智能軸承的春天 ——HRB對(duì)未來(lái)智能軸承的展望

（來(lái)源：中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)）

HRB軸承集團(tuán)在全國(guó)供應(yīng)商會(huì)議上，首次展出了新概念集成檢測(cè)、監(jiān)督、數(shù)字傳輸功能于一體的智能軸承產(chǎn)品——高端數(shù)控機(jī)床主軸集成智能軸承單元（圖1）。該產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)軸承企業(yè)首次公開(kāi)的實(shí)體化的智能軸承概念產(chǎn)品，該概念產(chǎn)品的提出標(biāo)志著國(guó)內(nèi)智能軸承研發(fā)將正式邁入實(shí)戰(zhàn)階段。

一、智能軸承概述

智能軸承是由經(jīng)過(guò)改進(jìn)的軸承本體及相關(guān)輔件、微型傳感器、處理傳輸電路、采集卡、信號(hào)處理與分析軟件和軸承服役狀態(tài)調(diào)控裝置組成，可實(shí)現(xiàn)服役狀態(tài)的自感知、自決策、自執(zhí)行的軸承系統(tǒng)單元。

自感知——通過(guò)傳感器檢測(cè)軸承服役狀態(tài)：包括旋轉(zhuǎn)速度、加速度、角度位置，累計(jì)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)、溫度、振動(dòng)、噪聲、載荷、工作游隙、潤(rùn)滑狀況、磨損程度等。

自決策——根據(jù)傳感器的檢測(cè)結(jié)果分析、判定服役狀態(tài)是否正常，對(duì)即將發(fā)生的故障進(jìn)行診斷、預(yù)警，對(duì)已經(jīng)發(fā)生的故障進(jìn)行報(bào)警，預(yù)測(cè)軸承剩余壽命。

自執(zhí)行——根據(jù)軸承實(shí)時(shí)服役狀態(tài)，通過(guò)調(diào)控裝置，對(duì)軸承工作游隙、預(yù)緊力、潤(rùn)滑等服役狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控、矯正，以適應(yīng)主機(jī)的運(yùn)行要求。

智能軸承是近年來(lái)軸承產(chǎn)品新發(fā)展的一個(gè)分支，是在機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)通訊與控制技術(shù)日益成熟的背景下，逐步發(fā)展起來(lái)的機(jī)電一體化新興產(chǎn)品。智能軸承一般由軸承本體、微型復(fù)合傳感器、信號(hào)傳輸電路、信號(hào)處理與分析系統(tǒng)四大部分組成[1]。

智能軸承按其功能分為兩大類，一類為初始型智能軸承，具有服役狀態(tài)自感知、自決策功能，目前絕大多數(shù)市面上的智能軸承均屬此類；另一類為全功能型智能軸承，不僅具有服役狀態(tài)自感知、自決策功能，而且具有自調(diào)控、自執(zhí)行功能，這一類智能軸承尚屬于概念設(shè)計(jì)及研究階段。

智能軸承從Z初的外掛式結(jié)構(gòu)到今天高度集成的嵌入式結(jié)構(gòu)，其發(fā)展歷程完美的契合了世界工業(yè)發(fā)展的歷程，同時(shí)，也充分的體現(xiàn)了科技的進(jìn)步，尤其是數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的來(lái)臨，更為智能軸承的蛻變提供了強(qiáng)有力的支撐。時(shí)至今日，智能軸承已經(jīng)不再僅僅是臆想和概念，而是應(yīng)用到各行各業(yè)中，成為軸承隊(duì)伍中的一支生力軍。其中，以高速鐵路、軌道交通、航空航天、能源裝置、精密機(jī)床、新能源設(shè)備、新型汽車(chē)等應(yīng)用場(chǎng)合為代表，智能軸承已經(jīng)逐步應(yīng)用到人們的身邊，為人們提供更可靠、更優(yōu)質(zhì)、更安心的服務(wù)，當(dāng)然，目前所謂的智能軸承均處于智能軸承的初始型階段。

二、國(guó)內(nèi)外研究情況

2015年，SKF公司在產(chǎn)業(yè)技術(shù)展會(huì)上首次展出了新型智能軸承“SKF Insight”和“SKFEnlight”，“SKF Insight”和“SKFEnlight”通過(guò)在軸承內(nèi)部或配備軸承的產(chǎn)品外部集成振動(dòng)傳感器、加速度傳感器和溫度傳感器，由這些傳感器通過(guò)無(wú)線通信收集數(shù)據(jù)，來(lái)分析軸承的狀態(tài)，從而診斷出異常。

2016年，舍弗勒集團(tuán)發(fā)布“高效驅(qū)動(dòng)，馳騁未來(lái)”戰(zhàn)略，確定未來(lái)的主要研究方向?yàn)橹悄茌S承，也就是數(shù)字化軸承。將重點(diǎn)研究怎么把軸承的價(jià)值體現(xiàn)在數(shù)字化實(shí)現(xiàn)智能，和智能化產(chǎn)品配套的領(lǐng)域。舍弗勒Bio-Hybrid微交通概念產(chǎn)品（圖2）將集成傳感器智能軸承，用以收集駕駛過(guò)程中的車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，甚至還能提供路況信息。

2017年，德源軸承公司舉辦了智能軸承科技項(xiàng)目路演活動(dòng)。德源公司研發(fā)的智能陶瓷基復(fù)合材料軸承，現(xiàn)已克服了其易碎和加工難的兩大行業(yè)性難題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，新材料軸承的使用壽命是傳統(tǒng)軸承的35倍。該軸承加裝了智能裝置，做到實(shí)時(shí)自診斷功能。 

圖2 舍弗勒Bio-Hybrid微交通概念

三、市場(chǎng)應(yīng)用情況

智能軸承作為一種新興的高技術(shù)含量的創(chuàng)新產(chǎn)品，應(yīng)用領(lǐng)域以高端機(jī)械設(shè)備以及國(guó)防裝備為主，重點(diǎn)是為國(guó)家關(guān)鍵項(xiàng)目、重大裝備配套和服務(wù)。這些部位往往具有高性能、高可靠性的要求，同時(shí)，對(duì)軸承提出了更多的主觀能動(dòng)性的需求。

以近幾年發(fā)展迅猛的鐵路運(yùn)輸高鐵列車(chē)為例，其使用的輪對(duì)軸承就是智能軸承的一個(gè)初步發(fā)展階段產(chǎn)品。高鐵列車(chē)對(duì)運(yùn)行的安全性要求嚴(yán)苛，行走系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架是保證列車(chē)高速、安全、穩(wěn)定運(yùn)行的核心零部件，這催生了新型的高鐵轉(zhuǎn)向架輪對(duì)軸承單元的研發(fā)。高鐵轉(zhuǎn)向架輪對(duì)軸承單元將傳感器外掛于軸承之側(cè)，對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)參數(shù)傳遞?列車(chē)監(jiān)控室，為列車(chē)監(jiān)控人員提供珍貴的軸承運(yùn)行資料。

汽車(chē)輪轂軸承單元（圖3）是應(yīng)用傳感器集成技術(shù)的較早的產(chǎn)品，同樣隸屬于智能軸承的初級(jí)階段，三代轎車(chē)輪轂軸承所集成的ABS傳感器是通過(guò)數(shù)字碼盤(pán)和傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控輪轂軸承的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而為ABS系統(tǒng)的工作提供珍貴的可參考的輸入數(shù)據(jù)。

目前，市場(chǎng)應(yīng)用的智能軸承尚且限于初步的自?檢測(cè)、自我分析階段，可以稱之為“會(huì)說(shuō)話的軸承”，下一步的發(fā)展將以自我調(diào)整、自我修復(fù)為重點(diǎn)發(fā)展方向，屆時(shí)即可稱之為“會(huì)自愈的軸承”。

四、產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)

1、嵌入集成傳感器技術(shù)

嵌入式集成傳感器是將多功能的微型傳感器嵌入到軸承內(nèi)部，Z為接近被測(cè)信號(hào)的發(fā)生源。其在節(jié)省空間的同時(shí)，更容易獲得準(zhǔn)確的軸承狀態(tài)信息。這種由傳統(tǒng)的將傳感器集成于設(shè)備，發(fā)展為將傳感器集成于軸承本體之中是大勢(shì)所趨，同時(shí)，也是傳感器的發(fā)展方向。傳感器集成方式由外掛式發(fā)展為嵌入式，使智能軸承的結(jié)構(gòu)微型化、功能集成化、傳輸無(wú)線化及功耗低量化。

運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)將所需的功能嵌入到產(chǎn)品、裝置或大型系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)采集控制、分析處理功能遷移至傳感器端，從而提高數(shù)據(jù)精度，降低數(shù)據(jù)傳輸量。

傳感器的微型化將決定著智能軸承的發(fā)展。2015年，荷蘭傳感器開(kāi)發(fā)人員研發(fā)了一款全球Z小的無(wú)線溫度傳感器（圖4）。這款超微型傳感器只有兩平方毫米，大小和一粒芝麻差不多，輕巧到隨時(shí)可以被風(fēng)吹走。至于其運(yùn)作原理也相當(dāng)特別，其內(nèi)置的微型天線可以接收到路由器發(fā)出的無(wú)線電波訊號(hào)，并會(huì)將之轉(zhuǎn)化成所需的電力。一旦充滿電之后，感傳感器便可以測(cè)量附近的溫度。

2、網(wǎng)絡(luò)信息處理技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，幾乎一切的人類行動(dòng)都與網(wǎng)絡(luò)信息難以分割，數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)化及分析處理技術(shù)已經(jīng)完全融入人們的生活。智能軸承的網(wǎng)絡(luò)信息處理技術(shù)主要是將測(cè)試獲取的數(shù)據(jù)或信息通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、專用網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)，安全、可靠、穩(wěn)定、高效、低功耗地傳輸?shù)椒?wù)器、用戶端或云端。

然后，研究針對(duì)不同工況、不同類型軸承的非線性信號(hào)處理方法、特征提取及選擇方法，使采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析處理變成有用信息。

Z終，基于軸承單元的智能化、無(wú)線化，實(shí)現(xiàn)信息互通，使得大范圍內(nèi)多個(gè)智能軸承的監(jiān)測(cè)成為可能。

3、評(píng)估診斷技術(shù)

智能軸承所獲得的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將進(jìn)一步推動(dòng)研究運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估指標(biāo)、評(píng)估方法，建立評(píng)估模型，并能基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)估模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。做到能對(duì)軸承故障，包括早期微弱故障進(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、智能的診斷、報(bào)警。并可對(duì)即將發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警。對(duì)剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)等。

評(píng)估診斷技術(shù)將需要依靠強(qiáng)大的軸承故障數(shù)據(jù)分析庫(kù)，從而才能保證系統(tǒng)診斷的結(jié)果能與實(shí)際問(wèn)題高度契合。因此，未來(lái)軸承將同樣需要具有其行業(yè)專有的大數(shù)據(jù)。

4、供能與調(diào)控技術(shù)

智能軸承運(yùn)用熱點(diǎn)效應(yīng)、振動(dòng)發(fā)電等能量捕獲技術(shù)，光電耦合、電磁耦合、電磁諧波等無(wú)線供能技術(shù)用于提供自身的能量需求，這些自發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用將為智能軸承提供傳感器、執(zhí)行裝置等部位的能量供應(yīng)，在省去附加供能裝置的同時(shí)，降低了其他能量的消耗。

通過(guò)與軸承集成的調(diào)控裝置，對(duì)軸承潤(rùn)滑、預(yù)緊力、工作游隙等服役狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，矯正服役狀態(tài)，適應(yīng)主機(jī)運(yùn)行的需要。同時(shí)，對(duì)功能性故障進(jìn)行自我維修，視情維修。

五、未來(lái)發(fā)展

可以預(yù)測(cè)，就目前的世界工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，第四次工業(yè)革命很快就會(huì)到來(lái)，這是歷史的齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)，沒(méi)有什么可以阻擋，而作為承載著轉(zhuǎn)動(dòng)核心功能的軸承，也必將經(jīng)歷一番鳳凰涅槃，浴火重生的過(guò)程。

智能軸承之于傳統(tǒng)的軸承產(chǎn)品，宛如人工智能之于有限的人類本身。在一段時(shí)期內(nèi)，其影響力可能是有限甚至微弱而不被看好的，然而，隨著科技的發(fā)展和人類的進(jìn)步，智能化已經(jīng)逐步擴(kuò)散并充斥社會(huì)各行各業(yè)，甚至世界的每一個(gè)角落。

智能軸承的發(fā)展勢(shì)必要經(jīng)歷一番崎嶇坎坷的波折道路，但是，很快，它同樣也將迎來(lái)屬于它的鷹擊勃發(fā)，屬于它的宏圖一展，屬于它的生機(jī)盎然。

在此刻，智能軸承的春天已經(jīng)到來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]邵毅敏，涂文兵，葉軍.新型智能軸承的結(jié)構(gòu)與檢測(cè)能力分析.軸承, 2012, (5):27-31.