滚动轴承是喷气发动机中最重要的零件之一，对喷气发动机轴承进行状态监测有助于检测轴承故障及预测轴承寿命。所研发的集成智能传感轴承可实现在线状态监测，其被称为智能轴承，由 低功耗小型传感器 构成，在 无线通信与数据传输 运行中具有 自供能 。智能轴承将在线状态监测提升到新水平。然而，已研制的大多数现有智能轴承技术多用于汽车、铁路、风力发电机等，而受限于喷气发动机，因其结构复杂且含有挑战性环境和工况，这些因素包括极 高轴转速、高振动 及 高温 。现喷气发动机主轴和涡轮机用轴承分别暴露在约200或300 ℃的温度中，高温润滑油同样为传感器呈现恶劣环境。其他 挑战包括有限的输入能量、有限的空间、有线通道的可用性以及商业用耐高温电子元件的不可用性 。此外，在喷气发动机轴承周围 严格禁用磁性传感器或材料 ，因其吸附金属碎屑的潜在能力会造成堵塞。喷气发动机轴承安装在密封的金属机箱中，严重 限制了无线数据传输。因此，近几年在技术上虽有重大进步，但研发喷气发动机智能轴承仍是一项挑战。
该项研究工作的第一步是识别严酷的喷气发动机环境中适用于轴承状态监测的传感器组件以及可测量指示轴承状态参数范围的智能轴承中传感器的集成。同时 研发一种能对数据进行无线收集及传输的能量收集技术，这项技术是智能轴承中的关键部分 。本项 研究的主要目标是 ： 1)鉴别市面上适用于喷气发动机轴承状态监测的传感器技术，尤其是那些能监视和工作在高温及浸入喷气发 动机腐蚀性润滑油环境中的传感器；2)鉴别低能量传感器，以降低能耗；3)鉴别并研发适用于喷气发动机环境的能量收集技术；4)优化传感系统的能耗，研究一种能量分布策略；5）开发一种穿过喷气发动机的金属机箱传输数据的无线通信系统。
为了验证所选的技术及智能传感系统，将在实验室中进行一系列零件及准量级轴承的试验。正在设计一种用于准量级轴承试验机的试验头来模拟喷气发动机的真实环境。本文重点研发智能轴承传感器组件，在讨论了喷气发动机环境中传感系统面临的挑战后，首先评述了现有智能轴承技术。描述了本研究中传感器的选择方法以及智能轴承的结构，最后给出结论性概述。
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智能轴承技术回顾
过去30年对开发传感轴承方面进行的大量研究最初聚焦于将几个传感器安装在一套轴承上，以测量能指示轴承状态的参数，同时 振动、速度及温度被认为是轴承在线状态监测的最重要参数。随后扩展到包括载荷及润滑状态的监测。
智能单元的安装是智能轴承开发中的一个重要方面，最早是将传感单元安装在轴承座上，现发展为将传感器嵌入轴承套圈中。市面上的大多数智能轴承均通过导线将传感器附加在改装的套圈装置上。这些轴承多半用于汽车及铁路行业，例如已研制的铁路行业用带有集成传感器的轴箱轴承即装单元。总之，在传感轴承技术开发方面已取得重大进步。然而，直到目前为止，诸如轴箱轴承、 NSK运动与控制、主动式传感器轴承以及集成旋转传感器轴承等可用的商业产品仍有限。 研究重点已 由传感轴承(有线传感器单元)转向智能轴承(自供能无线传感系统) 。为了移除智能轴承在线监测的电源，无线传感系统与用于能量收集的自供能传感器单元很受欢迎。然而，由自供能及无线传感系统组成的智能轴承仍处在研发阶段，至今（2017年）还没有可用的商品面市（近2年，SKF，NTN，NSK逐渐的有相关的产品发布）。薄膜传感器及MEMS的开发使研究焦点转移至 将传感器嵌入轴承内外圈中 。大多数传感及智能轴承技术的开发已应用于铁路及汽车行业，而很少关注喷气发动机轴承。喷气发动机轴承习惯上由测量振动及油–磨屑监控来监测。本研究的目的 是在现有智能轴承技术知识及喷气发动机轴承工况的基础上，开发新一代喷气发动机用集成智能轴承系 统。
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开发喷气发动机智能轴承面临的挑战
如上所述，虽已开发出其他领域用智能轴承，但由于存在一些主要挑战，目前仍无喷气发动机智能轴承。这些挑战在本研究的初探阶段变得更加清晰，有助于辨别适用于喷气发动机的传感器技术。
喷气发动机轴承运转在高转速(3 000~10 000 r/ min)、高温(>200 ℃)及高振动(>100g)状态下。此外，喷气发动机保持在所谓的热浸回态中，热量只能储存，即使发动机停止工作后也不能散热，因而将轴承温度升高至250 ℃。
为了模拟喷气发动机环境，将对轴承进行150~250 ℃的计划内试验。这对于大多数现有的电子设备来说是一项重大挑战，因为仅能在不高于80 ℃的环境中工作。找到 适用于高温环境的传感器及相关技术是喷气发动机智能轴承开发过程中的主要障碍 。90%以上加速计的设计和制造都用于低于80 ℃的环境。
第二大挑战是喷气发动机的 高转速 (3 000~10 000 r/min)产生了高紊流环境和高振幅振动。这不仅为提高传感器的耐久性增加了难度，还为测量振动及保持架转速(详见下文)提出了重大挑战。此外，为了模拟喷气发动机的性能，在准量级试验机上用较小轴承运行至较高转速(25 000~30 000r/ min)，达到与喷气发动机相似的较高节圆直径。
除了温度受限外，喷气发动机智能轴承的传感器要求低能耗，以便使用合适的能量收集技术完成无线能量与数据传输。在喷气发动机环境中还有进一步限制，例如低能耗要求(导致机载数据处理及储存受限)，传感器安装空间较小，新增客户要求的发动机不能灵活设计，由于金属碎屑阻碍的影响而不能使用磁性传感器，油的使用(阻碍光学性能)使光学传感器受限等。
对于满足高温要求的传感器来说，同样应接受适用性试验，确保其能暴露在喷气发动机的高温(如180 ℃)润滑油中。喷气发动机通常使用燃气发动机油和/或高热稳定性(HTS)油。这些 油具有侵蚀性 ，在持续较长时间的高温环境内会对传感器(尤其是聚合物材料)造成化学损伤。润滑油还会损伤发动机中传感器的连接器和电缆。
考虑到高温影响，若需将传感器黏附在轴承/轴承座上，必须选择合适的胶或环氧树脂，因为大多数黏合剂无法在高温环境中使用。使用前还要检验侵蚀性油环境对胶的影响。为了验证所选的传感器及其连接器与电缆，在其集成到准量级轴承试验机前需对本研究中的高温润滑油环境进行预试验。
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传感器的选择
开发集成智能轴承中最重要的任务之一是仔细选择适用于喷气发动机轴承工况的商用现货(COTS)传感器。首先，在将传感器 安装/嵌入轴承中的全集成智能轴承前，将传感器安装于试验机的轴承座上。如上所述， 以振动、温度、保持架转速、轴位移及载荷的测量值为条件讨论智能轴承研发过程中的传感器 。
为了确保智能轴承选择最适合的传感器，采用如图1所示的方法选择COTS传感器。在航空航天工业中为了降低成本，基于COTS传感器的解决方案正日益得到关注。任何在喷气发动机中的COTS传感器均需满足航空航天工业的高性能标准。根据从文献和标准中获取的轴承监测的信息与知识执行传感器的选择符合轴承设计、环境及工况以及其他要求。传感器的选择过程可分为2个部分： 正确方法及技术的鉴别；最适用于给定技术的传感器的鉴别 。第一部分是 专为适用于特殊参数测量的技术鉴别 ，测量轴承温度的可用方法有很多，如热电偶、MEMS技术等。对此类应用，选择热电偶而不选择MEMS技术的原因是热电偶不需要输入电能，且能测量宽范围的温度。基于第一部分的鉴别技术，第二部分 聚焦于特殊传感器的选择(建模与制造) 。
图1 适用于智能轴承的技术及传感器选定方法
以下几节提供测量喷气发动机智能轴承的振动、保持架转速及载荷的传感器的选择 的详细情况。
3.1 振动
振动监测是轴承状态监测最重要也最常用的方法之一，因为振动监测能根据轴承特定的特征频率提供诊断信息，用于识别故障部件。若不及时检测，轴承配合面上很小的缺陷也能导致轴承失效。根据几何结构、滚动体数量及轴转速，轴承缺陷会产生特定频率。可利用文献[16]中给出的公式计算预期缺陷频率。对这些频率进行检测有助于预测喷气发动机轴承的寿命。对于计划的轴承试验，已根据轴承设计和轴转速计算出预期缺陷频率，这些计算给试验轴承传感器的选择提供了信息。
为了有效测量振动，应把传感器安装在紧挨接触区(靠近承载区)的轴承上，滚动体直接与滚道接触。把传感器安装在靠近承载区，让其暴露于喷气发动机轴承的高温区域(250 ℃)。喷气发动机转速很高，缺陷频率同样也很高。因此，充电模式加速计的测量振动技术满足要求，而位移和基于速度测量振动的技术并不合适。
除了与加速计温度及频率范围的相关要求外，传感器共振频率也十分重要。共振频率必须至少为加速计工作频率(>25 kHz)的2~3倍，这意味着加速计的共振频率至少应不小于50 kHz。加速计的共振及工作频率与敏感度成反比，即共振频率越高，敏感度越低，反之亦然。在这种情况下优先考虑更高的共振频率，因为敏感度可通过放大器辅助控制。
安装方法在选择传感器的过程中是另一个需要考虑的因素。为了确保将加速计在高振动及高温环境中牢固安装在轴承上，仅 适用螺栓和螺钉安装传感器 。通过黏合安装的方法将加速计粘贴在轴承上不可行，因为不仅降低工作与共振频率，还会充当振动衰减器。此外，黏合剂处在高温环境中会随时间老化，无法满足长期工作使用要求。
按照选择方法中定义的标准， 对各种不同制造商提供的数百种COTS加速计进行筛选 ，仅有8种传感器满足工作频率、共振频率及其他特征要求 。轴转速很快(25 000~30 000 r/min)，因此，预期缺陷频率也同样向更高的频谱端发展。在谐波为5和10的情况下，预期缺陷频率分别为28和56 kHz。这些加速计的工作和共振频率分别大于15和45 kHz。已选定2个共振频率最高(分别为90 与100 kHz)的加速计，工作频率均为20 kHz。另外，还有工作频率高达30 kHz的传感器。对比其他加速计，虽然给定的工作频率较高，但共振频率还是落在轴承缺陷频率产生的谐波中。因此，使用这种加速计不切实际，在试验中不会选用。
3.2 保持架转速
在非常高速的喷气发动机中，轴承各部件转速很快，滚道与滚动体之间的滑动会引起早期失效。配合面之间的相对滑动会产生很高的表面剪切应力。对于高速转动的轴承来说，滑动会造成滚动体实际转速低于理论值。滑动效应无法通过振动来监测，但可通过测量保持架转速来监测。
可用涡流、电容式传感器、磁性及光学传感器等非接触方式测量保持架转速。然而，由于一系列原因，喷气发动机的恶劣环境限制了磁性、电容及光学传感器的使用，例如不允许将磁性部件放入空气–油槽中，因为磁性传感器会聚集磨屑，造成危险。而光学传感器无法精确测量，因为光在轴承润滑油环境中会发生衍射和散射。电容式传感器测量范围有限，且润滑油对测量精度有重大影响。
涡流传感器在原理上满足测量喷气发动机轴承保持架转速的所有要求，包括高温、高转速及发动机轴承周围可用空间等。对通过涡流探头的每个钢球进行计数来测量保持架转速，如图2所述，每次一个球通过探头时，都会因与磁场干涉而产生失真的方波。 脉冲产生的速率被称为开关频率，其可通过球数乘以保持架转速来计算。对于准量级试验机上的轴承来说，保持架转速的理论值约为轴转速的一半，即12 500~15 000 r/ min，球数为20。结果得出开关频率为250 000~300 000 r/min。对大多数COTS传感器来说，测量如此高的开关频率是一项挑战。结合其他需要考虑的因素，如温度、探测的范围及反应时间、球的表面积及油浸，选择适用于喷气发动机轴承的涡流传感器变得非常有挑战性。
图2 利用开关频率测量保持架转速
空气–油槽中轴承周围温度高达200 ℃。典型涡流传感器由连接传感单元的电子元件构成，仅能幸存到80 ℃。解决方法是利用电缆将传感单元与电子元件分离，但会大幅减慢传感器的反应时间，并降低开关频率。大多数高温用涡流传感器的开关频率仅达到几百Hertz，而要求的喷气发动机保持架转速测量的开关频率约为几千Hertz。一种可能的解决方法是在保持架上做出一个凸点，保持架每转一圈，涡流传感器可检测到该凸点。然而，这取决于更改现有喷气发动机轴承设计的可行性。
涡流探头的选择往往基于其测量范围、探头尺寸及测量目标的尺寸。测量范围同样与探头尺寸直接相关，即当探头尺寸增大时，测量范围同样增大，反之亦然。然而，对于给定的目标，推荐探头尺寸不大于目标尺寸(图2)。为了使检测最大化，测量目标(如保持架)的形状最好为矩形(图2)。若是球轴承，涡流探头可见的表面积非常小，因此最好选择比较小的探头。然而，这样将缩小探头的测量范围。若传感器紧挨轴承安 装，则可调节。此外，高速转动的保持架可能出现少量的轴向位移，这就要求传感器安装在安全距离，以免在运行过程中与轴承发生接触。
结合选择过程中的所有挑战，发现只有2种涡流探头满足条件，并选择用于智能轴承的开发。这2种探头将在准量级轴承试验机上进行试验，对其测量轴承保持架转速的能力进行评估。在试验后期阶段同样会探索特意设计的保持架的可行性。
3.3 载荷
喷气发动机轴承均承受轴向和径向载荷，实时监控轴承上的载荷有助于了解发动机在复杂工况下的动力学状态。通常利用测压元件测量载荷，但其质量过重、尺寸过大，因此不适用于喷气发动机轴承。一种供选择的替代方法是利用应变计测量固定轴承套圈的弹性变形来评估载荷。有3种测量应变的方法可能适用于喷气发动机的恶劣环境，包括电阻应变计、光纤光栅及表面声波装置。光纤光栅测量系统很大，需要大量能源支持运转。表面声波传感器在被认为能用于喷气发动机恶劣环境中测量应变前还需进一步研制。因此， 本项目选择电阻应变计来测量喷气发动机轴承的应变 。
为了测量外圈的弹性变形，建议将应变计直接安装在轴承(固定的)外圈上。应变计应安装于轴承外侧，沿圆周一侧分别测量径向和轴向应变。外圈上的应变计暴露于高达250 ℃的高温区域中。如上所述，应选择合适的胶(或黏合剂)，以达到长时间的耐久传感。经过一段时间后，润滑油的化学侵蚀性同样也会减弱黏合效果。因此，必须保护应变计不受侵蚀性润滑油的侵害。当油渗透至应变计连接器之间时，就会立即引起传感器故障。
此外，在工作过程中，喷气发动机轴承外圈经历剧烈的温度变化，应变测量很大程度上取决于其所在环境的温度。为了获得精 确的应变测量结果，必须应用温度补偿。可通过T形(交叉型)应变计(图3)来实现，通过建立半桥回路来测量应变差。然而，由于轴承套圈(尤其是滚道一侧)上可用空间有限，这又带来另一项挑战。图3表明，为了测量径向应变，应变计应安装在套圈外侧。然而，计划试验外圈的总宽度仅为5.5 mm。考虑到所有限制与要求，认定只有2种T形应变计适用于试验轴承，尺寸分别为5.6 mmx5.6 mm(矩形)及Φ5. 4 mm(圆形)。
图3 安装在轴承外圈上测量应变的应变计
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结束语
通过初步研究，逐渐清楚喷气发动机的恶劣环境为智能轴承的开发带来了巨大挑战。除了2个主要挑战为高温及高转速，还有许多其他挑战也限制了喷气发动机轴承用传感器的选择。基于文献和行业经验中描述的研究工作，选择的喷气发动机轴承监测中最重要的参数是振动、温度、保持架转速、轴位移及载荷。已采用一种方法来选择适用于航空轴承的传感技术。经过对COTS传感器进行综合筛选后发现仅有少数有限的传感器满足要求。未来的研究工作重点将 集中于在准量级轴承试验机上进行试验前对挑选的传感器进行高温及浸油条件下的预试验。
END
参考文献(略)
Integrated Smart Bearings for Next GenerationAero-Engines Part 1 : Development of a Sensor Suitefor Automatic Bearing Health Monitoring
译自：《WCCM》
翻译：窦婉筠 校对：袁新
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