CN103982557A - 一种具有自测量系统的球轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有自测量系统的球轴承，属于轴承技术领域。外圈端面固定有盖板，盖板上安装有护板，护板上设有至少一个用于安装传感器的通孔、用于安装电路板的环槽、凸台及导向孔；盖板及护板中间压接有环形金属膜，金属膜侧面粘接有压电膜并构成换能器；换能器上装有受激磁铁，受激磁铁的另一端置于导向孔内、且可沿导向孔往复运动；在内圈靠近护板的一侧端面上镶嵌有一组激励磁铁；电路板通过螺钉固定在环槽上，电路板经导线组一与传感器相连、经导线组二与换能器相连。优点是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；采用导向孔防止受激磁铁扭摆，换能器可靠性高。

Description

一种具有自测量系统的球轴承

技术领域

本发明属于轴承技术领域，具体涉及一种具有自测量系统的球轴承。

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及其广泛的应用；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

本发明提供一种具有自测量系统的球轴承，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、滚珠、保持架、外圈，所述外圈宽度大于内圈的宽度，且所述内圈与外圈的一侧对齐安装，在所述非对齐一侧，外圈端面通过螺钉固定有盖板的连接法兰，所述盖板上靠近内圈的一侧设有一组凹腔一和一个定位孔，并通过螺钉安装有护板，所述护板上设有与所述盖板上的凹腔一相对的凹腔二、与所述盖板上的定位孔相对的定位轴，在所述的凹腔二底部设有至少一个用于安装传感器的通孔、用于安装电路板的环槽、凸台及导向孔，在所述盖板及护板中间压接有环形金属膜，在所述金属膜的侧面对应凹腔一及凹腔二处粘接有压电膜，共同构成换能器，在所述换能器的中心处通过螺钉安装有受激磁铁，位于不同换能器上的各受激磁铁的磁极配置方向相同，受激磁铁的另一端置于导向孔内、且可沿导向孔往复运动，在所述内圈靠近护板的一侧端面上镶嵌有一组激励磁铁，所述两圆周方向相邻的激励磁铁的磁极配置方向相反，且所述激励磁铁及受激磁铁的中心距轴承内圈的中心的距离相等，电路板通过螺钉固定在环槽上，所述电路板经导线组一与传感器相连、经导线组二与换能器相连。

本发明一种实施方式是：为提高换能器的发电能力，内圈端部的激励磁铁数量应满足下式，即其中，r为激励磁铁的半径、R为激励磁铁中心到轴承内圈回转中心的距离；或定角比k满足:其中Q1为激励磁铁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是：为提高换能器自身的发电能力，金属膜的材料为铍青铜，压电膜的材料为PZT4，且压电膜厚度与换能器的厚度比β的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜半径与凹腔一半径之比α的取值范围为0.5<α<0.7。

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；换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，提高换能器可靠性。

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B-B视图；

图4是本发明盖板的结构示意图；

图5是图4的右视图；

图6是本发明护板的结构示意图；

图7是图6的左视图；

图8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；

图9是本发明激励系数、最大作用力与定角比的关系曲线图；

图10是本发明结构系数与厚度比及半径比的关系曲线图。

具体实施方式

如图1～图4所示，包括内圈1、滚珠2、保持架3、外圈4，所述外圈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，在所述非对齐一侧，外圈4端面通过螺钉固定有盖板6的连接法兰61，所述盖板6上靠近内圈1的一侧设有一组凹腔一62和一个定位孔63，并通过螺钉安装有护板13，所述护板13上设有与所述盖板6上的凹腔一62相对的凹腔二131、与所述盖板6上的定位孔63相对的定位轴134，在所述的凹腔二131底部设有至少一个用于安装传感器5的通孔135、用于安装电路板15的环槽133、凸台136及导向孔132，在所述盖板6及护板13中间压接有环形金属膜7，在所述金属膜7的侧面对应凹腔一62及凹腔二131处粘接有压电膜10，共同构成换能器11，在所述换能器11的中心处通过螺钉安装有受激磁铁9，位于不同换能器11上的各受激磁铁9的磁极配置方向相同，受激磁铁9的另一端置于导向孔132内、且可沿导向孔132往复运动，在所述内圈1靠近护板13的一侧端面上镶嵌有一组激励磁铁14，所述两圆周方向相邻的激励磁铁14的磁极配置方向相反，且所述激励磁铁14及受激磁铁9的中心距轴承内圈1的中心的距离相等，电路板15通过螺钉固定在环槽133上，所述电路板15经导线组一8与传感器5相连、经导线组二12与换能器11相连。

工作过程中，当内圈1与外圈4做相对转动时，内圈1端部的激励磁铁14与换能器11上的受激磁铁9产生相对转动，从而使激励磁铁14与受激磁铁9之间产生吸-排交替的作用力，迫使换能器11产生轴向弯曲振动，并将机械能转化成电能；换能器11所生成的电能经导线组二12输出给电路板15上的能量转换处理电路，再经导线组一8输出给传感器5；从而实现轴承运动状态的自供电实时监测。

本发明中，为提高换能器11的发电能力，内圈1端部的激励磁铁数量n应满足下式，即其中，r为激励磁铁14的半径、R为激励磁铁14中心到轴承内圈1回转中心的距离；或定角比满足其中Q1为激励磁铁14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14的中心与轴承回转中心的连线间的夹角

为确保换能器11产生的电能可满足传感器5的自供电需求，其他条件确定时应尽可能提高换能器11产生的电压和电能。激励磁铁14与受激磁铁9相对转动一周时，单个换能器11产生的电能为：其中Cf为压电膜10的自由电容，V_g＝ηF为换能器11生成的开路电压，η为与压电膜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结构系数，n为激励磁铁14的数量。显然，在其它条件确定时，可通过提高作用力F、激励磁铁数量n及结构系数λ提高电压及电能；其中，激励磁铁14数量n通过改变激励次数及作用力大小两方面影响换能器11的特性。根据本发明具有自测量系统球轴承的工作原理、以及磁场为空间分布的实际情况，任一受激磁铁9都同时受多个激励磁铁14作用，作用力的大小取决于定角比其中为激励磁铁14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14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14数量n的函数，即其中r为激励磁铁14的半径、R为激励磁铁14中心到轴承内圈1回转中心的距离。进一步的研究表明，当激励磁铁14与受激磁铁9相对转动时，存在不同的最佳的定角比k使电压及电能最大；当取k＝1～1.5时，即激励磁铁14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8给出了不同定角比时受激磁铁9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9及激励磁铁14中心与其回转中心O的连线间的夹角，即为所述受激磁铁9与激励磁铁14自中心重叠后所转过的相对角度，故转角比j表征的是受激磁铁与激励磁铁间的距离。图8说明，定角比不同时，所述受激磁铁所受激励磁铁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9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，为提高换能器11自身的发电能力，金属膜7的材料为铍青铜，压电膜10的材料为PZT4，且压电膜10厚度与换能器11的厚度比β的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜10半径与凹腔一62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换能器11，当金属膜7的厚度及凹腔一62的直径给定时，压电膜10的厚度及半径过大或过小都会使发电能力降低，实际中存在最佳的厚度比和半径比使换能器11的发电量即结构系数最大。当金属膜7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7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10所示。根据图10，本发明由铍青铜及PZT4所构成换能器的较佳参数范围是0.5<β<0.7、0.5<α<0.7。

Claims (3)

1.一种具有自测量系统的球轴承，包括内圈、滚珠、保持架、外圈，其特征在于：所述外圈宽度大于内圈的宽度，且所述内圈与外圈的一侧对齐安装，在所述非对齐一侧，外圈端面通过螺钉固定有盖板的连接法兰，所述盖板上靠近内圈的一侧设有一组凹腔一和一个定位孔，并通过螺钉安装有护板，所述护板上设有与所述盖板上的凹腔一相对的凹腔二、与所述盖板上的定位孔相对的定位轴，在所述的凹腔二底部设有至少一个用于安装传感器的通孔、用于安装电路板的环槽、凸台及导向孔，在所述盖板及护板中间压接有环形金属膜，在所述金属膜的侧面对应凹腔一及凹腔二处粘接有压电膜，共同构成换能器，在所述换能器的中心处通过螺钉安装有受激磁铁，位于不同换能器上的各受激磁铁的磁极配置方向相同，受激磁铁的另一端置于导向孔内、且可沿导向孔往复运动，在所述内圈靠近护板的一侧端面上镶嵌有一组激励磁铁，所述两圆周方向相邻的激励磁铁的磁极配置方向相反，且所述激励磁铁及受激磁铁的中心距轴承内圈的中心的距离相等，电路板通过螺钉固定在环槽上，所述电路板经导线组一与传感器相连、经导线组二与换能器相连。

2.根据权利要求1所述的一种具有自测量系统的球轴承，其特处征在于：内圈端部的激励磁铁数量应满足下式，即其中，r为激励磁铁的半径、R为激励磁铁中心到轴承内圈回转中心的距离；或定角比k满足:其中Q1为激励磁铁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所述的一种具有自测量系统的球轴承，其特处征在于：金属膜的材料为铍青铜，压电膜的材料为PZT4，且压电膜厚度与换能器的厚度比β的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜半径与凹腔一半径之比α的取值范围为0.5<α<0.7。