CN104395724B - 机械装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械装置，包括或是至少一个承载体，其中，玻璃纤维与所述机械装置连接。为了适当地测量应力，即使是在通常在连接至轴承环的承载体的情况下的机械装置的曲面上，本发明提出了所述玻璃纤维和机械装置之间的连接由金属材料建立，该金属材料通过材料结合与机械装置以及与玻璃纤维连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械装置，包括至少一个承载体，其中，玻璃纤维与所述机械装置连接，其中，所述玻璃纤维和机械装置之间的连接由金属材料建立，该金属材料通过材料结合与机械装置以及与玻璃纤维连接。
背景技术
通常这类的机械装置公开在US5594819A中。类似的解决方案示于GB761662A中。
本领域中公知的是，采用玻璃纤维元件来装备这种机械部件，以允许测量不同的物理参数。通过这样做，可以通过使用光纤布拉格光栅(FBG)法来对这些参数进行测量。通过该方法，可以监测机械装置的温度以及应变。
为了这样做，有必要将玻璃纤维与部件连接。为了测量温度，很重要的是建立玻璃纤维和机械装置之间的热联接。为了监测应变，有必要将玻璃纤维与要被监测的部件机械地连接。
特别是在后一种情况下会出现问题，因为玻璃纤维通常配备有多个同轴布置的覆盖层。典型的结构采用围绕玻璃纤维(芯)本身布置的包层；该包层是由涂层包裹。然后，加强纤维(例如由芳族聚酰胺制成)布置在涂层的外圆周上。最后，加强纤维由中空圆柱形光缆护套包围。
当这种类型的玻璃纤维元件与部件连接时，在玻璃芯和部件之间存在固有的一定的弹性。因此，具体地，应变的测量因弹性而是有问题的。这在部件不平但如果其具有球形形状时是特别的问题。这在轴承特别是滚子轴承的部件的情况下是典型的。
本发明的目的是提出了一种上述类型的机械装置，其设计成使得在玻璃纤维芯和尽可能硬的部件之间建立接触。通过这样做，旨在高精度地监测部件的物理性质特别是应变。因此，具体地，适当地测量应力应成为可能，即使是在通常在轴承环情况下的机械装置的曲面上。
发明内容
根据本发明的解决方案的特征在于，所述承载体包括所述玻璃纤维布置在其中的凹槽，其中，填充材料布置在所述玻璃纤维和承载体之间，其中，所述玻璃纤维通过钎焊被嵌入到承载体中，其中，所述承载体通过脉冲电弧焊接连接至机械部件。
所述玻璃纤维基本上没有如上所述的任何层。例外的情况可能是，该玻璃纤维由反射覆盖材料包围，以确保通过玻璃纤维的光传导。
所述金属材料优选地包括至少两种不同的金属材料，其中，第一金属材料包围所述玻璃纤维，并且其中，第二金属材料通过材料结合将所述第一金属材料与机械装置连接。
所述金属材料和机械装置之间的材料结合连接可以由通过使用该金属材料的焊接过程建立。
所述金属材料和玻璃纤维之间的材料结合连接还可以由通过使用该金属材料的焊接或熔化过程建立。
所提到的第一金属材料可以是单金属元素。在这种情况下，优选的实施方式提出，所述第一金属材料是铬(Cr)。一种替代方案建议镍(Ni)作为第一金属材料。
所述第二金属材料可以是金属合金。在这种情况下，第二金属材料可以是镍(Ni)铬(Cr)合金。
在本发明的优选实施方式中，设置有包围所述玻璃纤维的镍(Ni)包层；此被包围的玻璃纤维然后被覆盖镍铬合金。
所述第二金属材料可以至少部分地具有在垂直于所述玻璃纤维的纵向轴线的方向上测量的厚度为至少0.3毫米，优选的是至少0.5毫米。
所述玻璃纤维可以布置在所述机械装置的曲面上，特别是在机械装置的承载体的圆柱形或平表面上。承载体反过来又布置在机械装置的轴承环上。
由此，所述玻璃纤维可以连接至机械装置的圆柱形或平表面。另外，可以将玻璃纤维定位在凹槽中，该凹槽被机加工成用于将玻璃纤维放置到机械装置中。
一种解决方案是一种机械装置，包括或是至少一个承载体，其中，玻璃纤维与所述机械装置连接。所述玻璃纤维和机械装置之间的连接由金属材料建立，该金属材料通过材料结合与机械装置以及与玻璃纤维连接。
优选地，所述玻璃纤维由反射覆盖材料包围。所述金属材料可以包括至少两种不同的金属材料，其中，第一金属材料包围玻璃纤维，并且其中，第二金属材料通过材料结合将第一金属材料与机械装置连接。所述金属材料和机械装置之间的材料结合连接可以由通过使用该金属材料的真空钎焊过程建立。玻璃纤维与承载体连接。所述承载体可以由不锈钢制成。所述第一金属材料优选的是单金属元素，比如镍(Ni)。所述第二金属材料优选的是金属合金，比如包括银(Ag)和铜(Cu)的钎焊合金，比如Cusin-1 ABA。所述承载体可以通过脉冲电弧焊接而连接至由硬化钢制成的机械部件。
上述所有特征可以以任何期望的方式被单独地结合在一起，前提是只要没有任何矛盾的特征接合。
通过所提出的设计，在玻璃纤维和要被监测的部件之间建立刚性的直接连接，从而可以以精确的方式检测物理参数——特别是温度和应变。
附图说明
各附图示出了本发明的实施方式。
图1示出了旨在连接至滚子轴承的外轴承环的承载体的一部分的透视图，其上固定有玻璃纤维，
图2示出了根据图1的横截面A-A，
图3示出了固定至与图2相类似的承载体的玻璃纤维的透视图，
图4示出了与图3相类似的固定至承载体的玻璃纤维的正视图，
图5示出了固定在承载体的凹槽中的玻璃纤维的透视图，
图6示出了与图5相类似的固定在承载体的凹槽中的玻璃纤维的正视图，
图7a示出了在第一早期状态将玻璃纤维固定在承载体的凹槽中的过程，
图7b示出了在第二后期状态将玻璃纤维固定在承载体的凹槽中的过程。
具体实施方式
在图1中，示出的机械装置1是连接至机械装置的滚子轴承的外轴承环的承载体。承载体1具有外球形表面，其就作用于机械部件中的应变而被监测。通过同样公知的光纤布拉格光栅(FBG)法来对这些应变进行测量。例如可以参照US6923048B2，其中对该技术进行了更详细的说明。
为了这样做，将玻璃纤维2牢固地固定在承载体1的球形即圆柱形外周上。玻璃纤维2具有在承载体1的周向方向上延伸的纵向方向L。
关于玻璃纤维2固定在承载体1中的细节可以从图2中看出。
这里，可以看出的是，玻璃纤维2基本上是纯玻璃元件——可能仅由反射涂层覆盖，以确保在玻璃纤维内的适当光传导——其然后通过金属材料3与承载体1连接。
这里，采用了两种不同的金属材料：
第一金属材料3'覆盖玻璃纤维2本身。优选的材料是铬(Cr)。
然后，第一金属材料3'与第二金属材料3″连接。该材料优选的是合金，优选的是由铬(Cr)和镍(Ni)制成。
因此，在玻璃纤维2和要被监测的机械部件1之间建立材料结合。这意味着，机械部件1中的所有应变被直接转移到玻璃纤维2中。因此，为精确测量机械部件1的物理参数确保了前提。
图3中示出了本发明的另一实施方式。这里，玻璃纤维2设置有由第一金属材料(镍(Ni))制成的包层3'。此包层嵌入在第二金属材料3″(镍铬合金)中。第二金属材料3″通过焊接或钎焊4被固定在承载体1上。
图4中示出了一种类似的解决方案。这里，玻璃纤维2被再次嵌入在镍包层3'中。此包层由镍铬合金的涂层3″覆盖。通过焊接或钎焊4，将此涂层3″与承载体1固定。
图5中示出了一种替代方式。这里，承载体1具有凹槽5，玻璃纤维2插入并牢固地固定在其中。为了这样做，玻璃纤维2包覆有由镍制成的覆盖层3'。然后，通过填补凹槽5的镍铬合金3″，将被覆盖的玻璃纤维2固定在承载体1上。
图6中示出了一种类似的解决方案。这里，承载体1同样具有其中插入有玻璃纤维2的凹槽5。玻璃纤维2嵌入在镍包层3'中。包层3'由镍铬合金3″覆盖。通过焊接或钎焊4，将镍铬合金3″的涂层固定在凹槽5中。
图7a和图7b中示出了通过其可以实现如图6所示的固定的过程。这里，当被嵌入的玻璃纤维2(还是由镍层3'和镍铬合金层3″涂覆)布置在承载体1的凹槽5中时，容器7布置在承载体1上。容器7填充有焊膏6。这示于图7a中。
加热元件8(其是感应加热器)布置在容器7附近。由于由感应加热器8所产生的热量，焊膏6熔化并形成在图7b中所示的钎焊4。然后，将容器7移除。
所提出的连接技术可以用来将玻璃纤维2牢固地固定在承载体1上的两点之间，以使用光纤布拉格光栅(FBG)法来测量特定的数据。
为了包覆玻璃纤维2本身，纯材料——特别是镍(Ni)或铬(Cr)——是优选的。此给出了非常致密且无缺陷的涂层。
对于外涂层来说，可以从有或没有附加元素比如B、Fe、Mn、Si、Ti的镍(Ni)和铬(Cr)之间的适当合金选择，这些元素可被选择以获得更硬或更具延展性的涂层并且/或者降低涂层或所施加的后期钎焊或焊接的熔化温度。
除纯镍之外，还可以使用具有最大2％(重量)钛(Ti)、1％(重量)硅(Si)的镍合金或具有最大3.5％(重量)硼(B)、4.5％(重量)硅(Si)、5％至7％(重量)铬(Cr)以及约4％(重量)铁(Fe)的镍合金。
对于外涂层3″来说，可以采用纯铬(Cr)，但也可以采用具有最大20％至60％(重量)镍(Ni)的铬合金。外涂层优选具有的壁厚在0.2至0.5毫米之间，以使得微型激光器能够焊接或钎焊。
这里，镍铬合金优选的是具有20％至80％(重量)镍(Ni)和其余为铬(Cr)。此外，已经发现合适的合金具有20％至70％(重量)镍(Ni)、1％至5％(重量)锰(Mn)、最大1％(重量)硅(Si)以及其余为铬(Cr)。此外，加入铜(Cu)可能是有好处的。
在图8中，带芯的玻璃纤维82，其优选地工作高达1000摄氏度，包括芯内的布拉格光栅83，已经准备好进行真空钎焊至不锈钢承载体。玻璃纤维82通常包括铜涂层84，其在连接区域89以外在活化期间由薄层电镀镍86保护。然后，添加薄的化学Ni层87，使裸露的纤维部分导电，最后添加约20微米厚的电镀镍层88。玻璃纤维82沿着其将被安装至承载体的长度89在添加Ni层87、88之前将是裸露的，并且将包括一个或多个芯内的布拉格光栅83。
在图9中，优选地由430不锈钢制成的承载体91安装在轴承的外环99上。当然，这是承载体可安装在的轴承上的许多不同位置之一。所述的承载体可以优选地安装在任何硬化钢特别是硬化轴承钢上。优选地，承载体91可以在25毫米长(在所安装的光纤92的方向上)、5毫米宽、1毫米厚的范围内。重要的是，承载体91很薄，使得光纤92尽可能地接近应该测量的部件，因为光纤在一侧上，而机械部件在另一侧上。承载体91优选地包括用于镍涂覆光纤92的、直径/深度在0.3毫米范围内的凹槽。所制备的光纤92(优选的是根据图8的种类)被放置在该凹槽中，填充材料94被添加在镍涂覆纤维和不锈钢承载体91之间。优选地，该填充材料可以是钎焊合金Cusin-1 ABA膏。然后，通过钎焊优选的是真空钎焊，将光纤92嵌入到承载体91中。在光纤92已被嵌入到承载体91中或上之后，承载体91然后连接至要被测量(例如关于温度和/或应变)的机械部件。如在本示例中，承载体91连接至外轴承环是根据本实施方式由脉冲电弧焊接比如在氩氛下的微TIG焊接完成的。然后，光纤92将具有与欲测量的机械部件的刚性连接。
附图标记列表
1 机械装置(承载体)
2 玻璃纤维
3 金属材料
3' 第一金属材料
3″ 第二金属材料
4 焊接/钎焊
5 凹槽
6 焊膏
7 容器
8 加热元件(感应加热元件)
82 带芯的玻璃纤维，优选地工作高达1000摄氏度
83 芯内的布拉格光栅
84 铜(Cu)，纤维的涂层
86 薄电镀镍(Ni)，活化过程中保护铜
87 薄化学Ni层，使裸露的纤维部分导电
88 最后电镀Ni层，约20微米厚
89 承载体安装区域
91 承载体，优选的是430不锈钢
92 光纤，优选地工作高达1000摄氏度
94 填充材料，优选的是钎焊合金Cusin-1 ABA膏
98 脉冲电弧焊接，氩氛下的微TIG(钨惰性气体)
L 纵向轴线
Claims (4)
1.一种机械装置，包括至少一个承载体，其中，玻璃纤维通过所述承载体与所述机械装置连接，其中，所述玻璃纤维和所述承载体之间的连接由包括两种不同金属材料的金属材料建立，且该金属材料通过材料结合与所述承载体以及与玻璃纤维连接，
其特征在于，
所述承载体包括所述玻璃纤维布置在其中的凹槽，其中，所述玻璃纤维包覆有所述两种不同金属材料的第一金属材料，来自所述两种不同金属材料中的第二金属材料的填充材料布置在所述第一金属材料和承载体之间，其中，所述玻璃纤维的第二金属材料涂层通过钎焊固定在所述凹槽中，其中，所述承载体通过脉冲电弧焊接连接至机械部件。
2.根据权利要求1所述的机械装置，其特征在于，所述玻璃纤维由第一金属材料的反射覆盖材料包围。
3.根据权利要求1或2所述的机械装置，其特征在于，所述承载体由不锈钢制成。
4.根据权利要求1或2所述的机械装置，其特征在于，所述承载体通过脉冲电弧焊接连接至由硬化钢制成的机械部件。
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