ด้วยการตรวจติดตามสุขภาพ การพัฒนาโซลูชันตลับลูกปืนอัจฉริยะจะช่วยปรับปรุงความน่าเชื่อถือของเครื่องยนต์อากาศยาน วัตถุประสงค์ของโครงการนี้คือเพื่อพัฒนาระบบตลับลูกปืนอัจฉริยะสำหรับเครื่องตรวจสอบการทดสอบภาคพื้นดินที่มีประสิทธิภาพการขับเคลื่อนสูงเป็นพิเศษ (UHPE) รวมถึงระบบเซ็นเซอร์ไร้สายที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเองแบบครบวงจรสำหรับเครื่องบินรุ่นต่อไป บทความนี้จะให้ภาพรวมของเทคโนโลยีที่มีอยู่ของตลับลูกปืนอัจฉริยะ ซึ่งแสดงโครงสร้างของระบบการตรวจจับแบบรวม โดยมุ่งเน้นไปที่พารามิเตอร์ที่จะตรวจสอบโดยเครื่องยนต์อากาศยาน และวิธีการเลือกเทคโนโลยีการตรวจจับ ในปัจจุบัน ตลับลูกปืนอัจฉริยะส่วนใหญ่ที่ได้รับการพัฒนาสามารถนำมาใช้ในรถยนต์ รถไฟ และอุตสาหกรรมอื่นๆ ได้ ความพร้อมใช้งานมีจำกัดและไม่เหมาะกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง (เช่น อุณหภูมิสูงและระดับการสั่นสะเทือนสูง) ที่เครื่องยนต์ไอพ่นประสบ เนื้อหาการตรวจสอบหลัก ได้แก่ การสั่นสะเทือน อุณหภูมิ โหลด การเคลื่อนที่ของสปินเดิล ความเร็ว และเศษสึกหรอ เลือกเทคโนโลยีการตรวจจับที่เหมาะสมตามวิธีการจำแนกประเภทความทนทานภายใต้สภาพแวดล้อมที่รุนแรงภายในเครื่องยนต์ รวมถึงขนาด น้ำหนัก ความไว ย่านความถี่ในการทำงาน วิธีการติดตั้ง ข้อกำหนดในการประมวลผลข้อมูล และการใช้พลังงานของการรวบรวมพลังงานและการส่งผ่านแบบไร้สาย
Iบทนำ
แบริ่งกลิ้งเป็นหนึ่งในส่วนที่สำคัญที่สุดในเครื่องยนต์ไอพ่น การตรวจสอบสภาพของตลับลูกปืนของเครื่องยนต์ไอพ่นมีประโยชน์ในการตรวจจับความผิดปกติของตลับลูกปืนและคาดการณ์อายุการใช้งานของตลับลูกปืน แบริ่งตรวจจับอัจฉริยะแบบบูรณาการที่พัฒนาขึ้นสามารถรับรู้ถึงการตรวจสอบสภาพออนไลน์ได้ ตลับลูกปืนนี้เรียกว่าตลับลูกปืนอัจฉริยะ ซึ่งประกอบด้วยเซ็นเซอร์พลังงานต่ำขนาดเล็ก และมีความสามารถในการจ่ายพลังงานในตัวเองสำหรับการสื่อสารไร้สายและการส่งข้อมูล ช่องการมองเห็นที่ชาญฉลาดจะส่งเสริมการตรวจสอบสภาพออนไลน์ในระดับใหม่ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน เทคโนโลยีตลับลูกปืนอัจฉริยะที่มีอยู่ส่วนใหญ่สามารถใช้ในรถยนต์ รถไฟ อุปกรณ์พลังงานลม ฯลฯ เนื่องจากสภาพแวดล้อมและสภาพการทำงานของเครื่องยนต์ไอพ่นที่ซับซ้อนและท้าทาย รวมถึงความเร็วของสปินเดิลที่สูงมาก ความถี่การสั่นสะเทือนสูงและ อุณหภูมิสูง การพัฒนาตลับลูกปืนอัจฉริยะที่สามารถใช้กับเครื่องยนต์ไอพ่นนั้นมีจำกัดมาก เพลาหลักของเครื่องยนต์ไอพ่นและแบริ่งของกังหันต้องเผชิญกับอุณหภูมิประมาณ 200 องศาและ 300 องศาตามลำดับ น้ำมันหล่อลื่นที่มีอุณหภูมิสูงยังทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่รุนแรงสำหรับเซ็นเซอร์อีกด้วย ความท้าทายอื่นๆ ได้แก่ กำลังอินพุตที่จำกัด พื้นที่จำกัด และความพร้อมใช้งานของช่องสัญญาณแบบมีสาย และชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงไม่มีวางจำหน่ายในท้องตลาด นอกจากนี้ การใช้เซ็นเซอร์แม่เหล็กหรือวัสดุรอบๆ แบริ่งเครื่องยนต์ไอพ่นนั้นถูกจำกัดอย่างเข้มงวด เนื่องจากอาจดูดซับเศษโลหะและทำให้เกิดการอุดตัน ในเครื่องยนต์ไอพ่น ตลับลูกปืนจะถูกติดตั้งในกล่องโลหะที่ปิดสนิท ซึ่งจำกัดการรับส่งข้อมูลแบบไร้สายอย่างรุนแรง ดังนั้น แม้ว่าเทคโนโลยีจะมีความก้าวหน้าอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่การวิจัยและพัฒนาตลับลูกปืนอัจฉริยะสำหรับเครื่องยนต์ไอพ่นยังคงเป็นเรื่องที่ท้าทาย
ขั้นตอนแรกของงานนี้คือการกำหนดส่วนประกอบเซ็นเซอร์ที่ใช้ในการตรวจสอบสภาพตลับลูกปืนในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงซึ่งเป็นที่ตั้งของเครื่องยนต์ไอพ่น รวมถึงการบูรณาการเซ็นเซอร์ในตลับลูกปืนอัจฉริยะที่สามารถวัดชุดพารามิเตอร์ที่ระบุสถานะของตลับลูกปืน ในเวลาเดียวกัน เราพัฒนาเทคโนโลยีการรวบรวมพลังงานที่สามารถรวบรวมและส่งข้อมูลแบบไร้สาย ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของตลับลูกปืนอัจฉริยะ
วัตถุประสงค์หลักของโครงการ
*ระบุเซ็นเซอร์ในตลาดที่เหมาะสมสำหรับการตรวจสอบสภาพของแบริ่งเครื่องยนต์ไอพ่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเซ็นเซอร์ที่สามารถทำงานในอุณหภูมิสูงและมีสภาพแวดล้อมน้ำมันหล่อลื่นที่มีฤทธิ์กัดกร่อนของเครื่องยนต์ไอพ่น และใช้ในเครื่องยนต์ไอพ่น
*ระบุเซ็นเซอร์พลังงานต่ำเพื่อลดการใช้พลังงาน
*ระบุและพัฒนาเทคโนโลยีการรวบรวมพลังงานที่เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมของเครื่องยนต์ไอพ่น
*เพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบเซ็นเซอร์และพัฒนากลยุทธ์การกระจายพลังงาน
*พัฒนาระบบสื่อสารไร้สายสำหรับการส่งข้อมูลผ่านโครงโลหะของเครื่องยนต์ไอพ่น
เพื่อตรวจสอบเทคโนโลยีที่เลือกและระบบเซ็นเซอร์อัจฉริยะ จะมีการทดสอบชิ้นส่วนและระดับตลับลูกปืนขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการ หัวทดสอบได้รับการออกแบบมาสำหรับฐานทดสอบของตลับลูกปืนขนาดเล็กเพื่อจำลองสภาพแวดล้อมที่แท้จริงของเครื่องยนต์ไอพ่น บทความนี้มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาส่วนประกอบเซ็นเซอร์แบริ่งอัจฉริยะ ก่อนอื่น บทความนี้จะสรุปเทคโนโลยีตลับลูกปืนอัจฉริยะที่มีอยู่ และอภิปรายถึงความท้าทายที่ระบบเซ็นเซอร์เผชิญในสภาพแวดล้อมของเครื่องยนต์ไอพ่น หลังจากนั้น บทความนี้จะอธิบายวิธีการเลือกเซ็นเซอร์และโครงสร้างของตลับลูกปืนอัจฉริยะ และสรุปผลในที่สุด
สรุปเทคโนโลยีตลับลูกปืนอัจฉริยะ
ในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมา มีงานมากมายในการพัฒนาตลับลูกปืนตรวจจับ ในขั้นต้น การวิจัยมุ่งเน้นไปที่การติดตั้งเซ็นเซอร์หลายตัวบนตลับลูกปืนเพื่อวัดพารามิเตอร์ที่สามารถระบุสถานะของตลับลูกปืนได้ การสั่นสะเทือน ความเร็ว และอุณหภูมิถือเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดสำหรับการตรวจสอบสถานะตลับลูกปืนทางออนไลน์ จากนั้นจึงขยายออกไปเพื่อรวมการตรวจสอบโหลดและการหล่อลื่น
การติดตั้งหน่วยอัจฉริยะเป็นส่วนสำคัญในการพัฒนาตลับลูกปืนอัจฉริยะ ชุดเซ็นเซอร์ได้รับการติดตั้งครั้งแรกบนฐานลูกปืน ซึ่งได้รับการพัฒนาให้ฝังเซ็นเซอร์เข้ากับวงแหวนลูกปืน เซ็นเซอร์ของตลับลูกปืนส่วนใหญ่ในตลาดเชื่อมต่อกันผ่านระบบวงแหวนแบบมีสายที่ได้รับการตกแต่งใหม่ ตลับลูกปืนเหล่านี้ส่วนใหญ่สามารถใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์และการรถไฟ เช่น ปลอกที่จะติดตั้งในชุดแบริ่งกล่องเพลาพร้อมเซ็นเซอร์ในตัวในอุตสาหกรรมรถไฟ กล่าวอีกนัยหนึ่ง มีความก้าวหน้าอย่างมากในการพัฒนาเทคโนโลยีการตรวจจับตลับลูกปืน อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ จำนวนสินค้าโภคภัณฑ์ที่มีอยู่ เช่น แบริ่งกล่องเพลา การเคลื่อนไหวและการควบคุม NSK แบริ่งเซ็นเซอร์แบบแอคทีฟ และแบริ่งเซ็นเซอร์โรตารีในตัว ยังคงมีจำกัด จุดมุ่งเน้นของการวิจัยได้เปลี่ยนจากตลับลูกปืนตรวจจับ (ยูนิตเซ็นเซอร์แบบมีสาย) มาเป็นตลับลูกปืนอัจฉริยะ (ระบบเซ็นเซอร์ไร้สายที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง) ในการถอดแหล่งจ่ายไฟสำหรับการตรวจสอบตลับลูกปืนอัจฉริยะออนไลน์ ระบบเซ็นเซอร์ไร้สายและชุดเซ็นเซอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเองสำหรับการรวบรวมพลังงานจึงได้รับความนิยมอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ตลับลูกปืนอัจฉริยะที่มีการจ่ายพลังงานในตัวเองและระบบเซ็นเซอร์ไร้สายยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนา และยังไม่มีผลิตภัณฑ์ในตลาดใช่หรือไม่ ในทำนองเดียวกัน การพัฒนาเซ็นเซอร์ฟิล์มบางและ MEMS ได้เปลี่ยนจุดเน้นของการวิจัยไปเป็นการฝังเซ็นเซอร์ไว้ในวงแหวนด้านในและด้านนอกของตลับลูกปืน การพัฒนาเทคโนโลยีการตรวจจับและตลับลูกปืนอัจฉริยะส่วนใหญ่ถูกนำไปใช้กับอุตสาหกรรมทางรถไฟและรถยนต์ แต่กลับให้ความสนใจน้อยลงกับตลับลูกปืนของเครื่องยนต์ไอพ่น ตามปกติแล้ว แบริ่งเครื่องยนต์ไอพ่นจะได้รับการตรวจสอบโดยการวัดการสั่นสะเทือนและการตรวจสอบเศษน้ำมัน การวิจัยครั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาระบบตลับลูกปืนอัจฉริยะแบบบูรณาการสำหรับเครื่องยนต์ไอพ่นเจเนอเรชั่นใหม่ โดยอาศัยความรู้ที่มีอยู่เกี่ยวกับเทคโนโลยีตลับลูกปืนอัจฉริยะและสภาพการทำงานของตลับลูกปืนเครื่องยนต์ไอพ่น
ความท้าทายในการพัฒนาตลับลูกปืนอัจฉริยะสำหรับเครื่องยนต์ไอพ่น
ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น แม้ว่าตลับลูกปืนอัจฉริยะที่ใช้ในสาขาอื่นๆ จะได้รับการพัฒนาแล้ว แต่ก็ยังไม่มีตลับลูกปืนอัจฉริยะสำหรับเครื่องยนต์ไอพ่นเนื่องจากความท้าทายที่สำคัญบางประการ ในช่วงเริ่มต้นของการศึกษานี้ ความท้าทายเหล่านี้มีความชัดเจนมากขึ้น โดยช่วยในการระบุเทคโนโลยีเซ็นเซอร์สำหรับเครื่องยนต์ไอพ่น
แบริ่งเครื่องยนต์ไอพ่นทำงานที่ความเร็วสูง (3,000rpm - 10,000rpm) อุณหภูมิสูง (> 200 องศา ) และการสั่นสะเทือนสูง (> 100 กรัม) นอกจากนี้ เครื่องยนต์ไอพ่นยังอยู่ในสถานะที่เรียกว่าร้อนแช่เพื่อกักเก็บความร้อน ซึ่งไม่สามารถกระจายความร้อนได้แม้ว่าเครื่องยนต์จะหยุดทำงานก็ตาม จึงเพิ่มอุณหภูมิแบริ่งเป็น 250 องศา
เพื่อจำลองสภาพแวดล้อมของเครื่องยนต์ไอพ่น การทดสอบตลับลูกปืนตามแผนจะดำเนินการที่ 150 องศา ถึง 250 องศา นี่เป็นความท้าทายที่สำคัญสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ที่มีอยู่ เนื่องจากสามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่สูงถึง 80 องศาเท่านั้น การค้นหาเซ็นเซอร์และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องที่เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงถือเป็นอุปสรรคสำคัญในการพัฒนาตลับลูกปืนอัจฉริยะสำหรับเครื่องยนต์ไอพ่น มาตรความเร่งมากกว่า 90% ได้รับการออกแบบและผลิตเพื่อใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า 80 องศา
ความท้าทายประการที่สองคือความเร็วสปินเดิลสูง (3,000rpm - 10,000rpm) ซึ่งสร้างสภาพแวดล้อมการสั่นสะเทือนสูงพร้อมแอมพลิจูดสูง สิ่งนี้ไม่เพียงทำให้การปรับปรุงความทนทานของเซ็นเซอร์ทำได้ยากขึ้นเท่านั้น แต่ยังเป็นความท้าทายที่สำคัญในการวัดการสั่นสะเทือน ความเร็วของกรง และค่าอื่นๆ (ดูรายละเอียดด้านล่าง) นอกจากนี้ เพื่อจำลองประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ไอพ่น จะใช้แบริ่งขนาดเล็กบนม้านั่งทดสอบ ดังนั้นมันจะวิ่งด้วยความเร็วสูงกว่า (ระหว่าง 25,{5}} rpm ถึง 30,000 rpm) เพื่อให้ได้เส้นผ่านศูนย์กลางพิทช์ใกล้เคียงกับเครื่องยนต์ไอพ่น
นอกเหนือจากขีดจำกัดอุณหภูมิแล้ว ตลับลูกปืนอัจฉริยะสำหรับเครื่องยนต์ไอพ่นยังต้องการการใช้พลังงานต่ำเพื่อให้สามารถส่งพลังงานแบบไร้สายและส่งข้อมูลโดยใช้เทคโนโลยีการรวบรวมพลังงานที่เหมาะสม มีข้อจำกัดเพิ่มเติมในสภาพแวดล้อมของเครื่องยนต์ไอพ่น เช่น ข้อกำหนดในการใช้พลังงานต่ำ (ส่งผลให้มีการประมวลผลและจัดเก็บข้อมูลทางอากาศที่จำกัด) พื้นที่ติดตั้งเซ็นเซอร์ขนาดเล็ก การออกแบบเครื่องยนต์ที่ไม่ยืดหยุ่นหลังจากเพิ่มความต้องการของลูกค้า การไม่สามารถใช้เซ็นเซอร์แม่เหล็กได้เนื่องจากเศษโลหะอุดตัน และการไม่สามารถใช้เซ็นเซอร์ออปติคัลได้ (การใช้น้ำมันจะขัดขวางประสิทธิภาพการมองเห็น)
สำหรับเซ็นเซอร์ที่ตรงตามข้อกำหนดด้านอุณหภูมิสูง ควรทดสอบเซ็นเซอร์เพื่อให้แน่ใจว่าเซ็นเซอร์สามารถสัมผัสกับน้ำมันหล่อลื่นของเครื่องยนต์ไอพ่นที่มีอุณหภูมิสูง (เช่น 180 องศา ) ได้ โดยทั่วไป เครื่องยนต์ไอพ่นจะใช้น้ำมันเครื่องที่ใช้แก๊สและ/หรือน้ำมันที่มีความเสถียรต่อความร้อนสูง (HTS) น้ำมันเหล่านี้มีฤทธิ์รุนแรงและอาจสร้างความเสียหายทางเคมีต่อเซ็นเซอร์ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน น้ำมันหล่อลื่นอาจทำให้ขั้วต่อและสายเคเบิลของเซ็นเซอร์ในเครื่องยนต์เสียหายได้
สำหรับอุณหภูมิสูง หากจำเป็นต้องติดเซ็นเซอร์กับตลับลูกปืน/ตัวเรือน คุณต้องเลือกกาวหรืออีพอกซีเรซินที่เหมาะสม เนื่องจากกาวส่วนใหญ่ไม่สามารถใช้ในอุณหภูมิสูงได้ ก่อนการใช้งาน จะต้องตรวจสอบผลกระทบของสภาพแวดล้อมน้ำมันที่มีฤทธิ์กัดกร่อนบนกาวด้วย เพื่อตรวจสอบเซ็นเซอร์ที่เลือก ตลอดจนตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิล การศึกษานี้ได้ทำการทดสอบล่วงหน้าในสภาพแวดล้อมน้ำมันหล่อลื่นที่มีอุณหภูมิสูง ก่อนที่จะรวมเข้ากับแท่นทดสอบตลับลูกปืนขนาดเล็ก
การเลือกใช้เซ็นเซอร์
งานที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งในการพัฒนาตลับลูกปืนอัจฉริยะแบบบูรณาการคือการเลือกเซ็นเซอร์เชิงพาณิชย์แบบปิด (COTS) อย่างระมัดระวังซึ่งเหมาะสมกับสภาพการทำงานของตลับลูกปืนเครื่องยนต์ไอพ่น ในขั้นต้น ก่อนที่จะมีการพัฒนาตลับลูกปืนอัจฉริยะแบบครบวงจรในตลับลูกปืนแบบติดตั้ง/แบบฝัง เซ็นเซอร์จะถูกติดตั้งในฐานตลับลูกปืนบนแท่นทดสอบ ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ถือว่าใช้เซ็นเซอร์ที่สามารถวัดการสั่นสะเทือน อุณหภูมิ ความเร็วกรง การกระจัดของแกนหมุน และโหลดในระหว่างการพัฒนาตลับลูกปืนอัจฉริยะ
เพื่อให้แน่ใจว่าได้เลือกเซ็นเซอร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับตลับลูกปืนอัจฉริยะ เซ็นเซอร์ COTS จะถูกเลือกโดยใช้วิธีการที่แสดงในรูปที่ 1 ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ เพื่อลดต้นทุน โซลูชันที่ใช้เซ็นเซอร์ COTS ได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ เซ็นเซอร์ COTS ใดๆ ที่จะนำไปใช้กับเครื่องยนต์ไอพ่นจะต้องเป็นไปตามมาตรฐานประสิทธิภาพสูงที่อุตสาหกรรมการบินและอวกาศกล่าวถึง การเลือกเซ็นเซอร์จะขึ้นอยู่กับข้อมูลและความรู้ในการตรวจสอบตลับลูกปืนที่ได้รับจากเอกสารและมาตรฐาน การออกแบบตลับลูกปืน สภาพแวดล้อมและสภาพการทำงานของตลับลูกปืน และข้อกำหนดอื่นๆ กระบวนการคัดเลือกสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วน: ก) การระบุวิธีการและเทคโนโลยีที่ถูกต้อง; b) การระบุเซ็นเซอร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับงานศิลปะรุ่นก่อน ส่วนแรกจะระบุเทคนิคที่ใช้กับการวัดค่าพารามิเตอร์เฉพาะได้ ตัวอย่างเช่น มีหลายวิธีในการวัดอุณหภูมิตลับลูกปืน เช่น เทอร์โมคัปเปิล เทคโนโลยี MEMS เป็นต้น สำหรับการใช้งานนี้ เหตุผลที่เลือกเทอร์โมคัปเปิลแทนเทคโนโลยี MEMS ก็คือเทอร์โมคัปเปิลไม่จำเป็นต้องป้อนพลังงานไฟฟ้าและสามารถ วัดอุณหภูมิได้ในช่วงกว้าง จากเทคนิคที่ระบุไว้ในส่วนแรก ส่วนที่สองจะมุ่งเน้นไปที่การเลือก (การสร้างแบบจำลองและการผลิต) ของเซ็นเซอร์เฉพาะ
เลือกเซ็นเซอร์ที่สามารถวัดการสั่นสะเทือน ความเร็วของกรง และโหลดสำหรับตลับลูกปืนอัจฉริยะของเครื่องยนต์ไอพ่น ส่วนย่อยต่อไปนี้จะให้รายละเอียดของการเลือก
01 การสั่นสะเทือน
การตรวจสอบการสั่นสะเทือนเป็นหนึ่งในวิธีการที่สำคัญที่สุดและใช้กันทั่วไปในการตรวจสอบสภาพตลับลูกปืน เนื่องจากการตรวจสอบการสั่นสะเทือนสามารถให้ข้อมูลการวินิจฉัยตามความถี่ลักษณะเฉพาะของตลับลูกปืนเพื่อระบุส่วนประกอบที่ผิดพลาด แม้แต่ข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ บนพื้นผิวการผสมพันธุ์ของตลับลูกปืน หากตรวจไม่พบทันเวลา ก็อาจทำให้ตลับลูกปืนเสียหายได้ ตามรูปทรงเรขาคณิต จำนวนองค์ประกอบการกลิ้ง และความเร็วของแกนหมุน ข้อบกพร่องของตลับลูกปืนกลิ้งจะทำให้เกิดความถี่เฉพาะ ความถี่ของข้อบกพร่องที่คาดหวังสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรที่ให้ไว้ในเอกสารอ้างอิงที่ 16 การตรวจจับความถี่เหล่านี้มีประโยชน์ในการทำนายอายุการใช้งานของตลับลูกปืนของเครื่องยนต์ไอพ่น สำหรับการทดสอบตลับลูกปืนตามแผน ความถี่ของข้อบกพร่องที่คาดหวังได้รับการคำนวณตามการออกแบบตลับลูกปืนและความเร็วแกนหมุน การคำนวณเหล่านี้ให้ข้อมูลสำหรับการเลือกเซ็นเซอร์ที่เหมาะสมสำหรับแบริ่งทดสอบ
เพื่อวัดการสั่นสะเทือนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ต้องใช้เซ็นเซอร์วัดการสั่นสะเทือน? ติดตั้งอยู่บนแบริ่งถัดจากพื้นที่สัมผัส (ใกล้พื้นที่รับน้ำหนัก) โดยที่องค์ประกอบกลิ้งของแบริ่งสัมผัสกับร่องน้ำโดยตรง พื้นที่ใกล้กับโหลดที่ติดตั้งเซ็นเซอร์ก็เป็นพื้นที่ที่มีอุณหภูมิสูงของแบริ่งเครื่องยนต์ไอพ่นด้วย และอุณหภูมิอาจสูงถึง 250 องศา ความเร็วที่รวดเร็วของเครื่องยนต์ไอพ่นทำให้เกิดข้อบกพร่องสูง ดังนั้นเทคโนโลยีมาตรความเร่งของโหมดการชาร์จจึงตรงตามข้อกำหนด ในขณะที่เทคโนโลยีที่ใช้การแทนที่และการสั่นสะเทือนนั้นไม่เหมาะสม
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 (>25kHz) ความถี่เรโซแนนซ์ต้องมีอย่างน้อยสองเท่าของความถี่การทำงานของมาตรความเร่ง? สามเท่า ซึ่งหมายความว่ามาตรความเร่งมีความถี่เรโซแนนซ์อย่างน้อย 50 kHz เสียงสะท้อนและความถี่ในการทำงานของมาตรความเร่งจะแปรผกผันกับความไว กล่าวคือ ยิ่งความถี่เรโซแนนซ์สูง ความไวก็จะยิ่งต่ำลง และในทางกลับกัน ในกรณีนี้ แนะนำให้ใช้ความถี่เรโซแนนซ์ที่สูงกว่า เนื่องจากเครื่องขยายเสียงสามารถควบคุมความไวได้
วิธีการติดตั้งเป็นอีกปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกเซนเซอร์ เพื่อให้แน่ใจว่ามาตรความเร่งถูกติดตั้งอย่างแน่นหนาบนตลับลูกปืนในสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนและอุณหภูมิสูง มีเพียงเซ็นเซอร์ที่ติดตั้งสลักเกลียวและสกรูเท่านั้น เป็นไปไม่ได้ที่จะติดมาตรความเร่งบนตลับลูกปืนด้วยการติดตั้งแบบกาว เนื่องจากไม่เพียงแต่จะลดการทำงานและความถี่เรโซแนนซ์เท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่เป็นตัวลดทอนการสั่นสะเทือนอีกด้วย นอกจากนี้ ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ความสามารถของกาวจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการของการใช้งานในระยะยาวได้
ตามเกณฑ์ที่กำหนดในวิธีการคัดเลือก ได้มีการคัดกรองเครื่องวัดความเร่ง COTS หลายร้อยตัวที่ผู้ผลิตหลายรายจัดหาให้ และเซ็นเซอร์เพียง 8 ตัวเท่านั้นที่ตรงตามข้อกำหนดด้านความถี่ในการทำงาน ความถี่เรโซแนนซ์ และคุณลักษณะอื่นๆ ความเร็วของสปินเดิลเร็วมาก (25,000 rpm - 30,000 rpm); ดังนั้นจึงคาดว่าความถี่ของข้อบกพร่องจะพัฒนาไปสู่ช่วงปลายที่สูงขึ้นของสเปกตรัมด้วย ที่ความถี่ฮาร์มอนิก 5 และ 10 ความถี่ข้อบกพร่องที่คาดหวังคือ 28 kHz และ 56 kHz ตามลำดับ ความถี่การทำงานและเสียงสะท้อนของมาตรความเร่งเหล่านี้มากกว่า 15kHz และ 45kHz ตามลำดับ มีการเลือกมาตรความเร่งสองตัวที่มีความถี่เรโซแนนซ์สูงสุด โดยมีความถี่ 90kHz และ 100kHz ตามลำดับ ความถี่ในการทำงานของมาตรความเร่งทั้งสองคือ 20kHz นอกจากนี้ยังมีเซ็นเซอร์ที่มีความถี่ในการทำงานสูงถึง 30kHz อย่างไรก็ตาม ความถี่ในการทำงานที่กำหนดนั้นสูงกว่าเครื่องวัดความเร่งอื่นๆ แต่ความถี่เรโซแนนซ์จะอยู่ภายในความถี่ฮาร์มอนิกที่เกิดจากความถี่ข้อบกพร่องของตลับลูกปืน ดังนั้นการใช้มาตรความเร่งนี้จึงไม่สามารถทำได้และจะไม่ถูกนำมาใช้ในการทดสอบ
02 ความเร็วกรง
ในเครื่องยนต์ไอพ่น ความเร็วในการหมุนของส่วนประกอบแบริ่งจะเร็วมาก และการเลื่อนระหว่างรางน้ำและองค์ประกอบการหมุนจะทำให้เกิดความล้มเหลวตั้งแต่เนิ่นๆ การเลื่อนสัมพัทธ์ระหว่างพื้นผิวผสมพันธุ์จะทำให้เกิดความเค้นเฉือนที่พื้นผิวจำนวนมาก สำหรับแบริ่งที่หมุนด้วยความเร็วสูง การเลื่อนจะทำให้ความเร็วที่แท้จริงขององค์ประกอบการกลิ้งต่ำกว่าค่าทางทฤษฎี ไม่สามารถตรวจสอบเอฟเฟกต์การลื่นได้ด้วยการสั่นสะเทือน แต่สามารถตรวจสอบได้โดยการวัดความเร็วของกรง
ความเร็วในการหมุนของกรงสามารถวัดได้โดยวิธีการแบบไม่สัมผัส เช่น กระแสไหลวน เซ็นเซอร์คาปาซิทีฟ เซ็นเซอร์แม่เหล็ก และเซ็นเซอร์ออปติคัล อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลหลายประการ สภาพแวดล้อมที่รุนแรงของเครื่องยนต์ไอพ่นจึงจำกัดการใช้เซ็นเซอร์แม่เหล็ก ตัวเก็บประจุ และออปติคัล ตัวอย่างเช่น ไม่อนุญาตให้ใส่ส่วนประกอบที่เป็นแม่เหล็กลงในถังน้ำมันแบบลม เนื่องจากเซ็นเซอร์แม่เหล็กจะรวบรวมเศษที่สึกหรอทำให้เกิดอันตราย เซ็นเซอร์แบบออปติคัลไม่สามารถทำการวัดที่แม่นยำได้ เนื่องจากแสงจะเลี้ยวเบนและกระจายในสภาพแวดล้อมน้ำมันหล่อลื่นของตลับลูกปืน ช่วงการวัดของเซ็นเซอร์คาปาซิทีฟมีจำกัด และน้ำมันหล่อลื่นมีผลกระทบอย่างมากต่อความแม่นยำในการวัด
เซ็นเซอร์วัดกระแสไหลวนตรงตามข้อกำหนดทั้งหมดสำหรับการวัดความเร็วในการหมุนของโครงแบริ่งของเครื่องยนต์ไอพ่น รวมถึงอุณหภูมิสูง ความเร็วในการหมุนสูง และพื้นที่ว่างรอบๆ แบริ่งเครื่องยนต์ ความเร็วของกรงวัดโดยการคำนวณเวลาสำหรับลูกบอลแต่ละลูกที่จะผ่านหัวตรวจจับกระแสวน ดังแสดงในรูปที่ 2 แต่ละครั้งที่ลูกบอลผ่านโพรบ จะเกิดคลื่นสี่เหลี่ยมที่บิดเบี้ยวเนื่องจากการรบกวนของสนามแม่เหล็ก เมื่อมีการสร้างพัลส์เมื่อถึงอัตราที่กำหนด อัตรานี้เรียกว่าความถี่ในการสลับและสามารถคำนวณได้โดยการคูณจำนวนลูกบอลด้วยความเร็วของกรง สำหรับตลับลูกปืนบนแท่นทดสอบขนาดเล็ก ค่าทางทฤษฎีของความเร็วของกรงคือประมาณครึ่งหนึ่งของความเร็วของแกนหมุน ระหว่าง 12,500 รอบต่อนาทีถึง 15,000 รอบต่อนาที จำนวนลูกบอลคือ 20 ผลลัพธ์ความถี่ในการสลับระหว่าง 250000 ถึง 300000 การวัดค่าความถี่การสลับที่สูงเช่นนี้ถือเป็นความท้าทายสำหรับเซ็นเซอร์ COTS ส่วนใหญ่ เมื่อรวมปัจจัยอื่นๆ ที่ต้องพิจารณา เช่น อุณหภูมิ ช่วงของโพรบและเวลาตอบสนอง พื้นที่ผิวของลูกบอล และการแช่น้ำมัน การเลือกเซ็นเซอร์กระแสไหลวนที่เหมาะสมสำหรับแบริ่งเครื่องยนต์ไอพ่นจึงกลายเป็นเรื่องท้าทาย
รูปที่ 2 การวัดความเร็วการหมุนของกรงด้วยความถี่สวิตชิ่ง
อุณหภูมิรอบๆลูกปืนในร่องน้ำมันแอร์อาจสูงถึง 200 องศา เซ็นเซอร์วัดกระแสไหลวนทั่วไปประกอบด้วยหน่วยตรวจจับที่เชื่อมต่อกับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงถึง 80 องศา วิธีแก้ปัญหานี้คือการใช้สายเคเบิลเพื่อแยกยูนิตการตรวจจับออกจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ น่าเสียดายที่การทำเช่นนี้จะทำให้เวลาตอบสนองของเซ็นเซอร์ช้าลงอย่างมากและลดความถี่ในการสลับ ความถี่ในการสลับของเซ็นเซอร์กระแสไหลวนส่วนใหญ่ที่สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูงสามารถเข้าถึงได้เพียงไม่กี่ร้อยเฮิรตซ์ ในขณะที่ความถี่การสลับของการวัดความเร็วที่ยึดเครื่องยนต์ไอพ่นอยู่ที่ประมาณหลายพันเฮิรตซ์ วิธีแก้ปัญหาหนึ่งที่เป็นไปได้คือบีบลงในกรงซึ่งสามารถวัดได้ด้วยเซ็นเซอร์กังหันในแต่ละรอบ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ขึ้นอยู่กับความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนการออกแบบตลับลูกปืนของเครื่องยนต์ไอพ่นที่มีอยู่
การเลือกหัววัดกระแสไหลวนมักขึ้นอยู่กับช่วงการวัด พื้นที่หัววัด และขนาดเป้าหมายการวัด ในทำนองเดียวกัน ช่วงการวัดจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับขนาดโพรบ กล่าวคือ เมื่อขนาดโพรบเพิ่มขึ้น ช่วงการวัดก็จะเพิ่มขึ้นด้วย และในทางกลับกัน อย่างไรก็ตาม สำหรับเป้าหมายที่กำหนด ขอแนะนำว่าขนาดโพรบน้อยกว่าหรือเท่ากับขนาดเป้าหมาย (ดูรูปที่ 2) เพื่อเพิ่มการตรวจจับให้สูงสุด รูปร่างของวัตถุที่จะวัด (เช่น กรง) ควรเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า (ดูรูปที่ 2) หากเป็นตลับลูกปืน พื้นที่ผิวที่มองเห็นได้ของโพรบกระแสไหลวนจะมีขนาดเล็กมาก ดังนั้นจึงควรเลือกโพรบที่เล็กกว่า อย่างไรก็ตาม จะทำให้ช่วงการวัดของโพรบแคบลง สามารถปรับค่านี้ได้หากติดตั้งเซ็นเซอร์ไว้ข้างตลับลูกปืน นอกจากนี้ กรงที่หมุนด้วยความเร็วสูงอาจมีการเคลื่อนตัวตามแนวแกนเล็กน้อย ซึ่งจำเป็นต้องติดตั้งเซ็นเซอร์ที่ระยะห่างที่ปลอดภัยเพื่อหลีกเลี่ยงการสัมผัสกับตลับลูกปืนระหว่างการทำงาน
เมื่อรวมกับความท้าทายทั้งหมดในกระบวนการคัดเลือก พบว่ามีโพรบกระแสไหลวนเพียงสองตัวเท่านั้นที่ตรงตามเงื่อนไข และได้รับเลือกสำหรับการพัฒนาตลับลูกปืนอัจฉริยะ โพรบทั้งสองนี้จะถูกทดสอบบนแท่นทดสอบตลับลูกปืนขนาดเล็กเพื่อวัดการคงตัวของตลับลูกปืน จะต้องประเมินความสามารถในการหมุนความเร็ว ต่อมาในโครงการนี้ จะมีการสำรวจความเป็นไปได้ของกรงที่ออกแบบมาเป็นพิเศษด้วย
03 โหลด
แบริ่งเครื่องยนต์ไอพ่นรับน้ำหนักทั้งแนวแกนและแนวรัศมี การตรวจสอบโหลดบนแบริ่งแบบเรียลไทม์สามารถช่วยให้เข้าใจสถานะไดนามิกของเครื่องยนต์ภายใต้สภาวะการทำงานที่ซับซ้อน โดยปกติแล้วโหลดเซลล์จะใช้ในการวัดโหลด แต่เนื่องจากมีน้ำหนักและขนาดที่หนัก จึงใช้งานไม่ได้ จึงไม่เหมาะกับแบริ่งเครื่องยนต์ไอพ่น ดังนั้นในการใช้งานนี้ จึงเลือกวิธีอื่นเพื่อประเมินโหลดโดยการวัดการเปลี่ยนรูปยืดหยุ่นของวงแหวนแบริ่งคงที่ด้วยสเตรนเกจ มีหลายวิธีในการวัดความเครียด และสามวิธีอาจใช้ได้กับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของเครื่องยนต์ไอพ่น รวมถึงสเตรนเกจความต้านทาน ตะแกรงแสง และอุปกรณ์คลื่นเสียงที่พื้นผิว ระบบตรวจวัดตะแกรงแสงมีขนาดใหญ่มากและต้องใช้พลังงานจำนวนมากเพื่อรองรับการทำงาน ในทำนองเดียวกัน เซ็นเซอร์ SAW จำเป็นต้องได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมเพื่อให้สามารถวัดความเครียดในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของเครื่องยนต์ไอพ่นได้ ในโครงการนี้จึงเลือกเกจวัดความเครียดความต้านทานเพื่อวัดความเครียดของแบริ่งของเครื่องยนต์ไอพ่น
เพื่อวัดการเปลี่ยนรูปยืดหยุ่นของวงแหวนรอบนอก แนะนำให้ติดตั้งสเตรนเกจโดยตรงบนวงแหวนรอบนอกของแบริ่ง (คงที่) ต้องติดตั้งสเตรนเกจไว้ด้านนอกตลับลูกปืน และต้องวัดความเค้นในแนวรัศมีและแนวแกนตามด้านรอง บนวงแหวนรอบนอก สเตรนเกจต้องสัมผัสกับอุณหภูมิสูงถึง 250 องศาเซลเซียส ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ควรเลือกกาว (หรือสารยึดติด) ที่เหมาะสมเพื่อให้การตรวจจับใช้เวลานานสมบูรณ์ ในทำนองเดียวกัน หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง ความแรงทางเคมีของน้ำมันหล่อลื่นก็จะลดผลการยึดเกาะลงด้วย ดังนั้นสเตรนเกจจึงต้องได้รับการปกป้องจากน้ำมันหล่อลื่นที่มีฤทธิ์รุนแรง เมื่อน้ำมันรั่วไหลระหว่างขั้วต่อสเตรนเกจ จะทำให้เซ็นเซอร์เสียหายทันที
นอกจากนี้ ในระหว่างการทำงาน วงแหวนรอบนอกของแบริ่งเครื่องยนต์ไอพ่นจะมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรง และการวัดความเครียดส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสภาพแวดล้อม เพื่อให้ได้ผลลัพธ์การวัดความเครียดที่แม่นยำ ต้องใช้การชดเชยอุณหภูมิ สามารถรับรู้ได้ด้วยสเตรนเกจชนิด T (ดูรูปที่ 3) และสามารถวัดความเครียดดิฟเฟอเรนเชียลได้โดยการสร้างวงจรเพลตบริดจ์ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีพื้นที่จำกัดบนวงแหวนแบริ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งบนฝั่งสนามแข่ง นี่จึงเป็นความท้าทายอีกประการหนึ่ง รูปที่ 3 แสดงให้เห็นว่าในการวัดความเค้นในแนวรัศมี ควรติดตั้งสเตรนเกจไว้ด้านนอกปลอกโลหะ อย่างไรก็ตาม ความกว้างรวมของวงแหวนรอบนอกที่จะทดสอบคือ 5.5 มม. เมื่อพิจารณาข้อจำกัดและข้อกำหนดทั้งหมดแล้ว พบว่ามีเกจ T-strain เพียงสองประเภทเท่านั้นที่สามารถใช้ได้กับตลับลูกปืนทดสอบ ขนาดของสเตรนเกจทั้งสองนี้คือ 5.6 มม. × 5.6 มม. (สี่เหลี่ยม) × 5.4 มม. (กลม)
Cการรวม
จากการวิจัยเบื้องต้น เห็นได้ชัดว่าสภาพแวดล้อมที่รุนแรงของเครื่องยนต์ไอพ่นเป็นความท้าทายอย่างมากต่อการพัฒนาตลับลูกปืนอัจฉริยะ ความท้าทายหลักสองประการ ได้แก่ อุณหภูมิสูงและความเร็วสูง รวมถึงความท้าทายอื่นๆ อีกมากมายยังจำกัดการเลือกเซ็นเซอร์สำหรับแบริ่งเครื่องยนต์ไอพ่นอีกด้วย จากคำอธิบายและประสบการณ์ในอุตสาหกรรม พารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดที่เลือกไว้สำหรับการตรวจสอบตลับลูกปืนของเครื่องยนต์ไอพ่น ได้แก่ การสั่นสะเทือน อุณหภูมิ ความเร็วกรง การเคลื่อนที่ของสปินเดิล และโหลด ระเบียบวิธีใช้ในการเลือกเทคโนโลยีการตรวจจับที่เหมาะกับตลับลูกปืนการบิน หลังจากการคัดกรองเซ็นเซอร์ COTS อย่างครอบคลุม พบว่ามีเซ็นเซอร์เพียงไม่กี่ตัวเท่านั้นที่ตรงตามข้อกำหนด งานในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่การทดสอบล่วงหน้าของเซ็นเซอร์ที่เลือกในอุณหภูมิสูงและสภาพแวดล้อมการแช่น้ำมัน ก่อนการทดสอบบนแท่นทดสอบตลับลูกปืนขนาดเล็ก
ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ WBMลูกกลิ้งเรียว:
WBM ผลิตลูกกลิ้งเรียวที่มีความแม่นยำสูง: ความจุ: 10 ล้านชิ้นต่อเดือน ความจุที่เหลือ: 4 ล้านชิ้นต่อเดือน 5 สายการผลิตลูกกลิ้ง เครื่องรีดเย็น 7 เครื่อง (3 เครื่องในประเทศ, 4 เครื่องในประเทศ); ความสามารถในการบำบัดความร้อน: 9 ตันต่อวัน
ยินดีต้อนรับสู่ติดต่อ WBMสำหรับข้อมูลเพิ่มเติม!