CN103982542A - 一种自监测的发电机用圆锥滚子轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自监测的发电机用圆锥滚子轴承，属于轴承技术领域。外圈上装有嵌有激励磁铁一及二的激励盘，内圈上装有右夹板，右夹板上装有热电偶、电路板及左夹板，左右夹板间压金属膜，金属膜上粘有压电膜构成俘能器，俘能器上装有受激磁铁一，受激磁铁一置于左夹板的导向孔内；压板依次将碟形弹簧、受激磁铁二和用于转速测量的压电体压接在左夹板的盲孔内，所述压电体、俘能器及热电偶分别通过导线组与电路板连接。优势与特色：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；俘能器结构及激励磁铁配置参数确定合理，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

一种自监测的发电机用圆锥滚子轴承

技术领域

本发明属于轴承监测技术领域，具体涉及一种自监测的发电机用圆锥滚子轴承。

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

本发明提供一种自监测的发电机用圆锥滚子轴承，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、圆锥体、外圈，所述外圈宽度大于内圈的宽度，外圈的内孔包括圆锥孔和圆柱孔两部分；内圈与外圈一侧对齐安装，非对齐一侧外圈的端面通过螺钉固定有激励盘的法兰，并通过激励盘上的轴肩与外圈的圆柱孔定位，激励盘上镶嵌有一组激励磁铁一和一个激励磁铁二，非对齐一侧内圈的端面通过螺钉固定有右夹板，右夹板的外缘表面与外圈的圆柱孔间设有密封圈，右夹板的轴肩与内圈的内孔过盈配合，右夹板还通过螺钉固定有左夹板，左夹板和右夹板之间压接有环形金属膜，右夹板上设有一组腔A、一个阶梯孔以及连通腔A和阶梯孔的走线槽，至少一个腔A底壁上安装有热电偶，阶梯孔中采用螺钉安装有电路板，左夹板上设有一组腔B、一个盲孔、一个走线通孔和定位轴肩，在所述腔B的底部还设有导向孔，左夹板通过其上的定位轴肩与右夹板上的阶梯孔定位安装，左夹板上的腔B与右夹板上的腔A半径相等，在腔A一侧的金属膜表面粘接有压电膜，粘接后的压电膜和金属膜共同构成俘能器，在所述俘能器的中心处通过螺钉固定有受激磁铁一，受激磁铁一置于左夹板的导向孔内，所述受激磁铁一与激励磁铁一的半径及距内圈中心的距离分别相等，所述两圆周方向相邻的激励磁铁一的轴向磁极配置方向相反，压板通过螺钉固定在左夹板上，并依次将碟形弹簧、受激磁铁二和压电体压接在左夹板的盲孔内，所述受激磁铁二与激励磁铁二的半径及距内圈的中心的距离分别相等；所述压电体、俘能器及热电偶分别通过导线组一、导线组二和导线组三与电路板连接。

本发明一种实施方式：为提高俘能器的发电能力，激励磁铁一的数量n应满足下式，即其中r及R分别为激励磁铁一的半径及其中心到内圈回转中心的距离；或定角比满足其中Q1为激励磁铁一的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角，Q2为两相邻激励磁铁一的中心与轴承回转中心的连线间的夹角。

本发明一种实施方式：为提高俘能器自身的发电能力，金属膜及压电膜的材料分别为铍青铜和PZT4，且压电膜厚度与俘能器总厚度比β的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜半径与右夹板上的腔A半径之比α的取值范围为0.5<α<0.7。

本发明一种实施方式：为提高俘能器总的发电能力、使各俘能器总面积之和最大，左右夹板间俘能器的最佳数量为n＝4、最佳半径均为r₀＝0.4142(R₀-H)，其中R₀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；俘能器结构及激励磁铁配置参数确定合理，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中的结构剖面图；

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是本发明左夹板结构示意图；

图6是本发明右夹板结构示意图；

图7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8是本发明激励系数、最大作用力与定角比的关系曲线；

图9是本发明结构系数与厚度比及半径比的关系曲线图；

图10为俘能器总面积与俘能器半径间的关系曲线。

具体实施方式

如图1～图6所示，包括内圈1、圆锥体2、外圈3，所述外圈3宽度大于内圈1的宽度，外圈3的内孔包括圆锥孔31和圆柱孔32两部分；内圈1与外圈3一侧对齐安装，非对齐一侧外圈3的端面通过螺钉固定有激励盘8的法兰81，并通过激励盘8上的轴肩82与外圈3的圆柱孔32定位，激励盘8上镶嵌有一组激励磁铁一12和一个激励磁铁二17；非对齐一侧内圈1的端面通过螺钉固定有右夹板5，右夹板5的外缘表面与外圈3的圆柱孔32间设有密封圈18，右夹板5的轴肩54与内圈1的内孔过盈配合，右夹板5还通过螺钉固定有左夹板9，左夹板9和右夹板5之间压接有环形金属膜7，右夹板5上设有一组腔A52、一个阶梯孔53以及连通腔A52和阶梯孔53的走线槽51，至少一个腔A52底壁上安装有热电偶4，阶梯孔53中采用螺钉安装有电路板19；左夹板9上设有一组腔B93、一个盲孔91、一个走线通孔92和定位轴肩95，在所述腔B93的底部还设有导向孔94；左夹板9通过其上的定位轴肩95与右夹板5上的阶梯孔53定位安装，左夹板9上的腔B93与右夹板5上的腔A52半径相等，在腔A52一侧的金属膜7表面粘接有压电膜6，粘接后的压电膜6和金属膜7共同构成俘能器10，在所述俘能器10的中心处通过螺钉固定有受激磁铁一11，受激磁铁一11置于左夹板9的导向孔94内，所述受激磁铁一11与激励磁铁一12的半径及距内圈1中心的距离分别相等，所述两圆周方向相邻的激励磁铁一12的轴向磁极配置方向相反，压板16通过螺钉固定在左夹板9上，并依次将碟形弹簧15、受激磁铁二14和压电体13压接在左夹板9的盲孔91内，所述受激磁铁二14与激励磁铁二17的半径及距内圈1的中心的距离分别相等；所述压电体13、俘能器10及热电偶4分别通过导线组一L1、导线组二L2和导线组三L3与电路板19连接。

工作过程中，当内圈1与外圈3做相对转动时，受激磁铁一11与激励磁铁一12之间以及受激磁铁二14与激励磁铁二17之间均产生相对转动，并改变所述受激磁铁与所述激励磁铁间的轴向作用力，从而使俘能器10及压电体13所受轴向作用力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能：俘能器10产生的电能经导线组L2传输给电路板19上的电源电路，用于热电偶4所获温度信号及压电体13所获转速信号的处理和发射；本发明中，内圈1和外圈3相对转动一周时压电体13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13产生脉冲电压数量即为轴承内圈1和外圈3的相对转速。

本发明中，为提高俘能器10的发电能力，激励盘8上的激励磁铁一12的数量n应满足下式，即其中，r及R分别为激励磁铁一12的半径及其中心到内圈1回转中心的距离；或定角比满足其中Q1为激励磁铁一12的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角，Q2为两相邻激励磁铁一12的中心与轴承回转中心的连线间的夹角。

为确保俘能器10产生的电能可满足温度及转速信号的处理与发射需求，其它条件确定时应尽可能提高俘能器10产生的电压和电能。轴承内圈1和外圈3相对转动一周时，单个俘能器10产生的电能为：其中C_f为俘能器10的自由电容，V_g＝ηF为俘能器10生成的开路电压，η为与俘能器10尺度及材料有关的电压系数，h＝nF²称为激励系数，λ＝C_fη²/2称为结构系数，n为激励磁铁一12的数量。显然，在其它条件确定时，可通过提高作用力F、激励磁铁一12的数量n及结构系数λ提高电压及电能；其中，激励磁铁一12的数量n通过改变激励次数及作用力大小两方面影响俘能器10的特性。根据本发明自监测的发电机用圆锥滚子轴承的工作原理、以及磁场为空间分布的实际情况，任一受激磁铁一11都同时受多个激励磁铁一12的作用，作用力的大小取决于定角比其中为激励磁铁一12的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角，Q2＝2π/n为两相邻激励磁铁一12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一12数量n的函数，即其中r及R分别为激励磁铁一12的半径及其中心到内圈1回转中心的距离。进一步的研究表明，存在不同的最佳的定角比k使俘能器10产生的电压及电能最大；当取k＝1～1.5时，即激励磁铁一12数量范围为时，所获得的电能及电压都较大，其中激励系数不低于其最大值的1/2。

图7给出了不同定角比时受激磁铁一11所受作用力F与转角比j＝Q3/Q1的试验曲线，其中Q3为受激磁铁一11相对某一激励磁铁一12中心的转角，故转角比j表征的是受激磁铁一11与各激励磁铁一12间的位置关系。图7说明，定角比不同时，受激磁铁一11所受激励磁铁一12作用力的大小及激励的次数不同。作用力最大值及激励系数与定角比k的关系曲线如图8所示，显然，当取k＝1.0～1.5时，所得电压和电能都较大，激励系数大于其最大值的1/2。

本发明中，为提高俘能器10自身的发电能力，金属膜7的材料为铍青铜，压电膜6的材料为PZT4，且压电膜6厚度与俘能器10的厚度比β的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜6半径与右夹板5上的腔A52的半径之比α的取值范围为0.5<α<0.7。

本发明采用圆形压电膜构造的俘能器10，当俘能器10厚度及右夹板5的腔A52的半径给定时，压电膜6的厚度及半径过大或过小都会使发电能力降低，实际中存在最佳的压电膜厚度与俘能器总厚度比β和压电膜半径与右夹板上的腔A52半径之比α使俘能器10的发电量即结构系数最大。当金属膜7及压电膜6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7的材料为铍青铜，压电膜6的材料为PZT4，其结构系数与厚度比及半径比的关系如图9所示。根据图9，本发明由铍青铜及PZT4所构成俘能器10的较佳参数范围是0.5<β<0.7、0.5<α<0.7。

本发明中，为提高左夹板9和右夹板5之间各俘能器10总的发电能力，应使各俘能器10总面积之和最大，此时置于左夹板9和右夹板5之间的俘能器10的最佳数量为n＝2π/Q＝4、最佳半径均为r₀＝0.4142(R₀-H)，其中Q＝2arcsin[r₀/(R₀-H)]为俘能器10上两条相交于内圈中心的切线间的夹角、R₀为外圈3的内孔半径、H为金属膜7的夹紧量。

本发明中，为提高各俘能器10的总体发电能力，应使置于左夹板9和右夹板5之间各俘能器10的面积之和最大，即应使最大，其中n＝2π/Q为所述俘能器10的数量、r₀为俘能器10半径、Q＝2arcsin[r₀/(R₀-H)]为俘能器10上两条相交于内圈中心的切线间的夹角、R₀为外圈3的内孔半径、H为金属膜7的夹紧量；根据最大面积A的存在条件，即dA/dr₀＝0，通过数值方法求得最佳的俘能器10半径和数量分别为r₀＝0.4142(R₀-H)和n＝2π/Q＝4；各俘能器10总面积A与r₀/(R₀-H)的关系如图10所示。

Claims (4)

1.一种自监测的发电机用圆锥滚子轴承，包括内圈、圆锥体、外圈，其特征在于：所述外圈宽度大于内圈的宽度，外圈的内孔包括圆锥孔和圆柱孔两部分；内圈与外圈一侧对齐安装，非对齐一侧外圈的端面通过螺钉固定有激励盘的法兰，并通过激励盘上的轴肩与外圈的圆柱孔定位，激励盘上镶嵌有一组激励磁铁一和一个激励磁铁二，非对齐一侧内圈的端面通过螺钉固定有右夹板，右夹板的外缘表面与外圈的圆柱孔间设有密封圈，右夹板的轴肩与内圈的内孔过盈配合，右夹板还通过螺钉固定有左夹板，左夹板和右夹板之间压接有环形金属膜，右夹板上设有一组腔A、一个阶梯孔以及连通腔A和阶梯孔的走线槽，至少一个腔A底壁上安装有热电偶，阶梯孔中采用螺钉安装有电路板，左夹板上设有一组腔B、一个盲孔、一个走线通孔和定位轴肩，在所述腔B的底部还设有导向孔，左夹板通过其上的定位轴肩与右夹板上的阶梯孔定位安装，左夹板上的腔B与右夹板上的腔A半径相等，在腔A一侧的金属膜表面粘接有压电膜，粘接后的压电膜和金属膜共同构成俘能器，在所述俘能器的中心处通过螺钉固定有受激磁铁一，受激磁铁一置于左夹板的导向孔内，所述受激磁铁一与激励磁铁一的半径及距内圈中心的距离分别相等，所述两圆周方向相邻的激励磁铁一的轴向磁极配置方向相反，压板通过螺钉固定在左夹板上，并依次将碟形弹簧、受激磁铁二和压电体压接在左夹板的盲孔内，所述受激磁铁二与激励磁铁二的半径及距内圈的中心的距离分别相等；所述压电体、俘能器及热电偶分别通过导线组一、导线组二和导线组三与电路板连接。

2.根据权利要求1所述的一种自监测的发电机用圆锥滚子轴承，其特征在于：所述激励磁铁一的数量n应满足下式，即其中r及R分别为激励磁铁一的半径及其中心到内圈回转中心的距离；或定角比满足其中Q1为激励磁铁一的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角，Q2为两相邻激励磁铁一的中心与轴承回转中心的连线间的夹角。

3.根据权利要求1或2所述的一种自监测的发电机用圆锥滚子轴承，其特征在于：所述金属膜及压电膜的材料分别为铍青铜和PZT4，且压电膜厚度与俘能器总厚度比β的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜半径与右夹板上的腔A半径之比α的取值范围为0.5<α<0.7。

4.根据权利要求1或2所述的一种自监测的发电机用圆锥滚子轴承，其特征在于：左夹板、右夹板间俘能器的最佳数量为n＝4、最佳半径均为r₀＝0.4142(R₀-H)，其中R₀为外圈的内孔半径、H为金属膜的夹紧量。