CN103973162B - 一种带自监测组件的圆柱滚子轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆柱滚子轴承及其自监测组件，属于轴承技术领域。内外圈上分别安装有内板和外板，内外板上分别通过压板压接有金属膜，金属膜上粘接压电膜构成俘能器，俘能器上装有磁铁一，磁铁一套接在压板的导向孔内；一个压板将磁铁二压接在内板上的盲孔一内，另一个压板将磁铁三和用于传感的压电体压接在外板生的盲孔二内；热电偶固定在内板的沉孔一上，内外电路板分别通过螺钉安装在内外板上。优点是结构新颖，具有自供能传感监测功能，无需改变安装设备的结构，可实现真正意义上的实时在线监测；俘能器结构尺寸及数量配置合理，发供电能力强；采用导向孔防止受激磁铁扭摆，提高俘能器可靠性。

Description

一种带自监测组件的圆柱滚子轴承

技术领域

本发明属于轴承技术领域，具体涉及一种圆柱滚子轴承及其自监测组件。

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

本发明提供一种带自监测组件的圆柱滚子轴承，以解决现有轴承监测系统在实际应用中所存在的非实时的、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、圆柱体、外圈，所述内圈比外圈窄，内圈与外圈一侧对齐安装，非对齐一侧的内圈端面通过螺钉固定有内板，内板的外缘表面与外圈的内孔间设有密封圈，内板的轴肩与内圈内孔过盈配合，内板上设有沉孔一、阶梯孔一、连通沉孔一和阶梯孔一的导线孔一、以及盲孔一，非对齐一侧的外圈端面通过螺钉固定有外板的法兰，外板通过其上的轴肩与外圈的内孔定位；外板上设有沉孔二、阶梯孔二、连通沉孔二和阶梯孔二的导线孔二、盲孔二、以及连通盲孔二与其相邻沉孔二的导线槽，在内板及外板的侧面分别通过螺钉固定有压板，所述压板上设有沉孔三，所述沉孔三底部设有导向孔，在所述内板及外板与压板之间分别压接有环形金属膜，金属膜的侧面粘有压电膜，金属膜和压电膜构成俘能器，俘能器的中心处通过螺钉装有磁铁一，磁铁一套接在导向孔内，与内板相连的压板将磁铁二压接在内板的盲孔一内，与外板相连的压板将磁铁三和用于传感的压电体压接在外板的盲孔二内，热电偶固定在沉孔一的底部，内电路板和外电路板分别通过螺钉安装在阶梯孔一和阶梯孔二内，置于内板上的俘能器和热电偶分别通过导线组一和导线组一与内电路板连接，置于外板上的俘能器和压电体分别通过导线组三和导线组四与外电路板连接。

本发明一种实施方式是：所述金属膜的材料为铍青铜，压电膜的材料为PZT4，且压电膜厚度h_p与俘能器的总厚度h之比β＝h_p/h的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜7半径r_p与俘能器半径r之比α＝r_p/r的取值范围为0.5<α<0.7。

本发明一种实施方式是：所述置于内板及外板上俘能器的最佳数量均为n＝2π/Q＝4、最佳半径均为r＝0.4142(R-H)，其中Q＝2arcsin[r/(R-H)]为俘能器上两条相交于内圈中心的切线间的夹角、R为外圈的内孔半径、H为金属膜的夹紧量。

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；俘能器结构尺寸及数量配置合理，发供电能力强；采用导向孔防止受激磁铁扭摆，提高俘能器可靠性。

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I部放大图；

图4是本发明外板结构示意图；

图5是图4的右视图；

图6是本发明内板结构示意图；

图7图6的左视图；

图8本发明结构系数与厚度比及半径比的关系曲线图；

图9本发明为俘能器总面积与俘能器半径间的关系曲线图。

具体实施方式

如图1～图7所示，包括内圈1、圆柱体2、外圈3、热电偶4、内板5、密封圈6、构成俘能器9的压电膜7和金属膜8、磁铁一10、磁铁二14、磁铁三14’、压板11、外板12、内电路板13、外电路板13’及导线；

所述内圈1比外圈3窄，内圈1与外圈3一侧对齐安装，非对齐一侧的内圈1端面通过螺钉固定有内板5，内板5的外缘表面与外圈3的内孔间设有密封圈6，内板5的轴肩54与内圈1内孔过盈配合，内板5上设有沉孔一51、阶梯孔一53、连通沉孔一51和阶梯孔一53的导线孔一52、以及盲孔一55，非对齐一侧的外圈3端面通过螺钉固定有外板12的法兰124，外板12通过其上的轴肩127与外圈3的内孔定位；外板12上设有沉孔二121、阶梯孔二123、连通沉孔二121和阶梯孔二123的导线孔二122、盲孔二125、以及连通盲孔二125与其相邻沉孔二121的导线槽126，在内板5及外板12的侧面分别通过螺钉固定有压板11，所述压板11上设有沉孔三111，所述沉孔三111底部设有导向孔112，在所述内板5及外板12与压板11之间分别压接有环形金属膜8，金属膜8的侧面粘有压电膜7，金属膜8和压电膜7构成俘能器9，俘能器9的中心处通过螺钉装有磁铁一10，磁铁一10套接在导向孔112内，与内板5相连的压板11将磁铁二14压接在内板5的盲孔一55内，与外板12相连的压板11将磁铁三14’和用于传感的压电体15压接在外板12的盲孔二125内；热电偶4固定在沉孔一51的底部，内电路板13和外电路板13’分别通过螺钉安装在阶梯孔一53和阶梯孔二123内，置于内板5上的俘能器和热电偶4分别通过导线组一L1和导线组二L2与内电路板13连接，置于外板12上的俘能器9和压电体15分别通过导线组三L3和导线四L4与外电路板13’连接。

工作过程中，当内圈1与外圈3做相对转动时，置于内板5和外板12上的磁铁一10之间以及磁铁二14和磁铁三14’之间产生相对转动并改变其间的轴向作用力，从而使俘能器9产生弯曲变形、压电体15产生伸缩变形，俘能器9产生的电能用于传感信号的处理与发射、压电体15产生的脉冲电压用于转速测量；由于内圈1和外圈3相对转动一周时压电体15仅受激一次并仅生成一个电压波形，因此单位时间内压电体15产生脉冲电压数量即为轴承内圈1和外圈3的相对转速。

为提高俘能器9自身的发电能力，金属膜8的材料为铍青铜，压电膜7的材料为PZT4，且压电膜7厚度h_p与俘能器的厚度h之比β＝h_p/h的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜7半径r_p与俘能器半径r之比α＝r_p/r的取值范围为0.5<α<0.7。

本发明俘能器9单次受激振力F作用时产生的电能为其中C_f为自由电容、V_g＝ηF为生成的开路电压、η为与尺度及材料有关的电压系数、λ＝C_fη²/2称为结构系数。当俘能器9的厚度h及半径r给定时，压电膜7的厚度h_p及半径r_p过大或过小都会使发电能力降低，实际中存在最佳的厚度比β＝h_p/h和半径比α＝r_p/r使俘能器的发电量最大。当金属膜8及压电膜7的材料参数确定后，即可进一步求得发电量或结构系数λ与厚度比β及半径之比α的关系。本发明的金属膜8的材料为铍青铜，压电膜7的材料为PZT4，其结构系数与厚度比及半径比的关系如图8所示。根据图8，本发明由铍青铜及PZT4所构成俘能器的较佳参数范围是0.5<β<0.7、0.5<α<0.7。

本发明中，为提高内板5及外板12上各俘能器9总的发电能力，应使其面积之和最大，此时置于内板5及外板12上的俘能器9的最佳数量均为n＝2π/Q＝4、最佳半径均为r＝0.4142(R-H)，其中Q＝2arcsin[r/(R-H)]为俘能器9上两条相交于内圈中心的切线间的夹角、R为外圈3的内孔半径、H为金属膜8的夹紧量。

本发明中，为提高各俘能器9的总体发电能力，应使置于内板5和外板12上各俘能器9的面积之和最大，即应使最大，其中n＝2π/Q为所述俘能器9的数量、r为俘能器9半径、Q＝2arcsin[r/(R-H)]为俘能器9上两条相交于内圈中心的切线间的夹角、R为外圈3的内孔半径、H为金属膜8的夹紧量；根据最大面积A的存在条件，即dA/dr＝0，通过数值方法求得最佳的俘能器9半径和数量分别为r＝0.4142(R-H)和n＝2π/Q＝4；俘能器9总面积A与r/(R-H)的关系如图9所示。

Claims (2)

1.一种带自监测组件的圆柱滚子轴承，包括内圈、圆柱体、外圈，其特征在于：所述内圈比外圈窄，内圈与外圈一侧对齐安装，非对齐一侧的内圈端面通过螺钉固定有内板，内板的外缘表面与外圈的内孔间设有密封圈，内板的轴肩与内圈内孔过盈配合，内板上设有沉孔一、阶梯孔一、连通沉孔一和阶梯孔一的导线孔一、以及盲孔一，非对齐一侧的外圈端面通过螺钉固定有外板的法兰，外板通过其上的轴肩与外圈的内孔定位；外板上设有沉孔二、阶梯孔二、连通沉孔二和阶梯孔二的导线孔二、盲孔二、以及连通盲孔二与其相邻沉孔二的导线槽，在内板及外板的侧面分别通过螺钉固定有压板，所述压板上设有沉孔三，所述沉孔三底部设有导向孔，在所述内板及外板与压板之间分别压接有环形金属膜，金属膜的侧面粘有压电膜，金属膜和压电膜构成俘能器，俘能器的中心处通过螺钉装有磁铁一，磁铁一套接在导向孔内，与内板相连的压板将磁铁二压接在内板的盲孔一内，与外板相连的压板将磁铁三和用于传感的压电体压接在外板的盲孔二内，热电偶固定在沉孔一的底部，内电路板和外电路板分别通过螺钉安装在阶梯孔一和阶梯孔二内，置于内板上的俘能器和热电偶分别通过导线组一和导线组一与内电路板连接，置于外板上的俘能器和压电体分别通过导线组三和导线组四与外电路板连接；

所述金属膜的材料为铍青铜，压电膜的材料为PZT4，且压电膜厚度h_p与俘能器的总厚度h之比β＝h_p/h的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜7半径r_p与俘能器半径r之比α＝r_p/r的取值范围为0.5<α<0.7。

2.根据权利要求1所述的一种带自监测组件的圆柱滚子轴承，其特征在于：所述置于内板及外板上俘能器的最佳数量均为n＝2π/Q＝4、最佳半径均为r＝0.4142(R-H)，其中Q＝2arcsin[r/(R-H)]为俘能器上两条相交于内圈中心的切线间的夹角、R为外圈的内孔半径、H为金属膜的夹紧量。