CN107345540B - 一种自监测圆锥轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自监测圆锥轴承，本发明属于轴承技术领域。环形隔板将外圈分隔成左右腔，右腔内经滚动体装有内圈；环形隔板上装有电路板和传感器；右半轴的轴台套在内圈的内孔中，右半轴的轴肩装在内圈上，轴肩与环形隔板之间压接有密封圈；右半轴上装有左半轴，左半轴上装有左磁凸轮环，右半轴上装有右磁凸轮环，左右磁凸轮环形成凸轮槽；外圈内壁凸台上装有换能器，换能器由基板和PZT膜粘接而成，换能器自由端装有受激磁铁，受激磁铁置于凸轮槽内且与左右磁凸轮环间均为排斥力；受激磁铁在凸轮槽内左右可移动的最大距离相等，受激磁铁移动距离最大时，PZT膜上最大应力小于其许用值；换能器和传感器经不同的导线组与电路板相连。

Description

一种自监测圆锥轴承
技术领域
本发明属于轴承技术领域，具体涉及一种自监测圆锥轴承。
背景技术
轴承在机械、车辆、航空航天、轮船及能源等领域都是不可或缺的基本构件，同时也是传动系统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温度、振动、转速及噪音等。早期轴承监测系统主要是外挂式的，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，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，虽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，现有轴承监测系统还基本上是定期、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供电监测轴承，其主要问题是不同转速时的发电性能差异较大、有效频带窄、可靠性低。
发明内容
本发明提出一种自监测圆锥轴承，本发明采用的实施方案是：本发明的自监测圆锥轴承包括内圈、滚动体、外圈、传感器、电路板、压环、换能器、受激磁铁、右半轴、左半轴、左磁凸轮环、右磁凸轮环及密封圈；环形隔板将外圈分隔成左腔和右腔，右腔内经滚动体安装有内圈；环形隔板上安装有电路板和传感器，电路板置于左腔内；右半轴的轴台套在内圈的内孔中，右半轴上的轴肩经螺钉安装在内圈上，轴肩与环形隔板之间压接有密封圈；右半轴上经螺钉安装有左半轴，左半轴上经螺钉安装有左磁凸轮环，右半轴上经螺钉安装有右磁凸轮环，左磁凸轮环和右磁凸轮环形成凸轮槽；外圈的内壁凸台上经螺钉和压环安装有换能器，换能器置于左腔内，换能器由基板和PZT膜粘接而成，换能器自由端的两侧经铆钉安装有受激磁铁，受激磁铁置于凸轮槽内，受激磁铁为半球状，受激磁铁与左磁凸轮环和右磁凸轮环之间的作用力均为排斥力；换能器和传感器经不同的导线组与电路板相连。
换能器为基板一侧粘接PZT膜构成的单晶结构或为基板两侧粘接PZT膜构成的双晶结构；换能器为单晶结构时，换能器自由端的最大变形量由下式计算，即：
Figure BSA0000149550080000021
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，/>
Figure BSA0000149550080000022
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板的厚度和换能器的总厚度，Em和Ep分别为基板和PZT膜的杨氏模量，k31和/>
Figure BSA0000149550080000023
分别为PZT材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器的长度。/>
工作中，当内圈与外圈通过滚动体相对转动时，换能器及受激磁铁与左磁凸轮环及右磁凸轮环相对转动，受激磁铁在凸轮槽内左右往复运动，从而迫使换能器左右弯曲振动，并将机械能转换成电能；相对于换能器未变形时的对称中心，受激磁铁在凸轮槽内向左与向右可移动的最大距离相等，即受激磁铁向左移动且与左磁凸轮环接触时的最大距离与向右移动且与右磁凸轮环接触时的最大距离相等；受激磁铁在凸轮槽内左右移动距离最大时，PZT膜上的最大应力小于其许用值；换能器弯曲变形时所生成的电能经电路板上的转换电路处理后供给传感器，传感器实时地获得轴承温度、转速或振动参数，再经电路板上的发射单元发射出去。
优势与特色：换能器的变形量由凸轮升程决定，不同转速时换能器的最大变形量及PZT膜上的最大应力都相同，故可靠性高、有效频带宽、发电与供电能力强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中轴承的结构剖面图；
图2是本发明一个较佳实施例中左右半轴及左右磁凸轮环组装后的结构示意图；
图3是图1的A-A的剖视图；
图4是图1中轴承内圈转过180度时的结构剖面图。
具体实施方式
本发明的自监测圆锥轴承包括内圈a、滚动体b、外圈c、传感器d、电路板e、压环f、换能器g、受激磁铁h、右半轴j、左半轴i、左磁凸轮环k、右磁凸轮环m及密封圈n；环形隔板c1将外圈c分隔成左腔C1和右腔C2，右腔C2内经滚动体b安装有内圈a；环形隔板c1上安装有电路板e和传感器d，电路板e置于左腔C1内；右半轴j的轴台j1套在内圈a的内孔中，右半轴j上的轴肩j2经螺钉安装在内圈a上，轴肩j2与环形隔板c1之间压接有密封圈n；右半轴j上经螺钉安装有左半轴i，左半轴i上经螺钉安装有左磁凸轮环k，右半轴j上经螺钉安装有右磁凸轮环m，左磁凸轮环k和右磁凸轮环m形成凸轮槽C3；外圈c的内壁凸台上经螺钉和压环f安装有换能器g，换能器g置于左腔C1内，换能器g由基板g1和PZT膜g2粘接而成，换能器g的自由端的两侧经铆钉安装有受激磁铁h，受激磁铁h置于凸轮槽C3内，受激磁铁h为半球状，受激磁铁h与左磁凸轮环k和右磁凸轮环m之间的作用力均为排斥力；换能器g和传感器d经不同的导线组与电路板e相连。
换能器g为基板g1一侧粘接PZT膜g2构成的单晶结构或为基板g1两侧粘接PZT膜g2构成的双晶结构；换能器g为单晶结构时，换能器g自由端的最大变形量由下式计算，即：
Figure BSA0000149550080000031
其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，/>
Figure BSA0000149550080000032
α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板g1的厚度和换能器g的总厚度，Em和Ep分别为基板g1和PZT膜g2的杨氏模量，k31和/>
Figure BSA0000149550080000033
分别为PZT材料的机电耦合系数和许用压应力，L为换能器g的长度。
工作过程中，当内圈a与外圈c通过滚动体b相对转动时，换能器g及受激磁铁h与左磁凸轮环k及右磁凸轮环m相对转动，受激磁铁h在凸轮槽C3内左右往复运动，从而迫使换能器g左右弯曲振动，并将机械能转换成电能；相对于换能器g未变形时的对称中心，受激磁铁h在凸轮槽C3内向左与向右可移动的最大距离相等，即受激磁铁h向左移动且与左磁凸轮环k接触时的最大距离与向右移动且与右磁凸轮环m接触时的最大距离相等；受激磁铁h在凸轮槽C3内左右移动距离最大时，PZT膜g2上的最大应力小于其许用值；换能器g弯曲变形时所生成的电能经电路板e上的转换电路处理后供给传感器d，传感器d实时地获得轴承温度、转速或振动参数，再经电路板e上的发射单元发射出去。

Claims (1)

1.一种自监测圆锥轴承，包括内圈、滚动体、外圈、传感器、电路板、压环、换能器、受激磁铁、右半轴、左半轴、左磁凸轮环、右磁凸轮环及密封圈，其特征在于：环形隔板将外圈分隔成左腔和右腔，右腔内经滚动体安装有内圈；环形隔板上装有电路板和传感器；右半轴的轴台套在内圈的内孔中，右半轴的轴肩装在内圈上，轴肩与环形隔板之间压接有密封圈；右半轴上装有左半轴，左半轴上装有左磁凸轮环，右半轴上装有右磁凸轮环，左右磁凸轮环形成凸轮槽；外圈的内壁凸台上装有换能器，换能器由基板和PZT膜粘接而成，换能器自由端两侧经铆钉安装有受激磁铁，受激磁铁置于凸轮槽内，受激磁铁为半球状，受激磁铁与左右磁凸轮环之间的作用力均为排斥力；受激磁铁在凸轮槽内向左与向右可移动的最大距离相等，受激磁铁在凸轮槽内左右移动距离最大时，PZT膜上的最大应力小于其许用值；换能器和传感器经不同的导线组与电路板相连；内圈与外圈通过滚动体相对转动时，换能器及受激磁铁与左磁凸轮环及右磁凸轮环相对转动，受激磁铁在凸轮槽内左右往复运动，换能器左右弯曲振动并将机械能转换成电能，电能经电路板上的转换电路处理后供给传感器，传感器实时地获得轴承温度、转速或振动参数，再经电路板上的发射单元发射出去。
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