内置传感器轴承——“会说话的轴承”的开发

[日] Yasuyuki FUKUSHIMA等

为了提高生产效率, 对尽可能减少设备停机时间的要求越来越高。甚至对发电设施和基础设施也同样强烈要求提高利用率。为了满足该要求, 监测设备状态以防止设备突然停机并有计划地进行维护和零件更换是有效的。

NTN开发了风力发电机组状态监测系统Wind Doctor^TM、 机床主轴用内置传感器轴承单元、 工业物联网(IoT)平台用轴承诊断应用程序以及便携式异常检测装置, 以满足设备的状态监测要求, 还正在推进用于轴承状态监测的设备和分析软件的市场投入。

为了实现用户满意度高的状态监测服务, 提供既方便又能以高灵敏度检测轴承状态的设备是非常重要的。滚动轴承被用于各种机械, 如运输机械、 家用电器和工业机械, 以支持旋转。在滚动轴承上安装的传感器被认为是用于监测机械状态的理想数据收集元件。

因此, NTN在不改变轴承尺寸和承载能力的情况下, 开发了内置传感器轴承——“会说话的轴承”(以下简称开发产品), 在标准轴承(主要尺寸及形状符合国际标准的滚动轴承)中内置传感器、 发电装置和无线设备。本文介绍了开发产品的结构、 特点和性能试验结果。

开发产品使用传感器检测轴承状态, 并无线发送传感器信息, 因此其名称来源于这样一个事实: 可了解轴承的状态, 就像其在和我们说话一样。

1 特点和结构

1.1 特点

1)先进的状态监测和异常诊断

传感器内置于轴承, 因此其能比外置传感器以更高的灵敏度检测轴承状态, 从而尽早诊断出异常。

2)互换性

在不改变轴承尺寸或承载能力的情况下, 传感器、 发电装置和无线设备已被内置于标准轴承, 可很容易地替换掉现有设备上使用的轴承。

3)高便利性

利用轴承旋转产生的电力使传感器和无线设备运转, 通过无线自动发送传感器信息, 不需要供电或用于数据传输的电缆。

1.2 结构

1.2.1 整体结构

开发产品的结构如图1所示。内圈旋转时在轴承的一端配置了发电机和电路板。定子固定在轴承外圈上, 线圈由定子固定在适当位置。转子(由N极和S极交替磁化的磁环)固定在轴承内圈上。当轴承内、 外圈相对于彼此旋转时, 通过电磁感应作用在线圈中产生交流电压。配备电路、 传感器和无线设备的电路板通过定子固定在轴承外圈上, 并用电路保护材料进行密封。

图1 开发产品的结构

1.2.2 电路

开发产品的功能框图和电源电路框图分别如图2和图3所示。由发电机产生的交流电压被输入到电源电路。电源电路将交流电压整流为直流电压, 并将任何超过所需电压的电压降至指定电压。随后, 使用升压/降压DC-DC转换器获得传感器和无线模块工作所需的固定电压。在固定电压下驱动传感器, 将所得到的传感器信号通过无线设备以无线电波发送。

图2 开发产品的功能框图

图3 电源电路框图

2 技术参数

开发产品的技术参数见表1。表中提供了加速度、 温度、 转速等用于检测轴承状态的项目。在这些项目中, 转速是在不使用专用传感器的情况下通过处理由发电机产生的交流电流波形而获得。此外, 考虑到安装在电路中电子元件的耐热温度, 工作温度设置为-40～85 ℃。

表1 开发产品的技术参数

无线设备采用蓝牙低能耗(2.4 GHz)通信标准。可根据用途选择模式(监测模式、 分析模式)进行感测。在监测模式下, 可连续且长期进行监测, 并以0.1 s为间隔获取温度、 加速度和转速数据并发送。此时, 在此模式下发送的加速度为RMS值。在分析模式下, 获取并发送给定样本数的加速度数据, 使接收器能分析频率。此外, 可使用安装在计算机上的专用软件在监测模式与分析模式之间进行切换。

3 使用示例

开发产品的通信配置示例如图4所示。当长期持续监测设备状态时, 接收到的数据量将非常大, 因此最好将数据发送到数据记录器等能存储大量数据的设备, 并对设备进行配置, 以确保其可将数据导入计算机或类似终端。此外, 当每次想要携带电脑或平板电脑进入工作场所检查设备状态时, 允许与电脑或平板电脑直接通信的配置是有效的。开发产品无需更改已安装的通信程序, 即可与符合通信标准的设备进行通信, 从而根据需要选择合适的使用方法。

图4 通信配置示例

使用专用软件使开发产品能与电脑或类似设备进行通信, 以显示传感器数据。监测模式的数据显示示例如图5所示。监测模式显示加速度、 温度和转速随时间的变化。当采集的数据超过预设的阈值时, 将显示警告。分析模式显示加速度时间波形和频率分析结果。

图5 监测模式的数据显示示例

4 性能试验

4.1 振动检测性能

为了确认开发产品的振动检测性能, 使用1套在沟道面有类似剥落(模拟剥落)缺陷的异常轴承。将由内置传感器检测到的异常轴承的振动与无缺陷的正常轴承进行比较。对加速度传感器(以下简称外置传感器)和内置传感器的振动检测性能进行了比较。

4.1.1 试验机和试验条件

试验设备原理图如图6所示。试验轴承通过安装在轴承内圈上的轴旋转。径向载荷也通过以枢轴为支点摆动的台架而作用在试验轴承上。外置传感器安装在台架上, 其技术参数见表2。将外置传感器与内置传感器(表1)进行对比, 检测范围大致相同, 但是外置传感器具有更宽的频带。作用的径向载荷设置为784 N, 与深沟球轴承6314的基本额定动载荷115 kN相比, 该载荷相当小。

表2 外置传感器的技术参数

图6 试验设备原理图

4.1.2 试验轴承

试验轴承的技术参数见表3, 轴承外圈上形成的模拟剥落的示意图如图7所示。在外圈沟底处形成了圆柱形模拟剥落, 其尺寸根据由轴承零件弹性变形引起的接触椭圆尺寸来设置。更具体地说, 模拟剥落的直径被设置为0.87 mm, 这是当施加784 N的试验径向载荷时接触椭圆短轴的2倍。作为轴承发生剥落的示例, 在实际损伤末期的轴承外观照片如图8所示。为了评估损伤初始阶段的振动检测性能, 模拟剥落的尺寸与结束阶段的剥落相比要小得多。

表3 试验轴承的技术参数

图7 模拟剥落示意图

图8 剥落损伤示例

4.1.3 试验结果

当正常轴承和异常轴承以2 000 r/min旋转时的内置传感器输出如图9所示。每当异常轴承的滚动体通过模拟剥落时, 都会检测到明显的加速度峰值。如果在沟道上出现与此次产生的模拟剥落尺寸相同的缺陷, 则可能通过开发产品检测出明显异常。

图9 正常轴承和异常轴承的内置传感器输出对比

接下来, 内置传感器与外置传感器测得的异常轴承加速度对比如图10所示。对图10的数据输出进行包络处理和频率分析(快速Fourier分析)的结果如图11所示。最后, 图11标注了滚动体相对于外圈的转速(103 Hz)和更高阶的转速。当滚动体通过模拟剥落时, 内置传感器的传感器输出比外置传感器大。频率分析也表明, 内置传感器更灵敏, 可更好地检测高频振动。

图10 内置传感器与外置传感器测得的异常轴承加速度对比

图11 内置传感器与外置传感器的频率分析对比

4.2 温度检测性能

将从固定在轴承外圈外周面上的热电偶获得的测量值与从内置温度传感器获得的测量值进行比较。试验轴承为表3所示的正常轴承, 并使用如图6所示的试验设备进行测量。转速为深沟球轴承6314(脂润滑, 非接触式密封)的允许转速4 600 r/min (NTN样本中列出的值)。以约1 000 r/min的增量反复提高转速并保持2 h进行测量, 结果如图12所示。在提高转速后的瞬态区或保持转速时的稳态区中, 2种传感器测量值没有显著差异。因此, 开发产品具有与将热电偶固定在轴承外圈时相同的温度检测性能。

图12 由内置传感器与外置热电偶测得的温度对比

4.3 温升特性

开发产品的发电功率和运行转矩与转速的关系如图13所示。这里, 发电功率是电路消耗的功率和发电机产生的功耗之和。此外, 运行转矩相当于内置传感器的整套轴承的运行转矩, 包括轴承旋转过程中的摩擦损失和上述发电功率。在每种转速下保持2 h后的测量值如图13所示。与从运行转矩和转速计算出的整套轴承的功耗相比, 发电功率很小, 仅为1%～2%, 预计在轴承中内置发电机和电路对轴承温度的影响较小。

图13 开发产品的发电功率和运行转矩

实际轴承的温度测量结果如图14所示。轴承温度用固定在外圈外周面的热电偶和内置传感器进行测量。在每种转速下保持2 h后, 与环境温度相比的升高值如图14所示。标准轴承与开发产品之间无显著差异, 表明开发产品和标准轴承具有相同的温升特性。

图14 开发产品和标准轴承的温升特性

5 结束语

为了响应旨在减少生产现场停机时间的措施, NTN开发了内置传感器轴承——“会说话的轴承”, 该轴承在标准轴承中内置了传感器、 发电装置和无线设备。本文对该产品的性能进行了验证。预计在不久的将来对设备状态监测的要求将会提高, 并且需要进一步改进功能。NTN通过改进“会说话的轴承”的功能并投入市场, 将继续为加强设备状态监测和提高生产效率做出贡献。

参考文献(略)

Development of Sensor Integrated Bearing "Talking BearingsTM"

译自《NTN TECHNICAL REVIEW》, 2022-2023(89): 35-40.

翻译：林云丽    校对：吴永光