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新一代航空发动机用集成智能轴承

2021-04-08

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。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。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力,将在线运作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。

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,主要难度在于:

1. 第一挑战喷气发动机轴承在三高超强状态下运转:

高转速(3000rpm-10000rpm)

高温(>200℃)

高振动(振动>100g)

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。

2. 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。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。

3. 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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