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多参数监测智能轴承的设计与研究

作者：张凯梁波高昕星袁峰

来源：《科技资讯》2023年第21期

轴承是支撑机械旋转体的重要零件。大量事实证明许多由轴承损坏引起的机器故障是在轴

承预期寿命之前就出现的。对轴承的运行状态进行有效监测，是避免因轴承故障造成灾难性后

果的有效手段。传感器测点选择是轴承状态监测首要解决的问题[1]。一般情况下，对轴承的

监测是通过在轴承座或箱体上安装振动传感器获取轴承的工作状态信号，通过这种方法采集到

的信号除去轴承本身的工作信息外，还包含设备中其他运动部件产生的噪声信号，对轴承故障

的监测非常不利[2]。因此，提供一种高精度轴承监测方法成为必要。

随着软件、硬件技术的不断更新迭代，轴承监测诊断正朝着自动化、智能化、集成化的方

向发展[3]。本文研发了一种多参数监测智能轴承，用以监测轴承运转过程中的振动加速度、

温度和转速。智能轴承是指在传统轴承的基础上集成不同用途的传感器，使其结合成为一体而

形成独特的结构单元，再通过计算机进行信息处理，达到实时在线监测的目的。

国外智能轴承产品主要有SKF集团研发的SKFInsight系列外挂式智能轴承和舍弗勒集团

生产的FAG-VarioSence智能轴承系统[4]。与国外相比，国内技术差距明显。国内同时掌握轴

承生产与传感器开发技术的企业为数不多，智能轴承停留在研究阶段，并未有产品进入市场。

本研究的技术路线主要包括智能轴承总体结构设计、振动加速度的测量、转速的测量、温

度的测量、智能轴承测试，重点研究了轴承振动加速度的测量方式，通过对轴承工况下振动特

性的研究与轴承内部结构的分析，选择采用三轴振动加速度计作为研究基础进行测量；通过对

轴承内圈结构得的改造，采用霍尔传感器与磁编码体相结合的方式测量轴承转速；采用温度传

感器测量轴承内圈的温度。经过测试，智能轴承具有良好的监测功能，监测精度较传统轴承座

监测系统有很大提升。

本研究研发的智能轴承为轴承故障预警提供了良好的技术基础，为工业生产提供了更好的

安全保障，使轴承行业在智能化、高端化道路上迈出坚实的一步。

智能1轴承的功能实现

针对国内市场智能轴承产品的空白，综合轴承实际运转工况中出现的多发性故障，基于目

前传感器应用行业的技术水平，设计并研发了一款对轴承运转过程中的振动加速度、转速和温

度进行实时监测的智能轴承。该智能轴承以6012深沟球轴承为本体，通过轴承与多参数智能

传感器的紧密结合乃至“一体化”，在很大程度上减少了信号在传输过程中的损失，提高了测量

精度。智能轴承将采集的数据通过无线网络传递给云端数据管控平台，实现对轴承运转状态的

监测以及故障的预测。

嵌入式智能轴承技术是通过改变传统轴承结构来实现的，即在轴承上开槽，嵌入微传感器

模块[5]。但该方法改变了轴承的内部结构，影响轴承正常使用寿命。

本文智能轴承的核心部件是振动加速度传感器、温度传感器与转速传感器。智能轴承的结

构框图如图1所示。其中，微控制器、加速度计、温度传感器、转速传感器与协议转换器位于

轴承本体，无线通信模块位于轴承外部，与轴承本体有线连接。

轴承运转过程中，加速度计、温度传感器、转速传感器将采集到的数据通过A/D转换或

I2C协议格式传递给微处理器，微处理器通过对收到的数据进行分析、运算和整理，将有效数

据编译成数据帧，通过协议转换器以RS485協议的格式输出给无线通信模块；无线通信模块

将数据信息传递给云端数据管控平台进行轴承运转状态监测和故障预警。

据统计，由于机体振动而引起的故障占到航空发动机故障的70%以上，造成滚动轴承处于

振动环境的原因有很多，包括滚动轴承内部原因和外部原因[6]。

L.DouglasBerry对振动载荷与轴承寿命的关系做了详细的研究，由表1可以看出载荷的增

长导致轴承寿命的下降，由表2可以看出减小振动使轴承寿命得到延长。由此可见，振动对轴

承寿命的影响非常显著，对轴承振动的研究非常重要。

表征轴承的振动载荷有两种方式：第一种是通过对轴承及其周围部件的研究，结合机理分

析和数据推动，利用公式计算出轴承的振动载荷；另一种方式是从轴承本身入手，利用振动加

速度来表征振动载荷，使用加速度计测量轴承的振动加速度。基于高端化、智能化的目的，选

择了第二种方案。

轴承在运转过程中的振动为不规则振动，方向无法判定。想要准确表示轴承的振动大小与

方向，需要分别测量轴承的轴向振动分量与径向振动分量。轴承的轴向振动平面与径向振动平

面相互垂直，计算二