高速旋转轴承温度测量技术综述

李彬彬，寇志海，郭宇航

（1.沈阳航空航天大学 教学质量与评估处，辽宁 沈阳 110136；2.沈阳航空航天大学 航空发动机学院，辽宁 沈阳 110136）

轴承作为当代机械设备的重要基础零部件，起着支撑和传递动力的作用，是机械平稳运转的保证，广泛应用于航空发动机、高速列车、汽车、机床、水轮机等机械装备中。随着轴承转速的不断提高，相应地带来了轴承摩擦生热加剧、疲劳寿命降低、保持架及滚动体打滑、滚动表面损伤和保持架不稳定等一系列由于轴承高速运转而产生的问题，这将直接影响主轴-轴承系统的工作性能和寿命。特别是摩擦生热的急剧增加将导致高速旋转轴承工作温度异常升高。因此，温度被认为是影响高速旋转轴承部件寿命和性能的最重要参数，它经常被选为观测高速旋转轴承状态监测的功能参数。

根据测量轴承温度所需的范围、精度、灵敏度、寿命、尺寸、成本、可靠性及测量可行性等因素选择不同的温度测量与测试方法。高速旋转轴承的温度测量方式主要有热电偶测温法、红外辐射测温法、光纤光栅传感器测温法、LC电子振荡测温法。

1 热电偶测温

热电偶测温方法是利用热电效应原理将温度信号转变成热电动势信号的一种接触式温度测量方法。热电偶具有结构简单，测温精度较高，便于远程测量操控，价格低等优点，是目前轴承温度测量领域中使用较广泛的测温方法。但热电偶测温法属于点测温方法，不能反映区域温度分布的变化，存在一定的局限性。

RADIL等[1]对径向空气轴承的内部温度分布进行了试验研究。通过在轴承中心和边缘布置9个K型热电偶，对不同旋转速度和载荷条件下轴承的局部温度进行了测量，估算轴向和周向温度梯度。转速和径向载荷都是轴承摩擦生热造成温度升高的重要影响因素，其中转速的影响更为明显。

GLAVATSKIH[2]研究了一种监测轴承油膜温度的方法。利用热电偶测量轴承衬套背面和衬套的温度，如图1所示。经过A/D转换后，由相关数据采集分析软件显示所测温度，从而实现对推力滑动轴承的实时监控。

图1 热电偶的安装

CRISTEA等[3]在低负荷稳态条件下对周向沟槽径向滑动轴承进行温度和压力分布的实验测定。通过在每个测量平面上布置等间距的热电偶对轴承温度进行测量，如图2所示，并对轴承的压力和温度场进行分析。轴承的最高温度出现在急剧的压降区域。

图2 轴承上热电偶的连接

AHMAD等[4]利用12个热电偶测量了不同径向载荷和转速下油槽供油位置对轴承温度分布的影响。结果表明，当油槽供油位置位于靠近最小膜厚位置的收敛段时，轴承温度分布有减小的趋势。

TARAWNEH等[5]利用K型热电偶对带有内环和外环缺陷的轴承工作过程进行了70次温度测试实验。结果表明，具有相当大尺寸缺陷的轴承在健康无缺陷轴承的温度范围内或以下运行时，许多有缺陷的轴承无法被检测到，目前采用轴承监测温度状态的检测方法是不充分的。

CRISTEA等[6]基于K型热电偶，通过实验确定了低负荷稳态条件下从静止启动到热稳定运行状态过程中轴承槽内润滑膜的周向和轴向温度分布。轴承油膜压力场比温度场建立得更快。在油膜压力最低的区域，轴承的油膜温度最高。NAJAR等[7]对水冷推力轴承的性能进行了试验研究。安装了15个热电偶测量轴承油膜温度分布。试验结果表明，垫体内部采用冷却回路对轴承的性能有较大影响。采用水冷却装置可大幅度降低轴承的油膜温度，从而大大提高了轴承的效率和寿命。

KAKUDO等[8]为了测量在使用燃气冷却剂下火箭发动机涡轮泵轴承的性能，利用热电偶对不同轴承转速、推力载荷、冷却剂流量条件下的轴承温度进行试验测量。轴承温度随着转速和推力载荷的增加而迅速增加。在较高的流量条件下，轴承温度保持较低。

2 红外辐射测温法

红外辐射测温法是根据一切温度高于热力学零度的物体都具有以电磁波的形式向外辐射能量特性，基于红外光的温度效应，利用普朗克分布定律将红外光转换为数字信号的测温方式。红外辐射测温方式安全、快速、可靠、方便，属于非接触式测温方法，可在轴承运行过程中获得轴承温度的动态变化特性。

YUSHA等[9]基于红外辐射测温技术，提出并设计了一种用于测定非润滑轴承摩擦加热过程中旋转轴的表面温度的实验台，轴承温度测量误差不超过2.6%。

WANG等[10]采用红外热像仪测量透明轴承的衬套内表面温度，研究了转速和轴向位置对衬套内表面温度的影响。结果表明，衬套内表面温度和螺旋油楔动压轴承温升随转速的增加而增大。回油孔周围温度较高。转速越高，轴套内表面最高温度和温升越高。

CHEN等[11]根据轴承的槽位和槽尺寸，将满足小型化、低功耗的红外测温传感器和振动信号传感器集成到轴承体中，如图3所示。将传感器模块用环氧树脂粘接在监测轴承上。红外测温传感器的探头对准轴承内圈以测量轴承内圈的温度，实现对轴承运行状态的实时智能监控。

图3 轴承和传感器的集成

3 光纤光栅传感器测温法

光纤光栅传感器测温法是利用光纤材料的光敏特性，使光纤折射率发生沿轴向周期或非周期的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅测温法具有尺寸小、重量轻、不受电磁干扰、灵敏度高、抗腐蚀、传输距离远等特点。

DREYER等[12]给出了一种用于测量水电厂水轮发电机轴承的准分布式温度测量的光纤布拉格光栅温度传感器。与Pt100铂热敏电阻传感器相比，光纤布拉格光栅传感器在使用校准实验装置进行的12 h测试中测温的最高误差为1.0℃，更为符合水轮发电机轴承温度监测的要求。

LIU等[13]采用准分布式光纤布拉格光栅传感器对推力滑动轴承轴瓦稳态和瞬态温度分布进行实验测量。实验结果表明，光纤布拉格光栅温度传感器在测量轴承轴瓦温度分布时具有良好的精度、稳定性和一致性，并且其温度响应迅速。与热电偶测温结果相比，光纤布拉格光栅传感器的测温误差小于2℃。

ZHOU等[14-15]针对双列圆锥滚子轴承的结构特点，在轴承的周向、轴向和径向布置了15个光纤布拉格光栅传感器，如图4所示，实现轴承内、外圈多点温度的实时测量。轴承的周向、轴向和径向温差受其旋转速度和外载荷的影响，转速对轴承温升的影响比外载荷更加明显。轴承内环的平均温度高于外环。对于重载或高速轴承，有必要注意固定轴承套圈的周向温度问题。

图4 光纤光栅传感器的布置

LIU等[16]提出了一种基于嵌入式光纤布拉格光栅传感器的多点准分布式传感方法，分别测量了空转、轴向上传和径向切削力3种不同工况下轴承外圈的温度场。实验结果表明，光纤光栅与热电偶之间的温度测量误差在10%以内。这种准分布式传感方法可以很好地应用于主轴轴承温度场分布的测量。

4 LC电子振荡测温法

LC电子振荡测温法是通过由全无源器件构成的LC传感器，通过温敏材料，将被测温度转化为LC谐振回路的谐振频率进行测量的测温方式。这种测温方式不再依赖各种线信号，可应用于复杂恶劣工作环境下的轴承温度测量。

NICKEL等[17]利用LC电子振荡器的频率调制来测量圆锥滚子轴承中的滚子温度。研究证实，轴承元件所达到的温度对轴承运行条件比外壳温度更敏感。JOSHI等[18]在此基础上，开发了两种用于轴承测温的温度遥测仪，即电池供电、远程供电，并证明了它们作为轴承状态监测仪器的有效性。试验表明，保持架温度对摩擦学变化的响应非常快。保持架温度是确定滚动轴承温度状态的一个很好的监测参数。

HENAO等[19-20]给出了一种基于Colpitts振荡器的、用于监测轴承保持架温度的无电池无线传感技术，传感器的安装如图5所示。在振荡器的输出端附加一个小天线，辐射的电磁信号被附近的接收机检测到。该温度测量电路具有体积小、功耗低、动态范围宽、成本低等特点。

图5 温度传感器在球轴承上的安装

DRANEY[21]给出了一种基于LC电子振荡的传感方法的轴承温度传感器，该传感器具有小型化、低功耗、能够承受较高温度等特点。能够在300℃的高温下进行工作，可用于在涡轮发动机等恶劣环境中确定轴承健康状况的监测。

SHAHIDI等[22]提出了一种基于LC振荡电路的、用于轴承保持架多点温度健康监测的无线温度传感器。采用无源双传感器设计，如图6所示，每个传感器可校准至90℃。这种传感器概念可以扩展到包括两个以上的LC振荡电路，从而能够检测更多的局部温度。在此基础上，SHAHIDI等[23]开发一种用于实时监测轴承状态的无线温度和振动传感器，能够利用电感耦合同时测量轴承保持架的温度和振动特征。实现了从转速1 280 r/min到3 250 r/min时轴承保持架温度从20℃到90℃的测量。

图6 LC温度传感器在轴承上的安装

另外，GUPTA等[24]提出了一种用于轴承状态监测的无线温度传感器。该传感器是一个环形永久钐钴磁铁和霍尔效应传感器的组合，温度变化引起的磁场变化检测轴承的温度。传感器在轴承上的安装位置如图7所示。在转速为1 500 r/min、负载为100~150磅的情况下进行动态测试。该磁体温度传感器额定工作温度可达150℃，预计使用寿命大于10 000 h。

图7 磁场和霍尔效应传感器在轴承上的安装

5 结论

（1）热电偶测温法相对成熟，结构简单，测温精度较高，便于远程测量操控，价格低，在轴承测温领域应用广泛。但热电偶测温只能反映监控点的温度，而不能研究轴承的区域温度分布，并且热电偶的动态温度测量精度不高。

（2）红外辐射测温法作为非接触式测温方法，能够反映轴承的温度分布，并能进行动态特性监测。但红外辐射测温法易受到环境背景辐射的干扰而导致温度测量精度不高，需要对轴承红外温度测量结果进行补偿和修正。

（3）光纤光栅传感器测温法作为无源敏感元件的测温方式，具有体积小、重量轻、测量范围大、灵敏度高、防爆、防燃、抗电磁干扰等特点。但光纤光栅传感器的价格昂贵，在高温、高旋转速度恶劣环境下对轴承温度进行测量的可靠性还需进一步验证。

（4）LC电子振荡测温法基于无源器件特性，可应用于工作环境恶劣下轴承温度测量，但对于超高旋转速度环境下轴承温度的精确测量还需进一步突破。

（5）开发航空发动机等超高速旋转条件下轴承温度的精确测量技术，将是轴承温度测量领域需要重点突破的研究方向之一。最近的CdTe量子点温度传感器在理论上不受轴承转速的限制，已成功应用于15 000 r/min超高旋转速度下轴承的温度监测[25-26]，可望在航空发动机等超高速旋转情况下轴承温度测量领域具有良好的发展潜力。