CN105299066A - 滚动轴承以及包括该滚动轴承的传感器组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种滚动轴承，其包括至少两个轴承圈(10,12)以及布置于轴承圈(10,12)之间的空间中的一排滚动元件，其中轴承圈(10,12)之间的空间充满润滑脂(16)，其中轴承圈(10,12)中的至少一个和/或滚动元件(14)由钢制成。本发明建议提供具有非铁材料制成的至少一个电极(18)的轴承，其中所述电极(18)的至少一个表面与润滑脂(16)接触。
Description
技术领域
本发明涉及润滑脂润滑的滚动轴承，涉及一种传感器组件并且涉及一种在润滑脂润滑的轴承中检测腐蚀的方法。
背景技术
腐蚀是许多工业应用中润滑轴承失效的重要原因。当今，还没有在轴承的使用寿命中检测腐蚀风险的切实可行的方法。
标准的程序是在实验室中提取润滑脂样品并且分析润滑脂。然而，不能保证该样品是代表性的润滑脂包，并且从现场到实验室，所测量的潮湿度受时间的推移以及周围温度变化的影响。虽然广泛地进行润滑脂取样，但对于腐蚀仍然是贫乏的预防措施。
近来，已经尝试引进检查润滑脂光学的激光设备，并且要求检测水含量。怀疑的是关于该相当复杂和昂贵的技术的功效。
发明内容
本发明试图提供一种滚动轴承以及包括该滚动轴承的传感器组件，该滚动轴承实现用于润滑脂润滑的滚动轴承的可靠的腐蚀检测系统，优选地，该腐蚀检测系统还对检测润滑脂润滑剂的水污染敏感。
本发明涉及一种滚动轴承，其包括至少两个轴承圈，以及布置在轴承圈之间的空间中的一排滚动元件，其中所述轴承圈之间的空间充满润滑脂，并且至少其中的一个轴承圈由钢制成。
为了能够可靠的检测风险和/或腐蚀的速度，所提供的是滚动轴承包括由非铁材料制成的至少一个电极，其中所述电极的至少一个表面与润滑脂接触。优选地，非铁材料作为阴极并且可以是铜、碳或者锌，该非铁材料具有平板或围绕轴承延伸的环的形式。在一简单并节约成本的实施例中，电极可以是围绕轴承延伸的铜线。总之，电极必须同作为第二电极的至少一个轴承圈绝缘，优选地，传感器组件的阳极采用非铁电极。
轴承圈以及钢轴通常由较低电化学等级的材料构建，并且作为用于腐蚀反应的电子牺牲源。监测电极与轴承圈之间的电流流动给出了在轴承中发生的腐蚀速度的指示。
在润滑脂润滑的轴承中发生的典型的氧化反应中，如果在由电极和其中一个轴承圈形成的电化学单元中存在阴极反应的话，铁和钢自然地在阳极上氧化成Fe+2。这导致电动势。然而，在该电化学单元中电流将不流动直到发生阴极反应。在允许电流流动的阴极上可发生多个反应。可以还原水或水合氢离子(H3O+)以形成氢气。在水存在形式下也可以还原氧(形成OH-)或者可以还原Fe+2或Fe+3。所有的这些反应需要润滑脂中存在水或氧，使基本上无电流流动直到轴承潮湿或者腐蚀。腐蚀产生增加单元中电流流动的丰富的电化学活性物质。非铁电极能够从还原反应中获得电子并且产生能够实现可靠检测的电流密度，甚至在电极之间存在润滑脂的情况下也能产生。
传感器以及监测系统可以实现的是，通过检测非铁电极与轴承的固定圈之间的电压/电流特性的变化，检测如上文所述的润滑轴承中腐蚀的发生。随着润滑脂湿度的增加，电阻下降。这能够给出腐蚀风险的指示，但是测量可能被其它影响电阻的因素所干扰。
本发明还提出所述电极的一个表面面对滚动元件，两者之间的间隙充满润滑脂。重要的是保持该系统的阳极与阴极之间的润滑脂薄膜。润滑脂膜应是滚动轴承中的代表性的活性润滑剂。因此，阴极与作为阳极的滚动轴承之间的润滑脂需要连续地更新或重新取样，并且膜的厚度需要保持在最小值。为了实现该目标，电极的位置靠近滚动元件时非常有利的，因为通过的滚动元件将连续地移动和替换间隙中的润滑脂。
根据本发明的另一方面，至少一个轴承圈包括用于连接在轴承圈与电极之间施加电压的传感器导线的装置。该装置可以是导线、用于导线的接线端或者用于连接导线的连接器。
在本发明的一简单并节约成本的实施例中，电极由铜制成。根据特定的应用，锌或碳可以是合适的替代物。
根据本发明的另一方面，滚动轴承包括密封件，其中所述电极集成在该密封件中。该集成导致紧凑且坚固的设计。本发明还建议电极形成为导电橡胶圈，其可由碳加载橡胶材料制成。
本发明的另一方面涉及一种传感器组件，其包括前面所述的滚动轴承以及连接至电极并连接至至少一个轴承圈的检测器电路，其中检测器电路配置成测量流过电极与轴承圈之间的润滑脂的电流。电极或各电极经由电流传感器以及可选的可变电压源电连接至轴承圈。检测器电路形成为安培检测器或其作用相似于安培检测器，尤其是，检测器电路可以是皮可安培计(picoammeter)，即，适于测量10-12量级电流的安培计。
根据本发明的另一方面，传感器组件配置成在电极上施加负偏压。如在下文中进一步详细的说明，本发明的发明人发现，在湿润的情况下，负偏压可以导致腐蚀电流量级的增加。优选地，负偏压具有-0.5V至-1.5V之间的数值，优选地大致为1V。参照轴承圈的电位测量偏置电流，该轴承圈通常接地但并非必须接地。
施加于工作电极的电位增加腐蚀检测系统的灵敏度。将皮可安培计简单地连接至铜阴极/湿润滑脂/轴承钢阳极不能提供测试轴承的干燥系统与湿腐蚀状况之间的足够的信号差异。这是由于该系统的电流/电压响应。使用皮可安培计而不采用偏置电压测量非常接近于相当于潮湿、干燥以及腐蚀轴承的等吸光点(isosbesticpoint)的电化学等价物的电流。使用安培检测器以及在阴极上施加的大约-1V的电压在潮湿、腐蚀系统的腐蚀电流中提供超过20倍的增加并且能够基于所测量电流的大小实现潮湿腐蚀滚动轴承与干燥腐蚀滚动轴承之间的差异。
在本发明的优选实施例中，传感器组件包括微处理器，其配置成从安培检测器电路中的信号来确定表示轴承腐蚀风险的参数。
此外，本发明还提供一传感器组件，其包括用于评估表示腐蚀风险的参数的装置以及如果评估表明高腐蚀风险则输出警报信号的装置。用于输出警报信号的装置可以形成为信号发射装置或者形成为诸如发光二极管的视觉或光学警报装置。
在本发明优选的实施例中，传感器组件包括电子电路，其包括至少一个安培检测器电路或微处理器，其中所述电子电路安装在轴承的密封件上。这种集成能够实现坚固且紧凑的设计。
本发明还提供一电子电路，其包括用于产生形成轴承运动的电能的装置以及用于从安培检测器电路或微处理器发送信号的无线发射器。用于产生电能的装置可以是使用正在通过的滚动元件的振动或振荡的采集器，并且该装置可以包括压电元件或适用于该目的线圈。
用作腐蚀检测系统的电化学单元使用滚动轴承作为阳极，铜片作为阴极，并且润滑脂作为两电极之间的介质。从色谱领域已知，用于感应水污染以及滚动轴承腐蚀的电子装置是一个简单的安培检测器。该电路允许将电压施加于工作电极(铜电极)，同时保持轴承作为辅助电极(接地)。通过检测早期腐蚀，预防措施可以落实到位以避免轴承失效。
本发明的另一方面涉及一种用于在上文所描述类型的润滑脂润滑轴承中检测腐蚀的方法。其提出电极用于测量在润滑脂中由电活性物质携带的电流并且基于所测量的电流用来确定关于轴承腐蚀过程的至少一个参数。在一优选的实施例中，该方法包括在电极上施加如上文描述的负偏压。
本发明的上述描述以及所附的权利要求书，附图和下文优选实施例的描述示出了本发明在特定的组合中的多个特征。本领域技术人员将能够容易地考虑到这些特征的其它组合或子组合，以便针对他或她的特定需求适应如权利要求中所限定的本发明。
附图说明
图1是表示包括根据本发明的轴承的传感器组件的示意图；
图2是示出了图1系统的塔菲尔曲线分析(Tafelplotanalysis)的半对数曲线图；
图3是等价于图2的塔菲尔曲线图的直线图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的滚动轴承。该轴承包括两个轴承圈，即，外圈10以及内圈12，以及布置于轴承圈10、12之间的空间内的一排滚动元件14。该轴承是润滑脂润滑轴承，并且轴承圈10、12之间容纳滚动元件14的空间除了滚动元件14外充满了润滑脂16。轴承圈10、12以及滚动元件14由标准的导电轴承钢制成。
滚动轴承包括由铜制成的至少一个电极18，面对轴承圈之间空间的该电极的表面直接接触润滑脂16并且完全由润滑脂16覆盖，润滑脂16完全地充满内圈10、外圈12与滚动元件14之间的空间以及滚动元件14与工作电极18之间的轴向间隙。铜工作电极18具有平板或围绕轴承延伸的环的形式。电极18与接地的轴承圈10、12绝缘并且与形成为滚珠形式的滚动元件14绝缘。轴承的外圈12作为第二电极，即，阳极。
由于滚动元件14以及轴承圈10、12的高导电性，铜电极18与作为阳极的外圈12之间的欧姆电阻基本上由电极18与滚动元件14之间的润滑脂层以及滚动元件14与外圈12之间的润滑脂膜的导电率或电阻率确定。由于滚动元件14的移动，该轴承的一部分的润滑脂块16连续地被交换，从而使得在这些部分中的润滑脂16是可靠的并且是该轴承的活性润滑脂的代表性样品。
尽管没有明确示出，轴承包括避免润滑剂损失的密封件，并且电极18集成在密封件上或固定至密封件。背对滚动元件14的电极的后侧不接触润滑脂16。
用于在轴承圈12与电极18之间施加电压的传感器导线20通过焊接或通过其它适合的装置连接至轴承的外圈12。
形成为包括检测器电路24以及微处理器26的电子电路的传感器组件22经由传感器导线20连接至滚动轴承，并且该传感器组件22包括连接至电极18以及外圈12的安培检测器28。该安培检测器28配置成测量流过电极18与轴承圈12之间的润滑脂16的电流。传感器组件22配置成在电极18上施加-1V的负偏压。电子电路22安装在轴承的密封件上(未示出)。作为腐蚀检测系统的电化学单元的传感器组件22采用滚动轴承作为阳极，铜片18作为阴极，并且润滑脂16作为两电极之间的介质。
测量过程经由无线通信单元30由报告腐蚀风险的微处理器26来执行。电子电路还包括设置在轴承中的电力采集装置29以产生微处理器26所需的能量或用于无线通信单元30的能量。微处理器26计算并评估表示腐蚀风险的参数，并且如果该评估指示有高腐蚀风险或腐蚀危险，微处理器26经由诸如LED的适合装置32输出警报信号。
本发明基于的原理是，如果电压和非铁电极18与(含铁)轴承圈12之间存在的电化学电极电势差大小相等且方向相反的话，电流流动减小到零。由于发生化学反应，当轴承圈上发生腐蚀时，该电压发生变化。检测并监测零位电压，即，无电流流动时的电压，从而提供发生腐蚀的明确指示。该电压和电极材料与轴承钢之间存在的电极电势大小相等且方向相反。零位点独立于所施加电压。该零位点是用于操作检测器的良好的参照点。
执行该系统的塔菲尔分析以提供滚动轴承腐蚀检测系统的更多信息。图2中的曲线图通常称为塔菲尔曲线图并且以对数刻度示出，该曲线图用于描述电化学单元中的电化学物质以及电极的特性。该曲线图示出电流相对于电压的绝对值，从而使零交叉出现作为对数曲线图中的负奇点。
所涉及的电流非常低——量级为10-9amps。当所施加的电压在大约-1V—+1V的范围内变化时，所检测的电流发生变化，如图2中的曲线所示。存在着与电极的极化相关的变化电流。一旦电极极化(加电)，没有电流流过安培单元直到电活性物质的出现。零电压将逐渐地朝更高的电压变化，即，随电活性物质的浓度增加负值减小。
图3示出等价于图2的线性图。除了零位电压，传感器电路测量图3中的接近零位电压的电压/电流图的斜率。该斜率表示润滑脂块的电阻。由－1V的负偏压极化的阴极增加对水以及铁锈污染的电化学单元的灵敏性。
润滑脂的温度、潮湿度或含盐量的变化将影响斜率IR。润滑脂的类型以及润滑脂块的几何构造也影响该电阻。
图3最重要的观察是，当电位施加于阴极时，腐蚀电流的放大。施加-1V的电压导致信号电流大于400pA。这在信号中相比于无偏压(14pA)时的观测值增加了20倍。此外，对于干燥的无腐蚀系统(虚线)与湿的无腐蚀系统(破折线)以及活性的腐蚀系统(实线)相比，所观测的电流有较大的差异。
样品的塔菲尔曲线图分析的结果在下表中示出：
腐蚀电位表示系统的零电流电压，BetaA表示电流在负电压侧的塔菲尔曲线的渐近线斜率，并且BetaC表示电流在正电压侧的塔菲尔曲线的渐近线斜率，测量电流是所测量的电流的大小的数量表示，其限定为图线中渐进直线之间的交叉点的电流值。
腐蚀电位是样品或单元的腐蚀电位，是电解质中腐蚀表面的电位。腐蚀电位限定单元电位并且限定该电位是否位于活化腐蚀或钝化腐蚀的区域。
该电路允许将电位施加于工作电极18(铜电极)同时保持轴承作为辅助电极12(接地)。该电路中的电流跟随器测量检测器中的腐蚀电流。施加于工作铜电极18的电位增加了腐蚀检测系统的灵敏性。简单地连接皮可安培计至铜阴极/湿润滑脂/轴承钢阳极将提供测试轴承的干燥系统与湿腐蚀状况之间的更小的信号差异。
如上文描述，本发明建议使用电化学单元作为腐蚀检测系统，其中电化学单元使用滚动轴承作为阳极，铜片作为阴极，并且润滑脂16作为两电极12、18之间的介质。安培检测器24用于将电位施加于滚动轴承检测器的铜阴极18，从而基于电流测量放大湿润滑脂或湿轴承的情况下以及干燥情况下的滚动轴承腐蚀之间的差异。
Claims (15)
1.一种滚动轴承，其包括至少两个轴承圈(10,12)以及布置在两个轴承圈(10,12)之间空间中的一排滚动元件(14)，其中，所述两个轴承圈之间的空间充满润滑脂(16)，其中所述轴承圈(10,12)中的至少一个由含铁材料制成，其特征在于，该滚动轴承包括由非铁材料制成的至少一个电极(18)，其中，所述电极(18)的至少一个表面与所述润滑脂接触。
2.根据权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，所述电极(18)的至少一个表面面对滚动元件(14)，该表面与所述滚动元件之间的间隙充满润滑脂(16)。
3.根据前述权利要求1至2中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，至少一个轴承圈(12)包括用于连接在所述轴承圈(12)与所述电极(18)之间施加电压的传感器导线(20)的装置。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述电极(18)由铜制成。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，该滚动轴承包括密封件，其中，所述电极(18)集成在所述密封件上。
6.根据权利要求5所述的滚动轴承，其特征在于，所述电极(18)形成为导电橡胶圈。
7.一种传感器组件，包括根据前述权利要求1至5中任一项所述的滚动轴承以及连接至所述电极(18)并连接到至少一个轴承圈(12)的安培检测器电路(28)，其中，所述安培检测器电路(28)配置成测量流过所述电极(18)与所述轴承圈(12)之间的润滑脂的电流。
8.根据权利要求7所述的传感器组件，其特征在于，所述传感器组件配置成在所述电极(18)上施加负偏压。
9.根据权利要求8所述的传感器组件，其特征在于，所述负偏压具有-0.5V与-1.5V之间的数值。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的传感器组件，其特征在于，该传感器组件包括微处理器(26)，该微处理器配置成从来自于所述安培检测器(24)的信号来确定表示轴承腐蚀风险的参数。
11.根据权利要求10所述的传感器组件，其特征在于，该传感器组件包括用于评估表示腐蚀风险的参数的装置(26)以及如果该评估表明高腐蚀风险的话输出警报信号的装置。
12.根据权利要求7-11中任一项所述的传感器组件，其特征在于，该传感器组件包括电子电路(24)，该电子电路包括至少一个安培检测器电路(28)或者微处理器(26)，其中，所述电子电路安装在所述轴承的密封件上。
13.根据权利要求12所述的传感器组件，其特征在于，所述电子电路包括用于产生形成轴承运动的电能的装置(29)以及用于发射来自所述安培检测器电路(28)或所述微处理器(26)的信号的无线发射器(30)。
14.一种用于在根据权利要求1-6中任一项所述的润滑脂润滑的轴承中检测腐蚀的方法，其特征在于，所述电极(18)用于测量在所述润滑脂(16)中由电活性物质携带的电流并且基于所测量的电流用来确定关于所述轴承腐蚀过程的至少一个参数。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述电极(18)上施加负偏压。
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