CN103982556B - 一种用于风力发电机的转速自监测的球轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于风力发电机的转速自监测的球轴承，属于轴承技术领域。安装筒及激励盘分别固定在外圈及内圈端部；电路板及挡环安装在安装筒上，挡环与激励盘间设有密封圈，挡环与安装筒间压接有金属膜，金属膜的悬臂梁上粘有压电膜构成换能器，换能器自由端安装有受激磁铁一；压板固定在安装筒的凸台上，并将碟形簧、受激磁铁二及压电体压接在凸台的盲孔内；换能器及压电体经导线组一和二与电路板相连；激励磁铁一及二均安装在激励盘上，各激励磁铁与受激磁铁之间的同性磁极靠近安装。本发明的优点是结构新颖，具有转速自监测功能，作为独立的标准部件使用，无需改变其安装设备结构；换能器结构及激励磁铁配置参数确定合理，发供电能力强、可靠性高。

Description

一种用于风力发电机的转速自监测的球轴承

技术领域

本发明属于轴承技术领域，具体涉及一种用于风力发电机的转速自监测的球轴承。

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

本发明提供一种用于风力发电机的转速自监测的球轴承，以解决现有轴承监测系统在实际应用中所存在的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：内圈与外圈通过珠架上的滚珠转动连接，所述外圈宽度大于内圈宽度，且内外圈的一侧对齐安装；在内外圈非对齐的一侧，安装筒的外缘法兰通过螺钉固定在外圈端面，激励盘上的定位槽套在内圈端部并由螺钉固定；安装筒底壁上设有扇形孔、凸台及筒壁，凸台上设有盲孔；电路板通过螺钉安装在安装筒底壁上的扇形孔处；挡环的筒壁与安装筒的筒壁通过螺钉相连接，挡环的底壁与激励盘之间设有密封圈；挡环的筒壁的端面与安装筒的筒壁的端面之间压接有设有扇形悬臂梁的金属膜，悬臂梁上远离内圈的一侧粘有压电膜，粘接后的压电膜和金属膜悬臂梁构成换能器，换能器自由端通过螺钉安装有受激磁铁一；压板通过螺钉固定在安装筒的凸台上，并依次将碟形弹簧、受激磁铁二及压电体压接在凸台上的盲孔内；所述换能器及压电体分别通过导线组一和二与电路板相连；激励磁铁一的磁环及磁柱分别嵌入到激励盘的环槽和通孔内，激励磁铁一的磁柱与受激磁铁一的半径及距内圈中心的距离分别相等；激励磁铁二镶嵌在激励盘的盲孔内，激励磁铁二与受激磁铁二的半径及距内圈的中心的偏心距分别相等；激励磁铁一与受激磁铁一之间、以及激励磁铁二与受激磁铁二之间的同性磁极靠近安装，且所述各激励磁铁的轴向磁极配置方式相同。

本发明一种实施方式是：激励磁铁一上磁柱的数量n的取值应满足下式，即其中R为磁柱的中心到轴承回转中心的距离，r为磁柱的半径。

本发明一种实施方式是：所述换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一的中心，且梯形两斜边夹角Q5和换能器的数量m分别为： $Q5=2\arctan \left[\frac{L(r+0.5z)}{L\sqrt{1-{(r+0.5z)}^2-R^2}}\right],$ $m=\frac{\mathrm{\π}}{\arcsin \left(\frac{r+0.5z}{R}\right)},$ 其中L为换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，轴承自身具有转速的自监测功能，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；换能器结构及激励磁铁配置参数确定合理，发供电能力强；换能器工作中仅承受压应力作用，可靠性高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中转速自监测的球轴承的结构剖面图；

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金属膜、压电膜及其粘接后所形成换能器的结构示意图；

图6是激励盘的结构剖视图；

图7是图6的左视图；

图8是激励磁铁一的结构剖视图；

图9是图8的右视图；

图10是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11是能量系数及最大力幅与定角比的关系曲线。

具体实施方式

如图1～图9所示，包括：内圈1、珠架2、滚珠3、外圈4、挡环5、安装筒6、电路板7、压电膜8、金属膜9、受激磁铁一11、压电体12、受激磁铁二13、激励盘14、激励磁铁一16及激励磁铁二17。

内圈1与外圈4通过珠架2上的滚珠3转动连接，外圈4宽度大于内圈1的宽度，且所述内圈1与外圈4的一侧对齐安装；在所述外圈4与内圈1非对齐的一侧，安装筒6的外缘法兰61通过螺钉固定在外圈4的端面，激励盘14上的定位槽141套在内圈1的端面并由螺钉固定，安装筒6的底壁上设有扇形孔62、凸台63及筒壁65，所述凸台63上设有盲孔64，电路板7通过螺钉安装在安装筒6底壁上的扇形孔62处，挡环5的筒壁52与安装筒6的筒壁65通过螺钉相连接，挡环5的底壁51与激励盘14之间设有密封圈15；挡环5的筒壁52的端面与安装筒6的筒壁65的端面之间压接有扇形悬臂梁91的金属膜9，悬臂梁91上远离内圈1的一侧粘接有压电膜8，粘接后的压电膜8和悬臂梁91构成换能器10，换能器10的自由端通过螺钉安装有受激磁铁一11；压板19通过螺钉固定在安装筒6的凸台63上，并依次将碟形弹簧18、受激磁铁二13及压电体12压接在凸台63上的盲孔64内；所述换能器10及压电体12分别通过导线组一L1和导线组二L2与电路板7相连；激励磁铁一16的磁环161及磁柱162分别嵌入到激励盘14的环槽142和通孔143内，激励磁铁一16的磁柱162与受激磁铁一11的半径及距内圈1中心的距离分别相等；激励磁铁二17镶嵌在激励盘14的盲孔144内，激励磁铁二17与受激磁铁二13的半径及距内圈1的中心的偏心距分别相等；激励磁铁一16与受激磁铁一11之间、以及激励磁铁二17与受激磁铁二13之间的同性磁极靠近安装，且所述激励磁铁一16与激励磁铁二17的轴向磁极配置方式相同。

工作过程中，当内圈1与外圈4做相对转动时，激励盘14上的激励磁铁一16与换能器10端部的受激磁铁一11产生相对转动，从而使激励磁铁一16上的磁柱162与受激磁铁一11间的重叠面积交替地增加和减小，故其间的轴向作用力交替地增加和减小，迫使换能器10产生轴向弯曲振动，并将机械能转化成电能，并经导线组一L1输送给电路板7上的电源电路；当内圈1与外圈4做相对转动时，激励磁铁二17与受激磁铁二13也产生相对转动，其间轴向作用力也交替地增加和减小，从而使压电体12承受交变轴向压力并产生电压信号，所生成的电压信号经导线组二L2传至电路板7上的电源电路；由于内圈1和外圈4相对转动一周时压电体12仅受激一次并仅生成一个电压脉冲，因此单位时间内压电体12产生脉冲电压数量即为轴承内圈1和外圈4的相对转速。

在上述内圈1与外圈4相对转动的过程中，受激磁铁一11始终受激励磁铁一16的排斥作用，但排斥力大小不同：受激磁铁一11与激励磁铁一16上的磁柱162完全重叠时排斥力最大，受激磁铁一11处于两相邻磁柱162中间位置时排斥力最小，故内圈1与外圈4相对转动时换能器10中的压电膜8承受的是交变的压应力，从而避免承受过大的拉应力而损毁，可靠性高。

本发明中，为使其它条件确定时的激振力F较大、提高换能器10的输出电压V_g及发电量E_g，激励磁铁一16上磁柱162的数量n的取值应满足下式，即其中R为磁柱162的中心到轴承回转中心的距离，r为磁柱162的半径。

为确保换能器10产生的电能可满足压电体12所生成信号的处理及发送需求，其他条件确定时应尽可能提高换能器10产生的电压和电能。激励磁铁一16与受激磁铁一11相对转动一周时，单个换能器10产生的电能为：E_g＝nC_fV_g ²/2＝nC_f(ηF)²/2＝hC_fη²/2，其中C_f为压电膜8的自由电容，V_g＝ηF为换能器10生成的开路电压，η为与压电膜8尺度及材料有关的系数，h＝nF²称为能量系数，n为激励磁铁一16上磁柱162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，磁柱162的数量n通过改变激励次数及作用力幅值大小两方面影响换能器10的特性。根据本发明转速自监测的球轴承的工作原理、以及磁场为空间分布的实际情况，任一受激磁铁一11都同时受多个磁柱162作用，作用力的大小取决于定角比其中为磁柱162的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角，Q2＝2π/n为两相邻磁柱162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磁柱162数量的函数，即 $k=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{narcisn}\left(\frac{r}{R}\right)}-1,$ 其中R为磁柱162中心到轴承回转中心的距离，r为磁柱162的半径。进一步的研究表明，当激励磁铁一16与受激磁铁一11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，即激励磁铁一16上磁柱162的数量范围为时，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10给出了不同定角比时受激磁铁一11所受作用力幅值F与转角比j＝Q3/Q1的试验曲线，其中Q3为受激磁铁一11及磁柱162与轴承回转中心的连线间的夹角，故转角比j表征的是受激磁铁一11与磁柱162间的角度。图10说明，定角比不同时，受激磁铁一11所受激励磁铁一16作用力的大小及激励的次数不同。作用力幅值的最大值及能量系数与定角比k的关系曲线如图11所示，显然，当取k＝1.5～3时，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，为提高换能器10的可靠性及发电能力，所述换能器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一11的中心，且梯形两斜边夹角Q5和换能器10的数量m分别为： $Q5=2\arctan \left[\frac{L(r+0.5z)}{L\sqrt{1-{(r+0.5z)}^2-R^2}}\right],$ $m=\frac{\mathrm{\π}}{\arcsin \left(\frac{r+0.5z}{R}\right)},$ 其中L为换能器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：而换能器10的生成电压Vg与应力σ_m成正比。如果换能器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，故为提高所述换能器的输出电压、降低固定端的弯曲应力、提高可靠性，本发明中换能器10的工作段L0处为等腰梯形；为提高换能器10的有效工作面积，两相邻换能器10的自由端安装受激磁铁一11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： $Q5=2\arctan \frac{L\sin (Q4/2)}{L\cos (Q4/2)-R}=2\arctan \left[\frac{L(r+0.5z)}{L\sqrt{{1-(r+0.5z)}^2}-R^2}\right],$ $m=\frac{2\mathrm{\π}}{Q4}=\frac{\mathrm{\π}}{\arcsin \left(\frac{r+0.5z}{R}\right)},$ 其中Q4＝2arcsin[(r+z/2)/R]为换能器10固定端两顶点与轴承回转中心连线间的夹角。

Claims (3)

1.一种用于风力发电机的转速自监测的球轴承，其特征在于：内圈与外圈通过珠架上的滚珠转动连接，所述外圈宽度大于内圈宽度，且内外圈的一侧对齐安装；在内外圈非对齐的一侧，安装筒的外缘法兰通过螺钉固定在外圈端面，激励盘上的定位槽套在内圈端部并由螺钉固定；安装筒底壁上设有扇形孔、凸台及筒壁，凸台上设有盲孔；电路板通过螺钉安装在安装筒底壁上的扇形孔处；挡环的筒壁与安装筒的筒壁通过螺钉相连接，挡环的底壁与激励盘之间设有密封圈；挡环的筒壁的端面与安装筒的筒壁的端面之间压接有设有扇形悬臂梁的金属膜，悬臂梁上远离内圈的一侧粘有压电膜，粘接后的压电膜和金属膜悬臂梁构成换能器，换能器自由端通过螺钉安装有受激磁铁一；压板通过螺钉固定在安装筒的凸台上，并依次将碟形弹簧、受激磁铁二及压电体压接在凸台上的盲孔内；所述换能器及压电体分别通过导线组一和二与电路板相连；激励磁铁一的磁环及磁柱分别嵌入到激励盘的环槽和通孔内，激励磁铁一的磁柱与受激磁铁一的半径及距内圈中心的距离分别相等；激励磁铁二镶嵌在激励盘的盲孔内，激励磁铁二与受激磁铁二的半径及距内圈的中心的偏心距分别相等；激励磁铁一与受激磁铁一之间、以及激励磁铁二与受激磁铁二之间的同性磁极靠近安装，且所述各激励磁铁的轴向磁极配置方式相同。

2.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机的转速自监测的球轴承，其特征在于：所述激励磁铁一上磁柱的数量n的取值应满足下式，即其中R为磁柱的中心到轴承回转中心的距离，r为磁柱的半径。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于风力发电机的转速自监测的球轴承，其特征在于：所述换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一的中心，且梯形两斜边夹角Q5和换能器的数量m分别为： $Q5=2\arctan \left[\frac{L(r+0.5z)}{L\sqrt{1-{(r+0.5z)}^2-R^2}}\right],$ $m=\frac{\mathrm{\π}}{\arcsin \left(\frac{r+0.5z}{R}\right)},$ 其中L为换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。