技術(shù)前沿 | 新一代航空發(fā)動(dòng)機用集成智能軸承

滾動(dòng)軸承是噴氣發(fā)動(dòng)機中最重要的零件之一。對噴氣發(fā)動(dòng)機軸承進(jìn)行狀態(tài)監測，有助于檢測軸承故障及預測軸承壽命。所研發(fā)的智能集成傳感軸承可實(shí)現在線(xiàn)狀態(tài)監測。該軸承被稱(chēng)為智能軸承。滾動(dòng)軸承是噴氣發(fā)動(dòng)機中最重要的零件之一。對噴氣發(fā)動(dòng)機軸承進(jìn)行狀態(tài)監測，有助于檢測軸承故障及預測軸承壽命。

所研發(fā)的智能集成傳感軸承可實(shí)現在線(xiàn)狀態(tài)監測。該軸承被稱(chēng)為智能軸承。滾動(dòng)軸承是噴氣發(fā)動(dòng)機中最重要的零件之一。對噴氣發(fā)動(dòng)機軸承智能軸承，由低功耗小型傳感器構成，對于無(wú)線(xiàn)通信與數據傳輸的運行具有自供能力，將在線(xiàn)運作狀態(tài)監測提升到新的水平。然而，目前大多數現有的智能軸承技術(shù)可用于汽車(chē)、鐵路、風(fēng)電設備等，由于噴氣發(fā)動(dòng)機的環(huán)境及操作條件復雜而具有挑戰性，包括極高的主軸轉速、高振動(dòng)頻率及高溫等，因此能用于噴氣發(fā)動(dòng)機的智能軸承的研制卻十分有限。

噴氣發(fā)動(dòng)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惡劣的環(huán)境。其他挑戰包括：有限的輸入功率、有限的空間及有線(xiàn)通道的可用性，以及市面上的耐高溫電子元件的不可用性。

開(kāi)發(fā)噴氣發(fā)動(dòng)機智能軸承面臨的挑戰

如上所述，雖然已經(jīng)開(kāi)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，目前仍沒(méi)有智能軸承可用于噴氣發(fā)動(dòng)機中，主要難度在于：
1. 第一挑戰噴氣發(fā)動(dòng)機軸承在三高超強狀態(tài)下運轉：
高轉速（3000rpm-10000rpm）
高溫（＞200℃）
高振動(dòng)（振動(dòng)＞100g）

此外，噴氣發(fā)動(dòng)機停留在所謂的熱浸回態(tài)中，將熱量?jì)Υ嫦聛?lái)，即使發(fā)動(dòng)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(dòng)機的環(huán)境，將在150℃到250℃范圍內對軸承進(jìn)行計劃試驗。這對于大多數現有的電子設備來(lái)說(shuō)是一項重大挑戰，因為它們只能在最高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(dòng)機智能軸承開(kāi)發(fā)過(guò)程中的主要障礙。90%以上的加速計都是為低于80℃環(huán)境中使用的設備設計制造的。

2. 第二大挑戰是主軸轉速高（3000rpm-10000rpm），因而產(chǎn)生了一個(gè)高振動(dòng)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(dòng)及保持架轉速等數值提出了重大挑戰。此外，為了模擬噴氣發(fā)動(dòng)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速（25000rpm到30000rpm之間）來(lái)達到與噴氣發(fā)動(dòng)機相似的節圓直徑。

3. 除了溫度限制之外，噴氣發(fā)動(dòng)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(wú)線(xiàn)電力與數據傳輸。在噴氣發(fā)動(dòng)機環(huán)境中還有進(jìn)一步限制，例如低能耗要求（導致機載數據處理及儲存受限），傳感器安裝空間較小，添加客戶(hù)要求后發(fā)動(dòng)機設計不靈活，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(huì )阻礙光學(xué)性能）等。

傳感器的選擇

開(kāi)發(fā)集成智能軸承中最重要的任務(wù)之一是認真選擇適用于噴氣發(fā)動(dòng)機軸承操作條件的傳感器商用現貨（COTS）。最初，在安裝/嵌入軸承中的完全集成智能軸承開(kāi)發(fā)出來(lái)以前，傳感器安裝于試驗臺上的軸承座中。

為確保為智能軸承選擇最適合的傳感器，采用如圖1所示的方法選擇了COTS傳感器。

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

振動(dòng)監測是軸承狀態(tài)監測最重要也是最常用的方法之一，因為振動(dòng)監測能根據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(shí)檢測，也能導致軸承失效。

為了有效測量振動(dòng)，應把傳感器安裝在緊挨著(zhù)接觸區域（靠近負載區域）的軸承上，在這一區域軸承的滾動(dòng)體直接接觸滾道。安裝傳感器的靠近負載區域同樣是噴氣發(fā)動(dòng)機軸承的高溫區域，溫度可高達250℃。噴氣發(fā)動(dòng)機轉速很快，導致缺陷頻率同樣很高。因此，充電模式加速計技術(shù)滿(mǎn)足要求，而位移及基于振動(dòng)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(lái)說(shuō)，共振頻率必須至少是加速計操作頻率的兩倍或三倍。這意味著(zhù)加速計的共振頻率至少為50kHz以上。

在選擇傳感器過(guò)程中，安裝方法是另一個(gè)需要考慮的因素。

為了確保將加速計在高振動(dòng)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(guò)粘合安裝的方法粘貼在軸承上是不可行的，因為它不僅會(huì )降低操作與共振頻率，而且還會(huì )充當振動(dòng)衰減器。此外，處在高溫環(huán)境中，粘合能力會(huì )隨著(zhù)時(shí)間衰減，無(wú)法滿(mǎn)足長(cháng)期操作使用要求。

02保持架轉速

在噴氣發(fā)動(dòng)機中，軸承各部件轉速很快，滾道與滾動(dòng)體之間的滑動(dòng)會(huì )引起早期失效。配合面之間的相對滑動(dòng)會(huì )產(chǎn)生大量級的表面剪切應力。

對于高速轉動(dòng)中的軸承來(lái)說(shuō)，滑動(dòng)會(huì )造成滾動(dòng)體實(shí)際轉速比理論值低?；瑒?dòng)效應無(wú)法通過(guò)振動(dòng)來(lái)監測，但是可通過(guò)測量保持架轉速來(lái)進(jìn)行監測。

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速。然而，由于一系列原因，噴氣發(fā)動(dòng)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(huì )聚集磨屑，造成危險。光學(xué)傳感器無(wú)法做精確測量，因為光在軸承潤滑油環(huán)境中會(huì )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(mǎn)足所有關(guān)于測量噴氣發(fā)動(dòng)機軸承保持架轉速的要求，包括高溫、高轉速及發(fā)動(dòng)機軸承周?chē)捎每臻g等。通過(guò)計算每個(gè)球通過(guò)渦流檢測探頭的時(shí)間來(lái)測量保持架轉速。

如圖2所示，每次球通過(guò)探頭時(shí)，都會(huì )因磁場(chǎng)干擾而產(chǎn)生一個(gè)失真的方波。當達到某個(gè)速率而生成脈沖時(shí)，這個(gè)速率被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)頻率，可通過(guò)利用球的數量乘以保持架轉速來(lái)計算。對于在偏小尺寸試驗臺上的軸承來(lái)說(shuō)，保持架轉速的理論值約為主軸轉速的一半，在12500rpm到15000rpm之間，球的數量為20。結果得出的開(kāi)關(guān)頻率在250000到300000之間。測量如此高的開(kāi)關(guān)頻率值對大多數COTS傳感器來(lái)說(shuō)是一項挑戰。結合其他需要考慮的因素，如溫度、探頭范圍及反應時(shí)間、球的表面積及油浸，選擇一個(gè)適用于噴氣發(fā)動(dòng)機軸承的渦流傳感器就變得具有挑戰性。

空氣-油槽中軸承周?chē)臏囟瓤筛哌_200℃。一個(gè)典型的渦流傳感器由連接電子元件的傳感單元構成，其可承受80℃高溫。解決這一問(wèn)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(huì )大幅減慢傳感器的反應時(shí)間，降低開(kāi)關(guān)頻率。大多數可在高溫中使用的渦流傳感器的開(kāi)關(guān)頻率僅能達到幾百赫茲，而噴氣發(fā)動(dòng)機保持架轉速測量的開(kāi)關(guān)頻率大約為幾千赫茲。一種可能的解決方法是每個(gè)循環(huán)都在保持架內施加一個(gè)渦輪傳感器可測量到的擠壓。然而，這基于更換現有噴氣發(fā)動(dòng)機軸承設計的可行性。

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的尺寸。同樣，測量范圍與探頭尺寸直接相關(guān)，即：當探頭尺寸增大時(shí)，測量范圍同樣會(huì )增大，反之亦然。然而，對于給定的目標，推薦探頭尺寸小于或等于目標尺寸（見(jiàn)圖2）。為使檢測最大化，測量目標的形狀（例如保持架）最好是矩形（見(jiàn)圖2）。如果是球軸承，渦流探頭可見(jiàn)的表面積非常小，因此最好選擇偏小的探頭。然而，這樣轉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(diǎn)可以調節。此外，高速轉動(dòng)的保持架可能出現小量級的軸向位移，這要求傳感器的安裝保持安全的距離，以免在運行過(guò)程中與軸承發(fā)生接觸。

結合選擇過(guò)程中所有的挑戰，發(fā)現只有兩種渦流探頭滿(mǎn)足條件，并選擇用于智能軸承的開(kāi)發(fā)。這兩種探頭將在偏小的軸承試驗臺上進(jìn)行試驗，對其測量軸承保持架轉速的能力進(jìn)行評估。在項目的后期，同樣會(huì )探索特意設計的保持架的可行性。 

噴氣發(fā)動(dòng)機軸承在軸向與徑向上均承受載荷。

對于軸承上載荷的實(shí)時(shí)監控可幫助了解發(fā)動(dòng)機在復雜操作條件下的動(dòng)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(guò)重、尺寸過(guò)大，不具有實(shí)用性，因此不適用于噴氣發(fā)動(dòng)機軸承。因而在該應用中選擇另一種替代的方法，通過(guò)利用應變計測量固定軸承套圈的彈性變形來(lái)評估載荷。

測量應變的方法很多，其中有三種可能適用于噴氣發(fā)動(dòng)機的惡劣環(huán)境中，包括電阻應變計、光線(xiàn)光柵及表面聲波裝置。光線(xiàn)光柵測量系統很大，需要大量能源支持運轉。同樣，表面聲波傳感器需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，以便能夠在噴氣發(fā)動(dòng)機所處的惡劣環(huán)境中測量應變。因此在本項目中選擇電阻應變計來(lái)測量噴氣發(fā)動(dòng)機軸承的應變。

為了測量外圈的彈性變形，建議直接將應變計安裝在軸承（固定的）外圈上。應變計應安裝于軸承外側，沿著(zhù)次要的一側分別測量徑向與軸向應變。在外圈上，應變計暴露于高達250℃以上的高溫區域中。如上所述，應選擇合適的膠（或粘合劑）來(lái)完成長(cháng)時(shí)間的傳感。同樣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，潤滑油的化學(xué)侵蝕性也會(huì )減弱粘合效果。因此，必須保護應變計不受侵蝕性潤滑油的侵害。當應變計連接器之間出現油滲透情況時(shí)，立即就會(huì )引起傳感器故障。

此外，在操作過(guò)程中，噴氣發(fā)動(dòng)機軸承的外圈經(jīng)歷劇烈的溫度變化，應變測量很大程度上依賴(lài)于其所在環(huán)境的溫度。為了獲得精確的應變測量結果，必須應用溫度補償?？赏ㄟ^(guò)T型應變計（見(jiàn)圖3）來(lái)實(shí)現，通過(guò)建立板橋電路來(lái)測量差應變。然而，由于軸承套圈（尤其是滾道一側）上可用空間有限，這又帶來(lái)另一項挑戰。圖3表明，為測量徑向應變，應變計應安裝在套圈外側。然而，計劃試驗外圈的總寬度為5.5mm?？紤]到所有的限制與要求，認定只有兩種T型應變計適用于試驗軸承。這兩種應變計的尺寸為5.6mm×5.6mm（矩形）×5.4mm（圓形）。

通過(guò)初步研究，很明顯，噴氣發(fā)動(dòng)機惡劣的環(huán)境為智能軸承的開(kāi)發(fā)提出了巨大挑戰。

其中兩個(gè)主要的挑戰——高溫及高轉速，還有許多其他的挑戰同樣限制了適用于噴氣發(fā)動(dòng)機軸承的傳感器的選擇?；谖墨I描述及行業(yè)經(jīng)驗中的工作，選擇的噴氣發(fā)動(dòng)機軸承監測中最重要的參數是振動(dòng)、溫度、保持架轉速、主軸位移及載荷。利用一種方法論來(lái)選擇適用于航空軸承的傳感技術(shù)。經(jīng)過(guò)對COTS傳感器進(jìn)行綜合篩選之后，發(fā)現只有少數傳感器滿(mǎn)足要求。未來(lái)的工作將聚焦于在偏小軸承試驗臺上進(jìn)行試驗之前，對選擇的傳感器在高溫及浸油環(huán)境中的預試驗。

(來(lái)源：航空制造技術(shù))

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進(jìn)成傳感軸承可實(shí)現在線(xiàn)狀態(tài)監測。該軸承被稱(chēng)為智能軸承。