通過健康監(jiān)測，對智能軸承解決方案的開發(fā)有助于提高航空發(fā)動機的可靠性。該項目的目的在于開發(fā)用于超高推進效率（UHPE）的地面試驗驗證機的智能軸承系統(tǒng)，其中包括將為下一代航空器研發(fā)完全集成自供電無線傳感系統(tǒng)。本文為智能軸承的現(xiàn)有技術(shù)提供了綜述，展示了集成傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，聚焦于航空發(fā)動機待監(jiān)測的參數(shù)及傳感技術(shù)的選擇方法。目前，大多數(shù)已經(jīng)開發(fā)出的智能軸承可用于汽車及鐵路等行業(yè)，其可用度受限，不適用于噴氣發(fā)動機所經(jīng)受的惡劣環(huán)境（如高溫及高振動等級）。首要監(jiān)測內(nèi)容包括振動、溫度、負載、主軸運動、轉(zhuǎn)速及磨屑。基于在發(fā)動機內(nèi)部極端環(huán)境下的耐久性的分等法，以及尺寸、重量、敏感度、工作頻帶、安裝方法、數(shù)據(jù)處理需求及能量收集及無線傳輸?shù)哪茉聪?，選擇適當(dāng)?shù)膫鞲屑夹g(shù)。

引言

滾動軸承是噴氣發(fā)動機中Z重要的零件之一。對噴氣發(fā)動機軸承進行狀態(tài)監(jiān)測，有助于檢測軸承故障及預(yù)測軸承壽命。所研發(fā)的智能集成傳感軸承可實現(xiàn)在線狀態(tài)監(jiān)測。該軸承被稱為智能軸承，由低功耗小型傳感器構(gòu)成，對于無線通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\行具有自供能能力。智能軸承視野將在線狀態(tài)監(jiān)測提升到新的水平。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)動機的環(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、高振動頻率及高溫等，因此能用于噴氣發(fā)動機的智能軸承的研制卻十分有限。噴氣發(fā)動機主軸及渦輪機用軸承分別暴露在溫度約為200℃及300℃的環(huán)境中。高溫潤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。此外，嚴(yán)格限制噴氣發(fā)動機軸承周圍使用磁性傳感器或材料，因為可能吸附金屬碎屑造成堵塞。在噴氣發(fā)動機中，軸承裝在密封的金屬機箱中，嚴(yán)重限制了無線數(shù)據(jù)傳輸。因此，雖然在近幾年技術(shù)有了重大進步，但是噴氣發(fā)動機智能軸承的研發(fā)仍然是一項挑戰(zhàn)。

該項工作的步是確定在噴氣發(fā)動機所在的惡劣環(huán)境中用于軸承狀態(tài)監(jiān)測的傳感器組件，以及智能軸承中可測量一系列指示軸承狀態(tài)的參數(shù)的傳感器集成。同時研發(fā)一種能夠?qū)?shù)據(jù)進行無線收集及傳輸?shù)哪芰渴占夹g(shù)，這項技術(shù)是智能軸承中的關(guān)鍵部分。

本項目的主要目的

*鑒別市面上適用于噴氣發(fā)動機軸承狀態(tài)監(jiān)測，尤其是那些能夠在高溫及噴氣發(fā)動機腐蝕性潤滑油環(huán)境中運行的傳感器，并將其使用于噴氣發(fā)動機中；

*鑒別低功率傳感器，以減少能耗；

*鑒別并研發(fā)適用于噴氣發(fā)動機環(huán)境中的能量收集技術(shù)；

*優(yōu)化傳感系統(tǒng)的能量消耗，開發(fā)一種能量分布策略；

*開發(fā)無線通信系統(tǒng)，用于穿過噴氣發(fā)動機的金屬機箱完成數(shù)據(jù)傳輸。

為了驗證所選的技術(shù)及智能傳感系統(tǒng)，將會在實驗室中進行一系列零件及偏小軸承級別的試驗。設(shè)計了一種用于偏小軸承試驗臺的試驗頭，來模擬噴氣發(fā)動機的真實環(huán)境。本文重點研究了智能軸承傳感器組件的開發(fā)。首先，本文對現(xiàn)有的智能軸承技術(shù)進行了綜述，討論了噴氣發(fā)動機環(huán)境中傳感系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。之后本文描述了選擇傳感器的方法以及智能軸承的結(jié)構(gòu)，Z后給出結(jié)論。

智能軸承技術(shù)綜述

在過去的三十年中，在開發(fā)傳感軸承方面進行了大量工作。Z初，研究聚焦于將多個傳感器安裝在軸承上，用于測量能夠指示軸承狀態(tài)的參數(shù)，而振動、速度及溫度被認(rèn)為是對于軸承在線狀態(tài)監(jiān)測來說Z重要的參數(shù)。隨后擴展為包括負載及潤滑監(jiān)測。

智能單元的安裝是開發(fā)智能軸承中的一個重要方面，Z早將傳感單元安裝在軸承座上，發(fā)展為將傳感器嵌入軸承套圈中。市面上大多數(shù)軸承的傳感器是通過有線的翻新套圈系統(tǒng)連接的。這些軸承大多數(shù)可用于汽車及鐵路行業(yè)，例如鐵路行業(yè)帶有集成傳感器的軸箱軸承單元待安裝的套筒?？傊?，在傳感軸承技術(shù)的開發(fā)方面已經(jīng)取得了巨大進展。然而，直到目前為止，例如軸箱軸承、NSK運動與控制、主動式傳感器軸承以及集成旋轉(zhuǎn)傳感器軸承等可用的商品數(shù)量仍然有限。研究的重點已由傳感軸承（有線傳感器單元）轉(zhuǎn)向智能軸承（自供能無線傳感系統(tǒng)）。為了移除智能軸承在線監(jiān)測的電源，無線傳感系統(tǒng)與用于能量收集的自供能傳感器單元很受歡迎。然而，帶有自供能及無線傳感系統(tǒng)的智能軸承目前還在研發(fā)階段，至今還沒有商品面市?同樣，薄膜傳感器及MEMS的開發(fā)，使研究的焦點轉(zhuǎn)移至將傳感器嵌入軸承的內(nèi)外圈中。大多數(shù)傳感及智能軸承技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)應(yīng)用于鐵路及汽車行業(yè)，但是噴氣發(fā)動機軸承得到的關(guān)注較少。傳統(tǒng)上，通過測量振動及油-磨屑監(jiān)控來監(jiān)測噴氣發(fā)動機軸承。本研究的目的是在現(xiàn)有的智能軸承技術(shù)知識及噴氣發(fā)動機軸承操作條件的基礎(chǔ)上，開發(fā)用于新一代噴氣發(fā)動機的集成智能軸承系統(tǒng)。

開發(fā)噴氣發(fā)動機智能軸承面臨的挑戰(zhàn)

如上所述，雖然已經(jīng)開發(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)，目前仍沒有智能軸承可用于噴氣發(fā)動機中。在本研究的初探階段，這些挑戰(zhàn)變得更加清晰，有助于辨別適用于噴氣發(fā)動機的傳感器技術(shù)。

噴氣發(fā)動機軸承在高轉(zhuǎn)速（3000rpm-10000rpm）、高溫（＞200℃）及高振動（振動＞100g）狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。此外，噴氣發(fā)動機停留在所謂的熱浸回態(tài)中，將熱量儲存下來，即使發(fā)動機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)動機的環(huán)境，將在150℃到250℃范圍內(nèi)對軸承進行計劃試驗。這對于大多數(shù)現(xiàn)有的電子設(shè)備來說是一項重大挑戰(zhàn)，因為它們只能在Z高80℃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)動機智能軸承開發(fā)過程中的主要障礙。90%以上的加速計都是為低于80℃環(huán)境中使用的設(shè)備設(shè)計制造的。

第二大挑戰(zhàn)是主軸轉(zhuǎn)速高（3000rpm-10000rpm），因而產(chǎn)生了一個高振動的環(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，而且為測量振動及保持架轉(zhuǎn)速等數(shù)值提出了重大挑戰(zhàn)（詳見下文）。此外，為了模擬噴氣發(fā)動機的性能，試驗臺上使用較小的軸承，因而將運行至較高的轉(zhuǎn)速（25000rpm到30000rpm之間）來達到與噴氣發(fā)動機相似的節(jié)圓直徑。

除了溫度限制之外，噴氣發(fā)動機智能軸承要求低能耗，以便使用合適的能量收集技術(shù)完成無線電力與數(shù)據(jù)傳輸。在噴氣發(fā)動機環(huán)境中還有進一步限制，例如低能耗要求（導(dǎo)致機載數(shù)據(jù)處理及儲存受限），傳感器安裝空間較小，添加客戶要求后發(fā)動機設(shè)計不靈活，由于金屬碎屑堵塞而不能運用磁性傳感器，以及不能使用光學(xué)傳感器（油的使用會阻礙光學(xué)性能）等。

對于滿足高溫要求的傳感器來說，同樣應(yīng)該接受試驗，確保其能夠暴露在噴氣發(fā)動機的高溫（如180℃）潤滑油中。通常，噴氣發(fā)動機使用燃氣發(fā)動機油和/或高熱穩(wěn)定性（HTS）油。這些油具有侵蝕性，在持續(xù)較長時間的高溫環(huán)境內(nèi)會對傳感器造成化學(xué)傷害。潤滑油還會損壞發(fā)動機中傳感器的連接器和電纜。

關(guān)于高溫，如果需要將傳感器粘附在軸承/軸承座上，必須選擇合適的膠或環(huán)氧基樹脂，因為大多數(shù)粘合劑無法在高溫環(huán)境中使用。在使用之前還要檢驗侵蝕性油環(huán)境對膠的影響。為了驗證所選的傳感器及其連接器與電纜，在其集成到偏小型軸承試驗臺之前，本研究對其在高溫潤滑油環(huán)境中進行預(yù)試驗。

傳感器的選擇

開發(fā)集成智能軸承中Z重要的任務(wù)之一是認(rèn)真選擇適用于噴氣發(fā)動機軸承操作條件的傳感器商用現(xiàn)貨（COTS）。Z初，在安裝/嵌入軸承中的完全集成智能軸承開發(fā)出來以前，傳感器安裝于試驗臺上的軸承座中。如上所述，考慮在智能軸承開發(fā)過程中采用能夠測量振動、溫度、保持架轉(zhuǎn)速、主軸位移及載荷的傳感器。

為確保為智能軸承選擇Z適合的傳感器，采用如圖1所示的方法選擇了COTS傳感器。在航空航天工業(yè)中，為了降低成本，基于COTS傳感器的解決方案得到越來越多的關(guān)注。任何將要部署在噴氣發(fā)動機中的COTS傳感器都需要達到航空航天工業(yè)提到的高性能標(biāo)準(zhǔn)。傳感器的選擇基于從文獻與標(biāo)準(zhǔn)中獲取的軸承監(jiān)測的信息與知識、軸承設(shè)計、軸承環(huán)境及操作條件，以及其他要求。選擇的過程可以分為兩部分：a）對于正確方法及技術(shù)的鑒別；b）對于適用于現(xiàn)有技術(shù)的Z合適的傳感器的鑒別。部分鑒別適用于對特定參數(shù)測量的技術(shù)。例如，測量軸承溫度的可用方法有很多，如熱電偶、MEMS技術(shù)等。對于這項應(yīng)用，選擇熱電偶而不選擇MEMS技術(shù)的原因是熱電偶不需要輸入電能，且能夠在很寬的范圍內(nèi)測量溫度。基于部分鑒別的技術(shù)，第二部分聚焦于特定傳感器的選擇（建模與制造）。

為噴氣發(fā)動機智能軸承選擇能夠測量振動、保持架轉(zhuǎn)速及載荷的傳感器，以下幾個分段提供了選擇的詳細情況。

01　振動

振動監(jiān)測是軸承狀態(tài)監(jiān)測Z重要也是Z常用的方法之一，因為振動監(jiān)測能根據(jù)軸承特定的特征頻率提供診斷信息，用于識別故障部件。甚至軸承配合面上很小的缺陷，如不及時檢測，也能導(dǎo)致軸承失效。根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)、滾動體數(shù)量及主軸轉(zhuǎn)速，滾動軸承的缺陷會產(chǎn)生特定頻率。可利用參考文獻16中給出的公式計算預(yù)期缺陷頻率。對這些頻率的檢測有助于預(yù)測噴氣發(fā)動機軸承的壽命。對于計劃的軸承試驗，已經(jīng)基于軸承設(shè)計與主軸轉(zhuǎn)速計算出預(yù)期缺陷頻率。這些計算為給試驗軸承選定合適的傳感器提供信息。

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

除了對加速計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。對于要求的頻率范圍（＞25kHz）來說，共振頻率必須至少是加速計操作頻率的兩倍?三倍。這意味著加速計的共振頻率至少為50kHz以上。加速計的共振及操作頻率與敏感度成反比，即：共振頻率越高，敏感度就會越低，反之亦然。在這種情況下，優(yōu)先考慮的是更高的共振頻率，因為敏感度可通過放大器輔助控制。

在選擇傳感器過程中，安裝方法是另一個需要考慮的因素。為了確保將加速計在高振動及高溫環(huán)境中牢固安裝在軸承上，僅螺栓和螺釘安裝傳感器適用。將加速計通過粘合安裝的方法粘貼在軸承上是不可行的，因為它不僅會降低操作與共振頻率，而且還會充當(dāng)振動衰減器。此外，處在高溫環(huán)境中，粘合能力會隨著時間衰減，無法滿足長期操作使用要求。

按照選擇方法中定義的標(biāo)準(zhǔn)，對各種不同制造商提供的數(shù)百種COTS加速計進行篩選，僅有八種傳感器滿足操作頻率、共振頻率及其它特征等要求。主軸轉(zhuǎn)速很快（25000rpm-30000rpm）；因此，預(yù)期缺陷頻率同樣向著頻譜的更高一端發(fā)展。在諧頻為5與10的情況下，預(yù)期缺陷頻率分別為28kHz與56kHz。這些加速計的操作與共振頻率都分別大于15kHz與45kHz。已經(jīng)選定兩個共振頻率Z高的加速計，頻率分別為90kHz與100kHz。這兩個加速計的操作頻率均為20kHz。另外還有操作頻率高達30kHz的傳感器。盡管如此，給定的操作頻率比其他加速計高，但是共振頻率落在軸承缺陷頻率產(chǎn)生的諧頻中。因此，使用這種加速計不切實際，在試驗中不會選用。

02　保持架轉(zhuǎn)速

在噴氣發(fā)動機中，軸承各部件轉(zhuǎn)速很快，滾道與滾動體之間的滑動會引起早期失效。配合面之間的相對滑動會產(chǎn)生大量級的表面剪切應(yīng)力。對于高速轉(zhuǎn)動中的軸承來說，滑動會造成滾動體實際轉(zhuǎn)速比理論值低?；瑒有?yīng)無法通過振動來監(jiān)測，但是可通過測量保持架轉(zhuǎn)速來進行監(jiān)測。

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量保持架轉(zhuǎn)速。然而，由于一系列原因，噴氣發(fā)動機惡劣的環(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，因為磁性傳感器會聚集磨屑，造成危險。光學(xué)傳感器無法做精確測量，因為光在軸承潤滑油環(huán)境中會發(fā)生衍射和散射。電容式傳感器測量范圍有限，且潤滑油對測量精度有重大影響。

渦流傳感器滿足所有關(guān)于測量噴氣發(fā)動機軸承保持架轉(zhuǎn)速的要求，包括高溫、高轉(zhuǎn)速及發(fā)動機軸承周圍可用空間等。通過計算每個球通過渦流檢測探頭的時間來測量保持架轉(zhuǎn)速。如圖2所示，每次球通過探頭時，都會因磁場干擾而產(chǎn)生一個失真的方波。當(dāng)達到某個速率而生成脈沖時，這個速率被稱為開關(guān)頻率，可通過利用球的數(shù)量乘以保持架轉(zhuǎn)速來計算。對于在偏小尺寸試驗臺上的軸承來說，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)果得出的開關(guān)頻率在250000到300000之間。測量如此高的開關(guān)頻率值對大多數(shù)COTS傳感器來說是一項挑戰(zhàn)。結(jié)合其他需要考慮的因素，如溫度、探頭范圍及反應(yīng)時間、球的表面積及油浸，選擇一個適用于噴氣發(fā)動機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200℃。一個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，這樣會大幅減慢傳感器的反應(yīng)時間，降低開關(guān)頻率。大多數(shù)可在高溫中使用的渦流傳感器的開關(guān)頻率僅能達到幾百赫茲，而噴氣發(fā)動機保持架轉(zhuǎn)速測量的開關(guān)頻率大約為幾千赫茲。一種可能的解決方法是每個循環(huán)都在保持架內(nèi)施加一個渦輪傳感器可測量到的擠壓。然而，這基于更換現(xiàn)有噴氣發(fā)動機軸承設(shè)計的可行性。

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

結(jié)合選擇過程中所有的挑戰(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發(fā)。這兩種探頭將在偏小的軸承試驗臺上進行試驗，對其測量軸承保持?轉(zhuǎn)速的能力進行評估。在項目的后期，同樣會探索特意設(shè)計的保持架的可行性。 

03　載荷

噴氣發(fā)動機軸承在軸向與徑向上均承受載荷。對于軸承上載荷的實時監(jiān)控可幫助了解發(fā)動機在復(fù)雜操作條件下的動力學(xué)狀態(tài)。通常利用測壓元件測量載荷，但是由于其質(zhì)量過重、尺寸過大，不具有實用性，因此不適用于噴氣發(fā)動機軸承。因而在該應(yīng)用中選擇另一種替代的方法，通過利用應(yīng)變計測量固定軸承套圈的彈性變形來評估載荷。測量應(yīng)變的方法很多，其中有三種可能適用于噴氣發(fā)動機的惡劣環(huán)境中，包括電阻應(yīng)變計、光線光柵及表面聲波裝置。光線光柵測量系統(tǒng)很大，需要大量能源支持運轉(zhuǎn)。同樣，表面聲波傳感器需要進一步開發(fā)，以便能夠在噴氣發(fā)動機所處的惡劣環(huán)境中測量應(yīng)變。因此在本項目中選擇電阻應(yīng)變計來測量噴氣發(fā)動機軸承的應(yīng)變。

為了測量外圈的彈性變形，建議直接將應(yīng)變計安裝在軸承（固定的）外圈上。應(yīng)變計應(yīng)安裝于軸承外側(cè)，沿著次要的一側(cè)分別測量徑向與軸向應(yīng)變。在外圈上，應(yīng)變計暴露于高達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）來完成長時間的傳感。同樣，經(jīng)過一段時間之后，潤滑油的化學(xué)侵蝕性也會減弱粘合效果。因此，必須保護應(yīng)變計不受侵蝕性潤滑油的侵害。當(dāng)應(yīng)變計連接器之間出現(xiàn)油滲透情況時，立即就會引起傳感器故障。

此外，在操作過程中，噴氣發(fā)動機軸承的外圈經(jīng)歷劇烈的溫度變化，應(yīng)變測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)變測量結(jié)果，必須應(yīng)用溫度補償?？赏ㄟ^T型應(yīng)變計（見圖3）來實現(xiàn)，通過建立板橋電路來測量差應(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，這又帶來另一項挑戰(zhàn)。圖3表明，為測量徑向應(yīng)變，應(yīng)變計應(yīng)安裝在套圈外側(cè)。然而，計劃試驗外圈的總寬度為5.5mm。考慮到所有的限制與要求，認(rèn)定只有兩種T型應(yīng)變計適用于試驗軸承。這兩種應(yīng)變計的尺寸為5.6mm×5.6mm（矩形）×5.4mm（圓形）。

結(jié)論

通過初步研究，很明顯，噴氣發(fā)動機惡劣的環(huán)境為智能軸承的開發(fā)提出了巨大挑戰(zhàn)。其中兩個主要的挑戰(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)動機軸承的傳感器的選擇。基于文獻描述及行業(yè)經(jīng)驗中的工作，選擇的噴氣發(fā)動機軸承監(jiān)測中Z重要的參數(shù)是振動、溫度、保持架轉(zhuǎn)速、主軸位移及載荷。利用一種方法論來選擇適用于航空軸承的傳感技術(shù)。經(jīng)過對COTS傳感器進行綜合篩選之后，發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)傳感器滿足要求。未來的工作將聚焦于在偏小軸承試驗臺上進行試驗之前，對選擇的傳感器在高溫及浸油環(huán)境中的預(yù)試驗。

（內(nèi)容來源：《航空制造技術(shù)》）