新一代航空发动机用集成智能轴承

一、引言
        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。所研发的智能集成传感轴承可实现在线状态监测。该轴承被称为智能轴承，由低功耗小型传感器构成，对于无线通信与数据传输的运行具有自供能能力。智能轴承视野将在线状态监测提升到新的水平。然而，目前大多数现有的智能轴承技术可用于汽车、铁路、风电设备等，由于喷气发动机的环境及操作条件复杂而具有挑战性，包括极高的主轴转速、高振动频率及高温等，因此能用于喷气发动机的智能轴承的研制却十分有限。喷气发动机主轴及涡轮机用轴承分别暴露在温度约为200℃及300℃的环境中。高温润滑油同样为传感器呈现恶劣的环境。其他挑战包括：有限的输入功率、有限的空间及有线通道的可用性，以及市面上的耐高温电子元件的不可用性。此外，严格限制喷气发动机轴承周围使用磁性传感器或材料，因为可能吸附金属碎屑造成堵塞。在喷气发动机中，轴承装在密封的金属机箱中，严重限制了无线数据传输。因此，虽然在近几年技术有了重大进步，但是喷气发动机智能轴承的研发仍然是一项挑战。
        该项工作的第一步是确定在喷气发动机所在的恶劣环境中用于轴承状态监测的传感器组件，以及智能轴承中可测量一系列指示轴承状态的参数的传感器集成。同时研发一种能够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。
二、本项目的主要目的
1.鉴别市面上适用于喷气发动机轴承状态监测，尤其是那些能够在高温及喷气发动机腐蚀性润滑油环境中运行的传感器，并将其使用于喷气发动机中；
2.鉴别低功率传感器，以减少能耗；
3.鉴别并研发适用于喷气发动机环境中的能量收集技术；
4.优化传感系统的能量消耗，开发一种能量分布策略；
5.开发无线通信系统，用于穿过喷气发动机的金属机箱完成数据传输。
为了验证所选的技术及智能传感系统，将会在实验室中进行一系列零件及偏小轴承级别的试验。设计了一种用于偏小轴承试验台的试验头，来模拟喷气发动机的真实环境。本文重点研究了智能轴承传感器组件的开发。首先，本文对现有的智能轴承技术进行了综述，讨论了喷气发动机环境中传感系统面临的挑战。之后本文描述了选择传感器的方法以及智能轴承的结构，最后给出结论。
三、智能轴承技术综述
        在过去的三十年中，在开发传感轴承方面进行了大量工作。最初，研究聚焦于将多个传感器安装在轴承上，用于测量能够指示轴承状态的参数，而振动、速度及温度被认为是对于轴承在线状态监测来说最重要的参数。随后扩展为包括负载及润滑监测。
        智能单元的安装是开发智能轴承中的一个重要方面，最早将传感单元安装在轴承座上，发展为将传感器嵌入轴承套圈中。市面上大多数轴承的传感器是通过有线的翻新套圈系统连接的。这些轴承大多数可用于汽车及铁路行业，例如铁路行业带有集成传感器的轴箱轴承单元待安装的套筒。总之，在传感轴承技术的开发方面已经取得了巨大进展。然而，直到目前为止，例如轴箱轴承、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品数量仍然有限。研究的重点已由传感轴承（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，带有自供能及无线传感系统的智能轴承目前还在研发阶段，至今还没有商品面市。同样，薄膜传感器及MEMS的开发，使研究的焦点转移至将传感器嵌入轴承的内外圈中。大多数传感及智能轴承技术的开发已经应用于铁路及汽车行业，但是喷气发动机轴承得到的关注较少。传统上，通过测量振动及油-磨屑监控来监测喷气发动机轴承。本研究的目的是在现有的智能轴承技术知识及喷气发动机轴承操作条件的基础上，开发用于新一代喷气发动机的集成智能轴承系统。
四、开发喷气发动机智能轴承面临的挑战
        如上所述，虽然已经开发出在其他领域使用的智能轴承，但是由于存在一些重大挑战，目前仍没有智能轴承可用于喷气发动机中。在本研究的初探阶段，这些挑战变得更加清晰，有助于辨别适用于喷气发动机的传感器技术。
        喷气发动机轴承在高转速（3000rpm-10000rpm）、高温（＞200℃）及高振动（振动＞100g）状态下运转。此外，喷气发动机停留在所谓的热浸回态中，将热量储存下来，即使发动机停止工作后也不能散热，因而将轴承温度升高到了250℃。
        为了模拟喷气发动机的环境，将在150℃到250℃范围内对轴承进行计划试验。这对于大多数现有的电子设备来说是一项重大挑战，因为它们只能在最高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%以上的加速计都是为低于80℃环境中使用的设备设计制造的。
        第二大挑战是主轴转速高（3000rpm-10000rpm），因而产生了一个高振动的环境，具有高振幅。这不仅为提高传感器的耐久性增加了困难，而且为测量振动及保持架转速等数值提出了重大挑战（详见下文）。此外，为了模拟喷气发动机的性能，试验台上使用较小的轴承，因而将运行至较高的转速（25000rpm到30000rpm之间）来达到与喷气发动机相似的节圆直径。
        除了温度限制之外，喷气发动机智能轴承要求低能耗，以便使用合适的能量收集技术完成无线电力与数据传输。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，添加客户要求后发动机设计不灵活，由于金属碎屑堵塞而不能运用磁性传感器，以及不能使用光学传感器（油的使用会阻碍光学性能）等。
       对于满足高温要求的传感器来说，同样应该接受试验，确保其能够暴露在喷气发动机的高温（如180℃）润滑油中。通常，喷气发动机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造成化学伤害。润滑油还会损坏发动机中传感器的连接器和电缆。
       关于高温，如果需要将传感器粘附在轴承/轴承座上，必须选择合适的胶或环氧基树脂，因为大多数粘合剂无法在高温环境中使用。在使用之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，在其集成到偏小型轴承试验台之前，本研究对其在高温润滑油环境中进行预试验。
五、传感器的选择
        开发集成智能轴承中最重要的任务之一是认真选择适用于喷气发动机轴承操作条件的传感器商用现货（COTS）。最初，在安装/嵌入轴承中的完全集成智能轴承开发出来以前，传感器安装于试验台上的轴承座中。如上所述，考虑在智能轴承开发过程中采用能够测量振动、温度、保持架转速、主轴位移及载荷的传感器。
        为确保为智能轴承选择最适合的传感器，采用如图1所示的方法选择了COTS传感器。在航空航天工业中，为了降低成本，基于COTS传感器的解决方案得到越来越多的关注。任何将要部署在喷气发动机中的COTS传感器都需要达到航空航天工业提到的高性能标准。传感器的选择基于从文献与标准中获取的轴承监测的信息与知识、轴承设计、轴承环境及操作条件，以及其他要求。选择的过程可以分为两部分：a）对于正确方法及技术的鉴别；b）对于适用于现有技术的最合适的传感器的鉴别。第一部分鉴别适用于对特定参数测量的技术。例如，测量轴承温度的可用方法有很多，如热电偶、MEMS技术等。对于这项应用，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，且能够在很宽的范围内测量温度。基于第一部分鉴别的技术，第二部分聚焦于特定传感器的选择（建模与制造）。
         为喷气发动机智能轴承选择能够测量振动、保持架转速及载荷的传感器，以下几个分段提供了选择的详细情况。
 

01振动
        振动监测是轴承状态监测最重要也是最常用的方法之一，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。甚至轴承配合面上很小的缺陷，如不及时检测，也能导致轴承失效。根据几何结构、滚动体数量及主轴转速，滚动轴承的缺陷会产生特定频率。可利用参考文献16中给出的公式计算预期缺陷频率。对这些频率的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，已经基于轴承设计与主轴转速计算出预期缺陷频率。这些计算为给试验轴承选定合适的传感器提供信息。
        为了有效测量振动，应把传感器安装在紧挨着接触区域（靠近负载区域）的轴承上，在这一区域轴承的滚动体直接接触滚道。安装传感器的靠近负载区域同样是喷气发动机轴承的高温区域，温度可高达250℃。喷气发动机转速很快，导致缺陷频率同样很高。因此，充电模式加速计技术满足要求，而位移及基于振动的技术并不合适。
        除了对加速计温度及频率范围方面的严苛要求，传感器共振频率也十分重要。对于要求的频率范围（＞25kHz）来说，共振频率必须至少是加速计操作频率的两倍或三倍。这意味着加速计的共振频率至少为50kHz以上。加速计的共振及操作频率与敏感度成反比，即：共振频率越高，敏感度就会越低，反之亦然。在这种情况下，优先考虑的是更高的共振频率，因为敏感度可通过放大器辅助控制。
        在选择传感器过程中，安装方法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，仅螺栓和螺钉安装传感器适用。将加速计通过粘合安装的方法粘贴在轴承上是不可行的，因为它不仅会降低操作与共振频率，而且还会充当振动衰减器。此外，处在高温环境中，粘合能力会随着时间衰减，无法满足长期操作使用要求。
        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，仅有八种传感器满足操作频率、共振频率及其它特征等要求。主轴转速很快（25000rpm-30000rpm）；因此，预期缺陷频率同样向着频谱的更高一端发展。在谐频为5与10的情况下，预期缺陷频率分别为28kHz与56kHz。这些加速计的操作与共振频率都分别大于15kHz与45kHz。已经选定两个共振频率最高的加速计，频率分别为90kHz与100kHz。这两个加速计的操作频率均为20kHz。另外还有操作频率高达30kHz的传感器。尽管如此，给定的操作频率比其他加速计高，但是共振频率落在轴承缺陷频率产生的谐频中。因此，使用这种加速计不切实际，在试验中不会选用。
02保持架转速
        在喷气发动机中，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大量级的表面剪切应力。对于高速转动中的轴承来说，滑动会造成滚动体实际转速比理论值低。滑动效应无法通过振动来监测，但是可通过测量保持架转速来进行监测。
        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，喷气发动机恶劣的环境限制了磁性、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。光学传感器无法做精确测量，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。
        涡流传感器满足所有关于测量喷气发动机轴承保持架转速的要求，包括高温、高转速及发动机轴承周围可用空间等。通过计算每个球通过涡流检测探头的时间来测量保持架转速。如图2所示，每次球通过探头时，都会因磁场干扰而产生一个失真的方波。当达到某个速率而生成脉冲时，这个速率被称为开关频率，可通过利用球的数量乘以保持架转速来计算。对于在偏小尺寸试验台上的轴承来说，保持架转速的理论值约为主轴转速的一半，在12500rpm到15000rpm之间，球的数量为20。结果得出的开关频率在250000到300000之间。测量如此高的开关频率值对大多数COTS传感器来说是一项挑战。结合其他需要考虑的因素，如温度、探头范围及反应时间、球的表面积及油浸，选择一个适用于喷气发动机轴承的涡流传感器就变得具有挑战性。

        空气——油槽中轴承周围的温度可高达200℃.一个典型的涡流传感器由连接电子元件的传感单元构成，其可承受80℃高温。解决这一问题的方法是利用电缆将传感单元与电子元件分离，但不幸的是，这样会大幅减慢传感器的反应时间，降低开关频率。大多数可在高温中使用的涡流传感器的开关频率仅能达到几百赫兹，而喷气发动机保持架转速测量的开关频率大约为几千赫兹。一种可能的解决方法是每个循环都在保持架内施加一个涡轮传感器可测量到的挤压。然而，这基于更换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、探头面积及测量目标的尺寸。同样，测量范围与探头尺寸直接相关，即：当探头尺寸增大时，测量范围同样会增大，反之亦然。然而，对于给定的目标，推荐探头尺寸小于或等于目标尺寸（见图2）。为使检测最大化，测量目标的形状（例如保持架）最好是矩形（见图2）。如果是球轴承，涡流探头可见的表面积非常小，因此最好选择偏小的探头。然而，这样转而将缩小探头的测量范围。如果传感器紧挨轴承安装，则这一点可以调节。此外，高速转动的保持架可能出现小量级的轴向位移，这要求传感  器的安装保持安全的距离，以免在运行过程中与轴承发生接触。
结合选择过程中所有的挑战，发现只有两种涡流探头满足条件，并选择用于智能轴承的开发。这两种探头将在偏小的轴承试验台上进行试验，对其测量轴承保持架转速的能力进行评估。在项目的后期，同样会探索特意设计的保持架的可行性。
03载荷
        喷气发动机轴承在轴向与径向上均承受载荷。对于轴承上载荷的实时监控可帮助了解发动机在复杂操作条件下的动力学状态。通常利用测压元件测量载荷，但是由于其质量过重、尺寸过大，不具有实用性，因此不适用于喷气发动机轴承。因而在该应用中选择另一种替代的方法，通过利用应变计测量固定轴承套圈的弹性变形来评估载荷。测量应变的方法很多，其中有三种可能适用于喷气发动机的恶劣环境中，包括电阻应变计、光线光栅及表面声波装置。光线光栅测量系统很大，需要大量能源支持运转。同样，表面声波传感器需要进一步开发，以便能够在喷气发动机所处的恶劣环境中测量应变。因此在本项目中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，建议直接将应变计安装在轴承（固定的）外圈上。应变计应安装于轴承外侧，沿着次要的一侧分别测量径向与轴向应变。在外圈上，应变计暴露于高达250℃以上的高温区域中。如上所述，应选择合适的胶（或粘合剂）来完成长时间的传感。同样，经过一段时间之后，润滑油的化学侵蚀性也会减弱粘合效果。因此，必须保护应变计不受侵蚀性润滑油的侵害。当应变计连接器之间出现油渗透情况时，立即就会引起传感器故障。

        此外，在操作过程中，喷气发动机轴承的外圈经历剧烈的温度变化，应变测量很大程度上依赖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型应变计（见图3）来实现，通过建立板桥电路来测量差应变。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为5.5mm。考虑到所有的限制与要求，认定只有两种T型应变计适用于试验轴承。这两种应变计的尺寸为5.6mm×5.6mm（矩形）×5.4mm（圆形）。
六、结论
        通过初步研究，很明显，喷气发动机恶劣的环境为智能轴承的开发提出了巨大挑战。其中两个主要的挑战——高温及高转速，还有许多其他的挑战同样限制了适用于喷气发动机轴承的传感器的选择。基于文献描述及行业经验中的工作，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、主轴位移及载荷。利用一种方法论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之后，发现只有少数传感器满足要求。未来的工作将聚焦于在偏小轴承试验台上进行试验之前，对选择的传感器在高温及浸油环境中的预试验。

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