CN108458053A - 用于状况监测的被仪表化的轴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带凸缘的轴(110)，包括：轴部分(111)，其具有用于安装轴承装置的内圈的轴承座落部(113)；和凸缘部分(112)，其位于轴的第一侧，该凸缘部分(112)具有用于轴向保持内圈的轴向内表面(114)。带凸缘的轴被仪表化有一个或多个传感器单元(130)，各单元均具有由设置有一个或多个传感器的至少一个接触板的轴向内表面形成的测量表面(132)，以用于在使用期间监测轴承装置的一个或多个运行参数。根据本发明，所述一个或多个传感器单元(130)中的每一者均设置在穿过凸缘部分(112)地延伸的相应的凹部内，使得测量表面(132)与凸缘部分(112)的轴向内表面(114)齐平或者测量表面(132)略微突出超过凸缘部分(112)的轴向内表面(114)。

Description

用于状况监测的被仪表化的轴
技术领域
本发明总体上涉及对旋转部件进行状况监测的领域，并且更具体地涉及用于支撑轴承的轴，该轴被仪表化(/装备)(instrumented)有一个或多个状况监测传感器。本发明还涉及包括了这种被仪表化的轴的齿轮箱以及涉及包括了该齿轮箱的风力涡轮机。
背景技术
状况监测是用于检测旋转机械部件(诸如轴承)的故障和不利运行状况的重要工具(/手段)，从而使得能够在发生任何主要(/严重)故障之前执行预防性维护或修理。这对于像风力涡轮机这样的偏远安装设备(remote installations)来说尤为重要，(这是因为)其在没有监督的情况下运行并且关键故障的修理费用极为昂贵。
在美国专利8393993中公开了对风力涡轮机中的周转齿轮箱(/行星齿轮箱)(epicyclic gearbox)进行状况监测的一个示例。该齿轮箱具有至少两个行星齿轮，每个行星齿轮均通过轴承而转动地支撑在行星齿轮轴上。齿轮箱还具有连接(各)行星齿轮的至少一个行星架。行星架设置有一个或多个传感器，包括振动传感器。在一个实施方式中，行星架设置有振动传感器，振动传感器放置在各行星齿轮轴上或者很靠近各行星齿轮轴地设置。
因此，传感器的位置距支撑行星齿轮轴的轴承相对远离(/较远)，这意味着与轴承缺陷相关联的振动更难以检测到。
存在改进的余地。
发明内容
本发明涉及一种带凸缘的轴，包括：轴部分，其具有用于安装轴承装置的内圈的轴承座落部；和形成一体的凸缘部分，该凸缘部分具有用于轴向保持内圈的轴向内(侧)表面。带凸缘的轴被仪表化有(instrumented with)一个或多个传感器单元，各单元均具有上设有一个或多个传感器的接触板，以用于在使用期间监测轴承装置的一个或多个运行参数。根据本发明，所述一个或多个传感器单元中的每一者均设置在以穿过(/贯通/贯穿)(extend through)凸缘部分的方式延伸的相应的凹部内，使得接触板的轴向内表面与轴承的轴向内表面齐平或者接触板的轴向内表面略微突出超过轴承的轴向内表面。
因此，在带凸缘的轴使用时，每个传感器单元的传感化的(sensorized)接触板与轴承内圈的侧面接触，使得能够准确地检测运行参数。
所述一个或多个传感器可以包括振动传感器、温度传感器、声发射传感器和应变传感器中的至少一者。在一个实施方式中，传感器单元配备有两个或更多个不同的传感器。不同的传感器可以附接于传感器单元的单个接触板。在一个作为另一种选择的实施方式中，传感器单元具有供不同的传感器附接于的第一接触板和第二接触板。
优选的是，带凸缘的轴包括至少两个传感器单元，以使得能够在内圈的不同位置处测量轴承的运行参数。在一个实施方式中，带凸缘的轴具有四个传感器单元，这些传感器单元围绕带凸缘的轴的圆周以均等的角度间隔布置。如将理解的是，传感器单元的不同数量和传感器单元的不同布置是可能的，这取决于应用和感兴趣的运行参数。
适当的是，各传感器单元包括用于接收(以及优选还有处理)来自一个或多个传感器的数据的电子器件，并且还包括用于无线传输传感器数据的天线。各传感器单元还可以在该单元的壳体内包括其自己的电源。然而，在一些应用中，轴凸缘的尺寸和应用中的可用空间可能会不允许传感器单元容纳有它们自己的电源。
因此，在有利的进一步发展中，带凸缘的轴设置有用于向各传感器单元供电的电源。容腔被设置在带凸缘的轴的轴部分的轴向外表面中、位于其凸缘侧。在轴部分中能够获得更多空间，并且在结构上也是更为鲁棒(/牢固)的。该容腔足够大以容纳一个或多个电池，这些电池在轴向外侧连接到传感器单元。适当的是，电池和传感器单元的轴向外侧端部然后被盖板覆盖，以保护防止油和污染物的进入。因此，带凸缘的轴变成为自主的(/有自主能力的)(autonomous)组成部件，其能够被容易地安装在行星齿轮箱中，而无需例如在行星架上进行复杂的布线(wiring)。
在传感器单元的相对的(opposite)端部，传感器单元壳体适当地设置有包围接触板的密封件，以保护防止油和污染物进入。有利的是，接触板被弹簧安装(spring-mounted)于传感器单元壳体，使得在带凸缘的轴使用时，接触板被压迫(urged)成与在轴向上抵接轴(的)凸缘的轴承内圈的侧面接触。另外，壳体自身可以被弹簧安装在其凹部内，使得壳体能够相对于带凸缘的轴而言沿轴向移位，使得在轴使用时，密封件被压迫抵靠轴承内圈的侧面。
本发明的带凸缘的轴特别适用于包括了两个或更多个行星齿轮的行星齿轮箱，行星齿轮中的每一个行星齿轮均被行星齿轮轴上的轴承装置转动支撑。行星齿轮轴中的至少一个行星齿轮轴被实施为根据本发明的带凸缘的轴。行星齿轮轴固定于行星架，行星架通常是具有第一侧和第二侧的铸造组成部件(/铸件)(cast component)。带凸缘的轴可以(在凸缘侧)被支撑在行星架中的孔内。而在轴侧，该轴可以通过例如螺栓而固定于行星架。
在一个实施方式中，轴承装置包括在轴向上间隔开的第一轴承和第二轴承。第一轴承的内圈由带凸缘的轴的凸缘部分轴向保持，第二轴承的内圈由行星架的凸缘部分轴向保持。为了能够对第二轴承进行状况监测，有利的是齿轮箱设置有至少一个(如上所述的)另外的传感器单元，该另外的传感器单元布置在穿过(/贯穿)(through)行星架的凸缘部分地延伸的凹部中，以使得与第二轴承的内圈的侧面接触。优选的是，根据可用空间(的情况)，设置有两个或更多个另外的传感器单元。
在进一步的发展中，本发明的带凸缘的轴配备有用于向穿过行星架设置的另外的传感器单元供电的电源。第二容腔被设置在轴部分的端面中、位于与凸缘侧相反的一侧，一个或多个电池被容纳在第二容腔内。适当的是，在第二容腔的位置处，行星架包括能够接近(/进入/操作使用)(access)第二容腔中的电池的开口，使得可以在电池与另外的传感器单元之间布置接线。
包括了根据本发明的带凸缘的轴的行星齿轮箱特别适用于风力涡轮机，现在将参照附图对其进行进一步说明。
附图说明
图1A示出了包括多个行星齿轮的行星齿轮箱的立体图，每个行星齿轮安装在根据本发明的带凸缘的轴上；
图1B是图1A的齿轮箱的剖视立体图；
图2A示出了包括多个传感器单元的根据本发明的带凸缘的轴的示例；
图2B示出了图2A的传感器单元的组成部件。
具体实施方式
图1A示出了行星齿轮箱100的第一级(stage)的立体图，其适用于使风力涡轮机的主转子与发电机连接的风力涡轮机传动系(drive train)。在图1B中示出了齿轮箱的剖视立体图，其中还能够看到用于第二级的座(/壳体)(housing)的一部分。在所示出的示例中，齿轮箱100具有：固定(的)环齿轮(ring gear)105，其安装于座102；太阳齿轮(未示出)；和三个行星齿轮107，其围绕太阳齿轮布置，使得每个行星齿轮107的齿轮齿与太阳齿轮和环齿轮105的齿轮齿相啮合接合。
每个行星齿轮107经由轴承装置(未示出)而转动地支撑在相应的行星齿轮轴110上。(各)行星齿轮轴110固定于行星(齿轮)架(planet carrier)120，在本示例中行星架120通过第一轴承和第二轴承而被相对于座(/外壳)(casing)102转动地支撑，第一轴承和第二轴承的对应位置在图1B中由箭头121和122表示。行星架120被适配成联接到输入轴(未示出)，输入轴自身直接或间接地联接到风力涡轮机的主转子。行星架120的被驱动转动引起行星齿轮107的转动，这以比输入轴的输入速度快的输出速度来驱动太阳齿轮。太阳齿轮可以直接联接到驱动发电机的输出轴，或者可以经由齿轮箱100的一个或多个另外的级而间接联接到输出轴。
支撑行星齿轮107的轴承装置是齿轮箱100的关键组成部件。因此，提早检测出能够加速轴承寿命终结的运行状况是重要的，使得例如能够发送维护报警。根据本发明，这通过以下来实现：将行星齿轮轴实施为被仪表化有(instrumented with)一个或多个传感器单元的(带)凸缘(的)轴。
图2A示出了根据本发明的(带)凸缘(的)轴的立体图。轴110具有轴部分111和形成一体的凸缘部分112。轴部分的外圆柱表面113用作轴承装置的至少一个内圈用的座落部(seat)。通常，轴承装置包括至少两列滚子，可以是双列滚子轴承单元或者是两个单独的轴承的布置。采用背靠背布置的一对匹配的圆锥滚子轴承是常用于支撑齿轮箱中的行星齿轮的轴承装置的一个示例。
尽管如将被理解的是，带凸缘的轴110可以用于支撑任何合适类型的轴承，但还是将关于(/参照)第一圆锥滚子轴承和第二圆锥滚子轴承的这种布置(/装置)来进一步说明本发明。
在带凸缘的轴使用时，第一和第二圆锥滚子轴承的内圈安装在轴部分的轴承座落部113上，使得第一轴承的第一内圈被轴的凸缘部分112(在)轴向(上)保持。因此，第一内圈的轴向侧面与凸缘部分112的轴向内(侧)表面114接触。在所示出的示例中，轴110设置有四个传感器单元130，这些传感器单元中的每一者均设置在从轴向外(侧)表面到轴向内(侧)表面114延伸穿过(extends through)凸缘部分112的凹部中。各传感器单元130均具有感测表面132，感测表面132由(设置有一个或多个传感器的)板的轴向内表面形成，并且(传感器单元)被构造成使得在使用时感测表面与第一内圈的侧面接触。因而确保了对轴承运行参数的准确检测。
图2B示出了传感器单元130及其组成部件的分解图。传感器单元具有容纳电路板133的壳体(housing)131，一个或多个传感器连接到电路板133。适当的是，电路板包括用于处理和传输(transmitting)从传感器接收的信号的电子器件。优选的是，单元130配备有用于无线数据传输的天线。
在所示出的示例中，传感器单元的感测表面由设置在第一传感器滑动件(sensorsled)134和第二传感器滑动件135的对应下侧处的第一接触板和第二接触板形成。接触板优选由金属材料制成。振动传感器、声发射传感器和温度传感器设置在第一传感器滑动件134的接触板上。(各)传感器可以安装在柔性PCB上，该柔性PCB粘附于(adhere to)第一滑动件134的接触板并连接到主电路板133。应变传感器(strain sensor)设置在第二传感器滑动件135的接触板上。应变传感器可以是摩擦应变计或压电应变计。
在轴使用时，感测表面132与第一轴承内圈的侧面接触。适当的是，滑动件134、135通过弹簧136而被弹簧加载(spring loaded)在壳体131内，以确保维持牢固的接触。另外，传感器单元的壳体131可以被抵靠(带)凸缘(的)轴110弹簧加载。壳体的每一侧均设置有用于接纳另一弹簧138的弹簧保持器137。该弹簧的一个端部靠抵(bear against)弹簧保持器137，而相反的端部可以被(例如螺接于凸缘部分112的轴向外表面的)盖板轴向保持。
优选的是，传感器单元还设置有面密封件(/端面密封件)(face seal)139，该面密封件139在壳体131的轴向内侧端部附接于壳体131并且包围感测表面132，以保护传感器免受油和其它污染物的侵害。在将轴承装置安装在带凸缘的轴的轴承座落部113上之前，传感器单元被适当地适配成使得壳体的轴向内(侧)端部略微突出超过轴110的凸缘部分112的轴向内(侧)表面114。当安装轴承装置时，第一内圈的侧面压靠所述面密封件139，并且通过另外的弹簧138使传感器单元(的)壳体131相对于轴的凸缘部分112轴向移位，直到所述(内)圈与凸缘部分112的轴向内(侧)表面114接触为止。因此在轴使用时在传感器单元与轴承圈之间保持了紧密密封。
根据带凸缘的轴的尺寸，传感器单元(的)壳体131可以足够大以容纳用于为传感器和电子器件供电的电池。在(一个)优选的实施方式中，如可以在图1B中看到的，容腔115被设置在带凸缘的轴110中、在轴的轴向外表面中、位于凸缘侧(这将被称作第一轴向侧)。该容腔设置在穿过(through)轴的凸缘部分112的(各)凹部的径向内侧，并且容纳有(连接到传感器单元130的)一个或多个电池150。
在所示出的示例中，各传感器单元130均被设置在(在凸缘部分112的外周中机加工出来的)狭槽(slot)中，使得传感器单元的三个侧面被凸缘封闭(/围绕)(enclosed)。在轴110使用时，传感器单元的面向径向外侧的表面被行星架120的(位于行星架的第一侧的)第一凸缘部分125的圆柱形孔覆盖。适当的是，容腔115和电池150被上面提到的盖板封闭(enclosed)，该盖板在轴110的第一侧(在)轴向(上)保持传感器单元。因此，本发明的带凸缘的轴提供了用于支撑轴承装置并监测其状况的独立齐全的组件(self-containedassembly)，其可以以简单直接的(straightforward)方式安装。
在第一轴承和第二轴承被安装在带凸缘的轴上的轴承装置中，有利的是，第二轴承的运行参数也是能够测量的。在图1B所示的实施方式中，一个或多个另外的传感器单元140被设置在轴110和(行星)架120的第二轴向侧，这些传感器单元具有与第二轴承的内圈的侧面接触的感测表面。在所示出的示例中，设置有三个另外的传感器单元140。
行星齿轮轴110被固定于行星架120的第二侧。对于每个行星齿轮轴110来说，在行星架中设置有第二凸缘部分127，由此架的第二凸缘127的轴向内(侧)表面在轴向上保持第二轴承的内圈。轴的第二侧(参见图2A)包括固定孔117，并且对应的固定孔例如被以穿过(/贯通)行星架的方式钻孔。一个或多个另外的传感器单元140中的每一个(另外的传感器单元)用的凹部被以穿过(行星)架的第二凸缘127的方式机加工(出来)，使得每个传感器单元的感测表面与支撑各行星齿轮107的轴承装置的第二内圈的侧面接触。所述另外的传感器单元可以与参照图2B描述的传感器单元相同，其中(whereby)该传感器安装在弹簧加载的滑动件上并且传感器壳体被相对于(行星)架的第二凸缘127弹簧加载。
有利的是，所述一个或多个另外的传感器单元由至少一个电池150供电，所述至少一个电池150被容纳在(位于带凸缘的轴110的第二侧处的)第二容腔117内。参照图2A，用于容纳至少一个电池的电池盒152可以被设置在位于第二轴向侧处的容腔117内，其中电池盒的一部分从轴部分111的轴向端面突出。适当的是，在行星架120中机加工出相应形状的孔，以使各另外的传感器单元140能够连接到电池盒152中的电源。在连接了另外的传感器单元140之后，可以将具有固定孔的盖板螺接到(行星)架的第二凸缘127上，其中螺丝延伸到行星齿轮轴110中的固定孔117内。
前面的详细说明已通过解释和图示的方式而被提供，并且不意在限制所附权利要求的范围。本文所示的当前优选的实施方式中的许多变型对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的，并仍在所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (12)

1.一种带凸缘的轴(110)，包括：轴部分(111)，其具有用于安装轴承装置的内圈的轴承座落部(113)；和形成一体的凸缘部分(112)，其位于所述轴的第一侧，该凸缘部分(112)具有用于轴向保持所述内圈的轴向内表面(114)，其中所述带凸缘的轴被仪表化有一个或多个传感器单元(130)，各传感器单元均具有由设置有一个或多个传感器的至少一个接触板的轴向内表面形成的测量表面(132)，以用于在使用期间监测所述轴承装置的一个或多个运行参数，
其特征在于，
所述一个或多个传感器单元(130)中的每一者均设置在穿过所述凸缘部分(112)地延伸的相应的凹部内，使得所述测量表面(132)与所述凸缘部分(112)的轴向内表面(114)齐平或者所述测量表面(132)略微突出超过所述凸缘部分(112)的轴向内表面(114)。
2.根据权利要求1所述的带凸缘的轴，其特征在于，还包括设置在所述带凸缘的轴的位于第一侧的轴向外表面中的容腔(115)，其中一个或多个电池(150)设置在所述容腔内并且电连接到各传感器单元(130)。
3.根据权利要求1或2所述的带凸缘的轴，其特征在于，所述传感器单元(130)中的至少一者被布置在在所述凸缘部分(112)的外周处设置的狭槽内。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的带凸缘的轴，其特征在于，各传感器单元的接触板被弹簧安装于所述传感器单元的壳体(131)，使得所述测量表面(132)能够相对于所述壳体沿轴向移位。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的带凸缘的轴，其特征在于，各传感器单元(130)的壳体(131)被弹簧安装在相应的凹部内，使得所述壳体(131)能够相对于所述带凸缘的轴(110)沿轴向移位。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的带凸缘的轴，其特征在于，所述一个或多个传感器包括振动传感器、温度传感器、声发射传感器和应变传感器中的至少一者。
7.一种行星齿轮箱(100)，包括两个或更多个行星齿轮(107)，其中所述行星齿轮中的至少一者被安装在根据前述权利要求中的任一项所述的带凸缘的轴(110)上的轴承装置转动地支撑，其中在所述轴承装置的第一侧，所述轴承装置的第一内圈被所述轴(110)的凸缘部分(112)轴向保持并且与至少一个传感器单元(130)的感测表面(132)接触。
8.根据权利要求7所述的行星齿轮箱，其特征在于，还包括具有第一侧和第二侧的行星架(120)，其中所述带凸缘的轴的凸缘部分(112)布置在所述行星架的第一侧；轴部分(111)固定于所述行星架的第二侧；并且所述行星架在第二侧具有在轴向上保持所述轴承装置的第二内圈的凸缘部分(127)。
9.根据权利要求8所述的行星齿轮箱，其特征在于，包括至少一个另外的传感器单元(140)，所述至少一个另外的传感器单元(140)布置在穿过所述行星架的凸缘部分(127)地延伸的凹部内，使得所述另外的传感器单元的感测表面与所述轴承装置的第二内圈接触。
10.根据权利要求9所述的行星齿轮箱，其特征在于，第二容腔(117)被设置在所述轴部分(111)的端面中、位于所述带凸缘的轴(110)的第二侧处，其中一个或多个电池(150)被容纳在所述第二容腔内并与所述至少一个另外的传感器单元(140)电连接。
11.根据权利要求10所述的行星齿轮箱，其特征在于，在所述第二容腔(117)的位置处，所述行星架(120)包括能够进入所述第二容腔(117)的开口。
12.一种风力涡轮机，包括根据权利要求7至11中的任一项所述的行星齿轮箱。
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