技術前沿 | 新一代航空發(fā)動機用集成智能軸承

滾動軸承是噴氣發(fā)動機中最重要的零件之一。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測軸承壽命。所研發(fā)的智能集成傳感軸承可實現在線狀態(tài)監(jiān)測。該軸承被稱為智能軸承。滾動軸承是噴氣發(fā)動機中最重要的零件之一。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測軸承壽命。

所研發(fā)的智能集成傳感軸承可實現在線狀態(tài)監(jiān)測。該軸承被稱為智能軸承。滾動軸承是噴氣發(fā)動機中最重要的零件之一。對噴氣發(fā)動機軸承智能軸承，由低功耗小型傳感器構成，對于無線通信與數據傳輸的運行具有自供能力，將在線運作狀態(tài)監(jiān)測提升到新的水平。然而，目前大多數現有的智能軸承技術可用于汽車、鐵路、風電設備等，由于噴氣發(fā)動機的環(huán)境及操作條件復雜而具有挑戰(zhàn)性，包括極高的主軸轉速、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。

開發(fā)噴氣發(fā)動機智能軸承面臨的挑戰(zhàn)

如上所述，雖然已經開發(fā)出在其他領域使用的智能軸承，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，主要難度在于：
1. 第一挑戰(zhàn)噴氣發(fā)動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（振動＞100g）

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℃范圍內對軸承進行計劃試驗。這對于大多數現有的電子設備來說是一項重大挑戰(zhàn)，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)境的傳感器及相關技術是噴氣發(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)境中使用的設備設計制造的。

2. 第二大挑戰(zhàn)是主軸轉速高（3000rpm-10000rpm），因而產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速等數值提出了重大挑戰(zhàn)。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速（25000rpm到30000rpm之間）來達到與噴氣發(fā)動機相似的節(jié)圓直徑。

3. 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完成無線電力與數據傳輸。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，添加客戶要求后發(fā)動機設計不靈活，由于金屬碎屑堵塞而不能運用磁性傳感器，以及不能使用光學傳感器（油的使用會阻礙光學性能）等。

傳感器的選擇

開發(fā)集成智能軸承中最重要的任務之一是認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貨（COTS）。最初，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。

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

振動監(jiān)測是軸承狀態(tài)監(jiān)測最重要也是最常用的方法之一，因為振動監(jiān)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，如不及時檢測，也能導致軸承失效。

為了有效測量振動，應把傳感器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)動機轉速很快，導致缺陷頻率同樣很高。因此，充電模式加速計技術滿足要求，而位移及基于振動的技術并不合適。

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）來說，共振頻率必須至少是加速計操作頻率的兩倍或三倍。這意味著加速計的共振頻率至少為50kHz以上。

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。

02保持架轉速

在噴氣發(fā)動機中，軸承各部件轉速很快，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生大量級的表面剪切應力。

對于高速轉動中的軸承來說，滑動會造成滾動體實際轉速比理論值低?；瑒有獰o法通過振動來監(jiān)測，但是可通過測量保持架轉速來進行監(jiān)測。

可用渦流、電容式傳感器、磁性及光學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)動機惡劣的環(huán)境限制了磁性、電容及光學傳感器的使用，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于測量噴氣發(fā)動機軸承保持架轉速的要求，包括高溫、高轉速及發(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速。

如圖2所示，每次球通過探頭時，都會因磁場干擾而產生一個失真的方波。當達到某個速率而生成脈沖時，這個速率被稱為開關頻率，可通過利用球的數量乘以保持架轉速來計算。對于在偏小尺寸試驗臺上的軸承來說，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。結果得出的開關頻率在250000到300000之間。測量如此高的開關頻率值對大多數COTS傳感器來說是一項挑戰(zhàn)。結合其他需要考慮的因素，如溫度、探頭范圍及反應時間、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時間，降低開關頻率。大多數可在高溫中使用的渦流傳感器的開關頻率僅能達到幾百赫茲，而噴氣發(fā)動機保持架轉速測量的開關頻率大約為幾千赫茲。一種可能的解決方法是每個循環(huán)都在保持架內施加一個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，即：當探頭尺寸增大時，測量范圍同樣會增大，反之亦然。然而，對于給定的目標，推薦探頭尺寸小于或等于目標尺寸（見圖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（見圖2）。如果是球軸承，渦流探頭可見的表面積非常小，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，則這一點可以調節(jié)。此外，高速轉動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，以免在運行過程中與軸承發(fā)生接觸。

結合選擇過程中所有的挑戰(zhàn)，發(fā)現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，對其測量軸承保持架轉速的能力進行評估。在項目的后期，同樣會探索特意設計的保持架的可行性。 

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)動機在復雜操作條件下的動力學狀態(tài)。通常利用測壓元件測量載荷，但是由于其質量過重、尺寸過大，不具有實用性，因此不適用于噴氣發(fā)動機軸承。因而在該應用中選擇另一種替代的方法，通過利用應變計測量固定軸承套圈的彈性變形來評估載荷。

測量應變的方法很多，其中有三種可能適用于噴氣發(fā)動機的惡劣環(huán)境中，包括電阻應變計、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。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)境中測量應變。因此在本項目中選擇電阻應變計來測量噴氣發(fā)動機軸承的應變。

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(qū)域中。如上所述，應選擇合適的膠（或粘合劑）來完成長時間的傳感。同樣，經過一段時間之后，潤滑油的化學侵蝕性也會減弱粘合效果。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，立即就會引起傳感器故障。

此外，在操作過程中，噴氣發(fā)動機軸承的外圈經歷劇烈的溫度變化，應變測量很大程度上依賴于其所在環(huán)境的溫度。為了獲得精確的應變測量結果，必須應用溫度補償?？赏ㄟ^T型應變計（見圖3）來實現，通過建立板橋電路來測量差應變。然而，由于軸承套圈（尤其是滾道一側）上可用空間有限，這又帶來另一項挑戰(zhàn)。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?；谖墨I描述及行業(yè)經驗中的工作，選擇的噴氣發(fā)動機軸承監(jiān)測中最重要的參數是振動、溫度、保持架轉速、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。經過對COTS傳感器進行綜合篩選之后，發(fā)現只有少數傳感器滿足要求。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)境中的預試驗。

(來源：航空制造技術)

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進成傳感軸承可實現在線狀態(tài)監(jiān)測。該軸承被稱為智能軸承。