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歐盟“集成智能軸承系統”項目已進入小尺寸功能試驗階段

時間:2020-05-09 18:09
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  2020年4月14日,潔凈天空網站披露歐盟“集成智能軸承系統”(I²BS)項目研究進展,由德國法格航空航天有限公司和英國南安普敦大學合作設計的智能軸承正處于小尺寸功能試驗階段,目標是驗證傳感器能夠準確監測軸承的初始損傷,并通過試驗確定該系統可檢測的最小缺陷。
  一、I²BS項目概況
  I²BS項目由歐盟“地平線2020”框架資助,歸屬于“潔凈天空”(Clean Sky)計劃,項目研究周期為2016年7月-2021年12月。項目總體目標是為“超高推進效率”(UHPE)項目的地面演示樣機設計、開發、評估和測試可替換的常規軸承和智能軸承。I²BS項目致力于傳感器、能量收集、無線通信、數據管理和算法等技術的開發和集成,以在具有挑戰性的工作條件(例如高溫、高速和高推力)下監控軸承的性能。作為UHPE演示項目的一部分,I²BS項目為軸承健康監測帶來了一種更智能的方法,將使歐洲航空發動機在提高安全標準的同時更具成本效益。
  智能軸承將能夠提供與其功能特性有關的信息,即軸承的健康狀況,包括溫度、軸向和徑向載荷、滾珠和轉軸的轉速、潤滑質量以及軸承各部分的徑向間隙等。
  二、I²BS項目試驗內容和難點
  項目的試驗過程包括小尺寸功能試驗、全尺寸軸承試驗、真實發動機地面演示驗證三個步驟。小尺寸功能試驗的目的是證明傳感器能夠檢測到軸承的初始損傷;全尺寸軸承試驗的目的是對傳感器和TEG系統進行了優化,包括數量和安裝位置等。最后,將智能軸承安裝至真實發動機上進行地面演示驗證。
  項目的難點之一是傳感器供電問題。理想情況下,可使用能量收集器為傳感器自動供電,且能量收集器必須能夠在油漬和受熱的情況下正常工作,并且必須小型化以適合安裝而又不占用太多空間。項目中的解決方案是使用熱電發電機(TEG),將發動機的廢熱轉化為電能,并存儲在為傳感器供電的超級電容器中。TEG體積約為5立方厘米,尺寸足夠小,可以安裝在軸承套圈的外徑上。
  大量數據的存儲和傳輸將是另一難題。項目在進行試驗時若實時連續監視將生成大量數據,而這些數據的存儲和傳輸將存在很大問題。但項目團隊認為沒必要對數據進行實時連續采集,每30秒或每分鐘執行數據采集即可,因為軸承損壞過程不會很快,半小時或一小時對損傷做出反應即可以滿足需求。
  三、使用智能軸承帶來的好處
  I²BS項目開發的智能軸承可以帶來以下幾個方面的好處:
  一是延長大修間隔,降低檢修成本。當前,發動機維護主要采用基于小時數和/或周期的固定檢修檢查方式,但是對于智能軸承,通過檢測初始損傷,可以準確定位損傷組件(外圈、內圈或滾動元件)、預測裂紋擴展,從而了解軸承的剩余壽命,延長檢查和維護間隔,降低檢修成本。
  二是監測軸承載荷,優化尺寸設計。由于不清楚實際使用過程中的載荷情況,出于安全考慮,傳統軸承的設計通常過于保守,通過在軸承上安裝傳感器和儀表,從發動機獲得實際使用數據,可以更準確了解軸承使用過程中的最大載荷和峰值載荷出現頻率,根據實際載荷和轉動速度等數據設計軸承,可進一步優化軸承尺寸。
  三是提高維修選擇自由度。智能軸承允許飛機檢修員了解軸承出現損傷之后還可以安全運行多長時間,從而可根據實際情況將飛機開往更合適的維修地點。

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