CN103982540B

CN103982540B - 一种带一体化监测装置的高速球轴承

Info

Publication number: CN103982540B
Application number: CN201410233657.2A
Authority: CN
Inventors: 程光明; 沈亚林; 阚君武; 王淑云; 曾平
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-05-28
Also published as: CN103982540A

Abstract

本发明涉及一种带一体化监测装置的高速球轴承，属于轴承及其监测技术领域。内圈及珠架上分别装有主动盘和被动盘，被动盘外缘与外圈内孔间设有限位滚珠，主被动盘上均固定有压板，压板与主被动盘间分别压有金属膜，金属膜与其表面所粘接的压电膜构成压电振子，压电振子中心处装有有磁铁，磁铁套在主被动盘的导向孔内，主被动盘上安装有电路板和传感器。优点是轴承与其监测装置集成一体，可作为独立的标准部件使用，可实现真正意义上的实时在线监测；可有效增加高速时压电振子所得动能及发电量；采用导向孔防止压电振子扭摆、且压电振子结构尺寸配置合理，故可靠性及发电量均较高。

Description

一种带一体化监测装置的高速球轴承

技术领域

本发明属于滚动轴承及其监测技术领域，具体涉及一种高速球轴承及其一体化监测装置。

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。

为解决轴承等旋转监测系统的供电问题，人们提出了多种形式的旋转式压电悬臂梁发电装置，其原理是直接利用轴与轴承座之间的相对转动通过磁励耦合的方式激励压电振子振动发电，这种工作模式发电机的最大弊端是仅适用于较低转速的情况；当转速较高时，旋转磁铁与压电振子端部磁铁间重叠时间极短，压电振子难以获得足够的动能使其产生振动并发电。

发明内容

本发明提供一种带一体化监测装置的高速球轴承，以解决现有轴承监测系统以及相关压电发电装置在实际应用中所存在的当转速较高时，旋转磁铁与压电振子端部磁铁间重叠时间极短，压电振子难以获得足够的动能使其产生振动并发电的问题。

本发明采用的实施方案是：包括内圈，一对珠架，用于轴承的承载滚珠，外圈，所述内圈比外圈窄，内圈与外圈一侧对齐安装，非对齐一侧的内圈及珠架的端面分别通过螺钉固定有主动盘和被动盘，被动盘的外缘表面与外圈内孔表面间设有限位滚珠，限位滚珠安装在被动盘外缘表面的球面沉孔内、且可沿外圈内孔上的滚道滚动，主动盘和被动盘上分别通过螺钉固定有压板，压板与主动盘之间、以及压板与被动盘之间分别压接有金属膜，金属膜与其表面所粘接的压电膜构成压电振子，压电振子的中心处通过铆钉铆接有磁铁，被动盘和主动盘上分别设有压电振子变形所需的沉腔，所述沉腔的底壁分别设有磁铁防扭所需的导向孔，压板上设有压电振子变形所需的通孔，主动盘上安装有电路板一、振动传感器及噪声传感器，被动盘上安装有电路板二和温度传感器，主动盘上的振动传感器、噪声传感器及各压电振子分别通过不同的导线组与电路板一连接，被动盘上的温度传感器和各压电振子通过不同的导线组与电路板二连接。

本发明的一种实施方式是，为提高压电振子自身的发电能力，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与压电振子的总厚度h之比β＝h_p/h的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜半径r_p与压电振子半径r之比α＝r_p/r的取值范围为0.5<α<0.7。

本发明的一种实施方式是：为提高主动盘及被动盘上各压电振子总的发电能力，主动盘及被动盘上的压电振子的最佳数量为n＝2π/Q＝4、最佳半径为r＝0.4142(R-H)，其中Q＝2arcsin[r/(R-H)]为压电振子上两条相交于内圈中心的切线间的夹角、R为内圈的内孔半径、H为金属膜的夹紧量。

本发明的优点是结构新颖，轴承与其监测装置集成一体、且自供电能力，可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；利用随滚动体转动的被动盘与主动盘相对转动激励，可有效增加高速时压电振子所得动能及发电量；采用导向孔防止压电振子扭摆、且压电振子结构尺寸配置合理，故可靠性及发电量均较高。

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是图1的I部放大图；

图5是本发明被动盘的结构示意图；

图6是本发明保持架的结构示意图；

图7是图6的右视图；

图8是本发明结构系数与厚度比及半径比的关系曲线图；

图9是本发明为压电振子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1，一对珠架2，用于轴承的承载滚珠3，外圈4，所述内圈1比外圈4窄，内圈1与外圈4一侧对齐安装，非对齐一侧的内圈1及珠架2的端面分别通过螺钉固定有主动盘7和被动盘5，被动盘5的外缘表面与外圈4内孔表面间设有限位滚珠6，限位滚珠6安装在被动盘5外缘表面的球面沉孔51内、且可沿外圈4内孔上的滚道滚动，主动盘7和被动盘5上分别通过螺钉固定有压板8，压板8与主动盘7之间、以及压板8与被动盘5之间分别压接有金属膜9，金属膜9与其表面所粘接的压电膜10构成压电振子12，压电振子12的中心处通过铆钉铆接有磁铁11，被动盘5和主动盘7上分别设有压电振子12变形所需的沉腔52和沉腔72，所述沉腔52和沉腔72的底壁分别设有磁铁11防扭所需的导向孔53和导向孔71，压板8上设有压电振子12变形所需的通孔81，主动盘7上安装有电路板一14、振动传感器S1及噪声传感器S2，被动盘5上安装有电路板二13和温度传感器S3，主动盘7上的振动传感器S1、噪声传感器S2及各压电振子12分别通过不同的导线组与电路板一14连接，被动盘5上的温度传感器S3和各压电振子12通过不同的导线组与电路板二13连接。

工作过程中，当内圈1及主动盘7与外圈4做相对转动时，与保持架2相连接的被动盘5在承载滚珠3的带动下也产生相对内圈1的转动，从而使所述置于主动盘7和被动盘5上的压电振子12及磁铁11产生相对转动，相对转动的磁铁11之间交替增加和减小的作用力使得压电振子12产生弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经转换处理后为所述各传感器供电，从而实现不同轴承参数的自供电监测。

根据力学知识，当质量为M的静止物体受外力F作用时间t后，其所获得的速度为v＝Ft/M、动能为E＝(Ft)²/(2M)。显然，在其它条件相同时，力的作用时间过短时物体会因所得能量不足以克服惯性力而依然静止不动。在基于磁励耦合激励的旋转式压电发电机中，激振力F的作用时间即为两个相对转动磁铁的重叠时间、且随转速增加而缩短，当转速过高时压电振子将不会被有效激励。因此，增加旋转发电机的激振力的作用时间或降低相对转速可有效增加压电振子所获得的外部能量。本发明中，内圈1与外圈4的相对转速n1约为内圈1及主动盘7与被动盘5相对转速n2的λ_n＝n1/n2＝r₀/R₀倍，即主动盘7与被动盘5上磁体11间的重叠t1约为当将相同的磁铁分别置于内圈1和外圈4上时重叠时间t2的λ_t＝1/λ_n＝R₀/r₀倍，其中，r₀和R₀分别为磁铁11的半径及其中心的回转半径。因此，采用随滚动体运动而转动的被动盘5与主动盘7相对转动激励时，压电振子12所获得的动能为内外圈相对转动直接激励时的λ_E＝(R₀/r₀)²倍。因R₀>>r₀，故本发明可实现高速状态下压电振子的有效激励、发电量大。为提高压电振子12自身的发电能力，金属膜9的材料为铍青铜，压电膜10的材料为PZT4，且压电膜10厚度h_p与压电振子的总厚度h之比β＝h_p/h的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜10半径r_p与压电振子12半径r之比α＝r_p/r的取值范围为0.5<α<0.7。

本发明压电振子12单次受激振力F作用时产生的电能为E_g＝C_fV_g ²/2＝C_f(ηF)²/2＝λF²，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。当压电振子12的厚度h及半径r给定时，压电膜10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使压电振子的发电量最大。当金属膜9及压电膜10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9的材料为铍青铜，压电膜10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，本发明由铍青铜与PZT4所构成压电振子12的较佳参数范围是0.5<β<0.7、0.5<α<0.7。

本发明中，为提高主动盘7及被动盘5上各压电振子12总的发电能力，应使其面积之和最大，此时置于主动盘7及被动盘5上的压电振子12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)]为压电振子12上两条相交于内圈中心的切线间的夹角、R为内圈1的内孔半径、H为金属膜9的夹紧量。

本发明中，为提高各压电振子12的总体发电能力，应使置于主动盘7和被动盘5上各压电振子12的面积之和最大，即应使最大，其中n＝2π/Q为所述主动盘7或被动盘5上压电振子12的数量、r为压电振子12半径、Q＝2arcsin[r/(R-H)]为压电振子12上两条相交于内圈中心的切线间的夹角、R为内圈1的内孔半径、H为金属膜9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压电振子12半径和数量分别为r＝0.4142(R-H)和n＝2π/Q＝4；压电振子12总面积A与r/(R-H)的关系如图9所示。

Claims

1.一种带一体化监测装置的高速球轴承，包括内圈，一对珠架，用于轴承的承载滚珠，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，非对齐一侧的内圈及珠架的端面分别通过螺钉固定有主动盘和被动盘，被动盘的外缘表面与外圈内孔表面间设有限位滚珠，限位滚珠安装在被动盘外缘表面的球面沉孔内、且可沿外圈内孔上的滚道滚动，主动盘和被动盘上分别通过螺钉固定有压板，压板与主动盘之间、以及压板与被动盘之间分别压接有金属膜，金属膜与其表面所粘接的压电膜构成压电振子，压电振子的中心处通过铆钉铆接有磁铁，被动盘和主动盘上分别设有压电振子变形所需的沉腔，所述沉腔的底壁分别设有磁铁防扭所需的导向孔，压板上设有压电振子变形所需的通孔，主动盘上安装有电路板一、振动传感器及噪声传感器，被动盘上安装有电路板二和温度传感器，主动盘上的振动传感器、噪声传感器及各压电振子分别通过不同的导线组与电路板一连接，被动盘上的温度传感器和各压电振子通过不同的导线组与电路板二连接；

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与压电振子的总厚度h之比β＝h_p/h的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜半径r_p与压电振子半径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所述的一种带一体化监测装置的高速球轴承，其特征在于：所述主动盘及被动盘上的压电振子的最佳数量为n＝2π/Q＝4、最佳半径为r＝0.4142(R-H)，其中Q＝2arcsin[r/(R-H)]为压电振子上两条相交于内圈中心的切线间的夹角、R为内圈的内孔半径、H为金属膜的夹紧量。