CN103982541B - 用于电力设施的带自供电监测的大尺度高速圆锥滚子轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电力设施的带自供电监测的大尺度高速圆锥滚子轴承，属轴承及其监测技术领域。圆锥体两端镶有激励磁铁，内圈两端设有阶梯轴，外圈左端设有阶梯孔；内圈右端阶梯轴上和外圈左端阶梯孔内安装有盘体，盘体上设扇形沉腔，沉腔底部设有导向孔；盘体上依次固定有金属膜、压板和电路板，压板上设有通腔，通腔侧壁上安有传感器；金属膜与其表面粘接的压电膜构成俘能器，俘能器中心铆有受激磁铁，受激磁铁套在导向孔内。优点是结构新颖，具有自供能传感监测功能，通过导向孔防止俘能器扭摆，提高可靠性和发电能力；利用随圆锥体转动的磁铁激励俘能器，有效速带宽、可用于高转速场合。
Description
技术领域
本发明属于轴承及其监测技术领域，具体涉及一种用于电力设施的大尺度高速圆锥滚子轴承及其自供电监测组件。
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。
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
本发明提供一种用于电力设施的带自供电监测的大尺度高速圆锥滚子轴承，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等问题，
本发明采取的技术方案是：包括内圈、圆锥体、保持架、外圈，所述圆锥体的两端分别镶嵌有激励磁铁，置于同一圆锥体上的两个激励磁铁的异性磁极靠近安装，置于同一侧的两个圆周上相邻圆锥体上的激励磁铁的磁极的轴向配置方式相反，所述内圈的左右两端分别设有阶梯轴一和阶梯轴二，外圈的左端设有阶梯孔，所述内圈的右端阶梯轴二上和外圈的阶梯孔内分别通过过盈配合安装有盘体，所述盘体上设扇形沉腔，所述沉腔底部设有导向孔，所述盘体上通过螺钉依次固定有金属膜、压板和电路板，所述压板上设有与所述沉腔形状相同的扇形通腔，至少一个扇形通腔的侧壁上安装有传感器一和传感器二或传感器三和传感器四，所述金属膜上对应扇形沉腔和通腔上的圆弧部分设有两条弧形窄缝和，形成扇形简支梁，所述扇形简支梁与其表面所粘接的压电膜构成俘能器，所述俘能器的中心处铆接有受激磁铁，受激磁铁套接在盘体上的导向孔内，置于同一盘体上的俘能器及传感器一和传感器二或传感器三和传感器四通过不同的导线组与电路板相连。
本发明的优点是结构新颖，轴承自身集成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；通过导向孔防止俘能器扭摆，可提高俘能器可靠性和发电量；利用随圆锥体转动的激励磁铁激励俘能器，有效速带宽、可用于高转速场合。
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剖视图；
图3是本发明内外圈及圆锥滚子装配后的结构示意图；
图4是本发明金属膜的结构示意图；
图5是本发明盘体的结构示意图；
图6是图5的左视图；
图7是本发明压板的结构示意图；
图8是图7的左视图。
具体实施方式
如图1～图8所示，包括内圈1、圆锥体2、保持架3、外圈4，所述圆锥体2的两端分别镶嵌有激励磁铁C2，置于同一圆锥体2上的两个激励磁铁C2的异性磁极靠近安装，置于同一侧的两个圆周上相邻圆锥体2上的激励磁铁C2的磁极的轴向配置方式相反，所述内圈1的左右两端分别设有阶梯轴一11和阶梯轴二12，外圈4的左端设有阶梯孔41，所述内圈1的右端阶梯轴二12上和外圈4的阶梯孔41内分别通过过盈配合安装有盘体5，所述盘体5上设扇形沉腔51，所述沉腔51底部设有导向孔53，所述盘体5上通过螺钉依次固定有金属膜6、压板7和电路板B；所述压板7上设有与所述沉腔51形状相同的扇形通腔71，至少一个扇形通腔71的侧壁上安装有传感器S1和S2或S3和S4，所述金属膜6上对应扇形沉腔51和通腔71上的圆弧部分设有两条弧形窄缝61和62，形成扇形简支梁63，所述扇形简支梁63与其表面所粘接的压电膜8构成俘能器A，所述俘能器A的中心处铆接有受激磁铁C1，受激磁铁C1套接在盘体5上的导向孔53内，置于同一盘体5上的俘能器A及传感器一S1和传感器二S2或传感器三S3和传感器四S4通过不同的导线组与电路板B相连。
工作过程中，当内圈1与外圈4做相对转动时，圆锥体2相对内圈1及外圈4转动，故置于圆锥体2两端的激励磁铁C2与置于内圈1及外圈4上的俘能器A上的受激磁铁C1之间产生相对转动，随着各激励磁铁C2在圆周方向上交替地靠近与分离，受激磁铁C1承受交替更迭的排斥力和吸引力，从而迫使俘能器A产生往复弯曲变形、并将机械能转换成电能；所生成的电能经转换处理后为传感监测系统供电。本发明中，采用两端固定的扇形简支梁结构的俘能器A以及吸、排交替的激励方式，易于获得较大的俘能器形量和发电量；通过导向孔53防止俘能器A的扭摆，故可同时获得加大的发电能力和较高的可靠性。
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，当转速过高时俘能器将不会被有效激励。因此，增加激振力的作用时间或降低相对转速可有效增加俘能器所获得的外部能量。本发明中，圆锥体2与内圈1及外圈4之间的相对转速n1约为内圈1与外圈4之间相对转速n2的λn＝n1/n2＝r0/R0倍，故在其它条件相同的情况下，本发明中作用力的持续时间为将激励磁铁C2置于内圈1或外圈4上直接激励时力的作用时间的λt＝1/λn＝R0/r0倍，其中，r0和R0分别为激励磁铁C2的半径及其中心的回转半径。因此，本发明中利用随圆锥体2转动的激励磁铁C2激励俘能器A，所获得的动能为利用内圈1或外圈4上安装激励磁铁C2直接激励时的λE＝(R0/r0)2倍，更适用于转速较高的应用场合。
Claims (1)
1.一种用于电力设施的带自供电监测的大尺度高速圆锥滚子轴承，包括内圈、圆锥体、保持架、外圈，其特征在于：所述圆锥体的两端分别镶嵌有激励磁铁，置于同一圆锥体上的两个激励磁铁的异性磁极靠近安装，置于同一侧的两个圆周上相邻圆锥体上的激励磁铁的磁极的轴向配置方式相反，所述内圈的左右两端分别设有阶梯轴一和阶梯轴二，外圈的左端设有阶梯孔，所述内圈的右端阶梯轴二上和外圈的阶梯孔内分别通过过盈配合安装有盘体，所述盘体上设扇形沉腔，所述沉腔底部设有导向孔，所述盘体上通过螺钉依次固定有金属膜、压板和电路板，所述压板上设有与所述沉腔形状相同的扇形通腔，至少一个扇形通腔的侧壁上安装有传感器一和传感器二或传感器三和传感器四，所述金属膜上对应扇形沉腔和通腔上的圆弧部分设有两条弧形窄缝，形成扇形简支梁，所述扇形简支梁与其表面所粘接的压电膜构成俘能器，所述俘能器的中心处铆接有受激磁铁，受激磁铁套接在盘体上的圆形导向孔内，所述圆形导向孔为盲孔，置于同一盘体上的俘能器及传感器一和传感器二或传感器三和传感器四通过不同的导线组与电路板相连；当内圈与外圈做相对转动时，圆锥体相对内圈及外圈转动，故置于圆锥体两端的激励磁铁与置于内圈及外圈上的俘能器上的受激磁铁之间产生相对转动，随着各激励磁铁在圆周方向上交替地靠近与分离，受激磁铁承受交替更迭的排斥力和吸引力，从而迫使俘能器产生往复弯曲变形、并将机械能转换成电能。
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