智能軸承自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析

崔寶珍，王浩楠，彭智慧，高樂樂

(中北大學 機械工程學院，太原 030051)

滾動軸承作為旋轉(zhuǎn)機械的核心零部件，被譽為回轉(zhuǎn)支承系統(tǒng)的“心臟”，其發(fā)展水平的高低往往代表或制約著一個國家機械工業(yè)和其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平[1]。事實上，超過40%的機械缺陷與軸承故障相關(guān)[2]，滾動軸承一旦發(fā)生故障，將會嚴重影響機械設(shè)備的可靠運行，而大量事實證明，軸承損壞引起的機器故障出現(xiàn)在軸承預期壽命之前，因此對軸承運行狀態(tài)的實時在線監(jiān)測顯得尤為重要。

一般情況下，對軸承的監(jiān)測是通過在軸承座或箱體上安裝振動傳感器獲取軸承的工作狀態(tài)信號，通過這種方法采集到的信號除去軸承本身的工作信息外，還包含設(shè)備中其他運動部件產(chǎn)生的噪聲信號，對軸承故障的監(jiān)測非常不利[3]。為解決上述問題，從信號采集的源頭著手，引入了智能軸承。智能軸承是一種在傳統(tǒng)軸承上集轉(zhuǎn)速、溫度、振動等傳感器及信號發(fā)射裝置為一體的獨特結(jié)構(gòu)單元，通過外部信號接收裝置和計算機進行信息處理，最終達到實時在線監(jiān)測的目的。故障信號的傳遞會隨著傳遞路徑衰減，而智能軸承本身集成的傳感器更加靠近軸承故障發(fā)生源，故障信號的傳遞路徑大大縮短，減少了其他運動部件的噪聲引入，能夠有效提高所測信號的信噪比，對軸承的故障監(jiān)測十分有利。

近年來，國內(nèi)外學者對智能軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計做了大量研究：SKF 公司生產(chǎn)了一種外掛式智能軸承[4]，主要用于內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)外圈固定的場合，可以測量軸承的旋轉(zhuǎn)次數(shù)、速度、方向、加速度等；文獻[5]在軸承外圈上設(shè)計槽式結(jié)構(gòu)，將復合傳感器與軸承端面進行嵌入式結(jié)合，能夠?qū)S承運轉(zhuǎn)過程中的振動、轉(zhuǎn)速和溫度信號進行采集；文獻[6]研究了嵌入式結(jié)構(gòu)的智能軸承，通過在軸承外圈開槽并嵌入振動加速度傳感器來監(jiān)測軸承的運行狀態(tài)；文獻[7]研究了滾動軸承內(nèi)圈溫度的無線監(jiān)測，將測試系統(tǒng)嵌入軸承的鎖緊螺母中，通過熱電偶接觸測量實現(xiàn)軸承內(nèi)圈的溫度監(jiān)測。

目前大多數(shù)智能軸承采用有線、電池或無線充電等方法為軸承的智能組件提供電能：有線供電需要拖動電纜，無法滿足軸承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的需求，并且大部分機械設(shè)備是完全封閉的，使得利用導線供電變得不切實際；電池供電不可避免存在停機更換，充電不方便，化學材料污染環(huán)境等缺點；無線供電則需要外置供電線圈，體積大安裝不便，傳輸距離受限且效率低，無法滿足工業(yè)現(xiàn)場的實際使用要求。以上供電方式大大限制了智能軸承在設(shè)備內(nèi)部、無外接電源等條件下的使用，因此自供電技術(shù)對智能軸承的應用起決定性作用。

自供電技術(shù)是智能軸承實時在線監(jiān)測的基礎(chǔ)： 文獻[8]利用摩擦納米發(fā)電技術(shù)設(shè)計了一種由滾子和電極組成的能量采集器，通過軸承滾子和電極之間的周期性摩擦接觸產(chǎn)生電能，但該結(jié)構(gòu)安裝不便，使用壽命可能較短；文獻[9]提出了一種適用于外圈旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈固定場合的能量采集結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)過程中，當分布在旋轉(zhuǎn)環(huán)上的磁鐵與固定環(huán)壓電結(jié)構(gòu)上的磁鐵相遇時，兩者相互排斥，壓電結(jié)構(gòu)受到壓力從而產(chǎn)生電壓，但該結(jié)構(gòu)尺寸較大，只適用于大型軸承；文獻[10]設(shè)計了一種電磁能量采集器，將永磁體固定在軸承端蓋上，線圈固定在保持架上，通過電磁感應產(chǎn)生電壓，但該結(jié)構(gòu)只適用于具有端蓋的軸承結(jié)構(gòu)；文獻[11]針對高速列車軸箱內(nèi)的智能軸承供電問題提出了一種變磁阻能量采集器，軸承轉(zhuǎn)動時，設(shè)計的齒形墊片與e形電工鋼之間的相對運動使線圈的磁通量隨時間變化，根據(jù)法拉第電磁感應定律，線圈產(chǎn)生感應電動勢，但該結(jié)構(gòu)的線圈裝配困難；文獻[12]為監(jiān)測飛機發(fā)動機部件的運行設(shè)計了一種內(nèi)置油冷室的熱電能量采集器，該裝置用于高溫(125 ℃以上)環(huán)境，利用2種不同材料連接的溫差產(chǎn)生電流，為傳感器供電，并將剩余的電能使用超級電容存儲，但該結(jié)構(gòu)只適用于大溫差環(huán)境。

綜上所述，大多數(shù)智能軸承的自供電結(jié)構(gòu)與軸承本身沒有結(jié)合成為一個整體，并且只能在特定的場合和條件下使用，很大程度上限制了智能軸承的推廣使用[13]。因此，本文通過模擬仿真和試驗驗證的方式設(shè)計了一種外拓式智能軸承結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)上嵌入自供電裝置，研究其不同參數(shù)對電壓值的影響，以實現(xiàn)所設(shè)計的一體化智能軸承自供電結(jié)構(gòu)能夠持續(xù)為軸承智能組件提供穩(wěn)定電能。

1 智能軸承自供電結(jié)構(gòu)設(shè)計

軸承是標準件，在不影響其原有結(jié)構(gòu)、功能的基礎(chǔ)上，可以通過拓展優(yōu)化智能組件使之與原軸承結(jié)構(gòu)集成一體，形成獨特的智能軸承結(jié)構(gòu)。智能軸承可以通過收集周圍環(huán)境的能量為其智能組件供能，這也奠定了軸承實時在線監(jiān)測的基礎(chǔ)[14]。

1.1 智能軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計

軸承及其供電裝置與傳感器的集成通常可分為嵌入式和外拓式。考慮到目前微型加速度傳感器和供電系統(tǒng)的實際尺寸，嵌入式必然會破壞軸承的結(jié)構(gòu)，影響其力學性能；而外拓式結(jié)構(gòu)不會破壞軸承的完整性，并且可以有更大的空間安裝傳感器和其他智能組件：因此選用外拓式結(jié)構(gòu)將軸承與供電結(jié)構(gòu)進行集成。

目前最常用的自供電方法包括靜電法、壓電法和電磁法，其中電磁法與其他類型的能量采集技術(shù)相比，發(fā)電功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率高，易于與軸承集成，因此本文選用的自供電方式為電磁法。

綜合考慮智能軸承結(jié)構(gòu)與自供電方式，本文設(shè)計外拓式的供電結(jié)構(gòu)采用電磁法從軸承的旋轉(zhuǎn)運動中采集能量來為智能組件提供電壓。軸承工作時外圈與內(nèi)圈會產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，考慮到線圈和傳感器的安裝位置受限，設(shè)計了一種軸承內(nèi)、外圈拓展的智能軸承結(jié)構(gòu)。軸承外圈套環(huán)結(jié)構(gòu)半剖圖如圖1所示，在軸承外圈外側(cè)添加一軸承套環(huán)結(jié)構(gòu)并向兩邊延伸，在超出外圈部分的套環(huán)內(nèi)表面兩側(cè)分別對稱開設(shè)6個T形槽用以安裝線圈和鐵芯，在超出外圈部分的套環(huán)外表面開槽安裝傳感器、無線傳輸組件及電壓轉(zhuǎn)換組件。軸承內(nèi)圈拓展環(huán)結(jié)構(gòu)半剖圖如圖2所示，將軸承內(nèi)圈分別向兩側(cè)拓展，在內(nèi)圈拓展環(huán)的外表面開槽，用來安裝磁鐵。其中拓展環(huán)的厚度由磁鐵和鐵芯的軸向長度決定，拓展環(huán)的外徑由傳感器等組件尺寸決定。

圖1 軸承外圈套環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of bearing outer ring thimble

圖2 軸承內(nèi)圈拓展環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of bearing inner ring expansion ring

智能軸承的整體自供電結(jié)構(gòu)如圖3所示，軸承外圈套環(huán)與軸承外圈采用過盈配合，使軸承與供電結(jié)構(gòu)成為一個整體。當軸承工作時，軸承內(nèi)圈拓展環(huán)隨著軸承內(nèi)圈同步旋轉(zhuǎn)，根據(jù)法拉第電磁感應定律，外圈套環(huán)內(nèi)表面上安裝的線圈內(nèi)產(chǎn)生電動勢，通過電壓轉(zhuǎn)換裝置，實現(xiàn)軸承的自供電，為傳感器持續(xù)提供能量。

圖3 智能軸承自供電結(jié)構(gòu)Fig.3 Self-power supply structure of intelligent bearing

1.2 電能的轉(zhuǎn)換與儲存

本文設(shè)計的智能軸承自供電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電壓為交流電，而傳感器和無線傳輸?shù)冉M件需要直流供電。為了從該自供電機構(gòu)得到穩(wěn)定的直流電，可通過設(shè)計相應的濾波、整流和穩(wěn)壓電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

另一方面，由于軸承在低轉(zhuǎn)速情況下供電結(jié)構(gòu)無法為其智能組件提供充足的電壓，所以需要額外的供電組件為智能軸承供電。傳統(tǒng)的蓄電池充電速度慢且軸承高速運行時供電結(jié)構(gòu)會為電池持續(xù)充電導致過充從而影響電池的壽命；而超級電容有著體積小，充電速度快，循環(huán)充放電壽命長，充放電電路簡單，對環(huán)境友好以及過充過放都不對其壽命產(chǎn)生負面影響等優(yōu)勢。因此，超級電容在智能軸承中充當儲電組件十分適用：軸承高速工作時，產(chǎn)生的電能一部分提供給軸承的智能組件，另一部分儲存在超級電容中；軸承低速工作時，超級電容又可以為軸承的智能組件供電，充分利用所采集的電能。

2 模型驗證

使用SolidWorks建立與供電結(jié)構(gòu)實體1∶1的三維模型，并在麥克斯韋軟件中進行三維有限元電磁分析。為了減少有限元分析的計算量，將6207軸承中的保持架、球等對結(jié)果影響較小的結(jié)構(gòu)去除或簡化，并將其保存為X_T格式文件導入麥克斯韋軟件中。供電結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和材料見表1。

表1 供電結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和材料Tab.1 Geometric parameters and material of power supply structure

仿真中，磁鐵的充磁方向為徑向充磁，相鄰磁鐵的充磁方向相反；六組線圈以串聯(lián)的方式相連，相鄰線圈繞線方向相反；設(shè)置運動域，將磁鐵和軸承內(nèi)圈拓展環(huán)等運動部件包含在其中，使其能夠以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；最終設(shè)置求解域、劃分網(wǎng)格，進行三維瞬態(tài)磁場的求解。自供電結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)磁場分布云圖如圖4所示。由于45#鋼等鐵磁性材料擁有良好的導磁性，所以最大磁場強度應位于磁鐵表面、鐵芯以及軸承內(nèi)圈拓展環(huán)附近，并且各個位置的磁場強度大小隨著與磁鐵距離的增加而減小，通過圖4可以看出仿真結(jié)果與實際情況相同。當軸承內(nèi)圈快速轉(zhuǎn)動時，鐵芯中的磁場會發(fā)生較大變化，線圈中的磁通量變化率越大，產(chǎn)生的有效電壓越大。

圖4 自供電結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)磁場分布云圖Fig.4 Nephogram of transient magnetic field distribution of self-power supply structure

為了確保上述自供電結(jié)構(gòu)能夠為軸承的智能組件提供充足的電壓，并且方便后續(xù)對模型進行優(yōu)化，必須通過試驗來驗證有限元模型的準確性。本文通過比較相同轉(zhuǎn)速下6207軸承在仿真和試驗中產(chǎn)生的有效電壓值是否一致來判斷仿真模型的準確性。智能軸承自供電試驗平臺及其自供電結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示，線圈串聯(lián)纏繞在鐵芯上，并將鐵芯嵌入到軸承套環(huán)中。利用變頻器來控制電動機的轉(zhuǎn)速，在0～30 Hz的頻率范圍內(nèi)以步長5 Hz均勻加速，記錄對應的轉(zhuǎn)速和有效電壓值，研究供電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

圖5 智能軸承試驗平臺Fig.5 Intelligent bearing experimental platform

圖6 智能軸承及自供電結(jié)構(gòu)Fig.6 Intelligent bearing and self-power supply structure

仿真與試驗產(chǎn)生的有效電壓隨時間的變化如圖7所示，可以看出仿真和試驗產(chǎn)生的有效電壓與轉(zhuǎn)速均呈線性關(guān)系，有效電壓值的絕對誤差在0.4 V以內(nèi)，這表明所建立有限元模型能夠有效預測供電結(jié)構(gòu)的有效電壓值。

圖7 仿真與試驗產(chǎn)生的有效電壓隨時間的變化Fig.7 Change of effective voltages generated by simulation and test with time

3 自供電結(jié)構(gòu)仿真分析

為了進一步減小智能軸承的體積，使用麥克斯韋軟件對供電結(jié)構(gòu)進行仿真分析。在保證該供電結(jié)構(gòu)能為智能組件提供足夠電壓的前提下，對拓展環(huán)材料、鐵芯與磁鐵間的氣隙以及軸線方向的磁鐵長度進行分析，為優(yōu)化智能軸承結(jié)構(gòu)做準備。

3.1 拓展環(huán)材料對電壓的影響

在電動機頻率30 Hz，軸承轉(zhuǎn)速為1 758 r/min(電動機的最大轉(zhuǎn)速)條件下，分別改變軸承外圈套環(huán)和內(nèi)圈拓展環(huán)的材料，分析使用45#鋼和非鐵磁性材料(鋁合金6061、PLA、樹脂材料)對電壓的影響。

軸承外圈套環(huán)使用非鐵磁性材料、內(nèi)圈拓展環(huán)使用45#鋼時磁場分布云圖如圖8所示，與圖4相比鐵芯上的磁感應強度大幅減小，不利于電壓的產(chǎn)生。軸承外圈套環(huán)使用45#鋼、內(nèi)圈拓展環(huán)使用非鐵磁性材料時磁場分布云圖如圖9所示，與圖4和圖8相比鐵芯上的磁感應強度大幅增加，有利于產(chǎn)生更高的電壓。拓展環(huán)使用不同材料對電壓的仿真結(jié)果如圖10所示，進一步證明當軸承外圈套環(huán)采用45#鋼、內(nèi)圈拓展環(huán)采用非鐵磁性材料時能夠產(chǎn)生更高的電壓，并且電壓曲線有更好的正弦特性。

圖8 軸承外圈套環(huán)為非鐵磁性材料、內(nèi)圈拓展環(huán)為45#鋼時磁場分布云圖Fig.8 Nephogram of magnetic field distribution when bearing outer ring thimble is made of non-ferromagnetic materials and inner ring expansion ring is made of 45# steel

圖9 軸承外圈套環(huán)為45#鋼、內(nèi)圈拓展環(huán)為非鐵磁性材料時磁場分布云圖Fig.9 Nephogram of magnetic field distribution when bearing outer ring thimble is made of 45# steel and inner ring expansion ring is made of non-ferromagnetic materials

圖10 拓展環(huán)材料對電壓的影響Fig.10 Influence of expansion ring materials on voltages

3.2 氣隙對電壓的影響

在軸承外圈套環(huán)采用45#鋼、內(nèi)圈拓展環(huán)采用非鐵磁性材料的前提下，分析磁鐵與鐵芯在不同氣隙下的電壓。由于軸承本身結(jié)構(gòu)緊湊，故氣隙分別取0.5，1.0，1.5和2.0 mm，通過仿真觀察不同氣隙下的電壓，結(jié)果如圖11所示，不同氣隙下的有效電壓值見表2。由圖11可知：隨著氣隙的增大，電壓值隨之減小。在實際設(shè)計中考慮到加工精度等影響，選取1.0 mm的氣隙。

圖11 軸承外圈套環(huán)為45#鋼、內(nèi)圈拓展環(huán)為非鐵磁性材料時氣隙對電壓的影響Fig.11 Influence of air gaps on voltages when bearing outer ring thimble is made of 45# steel and inner ring expansion ring is made of non-ferromagnetic materials

表2 軸承外圈套環(huán)為45#鋼、內(nèi)圈拓展環(huán)為非鐵磁性材料時不同氣隙下的有效電壓值Tab.2 Effective voltage values under different air gaps when bearing outer ring thimble is made of 45# steel and inner ring expansion ring is made of non-ferromagnetic materials

3.3 磁鐵長度對電壓的影響

由于試驗中使用了長度為20 mm的磁鐵，所以外圈套環(huán)和內(nèi)圈拓展環(huán)的厚度也相應增加，導致目前設(shè)計的智能軸承體積較大，因此必須對磁鐵的長度優(yōu)化，在滿足傳感器及無線傳輸組件電壓的前提下，合理減小磁鐵的體積十分關(guān)鍵。在軸承外圈套環(huán)采用45#鋼、內(nèi)圈拓展環(huán)采用非鐵磁性材料并且氣隙為1.0 mm的前提下，分析磁鐵長度對電壓的影響。磁鐵長度取5，10，15和20 mm，不同磁鐵長度下的電壓如圖12所示，不同長度的磁鐵產(chǎn)生的有效電壓值見表3。由圖12可知：隨著磁鐵長度減小，電壓值隨之減小。由表3可知，磁鐵長度為5 mm時產(chǎn)生的有效電壓為10.65 V，仍能滿足傳感器和無線傳輸?shù)墓╇娨螅蚀盆F長度取5 mm。

圖12 軸承外圈套環(huán)為45#鋼、內(nèi)圈拓展環(huán)為非鐵磁性材料時磁鐵長度對電壓的影響Fig.12 Influence of magnet lengths on voltages when bearing outer ring thimble is made of 45# steel and inner ring expansion ring is made of non-ferromagnetic materials

表3 軸承外圈套環(huán)為45#鋼、內(nèi)圈拓展環(huán)為非鐵磁性材料時不同磁鐵長度下的有效電壓值Tab.3 Effective voltage values under different magnet lengths when bearing outer ring thimble is made of 45# steel and inner ring expansion ring is made of non-ferromagnetic materials

該供電結(jié)構(gòu)的電源內(nèi)阻為6組線圈的總電阻，通過測量其內(nèi)阻為27.2 Ω。當外接電阻與供電結(jié)構(gòu)內(nèi)阻相等時，該供電結(jié)構(gòu)的輸出功率最大，為1.04 W。

3.4 小結(jié)

綜上所述，本文設(shè)計的智能軸承自供電結(jié)構(gòu)在1.0 mm氣隙、5 mm長度磁鐵以及外接電阻為27.2 Ω的條件下，可以產(chǎn)生10.65 V有效電壓且最大輸出功率為1.04 W。目前常用傳感器及無線傳輸組件的供電電壓范圍一般在3.0～5.5 V左右，所以該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電壓能夠滿足其正常工作的供電要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了外拓式內(nèi)嵌微傳感器智能滾動軸承的自供電結(jié)構(gòu)，并通過試驗驗證了仿真模型的準確性，使用麥克斯韋有限元電磁仿真軟件分析不同拓展環(huán)材料、氣隙以及磁鐵長度對該自供電結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明本文設(shè)計的智能滾動軸承自供電結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)速1 758 r/min、氣隙1.0 mm以及磁鐵長度為5 mm的工作條件下，可以得到10.65 V的有效電壓以及1.04 W的最大輸出功率，能夠滿足傳感器和無線傳輸組件的正常工作要求，在智能軸承工作過程中可以實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)化，并將剩余的電能儲存在超級電容中。