智能滾動軸承內圈溫度監測系統研究

陳金海，張文遠，羅夢婷，王 恒

(南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019)

0 引言

滾動軸承作為旋轉機械中重要組成零件，廣泛應用于航空航天、高鐵、機床等領域，及時有效檢測軸承運行狀態對保證旋轉設備的安全運行具有重要意義[1]。溫升及溫度分布不僅對滾動軸承性能產生影響，而且也是影響主軸系統工作性能和壽命的關鍵因素。由于滾動體與滾道之間存在摩擦阻力和滾動阻力，使內外圈滾道與滾動體接觸區域溫度升高較快。同時，長期處在高速重載工況中的軸承，內圈散熱條件比較差，潤滑油粘度隨溫度升高而降低，導致軸承內部溫度遠高于外圈溫度。據統計，軸承高速運轉過程中50%的失效源于軸承發熱問題[2]。因此，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以及運行故障，是軸承狀態監測的研究方向之一。

傳統的軸承溫度監測是將傳感器安裝在軸承座上，難以有效檢測復雜工作條件下軸承內部滾動區域的溫度狀況。隨著微傳感器、微機電系統、無線傳輸等技術的發展，“智能軸承”應運而生[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過改進的軸承本體及相關輔件、鑲嵌在軸承體內或相關輔件內微傳感器、處理傳輸電路(專用芯片)、采集卡、信號處理與分析軟件和軸承服役狀態調控裝置組成，可實現服役狀態的自感知、自診斷、自適應的軸承系統。

目前，國內外對軸承溫度場的研究，主要是根據軸承負荷分布，計算軸承發熱量，通過仿真軟件建立模型，模擬軸承內外圈的溫度分布[4]。針對軸承旋轉部件溫度的監測，由于受內部空間及高速旋轉的影響，對內圈溫度的監測研究相對較少，已有的方法主要是采用紅外測溫和無線電遙感測溫的非接觸式測量。A. Kovacs[5]等利用無線高溫遙測儀對滾動軸承保持架溫度進行監控，但由于采用電磁耦合的方式進行傳輸，信號容易受周圍環境磁場的干擾。文獻[6]設計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行。文獻[7]采用無線傳輸設備系統，根據磁環產生的磁場隨溫度升高而降低的原理，利用霍爾傳感器采集磁場的大小來反映軸承內圈溫度，但該方法在一定程度上會受周圍磁場的影響。閆柯[8]等利用量子點材料的感溫感光特性設計了量子點薄膜溫度傳感器探針，以7008C雙列角接觸球軸承為對象實時監測軸承內圈溫度，該傳感器具有較高的熱穩定性，但在油污、腐蝕等惡劣工況下還有待進一步實驗驗證。王方哲[9]等提出滾動軸承內圈溫度無線監測技術，將熱電偶嵌入在軸承的鎖緊螺母中，實現軸承內圈溫度監測，但整體系統較為復雜。

針對軸承內圈溫度監測系統存在可靠性差、測量易受監測環境影響的不足，本文提出一種嵌入式智能軸承結構與內圈溫度監測方法，并設計了軸承內圈溫度監測系統，應用結果表明本文所提方法的可行性和有效性。

1 智能軸承溫度監測系統設計

1.1 智能軸承結構設計

本文以內圈直徑為100 mm、外圈直徑180 mm、寬度34 mm的6220軸承為研究對象，該型號軸承的主要工作方式為內圈隨軸旋轉，外圈不動，此時軸承外圈不受慣性力。根據Stribeck理論，當軸承只受徑向載荷時，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，同時為實現對軸承內圈溫度的監測，本文提出對軸承外圈進行徑向開槽的新結構，結構如圖2所示。

根據赫茲彈性接觸理論，當深溝球外圈承載在彈性極限范圍內時，滾動體與軸承外圈滾道的接觸面為橢圓形。因此，當軸承外圈徑向開槽時，若外圈承載在彈性極限范圍內，滾動體與外圈的接觸面形狀不會發生變化。由Palmgren簡化計算方法可以確定滾動軸承橢圓形接觸面的尺寸[10]：

(1)

式中：a為長半軸；μ為兩物體的接觸區尺寸，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，當已知軸承徑向載荷時，即可確定軸承外圈滾道與滾動體接觸面的尺寸，為仿真施加載荷區域尺寸的確定提供理論依據。

軸承外圈最大變形與徑向載荷的關系如圖3所示，圖4為軸承外圈最大應力與徑向載荷的關系。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可知當徑向載荷增加時，普通軸承與智能軸承外圈的最大應力也隨之增加，但普通軸承與智能軸承外圈最大應力近似相等。因此，當軸承只承受徑向載荷時，徑向開槽對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，軸承外圈最大變形與槽深、槽長的關系如圖5所示，隨著開槽長度與深度的增加，軸承外圈最大變形量的變化較小，由此可知，開槽長度在2～20 mm、深度在2～7 mm的范圍內變化對軸承外圈最大變形量的影響可忽略不計。軸承外圈最大應力與槽深、槽長的關系如圖6所示，隨著開槽長度與深度的增加，軸承外圈最大應力的增加趨勢相對顯著，但最大增幅小于3%，開槽長度與深度的變化對軸承外圈最大應力的影響也相對較小。因此，可以認為軸承外圈的小型開槽對軸承承載能力影響不大。

2 智能軸承內圈溫度監測研究

2.1 滾動軸承溫度場建模

滾動軸承接觸區域的溫度升高是由于滾動體與滾道之間的摩擦損失和滾動阻力產生，然后以熱傳導、熱對流和熱輻射等形式消耗，摩擦力矩是導致滾動軸承接觸區域發熱的主要原因[11]。軸承摩擦力矩是滾動摩擦、滑動摩擦和潤滑劑摩擦等各種摩擦因素的總和對軸承運轉產生的阻力矩，滾動軸承摩擦力矩的大小決定了軸承的功率消耗和發熱量大小，對軸承的溫升失效產生重要影響[12]。因此，軸承發熱量的計算關鍵在于摩擦力矩的確定。由于摩擦力矩受到軸承結構、材料、摩擦、潤滑、工作載荷、轉速等眾多因素，本文采用Palmgren摩擦力矩經驗公式分析滾動軸承溫度場的變化[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的系數；p為當量動載荷，N；dm為軸承節圓直徑，mm。

(5)

式中：f0與軸承類型和潤滑方式有關；v為工作溫度下潤滑劑的運動粘度，mm2/s；n為轉速，r/min。

軸承的發熱量：

H=1.047×10-4×M×n

(6)

式中H為滾動體與內外圈之間的總發熱量，W。

應用Solidworks建立深溝球軸承模型，將其導入有限元軟件中進行網絡劃分，根據Palmgren摩擦力矩經驗公式計算n=1 500 r/min，徑向載荷為50 kN時滾動軸承的發熱量。在有限元瞬態溫度分析模塊中，根據Burton和Staph研究結果[14]，將發熱量按1∶1比例分布加載到滾動體與軸承內外圈滾道上，在內外圈的外表面上加載對應熱對流。圖7為不同仿真時間對應的內外圈溫度，由圖7可知，軸承內外圈溫度有著顯著差異，且內圈溫度明顯高于外圈溫度，因此，內圈溫度更能實時反映滾動軸承的工作狀態，對軸承狀態監測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軸承內圈溫度進行監測。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，通過測量目標發射的紅外輻射強度計算出物體的表面溫度，測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，同時不易干擾被測對象的溫度場，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，技術參數如表1所示[15]。

表1 常用非接觸式紅外傳感器技術參數

由于軸承在服役狀態下內圈溫度遠高于歐姆龍D6T系列測溫范圍，而DFROBOTTS01溫度傳感器測量精度較低，且在高溫測量時靈敏度較低不利于復雜工況下溫度的檢測。因此，綜合考慮傳感器安裝空間尺寸、工作溫度范圍及測量精度的要求，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熱電堆探測器芯片MLX81101和信號處理專用集成芯片MLX90302。

2.3 智能軸承溫度監測系統設計

滾動軸承內圈溫度測試系統主要由溫度傳感器、STM32F103單片機及上位機三部分組成。溫度傳感器采集到的信號通過ADC轉換為數字信號，通過兩線SMBus兼容協議接口輸出，由STM32F103進行接收并傳輸，在上位機實時顯示溫度，當溫度超過設定的閾值時，監測系統發出警報，完成軸承內圈溫度的在線監測。該監測系統不僅可實現軸承內圈溫度的長期監測，還可對異常狀態進行預警。

本文所提方案屬于非接觸式測試系統，與基于霍爾傳感器監測系統相比，其測量精度不受工作磁場的干擾。同時，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境對溫度的測量影響較低，具有良好的穩定性和可靠性。

3 智能軸承溫度監測實驗研究

采用6220深溝球軸承作為試驗對象，為安裝內圈溫度傳感器，通過電極加工方式，對其外圈徑向開槽，其尺寸為長20 mm、寬11 mm、深7 mm，將溫度監測系統安裝至型號為ABLT-2的軸承壽命試驗機上開展壽命測試試驗，如圖8所示。

試驗中電機轉速為1 500 r/min，施加徑向載荷50 kN，使用L-HM68液壓油對整個裝置進行油潤滑，當實驗軸承失效時試驗機停機。由于本實驗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氧樹脂膠固定在智能軸承徑向開槽處，靜置24 h等環氧樹脂膠固化后裝入軸承座中，如圖10(a)所示，4個Pt100溫度傳感器分別與4套6220軸承外圈接觸，實時監測4套軸承外圈溫度，如圖10(b)所示。與振動信號相比，軸承工作時，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圈的溫度。溫度傳感器采集的信號經STM32F103處理后發送至上位機，圖11為上位機溫度顯示界面。在上位機設置溫度閾值為100 ℃，當實測溫度超過閾值時，系統將報警。

此外，為了對比溫度信號與振動信號的監測效果，在軸承座上與外圈開槽處同時安裝振動傳感器測量普通軸承和智能軸承的振動信號。由實驗數據獲得全壽命歷程的智能軸承與普通軸承振動信號如圖12、圖13所示。由實驗過程并結合圖12、圖13振動信號分析可知，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，徑向開槽結構對軸承壽命的影響不大，驗證了本文提出的智能軸承結構的可行性。

當施加徑向載荷F=50 kN，轉速為n=1 500 r/min時，軸承內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，內圈溫度迅速上升，內外圈溫度差異逐漸變大，由此可知內圈溫度對載荷的變化非常敏感。隨著軸承運行狀態逐漸平穩，內外圈溫度差保持在10 ℃左右。當運行時間在2 400～2 850 min時，內圈溫度由93 ℃上升到98 ℃，平均溫升速率約為0.01 ℃/min，但此時外圈溫度變化平均速率為0.004 ℃/min，而在2 850～3 050 min時外圈溫度由85 ℃上升到88 ℃，平均溫升速率約為0.015 ℃/min。同時，對比圖13可知，智能軸承的振動信號在第2 900 min左右出現異常，而軸承內圈溫度在2 500 min左右出現急劇變化。由此可以可見，相比于軸承外圈溫度與振動，在重載條件下內圈溫度對軸承運行狀態的變化更為敏感。因此，內圈溫度有效監測對于軸承早期異常檢測和故障診斷具有重要作用。

4 結論

本文提出了一種軸承外圈徑向開槽的新型智能軸承結構，利用嵌入式技術將非接觸式溫度傳感器安裝在軸承內部，并設計了溫度監測系統，實現軸承內圈溫度在線監測，主要結論如下：

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

(2)本文設計的在線監測系統實現了對軸承內圈溫度的實時監測，仿真與實驗結果均表明，內圈溫度明顯高于外圈溫度，且內圈溫度隨著載荷的增加，升高趨勢顯著加快。因此，軸承內圈溫度的實時監測是很有必要的。

(3)內圈溫度對滾動軸承服役狀態的變化較為敏感，本文所設計智能軸承溫度監測系統可設置溫度監測閾值，為軸承監測系統的智能化奠定了基礎。