智能轴承的春天 ――HRB对未来智能轴承的展望

（来源：中国轴承工业协会）

HRB轴承集团在全国供应商会议上，首次展出了新概念集成检测、监督、数字传输功能于一体的智能轴承产品——高端数控机床主轴集成智能轴承单元（图1）。该产品是国内轴承企业首次公开的实体化的智能轴承概念产品，该概念产品的提出标志着国内智能轴承研发将正式迈入实战阶段。

一、智能轴承概述

智能轴承是由经过改进的轴承本体及相关辅件、微型传感器、处理传输电路、采集卡、信号处理与分析软件和轴承服役状态调控装置组成，可实现服役状态的自感知、自决策、自执行的轴承系统单元。

自感知——通过传感器检测轴承服役状态：包括旋转速度、加速度、角度位置，累计旋转转数、温度、振动、噪声、载荷、工作游隙、润滑状况、磨损程度等。

自决策——根据传感器的检测结果分析、判定服役状态是否正常，对即将发生的故障进行诊断、预警，对已经发生的故障进行报警，预测轴承剩余寿命。

自执行——根据轴承实时服役状态，通过调控装置，对轴承工作游隙、预紧力、润滑等服役状态进行调控、矫正，以适应主机的运行要求。

智能轴承是近年来轴承产品新发展的一个分支，是在机械、电子、计算机通讯与控制技术日益成熟的背景下，逐步发展起来的机电一体化新兴产品。智能轴承一般由轴承本体、微型复合传感器、信号传输电路、信号处理与分析系统四大部分组成[1]。

智能轴承按其功能分为两大类，一类为初始型智能轴承，具有服役状态自感知、自决策功能，目前绝大多数市面上的智能轴承均属此类；另一类为全功能型智能轴承，不仅具有服役状态自感知、自决策功能，而且具有自调控、自执行功能，这一类智能轴承尚属于概念设计及研究阶段。

智能轴承从Z初的外挂式结构到今天高度集成的嵌入式结构，其发展历程完美的契合了世界工业发展的历程，同时，也充分的体现了科技的进步，尤其是数字化和网络时代的来临，更为智能轴承的蜕变提供了强有力的支撑。时至今日，智能轴承已经不再仅仅是臆想和概念，而是应用到各行各业中，成为轴承队伍中的一支生力军。其中，以高速铁路、轨道交通、航空航天、能源装置、精密机床、新能源设备、新型汽车等应用场合为代表，智能轴承已经逐步应用到人们的身边，为人们提供更可靠、更优质、更安心的服务，当然，目前所谓的智能轴承均处于智能轴承的初始型阶段。

二、国内外研究情况

2015年，SKF公司在产业技术展会上首次展出了新型智能轴承“SKF Insight”和“SKFEnlight”，“SKF Insight”和“SKFEnlight”通过在轴承内部或配备轴承的产品外部集成振动传感器、加速度传感器和温度传感器，由这些传感器通过无线通信收集数据，来分析轴承的状态，从而诊断出异常。

2016年，舍弗勒集团发布“高效驱动，驰骋未来”战略，确定未来的主要研究方向为智能轴承，也就是数字化轴承。将重点研究怎么把轴承的价值体现在数字化实现智能，和智能化产品配套的领域。舍弗勒Bio-Hybrid微交通概念产品（图2）将集成传感器智能轴承，用以收集驾驶过程中的车辆运行数据，甚至还能提供路况信息。

2017年，德源轴承公司举办了智能轴承科技项目路演活动。德源公司研发的智能陶瓷基复合材料轴承，现已克服了其易碎和加工难的两大行业性难题。经实验室试验，新材料轴承的使用寿命是传统轴承的35倍。该轴承加装了智能装置，做到实时自诊断功能。 

图2 舍弗勒Bio-Hybrid微交通概念

三、市场应用情况

智能轴承作为一种新兴的高技术含量的创新产品，应用领域以高端机械设备以及国防装备为主，重点是为国家关键项目、重大装备配套和服务。这些部位往往具有高性能、高可靠性的要求，同时，对轴承提出了更多的主观能动性的需求。

以近几年发展迅猛的铁路运输高铁列车为例，其使用的轮对轴承就是智能轴承的一个初步发展阶段产品。高铁列车对运行的安全性要求严苛，行走系统的转向架是保证列车高速、安全、稳定运行的核心零部件，这催生了新型的高铁转向架轮对轴承单元的研发。高铁转向架轮对轴承单元将传感器外挂于轴承之侧，对轴承的运转状态进行实时监控，同时通过数据传输系统，将轴承的运转状态参数传递?列车监控室，为列车监控人员提供珍贵的轴承运行资料。

汽车轮毂轴承单元（图3）是应用传感器集成技术的较早的产品，同样隶属于智能轴承的初级阶段，三代轿车轮毂轴承所集成的ABS传感器是通过数字码盘和传感器来实时监控轮毂轴承的旋转状态，从而为ABS系统的工作提供珍贵的可参考的输入数据。

目前，市场应用的智能轴承尚且限于初步的自?检测、自我分析阶段，可以称之为“会说话的轴承”，下一步的发展将以自我调整、自我修复为重点发展方向，届时即可称之为“会自愈的轴承”。

四、产品关键技术

1、嵌入集成传感器技术

嵌入式集成传感器是将多功能的微型传感器嵌入到轴承内部，Z为接近被测信号的发生源。其在节省空间的同时，更容易获得准确的轴承状态信息。这种由传统的将传感器集成于设备，发展为将传感器集成于轴承本体之中是大势所趋，同时，也是传感器的发展方向。传感器集成方式由外挂式发展为嵌入式，使智能轴承的结构微型化、功能集成化、传输无线化及功耗低量化。

运用嵌入式系统将所需的功能嵌入到产品、装置或大型系统中的计算机系统，使数据采集控制、分析处理功能迁移至传感器端，从而提高数据精度，降低数据传输量。

传感器的微型化将决定着智能轴承的发展。2015年，荷兰传感器开发人员研发了一款全球Z小的无线温度传感器（图4）。这款超微型传感器只有两平方毫米，大小和一粒芝麻差不多，轻巧到随时可以被风吹走。至于其运作原理也相当特别，其内置的微型天线可以接收到路由器发出的无线电波讯号，并会将之转化成所需的电力。一旦充满电之后，感传感器便可以测量附近的温度。

2、网络信息处理技术

网络技术高度发达的今天，几乎一切的人类行动都与网络信息难以分割，数据信息的网络化及分析处理技术已经完全融入人们的生活。智能轴承的网络信息处理技术主要是将测试获取的数据或信息通过现场总线、有线网络、无线网络、专用网络、互联网，安全、可靠、稳定、高效、低功耗地传输到服务器、用户端或云端。

然后，研究针对不同工况、不同类型轴承的非线性信号处理方法、特征提取及选择方法，使采集到的数据经过分析处理变成有用信息。

Z终，基于轴承单元的智能化、无线化，实现信息互通，使得大范围内多个智能轴承的监测成为可能。

3、评估诊断技术

智能轴承所获得的数据分析结果，将进一步推动研究运行状态的评估指标、评估方法，建立评估模型，并能基于实时数据对评估模型进行实时修正。做到能对轴承故障，包括早期微弱故障进行远程、实时、智能的诊断、报警。并可对即将发生的故障进行预警。对剩余寿命进行预测等。

评估诊断技术将需要依靠强大的轴承故障数据分析库，从而才能保证系统诊断的结果能与实际问题高度契合。因此，未来轴承将同样需要具有其行业专有的大数据。

4、供能与调控技术

智能轴承运用热点效应、振动发电等能量捕获技术，光电耦合、电磁耦合、电磁谐波等无线供能技术用于提供自身的能量需求，这些自发电技术的应用将为智能轴承提供传感器、执行装置等部位的能量供应，在省去附加供能装置的同时，降低了其他能量的消耗。

通过与轴承集成的调控装置，对轴承润滑、预紧力、工作游隙等服役状态进行实时调控，矫正服役状态，适应主机运行的需要。同时，对功能性故障进行自我维修，视情维修。

五、未来发展

可以预测，就目前的世界工业发展趋势，第四次工业革命很快就会到来，这是历史的齿轮在转动，没有什么可以阻挡，而作为承载着转动核心功能的轴承，也必将经历一番凤凰涅