CN102865309A - 模块、装配有该模块的轴承箱及管理对模块的供电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监控容纳在轴承箱（72）中的轴承（80）的状况的至少一个特征物理量的模块（10）、装配有该模块的轴承箱及用于管理对该模块的供电的方法。该模块包括用于提供用于测量物理量的电信号的至少一个状况传感器（54、58）以及电路，该电路包括：用于询问状况传感器的连接至状况传感器的电路；用于监控装置的供电回路；以及节能回路，该节能回路连接至导向构件（80）位移传感器（58）并适于当由位移传感器（58）测得的导向器构件（80）的运动的特征物理量在一预定时间大于预定阈值时重新激活询问回路。

Description

模块、装配有该模块的轴承箱及管理对模块的供电的方法
技术领域
本发明涉及一种用于监控接触式导向构件（contact guide member）的状况的一物理量（特别是一特征物理量）的自动模块。在本发明的范围内，术语接触式导向构件是指用于线性或旋转导向的任何滑动或支承导向构件。该术语特别是指光滑的滚珠（rotating ball）或滚柱轴承。该术语也指线性导向装置，特别是这样的类型，即，包括通过使装备有辊的板在线性轨道上滑动而在线性轨道上循环的板。该术语也指线性轴承、线性滚柱轴承和滚珠螺旋螺母。 
背景技术
在某些应用中，特别是涉及公共运输、能源或工业生产，对设备的可靠性和可用性的要求很高。这些要求使得需要监控这些设备的磨损部件，特别是旋转构件的导向轴承，例如交流发电机轴或轨道轴轴承。 
然而，这些轴承在故障出现前具有极长的潜在服务寿命，这例如是滚柱轴承的几十亿次旋转，然而在恶劣的操作条件下服务寿命将缩短。各种原因可导致滚柱轴承故障，特别是阻塞、磨损、断裂、隔圈破裂、腐蚀或碎裂，其是由于材料疲劳引起的轨道或滚动体的表面的一种损伤形式。 
在这种情况下，包括以定期的时间间隔拆卸轴承以检测其状况的系统的预防性维修涉及较高的固定成本和极其相关的效果，因为以此种方式检测的绝大部分轴承没有故障。 
连续的轴承监控因此代表设备的故障保护操作中的一主要因素，特别是在可用性和可靠性方面。 
文献DE 10 20080 46202提出了一种用于监控旋转构件的状况的自发模块（autonomous module），其利用旋转构件的热的产生而通过热电变换器为监控模块的电路供电。根据一个实施例，该热电变换器和其相关的散热片安装在旋转构件上，构件的旋转提供用于散热片的冷却气流。根据第二实施例，热电变换器和其散热片是固定的，该装置还包括与旋转构件相关的风扇，以用于在散热片处产生强迫气流。然而，该装置不适用于监控容纳在轴承箱（例如轴箱或齿轮箱）中的轴承，其中没有观察到足够的热梯度。 
文献DE 10 2007 017 461描述了一种用于为电路供电的自发模块，其包括利用可从电路的环境中获得的热流而通过塞贝克效应产生电压的热电式发电机。该模块还设置有电路，以用于稳定热电式发电机的输出电压。没有进行用于将该模块整合到适合现场使用的壳体中的布置。因此该模块不适用于在恶劣环境中使用。 
文献DE 10 2007 056 150描述了一种用于测量存在于由具有一孔的壁限定的介质中的一物理量的自发模块，其包括：传感器，用于测量所讨论的物理量；热电传感器，用于为传感器供电；散热片，与热电变换器相关；以及螺钉，旨在穿过壁的孔以实现通过传感器测量该物理量，该螺钉在介质与外部之间通过热电变换器和散热片而用作热导体。此外，设想了无线测量传输装置。然而，该试验性装置被证实不适用于在恶劣的工业环境中使用。 
可关于线性导向构件（特别是辊或滚珠衬底导向装置）的状况的监控进行相似的观察。 
发明内容
本发明的目的在于改进以上确认的现有技术的所有或部分缺点，并且特别是在于提供这样一种装置，即，该装置用于以较小的能耗实现监控接触式导向构件（特别是容纳在轴承箱中的轴承）或线性导向装置，且优选地没有外部有线接头，并且不用对轴承箱或线性导向装置进行极大的修改。 
根据本发明的一个方面，本发明涉及一种轴承箱，其包括：轴承箱体，限定用于容纳用于对旋转构件（特别是轴颈）进行导向的轴承的腔体；轴承箱盖，密封该腔体；以及声发射传感器，附接在轴承箱外部并具有声耦合表面，该声耦合表面与轴承箱的壁的外表面机械地耦合，从而使得声发射传感器适用于检测由轴承内部的局部微位移所引起的并传播至壁的瞬时弹性波。 
传感器在轴箱的外壁上的定位使得能在现有的轴承箱上设想非侵入式装配，使得能避免轴承箱的再次判定。应注意的是，轴承箱的判定，特别是在设备安全很重要的技术领域中，例如对于轨道或电核应用，需要较长的和大量的装载工作台试验。传感器的定位还使得可在预先存在的轴承箱上设想改型翻新。 
经验已表明，出乎意料地，声发射传感器能够提供代表轴承的状况的信号，即使将声发射传感器定位在距离轴承一定距离处且位于轴承箱的与容纳有轴承的腔体相对的一表面上。 
这种类型的传感器能耗较低，因而特别适用于没有外部有线接头的轴承箱的仪器操作。对来自这种传感器的信号的处理也可以是简单的，因而消耗低能量水平。 
在多个应用中，观察到轴承的固定元件（其刚性地连接至轴箱且在下文中一般被称作固定环）没有受到围绕轴承的旋转轴线的均布载荷，而是，相反地，大部分载荷支承在围绕轴承的旋转轴线的有限的角形部分（angular sector）上，例如支承在小于180°且在实际中小于120°的部分上。一般而言，该观察在轴承的旋转轴线是水平的或更一般地相对于确定重力方向的竖直轴线倾斜时进行。例如对于轴箱也是如此，在该情况中，角形部分一般向上开口且对应于其上支撑有车辆的大部分重量的轴承的外环的部分。对于主风力发电机轴也是如此，在该情况中，角形部分适用于面向下且对应于支承旋转元件的大部分重量的区域，该旋转元件由风力发电机的主轴和推进器组成。在此情况下，设想声耦合器壁位于与负载区相同的角形部分中将是有利的，如果有可能，则处于紧邻固定环的对应于负载区的部分中。 
根据一个优选实施例，声发射传感器包括特别适用于减小实际传感器和随后的信号处理中的耗电量的压电式换能器。事实上，这些传感器具有非常好的信噪比，可降低信号放大。 
该声发射传感器可整合在一监控模块中，该监控模块包括用于处理由声发射传感器发射的声发射信号以将该声发射信号与轴承的特征信号（signature）相比较并发射轴承诊断信号的电路。 
该模块有利地包括用于保护声发射传感器和电路的密封的壳体，该壳体包括用于附接至轴承箱的至少一个机械界面（interface）。 
该监控模块还可包括连接至电处理回路的轴承的温度传感器和/或旋转速度传感器，轴承诊断信号取决于测得的温度和/或速度。具体地，特征轴承信号取决于由温度传感器测得的温度和/或由速度传感器测度的速度。 
监控模块还包括连接至处理回路和传输回路的供电回路。这些电路有利地整合在密封的监控模块壳体中。根据利用通过轴承的旋转来散热的一个优选实施例，监控模块还可包括： 
-热电变换器，整合在供电回路中， 
-支承板，用于引导从轴承箱内部运输至热电变换器的热流， 
-冷却散热片，定位成突出到轴承箱外部，以用于将通过热传导运输的热流从热电变换器排放至外部， 
-至少一个隔热密封件，用于将冷却散热片和支承板隔开。 
因而产生轴承箱仪器的自发供电，即，没有外部有线供电接头。 
支承板将优选地接触轴承箱的热耦合壁。声发射传感器可与支承板直接耦合，在该情况中，支承板具有双重功能，即，用作声发射传感器与轴承箱的壁之间的机械耦合界面和用作热传导。 
根据一个实施例，该仪器壳体用于容纳声发射传感器、处理回路、热电变换器、以及至少部分的传输回路（如果适用）。该仪器壳体可至少部分地由散热片、支承板和热密封件组成。 
如果使用热电传感器，可有利地将该热电传感器布置在支承板上。如适用，可设想轴承箱设置有管道，从而支承板进入用于容纳轴承的腔体的内部。 
仪器壳体还可包括本体，该本体与支承板和冷却散热片形成一个或多个用于容纳热电变换器和声发射传感器的密封的腔体。根据一个优选实施例，声发射传感器耦合仪器壳体的本体，通过轴承箱的壁呈现声耦合表面，以向声发射传感器发送由轴承内部的局部微位移所引起的瞬时弹性波。关 于其部件，支承板包括与轴承箱的热分界壁，旨在接触轴承箱的本体或盖的热外表面。该热分界壁优选地垂直于壳体本体的声耦合表面。该布置使得能确保支承板与轴承箱之间的良好接触以用于将热传输至热电变换器，以及确保轴承箱的壁与声耦合表面之间的良好接触。 
该轴承箱盖可有利地包括通向外部的开口壳体，其中容纳有壳体的至少一部分，该壳体具有至少两个垂直的表面，这两个表面包括热耦合壁的外表面和声耦合壁的外表面。 
隔热密封件优选地布置在本体与冷却散热片之间或者本体与支承板之间。该本体可又由隔热材料构成，从而形成隔热密封件的整个或部分。在该情况中，术语隔热材料是指这样一种材料，即，其中，导热率比支承板和散热片的组成材料的导热率低至少五倍，并且优选地低至少十倍。 
例如，所选的仪器壳体的本体的组成材料可以是导热率在26Wm-1K-1的范围内的不锈钢，支承板由导热率在390Wm-1K-1的范围内的铜制成，并且散热片由导热率在230Wm-1K-1的范围内的铝制成。 
如果对于支承板选择在设想的使用条件下受到氧化的材料，例如铜，则保护支承板完全地免受环境空气影响或更一般地免受周围环境影响将是有利的。因而可设想仪器壳体的本体包围支承板的除了与用作热源的轴承箱壁接触的表面（例如耦合壁）之外的所有表面。此外，可设想密封件（如果可以是热密封件）布置在仪器壳体与轴承箱之间，以保护支承板免受恶劣的外部环境影响。因此仪器壳体的本体在设想的使用环境条件下特别是在-40℃至+150℃之间的空气中优选地是不生锈的，或者至少在深度上是不生锈的。 
该模块还可包括由可变形的导热材料制成的至少一个缓冲器，该缓冲器布置在冷却散热片与热电变换器之间或者布置在热电变换器与支承板之间，或者该模块还可包括位于热电变换器的任一侧上的两个衬垫，从而 以受控的接触压力夹紧夹在散热片与支承板之间的热电变换器，而不管与部件制造和装配有关的任何尺寸容限怎样。 
这些缓冲器的存在使得可在模块的设计和生产期间将用于在不利的振动环境中提供机械强度的仪器壳体的部件的设计与用于提供令人满意的热和/或声传导的部件的设计分开。 
对于缓冲器，选择优选地具有非常低的接触热阻的材料。假设支承板、支承板与热电变换器之间的可选的缓冲器、热电变换器自身、热电变换器与散热片之间的可选的缓冲器热串联地布置在由轴承箱壁组成的热源与由环境空气组成的冷源之间，并假设这些元件中的每个具有一热阻，则对于缓冲器将优选地选择这样的材料，即，其中该热阻小于散热片的热阻，并且优选小于支承板的热阻。 
具体地，对于缓冲器将选择带有金属颗粒的柔性橡胶板。也可选择带有金属颗粒的导热油脂。 
优选地，缓冲器适用于压缩时的弹性和/或塑性变形，以吸收大于散热片与支承板之间的最大定位容限的冲程和在热起伏的情况下由不同的材料延伸率所引起的相对运动。已通过杨氏模量在60 kPa至180 kPa之间的并且根据ASTM D2240-02标准测得的肖氏硬度为35的带有玻璃纤维的0.5mm至5mm的板来获得令人满意的结果。 
根据一个实施例，该监控模块还包括无线电传输天线和连接至该天线的电传输回路。该天线可容纳在由至少在对应于最大天线增益的频率范围内透射电磁波的材料制成的盖密封的冷却散热片的腔体中。天线因而得到保护，特别是如果该模块位于不利的环境（例如铁路车辆转向架）中。 
根据本发明的另一方面，本发明涉及一种用于监控轴承的磨损的方法，该轴承布置在一轴承箱中，该轴承箱包括其中容纳有轴承的箱体以及 密封该箱体的箱盖，由此声发射传感器耦合箱的外壁，以测量由轴承内部的局部微位移所引起的并传播至外壁的瞬时弹性波。 
测得的弹性波可有利于与特征轴承信号相比较，以对轴承的状况进行故障测定（troubleshoot）。 
也可测量箱内部的温度，并且根据测得的弹性波和温度对轴承的状况进行故障测定。 
也可测量轴承的旋转速度，并且当轴承的旋转速度小于对于给定时间的预定阈值时，停止对轴承的状况进行故障测定。 
根据本发明的另一个实施例，本发明的目的在于提供一种用于监控导向构件的状况的自发监控模块，其专门使用可从诸如滚柱轴承或光滑轴承的旋转或线性接触式导向构件、线性辊或滚珠丝杠或辊轴承导向装置的直接环境中获得的功率。更具体地，本发明涉及一种用于监控接触式导向构件的状况的至少一个特征物理量的模块，该模块包括： 
-至少一个状况传感器，用于提供用于测量该物理量的电信号， 
-电路，包括： 
--用于询问状况传感器的连接至状况传感器的回路， 
--用于监控装置的供电回路， 
-热电变换器，整合在供电回路中， 
-支承板，用于引导从轴承箱内部运输至热电变换器的热流， 
-冷却散热片，用于将通过热传导运输的热流从热电变换器排放至外部， 
-至少一个隔热密封件，用于将冷却散热片和支承板隔开。 
这样，可使用由导向构件产生的热能；由支承板引导的热通量所携带的该能量通过冷却散热片由设置有冷却源的热电变换器进行转换。 
优选地，该模块包括用于容纳至少部分地由散热片、支承板、和热密封件组成的电路的仪器壳体，该仪器壳体包括用于附接于连接至导向构件的一支撑构件的至少一个机械界面。这提供了适用于安装在连接至导向构件的支撑构件上的整体式组件。该支撑构件例如可以是轴承箱，该轴承箱例如是轴箱、齿轮箱、曲柄箱或风力发电机轴承箱。该支撑构件也可由线性导向系统的移动板构成，所述板设置有辊或用于在固定的导轨中滚动的滚珠的电路。 
如果支撑构件是用于容纳轴承的箱，可设想该支承板直接接触所述箱的外壁，或者进入该箱内部。在通过该模块进行改型翻新的现有轴承箱的所有情形中，第一种解决方案是优选的。 
根据一个优选的实施例，该仪器壳体还包括本体，该本体插在支承板与散热片之间并且与支承板和散热片一起形成用于容纳热电变换器的腔体。隔热密封件可布置在本体与冷却散热片之间和/或布置在本体与支承板之间。本体的组成材料可以是隔热材料，使得本体用作隔热密封件或其一部分。在如上面所提到的情况中，术语隔热材料是指这样一种材料，即，其中导热率比支承板和散热片的组成材料的导热率低至少五倍并且优选地低至少十倍。 
如果对于支承板选择在设想的使用条件下受到氧化的材料，例如铜，则保护支承板完全地免受环境空气影响或更一般地免受周围环境影响将是有利的。因而可设想仪器壳体的本体包围支承板的除了与用作热源的轴承箱壁接触的表面（例如耦合壁）之外的所有表面。此外，可设想密封件 （如果可以是热密封件）布置在仪器壳体与轴承箱之间，以保护支承板免受恶劣的外部环境影响。 
热电变换器夹在散热片与支承板之间。为提供这些元件之间的令人满意的接触压力且有利于该模块的装配，所述模块可有利地设置有至少一个缓冲器，该缓冲器由可变形的导热材料制成，并且布置在冷却散热片与热电变换器之间和/或布置在热电变换器与支承板之间。 
根据一个优选实施例，电路包括连接至电传输回路的无线电传输天线。为在不利环境中进行保护，天线可特别地容纳在由至少在对应于最大天线增益的频率范围内透射电磁波的材料制成的盖密封的冷却散热片的腔体中。 
有利地，电路可包括节能回路，该节能回路连接至导向构件位移传感器，并适用于当轴承旋转传感器信号超过对于给定时间的预定阈值时重新激活（reactivate）询问回路。该位移或移动传感器适用于测量导向构件位移速度或代表导向构件移动的任何其他物理量，例如由加速器测得的振动、由高频压电传感器测得的声发射、温度。在任何情况下，当使用来自旋转传感器所发射的信号的电能来为节能回路供电并激活供电回路时，都应该特别注意。 
根据一个实施例，热电变换器具有面向支承板的热表面以及与热表面相对的且面向冷却散热片的冷表面。热因而在支承板与散热片之间通过传导经由热电变换器传送。如果需要多个热电变换器，则它们可在支承板与散热片之间彼此热串联地或并联地布置。 
该冷却散热片优选地由金属材料制成，例如铝合金。支承板也优选地由金属材料制成，例如铜合金。本体可由不锈钢制成。 
根据一个优选实施例，供电回路包括由热电变换器再充电的电化电池。该电化电池优选地布置在冷却散热片上或布置在由柔性材料制成的缓冲器上，该柔性材料是良好的隔热体，目的在于使电化电池的冷却最大化，其中性能在过高温度的情况下可能受损。 
物理量至少包括轴承的声发射、轴承的温度或轴承的振动。优选地，温度与其他两个物理量结合使用，以确定轴承的状况。 
根据本发明的另一方面，本发明涉及一种轴承箱，该轴承箱包括： 
-箱体，限定用于容纳用于对旋转构件进行导向的轴承的腔体；以及 
-箱盖，密封该腔体； 
-如上所述的监控模块，用于监控轴承的状况的至少一个特征物理量，监控模块的支承板接触并抵靠箱体或箱盖的壁或者穿过此壁的一开口。 
根据本发明的一个具体应用，轴承箱是容纳轴颈的轴箱，该冷却散热片包括与垂直于轴承的旋转轴线的水平轴线平行的平的散热片。 
根据另一个应用，该轴承箱是容纳风力发电机推进器轴的风力发电机轴承箱，冷却散热片优选地包括与气流的方向平行地布置的平的散热片。 
轴承可具体地是滚柱轴承或光滑轴承。 
有利地可设想，箱体或箱盖具有通向箱的外部且用作监控模块的座的腔体，散热片突出到该腔体外部。优选地，该腔体具有垂直于轴承的旋转轴线且用作热耦合壁的侧壁。该热耦合壁优选地是轴承的负载区，其也对应于最大散热区。 
根据本发明的另一个方面，本发明涉及一种用于为用于监控容纳在轴承箱中的轴承的状况的至少一个特征物理量的模块供电的方法，由此： 
-通过热传导将热从轴承箱内部传送至位于轴承箱外部的热电变换器的热表面； 
-通过热传导将热从热电变换器的冷表面传送至位于强迫环境气流中的相对于轴承箱隔热的冷却散热片； 
-通过热电变换器为电化电池充电； 
-通过热电变换器和/或电化电池为用于询问用于测量物理量的传感器的电路供电。 
电压适配器可插在热电变换器与电池之间。 
优选地，连接至无线电天线的传输回路由热电变换器和/或电化电池供电。 
为限制能耗，可设想当轴承的旋转速度在一预定时间低于预定阈值时停止至少对询问回路的供电。 
本发明的另一方面涉及一种用于监控接触式导向构件的状况的至少一个特征物理量的模块，该模块包括： 
-至少一个状况传感器，用于提供用于测量该物理量的一电信号， 
-电路，包括： 
-用于询问状况传感器的连接至状况传感器的电路， 
-用于监控装置的供电回路，以及 
-节能回路，连接至导向构件位移传感器，并适用于当由接触式导向构件位移传感器测得的接触式导向构件的特征物理量在一预定时间超过预定阈值时重新激活询问回路。 
节能回路使得可定义一种使该模块所需的功率最小化的用于询问状况传感器的电路的最佳供电策略，使得可导致模块是自发的（如果适用），因为其无需外部供电。 
该监控模块特别适用于监控轴承。轴承的旋转的特征物理量可以是通常由速度传感器测得的轴承转速、由温度传感器测得的轴承箱或轴承箱外壁的温度、  由对小于20kHz并优选地小于100Hz的频率范围特别敏感的加速传感器测得的轴承箱或轴承的振动或声发射。相似地，为监控线性导向构件，线性运动的特征物理量可以是通常由速度传感器测得的线性导向系统的板的速度、由温度传感器测测得的板或板在其中移动的导轨的温度、由对小于20kHz并优选地小于100Hz的频率范围特别敏感的加速传感器测得的板的振动或声发射。 
一旦已超过阈值，可选择询问回路的中间激活，在该情况下，等待时间是零。 
在测量循环结束时，或者当由状况传感器测得的导向构件的状况的特征物理量降低到预定阈值以下时，或者当由导向构件运动传感器测得的导向构件的运动的特征物理量在一预定时间降低到预定阈值以下时，该电路可自动处于备用状态。 
根据一个优选实施例，供电回路包括电化电池。 
供电回路可包括适用于将导向构件发出的动能和/或热能转换成电能的至少一个换能器。该换能器可具体地包括如以上结合本发明的其他方面所描述的热电变换器、以及例如这样的热电变换器，即，该热电变换器具 有热表面以及冷表面，该热表面通过热传导连接至模块的与导向构件的壁接触或穿过导向构件壳体的壁的支承板，该冷表面通过热传导连接至优选地定位在气流中的冷却散热片。 
根据一个优选实施例，接触式导向构件是容纳在轴承箱中的轴承。换能器包括至少一个热电变换器，该热电变换器具有热表面以及冷表面，该热表面通过热传导连接至监控模块的接触轴承箱的壁或穿过轴承箱的壁并进入轴承箱内部的支承板，该冷表面通过热传导连接至冷却散热片。 
也可设想，导向构件运动传感器连接至供电回路，从而当导向构件旋转时，导向构件运动传感器产生为供电回路供电的信号。这提供了一种适用于主要或辅助使用的能源，例如除了热电变换器以外。对于线圈式极化无源电磁速度传感器和发音轮或磁编码器，这是特别可能的。 
该监控模块还可包括无线电传输天线和连接至天线的传输回路。还为了能量控制，可设想传输回路适用于当所述天线设置在远程发射接收机装置的电磁场中时通过天线供电。在此设计中，传输回路可限制供电回路在传输阶段的使用，如果传输阶段出现在停车期间，例如出现在维修阶段（其中轴承不发热也不旋转），这是特别有利的。 
此外，还为使能量需求最小化且使监控模块的自发最大化，可设想状况传感器是适用于检测由导向构件内部的局部微位移所引起的瞬时弹性波的声发射传感器。实际上，此传感器具有较低的能耗且无需也消耗能量的复杂信号处理。然而，可设想其他状况传感器，例如温度传感器或加速传感器。 
根据本发明的另一个方面，本发明涉及一种轴承箱，特别是一种轴箱，该轴箱包括： 
-轴承箱体，限定用于容纳用于对特别是轴颈的旋转构件进行导向的轴承的腔体，以及 
-轴承箱盖，密封该腔体， 
-如上所述的监控模块，用于监控轴承的状况的至少一个特征物理量。 
该状况传感器优选地布置在轴承箱外部，优选地布置在附接至轴承箱的特定壳体中。轴承旋转传感器可布置在轴承箱外部（例如，对于测温或加速传感器）。其也可通过轴承箱体或轴承箱盖的壁的一开口进入腔体内部。 
根据本发明的另一个方面，本发明涉及一种轴承箱，特别是轴箱，包括： 
-用于附接至轴承箱体的装置；以及 
-如上所述的监控模块，用于监控轴承的状况的至少一个特征物理量，监控模块的支承板接触并抵靠轴承箱盖的热和/或声耦合壁，或穿过该轴承箱盖的壁的一开口。 
该解决方案特别适用于现有设备的翻新，并且仅部分的轴承箱被改变为盖，这无需整个轴承箱的再次判定。 
根据本发明的另一个方面，本发明涉及一种用于管理对模块的供电的方法，该模块用于监控容纳在轴承箱中的轴承的状况的至少一个特征物理量，由此： 
-通过至少一个热电变换器为电化电池充电； 
-当轴承的旋转速度大于第一预定阈值时，为用于询问用于测量物理量的状况传感器的电路供电； 
-当轴承的旋转速度小于对于给定时间的第二预定阈值时，至少停止为询问回路供电。 
如以上所论述的，该节能测量实现了监控模块的更大自发性。 
附图说明
在阅读了以下参考附图的描述之后，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，附图示出了： 
-图1是根据本发明的一个实施例的监控模块的方框图； 
-图2是根据本发明的一个实施例的监控模块的截面图； 
-图3是沿与图2中的截面平面平行的一截面平面的图2中的监控模块的截面图； 
-图4是图2中的监控模块的分解图； 
-图5是结合有图2中的监控模块的轴承箱（在该情况下为轴箱）的截面图； 
-图6是根据一个可替代实施例的截面图。 
为了更简洁，在所有图中用相同的参考标号指代相同或相似的元件。 
具体实施方式
图1示意性地示出了旋转轴承监控模块10，其由多个技术块组成，即，一个用于从环境中回收能量的块12；一个用于管理并存储该能量的块14；一个由一个或多个传感器组成的用于测量轴承的状况的一个或多个特征物理量的测量块16；一个信号处理块18；以及一个用于发送对轴承的状况的诊断的块20。在下文中，为了说明的目的，将假设所讨论的轴承是容纳在轨道轴箱中的滚柱轴承，但无需限制其具体应用。 
能量回收可利用在传感器的直接环境中得到的各种能量源，特别是由轴承导向的轴的旋转或轴承附近的温度。理论上可设想其他可用的能量源，例如任何轴承环的变形或太阳能。应考虑到所选的机械一体化和结合有轴承所需仪器的系统而做出选择。 
在图2至图5更详细地示出的实施例中，能源回收块实现为至少一个热电变换器，在该情况下为平行地定位在热流中的两个热电变换器22、24，如图2中示意性地示出。以已知的方式，这些热电变换器22、24每个均包括适用于放置在热流中以获得期望的热电效应的加表面和冷表面。由于还需要机械地保护这些热电变换器免受其潜在的不利环境影响，它们插入到允许所述热流的仪器壳体26中。该壳体包括金属支承板28，该支承板例如由铜或铜基合金制成，具有暴露于热源的侧外热耦合表面30以及接触并抵靠也由铜制成的适配器34的内表面32，所述适配器直接接触热电变换器的热表面。优选地，适配器34由螺钉35附接至支承板28。该壳体还包括由铝合金制成的散热片36，该散热片旨在定位在冷却气流中，或者定位在至少相对于热源的相对较冷的气流中。热通路通过铜适配器38和缓冲器40形成在热电变换器22、24的冷表面与冷却的散热片36之间。 
散热片36和支承板28相互不直接接触，而是相反地，由壳体的本体41分隔开，该本体与支承板28和散热片36形成用于容纳热电变换器22、24的腔体42，该腔体在一侧上由散热片36密封并在另一侧上由支承板28 密封。优选地，本体41由隔热材料组成并形成将支承板与散热片隔开的热密封件。该本体也可由导热材料组成，在该情况下，必须在本体41与散热片36之间设置特定的热密封件，和/或在本体41与支承板28之间设置特定的热密封件。 
支承板28优选地通过附接螺钉47附接至本体41，如图4中示出。散热片36优选地使用附接螺钉48安装在本体上。在一个实施例的实例中，考虑到所设想的用于安装轨道轴箱的应用的极大机械载荷，设置有不锈钢本体，支承板由铜制成并且散热片由铝制成。密封件43、44设置在支承板28与本体41之间，并设置在本体41与散热片36之间。由隔热材料制成的刚性板46也设置在本体与散热片之间，以在其中形成热密封。为防止支承板28的任何氧化，不锈钢本体41包围并完全覆盖支承板28的除了热耦合表面之外的所有表面。 
在仪器壳体26的装配期间，热电变换器夹在适配器34、3 8之间，并且最终夹在支承板28与散热片36之间。布置在散热片36与适配器38之间的缓冲器40可变形，并且能完全控制热电变换器与适配器之间的界面的接触压力。在图中示出的实例中，该缓冲器40布置在散热片36与位于热电变换器22、24的冷表面侧上的适配器38之间，但根据一个可替代实施例，该缓冲器可替代地可定位在位于热电变换器的热表面侧上的适配器34与支承板28之间。可设想在热电变换器22、24的每侧上有两个缓冲器，以保护热电变换器22、24的冷表面和热表面。这些缓冲器由良好的隔热可变形材料制成，并且具有适用于其间所插入的部件的表面特性，以使接触面积最大化并使每个界面处的接触热阻最小化。 
该仪器壳体26不仅适用于容纳热电变换器22、24，还适用于容纳监控模块10的电路，该电路由使用螺钉51附接至本体的一个或多个印刷电路50表示，并结合有能量管理和存储块14、测量块16、信号处理块18和传输块20。 
该电路特别地包括用于管理供电的电路，该电路连接于热电变换器22、24并连接于电化电池52。电化电池52有利地与支承板隔热且热连接于散热片，以确保电池在足够低的温度范围内操作。该供电管理电路有利地可包括用于确定电化电池的充电水平的电路。 
该电路还包括询问轴承的状况的电路，该电路连接于轴承的状况的特征物理量的一个或多个传感器，在该情况下，连接于声发射传感器54、温度传感器以及速度传感器58（如果适用）、或其他传感器（例如在文献FR 2 944 875中设想的那些传感器），将其描述通过引证结合于此。 
声发射是由于在带有不可逆损伤的材料中以瞬时弹性波的形式释放能量所导致的。来自旋转期间的光滑轴承或滚柱轴承部件的声发射使得能确定损伤，例如部件上的裂缝或缺口，对于光滑轴承，能确定润滑状态或可能的层压。可通过试验确定该损伤的特定信号。声发射传感器54包括压电式换能器，该压电式换能器具有带有待监控的部件的耦合表面，并且对超声波范围中（特别是高于20 kHz的振动范围中）的振动敏感。该声发射传感器54布置在监控模块10的仪器壳体26中并机械地直接耦合支承板28或直接耦合仪器壳体的本体41。在图中示出的实施例中，声发射传感器54更具体地附接并耦合壳体的本体41、压在旨在直接接触轴承箱的壁的薄壁60。设置有电磁屏蔽盖62，以使声发射传感器54免受任何干扰。 
测温传感器接触支承板的热表面、直接靠近热电变换器的热表面而设置。 
询问回路对测温传感器和声发射传感器54进行询问，并将数据发送至信号处理回路。考虑到系统的能量平衡，这自动地并不复杂。实际上，该过程的简化是优选的，以实现更大的测量频率。处理回路还包括数据存储器。根据测得的声发射水平，轴承的操作条件由潜在地采用三种状态的指示器表示： 
-绿色：轴承是完好的 
- 橙色：检测到破裂的开始。有必要安排维修操作，以替换该轴承。这可在与下一预定的维修间隔相同的时间执行。 
红色：破裂发展。急需替换该轴承，以防止任何潜在的过热和任何断裂。 
根据指示器的状态，可读取为了更深入的分析而记录的测量结果。 
最后，该电路包括连接于传输天线64的低能耗射频传输回路。天线64容纳在散热片中所设置的腔体66中。该腔体面向外并由透射电磁波的材料制成的防护罩68密封。由于构成散热片36的金属质量，因此天线64的设计是特定的并考虑到材料的电磁特征。导电的金属板70插在天线与散热片之间，以形成适用于提高天线的性能的布局。 
所限定的监控模块适用于安装在轴承箱中，该轴承箱例如为铁路车辆轴箱72，如图5中示出，包括由箱盖76密封的箱体78，限定用于容纳用于对轴颈82进行导向的轴承80的密封腔体78。在该情况下，并非任何形式的限制，轴承80是滚柱轴承，包括带有两个倾斜的轴承轨道的固定的外环84、带有倾斜的轴承轨道的两个内环86以及滚动体88（在该情况下为保持在罩90中的锥形辊）。固定的外环84刚性地连接于轴箱的本体74，而内环84安装在轴颈82上并由轴颈盖92保持在位。 
如图中示出，监控模块10定位在盖76的凹槽94中，并且侧热耦合壁30压在直接处于轴承80、94的负载区中的侧壁96上，以使通过形成热耦合壁的该壁96的传热最大化。监控模块10的仪器壳体26的本体41通过四个螺钉98（图4）附接于盖的凹槽94，从而在仪器壳体的本体41与轴箱72的盖76之间在凹槽94（其也形成声耦合壁）处形成的令人满意的接触压力。密封件1 00设置在仪器壳体的本体41与轴承箱72之间，包 围支承板28，以保护支承板28。明显地，凹槽94的声耦合壁和热耦合壁96相互垂直，从而可在本体41与声耦合壁94之间以及支承板与热耦合壁96之间观察到尺寸链，而无论本体41与支承板28之间的装配容限如何。 
速度传感器58通过一孔穿过凹槽的壁，以进入轴箱的内部78，面向编码器104且位于距离该编码器一间隙处，该编码器刚性地连接于旋转元件，例如，轴颈盖92，或轴承的一个旋转内环86。所讨论的编码器104是所谓的“顶部巡视（top tour）”编码器，适用于检测每次旋转的一种或两种状态变化。该信息是足够的，因为速度传感器58基本用于管理电路的能量从而使能耗最小化，并且用于对轴承的状况进行故障测定，其无需精确地知道速度。 
当轴的速度小于备用速度阈值时，例如在所讨论的铁轨应用中，对于所讨论的铁路车辆，等于处于80千米/小时的区域中的速度，电路保持在深度睡眠模式中，从而使耗电量非常低或为零。当轴82的速度超过给定的阈值时，速度传感器58的终端处的电压使得电路离开备用模式，从而可起动监控循环。 
相反地，当轴82的速度降到可选地等于第一阈值的第二预定阈值以下并且在长于预定时间的时间段内保持时，电路进入到深度睡眠模式中。 
当然，可设想各种可替代实施例。 
图6代表没有速度传感器的一个可替代实施例。于是可以设想用于使该模块所消耗的能量最小化的各种策略： 
-可仅设想以时间间隔（例如每天一次）进行询问； 
-如果该模块中找到其他传感器，也可根据由这些传感器中的任一个输出的具有足够的能量的信号和轴承旋转特征（例如温度信号或测得的振动RMS值）来设想致动电路。 
在可观察到足够的轴承过热和轴承箱的内部与外部环境之间的极大温差的应用中，监控模块10不仅能适用于轴箱，也可适用于其他类型的滚柱轴承或光滑轴承箱，特别是适用于风力发电机或工业机器。 
该壳体可形成为没有本体，在该情况下附接至支承板的散热片插入有热密封件。 
速度传感器58可用作监控模块10的辅助能量源或主要能量源。为此，速度传感器58应通过多个极与多极编码器环相关联，例如每次旋转32个极，以产生用于为电路和电池52供电的交流电。 
可省去适配器34、38或它们中的至少一个。 
热变换器的数量和其热串联和/或并联、以及电串联和/或并联的布置对于每个应用可所有不同地确定，特别是根据体积限制，热源和冷源处可提供的热差和/或待产生以可与电化电池兼容的电压范围。 
传输回路可以是完全无源的，从而天线64也用于获得由远程扫描天线发射的电磁能，所述能量用于传输回路，以发送关于正在监控的轴承的状况的信息。 
以上描述也可用于线性导向系统。 

Claims (13)

1.一种用于监控接触式导向构件（80）的状况的至少一个特征物理量的模块（10），所述模块包括：
-用于提供用于测量所述物理量的电信号的至少一个状况传感器（54、58）；
-电路，所述电路包括：
--用于询问所述状况传感器的连接至所述状况传感器的回路；
以及
--用于所述监控装置的回路，
其特征在于，所述电路包括节能回路，所述节能回路连接至导向构件（80）位移传感器（58）并适于当由所述位移传感器（58）测得的所述导向构件（80）的运动的特征物理量在一预定时间大于预定阈值时重新激活所述询问回路。
2.根据权利要求1所述的监控模块（10），其特征在于，所述供电回路包括电化电池（52）。
3.根据权利要求1或2所述的监控模块（10），其特征在于，所述供电回路包括适于将由所述导向构件（80）发出的动能和/或热能转换成电能的至少一个换能器（22、24、58）。
4.根据权利要求3所述的监控模块（10），其特征在于，所述换能器包括至少一个热电变换器（22、24），所述热电变换器具有热表面以及冷表面，所述热表面通过热传导连接至所述监控模块（10）的与所述导向构件（80）的壁（96）接触或穿过所述导向构件的壁的支承板（28），所述冷表面通过热传导连接至冷却散热片（36）。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的监控模块（10），其特征在于，所述接触式导向构件（80）是容纳在轴承箱（72）中的轴承（80）。
6.根据权利要求5或3所述的监控模块（10），其特征在于，所述换能器包括至少一个热电变换器（22、24），所述热电变换器具有热表面以及冷表面，所述热表面通过热传导连接至所述监控模块（10）的与所述导向构件（80）的壁（96）接触或穿过所述轴承的壁且进入所述轴承箱内部的支承板（28），所述冷表面通过热传导连接至冷却散热片（36）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的监控模块（10），其特征在于，所述位移传感器（58）连接至所述供电回路，从而当所述导向构件（80）旋转时，所述位移传感器（58）产生用于为所述供电回路供电的信号。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的监控模块（10），其特征在于，由所述位移传感器（58）测得的所述导向构件（80）的运动的特征物理量是温度、振动、声发射或速度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的监控模块（10），其特征在于，所述监控模块（10）还包括无线电传输天线（64）以及连接至所述天线的电传输回路。
10.根据权利要求9所述的监控模块（10），其特征在于，所述电传输回路适于通过设置在远程发射接收机装置的电磁场中的所述天线（64）来供电。
11.根据前述权利要求中任一项所述的监控模块（10），其特征在于，所述状况传感器包括适于检测由所述导向构件（80）内部的局部微位移所引起的瞬时弹性波的声发射传感器（54）。
12.一种轴承箱（72），特别是轴箱，包括：
-轴承箱体（74），限定用于容纳用于对特别是轴颈的旋转构件（82）进行导向的轴承（80）的腔体（78）；以及
-轴承箱盖（76），密封所述腔体（78），
其特征在于，所述轴承箱装配有根据前述权利要求中任一项所述的用于监控所述轴承（80）的状况的至少一个特征物理量的监控模块（10），所述状况传感器（54）布置在所述轴承箱（72）外部，所述轴承位移传感器（58）经由所述轴承箱体（74）或所述轴承箱盖（76）的壁的一开口进入所述腔体（78）。
13.一种用于管理对模块（10）的供电的方法，所述模块用于监控容纳在轴承箱（72）中的轴承（80）的状况的至少一个特征物理量，其特征在于：
-通过至少一个热电变换器（22、24）为电化电池（52）充电，
-当所述轴承的旋转速度在一预定时间大于第一预定阈值时，为用于询问用于测量所述物理量的状况传感器（54、58）的回路供电，
-当所述轴承的旋转速度在一给定时间小于第二预定阈值时，至少停止为所述询问回路供电。
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