內置傳感器軸承——“會說話的軸承”的開發

[日] Yasuyuki FUKUSHIMA等

為了提高生產效率, 對盡可能減少設備停機時間的要求越來越高 。甚至對發電設施和基礎設施也同樣強烈要求提高利用率 。為了滿足該要求, 監測設備狀態以防止設備突然停機並有計劃地進行維護和零件更換是有效的 。

NTN開發了風力發電機組狀態監測係統Wind Doctor^TM 、 機床主軸用內置傳感器軸承單元 、 以及便攜式異常檢測裝置, 以滿足設備的狀態監測要求, 還正在推進用於軸承狀態監測的設備和分析軟件的市場投入 。

為了實現用戶滿意度高的狀態監測服務, 提供既方便又能以高靈敏度檢測軸承狀態的設備是非常重要的 。滾動軸承被用於各種機械, 如運輸機械 、 家用電器和工業機械, 以支持旋轉 。在滾動軸承上安裝的傳感器被認為是用於監測機械狀態的理想數據收集元件 。

因此, NTN在不改變軸承尺寸和承載能力的情況下, 開發了內置傳感器軸承——“會說話的軸承”(以下簡稱開發產品), 在標準軸承(主要尺寸及形狀符合國際標準的滾動軸承)中內置傳感器 、 發電裝置和無線設備 。本文介紹了開發產品的結構 、 特點和性能試驗結果 。

開發產品使用傳感器檢測軸承狀態, 並無線發送傳感器信息, 因此其名稱來源於這樣一個事實: 可了解軸承的狀態, 就像其在和ju11net手機登錄說話一樣 。

1 特點和結構

1.1 特點

1)先進的狀態監測和異常診斷

傳感器內置於軸承, 因此其能比外置傳感器以更高的靈敏度檢測軸承狀態, 從而盡早診斷出異常 。

2)互換性

在不改變軸承尺寸或承載能力的情況下, 傳感器 、 發電裝置和無線設備已被內置於標準軸承, 可很容易地替換掉現有設備上使用的軸承 。

3)高便利性

利用軸承旋轉產生的電力使傳感器和無線設備運轉, 通過無線自動發送傳感器信息, 不需要供電或用於數據傳輸的電纜 。

1.2 結構

1.2.1 整體結構

開發產品的結構如圖1所示 。內圈旋轉時在軸承的一端配置了發電機和電路板 。定子固定在軸承外圈上, 線圈由定子固定在適當位置 。轉子(由N極和S極交替磁化的磁環)固定在軸承內圈上 。當軸承內 、 外圈相對於彼此旋轉時, 通過電磁感應作用在線圈中產生交流電壓 。配備電路 、 傳感器和無線設備的電路板通過定子固定在軸承外圈上, 並用電路保護材料進行密封 。

圖1 開發產品的結構

1.2.2 電路

開發產品的功能框圖和電源電路框圖分別如圖2和圖3所示 。由發電機產生的交流電壓被輸入到電源電路 。電源電路將交流電壓整流為直流電壓, 並將任何超過所需電壓的電壓降至指定電壓 。隨後, 使用升壓/降壓DC-DC轉換器獲得傳感器和無線模塊工作所需的固定電壓 。在固定電壓下驅動傳感器, 將所得到的傳感器信號通過無線設備以無線電波發送 。

圖2 開發產品的功能框圖

圖3 電源電路框圖

2 技術參數

開發產品的技術參數見表1 。表中提供了加速度 、 溫度 、 轉速等用於檢測軸承狀態的項目 。在這些項目中, 轉速是在不使用專用傳感器的情況下通過處理由發電機產生的交流電流波形而獲得 。此外, 考慮到安裝在電路中電子元件的耐熱溫度, 工作溫度設置為-40～85 ℃ 。

表1 開發產品的技術參數

無線設備采用藍牙低能耗(2.4 GHz)通信標準 。可根據用途選擇模式(監測模式 、 分析模式)進行感測 。在監測模式下, 可連續且長期進行監測, 並以0.1 s為間隔獲取溫度 、 加速度和轉速數據並發送 。此時, 在此模式下發送的加速度為RMS值 。在分析模式下, 獲取並發送給定樣本數的加速度數據, 使接收器能分析頻率 。此外, 可使用安裝在計算機上的專用軟件在監測模式與分析模式之間進行切換 。

3 使用示例

開發產品的通信配置示例如圖4所示 。當長期持續監測設備狀態時, 接收到的數據量將非常大, 因此最好將數據發送到數據記錄器等能存儲大量數據的設備, 並對設備進行配置, 以確保其可將數據導入計算機或類似終端 。此外, 當每次想要攜帶電腦或平板電腦進入工作場所檢查設備狀態時, 允許與電腦或平板電腦直接通信的配置是有效的 。開發產品無需更改已安裝的通信程序, 即可與符合通信標準的設備進行通信, 從而根據需要選擇合適的使用方法 。

圖4 通信配置示例

使用專用軟件使開發產品能與電腦或類似設備進行通信, 以顯示傳感器數據 。監測模式的數據顯示示例如圖5所示 。監測模式顯示加速度 、 溫度和轉速隨時間的變化 。當采集的數據超過預設的閾值時, 將顯示警告 。分析模式顯示加速度時間波形和頻率分析結果 。

圖5 監測模式的數據顯示示例

4 性能試驗

4.1 振動檢測性能

為了確認開發產品的振動檢測性能, 使用1套在溝道麵有類似剝落(模擬剝落)缺陷的異常軸承 。將由內置傳感器檢測到的異常軸承的振動與無缺陷的正常軸承進行比較 。對加速度傳感器(以下簡稱外置傳感器)和內置傳感器的振動檢測性能進行了比較 。

4.1.1 試驗機和試驗條件

試驗設備原理圖如圖6所示 。試驗軸承通過安裝在軸承內圈上的軸旋轉 。徑向載荷也通過以樞軸為支點擺動的台架而作用在試驗軸承上 。外置傳感器安裝在台架上, 其技術參數見表2 。將外置傳感器與內置傳感器(表1)進行對比, 檢測範圍大致相同, 但是外置傳感器具有更寬的頻帶 。作用的徑向載荷設置為784 N, 與深溝球軸承6314的基本額定動載荷115 kN相比, 該載荷相當小 。

表2 外置傳感器的技術參數

圖6 試驗設備原理圖

4.1.2 試驗軸承

試驗軸承的技術參數見表3, 軸承外圈上形成的模擬剝落的示意圖如圖7所示 。在外圈溝底處形成了圓柱形模擬剝落, 其尺寸根據由軸承零件彈性變形引起的接觸橢圓尺寸來設置 。更具體地說, 模擬剝落的直徑被設置為0.87 mm, 這是當施加784 N的試驗徑向載荷時接觸橢圓短軸的2倍 。作為軸承發生剝落的示例, 在實際損傷末期的軸承外觀照片如圖8所示 。為了評估損傷初始階段的振動檢測性能, 模擬剝落的尺寸與結束階段的剝落相比要小得多 。

表3 試驗軸承的技術參數

圖7 模擬剝落示意圖

圖8 剝落損傷示例

4.1.3 試驗結果

當正常軸承和異常軸承以2 000 r/min旋轉時的內置傳感器輸出如圖9所示 。每當異常軸承的滾動體通過模擬剝落時, 都會檢測到明顯的加速度峰值 。如果在溝道上出現與此次產生的模擬剝落尺寸相同的缺陷, 則可能通過開發產品檢測出明顯異常 。

圖9 正常軸承和異常軸承的內置傳感器輸出對比

接下來, 內置傳感器與外置傳感器測得的異常軸承加速度對比如圖10所示 。對圖10的數據輸出進行包絡處理和頻率分析(快速Fourier分析)的結果如圖11所示 。最後, 圖11標注了滾動體相對於外圈的轉速(103 Hz)和更高階的轉速 。當滾動體通過模擬剝落時, 內置傳感器的傳感器輸出比外置傳感器大 。頻率分析也表明, 內置傳感器更靈敏, 可更好地檢測高頻振動 。

圖10 內置傳感器與外置傳感器測得的異常軸承加速度對比

圖11 內置傳感器與外置傳感器的頻率分析對比

4.2 溫度檢測性能

將從固定在軸承外圈外周麵上的熱電偶獲得的測量值與從內置溫度傳感器獲得的測量值進行比較 。試驗軸承為表3所示的正常軸承, 並使用如圖6所示的試驗設備進行測量 。轉速為深溝球軸承6314(脂潤滑, 非接觸式密封)的允許轉速4 600 r/min (NTN樣本中列出的值) 。以約1 000 r/min的增量反複提高轉速並保持2 h進行測量, 結果如圖12所示 。在提高轉速後的瞬態區或保持轉速時的穩態區中, 2種傳感器測量值沒有顯著差異 。因此, 開發產品具有與將熱電偶固定在軸承外圈時相同的溫度檢測性能 。

圖12 由內置傳感器與外置熱電偶測得的溫度對比

4.3 溫升特性

開發產品的發電功率和運行轉矩與轉速的關係如圖13所示 。這裏, 發電功率是電路消耗的功率和發電機產生的功耗之和。此外, 運行轉矩相當於內置傳感器的整套軸承的運行轉矩, 包括軸承旋轉過程中的摩擦損失和上述發電功率。在每種轉速下保持2 h後的測量值如圖13所示 。與從運行轉矩和轉速計算出的整套軸承的功耗相比, 發電功率很小, 僅為1%～2%, 預計在軸承中內置發電機和電路對軸承溫度的影響較小 。

圖13 開發產品的發電功率和運行轉矩

實際軸承的溫度測量結果如圖14所示 。軸承溫度用固定在外圈外周麵的熱電偶和內置傳感器進行測量 。在每種轉速下保持2 h後, 與環境溫度相比的升高值如圖14所示 。標準軸承與開發產品之間無顯著差異, 表明開發產品和標準軸承具有相同的溫升特性 。

圖14 開發產品和標準軸承的溫升特性

5 結束語

為了響應旨在減少生產現場停機時間的措施, NTN開發了內置傳感器軸承——“會說話的軸承”, 該軸承在標準軸承中內置了傳感器 、 發電裝置和無線設備 。本文對該產品的性能進行了驗證 。預計在不久的將來對設備狀態監測的要求將會提高, 並且需要進一步改進功能 。NTN通過改進“會說話的軸承”的功能並投入市場, 將繼續為加強設備狀態監測和提高生產效率做出貢獻 。

參考文獻(略)

Development of Sensor Integrated Bearing "Talking BearingsTM"

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

翻譯 ：林雲麗    校對 ：吳永光