智能滚动轴承内圈温度监测系统研究

2021-11-06陈金海张文远罗梦婷

仪表技术与传感器 2021年10期

陈金海，张文远，罗梦婷，王恒

(南通大学机械工程学院，江苏南通 226019)

0 引言

滚动轴承作为旋转机械中重要组成零件，广泛应用于航空航天、高铁、机床等领域，及时有效检测轴承运行状态对保证旋转设备的安全运行具有重要意义[1]。温升及温度分布不仅对滚动轴承性能产生影响，而且也是影响主轴系统工作性能和寿命的关键因素。由于滚动体与滚道之间存在摩擦阻力和滚动阻力，使内外圈滚道与滚动体接触区域温度升高较快。同时，长期处在高速重载工况中的轴承，内圈散热条件比较差，润滑油粘度随温度升高而降低，导致轴承内部温度远高于外圈温度。据统计，轴承高速运转过程中50%的失效源于轴承发热问题[2]。因此，对轴承内圈温度的监测在一定程度上可以反映轴承状态变化以及运行故障，是轴承状态监测的研究方向之一。

传统的轴承温度监测是将传感器安装在轴承座上，难以有效检测复杂工作条件下轴承内部滚动区域的温度状况。随着微传感器、微机电系统、无线传输等技术的发展，“智能轴承”应运而生[3]，为解决上述问题提供了一种可行的思路。智能轴承是指由通过的经过改进的轴承本体及相关辅件、镶嵌在轴承体内或相关辅件内微传感器、处理传输电路(专用芯片)、采集卡、信号处理与分析软件和轴承服役状态调控装置组成，可实现服役状态的自感知、自诊断、自适应的轴承系统。

目前，国内外对轴承温度场的研究，主要是根据轴承负荷分布，计算轴承发热量，通过仿真软件建立模型，模拟轴承内外圈的温度分布[4]。针对轴承旋转部件温度的监测，由于受内部空间及高速旋转的影响，对内圈温度的监测研究相对较少，已有的方法主要是采用红外测温和无线电遥感测温的非接触式测量。A. Kovacs[5]等利用无线高温遥测仪对滚动轴承保持架温度进行监控，但由于采用电磁耦合的方式进行传输，信号容易受周围环境磁场的干扰。文献[6]设计了可集成在保持架上的无线电遥感温度传感器，但该方法不利于保持架其自身的运行。文献[7]采用无线传输设备系统，根据磁环产生的磁场随温度升高而降低的原理，利用霍尔传感器采集磁场的大小来反映轴承内圈温度，但该方法在一定程度上会受周围磁场的影响。闫柯[8]等利用量子点材料的感温感光特性设计了量子点薄膜温度传感器探针，以7008C双列角接触球轴承为对象实时监测轴承内圈温度，该传感器具有较高的热稳定性，但在油污、腐蚀等恶劣工况下还有待进一步实验验证。王方哲[9]等提出滚动轴承内圈温度无线监测技术，将热电偶嵌入在轴承的锁紧螺母中，实现轴承内圈温度监测，但整体系统较为复杂。

针对轴承内圈温度监测系统存在可靠性差、测量易受监测环境影响的不足，本文提出一种嵌入式智能轴承结构与内圈温度监测方法，并设计了轴承内圈温度监测系统，应用结果表明本文所提方法的可行性和有效性。

1 智能轴承温度监测系统设计

1.1 智能轴承结构设计

本文以内圈直径为100 mm、外圈直径180 mm、宽度34 mm的6220轴承为研究对象，该型号轴承的主要工作方式为内圈随轴旋转，外圈不动，此时轴承外圈不受惯性力。根据Stribeck理论，当轴承只受径向载荷时，外圈所受载荷沿轴向分布，如图1所示。考虑深沟球轴承主要受径向载荷，同时为实现对轴承内圈温度的监测，本文提出对轴承外圈进行径向开槽的新结构，结构如图2所示。

根据赫兹弹性接触理论，当深沟球外圈承载在弹性极限范围内时，滚动体与轴承外圈滚道的接触面为椭圆形。因此，当轴承外圈径向开槽时，若外圈承载在弹性极限范围内，滚动体与外圈的接触面形状不会发生变化。由Palmgren简化计算方法可以确定滚动轴承椭圆形接触面的尺寸[10]：

(1)

式中：a为长半轴；μ为两物体的接触区尺寸，可查表得到[10]；Q为载荷；ρ为接触物体的主曲率。

(2)

式中：b为短半轴；v为两物体的接触区尺寸，可查表得到[10]；Q为载荷；ρ为接触物体的主曲率。

因此，当已知轴承径向载荷时，即可确定轴承外圈滚道与滚动体接触面的尺寸，为仿真施加载荷区域尺寸的确定提供理论依据。

轴承外圈最大变形与径向载荷的关系如图3所示，图4为轴承外圈最大应力与径向载荷的关系。由图3可以看出普通轴承与智能轴承的外圈最大变形量差值随着径向载荷增加而增大。由图4可知当径向载荷增加时，普通轴承与智能轴承外圈的最大应力也随之增加，但普通轴承与智能轴承外圈最大应力近似相等。因此，当轴承只承受径向载荷时，径向开槽对轴承承载能力的影响较小。

1.2 智能轴承外圈径向开槽尺寸分析

径向开槽时，轴承外圈最大变形与槽深、槽长的关系如图5所示，随着开槽长度与深度的增加，轴承外圈最大变形量的变化较小，由此可知，开槽长度在2～20 mm、深度在2～7 mm的范围内变化对轴承外圈最大变形量的影响可忽略不计。轴承外圈最大应力与槽深、槽长的关系如图6所示，随着开槽长度与深度的增加，轴承外圈最大应力的增加趋势相对显著，但最大增幅小于3%，开槽长度与深度的变化对轴承外圈最大应力的影响也相对较小。因此，可以认为轴承外圈的小型开槽对轴承承载能力影响不大。

2 智能轴承内圈温度监测研究

2.1 滚动轴承温度场建模

滚动轴承接触区域的温度升高是由于滚动体与滚道之间的摩擦损失和滚动阻力产生，然后以热传导、热对流和热辐射等形式消耗，摩擦力矩是导致滚动轴承接触区域发热的主要原因[11]。轴承摩擦力矩是滚动摩擦、滑动摩擦和润滑剂摩擦等各种摩擦因素的总和对轴承运转产生的阻力矩，滚动轴承摩擦力矩的大小决定了轴承的功率消耗和发热量大小，对轴承的温升失效产生重要影响[12]。因此，轴承发热量的计算关键在于摩擦力矩的确定。由于摩擦力矩受到轴承结构、材料、摩擦、润滑、工作载荷、转速等众多因素，本文采用Palmgren摩擦力矩经验公式分析滚动轴承温度场的变化[13]。

M=Mf+Me

(3)

式中：M为总摩擦力矩，N·mm；Mf为载荷摩擦力矩，N·mm；Me为粘性摩擦力矩，N·mm。

Mf=f1pdm

(4)

式中：f1为轴承类型及承受载荷有关的系数；p为当量动载荷，N；dm为轴承节圆直径，mm。

(5)

式中：f0与轴承类型和润滑方式有关；v为工作温度下润滑剂的运动粘度，mm2/s；n为转速，r/min。

轴承的发热量：

H=1.047×10-4×M×n

(6)

式中H为滚动体与内外圈之间的总发热量，W。

应用Solidworks建立深沟球轴承模型，将其导入有限元软件中进行网络划分，根据Palmgren摩擦力矩经验公式计算n=1 500 r/min，径向载荷为50 kN时滚动轴承的发热量。在有限元瞬态温度分析模块中，根据Burton和Staph研究结果[14]，将发热量按1∶1比例分布加载到滚动体与轴承内外圈滚道上，在内外圈的外表面上加载对应热对流。图7为不同仿真时间对应的内外圈温度，由图7可知，轴承内外圈温度有着显著差异，且内圈温度明显高于外圈温度，因此，内圈温度更能实时反映滚动轴承的工作状态，对轴承状态监测与故障诊断具有重要意义。

2.2 温度传感器选型

为了降低对轴承承载能力的影响，需减小传感器安装的空间尺寸，因此需要选择合适传感器对轴承内圈温度进行监测。最常用的非接触式温度传感器是基于黑体辐射的基本定律，通过测量目标发射的红外辐射强度计算出物体的表面温度，测量上限不受感温元件耐温程度的限制，同时不易干扰被测对象的温度场，常用的非接触式温度传感器主要有MT系列、MLX90614系列、欧姆龙D6T系列、DFROBOTTS01等，技术参数如表1所示[15]。

表1 常用非接触式红外传感器技术参数

由于轴承在服役状态下内圈温度远高于欧姆龙D6T系列测温范围，而DFROBOTTS01温度传感器测量精度较低，且在高温测量时灵敏度较低不利于复杂工况下温度的检测。因此，综合考虑传感器安装空间尺寸、工作温度范围及测量精度的要求，本文选择MLX90614系列非接触式温度传感器。MLX90614系列传感器集成了红外感应热电堆探测器芯片MLX81101和信号处理专用集成芯片MLX90302。

2.3 智能轴承温度监测系统设计

滚动轴承内圈温度测试系统主要由温度传感器、STM32F103单片机及上位机三部分组成。温度传感器采集到的信号通过ADC转换为数字信号，通过两线SMBus兼容协议接口输出，由STM32F103进行接收并传输，在上位机实时显示温度，当温度超过设定的阈值时，监测系统发出警报，完成轴承内圈温度的在线监测。该监测系统不仅可实现轴承内圈温度的长期监测，还可对异常状态进行预警。

本文所提方案属于非接触式测试系统，与基于霍尔传感器监测系统相比，其测量精度不受工作磁场的干扰。同时，由于该温度传感器具有良好的封装特性，轴承工作过程中油雾环境对温度的测量影响较低，具有良好的稳定性和可靠性。

3 智能轴承温度监测实验研究

采用6220深沟球轴承作为试验对象，为安装内圈温度传感器，通过电极加工方式，对其外圈径向开槽，其尺寸为长20 mm、宽11 mm、深7 mm，将温度监测系统安装至型号为ABLT-2的轴承寿命试验机上开展寿命测试试验，如图8所示。

试验中电机转速为1 500 r/min，施加径向载荷50 kN，使用L-HM68液压油对整个装置进行油润滑，当实验轴承失效时试验机停机。由于本实验中轴承承受纯径向载荷，为方便施加载荷与轴承固定，一次性安装4套轴承，其中3套轴承为普通轴承，1套为智能轴承，将4套6220轴承安装在主轴上，如图9所示。

安装轴承夹具前，需先将温度传感器通过环氧树脂胶固定在智能轴承径向开槽处，静置24 h等环氧树脂胶固化后装入轴承座中，如图10(a)所示，4个Pt100温度传感器分别与4套6220轴承外圈接触，实时监测4套轴承外圈温度，如图10(b)所示。与振动信号相比，轴承工作时，温度变化较为缓慢，因而可采用较低的采样频率采集轴承内圈的温度。温度传感器采集的信号经STM32F103处理后发送至上位机，图11为上位机温度显示界面。在上位机设置温度阈值为100 ℃，当实测温度超过阈值时，系统将报警。

此外，为了对比温度信号与振动信号的监测效果，在轴承座上与外圈开槽处同时安装振动传感器测量普通轴承和智能轴承的振动信号。由实验数据获得全寿命历程的智能轴承与普通轴承振动信号如图12、图13所示。由实验过程并结合图12、图13振动信号分析可知，智能轴承在2 900 min失效，而普通轴承在3 000 min失效，表明轴承在只承受径向载荷条件下，径向开槽结构对轴承寿命的影响不大，验证了本文提出的智能轴承结构的可行性。

当施加径向载荷F=50 kN，转速为n=1 500 r/min时，轴承内外圈温度变化曲线如图14所示。由图14可知，轴承在载荷加载过程中，内圈温度迅速上升，内外圈温度差异逐渐变大，由此可知内圈温度对载荷的变化非常敏感。随着轴承运行状态逐渐平稳，内外圈温度差保持在10 ℃左右。当运行时间在2 400～2 850 min时，内圈温度由93 ℃上升到98 ℃，平均温升速率约为0.01 ℃/min，但此时外圈温度变化平均速率为0.004 ℃/min，而在2 850～3 050 min时外圈温度由85 ℃上升到88 ℃，平均温升速率约为0.015 ℃/min。同时，对比图13可知，智能轴承的振动信号在第2 900 min左右出现异常，而轴承内圈温度在2 500 min左右出现急剧变化。由此可以可见，相比于轴承外圈温度与振动，在重载条件下内圈温度对轴承运行状态的变化更为敏感。因此，内圈温度有效监测对于轴承早期异常检测和故障诊断具有重要作用。