滑動(dòng)軸承表面溫度檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

一、引言

滑動(dòng)軸承是機(jī)械系統(tǒng)中關(guān)鍵的支撐部件，廣泛應(yīng)用于電機(jī)、泵、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、機(jī)床等工業(yè)設(shè)備中。其核心功能是通過油膜或固體潤滑層將旋轉(zhuǎn)軸與軸承座分離，減少摩擦損耗并承受徑向或軸向載荷。在軸承運(yùn)行過程中，溫度是反映其工作狀態(tài)的重要參數(shù)——過高的溫度會(huì)導(dǎo)致潤滑失效（如油膜破裂、潤滑介質(zhì)碳化）、軸承材料軟化（如巴氏合金燒蝕）、配合間隙變化（熱膨脹導(dǎo)致卡軸），甚至引發(fā)“燒瓦”等嚴(yán)重故障，直接影響設(shè)備的可靠性和使用壽命。因此，滑動(dòng)軸承表面溫度檢測(cè)已成為工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的關(guān)鍵手段之一。

二、溫度檢測(cè)的意義

滑動(dòng)軸承的溫度變化與多種故障模式直接相關(guān)：

• 潤滑不良：潤滑油不足、老化或污染會(huì)增加摩擦熱，導(dǎo)致溫度急劇上升；
• 負(fù)載異常：過載或沖擊載荷會(huì)使軸承接觸應(yīng)力增大，摩擦熱增加；
• 安裝誤差：軸頸與軸承的同軸度偏差、間隙過大或過小會(huì)導(dǎo)致局部摩擦加劇；
• 材料疲勞：長期運(yùn)行后，軸承襯里（如巴氏合金）的疲勞剝落會(huì)引起局部發(fā)熱；
• 環(huán)境影響：周圍熱源（如電機(jī)繞組）或冷卻系統(tǒng)失效會(huì)導(dǎo)致軸承溫度間接升高。

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承表面溫度，可以早期識(shí)別異常狀態(tài)，避免故障擴(kuò)大；優(yōu)化維護(hù)策略（如按需添加潤滑油、調(diào)整負(fù)載）；延長軸承壽命；保證設(shè)備安全運(yùn)行（防止因軸承失效引發(fā)的連鎖事故，如電機(jī)燒毀、機(jī)組停機(jī)）。

三、常用溫度檢測(cè)方法及原理

滑動(dòng)軸承表面溫度檢測(cè)主要分為接觸式和非接觸式兩類，不同方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用場景差異較大。

（一）接觸式檢測(cè)方法

接觸式檢測(cè)需將傳感器與軸承表面直接接觸，通過熱傳導(dǎo)獲取溫度信號(hào)。常見的傳感器包括熱電偶、熱電阻和熱敏電阻。

1. 熱電偶（Thermocouple）

• 原理：基于塞貝克效應(yīng)（Seebeck Effect）——兩種不同金屬（或合金）構(gòu)成閉合回路時(shí)，若兩端溫度不同，回路中會(huì)產(chǎn)生與溫度差成正比的熱電勢(shì)。通過測(cè)量熱電勢(shì)，可推算出被測(cè)點(diǎn)溫度。
• 類型：根據(jù)金屬材料分為K型（鎳鉻-鎳硅，測(cè)溫范圍-200~1300℃）、J型（鐵-康銅，-40~750℃）、S型（鉑銠10-鉑，0~1600℃）等。其中，K型熱電偶因成本低、線性好，是工業(yè)中最常用的類型；S型熱電偶（貴金屬）適用于高溫（如汽輪機(jī)軸承）或高精度場合。
• 安裝方式：
  • 嵌入法：將熱電偶絲直接埋入軸承襯里（如巴氏合金層），與軸頸表面接觸，測(cè)量精度最高；
  • 粘貼法：用高溫膠將熱電偶粘貼在軸承座內(nèi)表面，適用于無法嵌入的場合；
  • 螺紋固定法：將帶螺紋的熱電偶探頭擰入軸承座預(yù)留的安裝孔，接觸軸承表面。
• 優(yōu)缺點(diǎn)：
  • 優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快（毫秒級(jí)）、測(cè)量范圍廣、抗振動(dòng)性好；
  • 缺點(diǎn)：需與被測(cè)表面接觸，可能影響軸承的機(jī)械性能；易受電磁干擾（需屏蔽線）；安裝復(fù)雜度較高（尤其是嵌入法）。

2. 熱電阻（RTD, Resistance Temperature Detector）

• 原理：基于金屬電阻率隨溫度變化的特性（正溫度系數(shù)）。常用材料為鉑（Pt）、銅（Cu），其中鉑電阻（如PT100，0℃時(shí)電阻為100Ω）因精度高、穩(wěn)定性好，應(yīng)用最廣。
• 類型：
  • 薄膜鉑電阻：將鉑膜沉積在陶瓷基底上，體積小、響應(yīng)快，適用于狹小空間；
  • 繞線鉑電阻：將鉑絲繞在陶瓷或云母骨架上，耐高溫（可達(dá)800℃），但體積較大。
• 安裝方式：與熱電偶類似，可嵌入、粘貼或螺紋固定，但需注意熱接觸良好（避免空氣間隙影響測(cè)量精度）。
• 優(yōu)缺點(diǎn)：
  • 優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高（±0.1℃以內(nèi)）、穩(wěn)定性好、重復(fù)性強(qiáng)；
  • 缺點(diǎn)：需要電源（有源傳感器）、響應(yīng)速度略慢（約1~5秒）、成本較高；高溫下易受氧化（需保護(hù)套管）。

3. 熱敏電阻（Thermistor）

• 原理：基于半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化的特性（負(fù)溫度系數(shù)，NTC）。其電阻值隨溫度升高呈指數(shù)下降，靈敏度遠(yuǎn)高于熱電偶和熱電阻（溫度變化1℃，電阻變化可達(dá)3~5%）。
• 應(yīng)用場景：適用于低溫（-50~300℃）、高精度場合，如小型電機(jī)軸承的溫度監(jiān)測(cè)。
• 優(yōu)缺點(diǎn)：
  • 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、體積小、成本低；
  • 缺點(diǎn)：測(cè)量范圍窄、線性差（需校準(zhǔn)）、易受環(huán)境濕度影響（需密封）。

（二）非接觸式檢測(cè)方法

非接觸式檢測(cè)無需與軸承表面接觸，通過接收軸承表面的紅外輻射或熱圖像獲取溫度信息，適用于高速旋轉(zhuǎn)、無法安裝接觸式傳感器或環(huán)境惡劣（如高溫、有毒）的場合。

1. 紅外測(cè)溫儀（Infrared Thermometer）

• 原理：基于普朗克黑體輻射定律（Planck’s Law）——物體的紅外輻射強(qiáng)度與其溫度成正比。紅外測(cè)溫儀通過光學(xué)系統(tǒng)收集軸承表面的紅外輻射，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)算法處理得到溫度值。
• 類型：
  • 點(diǎn)式紅外測(cè)溫儀：測(cè)量單個(gè)點(diǎn)的溫度，適用于定位軸承表面的熱點(diǎn)；
  • 紅外熱像儀：生成軸承表面的溫度分布圖像，可直觀顯示溫度場（如局部過熱區(qū)域）。
• 關(guān)鍵參數(shù)：
  • 發(fā)射率（Emissivity）：物體表面發(fā)射紅外輻射的能力（0~1）?；瑒?dòng)軸承表面（如巴氏合金、鋼）的發(fā)射率約為0.6~0.8，需根據(jù)材料調(diào)整以提高測(cè)量精度；
  • 波長范圍：中紅外（3~5μm）適用于高溫（>500℃），遠(yuǎn)紅外（8~14μm）適用于常溫（-20~500℃）。
• 應(yīng)用場景：
  • 高速旋轉(zhuǎn)軸承（如汽輪機(jī)軸頸）：接觸式傳感器易因離心力松動(dòng)，非接觸式更可靠；
  • 危險(xiǎn)環(huán)境（如易燃、易爆場所）：無需電氣連接，避免火花風(fēng)險(xiǎn)；
  • 臨時(shí)檢測(cè)（如設(shè)備巡檢）：便攜性好，操作簡單。
• 優(yōu)缺點(diǎn)：
  • 優(yōu)點(diǎn)：無接觸、無磨損、響應(yīng)快（毫秒級(jí)）、便攜性好；
  • 缺點(diǎn)：受環(huán)境影響大（如灰塵、水汽會(huì)吸收紅外輻射）；對(duì)發(fā)射率敏感（需校準(zhǔn)）；無法測(cè)量內(nèi)部溫度（僅表面）。

四、檢測(cè)系統(tǒng)的組成與應(yīng)用流程

（一）系統(tǒng)組成

滑動(dòng)軸承溫度檢測(cè)系統(tǒng)通常包括：

• 傳感器：根據(jù)場合選擇接觸式（熱電偶/熱電阻）或非接觸式（紅外）；
• 信號(hào)調(diào)理模塊：將傳感器輸出的微弱信號(hào)（如熱電偶的毫伏級(jí)電壓、熱電阻的歐姆級(jí)電阻）放大、濾波（去除噪聲）、線性化（如熱敏電阻的非線性校正）；
• 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊：將調(diào)理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（AD轉(zhuǎn)換），通過有線（RS485、以太網(wǎng)）或無線（LoRa、NB-IoT）方式傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)；
• 監(jiān)控與診斷軟件：實(shí)時(shí)顯示溫度曲線、設(shè)定報(bào)警閾值（如超過70℃報(bào)警）、存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)、通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)故障（如溫度趨勢(shì)異常提示潤滑失效）。

（二）應(yīng)用流程

以電機(jī)滑動(dòng)軸承為例，溫度檢測(cè)的典型流程如下：

1. 傳感器安裝：選擇K型熱電偶，嵌入軸承襯里（巴氏合金層），確保與軸頸表面接觸；
2. 信號(hào)調(diào)理：使用熱電偶變送器，將毫伏級(jí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)（抗干擾能力強(qiáng)）；
3. 數(shù)據(jù)采集：通過PLC或數(shù)據(jù)采集卡收集電流信號(hào)，傳輸至監(jiān)控軟件；
4. 實(shí)時(shí)監(jiān)控：軟件顯示軸承溫度曲線，當(dāng)溫度超過閾值（如80℃）時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警；
5. 故障診斷：若溫度持續(xù)上升，結(jié)合振動(dòng)數(shù)據(jù)（如軸承振動(dòng)加速度）判斷故障類型（如潤滑不足→補(bǔ)充潤滑油；軸頸磨損→停機(jī)檢修）。

五、注意事項(xiàng)

1. 傳感器安裝位置：

   • 優(yōu)先選擇軸承表面溫度最高的區(qū)域：如軸頸與軸承的接觸區(qū)（巴氏合金層中部），而非軸承座外表面（熱傳導(dǎo)慢，測(cè)量值偏低）；
   • 避免安裝在冷卻通道附近（如潤滑油進(jìn)口）或散熱良好的區(qū)域（如軸承座邊緣），防止溫度測(cè)量偏差。

2. 熱接觸優(yōu)化：

   • 接觸式傳感器與軸承表面之間需無空氣間隙（可涂導(dǎo)熱硅脂或用機(jī)械壓力固定），否則會(huì)因熱阻增大導(dǎo)致測(cè)量值偏低；
   • 非接觸式傳感器需對(duì)準(zhǔn)軸承表面（避免遮擋），并校準(zhǔn)發(fā)射率（如用標(biāo)準(zhǔn)黑體校準(zhǔn)）。

3. 環(huán)境適應(yīng)性：

   • 高溫場合：選擇耐高溫傳感器（如S型熱電偶、高溫紅外測(cè)溫儀），并加裝隔熱罩（如剛玉管）；
   • 潮濕/腐蝕環(huán)境：選擇密封型傳感器（如IP67級(jí)），防止水汽或化學(xué)介質(zhì)進(jìn)入；
   • 振動(dòng)場合：接觸式傳感器需用螺紋或焊接固定，避免松動(dòng)；非接觸式傳感器需固定在穩(wěn)定的支架上。

4. 閾值設(shè)定：

   • 根據(jù)軸承類型（如巴氏合金軸承的許用溫度通常為70~90℃）、潤滑方式（如油浴潤滑 vs 強(qiáng)制潤滑）、負(fù)載條件（輕載 vs 重載）設(shè)定合理的報(bào)警閾值；
   • 避免閾值過高（無法及時(shí)預(yù)警）或過低（誤報(bào)警），需通過歷史數(shù)據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

六、未來發(fā)展趨勢(shì)

1. 智能傳感器集成：將溫度傳感器與振動(dòng)、壓力、油液監(jiān)測(cè)傳感器（如磨損顆粒傳感器）集成，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)（如“溫度+振動(dòng)”聯(lián)合診斷潤滑失效），提高故障識(shí)別準(zhǔn)確率。
2. 無線傳輸技術(shù)：采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）或LoRa技術(shù)，解決旋轉(zhuǎn)部件（如軸頸）的布線難題，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)（如風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承）。
3. 機(jī)器學(xué)習(xí)與預(yù)測(cè)性維護(hù)：通過收集大量溫度數(shù)據(jù)，訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型（如隨機(jī)森林、LSTM），識(shí)別溫度異常的早期模式（如溫度緩慢上升提示潤滑老化），實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)（Predective Maintenance），避免“事后維修”的損失。
4. 微型化與柔性傳感器：開發(fā)柔性溫度傳感器（如薄膜熱電偶、碳纖維傳感器），可貼附在曲面軸承表面（如球面軸承），減少對(duì)軸承結(jié)構(gòu)的影響。

七、結(jié)論

滑動(dòng)軸承表面溫度檢測(cè)是工業(yè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的核心環(huán)節(jié)，其技術(shù)選擇需結(jié)合軸承類型、運(yùn)行環(huán)境、檢測(cè)需求（實(shí)時(shí)/臨時(shí)）等因素：

• 對(duì)于固定設(shè)備（如電機(jī)、泵），優(yōu)先選擇接觸式傳感器（熱電偶/熱電阻），實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；
• 對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)或危險(xiǎn)場合（如汽輪機(jī)、易燃環(huán)境），非接觸式紅外測(cè)溫更具優(yōu)勢(shì)；
• 隨著智能技術(shù)的發(fā)展，多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將成為未來趨勢(shì)，進(jìn)一步提升軸承故障診斷的準(zhǔn)確性和維護(hù)效率。

通過科學(xué)的溫度檢測(cè)與分析，企業(yè)可有效降低軸承失效風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備利用率，最終實(shí)現(xiàn)“安全、可靠、高效”的生產(chǎn)目標(biāo)。