CN103994142B - 一种用于电力设施的大尺度球轴承组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电力设施的大尺度球轴承组件，属于轴承及其监测技术领域。外圈和内圈的左右两端分别设有内环槽和外环槽，外圈左内环槽和内圈右外环槽处分别通过过盈配合安装有设有辐板的骨架，各骨架两侧均分别安装有电路板和金属片并构成辐腔，对应辐腔处的金属片上粘接有压电片，受激磁铁通过螺钉与压电片及金属片相连，骨架上对应辐腔处安装有传感器，压电片、金属片及传感器通过不同的导线组与电路板连接，两个激励磁及两个珠架依次用螺钉固定在一起，各轴向相邻两磁铁的异性磁极靠近安装。优点是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。

Description

一种用于电力设施的大尺度球轴承组件

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球轴承组件。

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电力设施的大尺度球轴承组件，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：包括外圈、滚珠、珠架一和珠架二、内圈，所述外圈左右两端分别设有内环槽一和内环槽二，所述内圈左右两端分别设有外环槽一和外环槽二，所述外圈的内环槽一内通过过盈配合安装有带辐板一的环形骨架一，所述环形骨架一的内孔与内圈的外环槽一为间隙配合，所述内圈的外环槽二通过过盈配合安装有带辐板二的环形骨架二，所述环形骨架二的外缘与外圈的内环槽二为间隙配合，电路板一和金属片一分别通过螺钉固定在环形骨架一的左侧和右侧，并与环形骨架一及辐板一共同构成密闭辐腔一，压电片一粘接在金属片一上、且置于辐腔一内，受激磁铁一通过螺钉与压电片一及金属片一相连，所述压电片一及金属片一通过导线组一与电路板一相连接，传感器一固定在环形骨架一上、且置于辐腔一内，所述传感器一通过导线组二与电路板一相连接，所述金属片二和电路板二分别通过螺钉固定在环形骨架二的左右两侧，并与环形骨架二及所述环形骨架二上的辐板二共同构成密闭辐腔二，压电片二粘接在金属片二上、且置于密闭辐腔二内，受激磁铁二通过螺钉与压电片二及金属片二相连接，所述压电片二及金属片二通过导线组三与电路板二相连接，传感器二固定在环形骨架二上、且置于密闭辐腔二内，所述传感器二通过导线组四与电路板二相连接，激励磁铁一、珠架一、珠架二及激励磁铁二依次通过铆钉铆接在一起，受激磁铁一与激励磁铁一之间、激励磁铁一与激励磁铁二之间、以及激励磁铁二与受激磁铁二之间的异性磁极靠近安装。

本发明的一种实施方式是：所述各受激磁铁和激励磁铁的半径相等且由式计算得到，其中：R为滚珠转动半径，n为滚珠数量，为定角比，Q2＝360/n为两相邻激励磁铁一或激励磁铁二的中心与其回转中心O的连线间的夹角，Q1为通过回转中心O且与所述激励磁铁相切的直线间的夹角；较佳的定角比为k＝1.5～3.5。

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。

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是本发明轴承内圈及外圈上未安装环形骨架时的结构示意图；

图3是图1的A-A视图；

图4是图1的B-B视图；

图5是本发明中激励磁铁与受激磁铁相对转动后的原理示意图；

图6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7是本发明能量系数、最大作用力及激励次数与定角比的关系曲线图。

具体实施方式

包括外圈1、滚珠2、珠架一3和珠架二3’、内圈4，所述外圈1左右两端分别设有内环槽一101和内环槽二101’，所述内圈4左右两端分别设有外环槽一401和外环槽二401’，所述外圈的内环槽一101内通过过盈配合安装有带辐板一501的环形骨架一5，所述环形骨架一5的内孔与内圈4的外环槽一401为间隙配合，所述内圈的外环槽二401’通过过盈配合安装有带辐板二501’的环形骨架二5’，所述环形骨架二5’的外缘与外圈1的内环槽二101’为间隙配合，电路板一6和金属片一7分别通过螺钉固定在环形骨架一5的左侧和右侧，并与环形骨架一5及辐板一501共同构成密闭辐腔一502，压电片一10粘接在金属片一7上、且置于辐腔一502内，受激磁铁一11通过螺钉与压电片一10及金属片一7相连，所述压电片一10及金属片一7通过导线组一9与电路板一6相连接，传感器一13固定在环形骨架一5上、且置于辐腔一502内，所述传感器一13通过导线组二12与电路板一6相连接，所述金属片二7’和电路板二6’分别通过螺钉固定在环形骨架二5’的左右两侧，并与环形骨架二5’及所述环形骨架二5’上的辐板二501’共同构成密闭辐腔二502’，压电片二10’粘接在金属片二7’上、且置于密闭辐腔二502’内，受激磁铁二11’通过螺钉与压电片二10’及金属片二7’相连接，所述压电片二10’及金属片二7’通过导线组三9’与电路板二6’相连接，传感器二13’固定在环形骨架二5’上、且置于密闭辐腔二502’内，所述传感器二13’通过导线组四12’与电路板二6’相连接，激励磁铁一8、珠架一3、珠架二3’及激励磁铁二8’依次通过铆钉15铆接在一起，受激磁铁一11与激励磁铁一8之间、激励磁铁一8与激励磁铁二8’之间、以及激励磁铁二8’与受激磁铁二11’之间的异性磁极靠近安装。

为提高发电量，所述各磁铁的半径相等且由式计算得到，其中：R为滚珠2的转动半径，n为滚珠2的数量，亦即激励磁铁一8及激励磁铁二8’的数量；称为定角比，Q2＝360/n为两相邻激励磁铁一8或两相邻激励磁铁二8’的中心与其回转中心O的连线间的夹角，Q1为通过回转中心O且与所述激励磁铁一8或二8’相切的直线间的夹角；较佳的定角比为k＝1.5～3.5。

工作过程中，滚珠2随着外圈1或内圈4转动而滚动，同时还带动珠架一3和珠架二3’、以及与所述珠架相连接的激励磁铁一8和激励磁铁二8’一起转动，从而使激励磁铁一8和受激磁铁一11及激励磁铁二8’和受激磁铁二11’之间产生相对运动，并使激励磁铁一8与受激磁铁一11之间的作用力、以及激励磁铁二8’与受激磁铁二11’之间作用力发生变化，迫使压电片一10和压电片二10’交替的弯曲变形，将机械能转换成电能；压电片一10所生成的电能经导线组一9输出给电路板一6上的能量转换处理电路，再经导线组二12输出给传感器一13；压电片一10’所生成的电能经导线组三9’输出给电路板二6’上的能量转换处理电路，再经导线组四12’输出给传感器二13’；从而实现轴承运动状态的自供电实时监测。

为确保压电片产生的电能可满足传感器的自供电需求，应尽可能提高压电片产生的电能。激励磁铁与受激磁铁相对转动一周时，单个压电片产生的电能为 $E_g={\mathrm{nC}}_f{V}_g^2/2={\mathrm{nC}}_f{\left(\mathrm{\η}F\right)}^2/2={\mathrm{hC}}_f{\mathrm{\η}}^2/2,$ 其中：C_f为压电片的自由电容，V_g＝ηF为压电片生成的开路电压，η为与压电片尺度及材料有关的系数，F为压电片所受的外部作用力，h＝nF²称为能量系数。显然，在其它条件不变时，可通过提高压电片所受外部作用力F提高电压，通过提高能量系数h提高电能。根据本发明球轴承组件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一8作用、任一受激磁铁二11’都同时受多个激励磁铁二8’作用。故在其它条件确定的情况下，所述某个受激磁铁一11及受激磁铁二11’所受作用力分别与其所对应的定角比k有关，且存在较佳的定角比k使得作用力F、电压V_g、及电能E_g较大。本发明中，较佳的定角比为k＝1.5～3.5时，所获得的电压和电能都较大。

图6给出了不同定角比时某个受激磁铁一11或受激磁铁二11’所受作用力F与转角比j＝Q3/Q1的试验曲线，其中Q3为受激磁铁与激励磁铁中心间自重叠后的相对转角，故转角比j表征的是某个受激磁铁一11或受激磁铁二11’与其所对应的激励磁铁间的距离。图6说明，定角比不同时，所述受激磁铁所受作用力的大小及激励的次数不同。作用力最大值、激励次数以及能量系数与定角比k的关系曲线如图7所示。显然，当取k＝1.5～3.5时，所得电压和电能都较大，能量系数大于其最大值的1/2。

Claims (1)

1.一种用于电力设施的大尺度球轴承组件，包括外圈、滚珠、珠架一和珠架二、内圈，其特征在于：所述外圈左右两端分别设有内环槽一和内环槽二，所述内圈左右两端分别设有外环槽一和外环槽二，所述外圈的内环槽一内通过过盈配合安装有带辐板一的环形骨架一，所述环形骨架一的内孔与内圈的外环槽一为间隙配合，所述内圈的外环槽二通过过盈配合安装有带辐板二的环形骨架二，所述环形骨架二的外缘与外圈的内环槽二为间隙配合，电路板一和金属片一分别通过螺钉固定在环形骨架一的左侧和右侧，并与环形骨架一及辐板一共同构成密闭辐腔一，压电片一粘接在金属片一上、且置于辐腔一内，受激磁铁一通过螺钉与压电片一及金属片一相连，所述压电片一及金属片一通过导线组一与电路板一相连接，传感器一固定在环形骨架一上、且置于辐腔一内，所述传感器一通过导线组二与电路板一相连接，金属片二和电路板二分别通过螺钉固定在环形骨架二的左右两侧，并与环形骨架二及所述环形骨架二上的辐板二共同构成密闭辐腔二，压电片二粘接在金属片二上、且置于密闭辐腔二内，受激磁铁二通过螺钉与压电片二及金属片二相连接，所述压电片二及金属片二通过导线组三与电路板二相连接，传感器二固定在环形骨架二上、且置于密闭辐腔二内，所述传感器二通过导线组四与电路板二相连接，激励磁铁一、珠架一、珠架二及激励磁铁二依次通过铆钉铆接在一起，受激磁铁一与激励磁铁一之间、激励磁铁一与激励磁铁二之间、以及激励磁铁二与受激磁铁二之间的异性磁极靠近安装；所述各受激磁铁和激励磁铁的半径相等且由式计算得到，其中：R为滚珠转动半径，n为滚珠数量，为定角比，Q2＝360/n为两相邻激励磁铁一或激励磁铁二的中心与其回转中心O的连线间的夹角，Q1为通过回转中心O且与任意一个激励磁铁相切的直线间的夹角；定角比为k＝1.5～3.5。