CN104482041B - 一种发电机用大尺度自监测圆锥滚子轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电机用大尺度自监测圆锥滚子轴承，属于轴承技术领域。壳体固定在外圈上，壳体端部装有端盖；壳体上的隔板将壳体腔分成内外腔，外腔底部装有电路板和传感器；有压电片与金属片构成的换能器一端固定在壳体外腔内壁上，另一端铆在滑块上，滑块的另一端装有振动磁体；转盘法兰在装在内圈上，转盘的转轴套接在壳体的中心孔内，转轴上镶嵌有旋转磁体，旋转磁体与振动磁体的异性磁极靠近安装。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；换能器通过径向拉伸激励发电，轴向空间小、磁体远离滚动体及发射电路；压电晶片始终承受压应力、且应力分布均匀，机械可靠性高、发电能力强。

Description

一种发电机用大尺度自监测圆锥滚子轴承

技术领域

本发明属于轴承技术领域，具体涉及一种发电机用大尺度自监测圆锥滚子轴承。

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；有鉴于此，人们提出了多种形式的自监测轴承，如中国专利201410233736.3、201410233029.4、201410233722.1，上述各专利的共同特点是利用圆形的或悬臂梁型的弯曲式换能器发电，工作时换能器中的压电片承受交替变化的压应力和拉应力，当轴承及换能器尺度过大时所需轴向尺寸增加、拉应力增加且易导致压电片破碎；此外，由于轴承及换能器结构的制约，现有自监测轴承中非接触激励磁铁与轴承滚动体间距离较小，对无线信号发射的有一定影响。

发明内容

针对现有轴承监测系统在实际应用中所存在的各类问题、以及所提出的自监测轴承在实际应用中的潜在问题，本发明提供一种发电机用大尺度自监测圆锥滚子轴承。本发明采用的实施方案是：本发明的发电机用大尺度自监测圆锥滚子轴承主要由外圈、圆锥体、内圈、转盘、旋转磁体、壳体、电路板、压环、端盖、换能器、滑块、振动磁体及传感器及导线等构成。壳体底壁经螺钉固定在外圈端面，壳体端部经螺钉安装有端盖；壳体上设有隔板，隔板上设有导槽，隔板将壳体的腔体分隔成外腔和内腔，外腔底部经螺钉安装有电路板和传感器；一对儿带有圆弧凸起的金属片的一端经螺钉和压环固定在壳体外腔的内壁上，两金属片的圆弧凸起处粘接有压电片、非圆弧凸起处经铆钉铆接；相互铆接的两金属片及其表面所粘接的压电片共同构成换能器，换能器上两金属片的另一端经铆钉铆接在滑块上，滑块经隔板上的导槽由外腔进入内腔，滑块上处于内腔一侧的端面上经螺钉安装有振动磁体；转盘的法兰经螺钉安装在内圈端部，转盘的转轴套接在壳体的中心孔内，转轴上镶嵌有旋转磁体，旋转磁体与振动磁体的异性磁极靠近安装。

工作过程中，当内圈通过圆锥体与外圈做相对转动时，转盘与壳体发生相对转动，从而带动振动磁体和旋转磁体相对转动；由于振动磁体和旋转磁体的异性磁极靠近安装，当振动磁体和旋转磁体相互靠近使产生吸引力增加时，换能器因受拉力作用而伸长；当振动磁体和旋转磁体相互离开时吸引力减小，换能器在自身弹性力的作用下开始缩短；换能器伸长与缩短的交替变化过程中，压电片所受应力大小也交替变化，从而将机械能转换成电能，此为发电过程；所生成的电能经电路板上的转换电路处理后供给传感器，从而实现轴承温度、转速或振动特性的自动监测。

本发明中，为提高换能器的发电能力、避免压电片因受拉应力作用而损坏，应确保换能器不受外力作用、无伸缩变形时振动磁铁与壳体上的隔板相接触，，且此时金属片上圆弧外表面的最小半径为R＝h{α+0.5[α²(1-β)-1-ηE_p/T_p]/[1-α(1-β)]}，内腔中振动磁铁运动方向上的最小距离为D＝[2R sin(0.5L/R-L)]n，其中α＝h_m/h，h＝h_m+h_p，h_p、h_m分别为压电片和金属片的厚度，β＝E_m/E_p，E_p、E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L为金属片上单个圆弧的弦长，n为单个金属片上的圆弧数量。

优势与特色：①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；②换能器通过径向拉伸激励发电，所需轴向空间小、永磁体远离滚动体及发射电路；③预弯型拉伸式换能器始终处于受拉状态，即压电晶片始终承受压应力、且应力分布均匀，故机械可靠性高、发电能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中圆锥滚子轴承的结构剖面图；

图2是图1的A-A视图；

图3是图1的I部放大图；

图4是换能器受一定拉力作用时图1的II部放大图；

图5是换能器不受拉力作用时图1的II部放大图；

具体实施方式

如图1～图5所示，本发明的发电机用大尺度自监测圆锥滚子轴承主要由外圈1、圆锥体2、内圈3、转盘4、旋转磁体5、壳体6、电路板8、压环9、端盖10、换能器H、滑块11、振动磁体12及传感器S及导线等构成。

壳体6的底壁经螺钉固定在外圈1的端面，壳体6端部经螺钉安装有端盖10；壳体6上设有隔板61，隔板61上设有导槽62，隔板61将壳体6的腔体分隔成外腔C1和内腔C2，外腔C1底部通过螺钉安装有电路板8和传感器S；一对儿带有圆弧凸起的金属片14的一端经螺钉和压环9固定在壳体6的外腔C1的内壁上，所述两金属片14的圆弧凸起处粘接有压电片13、非圆弧凸起处经铆钉15铆接；所述经铆钉15铆接的两金属片14与其表面所粘接的压电片13共同构成换能器H，换能器H的两金属片14的另一端经铆钉铆接在滑块11上，滑块11经隔板61上的导槽62由外腔C1进入内腔C2，滑块11上处于内腔C2一侧的端面上经螺钉安装有振动磁体12；转盘4的法兰41经螺钉安装在内圈3的端部，转盘4的转轴42套接在壳体6的中心孔63内，转轴42上镶嵌有旋转磁体5，旋转磁体5与振动磁体12的异性磁极靠近安装。

工作过程中，当内圈3通过圆锥体2与外圈1做相对转动时，转盘4与壳体6发生相对转动，从而带动振动磁体12和旋转磁体5相对转动；由于振动磁体12和旋转磁体5的异性磁极靠近安装，当振动磁体12和旋转磁体5相互靠近使产生吸引力增加时，换能器H因受拉力作用而伸长；当振动磁体12和旋转磁体5相互离开时吸引力减小，换能器H在自身弹性力的作用下开始缩短；换能器H伸长与缩短的交替变化过程中，压电片13所受应力大小也交替变化，从而将机械能转换成电能，此为发电过程；所生成的电能经电路板8上的转换电路处理后供给传感器S，从而实现轴承温度、转速或振动特性的自动监测。

本发明中，为提高换能器H的发电能力、避免压电片13因受拉应力作用而损坏，应确保换能器H不受外力作用、无伸缩变形时振动磁铁12与壳体6上的隔板61相接触，且此时金属片14上圆弧外表面的最小半径应为R＝h{α+0.5[α²(1-β)-1-ηE_p/T_p]/[1-α(1-β)]}，内腔C2中振动磁铁12运动方向上的最小距离为D＝[2R sin(0.5L/R-L)]n，其中α＝h_m/h，h＝h_m+h_p，h_p、h_m分别为压电片13和金属片14的厚度，β＝E_m/E_p，E_p、E_m分别为压电片13和金属片14的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L为金属片14上单个圆弧的弦长，n为单个金属片14上的圆弧数量。

Claims (1)

1.一种发电机用大尺度自监测圆锥滚子轴承，其特征在于：壳体底壁经螺钉固定在外圈端面，壳体端部经螺钉安装有端盖；壳体上设有隔板，隔板上设有导槽，隔板将壳体的腔体分隔成内腔和外腔，外腔底部经螺钉安装有电路板和传感器；一对儿带有圆弧凸起的金属片的一端经螺钉和压环固定在壳体外腔的内壁上，两金属片的圆弧凸起处粘接有压电片、非圆弧凸起处经铆钉铆接；相互铆接的两金属片及其表面所粘接的压电片共同构成换能器，换能器上两金属片的另一端经铆钉铆接在滑块上，滑块经隔板上的导槽由外腔进入内腔，滑块上处于内腔一侧的端面上经螺钉安装有振动磁体；转盘的法兰经螺钉安装在内圈端部，转盘的转轴套接在壳体的中心孔内，转轴上镶嵌有旋转磁体，旋转磁体与振动磁体的异性磁极靠近安装；为提高换能器的发电能力、避免压电片因受拉应力作用而损坏，应确保换能器不受外力作用、无伸缩变形时振动磁铁与壳体上的隔板相接触，且此时金属片上圆弧外表面的最小半径为R＝h{α+0.5[α²(1-β)-1-ηE_p/T_p]/[1-α(1-β)]}，内腔中振动磁铁运动方向上的最小距离为D＝[2R sin(0.5L/R-L)]n，其中α＝h_m/h，h＝h_m+h_p，h_p、h_m分别为压电片和金属片的厚度，β＝E_m/E_p，E_p、E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L为金属片上单个圆弧的弦长，n为单个金属片上的圆弧数量。