CN103671581B - 全断面岩石掘进机带嵌入式传感器的主轴承组件 - Google Patents

Abstract

本发明全断面岩石掘进机带嵌入式传感器的主轴承组件属于隧道施工机械领域，涉及一种采用多种位移传感器装置，并和主轴承集成一体的能有效提取主轴承故障信号的全断面岩石掘进机主轴承组件。主轴承组件由主轴承和安装在主轴承上的位移传感器装置、压力传感器装置、油液监测传感器装置、速度传感器装置集成为一体；所有的传感器装置均嵌入在主轴承中，并通过各自的线缆将传感器信号输出。集成后的主轴承组件能够实时监测自己的工作性能。并在出现故障后，能够及时将警报信号传输给机械控制系统，及早发现主轴承早期故障，及时采取措施，提高主轴承和隧道掘进设备的工作寿命。它可以作为独立的产品进行生产和销售，方便用户的使用。

Description

全断面岩石掘进机带嵌入式传感器的主轴承组件

技术领域：

本发明属于隧道施工机械领域，涉及一种采用多种位移传感器装置，并和主轴承集成一体的能有效提取主轴承故障信号的全断面岩石掘进机主轴承组件。

背景技术：

主轴承是隧道掘进类机械的最关键的部件，是隧道掘进类机械设计的核心技术之一。主轴承的寿命决定着隧道掘进类机械的整机寿命，在施工过程中是不允许坏的，一旦损坏带来的损失是不可估量的。主轴承多采用适合低速重载环境下的回转支承，且根据具体的工程环境，主轴承多为多排多列的圆柱滚子组合形式轴承。由于主轴承的重要性和其工况的恶劣性，有必要对其运行状态进行监控和故障检测，确保设备的运行安全，减少意外停机，从而获得更好的经济效益。而使用通常的监测手段，由于主轴承安装空间的限制，可触及的检测点离主轴承较远，无法准确得获取主轴承的运行状态信息。因此，在保证主轴承有足够承载能力的情况下，采用嵌入式的智能轴承技术进行主轴承的在线监测与故障诊断成为了较好的选择。

随着科学技术的发展，机械的自动化程度和精密程度越来越高，早期的轴承检测手段已经落后。融传感器技术、信号处理技术及计算机技术一体的智能诊断技术成为主流。采用这种技术的主轴承的结构形式包括外挂式和嵌入式两种形式。外挂式附加在轴承上，不破坏轴承的完整性，但监测对象和范围有限，在实际中较难广泛应用。而嵌入式智能轴承则是将传感器嵌入到主轴承体内，这种方法的优点在于使传感器装置能够尽可能地接近被测信号的发生源，采集的信号更能真实地反映轴承的实际工作状态，信噪比高。但是传感器元件在主轴承上的合理布置等关键问题，使得嵌入式的应用受到限制。

针对隧道掘进类设备的主轴承，由于地质条件的恶劣，使得主轴承的振动较大，必须对振动信号进行检测，以防造成巨大的经济损失。为了防止不同外圈间的动态压力过大和轴承的接触失效，需检测压力信号。对主轴承的润滑系统而言，为防润滑油的粘度过低和大量杂质颗粒的进入而导致润滑失效，需同时检测润滑油的粘度和杂质颗粒的数量。另外，为了防止转速过快，导致主轴承受力过大失效，需实时检测速度信号。这样的话，就需要设计出将位移振动传感器装置、压力传感器装置、油液检测传感器装置、速度传感器装置和主轴承集成一体的智能轴承单元。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，针对隧道掘进类设备所用主轴承的特性，发明一种将位移传感器装置、压力传感器装置、油液检测传感器装置、速度传感器装置集成一体，能有效地提取主轴承故障信号的带嵌入式传感器的主轴承组件。与传统的轴承相比，集成后的主轴承组件能够实时监测自己的工作性能。并在出现故障后，能够及时将警报信号传输给机械控制系统，及早发现主轴承早期故障，及时采取措施，提高主轴承和隧道掘进设备的工作寿命。

本发明的具体方案是：一种全断面岩石掘进机带嵌入式传感器的主轴承组件，该主轴承组件由主轴承和安装在主轴承上的位移传感器装置、压力传感器装置、油液监测传感器装置、速度传感器装置集成为一体；所有的传感器装置均嵌入在主轴承中，并通过各自的线缆将传感器信号输出；

所述的主轴承采用三排四列的圆柱滚子结构，由左外圈22、中外圈11、右外圈3、若干均布的下主推滚子5、若干均布的上主推滚子6、若干均布的径向滚子17、若干均布的反推滚子24、内圈26、主推上减震器8、主推下减震器2、径向左减震器19、径向右减震器14、反推上减震器21、反推下减震器25组成；在内圈26的第一内圈端面a上均布安装下主推滚子5和上主推滚子6，然后在主推下端面b、主推上端面d上分别安装主推下减震器2和主推上减震器8，最后在第一右外圈端面c上安装右外圈3；在内圈26的第二内圈端面r上均布安装反推滚子24，然后在第一反推端面p、第三反推端面s上分别安装反推上减震器21和反推下减震器25，最后在第二反推端面q上安装左外圈22；在内圈26的第三内圈端面t上均布安装径向滚子17，然后在第二径向端面k、第三径向端面u上分别安装径向左减震器19和径向右减震器14，最后在第一径向端面i上安装中外圈11；左外圈22、中外圈11和右外圈3通过螺栓联接在一起；

位移传感器装置由主推位移传感器12、反推位移传感器20、第二主推位移传感器30、第二反推位移传感器34组成；主推位移传感器12和第二主推位移传感器30、反推位移传感器20和第二反推位移传感器34，分别安装在第一中外圈端面e和第三左外圈端面n上，采用螺纹联接，各个传感器的输出线缆通过向上和向右连通的槽，从右外圈3的槽口处伸出与外设相连；位移传感器装置的布置采用对称布置，成180°角的位置上安装有相同的位移传感器装置；

压力传感器装置由主推下压力传感器4、主推上压力传感器7、径向压力传感器15、反推压力传感器23、外圈右压力传感器10、外圈左压力传感器16、第二外圈右压力传感器29、第二外圈左压力传感器32组成；主推下压力传感器4、主推上压力传感器7安装在第一右外圈端面c的右端，处于下主推滚子5的中心线上和上主推滚子6的中心线上，采用粘接方式，各个传感器的输出线缆直接从右外圈3右端的槽口伸出与外设相连；径向压力传感器15安装在第一径向端面i上边，处于径向滚子17的中心线上，采用粘接的方式，传感器的输出线缆直接从中外圈11上端的槽口伸出与外设相连；反推压力传感器23安装在第二反推端面q左边，处于反推滚子24中心线上，采用粘接的方式，传感器的输出线缆直接从左外圈22左端的槽口伸出与外设相连；外圈右压力传感器10和第二外圈右压力传感器29、外圈左压力传感器16和第二外圈左压力传感器32分别安装在第二右外圈端面f和第一左外圈端面h上，采用螺纹联接的方式，各个传感器的输出线缆直接从左端右外圈3的槽口伸出与外设相连；压力传感器装置的布置采用对称布置，成180°角的位置上安装有相同的压力传感器装置；

油液监测传感器装置由油液右侧检测传感器9、油液中间检测传感器13、油液左侧检测传感器18、第二油液右侧检测传感器28、第二油液中间检测传感器31、第二油液左侧检测传感器33组成；油液右侧检测传感器9和第二油液右侧检测传感器28、油液中间检测传感器13和第二油液中间检测传感器31、油液左侧检测传感器18和第二油液左侧检测传感器33分别安装在第一中外圈端面e、第二中外圈端面g、第二左外圈端面m上，采用螺纹联接的方式，各个传感器的输出线缆直接从左端右外圈3的槽口伸出与外设相连；油液监测传感器装置的布置采用对称布置，成180°角的位置上安装有相同的油液监测传感器装置；

速度传感器装置由速度传感器27构成；速度传感器27安装在第二中外圈端面g上，采用螺纹联接的方式，传感器的输出线缆直接从中外圈11上端的槽口伸出与外设相连；速度传感器装置的布置采用对称布置，成180°角的位置上安装有相同的速度传感器装置。

本发明具有如下有益效果：将主轴承和传感器结合为一个整体结构，可以作为独立的产品进行生产和销售，方便用户的应用；能够同时检测轴承端面相互垂直的振动；采用成180°的两速度传感器装置检测主轴承转速，对信号的采集具有相互弥补作用；采用油液检测，可以分析由于轴承润滑失效产生的故障；采用压力传感器可以分析轴承的疲劳失效和外圈端面的结合面动态压力；与传感器结合的轴承是多排多列的圆柱滚子轴承形式，可以为多排多列轴承的诊断监测提供参考，拓宽了诊断对象的范围。

附图说明

图1是主轴承组件的主视图；图2是图1的A-A剖视图；图3是图1的B-B剖视图；图4是图1的C-C剖视图。

图中：1、主轴承；2、主推下减震器；3、右外圈；4、主推下压力传感器；5、下主推滚子；6、上主推滚子；7、主推上压力传感器；8、主推上减震器；9、油液右侧检测传感器；10、外圈右压力传感器；11、中外圈；12、主推位移传感器；13、油液中间检测传感器；14、径向右减震器；15、径向压力传感器；16、外圈左压力传感器；17、径向滚子；18、油液左侧检测传感器；19、径向左减震器；20、反推位移传感器；21、反推上减震器；22、左外圈；23、反推压力传感器；24、反推滚子；25、反推下减震器；26、内圈；27、速度传感器；28、第二油液右侧检测传感器；29、第二外圈右压力传感器；30、第二主推位移传感器；31、第二油液中间检测传感器；32、第二外圈左压力传感器；33、第二油液左侧检测传感器；34、第二反推位移传感器；a、第一内圈端面；b、主推下端面；c、第一右外圈端面；d、主推上端面；e、第一中外圈端面；f、第二右外圈端面；g、第二中外圈端面；h、第一左外圈端面；i、第一径向端面；k、第二径向端面；m、第二左外圈端面；n、第三左外圈端面；p、第一反推端面；q、第二反推端面；r、第二内圈端面；s、第三反推端面；t、第三内圈端面；u、第三径向端面。

具体实施例

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。全断面岩石掘进机由刀盘、法兰盘、主轴承、主驱动壳体和前盾体等组成。主轴承通过驱动系统和齿轮组提供刀盘向前推进、转向纠偏和旋转切削所需要的推力、扭矩和倾覆力矩，同时通过螺栓和法兰盘联接刀盘，并承受刀盘的自重。由于地质条件的恶劣，主轴承在工作时，振动较大，故需采用振动传感器用于检测轴承的两个垂直方向的振动信号，同时由于掘进机在工作过程中主轴承转速较低，额定转速在2rpm，振动较小，根据传感器的选用原则，采用对微小振动较敏感的位移传感器；为了防止轴承的接触疲劳失效和不同外圈间的动态压力过大，故需安装压力传感器则用于测量轴承的接触压力和不同外圈之间的结合面动态压力；为了防止长时间的工作导致主轴承润滑系统的失效，故需安装油液监测传感器用于检测轴承油液润滑的情况；在掘进机推进时，为防止掘进设备转速过快引起主轴承受力过大，故需安装速度传感器用于检测主轴承内圈的转速。通过对主轴承的工作状态和可能的失效形式的分析，采用这几种检测方法相互补充，相互对照，解决了单一传感器检测带来的弊端。由于掘进机主轴承在运行时振动较大，为了防止传感器脱落，在其安装时进行粘接或者螺纹联接。

在主轴承的现有结构上如何合理布置传感器。由于主轴承的多排多列的特性和安装空间的限制，故采用将传感器嵌入式分布在主轴承的定圈-外圈上。在其上嵌入的有位移传感器装置、压力传感器装置、油液监测传感器装置和速度传感器装置。各个传感器的输出线缆均分别从各自的开槽处伸出，与外设相连，实现了对这几种信号的提取。以位移振动测量为主，速度、油液和压力监测为辅助手段。位移传感器分布在主轴承外圈截面上，靠近主轴承滚子的部分，在主轴承外圈端面上均匀分布多个用于检测主轴承的两个垂直方向的振动信号；压力传感器则用于测量主轴承的接触压力和不同外圈之间的结合面动态压力。用于测量主轴承的接触压力的压力传感器分布在主轴承外圈的截面上，由于主轴承在竖直方向上的接触压力最大，故仅在竖直方向布置压力传感器。用于测量不同外圈之间的结合面动态压力的压力传感器分布在主轴承不同外圈接触的截面上，在主轴承外圈端面上均匀分布多个；油液监测传感器分布在主轴承外圈截面上，靠近主轴承滚子的部分，在主轴承外圈端面上均匀分布多个，用于检测主轴承油液润滑的情况，防止润滑失效的发生；速度传感器分布在主轴承不同外圈接触的截面上，端面上分布若干个，用于检测主轴承内圈的转速，防止掘进设备推进转速过快，引起主轴承失效。这几种检测手段相互补充，相互对照，解决了单一传感器检测带来的弊端。由于主轴承在运行时振动较大，为了防止传感器脱落，在其安装时进行粘接或者螺纹联接。

夲实施例中的位移传感器采用电涡流位移传感器；压力传感器采用压电式压力传感器；油液监测传感器采用压电传感器；速度传感器采用磁电式转速传感器。

图1是主轴承组件的主视图，主轴承组件结构为对称分布。

图2是主轴承组件的A-A剖视图，图中所示的主推位移传感器12、反推位移传感器20这两个是位移传感器装置，分别安装在第一中外圈端面e和第三左外圈端面n上，采用螺纹联接，输出线缆通过向上和向右连通的槽，最后从右外圈3的槽口处伸出与外设相连，用于就近检测滚子的振动情况。位移传感器装置采用电涡流位移传感器装置，采用电涡流效应，可以动态精确地测量轴承滚子的动态振动；主推下压力传感器4、主推上压力传感器7这两个是压力传感器装置，安装在第一右外圈端面c的右端，处于下主推滚子5的中心线上和上主推滚子6的中心线上，采用粘接方式，各个传感器的输出线缆直接从右外圈3右端的槽口伸出与外设相连。径向压力传感器15是压力传感器装置，安装在第一径向端面i上面，处于径向滚子17的中心线上，采用粘接的方式，传感器输出线缆直接从中外圈11上端的槽口伸出与外设相连。反推压力传感器23是压力传感器装置，安装在第二反推端面q左边，处于反推滚子24中心线上，采用粘接的方式，传感器输出线缆直接从左外圈22左端的槽口伸出与外设相连。这四个压力传感器装置，分别用于检测接触压力，以便于判断主轴承在运行过程中的接触失效情况。外圈右压力传感器10、外圈左压力传感器16这两个是压力传感器装置，分别安装在第二右外圈端面f和第一左外圈端面h上，采用螺纹联接的方式，各个传感器的输出线缆直接从左端右外圈3的槽口伸出与外设相连，用于检测右外圈3、中外圈11、左外圈22之间的动态压力情况。压力传感器装置采用压电式压力传感器装置。它是利用正压电效应制成的，测量动态压力精度较高；油液右侧检测传感器9、油液中间检测传感器13、油液左侧检测传感器18这三个是油液监测传感器装置，分别安装在第一中外圈端面e、第二中外圈端面g、第二左外圈端面m上，采用螺纹联接的方式，各个传感器的输出线缆直接从左端右外圈3的槽口伸出与外设相连，油液监测传感器装置采用压电传感器装置，通过压电敏感元件与润滑油的接触，用于检测轴承在运行过程中的润滑油的粘度特性和杂质金属颗粒的数量，以便于判断何时更换润滑油，防止润滑失效；所有的传感器装置的布置采用对称布置，成180°角的位置上安装有相同的传感器装置；

图3是主轴承组件的B-B剖视图，图中速度传感器27安装在第二中外圈端面g上，采用螺纹联接的方式，传感器的输出线缆直接从上端的槽口伸出与外设相连。它是测量转速的速度传感器。通过在内圈26靠近速度传感器27的部分上均布一些磁性金属材料，当内圈旋转，交替经过传感器感应探头的表面，引起磁通量的变化使线圈中产生感应电动势来测量转速。在所示速度传感器上成180°角的位置上安装了另外一个速度传感器，并且这两个传感器位于穿过轴承外圈中心的直线上。采用两个速度传感器对信号采集有相互弥补的作用。

图4是主轴承组件的C-C剖视图,图中的第二主推位移传感器30、第二反推位移传感器34这两个是位移传感器装置，分别安装在第一中外圈端面e和第三左外圈端面n上，采用螺纹联接，各个传感器的输出线缆通过向上和向右连通的槽，最后从右外圈3的槽口处伸出与外设相连，用于就近检测滚子的振动情况。位移传感器装置同样采用电涡流位移传感器装置；第二外圈右压力传感器29、第二外圈左压力传感器32这两个是压力传感器装置，分别安装在第二右外圈端面f和第一左外圈端面h上，采用螺纹联接的方式，各个传感器的输出线缆直接从左端右外圈3的槽口伸出与外设相连，用于检测右外圈3、中外圈11、左外圈22之间的动态压力情况。压力传感器装置同样采用压电式压力传感器装置；第二油液右侧检测传感器28、第二油液中间检测传感器31、第二油液左侧检测传感器33这三个是油液监测传感器装置，分别安装在第一中外圈端面e、第二中外圈端面g、第二左外圈端面m上，采用螺纹联接的方式，各个传感器的输出线缆直接从左端右外圈3的槽口伸出与外设相连，油液监测传感器装置同样采用压电传感器装置。所有的传感器装置的布置采用对称布置，成180°角的位置上安装有相同的传感器装置。

本发明对于及早发现主轴承运行过程中的早期故障，提高主轴承和隧道掘进设备的工作寿命具有重要的意义，为掘进设备的主轴承的智能化设计提供条件。

Claims (1)

1.一种全断面岩石掘进机带嵌入式传感器的主轴承组件，其特征在于：主轴承组件由主轴承和安装在主轴承上的位移传感器装置、压力传感器装置、油液监测传感器装置、速度传感器装置集成为一体；所有的传感器装置均嵌入在主轴承中，并通过各自的线缆将传感器信号输出；

所述的主轴承采用三排四列的圆柱滚子结构，由左外圈(22)、中外圈(11)、右外圈(3)、若干均布的下主推滚子(5)、若干均布的上主推滚子(6)、若干均布的径向滚子(17)、若干均布的反推滚子(24)、内圈(26)、主推上减震器(8)、主推下减震器(2)、径向左减震器(19)、径向右减震器(14)、反推上减震器(21)、反推下减震器(25)组成；在内圈(26)的第一内圈端面(a)上均布安装下主推滚子(5)和上主推滚子(6)，然后在主推下端面(b)、主推上端面(d)上分别安装主推下减震器(2)和主推上减震器(8)，最后在第一右外圈端面(c)上安装右外圈(3)；在内圈(26)的第二内圈端面(r)上均布安装反推滚子(24)，然后在第一反推端面(p)、第三反推端面(s)上分别安装反推上减震器(21)和反推下减震器(25)，最后在第二反推端面(q)上安装左外圈(22)；在内圈(26)的第三内圈端面(t)上均布安装径向滚子(17)，然后在第二径向端面(k)、第三径向端面(u)上分别安装径向左减震器(19)和径向右减震器(14)，最后在第一径向端面(i)上安装中外圈(11)；左外圈(22)、中外圈(11)和右外圈(3)通过螺栓联接在一起；

位移传感器装置由主推位移传感器(12)、反推位移传感器(20)、第二主推位移传感器(30)、第二反推位移传感器(34)组成；主推位移传感器(12)和第二主推位移传感器(30)、反推位移传感器(20)和第二反推位移传感器(34)，分别安装在第一中外圈端面(e)和第三左外圈端面(n)上，采用螺纹联接，位移传感器装置的各个传感器的输出线缆通过向上和向右连通的槽，从右外圈(3)的槽口处伸出与外设相连；位移传感器装置的布置采用对称布置，成180°角的位置上安装有相同的位移传感器装置；

压力传感器装置由主推下压力传感器(4)、主推上压力传感器(7)、径向压力传感器(15)、反推压力传感器(23)、外圈右压力传感器(10)、外圈左压力传感器(16)、第二外圈右压力传感器(29)、第二外圈左压力传感器(32)组成；主推下压力传感器(4)、主推上压力传感器(7)安装在第一右外圈端面(c)的右端，处于下主推滚子(5)的中心线上和上主推滚子(6)的中心线上，采用粘接方式，主推下压力传感器(4)和主推上压力传感器(7)的输出线缆直接从右外圈(3)右端的槽口伸出与外设相连；径向压力传感器(15)安装在第一径向端面(i)上边，处于径向滚子(17)的中心线上，采用粘接的方式，径向压力传感器(15)的输出线缆直接从中外圈(11)上端的槽口伸出与外设相连；反推压力传感器(23)安装在第二反推端面(q)左边，处于反推滚子(24)中心线上，采用粘接的方式，反推压力传感器(23)的输出线缆直接从左外圈(22)左端的槽口伸出与外设相连；外圈右压力传感器(10)和第二外圈右压力传感器(29)、外圈左压力传感器(16)和第二外圈左压力传感器(32)分别安装在第二右外圈端面(f)和第一左外圈端面(h)上，采用螺纹联接的方式，外圈右压力传感器(10)和第二外圈右压力传感器(29)、外圈左压力传感器(16)和第二外圈左压力传感器(32)的输出线缆直接从左端右外圈(3)的槽口伸出与外设相连；压力传感器装置的布置采用对称布置，成180°角的位置上安装有相同的压力传感器装置；

油液监测传感器装置由油液右侧检测传感器(9)、油液中间检测传感器(13)、油液左侧检测传感器(18)、第二油液右侧检测传感器(28)、第二油液中间检测传感器(31)、第二油液左侧检测传感器(33)组成；油液右侧检测传感器(9)和第二油液右侧检测传感器(28)、油液中间检测传感器(13)和第二油液中间检测传感器(31)、油液左侧检测传感器(18)和第二油液左侧检测传感器(33)分别安装在第一中外圈端面(e)、第二中外圈端面(g)、第二左外圈端面(m)上，采用螺纹联接的方式，油液监测传感器装置的各个传感器的输出线缆直接从左端右外圈(3)的槽口伸出与外设相连；油液监测传感器装置的布置采用对称布置，成180°角的位置上安装有相同的油液监测传感器装置；

速度传感器装置由速度传感器(27)构成；速度传感器(27)安装在第二中外圈端面(g)上，采用螺纹联接的方式，速度传感器(27)的输出线缆直接从中外圈(11)上端的槽口伸出与外设相连；速度传感器装置的布置采用对称布置，成180°角的位置上安装有相同的速度传感器装置。