如何在生产线利用非接触技术，实现轴承微米级磨损的实时高精度监测？【预测性维护】

1. 轴承的基本结构与技术要求

想象一下，轴承就像一台机器里非常重要的“关节”，它允许机械部件（比如转动的轴）在几乎没有摩擦的情况下平稳运行。一个典型的轴承，比如最常见的滚动轴承，主要由几个部分组成：

• 内圈：通常固定在旋转的轴上。

• 外圈：通常固定在机器的壳体或支架上。

• 滚动体：在内圈和外圈之间，可以是滚珠、滚子或滚针，它们就像无数个小球或小柱子，负责传递载荷并减少摩擦。

• 保持架：把这些滚动体均匀地隔开，并引导它们正确运动。

这些部件的配合精度直接决定了轴承的性能和寿命。随着长时间的运行，轴承会因为各种原因（比如载荷过大、润滑不良、安装不当、材料疲劳）逐渐出现磨损。这种磨损通常表现为：

• 尺寸变化：滚动体、内外圈的直径或宽度可能发生微小的变化，导致配合间隙增大或减小。就像我们使用时间久了的门轴，它与门框之间的缝隙会变大，导致门晃动。

• 表面形貌变化：滚动体和滚道表面可能会出现划痕、凹坑、剥落、磨损坑等缺陷。这些缺陷一开始可能非常微小，肉眼难以察觉，但会逐渐扩大，导致噪音增大、振动加剧。

• 几何形状变化：例如，内外圈的圆度、径向跳动或轴向跳动可能不再符合设计要求。这就好比一个原本完美的圆形，在磨损后变得有些扁或椭圆。

为了保证机器的正常运转，避免突发故障和计划外停机，我们需要对轴承的这些细微变化进行高精度的实时监测。非接触式测量技术在这里显得尤为重要，因为它能在机器运行中进行监测，无需拆卸，大大减少了停机检查带来的生产中断。

2. 轴承磨损监测的监测参数简介

对于轴承的磨损监测，我们通常关注以下几个核心参数，它们能够有效地反映轴承的健康状况和磨损程度：

• 振动信号：这是最常用也是最有效的监测参数之一。轴承在正常运行时会产生一定的振动，但当出现磨损、缺陷（如滚道剥落、滚动体损伤）时，振动会发生明显变化。我们通常会通过分析振动的幅值（振动有多大）、频率（振动的快慢）和相位（振动的起始点）来判断。

  • 评价方法：常用的是时域分析（如振动信号的均方根值RMS，峰值，峭度等），以及频域分析（通过FFT，也就是快速傅里叶变换，将振动信号分解成不同频率成分，寻找故障特征频率）。就像医生通过听诊器听心跳，不同频率和强度的声音可以判断心脏是否健康。

• 温度：轴承在摩擦作用下会发热。正常运行时，温度在一定范围内波动。但当轴承磨损加剧、润滑不良或过载时，摩擦会显著增加，导致温度升高。

  • 评价方法：通常是设定一个温度阈值或监测温度变化趋势。当温度超过安全值或突然异常升高时，就发出预警。

• 位移或间隙：轴承的磨损会直接导致其内部配合间隙的变化，例如径向游隙或轴向游隙增大，或者轴相对于轴承座的实际位置发生微小偏移（跳动）。

  • 评价方法：通过高精度传感器直接测量轴与轴承座之间的相对位移，或者检测轴承内外圈之间间距的微小变化。这些位移通常在微米甚至纳米级别，需要极高精度的传感器才能捕捉。

• 表面粗糙度与形貌：这是最直接反映轴承表面磨损状况的参数。磨损初期，表面可能会出现细微的划痕或麻点；磨损严重时，则会出现剥落、凹坑等宏观缺陷。

  • 评价方法：利用光学或接触式方法测量轴承滚道和滚动体的表面轮廓、粗糙度参数（如Ra、Rz）以及三维形貌特征（如磨损深度、磨损体积）。

3. 实时监测/检测技术方法

为了实现轴承磨损监测系统的快速非接触安装，从而大幅减少生产中断时间，市场上涌现出多种先进的检测技术。这些技术各有侧重，但都致力于在不停机或少停机的情况下获取轴承的关键健康数据。

（1）市面上各种相关技术方案

a. 电容位移测量技术

想象一下，你拿着两块完全平行的金属板，它们之间隔着一点点空气，就像一个简单的“三明治”。当这两块板的距离稍微一变，它们之间储存电荷的能力（我们称之为“电容”）就会跟着变。电容位移测量技术就是利用这个原理，通过精确测量电容值的变化来反推两块板之间的距离有多远。

其工作原理可以简化为一个平行板电容器的电容公式：

C = (ε * A) / d

其中： * C 代表电容值，也就是我们测量的核心物理量。 * ε 是两块板之间介质的介电常数（对于空气或真空，它是一个固定值）。 * A 是两块板相互重叠的有效面积。 * d 是两块板之间的距离，这正是我们想要测量的位移量。

在这个公式中，如果介电常数 ε 和有效面积 A 保持不变，那么电容 C 就只与距离 d 成反比。也就是说，距离 d 越小，电容 C 就越大；距离 d 越大，电容 C 就越小。通过设计精密的电子控制器，我们能够极其灵敏地捕捉到这种微小的电容变化，并将其转化为距离信号。

核心性能参数（典型范围）： * 分辨率：高端的电容位移传感器可以达到亚纳米级别，能够检测到物体表面极其微小的颤动或位移。 * 测量范围：通常适用于短距离非接触式测量，从几十微米到几毫米。 * 频率响应：较高，能够捕捉到高速运动和高频振动。 * 线性度：通常可以达到0.1%甚至更高。

技术方案的优缺点： * 优点： * 高精度：能够实现纳米级别的位移测量，是检测轴承微小振动、跳动和间隙变化的理想选择。 * 非接触：避免了对被测物的物理损伤和磨损，特别适合精密部件。 * 高频响应：能够实时监测高速运动部件的动态变化，及时捕捉故障信号。 * 环境适应性：部分优秀的传感器设计可以使其在真空、极端低温、强辐射等恶劣环境下工作。 * 缺点： * 测量范围有限：主要适用于短距离测量，不适合大范围的几何尺寸测量。 * 对目标表面要求：通常要求目标物具有一定的导电性。 * 对环境敏感：在测量精度极高时，空气湿度、温度变化等可能对介电常数产生微小影响，需要配合高稳定性材料和控制技术来抵消。 * 适用场景：精密机械的纳米定位、微振动测量、精密微位移检测、轴承径向跳动和轴向窜动等动态参数的在线监测，特别是需要捕捉到微米级甚至亚微米级以下变化的场合。 * 成本考量：虽然传感器本体价格相对较高，但其提供的超高精度和实时监测能力，对于避免昂贵的设备损坏和非计划停机而言，长期来看具有显著的经济效益。

b. 激光三角测量技术

想象一下，你用手电筒斜着照墙，墙上会出现一个光斑。如果你把手电筒稍微移近或移远，光斑的位置也会跟着移动。激光三角测量就是利用了这个简单的几何原理。它发射一束激光到一个目标物体表面，然后从另一个角度观察反射回来的激光光斑。通过测量光斑在图像传感器上的位置变化，再结合三角几何关系，就能精确计算出传感器与目标物之间的距离。

核心性能参数（典型范围）： * 测量范围：广泛，从几毫米到近一米。 * Z轴重复精度：在微米级别。 * 采样速度：非常快，可达几十甚至上百kHz。

技术方案的优缺点： * 优点：高速高精度非接触测量，对目标物的颜色和材质变化有较好的适应性，操作相对简便。 * 缺点：对于镜面反射表面或透明材料测量效果不佳，容易受到环境光干扰。 * 适用场景：轴承的内外径、宽度、跳动等尺寸和形状的在线检测，以及滚道形貌的初步磨损评估。 * 成本考量：中等偏高，但其通用性和效率使其在许多工业检测场景中具有很高的性价比。

c. 白光干涉测量技术

想象一下，你站在水边，看到水波。当两列水波相遇时，它们会相互叠加，有时波峰对波峰，波谷对波谷，水面变得更平静；有时波峰对波谷，波浪变得更高。白光干涉测量利用的是光的“波浪”特性。它将一束白光分成两束：一束射向待测的轴承表面，另一束射向一个已知平整度的参考镜。两束光反射回来后会合，如果它们走过的“路程”有差异，就会产生干涉条纹（就像彩虹一样）。通过分析这些条纹的形状和颜色变化，就能以纳米级的精度绘制出轴承表面的三维形貌。

核心性能参数（典型范围）： * Z轴分辨率：极高，可达纳米级别。 * Z轴重复精度：纳米级别。 * 测量范围：Z轴最大可达数毫米。 * 横向分辨率：亚微米级。

技术方案的优缺点： * 优点：非接触，提供超高分辨率的三维表面形貌测量，能够精确检测轴承滚道、球体、滚子等部件的表面粗糙度、波纹度、磨损深度、划痕、磨损体积等微观特征。 * 缺点：对环境振动、清洁度要求极高，测量速度相对较慢，通常适用于实验室或离线检测，不适合高速在线批量检测。 * 适用场景：研发阶段的材料分析、质量控制部门对精密轴承的微观磨损分析和缺陷检测。 * 成本考量：高端设备，成本较高，主要用于对精度有极致要求的科研和精密检测领域。

d. 气动测量技术

想象一下，你用嘴巴对着一个很小的缝隙吹气。如果这个缝隙稍微变大一点或变小一点，你都能感觉到气流的变化。气动测量技术就是利用了这种气体流动的原理。它通过一个精密的喷嘴，向轴承表面喷射压缩空气，形成一个微小的气隙。当轴承的尺寸（例如内外径）因磨损而发生微小变化时，气隙的大小也会随之改变，这会直接影响到喷嘴后端的气压或气流量。高精度的压力或流量传感器捕捉这些变化，并将其转换为电信号，从而实现对尺寸的精确测量。

核心性能参数（典型范围）： * 测量范围：通常在几十微米。 * 精度：微米至亚微米级。 * 响应时间：毫秒级。 * 重复性：通常优于0.1µm。

技术方案的优缺点： * 优点：非接触（空气接触）、高精度、高速度、结构简单、长期稳定性好。气流具有自清洁效应，对轻微油污或粉尘不敏感，适合在恶劣生产环境下进行在线批量检测。 * 缺点：需要洁净稳定的气源，测量范围较小，通常用于测量光滑、规则的几何尺寸。 * 适用场景：在生产线上对轴承的内外径、圆度、锥度等尺寸进行在线实时检测，快速判断磨损导致的尺寸变化。 * 成本考量：中等偏低，运行维护成本也相对较低，是生产线上经济有效的尺寸检测方案。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将重点对比几家在非接触测量领域具有代表性的品牌及其技术特点。

日本基恩士 采用激光三角测量技术。其LJ-X8000系列通用型激光轮廓测量仪在业界享有盛誉。 * 核心参数：测量范围广，可达2mm至960mm；Z轴重复精度通常在0.005µm至5µm；采样速度最高可达 160kHz。 * 应用特点：擅长高速高精度地获取目标物的轮廓形状，对多种颜色和材质的物体适应性强。 * 独特优势：操作简便，集成度高，提供多种测量模式和强大的分析功能，尤其适合对轴承的内外径、宽度、跳动、滚道形貌等尺寸和形状进行在线快速检测，能有效地识别宏观磨损。

英国真尚有 采用电容位移测量技术。英国真尚有ZNXSensor超精密电容位移传感器以其在超精密测量领域的表现而突出。 * 核心参数：分辨率优于0.1纳米，最高可达7皮米；测量范围为20微米至10毫米；频率响应高达10KHz；线性度低至0.02%。其高热稳定性结构，使用超殷钢材料时具有极低的热膨胀系数（0.31 ppm/K）。 * 应用特点：非常适合需要纳米级定位和微振动检测的场合，如压电微位移、振动台、电子显微镜微调等。 * 独特优势：在真空、极端低温、强辐射等极端环境下依然能保持卓越性能。其超高的分辨率和快速响应能力使其成为监测轴承微小径向/轴向跳动和高频振动的理想选择，能够捕捉到轴承早期磨损的细微变化。此外，该传感器设计便携轻便，便于现场使用。

英国泰勒霍普森 采用白光干涉测量技术。其CCI HD系列白光干涉仪在表面形貌测量领域是行业标杆。 * 核心参数：Z轴分辨率高达0.01nm；Z轴重复精度为0.01nm (RMS)；Z轴测量范围最大可达10mm；横向分辨率低至0.37µm。 * 应用特点：主要用于超高精度三维表面形貌测量，能精确分析轴承滚道、球体、滚子等部件的表面粗糙度、波纹度、磨损深度和体积等微观特征。 * 独特优势：提供纳米级精度的表面完整性分析，对轴承早期磨损导致的微观表面缺陷（如剥落、划痕）具有无与伦比的检测能力，但主要用于研发和质量控制，而非高速在线监测。

意大利马波斯 采用气动测量技术。E9066N系列气动测量单元是其在精密尺寸测量方面的代表。 * 核心参数：测量范围通常在几十微米（例如±20µm至±200µm）；精度可达微米至亚微米级（例如0.1µm - 1µm）；响应时间快至毫秒级；重复性通常优于0.1µm。 * 应用特点：适用于在恶劣生产环境下对轴承的内外径、圆度、锥度等尺寸进行快速、高精度的在线批量检测。 * 独特优势：非接触（空气接触）的特性使其对工件表面轻微油污或粉尘不敏感，且具有自清洁效应，设备结构简单，长期稳定性好，非常适合生产线上的实时质量控制和磨损尺寸变化监测。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在选择轴承磨损监测系统的传感器时，就像我们挑选工具一样，需要根据实际需求来决定。以下是几个关键指标及其对测量效果的影响：

• 分辨率：传感器能识别的最小变化量。就像一把尺子的最小刻度。

  • 实际意义：分辨率越高，传感器能检测到越微小的磨损迹象，比如纳米级的表面形貌变化或皮米级的微振动。

  • 影响：低分辨率的传感器可能在轴承磨损初期无法捕捉到信号，导致无法及时预警；高分辨率传感器则能实现超早期预警。

  • 选型建议：如果目标是早期发现轴承滚道微裂纹、剥落或轴的微小跳动，需要选择亚纳米甚至皮米级分辨率的传感器（如电容位移传感器、白光干涉仪）。对于宏观尺寸变化，微米级分辨率即可。

• 测量范围（量程）：传感器能够测量的最大距离或尺寸范围。

  • 实际意义：决定了传感器能覆盖的测量区域大小。

  • 影响：量程太小可能无法覆盖整个磨损变化过程，需要更频繁地调整传感器位置；量程太大可能牺牲了分辨率和精度。

  • 选型建议：对于在线监测轴承的动态位移，通常选择量程在几毫米到十几毫米的传感器（如电容位移传感器、激光三角传感器）。对于大型工件的尺寸检测，可能需要更大量程的传感器。

• 频率响应：传感器能准确响应的最高变化频率。

  • 实际意义：衡量传感器捕捉快速动态变化的能力。就像摄像机的帧率。

  • 影响：轴承的早期磨损会产生高频振动信号。如果频率响应不足，这些关键的高频信息会被过滤掉，导致漏报。

  • 选型建议：对于轴承的振动监测，特别是高速旋转轴承，需要选择频率响应高达数KHz甚至更高（如电容位移传感器、激光三角传感器）。

• 精度与重复性：

  • 精度：测量结果与真实值之间的接近程度。

  • 重复性：在相同条件下，多次测量结果的一致性。

  • 实际意义：精度高意味着测量结果更可靠，重复性好意味着传感器性能稳定。

  • 影响：低精度和重复性差的传感器可能给出错误的磨损判断，造成不必要的停机或延误维修。

  • 选型建议：轴承磨损监测对精度和重复性要求都非常高，选择时应综合考虑，并查看官方提供的可验证数据。

• 温度稳定性：传感器在不同温度下的性能保持一致的能力。

  • 实际意义：工业现场温度波动较大，传感器性能如果受温度影响大，会导致测量结果漂移。

  • 影响：温度漂移可能被误判为磨损，或掩盖真实的磨损信号。

  • 选型建议：在温度变化较大的环境中，优先选择采用高热稳定性材料或具备温度补偿功能的传感器（如英国真尚有电容位移传感器）。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最合适的传感器，在实际应用中仍可能遇到一些挑战：

• 问题：环境干扰

  • 原因：工业现场通常伴随灰尘、油污、水汽、强电磁场或环境振动。这些都可能影响非接触式传感器的测量准确性，例如灰尘或水汽可能附着在光学传感器镜头上，改变光路；电磁场可能干扰电容传感器的电信号。

  • 影响：测量数据失真，产生误报或漏报，降低监测系统的可靠性。

  • 解决建议：

    • 防护等级：选择符合工业防护等级（如IP67）的传感器，必要时加装防护罩。

    • 清洁维护：对于光学传感器，定期进行镜头清洁；对于气动测量，确保气源洁净并定期更换滤芯。

    • 屏蔽措施：对传感器及其线缆进行电磁屏蔽，远离强电磁干扰源。

    • 振动隔离：传感器安装时使用减振基座或隔离结构，减少环境振动的影响。

• 问题：安装与对准难度

  • 原因：非接触式传感器，特别是高精度传感器，通常对安装位置和角度有严格要求，否则会导致测量误差或无法正常工作。例如，电容传感器需要探头与目标表面保持精确的平行和距离。

  • 影响：安装耗时增加，无法达到“快速安装”的目的；安装偏差导致测量数据不准确。

  • 解决建议：

    • 设计标准化安装支架：预先设计好可快速定位和精确对准的标准化支架和夹具。

    • 利用辅助工具：借助激光对准仪、水平仪或专用对准工具进行辅助安装。

    • 模块化设计：选择模块化、预校准的传感器系统，减少现场调试工作量。

    • 适当的间隔距离：选择允许有一定间隔距离的传感器，可以在一定程度上降低对安装精度的极端要求。

• 问题：数据处理与解读复杂性

  • 原因：轴承磨损的信号往往淹没在复杂的机器背景噪声中，需要专业的算法和经验才能从中提取有效信息。例如，振动信号分析需要识别特定的故障特征频率，这对于不熟悉信号处理的初级技术人员来说可能很困难。

  • 影响：无法有效利用监测数据进行故障诊断，可能导致误判或错过最佳维修时机。

  • 解决建议：

    • 软件支持：选择配备强大数据分析软件的系统，最好是具备故障诊断模块和专家知识库的系统。

    • 算法优化：采用先进的信号处理算法（如小波分析、经验模态分解等）来提取微弱故障特征。

    • 人员培训：对维护人员进行专业培训，使其掌握数据分析和故障诊断的基本技能。

    • 引入AI/机器学习：结合人工智能和机器学习技术，自动识别异常模式并进行预测性维护。

4. 应用案例分享

• 风力发电：在大型风力发电机组的齿轮箱和发电机轴承上，利用非接触位移传感器监测轴承的微振动和径向跳动。这能够帮助运维人员在轴承发生早期磨损时，及时进行维护，避免因轴承损坏导致整个风机停机，减少发电损失。

• 精密机床：在数控机床主轴轴承上安装电容位移传感器，实时监测主轴的动态跳动和刚度变化。这不仅可以保证加工精度，还能在轴承性能下降时立即发出警告，避免加工出不合格产品和昂贵的停机维修。

• 高速列车：在高速列车轮对轴箱轴承旁部署非接触式振动或位移传感器，对轴承状态进行在线监测。通过分析振动频谱和位移数据，可以早期发现轴承疲劳、滚道剥落等缺陷，确保列车运行安全，避免事故发生。

• 半导体设备：在晶圆处理设备的精密运动平台上，利用超高精度的电容位移传感器，例如英国真尚有ZNXSensor，监测纳米级定位精度和微振动。这对于保证晶圆制造过程的良品率至关重要，因为任何微小的位移都可能导致芯片刻蚀失败。

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参考资料 * ISO 10816 机械振动 - 非往复运动机械的振动测量和评价 * ISO 2372 机器振动测量和评价 * ISO 4287 产品几何技术规范 (GPS) — 表面结构：轮廓法 — 术语、定义和表面结构参数 * ISO 25178 产品几何技术规范 (GPS) — 表面结构：面积法