CN103967942A - 一种温度自监测球轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温度自监测球轴承,属于轴承及其监测技术领域。内圈端面通过螺钉固定有安装筒,外圈端面通过螺钉固定有激励盘;激励盘上均匀地镶嵌有激励磁铁,安装筒的底板上安装有电路板和传感器,安装筒侧壁的端面上通过螺钉和压环压接有金属膜,安装筒侧壁的外表面与外圈的内表面间安装有O型密封圈;金属膜上设有悬臂梁,悬臂梁自由端上靠近激励磁铁的一侧通过螺钉安装有受激磁铁,另一侧粘接有压电膜;悬臂梁与压电膜粘接后构成俘能器,俘能器及传感器分别通过导线组一和导线组二与电路板连接。优点是具有自供能传感监测功能,作为独立的标准部件使用,无需改变其安装设备的结构,可实现真正意义上的实时在线监测。
Description
技术领域
本发明属于轴承及其监测技术领域,具体涉及一种温度自监测球轴承。
背景技术
轴承是一种典型的机械基础件,在机械、车辆、航空航天、轮船及能源等领域都有着极其广泛的应用;然而,轴承也是转动机器中最易损坏的零件之一,旋转机械故障的30%是由轴承失效所引发的。因此,轴承的状态监测与早期故障诊断已引起人们的高度重视。轴承状态的在线监测已经逐步成为大型风力发电机、轮船、高铁以及航空器等领域不可或缺的技术,所需监测的指标包括诸如温度、振动、转速及噪音等。早期的轴承监测系统主要是外挂式的,其弊端之一是传感器与信号源间的距离较远,属于非接触的间接测量,故误差较大。近年来,人们又相继提出了不同形式的嵌入式监测系统,这种方法可解决测量精度及准确性问题,但需要改变相关设备的结构或其完整性,以便安装传感监测系统,这不但容易引起设备零部件的应力集中等问题,在一些结构复杂或空间有限的设备上也是无法实现的;最为关键的是,当监测系统需要随轴承内圈或外圈一起转动时,不便通过电线供电,而采用电池供电使用时间很短。因此,目前的轴承监测系统基本上还都是非实时的、间接的非接触测量,难以及时准确地获得轴承的运行状态。
发明内容
本发明提供一种温度自监测球轴承,以解决现有轴承监测系统在实际应用中所存在的还都是非实时的、间接的非接触测量,难以及时准确地获得轴承的运行状态的问题。
本发明采取的技术方案是:包括内圈、滚珠、外圈、所述外圈宽度大于内圈的宽度,且所述内圈与外圈的一侧对齐安装,在所述非对齐一侧,内圈端面通过螺钉固定有安装筒,外圈端面通过螺钉固定有激励盘,激励盘上均匀地镶嵌有激励磁铁,安装筒的底板上安装有电路板和传感器,安装筒侧壁的端面上通过螺钉和压环压接有金属膜,安装筒侧壁的外表面与外圈的内表面间安装有O型密封圈,所述金属膜上设有悬臂梁,悬臂梁的自由端上靠近激励磁铁的一侧通过螺钉安装有受激磁铁,另一侧粘接有压电膜,所述悬臂梁与压电膜粘接后构成俘能器,所述俘能器及传感器分别通过导线组一和导线组二与电路板连接;所述激励磁铁与受激磁铁的半径相等、同性磁极相对安装,且其中心置于同一个圆周上。
本发明的一种实施方式是:为使其它条件确定时的激振力F较大、提高俘能器的输出电压Vg及发电量Eg,激励磁铁的数量n的取值应满足:其中R为激励磁铁中心到轴承回转中心的距离,r为激励磁铁的半径。
本发明的一种实施方式是:为提高俘能器的可靠性及发电能力,所述俘能器的工作部分为等腰梯形,所述梯形两斜边的延长线交于受激磁铁的中心,且梯形两斜边夹角Q5和换能器的数量m分别为: 其中L为俘能器固定端顶角距轴承回转中心的距离,z为采用线切割加工时电极丝的直径。
本发明的优点是结构新颖,轴承自身具有自供能传感监测功能,作为独立的标准部件使用,无需改变其安装设备的结构,可实现真正意义上的实时在线监测;俘能器结构及激励磁铁配置参数确定合理,发供电能力强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的结构剖面图;
图2是图1的A-A视图;
图3是图1的B-B视图;
图4是本发明金属膜及悬臂梁结构示意图;
图5是本发明不同定角比时受激磁铁所受作用力与转角比的关系曲线图;
图6是本发明能量系数、最大作用力与定角比的关系曲线图。
具体实施方式
如图1~图4所示,包括内圈1、滚珠2、外圈3、所述外圈3宽度大于内圈1的宽度,且所述内圈1与外圈3的一侧对齐安装;在所述非对齐一侧,内圈1端面通过螺钉固定有安装筒4,外圈3端面通过螺钉固定有激励盘8,激励盘8上均匀地镶嵌有激励磁铁13,安装筒4的底板41上安装有电路板12和传感器15,安装筒4侧壁42的端面上通过螺钉和压环6压接有金属膜7,安装筒4侧壁42的外表面与外圈3的内表面间安装有O型密封圈5,所述金属膜7上设有悬臂梁71,悬臂梁71的自由端上靠近激励磁铁13的一侧通过螺钉安装有受激磁铁11,另一侧粘接有压电膜9,所述悬臂梁71与压电膜9粘接后构成俘能器10,所述俘能器10及传感器15分别通过导线组一16和导线组二14与电路板12连接;所述激励磁铁13与受激磁铁11的半径相等、同性磁极相对安装,且其中心置于同一个圆周上。
工作过程中,当内圈1与外圈3做相对转动时,激励盘8上的激励磁铁13与俘能器10端部的受激磁铁11产生相对转动,从而使激励磁铁13与受激磁铁11间的轴向作用力交替地变化,迫使俘能器10产生轴向弯曲振动,并将机械能转化成电能;俘能器10所生成的电能经导线组一16输出给电路板12上的能量转换处理电路,再经导线组二14输出给传感器15;从而实现轴承运动状态的自供电实时监测。
本发明中,为使其它条件确定时的激振力F较大、提高俘能器的输出电压Vg及发电量Eg,激励磁铁的数量n的取值应满足下式,即其中R为激励磁铁中心到轴承回转中心的距离,r为激励磁铁的半径。
为确保俘能器10产生的电能可满足传感器15的自供电需求,其他条件确定时应尽可能提高俘能器10产生的电压和电能。激励磁铁13与受激磁铁11相对转动一周时,单个俘能器10产生的电能为: 其中Cf为压电膜9的自由电容,Vg=ηF为俘能器10生成的开路电压,η为与压电膜9尺度及材料有关的系数,h=nF2称为能量系数,n为激励磁铁13的数量。显然,在其它条件确定时,可通过提高作用力F提高电压及电能;此外,激励磁铁13数量n通过改变激励次数及作用力的大小两方面影响俘能器10的特性。根据本发明自监测球轴承的工作原理、以及磁场为空间分布的实际情况,任一受激磁铁11都同时受多个激励磁铁13作用,作用力的大小取决于定角比其中为激励磁铁13的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角,Q2=2π/n为两相邻受激磁铁11的中心与轴承回转中心的连线间的夹角,由此可将定角比转换成激励磁铁13数量的函数,即其中R为激励磁铁中心到轴承回转中心的距离,r为激励磁铁的半径。进一步的研究表明,当激励磁铁13与受激磁铁11相对转动时,存在不同的最佳的定角比k使电压或电能最大,当取k=1.5~3时,即激励磁铁13数量范围为时,所获得的电能及电压都较大,其中能量系数不低于其最大值的1/2。
图5给出了不同定角比时受激磁铁11所受作用力F与转角比j=Q3/Q1的试验曲线,其中Q3为受激磁铁11及激励磁铁13中心与其回转中心O的连线间的夹角,故转角比j表征的是受激磁铁11与激励磁铁13间的距离。图5说明,定角比不同时,受激磁铁11所受激励磁铁13作用力的大小及激励的次数不同。作用力最大值及能量系数与定角比k的关系曲线如图6所示,显然,当取k=1.5~3时,作用力及所得电压和电能都较大,能量系数大于其最大值的1/2。
本发明中,为提高俘能器10的可靠性及发电能力,所述俘能器10的工作部分、即L0处为等腰梯形,所述梯形两斜边的延长线交于受激磁铁11的中心,且梯形两斜边夹角Q5和换能器10的数量m分别为: 其中L为俘能器10固定端顶角距轴承回转中心的距离,z为采用线切割加工时电极丝的直径。
根据材料力学知识,悬臂梁自由端受外力F作用时,距自由端距离为x处的弯曲应力σm与梁的宽度b及厚度H的关系为:而俘能器10的生成电压Vg与应力σm成正比。因此,如果俘能器10各截面宽度b及厚度H分别相等,其固定端应力及生成电压最大、而自由端应力及生成电压均为零,因此,为提高俘能器10的输出电压、降低固定端的弯曲应力、提高可靠性,本发明中俘能器10的工作段L0处为等腰梯形;为提高俘能器10的有效工作面积,两相邻俘能器10的自由端安装受激磁铁11处的半圆弧的间距为采用线切割加工时的电极丝直径z。故由三角函数知识可进一步求得: 其中Q4=2arcsin[(r+z/2)/R]为俘能器10固定端两个顶点与轴承回转中心连线间的夹角。
Claims (3)
1.一种温度自监测球轴承,包括内圈、滚珠、外圈,其特征在于:所述外圈宽度大于内圈的宽度,且所述内圈与外圈的一侧对齐安装,在所述非对齐一侧,内圈端面通过螺钉固定有安装筒,外圈端面通过螺钉固定有激励盘,激励盘上均匀地镶嵌有激励磁铁,安装筒的底板上安装有电路板和传感器,安装筒侧壁的端面上通过螺钉和压环压接有金属膜,安装筒侧壁的外表面与外圈的内表面间安装有O型密封圈,所述金属膜上设有悬臂梁,悬臂梁的自由端上靠近激励磁铁的一侧通过螺钉安装有受激磁铁,另一侧粘接有压电膜,所述悬臂梁与压电膜粘接后构成俘能器,所述俘能器及传感器分别通过导线组一和导线组二与电路板连接;所述激励磁铁与受激磁铁的半径相等、同性磁极相对安装,且其中心置于同一个圆周上。
2.根据权利要求1所述的一种温度自监测球轴承,其特征在于:所述激励磁铁的数量n的取值应满足:其中R为激励磁铁中心到轴承回转中心的距离,r为激励磁铁的半径。
3.根据权利要求1或2所述的一种温度自监测球轴承,其特征在于:所述俘能器的工作部分为等腰梯形,所述梯形两斜边的延长线交于受激磁铁的中心,且梯形两斜边夹角Q5和换能器的数量m分别为: 其中L为俘能器固定端顶角距轴承回转中心的距离,z为采用线切割加工时电极丝的直径。
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