技術前沿 | 新一代航空發動機用集成智能軸承

滾動軸承是噴氣發動機中最重要的零件之一。對噴氣發動機軸承進行狀態監測，有助于檢測軸承故障及預測軸承壽命。所研發的智能集成傳感軸承可實現在線狀態監測。該軸承被稱為智能軸承。滾動軸承是噴氣發動機中最重要的零件之一。對噴氣發動機軸承進行狀態監測，有助于檢測軸承故障及預測軸承壽命。

所研發的智能集成傳感軸承可實現在線狀態監測。該軸承被稱為智能軸承。滾動軸承是噴氣發動機中最重要的零件之一。對噴氣發動機軸承智能軸承，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可用于汽車、鐵路、風電設備等，由于噴氣發動機的環境及操作條件復雜而具有挑戰性，包括極高的主軸轉速、高振動頻率及高溫等，因此能用于噴氣發動機的智能軸承的研制卻十分有限。

噴氣發動機主軸及渦輪機用軸承分別暴露在溫度約為200℃及300℃的環境中。

高溫潤滑油同樣為傳感器呈現惡劣的環境。其他挑戰包括：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。

開發噴氣發動機智能軸承面臨的挑戰

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

此外，噴氣發動機停留在所謂的熱浸回態中，將熱量儲存下來，即使發動機停止工作后也不能散熱，因而將軸承溫度升高到了250℃。

為了模擬噴氣發動機的環境，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，因為它們只能在最高80℃的環境中工作。找到適用于高溫環境的傳感器及相關技術是噴氣發動機智能軸承開發過程中的主要障礙。90%以上的加速計都是為低于80℃環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），因而產生了一個高振動的環境，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。此外，為了模擬噴氣發動機的性能，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）來達到與噴氣發動機相似的節圓直徑。

3. 除了溫度限制之外，噴氣發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。在噴氣發動機環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。

01振動

振動監測是軸承狀態監測最重要也是最常用的方法之一，因為振動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域（靠近負載區域）的軸承上，在這一區域軸承的滾動體直接接觸滾道。安裝傳感器的靠近負載區域同樣是噴氣發動機軸承的高溫區域，溫度可高達250℃。噴氣發動機轉速很快，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。滑動效應無法通過振動來監測，但是可通過測量保持架轉速來進行監測。

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，噴氣發動機惡劣的環境限制了磁性、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境中會發生衍射和散射。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動機軸承保持架轉速的要求，包括高溫、高轉速及發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。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動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。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生接觸。

結合選擇過程中所有的挑戰，發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。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。

03載荷

噴氣發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控可幫助了解發動機在復雜操作條件下的動力學狀態。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動機的惡劣環境中，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，以便能夠在噴氣發動機所處的惡劣環境中測量應變。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。可通過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。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。考慮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）。

結論

通過初步研究，很明顯，噴氣發動機惡劣的環境為智能軸承的開發提出了巨大挑戰。

其中兩個主要的挑戰——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動機軸承的傳感器的選擇。基于文獻描述及行業經驗中的工作，選擇的噴氣發動機軸承監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境中的預試驗。

(來源：航空制造技術)

軸研所公眾號軸承雜志社公眾號

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