Современные датчики систем контроля для непрерывного мониторинга состояния подшипника и телеметрии имеют как минимум два существенных ограничения: они должны быть миниатюрны и автономны.
Первое ограничение обусловлено сложностью адаптации увеличившегося в размерах подшипника к уже существующей инженерной системе. В корпусе или на валу и так тесновато. Смарт-подшипник будущего не имеет будущего (извиняемся за каламбур), если при замене классического подшипника на «умный» в действующем механизме потребуются значительные конструктивные изменения. Это же касается и конструкторских изысканий. Работа проектировщика оборудования значительно усложняется, если ему нужно будет изучать новую номенклатуру смарт-подшипников с иными габаритами и дополнительными системами питания датчиков и модулей обработки и передачи данных.
Второе ограничение связано с тем, что подавляющее большинство модулей смарт-подшипника требуют длительного (пусть и не всегда постоянного) электропитания. Сенсоры, системы сбора, обработки и передачи данных пусть и не нуждаются в отдельной высоковольтной линии, но все же являются «активными» потребителями электроэнергии.
Актуальные технологии автономного питания для смарт-подшипников
Традиционные элементы питания (батареи, аккумуляторы) непрактичны. Зачастую замена или подзарядка элементов питания на смарт-подшипнике невозможна по ряду причин:
- невозможность доступа к оборудованию (удаленные районы, стратосфера и космос, большие высоты и глубины и т.д.);
- невозможность или большая дороговизна остановки на сервисную паузу;
- сложность монтажных работ при доступе к подшипнику;
- недопустимо большая частота остановок для замены батареи из-за быстрой потери заряда;
- и другие факторы.
Кроме того, остро встает вопрос унификации элементов питания и их последующей утилизации. Батареи распространенных типов, в отличие от подшипников, «не привыкли» работать в условиях сильных холодов и перегревов.
На первый план выходит автономное питание, которое развивается по пяти основным направлениям. В назывном порядке перечислим их, а затем разберем подробнее.
- Электромагнитные технологии;
- Пьезоэлектрические технологии;
- Термоэлектрические технологии;
- Трибоэлектрические технологии;
- Трибовольтаические технологии.
Каждая из этих технологий обеспечивает специфические преимущества применения, но при этом имеет и существенные ограничения.
Электромагнитная технология
Вкратце: вращающийся подшипник может работать как «сам себе электрогенератор». Еще Фарадей в XIX веке открыл, что при изменении магнитного поля (или перемещении проводника в магнитном поле) в проводнике возникает электрический ток. На этом эффекте основана работа всем известного электрогенератора.
В подшипниковых узлах относительно нетрудно организовать относительное вращение между ротором и статором. Электромагнитные генераторы работают достаточно стабильно на разных скоростях, особенно на высоких. Однако, размер генератора, способного обеспечить даже скромные запросы датчиков, относительно велик, и к тому же технология не подходит для низких частот вращения (менее 200 об/мин).
- Ток: переменный;
- Напряжение: до 10 вольт;
- Преимущества: надежность и стабильность параметров;
- Недостатки: сложное устройство генератора и ограничения по миниатюризации.
Пьезоэлектрическая технология
Пьезоэлектрический эффект открыт французами Пьером и Жаком Кюри. В пьезоэлектрическом материале заряд или напряжение возникают под действием внешних сил: при сдавливании, вибрации и т.д. В умных подшипниках в частности используют элементы из титаната свинца и титаната циркония. Это достаточно простая технология, позволяющая получать энергию высокой плотности от воздействия вибрации. Однако при низкочастотных вибрациях или малой амплитуде колебаний эффективность драматически падает.
- Ток: переменный ток;
- Напряжение: до 100 вольт;
- Преимущества: получение энергии из вибраций с малой амплитудой, миниатюрность;
- Недостатки: высокое внутреннее сопротивление.
Термоэлектрическая технология
Термоэлектрическая технология предполагает получение постоянного тока за счет разности температур разнесенных элементов. Термоэлектрический генератор использует избыточное тепло, получаемое в ходе работы пар трения механических компонентов, и выступает в качестве радиатора, рассеивая это тепло и снижая температуру в узлах. Но эффективность технологии относительно низка и ограничена множеством факторов: свойствами материалов, малой разностью температур в типичных устройствах и т.д.
- Ток: постоянный ток;
- Напряжение: до 10 вольт;
- Преимущества: нет движущихся частей, не требует обслуживания;
- Недостатки: требуется большая разность температур, очень маленькие значения тока.
Трибоэлектрическая технология
В 2012 году команда исследователя Чжун Линь Вана (Zhong Lin Wang) впервые представила трибоэлектрический наногенератор. Трибоэлектрический эффект известен всем, кто гладил кота и при этом «ловил молнию»: мех животного при трении волосков друг о друга накапливает электрический заряд. Несмотря на то, что эффект появления электрического заряда в материале при трении известен много веков, полноценная теория описывается только в наше время.
В основе работы трибоэлектрического генератора — взаимное поверхностное трение двух разных материалов. Так, посредством переноса и распределения электронов, возникает разность потенциалов. Такой генератор недорог и эффективно преобразует энергию от низкочастотных вибраций и малых перемещений в электричество. В случае самопитания датчиков подшипников возникают множественные сложности: подходящие полимерные материалы быстро деградируют в рабочих условиях подшипников.
- Ток: переменный ток;
- Напряжение: до 1000 вольт;
- Преимущества: большой выбор материалов, низкая цена;
- Недостатки: значительный износ деталей, большое внутреннее сопротивление.
Трибовольтаическая технология
Трибовольтаический генератор это результат глубокого изучения и развития трибоэлектрической технологии. В 2020 году команда исследователя Чи Чжана (Zhi Zhang) успешно испытала наногенератор, который использует трение на границе раздела металл-полупроводник или полупроводник-полупроводник для возбуждения носителей заряда, генерируя ток. Речь в данном случае не о статическом электричестве! В процессе трения двух полупроводников, у одного из которых избыток электронов (n-тип), а у другого недостаток (p-тип) возникают и разрываются атомные связи, высвобождается энергия связи и возбуждаются носители заряда.
Под действием электрического поля (встроенного либо внешнего) носители движутся упорядоченно и возникает постоянный ток. Технология позволяет генерировать довольно высокое напряжение при малой площади контакта полупроводников, при этом система отличается невысоким износом даже при большом механическом давлением.
- Ток: постоянный ток;
- Напряжение: до 150 вольт;
- Преимущества: простое устройство, отсутствие механического износа;
- Недостатки: пока что низкая эффективность процесса преобразования энергии.
| Технология | Ток | Напряжение | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|---|
| Электромагнитная технология | переменный ток | до 10 вольт | надежность и стабильность параметров | сложное устройство генератора и ограничения по миниатюризации |
| Пьезоэлектрическая технология | переменный ток | до 100 вольт | получение энергии из вибраций с малой амплитудой, миниатюрность | высокое внутреннее сопротивление |
| Термоэлектрическая технология | постоянный ток | до 10 вольт | нет движущихся частей, не требует обслуживания | требуется большая разность температур, очень маленькие значения тока |
| Трибоэлектрическая технология | переменный ток | до 1000 вольт | большой выбор материалов, низкая цена | значительный износ деталей, большое внутреннее сопротивление |
| Трибовольтаическая технология | постоянный ток | до 150 вольт | простое устройство, отсутствие механического износа | пока что низкая эффективность процесса преобразования энергии |
Конструктивное исполнение
Рассмотрим несколько возможных вариантов конструктивного исполнения систем автономного питания. Конечно, они уже вовсю воплощаются и в лабораториях, и в реальной промышленности.
Электромагнитный генератор, интегрированный в подшипник, представить себе легко. На вращающемся кольце можно закрепить катушки, и оно будет играть роль ротора. На крышке, условно неподвижной, установлены магниты. При работе подшипника и относительном вращении катушек и магнитов будет возникать электрический ток, который питает датчики, системы связи и т.д. Конструкция логичная и вместе с тем она значительно усложняет подшипник и, конечно, меняет его технический облик и габариты.
Пьезоэлектрический генератор. Пьезоэлемент в виде кольца из тонкой ленты (например, из пьезокерамики) можно заложить в корпус подшипникового узла. Как вариант — проложить между поверхностью посадочного отверстия и валом. Радиальные нагрузки, вибрации на пьезоэлементе обеспечат системы смарт-подшипника электричеством. К тому же, сигнал с пьезоэлемента и сам по себе «готов рассказать» о вибрации в месте контакта — так и работают всем известные пьезодатчики.
Термоэлектрический генератор в виде термопары нетрудно интегрировать — совместно с датчиком температуры — в систему охлаждения машины либо в систему смазки подшипника. Место спайки проводников в таком случае размещается в неподвижной области, куда отводится тепло от пар трения, а со свободных концов мы снимаем напряжение.
Трибоэлектрический генератор. Если в подшипник с полимерными кольцами и металлическими телами качения мы добавим фторопластовую (тефлоновую) пленку, и шарики или ролики будут катиться по ней, мы получим генератор на трибоэлектрическом эффекте. Разумеется, чтобы «снять» ток, в пленке проложены медные электроды. Измеряя колебания напряжения можно сделать вывод о состоянии тел и дорожек качения, так что генератор — еще и датчик.
Внушают оптимизм недавние испытания трибовольтаического генератора на основе упорного шарикоподшипника. С кольцевым элементом из нитрида галлия, проложенным между сепаратором с шариками и свободным кольцом, подшипник превратился в генератор: напряжение составило почти 140 вольт, а плотность мощности 24.6 кВт/м²·Гц, что почти в 300 раз выше предыдущих попыток команды (в пересчете на реальные условия опыта это ~96 ватт мощности, т.е. ток 0,6 А!). То есть на основе подшипника сконструирован генератор электрической мощностью порядка ста ватт, при этом габариты изделия остались практически неизменны!
Кстати, подшипник работал практически с предельной осевой нагрузкой, при этом элемент из GaN не показал значимого износа в ходе испытаний. Таким образом на основе всем известного упорного подшипника 8105 создана полноценная самопитающаяся смарт-система, включающая в себя сенсоры, систему сбора и передачи данных, способная транслировать сигнал по беспроводному протоколу при частоте вращения подшипника 300 об/мин в течение 16 секунд.
Заключение
Умные подшипники (смарт-подшипники) — это бурно развивающаяся отрасль. Причем настолько инновационная, что даже качественные прогнозы разнятся: некоторые исследователи считают, что за ними будущее и нас ждет повсеместное их внедрение; другие отмечают, что сложность и дороговизна технологии делают смарт-подшипники узко специфическим и часто избыточным решением. Ближайшие десятилетия покажут, кто прав.
Инженеры «Завода подшипниковых узлов» резонно рассуждают, что дорогие решения имеет смысл применять только на ответственных и дорогостоящих участках: в турбинах, больших двигателях и генераторах, на высокоточных станках и так далее, и эта тенденция со временем значительно не изменится. Однако удешевление и массовое внедрение инновационных систем контроля и, в частности, решение прикладных вопросов питания датчиков, непременно повлияет на доступность и распространенность технологий.
Пристальное внимание ученых и инженеров к вопросу автономного питания систем смарт-подшипников однозначно указывает на то, что коммерчески и технически эффективные решения будут найдены в ближайшее время.
