Кроз праћење здравља, развој интелигентних решења за лежајеве помоћи ће побољшању поузданости авио-мотора. Сврха овог пројекта је да се развије интелигентни систем лежаја за машину за верификацију испитивања на земљи са ултра-високом пропулзионом ефикасношћу (УХПЕ), укључујући потпуно интегрисан систем бежичног сензора са сопственим напајањем за авионе следеће генерације. Овај рад даје преглед постојећих технологија интелигентних лежајева, приказујући структуру интегрисаног сензорског система, фокусирајући се на параметре које авио-мотори прате и методе избора сензорских технологија. Тренутно се већина развијених интелигентних лежајева може користити у аутомобилској, железничкој и другим индустријама. Њихова доступност је ограничена и нису погодни за сурово окружење (као што су висока температура и висок ниво вибрација) које доживљавају млазни мотори. Примарни садржаји праћења укључују вибрације, температуру, оптерећење, кретање вретена, брзину и остатке хабања. Изаберите одговарајућу технологију сенсинга на основу методе класификације издржљивости у екстремном окружењу унутар мотора, као и величине, тежине, осетљивости, радног фреквенцијског опсега, методе инсталације, захтева за обраду података и потрошње енергије прикупљања енергије и бежичног преноса.
Iувод
Котрљајни лежај је један од најважнијих делова млазног мотора. Праћење стања лежајева млазног мотора помаже у откривању кварова на лежајевима и предвиђању животног века лежаја. Развијен интелигентни интегрисани сензорски лежај може да реализује праћење стања на мрежи. Лежај се назива интелигентним лежајем, који се састоји од малих сензора мале снаге и има могућност самоснабдевања енергијом за бежичну комуникацију и пренос података. Интелигентно видно поље ће промовисати праћење стања на мрежи на нови ниво. Међутим, тренутно се већина постојећих технологија интелигентних лежајева може користити у аутомобилима, железници, опреми за енергију ветра, итд. Због сложеног и изазовног окружења и услова рада млазних мотора, укључујући изузетно велику брзину вретена, високу фреквенцију вибрација и високе температуре, развој интелигентних лежајева који се могу користити у млазним моторима је веома ограничен. Главна осовина млазног мотора и лежајеви за турбину изложени су температурама од око 200 степени, односно 300 степени. Уље за подмазивање високе температуре такође представља тешко окружење за сензор. Остали изазови укључују ограничену улазну снагу, ограничен простор и доступност жичаних канала и недоступност електронских компоненти отпорних на високе температуре на тржишту. Поред тога, употреба магнетних сензора или материјала око лежајева млазног мотора је строго ограничена, јер могу да адсорбују металне остатке и да изазову блокаду. У млазним моторима, лежајеви су уграђени у запечаћене металне кутије, што озбиљно ограничава бежични пренос података. Стога, иако је технологија значајно напредовала последњих година, истраживање и развој интелигентних лежајева за млазне моторе и даље представља изазов.
Први корак овог рада је одређивање сензорских компоненти које се користе за праћење стања лежаја у тешким условима у којима се налази млазни мотор, као и интеграција сензора у интелигентни лежај који може да мери низ параметара који указују на статус лежаја. Истовремено, развијамо технологију прикупљања енергије која може да прикупља и преноси податке бежично, што је кључни део интелигентних лежајева.
Главна сврха пројекта
*Идентификујте сензоре на тржишту који су погодни за праћење стања лежајева млазних мотора, посебно оних који могу да раде у окружењу високе температуре и корозивног уља за подмазивање млазних мотора, и користити их у млазним моторима;
*Идентификујте сензоре мале снаге да бисте смањили потрошњу енергије;
*Идентификовати и развити технологије прикупљања енергије погодне за окружења млазних мотора;
*Оптимизовати потрошњу енергије сензорског система и развити стратегију дистрибуције енергије;
*Развити бежични комуникациони систем за пренос података кроз металну шасију млазног мотора.
У циљу верификације одабране технологије и интелигентног сензорског система, у лабораторији ће бити спроведена серија тестова делова и малих нивоа лежајева. Глава за испитивање је дизајнирана за испитну плочу малих лежајева да симулира реално окружење млазних мотора. Овај рад се фокусира на развој интелигентних компоненти сензора лежаја. Пре свега, овај рад сумира постојећу технологију интелигентних лежајева и разматра изазове са којима се суочава систем сензора у окружењу млазног мотора. Након тога, у овом раду је описан начин одабира сензора и структура интелигентног лежаја и на крају се даје закључак.
Резиме технологије интелигентних лежајева
У протекле три деценије урађено је доста посла на развоју сензорских лежајева. У почетку, истраживање се фокусирало на инсталирање више сензора на лежај за мерење параметара који могу да укажу на статус лежаја. Вибрације, брзина и температура се сматрају најважнијим параметрима за он-лине праћење статуса лежаја. Затим се проширује и укључује праћење оптерећења и подмазивања.
Инсталација интелигентних јединица је важан аспект у развоју интелигентних лежајева. Сензорска јединица је прво постављена на постоље лежаја, које је развијено за уградњу сензора у прстен лежаја. Сензори већине лежајева на тржишту повезани су преко жичаног обновљеног система прстенова. Већина ових лежајева се може користити у аутомобилској и железничкој индустрији, као што је чаура која се уграђује у јединицу лежаја осовинске кутије са интегрисаним сензорима у железничкој индустрији. Једном речју, направљен је велики напредак у развоју технологије сензорских лежајева. Међутим, до сада, број доступних производа, као што су лежајеви осовинске кутије, НСК кретање и управљање, активни лежајеви сензора и интегрисани лежајеви ротационог сензора, и даље је ограничен. Фокус истраживања се померио са сензорског лежаја (жичана сензорска јединица) на интелигентно лежиште (бежични сензорски систем са сопственим напајањем). Да би се уклонило напајање за онлајн надгледање интелигентних лежајева, веома су популарни бежични сензорски системи и сензорске јединице са сопственим напајањем за прикупљање енергије. Међутим, интелигентни лежај са самоснабдевањем енергије и бежичним сензорским системом је још увек у фази истраживања и развоја, а још нема производа на тржишту? Слично, развој танкослојних сензора и МЕМС-а померио је фокус истраживања на уградњу сензора у унутрашње и спољашње прстенове лежајева. Већина развоја технологија сензора и интелигентних лежајева примењена је у железничкој и аутомобилској индустрији, али је мање пажње посвећено лежајевима млазних мотора. Традиционално, лежајеви млазних мотора се надгледају мерењем вибрација и праћењем остатака уља. Сврха овог истраживања је да се развије интегрисани интелигентни систем лежајева за нову генерацију млазних мотора на основу постојећег знања о технологији интелигентних лежајева и условима рада лежајева млазних мотора.
Изазови у развоју интелигентних лежајева за млазне моторе
Као што је горе поменуто, иако су развијени паметни лежајеви који се користе у другим областима, још увек нема доступних паметних лежајева за млазне моторе због неких великих изазова. У почетној фази ове студије, ови изазови су постали јаснији, помажући да се идентификују сензорске технологије за млазне моторе.
Лежајеви млазног мотора раде при великој брзини (3,000рпм - 10,000рпм), високој температури (> 200 степени) и високим вибрацијама (> 100г). Поред тога, млазни мотор остаје у такозваном стању врућег намакања да би ускладиштио топлоту, која не може да распрши топлоту чак ни након што мотор престане да ради, чиме се температура лежаја подиже на 250 степени.
У циљу симулације окружења млазних мотора, планирана испитивања лежајева ће се вршити на 150 до 250 степени. Ово је велики изазов за већину постојећих електронских уређаја, јер они могу да раде само у окружењима до 80 степени. Проналажење сензора и сродних технологија погодних за окружење високих температура је главна препрека у развоју интелигентних лежајева за млазне моторе. Више од 90% акцелерометара је дизајнирано и произведено за употребу у окружењима испод 80 степени.
Други изазов је велика брзина вретена (3,000о/мин - 10,000о/мин), која ствара окружење високих вибрација са великом амплитудом. Ово не само да отежава побољшање издржљивости сензора, већ представља и велики изазов за мерење вибрација, брзине кавеза и других вредности (погледајте доле за детаље). Поред тога, да би се симулирале перформансе млазних мотора, на испитном столу се користе мањи лежајеви, тако да ће радити на већој брзини (између 25,000 о/мин и 30,000 о/мин) да би се постигао пречник корака сличан оном код млазних мотора.
Поред ограничења температуре, паметни лежајеви за млазне моторе захтевају ниску потрошњу енергије како би омогућили бежични пренос енергије и података коришћењем одговарајућих технологија за прикупљање енергије. Постоје додатна ограничења у окружењу млазних мотора, као што су захтеви за ниску потрошњу енергије (што резултира ограниченом обрадом и складиштењем података у ваздуху), мали простор за инсталацију сензора, нефлексибилан дизајн мотора након додавања захтева купаца, немогућност коришћења магнетних сензора због блокаде металних остатака , и немогућност коришћења оптичких сензора (употреба уља ће ометати оптичке перформансе).
За сензоре који испуњавају захтеве високе температуре, треба их такође тестирати да би се осигурало да могу бити изложени високој температури (као што је 180 степени) уља за подмазивање млазних мотора. Генерално, млазни мотори користе уља за гасне моторе и/или уља високе термичке стабилности (ХТС). Ова уља су агресивна и могу да изазову хемијско оштећење сензора у окружењу високе температуре на дуже време. Мазива такође могу оштетити конекторе и каблове сензора у мотору.
Што се тиче високих температура, ако је потребно залепити сензор на лежај/кућиште, морате одабрати одговарајући лепак или епоксидну смолу, јер већина лепкова не може да се користи на високим температурама. Пре употребе, такође треба проверити утицај корозивне уљне средине на лепак. У циљу верификације изабраног сензора и његовог конектора и кабла, ова студија је спровела претходно тестирање у окружењу са високотемпературним уљем за подмазивање пре него што је интегрисано у мали сто за испитивање лежајева.
Избор сензора
Један од најважнијих задатака у развоју интегрисаних интелигентних лежајева је да се пажљиво изаберу комерцијални офф-схелф (ЦОТС) сензори погодни за услове рада лежајева млазних мотора. У почетку, пре развоја потпуно интегрисаних паметних лежајева у монтираним/уграђеним лежајевима, сензори су били монтирани на постоље лежаја на испитном столу. Као што је горе поменуто, сматра се да се током развоја интелигентних лежајева користе сензори способни за мерење вибрација, температуре, брзине кавеза, померања вретена и оптерећења.
Да би се осигурало да је најпогоднији сензор одабран за паметно лежиште, ЦОТС сензор се бира методом приказаном на слици 1. У ваздухопловној индустрији, у циљу смањења трошкова, решења заснована на ЦОТС сензорима добијају све више пажње. Сви ЦОТС сензори који се користе у млазним моторима морају да испуњавају стандарде високих перформанси које спомиње ваздухопловна индустрија. Избор сензора се заснива на информацијама и знању о праћењу лежајева добијеним из литературе и стандарда, дизајну лежаја, окружењу лежишта и условима рада и другим захтевима. Процес селекције се може поделити на два дела: а) идентификација исправних метода и технологија; б) Идентификација најпогоднијег сензора за стање технике. Први део идентификује технике применљиве на мерење специфичних параметара. На пример, постоји много доступних метода за мерење температуре лежаја, као што су термопар, МЕМС технологија, итд. За ову примену, разлог зашто је термопар изабран уместо МЕМС технологије је тај што термопар не мора да уноси електричну енергију и може мери температуру у широком опсегу. На основу техника идентификованих у првом делу, други део се фокусира на избор (моделирање и производњу) специфичних сензора.
Изаберите сензоре који могу да мере вибрације, брзину кавеза и оптерећење за паметне лежајеве млазних мотора. Следећи пододељци пружају детаље о избору.
01 Вибрација
Праћење вибрација је једна од најважнијих и најчешће коришћених метода за праћење стања лежаја, јер праћење вибрација може пружити дијагностичке информације према специфичној карактеристичној фреквенцији лежаја за идентификацију неисправних компоненти. Чак и мали дефекти на површини лежаја, ако се не открију на време, могу довести до квара лежаја. Према геометрији, броју котрљајућих елемената и брзини вретена, дефекти котрљајућих лежајева ће произвести одређену фреквенцију. Очекивана учесталост квара може се израчунати коришћењем формуле дате у референци 16. Детекција ових фреквенција је од помоћи за предвиђање века трајања лежајева млазног мотора. За планирана испитивања лежајева, очекивана учесталост кварова је израчуната на основу конструкције лежаја и брзине вретена. Ови прорачуни пружају информације за избор одговарајућег сензора за испитни лежај.
Да би се ефикасно измериле вибрације, сензор треба да се користи за мерење вибрација? Инсталира се на лежају поред контактне површине (у близини подручја оптерећења), где котрљајни елемент лежаја директно додирује стазу тркања. Подручје у близини терета где је сензор уграђен је такође високотемпературно подручје лежаја млазног мотора, а температура може бити и до 250 степени. Велика брзина млазног мотора доводи до високе фреквенције кварова. Стога, технологија акцелерометра у режиму пуњења испуњава захтеве, док технологије засноване на померању и вибрацијама нису прикладне.
In addition to the stringent requirements for the accelerometer temperature and frequency range, the sensor resonant frequency is also important. For the required frequency range (>25кХз), резонантна фреквенција мора бити најмање двоструко већа од радне фреквенције акцелерометра? троструко. То значи да акцелерометар има резонантну фреквенцију од најмање 50 кХз. Резонанција и радна фреквенција акцелерометра су обрнуто пропорционалне осетљивости, односно што је резонантна фреквенција већа, осетљивост је мања и обрнуто. У овом случају, пожељна је виша резонантна фреквенција, јер се осетљивост може контролисати помоћу појачала.
Метода инсталације је још један фактор који треба узети у обзир при избору сензора. Да би се осигурало да је акцелерометар безбедно монтиран на лежај у окружењима са високим вибрацијама и високим температурама, доступни су само сензори монтирани завртњима и вијцима. Није изводљиво залепити акцелерометар на лежај лепљивом уградњом, јер не само да ће смањити радну и резонантну фреквенцију, већ ће деловати и као пригушивач вибрација. Поред тога, у окружењу високе температуре, способност лепљења ће опасти с временом, што не може задовољити захтеве дуготрајног рада.
Према критеријумима дефинисаним методом селекције, прегледано је на стотине ЦОТС акцелерометара различитих произвођача, а само осам сензора је испуњавало захтеве радне фреквенције, резонантне фреквенције и других карактеристика. Брзина вретена је веома велика (25,000 о/мин - 30,000 о/мин); Стога се очекује да ће се фреквенција дефекта такође развити према вишем крају спектра. На фреквенцијама хармоника од 5 и 10, очекиване фреквенције грешке су 28 кХз и 56 кХз, респективно. Радне и резонантне фреквенције ових акцелерометара су веће од 15 кХз и 45 кХз, респективно. Изабрана су два акцелерометра са највећом резонантном фреквенцијом, са фреквенцијама од 90 кХз и 100 кХз. Радна фреквенција оба акцелерометра је 20кХз. Поред тога, постоје сензори са радном фреквенцијом до 30кХз. Међутим, дата радна фреквенција је виша од осталих акцелерометара, али резонантна фреквенција спада у хармонијску фреквенцију коју генерише фреквенција дефекта лежаја. Због тога је употреба овог акцелерометра непрактична и неће се користити у тесту.
02 Брзина кавеза
Код млазних мотора, брзина ротације компоненти лежаја је веома велика, а клизање између стаза за трчање и котрљајућих елемената ће узроковати рани квар. Релативно клизање између спојних површина ће произвести велику количину површинског смичног напона. За лежајеве са великом брзином ротације, клизање ће узроковати да стварна брзина котрљајућег елемента буде нижа од теоријске вредности. Ефекат клизања се не може пратити вибрацијом, али се може пратити мерењем брзине кавеза.
Брзина ротације кавеза се може мерити бесконтактним методама као што су вртложна струја, капацитивни сензор, магнетни сензор и оптички сензор. Међутим, због низа разлога, сурово окружење млазног мотора ограничава употребу магнетних, капацитивних и оптичких сензора. На пример, није дозвољено стављати магнетне компоненте у резервоар за ваздух, јер ће магнетни сензори скупљати остатке хабања, изазивајући опасност. Оптички сензори не могу да изврше прецизна мерења јер се светлост распршује и распршује у окружењу уља за подмазивање лежајева. Опсег мерења капацитивног сензора је ограничен, а уље за подмазивање има значајан утицај на тачност мерења.
Сензор вртложне струје испуњава све захтеве за мерење брзине ротације кавеза лежаја млазног мотора, укључујући високу температуру, велику брзину ротације и расположиви простор око лежаја мотора. Брзина кавеза се мери израчунавањем времена за сваку куглицу да прође кроз сонду за детекцију вртложне струје. Као што је приказано на слици 2, сваки пут када лопта прође кроз сонду, услед интерференције магнетног поља ће се генерисати изобличени квадратни талас. Када се генерише импулс када се постигне одређена брзина, ова брзина се назива фреквенција пребацивања и може се израчунати множењем броја лоптица брзином кавеза. За лежиште на малом испитном столу, теоретска вредност брзине кавеза је око половине брзине вретена. Између 12500 о/мин и 15000 о/мин, број куглица је 20. Резултирајућа фреквенција пребацивања је између 250000 и 300000. Мерење тако високе вредности фреквенције пребацивања представља изазов за већину ЦОТС сензора. Комбиновањем других фактора које треба узети у обзир, као што су температура, опсег сонде и време реакције, површина лопте и урањање у уље, одабир сензора вртложне струје погодног за лежајеве млазног мотора постаје изазов.
Слика 2 Мерење брзине ротације кавеза са фреквенцијом пребацивања
Температура око лежаја у жлебу за ваздушно уље може бити и до 200 степени. Типичан сензор вртложне струје састоји се од сензорске јединице повезане са електронским компонентама, које могу да издрже високу температуру од 80 степени. Решење овог проблема је коришћење каблова за одвајање сензорске јединице од електронских компоненти. Нажалост, ово ће у великој мери успорити време одзива сензора и смањити фреквенцију пребацивања. Фреквенција укључивања већине сензора вртложних струја који се могу користити на високим температурама може да достигне само неколико стотина херца, док је фреквенција укључивања мерења брзине држача млазног мотора око неколико хиљада херца. Једно могуће решење је примена притиска у кавезу који се може мерити турбинским сензором за сваки циклус. Међутим, ово се заснива на изводљивости замене постојећих дизајна лежајева млазних мотора.
Избор сонде за вртложне струје се често заснива на њеном опсегу мерења, површини сонде и величини циља мерења. Слично, опсег мерења је директно повезан са величином сонде, односно када се величина сонде повећава, опсег мерења ће се такође повећати, и обрнуто. Међутим, за дати циљ, препоручује се да величина сонде буде мања или једнака величини мете (погледајте слику 2). Да би се максимизирала детекција, облик мерног објекта (нпр. кавез) би требало да буде правоугаоног облика (види слику 2). Ако је у питању куглични лежај, видљива површина сонде за вртложне струје је веома мала, па је боље изабрати сонду која је мања. Међутим, ово ће заузврат сузити опсег мерења сонде. Ово се може подесити ако је сензор монтиран поред лежаја. Поред тога, кавез који се окреће великом брзином може имати малу количину аксијалног померања, што захтева да сензор буде инсталиран на безбедној удаљености како би се избегао контакт са лежајем током рада.
У комбинацији са свим изазовима у процесу селекције, установљено је да само две сонде са вртложним струјама испуњавају услове, а изабране су за развој интелигентних лежајева. Ове две сонде ће бити тестиране на малом столу за испитивање лежајева да би се измерило задржавање лежаја? Процењује се способност брзине ротације. Касније у оквиру пројекта, такође ће се истражити изводљивост посебно дизајнираних кавеза.
03 Учитавање
Лежај млазног мотора подноси оптерећење и аксијално и радијално. Праћење оптерећења на лежају у реалном времену може помоћи да се разуме динамичко стање мотора у сложеним условима рада. Мерне ћелије се обично користе за мерење оптерећења, али због велике тежине и величине нису практичне, па нису погодне за лежајеве млазних мотора. Због тога је у овој примени изабран алтернативни метод за процену оптерећења мерењем еластичне деформације фиксног прстена лежаја помоћу мерача напрезања. Постоји много метода за мерење напрезања, а три од њих могу бити применљиве на сурово окружење млазних мотора, укључујући отпорне мере напрезања, светлосне решетке и уређаје за површинске акустичне таласе. Систем за мерење светлосне решетке је веома велик и потребно му је много енергије да подржи рад. Слично, САВ сензори треба даље да се развијају како би били у могућности да мере напрезање у тешким условима млазних мотора. Због тога је у овом пројекту одабран мерач отпорности за мерење деформације лежаја млазног мотора.
Да би се измерила еластична деформација спољашњег прстена, препоручује се уградња мерача напрезања директно на (фиксни) спољни прстен лежаја. Мерач напрезања се поставља изван лежишта, а радијална и аксијална напрезања се мере дуж секундарне стране. На спољном прстену, мерач напрезања је изложен високим температурама до 250 степени Ц. Као што је горе поменуто, потребно је изабрати одговарајући лепак (или лепак) да би се завршило дуготрајно испитивање. Слично, након одређеног временског периода, хемијска агресивност мазива ће такође ослабити ефекат везивања. Због тога мерач напрезања мора бити заштићен од агресивног уља за подмазивање. Када дође до цурења уља између конектора мерача напрезања, то ће одмах изазвати квар сензора.
Поред тога, током рада, спољни прстен лежаја млазног мотора подлеже великим температурним променама, а мерење деформације у великој мери зависи од температуре његовог окружења. Да би се добили тачни резултати мерења деформација, мора се применити температурна компензација. Може се реализовати помоћу мерача напрезања типа Т (види слику 3), а диференцијална деформација се може мерити успостављањем плочастог моста. Међутим, због ограниченог расположивог простора на прстеновима лежаја, посебно на страни тркалишта, ово представља још један изазов. На слици 3 је приказано да за мерење радијалног напрезања мерач напрезања треба да се угради изван феруле. Међутим, укупна ширина спољашњег прстена који се тестира је 5,5 мм. Узимајући у обзир сва ограничења и захтеве, признато је да су само два типа Т-деформационих мерача применљива на испитни лежај. Димензије ова два мерача напрезања су 5,6 мм × 5,6 мм (правоугаоне) × 5,4 мм (округле).
Cонцлусион
Кроз прелиминарна истраживања, јасно је да сурово окружење млазних мотора представља велики изазов за развој интелигентних лежајева. Два главна изазова - висока температура и велика брзина, као и многи други изазови такође ограничавају избор сензора за лежајеве млазних мотора. На основу описа литературе и искуства у индустрији, најважнији параметри одабрани за праћење лежајева млазних мотора су вибрације, температура, брзина кавеза, померање вретена и оптерећење. Методологија се користи за одабир технологије сензора погодне за ваздушне лежајеве. Након свеобухватног прегледа ЦОТС сензора, установљено је да само неколико сензора испуњава захтеве. Будући рад ће се фокусирати на претходно тестирање изабраног сензора у окружењу високе температуре и урањања у уље пре тестирања на малом тестном лежишту.
Више о ВБМ-уТаперед Роллер:
ВБМ производи високо прецизне конусне ваљке: Капацитет: 10 милиона комада месечно; Преостали капацитет: 4 милиона комада месечно; 5 линија за производњу ваљака; 7 машина за хладно сабијање (3 национална, 4 домаћа); Капацитет топлотне обраде: 9 тона дневно.
Добродошли уконтактирајте ВБМза више информација!