CN106090033A - 轴承壳体中的电容测量 - Google Patents

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Abstract

本发明位于轴承装置内，包括安装在壳体(120)中的轴承(110)，由此润滑脂存在于壳体内用于润滑轴承。该装置还包括至少部分由电绝缘材料制成的支撑框架(130)，其布置在壳体内的空间，以便轴向设置于轴承(110)和壳体密封之间。支撑框架上设置有具有第一和第二电极(131，132)的至少一个电极对，以便与润滑脂的一部分接触。电容计用于测量第一和第二电极之间的电容。按照本发明，支撑框架包括：径向定向表面(135)和在径向向内的方向延伸的多个肋(137a，137b)，由此，所述肋沿周向间隔并具有足够的周向空间使得润滑脂在相邻肋之间流动。第一和第二电极(131，132)中的一个设置在支撑框架的径向定向表面(135)上或者在朝向相邻肋的肋表面上。

Description

轴承壳体中的电容测量
技术领域
本发明涉及一种轴承装置，其包括轴承和布置在轴承壳体中的电容传感器，其可被用来确定存在于壳体中的润滑脂的污染程度。
背景技术
为了得到长的使用寿命，轴承被适当地润滑是很重要的。大多数轴承是润滑脂润滑，由此在轴承运转时润滑脂中的油产生油膜，其分离滚动接触表面。如果油膜破裂，发生金属对金属的接触，其可迅速导致轴承失效如果油膜不进行补充。因此监测方法在某些应用中被施加以监测轴承中的润滑条件，从而再润滑可以在失效发生之前进行。例如，在EP1676041中，电容测量被用于确定油膜的膜厚度。
润滑剂的污染也可能导致轴承早期失效。如果油或润滑脂含有磨粒，滚动接触表面可能被损坏。水的存在也是不期望的，因为这会导致表面腐蚀。水还会加速润滑油或润滑脂中的增稠剂结构的化学降解。
因此，在轴承可能暴露于污染的侵入的应用中，有时需要提供润滑剂的状态监测。电容测量可以用于检测污染物。例如，JP2007198576公开了一种密封轴承，其通过在密封件的内侧的，轴向定向表面上提供一对电极，以便检测水的侵入。
仍有改善的余地。
发明内容
本发明位于轴承装置内，包括安装在壳体中的轴承，由此润滑脂存在于壳体内用于润滑轴承。该装置还包括至少部分由电绝缘材料制成的支撑框架，其布置在壳体内的空间，以便轴向设置于轴承和壳体密封之间。支撑框架上设置有具有第一和第二电极的至少一个电极对，以便与润滑脂的一部分接触。电容计用于测量第一和第二电极之间的电容。按照本发明，支撑框架包括：径向定向表面和在径向向内的方向延伸的多个肋，由此，所述肋沿周向间隔并具有足够的周向空间使得润滑脂在相邻肋之间流动。第一和第二电极中的一个设置在支撑框架的径向定向表面上或者在朝向相邻肋的肋表面上。
优选地，支撑框架包括被安装到所述壳体的环或环形段，由此肋从环形段延伸。因此支撑框架可具有简单的结构，易于改造为现有轴承装置。
在一个实施例中，电极设置在支撑框架的径向定向表面上；例如在环或环形段的径向内表面上。该电极可以是沿周向方向延伸的由导电材料制成的弧形带。这种类型的电极从而被称为周向电极。合适地，周向电极设置在相邻的肋之间。肋是间隔设置的，以便允许润滑脂在轴向方向上的运动。这对于加入新鲜润滑脂时用过的润滑脂排出轴承壳体这方面是有益的。此外，润滑脂可以很容易地越过周向电极，从而用润滑脂对电极进行清洗。
在进一步的实施例中，电极设置在肋的朝向相邻肋表面的表面上。电极可以是在径向方向上延伸的由导电材料制成的条带，或肋本身可以由径向延伸的导体而形成。这种类型的电极从而被称为径向电极。再次，润滑脂将能够在轴向方向上越过径向电极，从而用润滑脂对电极进行清洗。
因此，径向电极和圆周电极的好处在于，在再润滑事件之后测量的电容将准确地反映润滑脂中的污染程度。如果电极被置于在支撑框架的轴向定向表面上，存在用过的润滑脂卡住的风险。
径向电极的另一优点是，其朝向由壳体中的轴承旋转地支撑的轴延伸，润滑脂更容易向运动区域移动。因此润滑脂将趋向于绕轴移动，这意味着在径向内侧位置的电极的存在是特别有利于电容测量，并且有利于检测靠近轴的润滑脂中的污染物。
在一些实施例中，至少一个电极对中的第一电极是周向电极而第二电极是径向电极。在其它实施例中，第一和第二电极是设置在相邻肋上的或者由相邻肋形成的径向电极。
在进一步的实施例中，支撑框架包括同心设置的第一和第二环或环形段，由此在它们之间形成用于润滑脂通过的径向间隙。第一和第二环或环形段通过径向延伸的肋连接。从而，内环/内环形段的径向外表面可设置有周向电极。因而电极位于相对靠近轴的位置，具有如上所述相同的好处。在一个实施例中，至少一个电极对中的第一和第二电极分别设置在第一和第二环或环形段上以使其沿径向彼此相对。在其它实施例中，电极对中的一个电极是设置在肋上或由肋形成的径向电极。
在本发明的进一步发展中，支撑框架上设置有多个电极对。朝向相邻的肋表面的每个肋表面可设有径向电极。周向电极可设置在每对相邻肋之间。任何两个彼此绝缘的电极可以形成电极对，尽管无须说明，电容只在电极足够接近彼此时可以测量。在一个实施例中，支撑框架上的周向电极电连接，以使得只需要一个连接到电容计。肋上的径向电极彼此绝缘，并且分别连接到电容计。
多个电极对的好处是，基于每个电极对的相对位置和每个电极对之间测得的电容，确定壳体内的污染程度的空间分布变得可能。因此，污染的局部区域可被检测，如当第一电极对之间测量的第一电容大于第二电极对之间测量的第二电容时。
因为润滑剂的电容取决于润滑剂的成分，成分中的任何变化会导致不同的介电性质进而导致电容的变化。特别是，水的介电常数一般比常规使用的轴承润滑剂，如油和润滑脂，的介电常数高。润滑剂中的金属粒子的存在也将改变其介电常数。所测量的电容还可以指示轴承壳体内的湿度。
在轴承的正常运转期间，电容没有显著变化的预期。电容的突然增加可能表明进水或磨屑的存在。电容的突然减少可能表明因密封失效导致润滑脂泄漏。
因此，如果电容的严重变化被测量，在发生轴承的损害前，信号可被发送到例如润滑泵以启动轴承再润滑。
在本发明的一个实施例中，轴承装置还包括用来确定润滑脂温度的温度传感器，其温度在轴承运转期间显著变化。特别是，轴承静止时相对于轴承高速旋转时的温度差是可以预期的。在一般情况下，润滑脂的介电常数不随温度显著变化。然而，水的介电常数随温度而显著变化。因此，通过测量温度，电容小的变化可以被解释为在润滑脂的水的含量变化小，可替代地正确地归结为变化的温度。此外，通过观察温度依赖性的电容，润滑脂中的实际含水量可以更精确地确定。温度传感器可以是本领域技术人员已知的任何类型的温度传感器。
在一个实施例中，电容计包括被编程有用于测量的电容上和下阈值的处理器。阈值可以基于使用相同润滑脂来润滑的类似轴承装置的先前测量来确定，或可以基于理论计算来确定。或者或另外，处理器可以被设置为以一系列的时间间隔测量电容，并记录在一系列连续测量之间的电容值的差。最大容许差值的阈值可以被定义，其是基于，例如校准测量来确定的。测得的差值然后与此阈值进行比较，以确定是否润滑脂的条件已受到不利影响。
有利的是，处理器被配置为在超过阈值的情况下发送信号到润滑泵，以触发再润滑作用。轴承因此可以避免润滑不良的运转条件，其可能损坏轴承。此外，维护警报可以被发送到技师，以检查密封情况，并在必要时更换。
本发明的其他优点将变得从下面的详细描述和附图显而易见。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个实施例的轴承装置的部件的透视图，该装置包括具有导电性电极的支撑框架的第一示例；
图2示出了具有导电性电极的支撑框架的第二示例的侧视图；
图3示出了具有导电性电极的支撑框架的第三示例的侧视图。
具体实施方式
在说明书中，根据本发明的轴承装置的不同实施例将参考球面滚子轴承来讨论。应当注意的是，这决不是限制本发明的范围，它同样适用于被安装在壳体内并通过润滑脂润滑的任何类型的轴承。
图1a示出了根据本发明的轴承装置100的实施例，其包括安装在壳体120中的球面滚子轴承110。壳体的上半已被从图中移除，以更好地揭示本发明的轴承装置的组成部分。
轴承110包括内环112，外环115和设置在内环112的内侧滚道和外环115上的外侧滚道之间的多个球面滚子和保持架(未示出)。在使用中，轴承相对于壳体120旋转地支撑一个轴(未示出)。典型地，径向密封件被提供在壳体的孔122和轴之间，用于防止污染物侵入到壳体内并用于保持壳体内的润滑脂(未示出)。
在轴承处于高污染环境中运行的应用中，不可能总是能阻止污染物，如水分的侵入。为了确保污染不会达到严重影响润滑脂的润滑能力或损坏轴承的水平，轴承装置100设有污染物传感器，比如用电容传感器实现。
电容传感器包括至少一个电极对，其具有连接到电容计(未示出)的第一和第二电极131，132。第一和第二电极被设置在支撑框架130上，其至少部分地由电绝缘材料，例如聚合物材料制成。支撑框架被安装到壳体120并且布置在轴承110和壳体孔122之间，使得电容传感器的第一和第二电极可以与润滑脂接触。
在第一和第二电极之间测得的电容取决于存在于电极之间的介电材料的介电常数。当润滑脂是电介质时，如果润滑脂含有水分或如金属颗粒，它的介电常数会变化。因此测量的电容提供润滑脂中的污染程度的指示。如果测得的量超过预定阈值，则激活警报。合适地，警报触发再润滑事件，其可以由维护技师手动地执行，或者，如果轴承装置被连接到一个润滑泵，警报使润滑泵自动泵送规定量的润滑脂到轴承装置100。
典型地，轴承壳体120的上部包括用于泵送新鲜润滑脂进入轴承装置的油嘴。当新鲜的润滑脂被泵送，用过的润滑脂被挤出轴承装置，或者通过密封件，或者通过壳体120的下部的排出孔。因此，电容传感器不会妨碍润滑脂流入轴承壳体内是重要的。
在根据本发明的轴承装置中，支撑框架被设计为允许润滑脂在轴向方向上的流动。
在描述的实施例中，支撑框架130包括环形段，其基本上C形，其具有径向定向表面135，多个肋137a，137b沿径向向内的方向从表面135延伸。只有两个肋提供了附图标记以免附图模糊。所述肋沿周向间隔，从而相邻的肋137a，137b之间的间距足以提供润滑脂的流动。合适地，如果轴承装置包括小的轴承，间距为至少0.5厘米。优选地，相邻肋137a，137b之间的周向间距大于1厘米。
第一电极131被设置在支撑框架130的径向定向表面135上，两个相邻的肋137a，137b之间，并且可以设置为由导电材料制成的弧形带，其在相邻的肋之间沿周向延伸。这种类型的电极将被叫作周向电极。第二电极132被设置在肋137a的朝向相邻的肋137b的表面上。第二电极132在径向方向上延伸，并且这种类型的电极将被叫作径向电极。
在描述的实施例中，第一和第二电极被布置成彼此垂直地相邻。位于周向电极131和径向电极132之间的润滑脂的一部分的电容是可测量的以便检测污染。合适地，周向电极131和径向电极132还沿轴承的轴线方向延伸，即，具有轴向宽度。这增加了电极的表面积，从而提高了电容测量的分辨率。
径向电极132朝向轴延伸，并因此能够在壳体内与径向内部位置的润滑脂接触。这是有益的，因为润滑脂更容易朝向运动发生的区域流动。因为这是特别需要润滑的区域，接近轴的污染检测是特别重要的，从而再润滑事件可以在被污染的润滑脂到达轴承110之前被触发。
如上所述，支撑框架被设计为能够造成轴向方向上的润滑脂的流动，从而使润滑脂被限制的既不会到达轴承也不会在再润滑事件后流出轴承壳体。设计的另一个优点是，该电极被布置在润滑脂可以流过的表面，如流过周向电极，和流过径向电极。结果，被泵入壳体的新鲜润滑脂会清除附着在电极131，132上的用过的润滑脂。换句话说，再润滑事件清洁了电极，以便后续的电容测量准确反映污染水平。
在图1中所示的装置中，周向电极131被设置在每对相邻的肋137a，137b之间，而径向电极132被设置在每个肋的朝向相邻的肋的表面上。合适地，一组电极，如周向电极是电连接在一起，使得只需要一个连接到电容计。另一组电极，如径向电极是相互隔绝的(并且和周向电极隔绝)，并分别连接到电容计。这样，多对第一和第二电极131，132可以形成。
多个电极对的使用使污染的局部区域能够被识别。在润滑脂的大电容测量的实施例中，有一种风险，即所测量的值指示润滑脂是在可接受的条件下，尽管含有局部污染的区域。这部分污染的润滑脂有可能到达轴承。因此，电容计优选配置为如果任何电极对之间所测量的电容超过预定阈值即触发再润滑作用。
具有多个电极对的支撑框架的另一个例子在图2中被描述。支撑框架230包括环形段，多个肋237a，237b，237c，237d从环形段上径向向内延伸。径向电极232a，232b被设置在彼此相对的相邻肋的表面上。再次，不是所有的肋和电极都被编号，以免附图模糊。
第一肋237a具有朝向逆时针方向的第一径向电极232a；相邻的第二肋237b具有朝向顺时针方向的第二径向电极237b。在使用中，第一和第二径向电极232a，232b形成连接到电容计的电极对。至少一个第二电极对由设置在第三肋237c上的第一径向电极232a和设置在第四肋237d上的第二径向电极232b形成。合适地，每一组相邻肋具有彼此相对的径向电极。一组径向电极，如顺时针朝向的电极232b可以电连接在一起，而另一组，如逆时针朝向的电极232a，彼此之间电绝缘并分别连接到电容计，从而形成多个电极对。因此，有可能在壳体内的多个位置测量电容，以便更准确地检测润滑脂内的局部污染的区域。
在图2中的支撑框架的径向电极232a，232b也能实现在壳体内的径向内侧位置的润滑脂的电容测量，由于它们的径向延伸。合适地，电极还具有轴向延伸，以便增加它们的表面积。
具有多个电极对的支撑框架的另一个例子在图3中被描述。支撑框架330由电绝缘材料支撑并且包括第一环形段330a，用于安装到轴承壳体的下部。支撑框架还包括第二环形段330b，其相对于第一环形段330a同心设置，由此在环形段之间存在径向间隙。径向间隙允许润滑脂在环形段之间的轴向移动。第一和第二环形段通过沿周向间隔的径向延伸的肋337a，337b，337c，337d连接，其周向间隔以允许润滑脂脂的通过。
在这个实施例中，第一环形段330a具有径向定向表面335a，其在相邻肋337a和337b之间设置有周向电极331a。第二环形段330b具有径向定向表面335b，其在相邻肋337a和337b之间设置有周向电极331b。这些径向相对的周向电极连接到电容计并形成用于在径向方向上测量电容的电极对。在第二环形段330b上的周向电极331b位于相对靠近轴的位置，其中，如上所述，是用于测量电容的有利位置。
第二对电极是由设置在相邻的肋337b和337c的相对表面上的第一和第二径向电极332a，332b形成。支撑框架330还包括分别设置在第一330a和第二330a环形段上，在相邻的肋337d和337e之间的两个周向电极331a，331b。此外，相邻的肋337d和337e具有彼此相对的径向电极332a和332b。一个电极对是通过肋337d上的径向电极和第二环形段330b上的相邻的周向电极331b形成的。另一个电极对是通过肋337e上的径向电极和第一环形段上的相邻的周向电极331a形成的。可以理解，其它的组合是可能的。
与各个电极相接触的润滑脂的电容因此可以被测量不仅在不同的位置，而且在不同的方向，从而精确确定润滑脂内的污染物的空间分布。
已经描述了本发明的多个方面/实施例。但应该理解的是，各个方面/实施例可以与任何其它方面/实施例相结合。此外，本发明并不局限于所述实施例，而是可以在所附专利权利要求的范围内变化。

Claims (8)

1.一种轴承装置，包括：
-轴承(110)，安装在壳体(120)中，所述轴承包括内环(112)、外环(115)和设置在所述内环和外环之间的多个滚动元件；
-润滑脂，提供在所述轴承装置内；和
-污染物传感器，用于检测润滑脂的污染程度，所述污染物传感器包括电容计和在所述轴承的轴向侧安装到所述壳体(115)的支撑框架(130，230，330)，由此：
-所述支撑框架上设置有具有第一和第二电极(131，132，232a，232b，331a，331b，332a，332b)的电极对，所述该第一和第二电极被连接到所述电容计，并且被布置为与所述润滑脂的一部分接触；
-所述支撑框架包括径向定向表面(135，335a，335b)和在径向向内的方向上延伸的多个肋(137a，137b，237a，237b，237c，237d，337a，337b，337c，337d，337e)，因此所述肋沿周向间隔并且具有足够的周向间距，以使润滑脂在相邻的肋之间流动；并且
-所述第一和第二电极之一设置在所述支撑框架的所述径向定向表面上或在朝向相邻肋的肋表面上。
2.根据权利要求1所述的轴承装置，其中所述第一电极是周向延伸的电极(131，331a，331b)，其设置在相邻的肋(137a，137b；337d，337e)之间的所述支撑框架的径向定向表面上，并且其中所述第二电极是径向延伸的电极(132，332a，332b)，其设置在彼此相对的相邻的肋表面之一上。
3.根据权利要求1所述的轴承装置，其中所述第一和第二电极是设置在彼此相对的相邻的肋表面上的径向延伸电极(232a，232b)。
4.根据前述任一权利要求所述的轴承装置，其中所述支撑框架(130，230，330)设置有多个电极对，每对具有第一和第二电极。
5.根据权利要求4所述的轴承装置，其中所述支撑框架包括多个径向延伸的电极(132，232a，232b，332a，332b)和多个周向延伸的电极(131，331a，331b)。
6.根据前述任一权利要求所述的轴承装置，其中所述支撑框架(130，230，330)包括安装在所述壳体上的环或环形段。
7.根据权利要求6所述的轴承装置，其中所述支撑框架(330)包括同心布置的第一环或环形段(330a)和第二环或环形段(330b)，其通过肋(337a-337e)连接，使得在所述环或环形段之间存在径向间隙以允许润滑脂的通过，并且其中至少一个电极对的所述第一和第二电极设置在所述第一和第二环或环形段的径向相对表面(335a，35b)上。
8.根据前述任一权利要求所述的轴承装置，还包括与所述轴承装置连接的润滑泵，当测量的电极对之间的电容值超过预定阈值时，所述泵用于将预定量的润滑脂泵送到所述轴承装置。
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