利用嵌入式共形压电传感器对轴承进行精确的原位传感与状态监测

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Accurate in-situ sensing and condition monitoring of bearings using embedded conformal piezoelectric sensors

　　

摘要 滚动轴承是旋转机械中承载负荷的关键部件。然而，安装在轴承外部的传统传感器容易受到复杂传输路径导致的信号衰减、安装条件的变化以及环境干扰的影响。为了实现靠近激励源的在线感知，本研究开发了一种智能轴承，将一种薄型、柔性且共形的PVDF-TrFE压电传感器集成到轴承外圈的局部凹槽中。该传感器是通过使用自主研发的柔性电子喷涂系统，将功能PVDF-TrFE层沉积到图案化的铜箔聚酰亚胺基板上而制备的。研究采用了一种系统性的设计策略，在统一的框架下将传感器几何形状、电极图案、外圈上的共形安装、机械相容性和故障感知评估相结合。有限元分析表明，将凹槽几何形状适应传感器轮廓可显著降低传感器集成引起的局部结构扰动。在所考虑的保守静态载荷条件下，优化后的数值配置中的浅凹槽保留了完整外圈约82.5%的表观局部径向刚度。在1800至3000 r/min转速范围内进行的轴承实验表明，嵌入式传感器能够同时捕捉到故障诱发的高频冲击和与滚动体通过相关的低频响应。这些分量之间的相对相位随外圈缺陷的周向位置变化，为故障位置提供了初步信息。在相同实验条件下，与外部声发射传感器和加速度计相比，嵌入式传感器还与故障相关分量表现出更高的信噪比和更高的归一化故障幅值。这些结果证明了将共形压电传感集成到承载轴承部件中的可行性，并为智能轴承中靠近激励源的状态感知提供了一条实用途径。

引言 轴承是基本的机械元件，通过支撑载荷和减少摩擦来实现精确的旋转运动。在服役期间，它们会受到波动载荷、冲击过载、润滑不足和污染的影响，这可能导致滚动接触疲劳、磨损、塑性变形和断裂。由于轴承故障可能造成非计划停机、二次损坏和安全风险，可靠的状况监测对于旋转机械至关重要。近期研究从互补的角度解决了这一问题。实验平台和物理信息监测框架改善了轴承健康信息的物理表征和可解释性[1]、[2]，而车载监测和基于熵的方法增强了时变或变速条件下的故障识别[3]、[4]。声发射研究进一步为车轮组轴承诊断和故障检测引入了指纹特征和自适应阈值机制[5]、[6]。这些发展改善了故障特征提取和解释，但其性能仍然强烈依赖于由传感前端采集的信号质量。

尽管轴承是相对紧凑的部件，但其失效可能导致延长的维护停机和巨大的经济损失。这一问题在风力涡轮机、航空系统和高速列车中尤为重要，因为轴承在这些应用中的位置难以触及，且意外失效可能产生严重后果。因此，维护策略已逐渐从定期检修转向持续状况监测和预测性维护。在这一转变中，越来越期望轴承能提供关于振动、温度、载荷、转速、润滑和损伤演化的信息，从而支持早期预警和生命周期管理。

在此背景下，智能轴承在学术研究和工业应用中都引起了越来越大的兴趣。智能轴承通常将传感、信号调理、通信或能量供应功能与轴承组件集成，同时保留其基本的承载和运动支撑功能。Zhang等人[7]开发了一种智能滚子，用于大型轴承的直接载荷状态监测。Li等人[8]构建了一种用于智能轴承全生命周期数字孪生的信息场景增强映射方法。Zhang等人[9]将摩擦电传感器与可变磁阻发电机结合，以支持航空发动机主轴承的无线监测。在一项后续研究中，Zhang等人[10]开发了一种具有双模能量收集器的智能轴承端盖，用于无线状态感知。Qin等人[11]引入了一种超灵敏自供能轴承座，能够检测故障并提供故障位置信息。Gong等人[12]系统地综述了用于自供能智能轴承的电磁、压电、热电、摩擦电和摩擦伏特技术。这些研究展示了智能轴承从孤立测量向集成传感、能量管理、通信和健康评估的发展。

轴承监测的传感架构通常可以分为外部型和结构集成型。安装在轴承壳体上的外部传感器便于安装和维护，但测量响应会受到传输路径、安装界面和周围部件振动的影响。结构集成传感器缩短了激励源与传感元件之间的距离，尽管其引入需要仔细考虑安装空间、装配约束、载荷传递和结构完整性。近期欧洲研究提供了这种集成路线的代表性例子。Konopka等人[13]直接将薄膜应变传感器阵列沉积到推力轴承垫圈上，以获得滚动接触变形的空间和时域分辨测量。Manjunath等人[14]将气相沉积的电阻性薄膜传感器集成到圆柱滚子推力轴承的滚道中，以现场映射润滑膜温度。Kliemank等人[15]将热电偶、声发射元件及相关电子元件集成到气体箔轴承中，以监测温度、脱离状态和瞬时转速。这些研究证明了直接从轴承部件获取运行信息的可行性，同时表明传感器集成必须与宿主结构的机械功能和几何约束相协调。

在全球范围内，近期的智能轴承研究越来越多地探索自供能和接触式传感机制。Liu等人[16]在保持架、内圈和转子之间的有限空间内集成了两个摩擦电传感单元，实现了对转速和保持架滑动的同步现场监测。Dong等人[17]将叉指形铜电极嵌入到商用滚动轴承的外圈中，并利用滚动接触起电进行故障诊断和自供能监测。Ding等人[18]直接在轴承滚道上形成二硫化钼功能层，将滚动接触面转换为监测速度、载荷和故障的摩擦伏特传感界面。Duan等人[19]将镶嵌图案化的极性驻极体集成到推力球轴承中，以解耦和测量旋转与振动运动。Dong等人[20]进一步将轴承结构摩擦电纳米发电机与人工智能结合，以识别滚动体磨损并支持数字孪生演示。Li等人[21]在全尺寸高速列车滚子轴承内部安装了一种紧凑型双面摩擦电保持架转速传感器，用于监测两个保持架的运动。早期的结构发展也建立了重要的基础：Yang等人[22]展示了一种三维打印的轴承结构摩擦电纳米发电机，Miao等人[23]开发了用于保持架监测的可变磁阻轴承发电机，Qin等人[24]提出了一种具有传感和能量收集功能的混合摩擦电和压电智能鼠笼。这些设备为自主监测提供了有价值的途径，但其中许多依赖于接触起电、滚道功能改性或对保持架和邻近部件的重新设计。因此，它们的传感机制和集成边界与不修改滚动接触界面而测量局部结构响应的共形压电传感器不同。

压电传感是获取轴承振动、冲击和载荷相关响应的另一重要途径。Holm Hansen和Gao [25]研究了传感器集成球轴承的结构设计，并评估了集成结构对轴承性能的影响。他们随后证明，从传感器集成轴承获得的振动信号可支持在线故障检测[26]。最近，Safian等人[1]在专用的轴承壳体腔室中安装了紧凑型压电陶瓷换能器，以在噪声条件下检测外圈和滚子故障。在材料层面，Hao等人[27]报道了一种保持在四重点附近的多晶陶瓷具有极高的压电性，说明了高性能压电陶瓷的持续发展。然而，传统压电陶瓷元件仍然刚硬和脆性，使其难以贴合曲面外圈，并且通常需要专用腔室、适配器或载荷结构以维持机械耦合。

柔性压电聚合物提供了一种更适合曲面和空间受限轴承结构的替代方案。Safian等人[28]在轴承外圈机加工出的环形槽中放置了一条环形PVDF条，实现了故障检测和转速测量。Nguyen等人[29]为轴承状况监测打印了一种压电复合涂层，证明了可打印压电材料适应非平面机械部件的可行性。Li等人[30]开发了一种摩擦电与压电耦合的智能轴承，其中一种铁电聚合物有助于同步测量载荷分布和滚子速度。这些研究展示了柔性压电材料在轴承传感中的潜力，但现有构型通常采用环形条、相对大的沟槽、混合接触机制或其几何形状未专门匹配局部安装区域的传感层。

本研究中选择了聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物，即PVDF-TrFE，因为它结合了机械柔性和相对较高的压电电压响应。Liu等人[31]证明了聚合物体系的铁电行为可被调节以增强其机电响应。Nguyen等人[32]为用于轴承监测的双向压电传感器涂层建立了设计规则。Li等人[33]研究了喷涂、退火和电晕极化PVDF-TrFE涂层，阐明了加工、结晶和压电性之间的关系。相关的印刷传感研究也支持使用图案化柔性器件。Bekas等人[34]开发了一种多功能印刷传感器，用于监测复合修补片的固化和损伤。Zhou等人[35]制备了一种喷墨打印的柔性纳米复合传感器，用于宽带动态应变采集。Li等人[36]随后研究了基于压电聚合物涂层阵列换能器的激励、采集和模态控制机制。这些研究为溶液加工和几何可定制的压电传感层提供了基础。然而，图案化电极、薄型柔性PVDF-TrFE层、在滚动轴承外圈上的局部共形集成、结构相容性和故障感知性能在统一框架下的协调设计尚未得到充分研究。

为解决这一需求，本研究开发了一种薄型且图案化的PVDF-TrFE压电传感器，用于共形集成到轴承外圈的局部凹槽中。该传感器在铜箔聚酰亚胺基板上制备，使用喷涂沉积和电晕极化系统，使其传感区域、电极几何形状和引线区域能够适应可用的安装空间。设计了一个形状匹配的浅凹槽来容纳传感器，同时限制不必要的材料去除，并使用有限元分析来评估由此产生的局部应力、接触位移和表观径向刚度。然后进行轴承实验以检查嵌入式传感器捕捉故障诱发冲击和滚动体通过响应的能力。在共同的运行和采集条件下，使用安装在壳体上的声发射传感器和加速度计进行对比测量。因此，本研究专注于智能轴承共形近源传感架构的协调开发与验证，而不是孤立的制造步骤或新的通用故障诊断算法。

片段 柔性压电传感器的设计与制造 本健康监测传感单元由一个高压电性共聚物PVDF-TrFE功能层、一个具有耐高温和耐磨性的聚酰亚胺薄膜柔性基板以及一个具有低弹性模量的PDMS粘合层组成，如图1所示。PVDF-TrFE功能层高效地将轴承运行期间产生的振动、冲击和应变波动等动态机械信号转换为电信号；聚酰亚胺薄膜基板提供机械支撑，同时……

嵌入式传感器的故障响应 在滚动轴承故障诊断中，滚动体与局部缺陷之间的周期性冲击是结构共振和异常脉冲响应的主要来源。图6展示了健康轴承和故障位于受载区底部的故障轴承的时域和频域特征。

实验在恒定转速1800转/分钟下进行了测试。对于健康轴承（图6(a)），时域信号呈现出显著的结论。在本研究中，开发了一种薄型柔性PVDF-TrFE压电传感器，用于与智能轴承外圈进行共形集成。主要贡献在于建立了一个统一框架，该框架结合了图案化传感器制造、适应弧形外圈、机械集成、结构评估以及实验故障感知。可定制的传感器几何形状和电极图案使传感元件能够适应受限空间。资助：本研究得到国家自然科学基金（批准号92360306和52675170）的资助。作者贡献声明：李文康：初稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式化分析、数据整理；杨晴瑞：调查、数据整理；陈玉龙：验证；朱静怡：可视化；朱乐轩：调查；张柳洋：审阅与编辑、资源提供、项目管理、经费获取、概念构思；严汝强：监督指导；陈雪锋：监督指导。利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。作者名单：李文康 | 杨晴瑞 | 陈玉龙 | 朱静怡 | 朱乐轩 | 张柳洋 | 严汝强 | 陈雪锋