫度對(duì)滾動(dòng)軸承服役狀態(tài)的變化較為敏感，本文所設(shè)計(jì)智能軸承溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)閾值，為軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化奠定了基礎(chǔ)。