CN106989108A - 具有天线的轴承保持架和轴承保持架的故障的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴承保持架(51)，其包括轴承保持架主体(51a)，轴承保持架主体(51a)由聚合物材料制成并且包括用于容纳轴承的至少一列滚动体的腔格(55)。保持架设置有无源谐振电路，无源谐振电路包括安装于保持架主体(51a)的天线线圈(54a)。提议天线线圈(54a)形成为直接安装于轴承保持架主体(51a)的保持架材料的导电层，并且被设计成使得破坏点小于或等于保持架材料的破坏点。因而，保持架主体中的破裂使得天线线圈(54a)破裂，改变了无源谐振电路的谐振特性。

Description

具有天线的轴承保持架和轴承保持架的故障的检测方法
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的包括天线的轴承保持架。
背景技术
已知提供诸如具有温度传感器的球轴承或滚子轴承的轴承。为了监测轴承，通过与球/滚子与滚道的接触面(interface)尽可能近地定位的温度传感器来检测在该接触面处产生的热量。这使得轴承的保持架成为令人满意的用于温度测量的位置。然而，轴承保持架是转动的并且不能容易操作(accessed)且可用空间是狭窄的。特别是对于小型的轴承，难以将电池或发电机集成于轴承保持架。
文献EP 1 849 013 B1公开了一种轴承，该轴承具有配备有能量接收线圈的保持架。用于将表示感应到的轴承状况的信号发送到配置在外圈上的其它天线的发射器被集成在保持架内。然而，该解决方案仅对于具有能够支撑发射器电子电路(electronics)的保持架的大型轴承才是可行的。
轴承保持架用的无源无线温度传感器已在例如传感器2008、7982-7995的由YaWang、Yi Jia、Qiushui Chen和Yanyun Wang所著的文章“用于恶劣环境应用的无源无线温度传感器”中被提出。包括随温度变化的电容和电感器的无源振荡器电路被配置在保持架上，使得电感器线圈与配置在轴承的非转动圈上的被驱动振荡器电路的发射器线圈相互作用。电容的温度依赖性导致了保持架内的谐振电路的能够被测量的谐振频率的温度依赖性。类似的系统已被Purdue大学的S.Scott等人研究过，参见例如：http:// docs.lib.purdue.edu/nanopub/1089。
保持架内的谐振电路吸收来自在非转动环上具有线圈的初级电路的能量，使得能够由频率扫描中的吸收峰推导得出谐振频率。此方法测量振荡频率时的能量损失。
还已知使高速列车的列车轴承单元或列车轮轴箱配备有聚酰胺保持架。有时使用与轨道并排配置的热箱(hot-box)红外扫描仪来监测这些列车轴承单元。这些红外扫描仪检测轴承组成部件的温度上升来检测有缺陷的轴承。虽然聚酰胺保持架已被证明是比之前使用的钢保持架更安全的，但是将无法使用热箱红外扫描仪来检测聚酰胺保持架中的缺陷。保持架的故障检测在航空航天轴承、高速轴承和其他可能应用中也将是有用的。
本发明寻求提供能够简便检测保持架损坏的改善的轴承用聚合物保持架。
发明内容
为实现上述目的，本发明提出了一种轴承保持架，其包括由聚合物材料制成的轴承保持架主体，轴承保持架主体包括用于容纳轴承的至少一列滚动体的腔格。保持架设置有无源谐振电路，无源谐振电路包括安装于轴承保持架主体的至少一个天线线圈。适当地，至少一个天线线圈用作无源谐振电路的电感器线圈。
提议天线线圈形成为直接安装于轴承保持架主体的聚合物材料的导电层，并且被设计成使得破坏点等于或小于聚合物材料的破坏点。保持架主体的聚合物材料可以包括聚酰胺、酚醛树脂、聚醚醚酮树脂(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)或其他聚合物。
关于这点，破坏点特别是指材料的断裂伸长率，并且聚合物基体和天线线圈的材料应被选择成使得当轴承保持架主体的保持架材料破裂时天线线圈破裂。这可以通过特别是使用薄导电层作为天线线圈来实现。同时，天线线圈对轴承保持架主体的表面的附着力应当足够强，以确保当压力过大时天线线圈层破裂而不是剥离。
聚合物基体的破裂强度与导电层之间的这种特定关系可以以特别是如下实施方式来实现：天线线圈被印刷在保持架材料上或者天线线圈在保持架材料上形成为电镀层。
在一个实施方式中，天线线圈被实施为绕着保持架主体的全周延伸的单个环。在一些示例中，单个环设置在保持架的在轴向上定向的侧面上。在其他示例中，单个环设置在保持架的在径向上定向的表面上。于是单个环可以包括在保持架的相邻腔格之间沿轴向延伸的部分，并且还包括在保持架腔格的轴向侧与保持架的横向缘部之间沿保持架的周向延伸的部分。这种实施增大了保持架主体的被电感器线圈覆盖的表面积，从而增大了即使保持架上有小的局部断裂也将会引起天线线圈破裂的可能性。
单个环的优点在于，天线线圈在任何位置破裂都能够导致无源谐振电路失去谐振能力。这能够被容易地且可靠地检测以便确定保持架已发生故障。
在进一步的实施方式中，天线线圈包含彼此平行地连接的多个环。如果一个环破裂，则谐振电路的电感将会改变，导致通过天线线圈传输的信号的振幅改变。
在进一步的实施方式中，天线线圈设置有以下设计：轴承保持架主体的任何相关部分的断裂至少通过增加电阻来影响天线线圈的电导率，优选地，通过使断裂点处的导电连接完全中断使得天线环开路来影响天线线圈的电导率。
在一个示例中，轴承保持架具有梯子状结构并且包括两个横向缘部，该两个横向缘部通过被构造成隔开滚动体的横杆连接。优选地，天线线圈遍及轴承保持架主体的所有相关部分(即，遍及横向缘部的全周和遍及各横杆的全长)地延伸。
优选地，通过包模成型非常薄且脆的金属片或者通过在轴承保持架主体的第一部分的表面上印刷或涂覆形成天线线圈的导电层(然后将在第二成型步骤中包模成型)，来将天线线圈嵌入于保持架材料。构成天线线圈还可以包括蚀刻。
有利地，天线线圈可以被嵌入于表示无法接受的保持架磨损的量的浅的深度。线圈适当地嵌入于保持架的在操作使用时与包括该保持架的轴承的其它表面移动接触的磨损面。因而能够检测归因于磨损而导致的保持架故障。
在本发明的一个实施方式中，设置于保持架主体的无源谐振电路包括电容器和用作电感器的天线线圈，如此形成了简单的LC震荡电路(LC tank circuit)。在另一实施方式中，无源谐振电路形成包括天线线圈和连接到天线线圈的RFID电路的RFID收发器的一部分。本发明的一个重要方面是，当天线线圈中存在破裂时谐振电路返回不同的信号。信号的不同可能体现在：频率变化、振幅降低或完全没有返回信号。RFID电路还可以包括传感器或与传感器通信，传感器诸如为根据要求安装在轴承保持架上或RFID芯片上的温度传感器。
一种轴承，其包括如上所述的轴承保持架，优选地，该轴承包括直接地或经由轴承密封件或帽来安装于轴承的非转动圈的发射器的初级天线。发射器包括被驱动的振荡器电路，初级天线被构造成从保持架上的天线线圈接收信号和向保持架上的天线线圈发送信号。
根据本发明的另一方面，一种轴承单元，其包括如上所述的轴承，轴承单元设置有信号处理单元，信号处理单元被构造成监视被初级天线接收的天线线圈的响应信号并在检测到响应信号的振幅和/或频率变化时或在检测到无响应信号时产生报警。报警信息可以包括报警灯或给机器操作员(例如，给列车操作员)的报警信号。信号处理单元可以仅在维修期间连接或永久地连接。
在一个实施方式中，轴承单元包括被适配成响应于由初级天线发射的询问信号而谐振的第二无源谐振电路。优选地，第二无源谐振电路设置在轴承的相同的固定部分上的不受磨损或损坏的位置作为发射器。第二无源谐振电路用作验证发射器的正确运行的基准。于是处理单元被适当地构造成如果没有检测到来自第一无源谐振电路和第二无源谐振电路两者的响应信号则产生发射器有缺陷的报警。
如上所述的轴承保持架适用于实施轴承保持架的故障的检测方法，该方法包括以下步骤：
-产生包括天线线圈的电路的谐振频率的询问信号；
-接收来自天线线圈的响应信号；并且
-基于检测到没有响应信号或者当测量到响应信号的频率和/或振幅变化时，来监测响应信号以检测天线线圈的破裂。
本发明的以上实施方式与所附权利要求和附图示出了本发明的多个特点特征的特定组合。本领域技术人员将能够容易地想到这些特征的其它组合或子组合以便使如权利要求中限定的本发明与本领域技术人员的特定需求相适配。
附图说明
-图1是配备有根据本发明的保持架和用于检测保持架故障的传感器组件的轴承的示例的截面图；
-图2是图1的轴承所使用的轴承保持架的一部分和与传感器组件相关联的电路组成部件的示意图；
-图3a是配备有根据本发明的保持架的轴承和用于检测保持架故障的传感器组件的另一示例的切面立体图；
-图3b是图3a的轴承保持架的侧视图；
-图3c是在图3a的轴承中使用的密封件的截面图；
-图4是根据另一实施方式的用于检测保持架故障的传感器组件的电路图；
-图5是根据本发明的另一实施方式的轴承保持架的一部分的示意图。
具体实施方式
图1阐述了一个列车轴承单元，其包括双列圆锥滚子轴承10，该双列圆锥滚子轴承10包括被构造成容纳所述轴承的形成为圆锥滚子的两列滚动体10b的两个环形的轴承保持架11、剖分式的内圈10c和外圈10d。
轴承单元配备有传感器组件，传感器组件包括发射器12，发射器12安装于轴承密封件20并且被构造成在发射器的初级线圈(primary coil)12c中产生振荡电流信号。
此外，传感器组件包括无源谐振电路14(参考图2)，无源谐振电路14包括无线射频识别(RFID)芯片14b和安装于轴承保持架11的天线线圈14a。RFID芯片14b可以包括各种传感器，如温度传感器。
在绘出的示例中，初级线圈12c被嵌入在密封件20的弹性体材料20a中。初级线圈还可以安装于轴承外圈10d并且可以形成为在轴承的全周上延伸的环或者否则被构造成产生用于与RFID芯片14b通信的信号。在本发明的优选实施方式中，用作无源谐振电路14的电感线圈的天线线圈14a也形成为在轴承保持架11的全周上延伸的圆环。优选地，初级线圈12c和天线线圈14a同轴地配置且彼此靠近，即，使得线圈的线之间的距离小于圆形的线圈环的半径的20％，优选小于10％。
两个轴承保持架11具有相同的构造。图2示意性地展示出轴承保持架11中的一个轴承保持架的一部分，轴承保持架包括由作为坚固的(robust)保持架材料的示例的聚酰胺制成的轴承保持架主体11a。轴承保持架主体11a具有用于容纳轴承10的一列滚动体10b的腔格(pocket)15，并且天线线圈14a安装于保持架主体11a。
天线线圈14a形成为直接安装于轴承保持架主体11a的保持架材料的导电层，并且被设计成具有比保持架材料的破坏点(breaking point)低的破坏点。即，天线线圈足够脆弱但天线线圈14a的附着力足够强大，以确保当轴承保持架主体11a表面的一部分的断裂将导致天线线圈14a的断裂，即，将使得天线线圈14a不导电。
在描绘的示例中，天线线圈14a被设计成使得其覆盖轴承保持架主体11a有发生断裂风险的各必要部分。因此，一旦轴承保持架主体11a中发生断裂时，天线线圈14a的导电性被可靠地中断，这可以根据断裂的性质而被检测为天线线圈14a的谐振频率的频率和/或振幅的差或被检测为完全没有谐振。
在图1-2的实施方式中，天线线圈14a被印刷到保持架材料上。可选择地，天线线圈14a可以形成为保持架材料上的电镀层、或者形成为非常薄的金属片然后通过聚酰胺材料将该非常薄的金属片包模成型使得天线线圈14a至少部分地嵌入所述保持架材料中。天线线圈14a还可以通过胶合安装于轴承保持架主体11a和/或被保护层保护。
如图2所示，轴承保持架主体11a包括由被构造成隔开滚动体的横杆连接的两个横向环结构，其中天线线圈14a在每个横向环结构的全周上延伸并在每个横杆的全长上延伸。轴承保持架主体11a包括多个被构造成用于容纳滚动体中的一者的腔格，其中天线结构包括多个环并且每个腔格15被至少一个环围绕。天线线圈14a具有梯子状结构，其中梯级沿着轴承保持架主体11a的被构造成隔开滚动体的横杆延伸。
包括根据本发明的轴承的轴承单元还包括信号处理单元16，其中信号处理单元16被构造成分析通过发射器的初级线圈12c接收到的天线线圈14a的信号并在检测到天线线圈14a被破坏时(基于检测到无响应信号或响应信号的频率和/或振幅改变)产生报警。信号处理单元16可以集成到发射器12中或被远程定位于例如使用轴承的列车的控制单元中。
参照图2，以下将说明发射器12和无源谐振电路的功能。由函数发生器(functiongenerator)12b产生的振荡电流信号送入初级线圈12c以产生在天线线圈14a中感应电流的询问信号。只要天线线圈14a是完好的，则感应的电流将足以激励RFID芯片14b，随后RFID芯片14b返回可能携带或可能不携带额外信息(例如，轴承的ID号或温度信息)的信号。
如果由RFID芯片14b返回的信号的振幅、频率或任何其它特征与信号处理单元16期望的信号不一致，则信号处理单元16发出指示保持架11被破坏的报警信号。
因此，信号处理单元16实现了轴承保持架11的故障的检测方法，其包括以下步骤：产生包括天线线圈14a的电路的谐振频率的询问信号、接收来自所述天线线圈14a的响应信号、基于检测到无响应信号或响应信号的频率和/或振幅改变来分析响应信号以检测天线线圈14a的破裂、并且如果天线线圈14a破裂则检测出轴承保持架11的故障。
图3a绘出了根据本发明的轴承的第二实施方式。在本实施方式中，轴承30是密封的深槽球轴承，其包括内圈30c、外圈30d、单列球30b和用于封闭轴承圈之间的环状间隙的位于轴承的轴向两侧的密封件20。球被球保持架31保持，图3b示出了球保持架31的侧视图。保持架的主体31a由聚合物材料制成，并设置有包括电容器34b和天线线圈34a的无源谐振电路，电容器34b和天线线圈34a被配置在保持架主体的在轴向上定向的侧面上。用作无源谐振电路的电感器(inductor)的天线线圈34a被实施为绕着保持架侧面的全周延伸的单个环。根据本发明，天线线圈34a的导电材料的破坏点小于或等于保持架主体31a的聚合物材料的破坏点。
因此，如果天线线圈因保持架主体31a的断裂而破裂，则当被询问信号激励时无源谐振电路将停止谐振。为了检测到该谐振的丢失，轴承还配备有发射器，发射器的一部分被集成在面向保持架上的电容器34b和天线线圈34a的密封件20中。图3c示出了密封件的侧视图。
发射器包括产生振荡电流信号的函数发生器和初级天线32c，初级天线32c在绘出的实施方式中形成为密封件20的加强环。加强环是嵌入在密封件20中的片状金属环，加强环设置有填充有隔离弹性材料20a的间隙。初级天线32c的临近所述间隙的相对两侧的端部部分分别设置有信号线38b、38b’用的连接点32c1、32c2，在图示的实施方式中连接点32c1、32c2由软焊点(solder point)形成。信号线连接到处理器(未示出)，处理器被构造成如果来自无源谐振电路的响应信号无法响应于来自发射器的询问信号而被初级天线32c接收则发送警报。
在进一步的发展中，轴承配置的固定部分设置有第二无源谐振电路，第二无源谐振电路也可以集成在密封件上或否则接近发射器定位。将使用图4所示的电路图来解释工作原理。在正常条件下，连接到发射器42的处理器(未示出)将接收来自保持架上的第一无源谐振电路44’的第一响应信号和来自第二无源谐振电路44”的第二响应信号。如果仅无法接收到第一响应信号，则如前所述地发送指示保持架故障的报警。如果第一响应信号和第二响应信号都无法接收到，则指示发射器电路中有故障，处理器被构造成发送合适的警示。
单环形式的保持架天线线圈还可以设置在保持架的径向定向的表面上。图5示出了根据本发明的该实施方式的保持架51的一部分的示例。无源谐振电路还包括电容器54b和天线线圈54a，天线线圈54a例如印刷在在绘出的示例中由酚醛树脂制成的保持架的主体51上。天线线圈被适配成响应于保持架主体中的断裂而被破坏。为了提高保持架中的小断裂使天线线圈破裂的可能性，线圈具有沿保持架的周向延伸的第一部分(sections)54a1和在相邻的保持架腔格55之间沿轴向延伸的第二部分54a2。如将理解的，线圈可以包括在相邻的腔格55之间来回往返的多个第二部分，和/或在保持架的缘部与保持架腔格的相应轴向侧之间来回往返的多个第一部分54a1。
在本示例中，保持架是外圈引导式保持架(outer-ring-guided cage)，并且在保持架的轴向两侧均具有磨损面，在轴承运行期间磨损面与轴承外圈的肩部接触。天线线圈被嵌入于保持架主体51a的径向外侧面的构成无法接受的磨损量的浅的深度。因此，保持架51能够用于检测归因于使天线线圈破裂的主体51a断裂和归因于保持架的无法接受的磨损(其同样磨损掉天线线圈的材料，导致引起无源谐振电路失去谐振能力的中断)而导致的保持架故障。
在其他实施方式中，保持架的轴向侧面为磨损面并且可以设置有用于检测磨损的嵌入的天线线圈。因此，在权利要求的范围内可以进行多种变化。

Claims (15)

1.一种轴承保持架，其包括轴承保持架主体(11a、31a、51a)，所述轴承保持架主体(11a、31a、51a)由聚合物材料制成并被构造成容纳轴承的至少一列滚动体(10b、30b)，所述轴承保持架还包括无源谐振电路(14、34、44’)，所述无源谐振电路(14、34、44’)包括安装于所述保持架主体的天线线圈(14a、34a、54a)，
其中
所述天线线圈形成为直接安装于所述轴承保持架主体(11a、31a、51a)的保持架材料的导电层，并且被设计成使得破坏点低于所述保持架材料的破坏点。
2.如权利要求1所述的轴承保持架，其特征在于，所述天线线圈(14a、34a)用作所述无源谐振电路(14、34、44a)中的电感器。
3.如权利要求1所述的轴承保持架，其特征在于，所述天线线圈(14a、34a)被印刷在所述保持架材料上或在所述保持架材料上形成为电镀层。
4.如权利要求1所述的轴承保持架，其特征在于，所述天线线圈(14a、34a)的至少一部分嵌入于所述保持架材料的表面。
5.如权利要求4所述的轴承保持架，其特征在于，所述保持架材料的嵌入有所述天线线圈(14a、34a、54a)的至少一部分的表面是所述轴承保持架的在所述轴承运行期间与所述轴承的其它组成部件的表面接触的磨损面。
6.如权利要求1所述的轴承保持架，其特征在于，所述天线线圈(34a、54a)被实施为绕着所述保持架主体(31a、51a)的全周延伸的单个环。
7.如权利要求6所述的轴承保持架，其特征在于，所述天线线圈(34a)设置在所述保持架主体(31a)的在轴向上定向的侧面上。
8.如权利要求6所述的轴承保持架，其特征在于，所述天线线圈(54)设置在所述保持架主体(51a)的在径向上定向的表面上。
9.如权利要求6所述的轴承保持架，其特征在于，所述轴承保持架主体(51a)包括多个被构造成容纳所述滚动体(10b、30b)中的一者的腔格(55)，并且所述天线线圈包括沿所述保持架的周向延伸的第一天线部分(54a1)和在相邻腔格之间沿轴向延伸的第二天线部分(54a2)。
10.如权利要求1所述的轴承保持架，其特征在于，所述天线线圈包括彼此平行地连接的两个或更多个环。
11.如权利要求1所述的轴承保持架，其特征在于，所述轴承保持架主体(11a)包括多个被构造成容纳所述滚动体(10b)中的一者的腔格(15)，所述天线线圈(14a)包括多个环，并且每个开口都被环中的至少一者围绕。
12.一种轴承，其包括如权利要求1所述的轴承保持架(11、31、51)和发射器(12、32、42)，所述发射器包括连接到所述轴承的圈或密封件(20)的初级天线(12c、32c)，其中所述初级天线被构造成从所述天线线圈(14a、32a)接收信号和向所述天线线圈(14a、32a)发送信号。
13.一种轴承单元，其包括如权利要求12所述的轴承和信号处理单元(16)，其中所述信号处理单元(16)被构造成监视被所述初级天线(12c、32c)接收的来自所述天线线圈(14a、34a、54a)的响应信号并在检测到接收到无响应信号或检测到响应信号的振幅和/或谐振频率已发生变化时产生报警。
14.如权利要求13所述的轴承单元，其特征在于，还包括接近所述发射器(42)地安装于所述轴承的不受磨损或损坏的固定部分的第二无源谐振电路(44”)，并且所述第二无源谐振电路(44”)被构造成在接收到来自所述初级天线的询问信号后发出第二响应信号，所述处理单元被构造成如果既没有接收到来自所述保持架上的无源谐振电路(44’)的第一响应信号又没有接收到第二响应信号则产生所述发射器有故障的报警。
15.如权利要求1所述的轴承保持架的故障的检测方法，所述方法包括以下步骤：
a.产生包括所述天线线圈(14a、34a)的所述无源谐振电路(14、44)的谐振频率的询问信号，
b.监测来自所述天线线圈的响应信号，
c.如果未接收到响应信号或如果测量到所述响应信号的振幅变化和/或谐振频率变化，则检测到所述轴承保持架的故障。
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