高速旋轉(zhuǎn)軸承溫度測(cè)量技術(shù)綜述

李彬彬，寇志海，郭宇航

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 教學(xué)質(zhì)量與評(píng)估處，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

軸承作為當(dāng)代機(jī)械設(shè)備的重要基礎(chǔ)零部件，起著支撐和傳遞動(dòng)力的作用，是機(jī)械平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的保證，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高速列車(chē)、汽車(chē)、機(jī)床、水輪機(jī)等機(jī)械裝備中。隨著軸承轉(zhuǎn)速的不斷提高，相應(yīng)地帶來(lái)了軸承摩擦生熱加劇、疲勞壽命降低、保持架及滾動(dòng)體打滑、滾動(dòng)表面損傷和保持架不穩(wěn)定等一系列由于軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的問(wèn)題，這將直接影響主軸-軸承系統(tǒng)的工作性能和壽命。特別是摩擦生熱的急劇增加將導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)軸承工作溫度異常升高。因此，溫度被認(rèn)為是影響高速旋轉(zhuǎn)軸承部件壽命和性能的最重要參數(shù)，它經(jīng)常被選為觀測(cè)高速旋轉(zhuǎn)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能參數(shù)。

根據(jù)測(cè)量軸承溫度所需的范圍、精度、靈敏度、壽命、尺寸、成本、可靠性及測(cè)量可行性等因素選擇不同的溫度測(cè)量與測(cè)試方法。高速旋轉(zhuǎn)軸承的溫度測(cè)量方式主要有熱電偶測(cè)溫法、紅外輻射測(cè)溫法、光纖光柵傳感器測(cè)溫法、LC電子振蕩測(cè)溫法。

1 熱電偶測(cè)溫

熱電偶測(cè)溫方法是利用熱電效應(yīng)原理將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的一種接觸式溫度測(cè)量方法。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)溫精度較高，便于遠(yuǎn)程測(cè)量操控，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，是目前軸承溫度測(cè)量領(lǐng)域中使用較廣泛的測(cè)溫方法。但熱電偶測(cè)溫法屬于點(diǎn)測(cè)溫方法，不能反映區(qū)域溫度分布的變化，存在一定的局限性。

RADIL等[1]對(duì)徑向空氣軸承的內(nèi)部溫度分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)在軸承中心和邊緣布置9個(gè)K型熱電偶，對(duì)不同旋轉(zhuǎn)速度和載荷條件下軸承的局部溫度進(jìn)行了測(cè)量，估算軸向和周向溫度梯度。轉(zhuǎn)速和徑向載荷都是軸承摩擦生熱造成溫度升高的重要影響因素，其中轉(zhuǎn)速的影響更為明顯。

GLAVATSKIH[2]研究了一種監(jiān)測(cè)軸承油膜溫度的方法。利用熱電偶測(cè)量軸承襯套背面和襯套的溫度，如圖1所示。經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，由相關(guān)數(shù)據(jù)采集分析軟件顯示所測(cè)溫度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)推力滑動(dòng)軸承的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 熱電偶的安裝

CRISTEA等[3]在低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)條件下對(duì)周向溝槽徑向滑動(dòng)軸承進(jìn)行溫度和壓力分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。通過(guò)在每個(gè)測(cè)量平面上布置等間距的熱電偶對(duì)軸承溫度進(jìn)行測(cè)量，如圖2所示，并對(duì)軸承的壓力和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。軸承的最高溫度出現(xiàn)在急劇的壓降區(qū)域。

圖2 軸承上熱電偶的連接

AHMAD等[4]利用12個(gè)熱電偶測(cè)量了不同徑向載荷和轉(zhuǎn)速下油槽供油位置對(duì)軸承溫度分布的影響。結(jié)果表明，當(dāng)油槽供油位置位于靠近最小膜厚位置的收斂段時(shí)，軸承溫度分布有減小的趨勢(shì)。

TARAWNEH等[5]利用K型熱電偶對(duì)帶有內(nèi)環(huán)和外環(huán)缺陷的軸承工作過(guò)程進(jìn)行了70次溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，具有相當(dāng)大尺寸缺陷的軸承在健康無(wú)缺陷軸承的溫度范圍內(nèi)或以下運(yùn)行時(shí)，許多有缺陷的軸承無(wú)法被檢測(cè)到，目前采用軸承監(jiān)測(cè)溫度狀態(tài)的檢測(cè)方法是不充分的。

CRISTEA等[6]基于K型熱電偶，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)條件下從靜止啟動(dòng)到熱穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)過(guò)程中軸承槽內(nèi)潤(rùn)滑膜的周向和軸向溫度分布。軸承油膜壓力場(chǎng)比溫度場(chǎng)建立得更快。在油膜壓力最低的區(qū)域，軸承的油膜溫度最高。NAJAR等[7]對(duì)水冷推力軸承的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。安裝了15個(gè)熱電偶測(cè)量軸承油膜溫度分布。試驗(yàn)結(jié)果表明，墊體內(nèi)部采用冷卻回路對(duì)軸承的性能有較大影響。采用水冷卻裝置可大幅度降低軸承的油膜溫度，從而大大提高了軸承的效率和壽命。

KAKUDO等[8]為了測(cè)量在使用燃?xì)饫鋮s劑下火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵軸承的性能，利用熱電偶對(duì)不同軸承轉(zhuǎn)速、推力載荷、冷卻劑流量條件下的軸承溫度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。軸承溫度隨著轉(zhuǎn)速和推力載荷的增加而迅速增加。在較高的流量條件下，軸承溫度保持較低。

2 紅外輻射測(cè)溫法

紅外輻射測(cè)溫法是根據(jù)一切溫度高于熱力學(xué)零度的物體都具有以電磁波的形式向外輻射能量特性，基于紅外光的溫度效應(yīng)，利用普朗克分布定律將紅外光轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的測(cè)溫方式。紅外輻射測(cè)溫方式安全、快速、可靠、方便，屬于非接觸式測(cè)溫方法，可在軸承運(yùn)行過(guò)程中獲得軸承溫度的動(dòng)態(tài)變化特性。

YUSHA等[9]基于紅外輻射測(cè)溫技術(shù)，提出并設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)定非潤(rùn)滑軸承摩擦加熱過(guò)程中旋轉(zhuǎn)軸的表面溫度的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，軸承溫度測(cè)量誤差不超過(guò)2.6%。

WANG等[10]采用紅外熱像儀測(cè)量透明軸承的襯套內(nèi)表面溫度，研究了轉(zhuǎn)速和軸向位置對(duì)襯套內(nèi)表面溫度的影響。結(jié)果表明，襯套內(nèi)表面溫度和螺旋油楔動(dòng)壓軸承溫升隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。回油孔周?chē)鷾囟容^高。轉(zhuǎn)速越高，軸套內(nèi)表面最高溫度和溫升越高。

CHEN等[11]根據(jù)軸承的槽位和槽尺寸，將滿足小型化、低功耗的紅外測(cè)溫傳感器和振動(dòng)信號(hào)傳感器集成到軸承體中，如圖3所示。將傳感器模塊用環(huán)氧樹(shù)脂粘接在監(jiān)測(cè)軸承上。紅外測(cè)溫傳感器的探頭對(duì)準(zhǔn)軸承內(nèi)圈以測(cè)量軸承內(nèi)圈的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)智能監(jiān)控。

圖3 軸承和傳感器的集成

3 光纖光柵傳感器測(cè)溫法

光纖光柵傳感器測(cè)溫法是利用光纖材料的光敏特性，使光纖折射率發(fā)生沿軸向周期或非周期的永久性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。光纖光柵測(cè)溫法具有尺寸小、重量輕、不受電磁干擾、靈敏度高、抗腐蝕、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。

DREYER等[12]給出了一種用于測(cè)量水電廠水輪發(fā)電機(jī)軸承的準(zhǔn)分布式溫度測(cè)量的光纖布拉格光柵溫度傳感器。與Pt100鉑熱敏電阻傳感器相比，光纖布拉格光柵傳感器在使用校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行的12 h測(cè)試中測(cè)溫的最高誤差為1.0℃，更為符合水輪發(fā)電機(jī)軸承溫度監(jiān)測(cè)的要求。

LIU等[13]采用準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵傳感器對(duì)推力滑動(dòng)軸承軸瓦穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖布拉格光柵溫度傳感器在測(cè)量軸承軸瓦溫度分布時(shí)具有良好的精度、穩(wěn)定性和一致性，并且其溫度響應(yīng)迅速。與熱電偶測(cè)溫結(jié)果相比，光纖布拉格光柵傳感器的測(cè)溫誤差小于2℃。

ZHOU等[14-15]針對(duì)雙列圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在軸承的周向、軸向和徑向布置了15個(gè)光纖布拉格光柵傳感器，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)軸承內(nèi)、外圈多點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。軸承的周向、軸向和徑向溫差受其旋轉(zhuǎn)速度和外載荷的影響，轉(zhuǎn)速對(duì)軸承溫升的影響比外載荷更加明顯。軸承內(nèi)環(huán)的平均溫度高于外環(huán)。對(duì)于重載或高速軸承，有必要注意固定軸承套圈的周向溫度問(wèn)題。

圖4 光纖光柵傳感器的布置

LIU等[16]提出了一種基于嵌入式光纖布拉格光柵傳感器的多點(diǎn)準(zhǔn)分布式傳感方法，分別測(cè)量了空轉(zhuǎn)、軸向上傳和徑向切削力3種不同工況下軸承外圈的溫度場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖光柵與熱電偶之間的溫度測(cè)量誤差在10%以內(nèi)。這種準(zhǔn)分布式傳感方法可以很好地應(yīng)用于主軸軸承溫度場(chǎng)分布的測(cè)量。

4 LC電子振蕩測(cè)溫法

LC電子振蕩測(cè)溫法是通過(guò)由全無(wú)源器件構(gòu)成的LC傳感器，通過(guò)溫敏材料，將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)C諧振回路的諧振頻率進(jìn)行測(cè)量的測(cè)溫方式。這種測(cè)溫方式不再依賴(lài)各種線信號(hào)，可應(yīng)用于復(fù)雜惡劣工作環(huán)境下的軸承溫度測(cè)量。

NICKEL等[17]利用LC電子振蕩器的頻率調(diào)制來(lái)測(cè)量圓錐滾子軸承中的滾子溫度。研究證實(shí)，軸承元件所達(dá)到的溫度對(duì)軸承運(yùn)行條件比外殼溫度更敏感。JOSHI等[18]在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了兩種用于軸承測(cè)溫的溫度遙測(cè)儀，即電池供電、遠(yuǎn)程供電，并證明了它們作為軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器的有效性。試驗(yàn)表明，保持架溫度對(duì)摩擦學(xué)變化的響應(yīng)非?？?。保持架溫度是確定滾動(dòng)軸承溫度狀態(tài)的一個(gè)很好的監(jiān)測(cè)參數(shù)。

HENAO等[19-20]給出了一種基于Colpitts振蕩器的、用于監(jiān)測(cè)軸承保持架溫度的無(wú)電池?zé)o線傳感技術(shù)，傳感器的安裝如圖5所示。在振蕩器的輸出端附加一個(gè)小天線，輻射的電磁信號(hào)被附近的接收機(jī)檢測(cè)到。該溫度測(cè)量電路具有體積小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍寬、成本低等特點(diǎn)。

圖5 溫度傳感器在球軸承上的安裝

DRANEY[21]給出了一種基于LC電子振蕩的傳感方法的軸承溫度傳感器，該傳感器具有小型化、低功耗、能夠承受較高溫度等特點(diǎn)。能夠在300℃的高溫下進(jìn)行工作，可用于在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等惡劣環(huán)境中確定軸承健康狀況的監(jiān)測(cè)。

SHAHIDI等[22]提出了一種基于LC振蕩電路的、用于軸承保持架多點(diǎn)溫度健康監(jiān)測(cè)的無(wú)線溫度傳感器。采用無(wú)源雙傳感器設(shè)計(jì)，如圖6所示，每個(gè)傳感器可校準(zhǔn)至90℃。這種傳感器概念可以擴(kuò)展到包括兩個(gè)以上的LC振蕩電路，從而能夠檢測(cè)更多的局部溫度。在此基礎(chǔ)上，SHAHIDI等[23]開(kāi)發(fā)一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承狀態(tài)的無(wú)線溫度和振動(dòng)傳感器，能夠利用電感耦合同時(shí)測(cè)量軸承保持架的溫度和振動(dòng)特征。實(shí)現(xiàn)了從轉(zhuǎn)速1 280 r/min到3 250 r/min時(shí)軸承保持架溫度從20℃到90℃的測(cè)量。

圖6 LC溫度傳感器在軸承上的安裝

另外，GUPTA等[24]提出了一種用于軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)的無(wú)線溫度傳感器。該傳感器是一個(gè)環(huán)形永久釤鈷磁鐵和霍爾效應(yīng)傳感器的組合，溫度變化引起的磁場(chǎng)變化檢測(cè)軸承的溫度。傳感器在軸承上的安裝位置如圖7所示。在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、負(fù)載為100~150磅的情況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。該磁體溫度傳感器額定工作溫度可達(dá)150℃，預(yù)計(jì)使用壽命大于10 000 h。

圖7 磁場(chǎng)和霍爾效應(yīng)傳感器在軸承上的安裝

5 結(jié)論

（1）熱電偶測(cè)溫法相對(duì)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)溫精度較高，便于遠(yuǎn)程測(cè)量操控，價(jià)格低，在軸承測(cè)溫領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但熱電偶測(cè)溫只能反映監(jiān)控點(diǎn)的溫度，而不能研究軸承的區(qū)域溫度分布，并且熱電偶的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量精度不高。

（2）紅外輻射測(cè)溫法作為非接觸式測(cè)溫方法，能夠反映軸承的溫度分布，并能進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測(cè)。但紅外輻射測(cè)溫法易受到環(huán)境背景輻射的干擾而導(dǎo)致溫度測(cè)量精度不高，需要對(duì)軸承紅外溫度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償和修正。

（3）光纖光柵傳感器測(cè)溫法作為無(wú)源敏感元件的測(cè)溫方式，具有體積小、重量輕、測(cè)量范圍大、靈敏度高、防爆、防燃、抗電磁干擾等特點(diǎn)。但光纖光柵傳感器的價(jià)格昂貴，在高溫、高旋轉(zhuǎn)速度惡劣環(huán)境下對(duì)軸承溫度進(jìn)行測(cè)量的可靠性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

（4）LC電子振蕩測(cè)溫法基于無(wú)源器件特性，可應(yīng)用于工作環(huán)境惡劣下軸承溫度測(cè)量，但對(duì)于超高旋轉(zhuǎn)速度環(huán)境下軸承溫度的精確測(cè)量還需進(jìn)一步突破。

（5）開(kāi)發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)等超高速旋轉(zhuǎn)條件下軸承溫度的精確測(cè)量技術(shù)，將是軸承溫度測(cè)量領(lǐng)域需要重點(diǎn)突破的研究方向之一。最近的CdTe量子點(diǎn)溫度傳感器在理論上不受軸承轉(zhuǎn)速的限制，已成功應(yīng)用于15 000 r/min超高旋轉(zhuǎn)速度下軸承的溫度監(jiān)測(cè)[25-26]，可望在航空發(fā)動(dòng)機(jī)等超高速旋轉(zhuǎn)情況下軸承溫度測(cè)量領(lǐng)域具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>