CN103711801B - 掘进机滚刀带复合传感器的轴承组件 - Google Patents

Abstract

本发明掘进机滚刀带复合传感器的轴承组件属于隧道施工机械领域，涉及一种采用复合的多种传感器装置，并和轴承集成一体的能有效提取轴承故障信号的掘进机滚刀轴承组件。轴承组件由圆锥滚子轴承和安装在轴承上的复合传感器装置集成为一体；复合传感器装置由多种传感器和过渡环集成一体；多种传感器由加速度传感器、温度传感器、速度传感器构成，这些传感器均嵌入过渡环中，并通过各自的线缆将传感器信号输出。集成后的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，及早发现轴承早期故障，及时采取措施，提高轴承和滚刀的工作寿命。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

掘进机滚刀带复合传感器的轴承组件

技术领域：

本发明属于隧道施工机械领域，涉及一种采用复合的多种传感器装置，并和轴承集成一体的能有效提取轴承故障信号的掘进机滚刀轴承组件。

背景技术：

滚刀是掘进机破碎岩石的工具，是掘进机的关键部件和易损件，是掘进机使用过程中用量最大的易耗品。因为一把滚刀的损坏如果没有及时检测出来并维修更换，很容易引起周围相邻的滚刀迅速失效。换掉失效的刀具是昂贵的，一般开挖10km硬岩隧道，刀具的使用消耗将占整机价格的30%左右。而作为滚刀承载部件和关键部件的轴承通常处于有动态载荷和振动的恶劣环境下，非常容易发生损坏。由于滚刀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，确保滚刀的运行正常，减少滚刀失效，从而获得更好的经济效益。传统的轴承监测方法是在轴承座上安装传感器，这样使得监测到的信号中包含了大量的其他运动部件的噪声信号，当出现的噪声信号过大以至于隐蔽了轴承故障信号时，将会导致无法准确监测轴承的运行状态。这使得寻求新的轴承检测技术成为当今轴承检测技术的发展趋势。

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。

针对掘进机滚刀轴承，由于地质条件的恶劣，使得滚刀轴承的振动较大，必须对振动信号进行检测，以防造成巨大的经济损失。为了防止由于轴承滚刀轴承不转而出现的滚刀失效，需实时检测速度信号。为了防止由于滚刀轴承温度过高而出现的滚刀轴承失效，需实时检测温度信号。这样的话，就需要设计出将加速度传感器器、温度传感器器、速度传感器器和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，针对掘进机滚刀轴承的特性，发明一种将加速度传感器装置、温度传感器装置、速度传感器装置集成一体，能有效地提取轴承故障信号的带复合传感器的滚刀轴承组件。与传统的轴承相比，集成后的滚刀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，及早发现滚刀轴承早期故障，及时采取措施，提高滚刀轴承和滚刀的工作寿命。

本发明的具体方案是一种掘进机滚刀带复合传感器的轴承组件，轴承组件中轴承采用圆锥滚子轴承，其特征在于：轴承组件由圆锥滚子轴承和安装在轴承上的复合传感器装置集成为一体；复合传感器装置由多种传感器和过渡环集成一体；多种传感器由加速度传感器、温度传感器、速度传感器构成，这些传感器均嵌入在过渡环中，并通过各自的线缆将传感器信号输出。

所述复合传感器装置由过渡环6和在过渡环上安装的加速度传感器5、温度传感器4、速度传感器2组成；过渡环6通过热装安装在内圈7上，形成过盈配合的关系；速度传感器2采用粘接或者螺纹联接的方式安装在过渡环6端面上，在成180°角的位置上安装有相同的速度传感器，且两个速度传感器2的连线穿过过渡环6中心的直线上，传感器的输出线缆直接将传感器信号输出；加速度传感器5采用粘接或者螺纹联接的方式，安装在过渡环6端面并且与两个速度传感器2连线垂直的位置，传感器的输出线缆直接将传感器信号输出；温度传感器4采用粘接或者螺纹联接的方式，安装在过渡环6端面并在加速度传感器5和转速传感器2之间，传感器的输出线缆直接将传感器信号输出。

本发明具有如下有益效果：不破坏轴承完整性，不产生应力集中，同时也不改变轴承的外轮廓尺寸，不影响安装；将加速度、速度、温度传感器集成合理布置，能够同时监测轴承的多种信号；采用过渡环与轴承内圈外缘过盈配合，结构简单，刚性好；加速度传感器、速度传感器、温度传感器都无外接电源，信号传输、处理简单；不仅限于滚刀轴承使用，同样适用于结构类型相似的其他滚动轴承、滑动轴承，拓宽了诊断对象的范围。

附图说明：

图1是本发明的立体结构示意图。图中：1、外圈；2、速度传感器；3、圆锥滚子；4、温度传感器；5、加速度传感器；6、过渡环；7、内圈。

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。在掘进机施工中，主要是依靠安装在掘进机刀盘上的滚刀对岩石、土层和砂石等进行开沟、碾压、破碎和切削等。滚刀由刀体、刀圈、轴承、刀轴和密封等组成。掘进机工作时，作为滚刀的承载部件和关键部件的轴承承受巨大的径向和轴向载荷。由于破岩过程中切削力不稳定，刀具产生很大的振动，可能造成滚压破岩中滚刀轴承运转不平稳，在强大外力和自身不停运转发生的作用下轴承会很快散掉，所以需要采用振动传感器用于检测轴承的振动信号，由于掘进机在工作过程中滚刀轴承振动较大且方向不是单向的，根据传感器的选用原则，采用三向加速度传感器；在掘进机掘进过程中由于岩层阻力作用，滚刀易只随刀盘公转而不能自转，这样滚刀易出现弦磨或偏磨等现象，如果滚刀的装配扭矩过小，使用时因刀体和刀轴的反复振动，也易致使轴承的损坏，所以需要采用速度传感器用于检测轴承的转速信号；在滚刀切割岩石时，会产生大量的机械能，掘进速度较低时，大量的热量无法及时消散，形成高温区，有时可达500℃以上。这样高的温度作用在轴承上，必然会对轴承产生损坏。一旦出现漏气现象，刀具的润滑区域会很快进入尘土，滚刀轴承内温度会急剧上升，都会导致轴承破坏，因此要用温度传感器检测温度信号。通过对滚刀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。

在滚刀轴承的现有结构上如何合理布置传感器。由于滚刀轴承的安装空间的限制，故采用将复合传感器装置热装在滚刀轴承的定圈-内圈上。复合传感器装置包括过渡环和传感器。在过渡环上嵌入的有加速度传感器、温度传感器和速度传感器。各个传感器的输出线缆均分别伸出，与外设相连，实现了对这几种信号的提取。以加速度振动测量为主，温度和转速监测为辅助手段。加速度传感器分布在过渡环端面上，且安装在轴承的受冲击载荷较大和振动较大的方向上，用于检测滚刀轴承的振动；温度传感器用于测量轴承的温度，分布在过渡环端面上；速度传感器用于测量轴承的转速，分布在过渡环端面上；由于掘进机滚刀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。

合理利用滚刀轴承结构，通过过渡环，将轴承与传感装置连接起来，既不破坏轴承完整性，又没有改变轴承的安装尺寸。过渡环与轴承内圈外缘过盈配合，保证了过渡环与被测轴承振动监测的一致性。且温度传感器的测点与轴承距离很近，保证了温度测量的精度。此外，速度传感器的磁感应探头与轴承外圈的距离也很近，保证速度传感器的测量精度不会受到影响。

本实施例中的加速度传感器采用三向加速度传感器；温度传感器采用热电偶传感器；速度传感器采用磁电式转速传感器。

图1是本发明的立体结构示意图。滚刀轴承采用圆锥滚子轴承结构，由外圈1若干圆锥滚子3和内圈7组成；复合传感器装置由过渡环6和在过渡环上安装的加速度传感器5、温度传感器4、速度传感器2组成；过渡环6通过热装安装在内圈7上，通过过渡环6与内圈7的过盈配合，保证了过渡环6上安装的加速度传感器5所测的振动与被测内圈7振动的一致性；速度传感器2采用粘接或者螺纹联接的方式安装在过渡环6端面上，在成180°角的位置上安装有相同的速度传感器，且两个速度传感器2的连线穿过过渡环6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，传感器的输出线缆直接将传感器信号输出。速度传感器2的磁感应探头与外圈1的距离也很近，保证速度传感器的测量精度不会受到影响；加速度传感器5采用粘接或者螺纹联接的方式，安装在过渡环6端面并且与两个速度传感器2连线垂直的位置，采用三向加速度传感器，可以直接测量三向振动，传感器的输出线缆直接将传感器信号输出；温度传感器4采用粘接或者螺纹联接的方式，安装在过渡环6端面并在加速度传感器5和转速传感器2之间，传感器的输出线缆直接将传感器信号输出，温度传感器采用热电偶传感器，内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗机械外力冲击的特性，铠装热电偶可以做的很细，能解决微小、狭窄场合测温问题；具有抗振、可弯曲、超长等特点。

本发明对于及早发现故障，提高滚刀轴承和掘进机滚刀的工作寿命具有重要的意义，为掘进设备的滚刀轴承的智能化设计提供条件。

Claims (1)

1.一种掘进机滚刀带复合传感器的轴承组件，轴承组件中轴承采用圆锥滚子轴承，其特征在于：轴承组件由圆锥滚子轴承和安装在轴承上的复合传感器装置集成为一体；复合传感器装置由多种传感器和过渡环集成一体；多种传感器由加速度传感器、温度传感器、速度传感器构成，这些传感器均嵌入在过渡环中，并通过各自的线缆将传感器信号输出；

所述复合传感器装置由过渡环（6）和在过渡环上安装的加速度传感器（5）、温度传感器（4）、速度传感器（2）组成；过渡环（6）通过热装安装在轴承内圈（7）外缘上，过渡环（6）的内环面完全与轴承内圈（7）的外缘接触连接，仅与轴承内圈外缘形成过盈配合关系；速度传感器（2）采用粘接或者螺纹联接的方式安装在过渡环（6）端面上，在成角的位置上安装有相同的速度传感器，且两个速度传感器（2）的连线穿过过渡环（6）中心，传感器的输出线缆直接将传感器信号输出；加速度传感器（5）采用粘接或者螺纹联接的方式，安装在过渡环（6）端面并且与两个速度传感器（2）连线垂直的位置，传感器的输出线缆直接将传感器信号输出；温度传感器（4）采用粘接或者螺纹联接的方式，安装在过渡环（6）端面并在加速度传感器（5）和速度传感器（2）之间，传感器的输出线缆直接将传感器信号输出。