CN103994144A - 一种带自发电监测装置的高速圆柱滚子轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带自发电监测装置的高速圆柱滚子轴承，属于轴承及其监测技术领域。两个保持架以及镶嵌于其内的激励磁铁通过铆钉铆接；置于保持架型腔内的圆柱体两端镶嵌有激励磁铁；内圈两端的阶梯轴上或外圈两端的阶梯孔内装有盘体，盘体的环槽侧壁上装有传感器，盘体两侧分别装有电路板和盖板，盘体与盖板间装有俘能器，俘能器中心铆接有受激磁铁，受激磁铁套在盘体的导向孔内；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；俘能器结构及激励方案合理、通过导向孔防止俘能器扭摆、利用随圆锥体转动的激励磁铁激励，故可靠性高、发电量大、有效速带宽、且适于高转速场合。

Description

一种带自发电监测装置的高速圆柱滚子轴承

技术领域

本发明属于轴承及其监测技术领域，具体涉及一种高速圆柱滚子轴承及其自发电监测装置。

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

本发明提供一种带自发电监测装置的高速圆柱滚子轴承，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、圆柱体、外圈，保持架一和保持架二上设有型腔、阶梯孔和通孔，保持架一和保持架二以及镶嵌于保持架一和保持架二的阶梯孔内的激励磁铁通过铆钉铆接，置于保持架一和保持架二的型腔内的圆柱体的两端镶嵌有激励磁铁，且所述激励磁铁的一端从保持架一和保持架二上的通孔伸出，内圈的两端设有阶梯轴、外圈的两端设有阶梯孔，所述阶梯轴上或阶梯孔内通过过盈配合装有盘体，盘体的两侧分别设有沉腔和环槽，沉腔与环槽中间的底壁上设有导向孔和导线孔，环槽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，电路板和盖板分别通过螺钉安装在盘体上的设有环槽和沉腔的一侧，所述盖板上设有沉腔，盖板和盘体之间压接有金属膜，置于盘体的沉腔和盖板的沉腔处的金属膜上通过粘接有压电膜构成俘能器，俘能器的中心处铆接有受激磁铁，受激磁铁套接在导向孔内，所述受激磁铁与激励磁铁的半径及其回转半径分别相等，置于同一盘体上的各俘能器及传感器一和传感器二或传感器三和传感器四分别通过不同的导线组与电路板相连接。

本发明一种实施方式是，置于同一轴截面的两个激励磁铁的异性磁极靠近安装，置于同一横截面的两个圆周上相邻激励磁铁的磁极的轴向配置方向相反，且置于同一个轴截面上的激励磁铁数量n应满足下式，即其中，r及R分别为激励磁铁的半径及其中心的回转半径；或定角比满足其中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其回转中心的连线间的夹角。

本发明一种实施方式是，金属膜的材料为铍青铜，压电膜的材料为PZT4，且压电膜厚度与俘能器厚度比β的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜半径与盘体沉腔半径之比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；俘能器结构及激励磁铁配置参数确定合理、且采用导向孔防止俘能器扭摆，故可靠性高、发电量大，利用随圆柱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视图；

图3是图1的B-B视图；

图4是本发明轴承主体部分的装配结构示意图；

图5是本发明保持架的结构示意图；

图6是本发明盘体的结构示意图；

图7是本发明激励磁铁与受激磁铁的配置关系示意图；

图8是不同定角比时梁上磁铁所受作用力与转角比的关系曲线图；

图9是激励系数、最大作用力与定角比的关系曲线图；

图10是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6所示，包括内圈1、圆柱体2、外圈4，保持架一3和保持架二3’上设有型腔31、阶梯孔32和通孔33，保持架一3和保持架二3’以及镶嵌于保持架一3和保持架二3’的阶梯孔32内的激励磁铁C2通过铆钉铆接，置于保持架一3和保持架二3’的型腔31内的圆柱体2的两端镶嵌有激励磁铁C2，且所述激励磁铁C2的一端从保持架一3和保持架二3’上的通孔33伸出；内圈1的两端设有阶梯轴11、外圈4的两端设有阶梯孔41，所述阶梯轴11上或阶梯孔41内通过过盈配合装有盘体7，盘体7的两侧分别设有沉腔71和环槽72，沉腔71与环槽72中间的底壁73上设有导向孔74和导线孔75，环槽72的侧壁上安装有传感器一S1和传感器二S2或传感器三S3和传感器四S4，电路板B和盖板5分别通过螺钉安装在盘体7上的设有环槽72和沉腔71的一侧，所述盖板5上设有沉腔51，盖板5和盘体7之间压接有金属膜6，置于盘体7的沉腔71和盖板5的沉腔51处的金属膜6上通过粘接有压电膜8构成俘能器A，俘能器A的中心处铆接有受激磁铁C1，受激磁铁C1套接在导向孔74内，所述受激磁铁C1与激励磁铁C2的半径及其回转半径分别相等，置于同一盘体7上的各俘能器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分别通过不同的导线组与电路板B相连接。

工作过程中，当内圈1与外圈4做相对转动时，与内圈1或外圈4相对固定的俘能器A及受激磁铁C1与圆柱体2及激励磁铁C2之间产生相对转动，从而改变受激磁铁C1与激励磁铁C2之间的轴向作用力，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，通过导向孔74防止俘能器A扭摆，故可同时获得较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A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A所获得的外部能量。本发明中，圆柱体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λ_n＝n1/n2＝r/R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λ_t＝1/λ_n＝R/r倍，其中，r和R分别为激励磁铁C2的半径及其中心的回转半径。因此，本发明中利用随圆柱体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λ_E＝(R/r)²倍，故有效速带宽、更适于转速较高的场合。

本发明中，为提高俘能器A的发电能力，置于同一轴截面的两个激励磁铁C2的异性磁极靠近安装，置于同一横截面的两圆周上相邻激励磁铁C2的磁极的轴向配置方向相反，且置于轴承同一侧即同一个轴截面上的激励磁铁C2的数量n应满足下式，即其中，r及R分别为激励磁铁C2的半径及其中心的回转半径；或定角比满足其中Q1为激励磁铁C2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C2的中心与其回转中心的连线间的夹角。

为提高俘能器A的发电能力，其它条件确定时应尽可能提高俘能器A的变形量和受激次数，即提高所受激振力的幅值和激励次数，且应使俘能器A上的受激磁铁C1承受交替的吸引力和排斥力，故激励磁铁C2的磁极的配置方式为：置于同一轴截面的两个激励磁铁C2的异性磁极靠近安装，置于同一横截面的两圆周上相邻激励磁铁C2的磁极的轴向配置方向相反；此外，当轴承内圈1和外圈4相对转动一周时，单个俘能器A产生的电能可表示为：其中C_f为俘能器A的自由电容，V_g＝ηF为俘能器A生成的开路电压，η为与俘能器A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为轴承单侧激励磁铁C2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C2的数量n及结构系数λ提高电压及电能；其中，激励磁铁C2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A的发电特性。根据本发明圆柱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C1都同时受多个激励磁铁C2的作用，总作用力F的大小取决于定角比其中为激励磁铁C2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C2的中心与其回转中心的连线间的夹角，r及R分别为激励磁铁C2的半径及其中心的回转半径，由此可将定角比转换成激励磁铁C2数量n的函数，即进一步的研究表明，存在不同的最佳的定角比k使俘能器A所受的作用力、电压及电能最大；当取k＝1～1.5时，即激励磁铁C2数量n的范围为时，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C1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C1与某一激励磁铁C2完全重叠后所转过的转角，故转角比j表征的是受激磁铁C1与各激励磁铁C2间的位置关系。图8说明，定角比不同时，受激磁铁C1所受激励磁铁C2作用力的大小及激励的次数不同。作用力幅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，为提高俘能器A自身的发电能力，金属膜6的材料为铍青铜，压电膜8的材料为PZT4，且压电膜8厚度与俘能器A的厚度比β的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜8的半径与盘体7的沉腔71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8与金属膜6粘接构造的俘能器A，当俘能器A厚度及盘体7的沉腔71的半径给定时，压电膜8的厚度及半径过大或过小都会使俘能器A发电能力降低，实际中存在最佳的压电膜8厚度与俘能器A总厚度比β和压电膜8的半径与盘体7的沉腔71的半径之比α使俘能器A的发电量即结构系数最大。当金属膜6及压电膜8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及半径比α的关系。本发明的金属膜6的材料为铍青铜，压电膜8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所构成俘能器A的较佳参数范围是0.5<β<0.7、0.5<α<0.7。

Claims (3)

1.一种带自发电监测装置的高速圆柱滚子轴承，包括内圈、圆柱体、外圈，其特征在于：保持架一和保持架二上设有型腔、阶梯孔和通孔，保持架一和保持架二以及镶嵌于保持架一和保持架二的阶梯孔内的激励磁铁通过铆钉铆接，置于保持架一和保持架二的型腔内的圆柱体的两端镶嵌有激励磁铁，且所述激励磁铁的一端从保持架一和保持架二上的通孔伸出，内圈的两端设有阶梯轴、外圈的两端设有阶梯孔，所述阶梯轴上或阶梯孔内通过过盈配合装有盘体，盘体的两侧分别设有沉腔和环槽，沉腔与环槽中间的底壁上设有导向孔和导线孔，环槽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，电路板和盖板分别通过螺钉安装在盘体上的设有环槽和沉腔的一侧，所述盖板上设有沉腔，盖板和盘体之间压接有金属膜，置于盘体的沉腔和盖板的沉腔处的金属膜上通过粘接有压电膜构成俘能器，俘能器的中心处铆接有受激磁铁，受激磁铁套接在导向孔内，所述受激磁铁与激励磁铁的半径及其回转半径分别相等，置于同一盘体上的各俘能器及传感器一和传感器二或传感器三和传感器四分别通过不同的导线组与电路板相连接。

2.根据权利要求1所述的带自发电监测装置的高速圆柱滚子轴承，其特征在于：置于同一轴截面的两个激励磁铁的异性磁极靠近安装，置于同一横截面的两个圆周上相邻激励磁铁的磁极的轴向配置方向相反，且置于同一个轴截面上的激励磁铁数量n应满足下式，即其中，r及R分别为激励磁铁的半径及其中心的回转半径；或定角比满足其中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其回转中心的连线间的夹角。

3.根据权利要求1或2所述的带自发电监测装置的高速圆柱滚子轴承，其特征在于：金属膜的材料为铍青铜，压电膜的材料为PZT4，且压电膜厚度与俘能器厚度比β的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜半径与盘体沉腔半径之比α的取值范围为0.5<α<0.7。