CN109990000A - 具有集成的载荷检测的滚子 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴承的传感化的滚子(10)，传感化的滚子具有沿滚子的轴向延伸的中空圆柱形孔(15)，传感器模块(20)被容纳在孔内。传感器模块配备有一个或多个变形传感器，用于检测因作用在滚子上的径向载荷而引起的滚子孔的变形。传感器模块包括刚性壳体(30)，刚性壳体的形状被设计成嵌合在滚子孔内并以在壳体的外圆柱表面与孔的内圆柱表面之间有小的径向游隙安装于滚子孔。此外，所述一个或多个变形传感器中的每一者由接近传感器(25a、26a、27a)形成，接近传感器被容纳在壳体的外圆柱表面处，使得接近传感器的传感元件面对滚子孔的内圆柱表面并测量它们之间的径向间隙，该径向间隙表示孔变形。

Description

具有集成的载荷检测的滚子
技术领域
本发明涉及滚动轴承中的载荷检测的领域，尤其涉及这样一种轴承滚子，其具有中空孔，一个或多个传感器被配置在中空孔内，以用于检测滚子孔因作用在轴承上的径向载荷而导致的变形。
背景技术
由WO 2016/016054已知这种轴承滚子的示例。公开了一种用于检测作用在滚子上的径向载荷的装置。该装置包括载荷感测器件(load cell)，载荷感测器件跨越(span)滚子孔直径并与孔表面的直径相对部分(/在直径上相对的部分)固定接触。当滚子被在径向上施加载荷时，中空孔的圆形截面变形成椭圆形。在载荷状态下，载荷平面保持不变(same)，但是在滚子转动期间，载荷感测器件的接触位置在该平面内旋转。结果，接触位置不仅经历相对于彼此的径向移位，而且还有横向移位。该效应有时被称为咀嚼效应(chewingeffect)。载荷感测器件包括弯曲的梁和铰链装置，并且被设计成使得通过载荷感测器件的弹性变形，接触位置与孔表面一起移动，以承受(/吸收)(take up)与咀嚼效应相关联的运动。
在US 9127649中公开了传感化的轴承滚子的另一示例。该滚子配备有检测轴承滚子的物理状态的传感器，该传感器附接于限定出容腔的滚子孔的内表面。来自传感器的信号被处理部分接收，处理部分处理检测信号并将其传输到轴承外部的接收器。处理部分设置在被容纳在孔容腔内的基板上，其中基板保持材料介于传感器与基板之间。保持材料可以是弹性体材料，其以液态倒入孔容腔中然后固化。由于上面提到的滚子孔内部的咀嚼运动，存在以下风险：弹性体材料将变得从孔的内表面脱离，这将导致在传感器元件与处理电子器件之间的电连接上产生应变(/拉紧)(strain)(如果未破裂的话)。
仍存在改进的余地。
发明内容
本发明限定了一种滚子轴承的滚子，该滚子具有沿滚子的轴向延伸的中空圆柱形孔，由此包括了用于检测滚子孔因作用在滚子上的径向载荷而变形的一个或多个传感器的传感器模块被配置在滚子孔内。传感器模块包括刚性(的)壳体，刚性壳体的形状被设计成嵌合在滚子孔内并以在壳体的外圆柱(形)表面与滚子孔的内圆柱(形)表面之间有小的径向游隙(clearance)安装于滚子孔。根据本发明，至少一个接近传感器被容纳在壳体的外圆柱表面处，使得接近传感器的传感元件面对滚子孔的内圆柱表面并测量它们之间的径向间隙。
壳体将至少一个接近传感器支撑在滚子孔内，从而使得能够在径向载荷下直接地和无接触地测量孔变形(这在内孔表面与至少一个接近传感器的传感元件之间的径向间隙中产生变化)。适当地，壳体在径向上借助于配置在滚子孔与壳体外表面之间的环形间隙中的第一弹性元件和第二弹性元件而被定位在孔内。弹性元件承受孔的径向变形并防止孔表面与壳体外表面之间的接触。结果，传感器模块整体对(与滚子孔接触或附接于孔的)传统的传感器构造所经历的咀嚼运动不敏感。
在一个实施方式中，传感器模块包括一对接近传感器，该一对接近传感器围绕传感器模块的中心轴线彼此直径(/在直径上)(diametrically)相对地布置。当传感器模块的中心轴线与滚子孔的中心轴线完全对齐时，所测量的接近传感器与滚子孔的内圆柱表面之间的径向间隙的变化与该位置处的孔半径(或孔直径)的变化对应。于是单个接近传感器就足够了。在实际中，在孔轴线与传感器模块轴线之间很可能存在轻微的径向偏移(offset)。来自单个接近传感器的测量将包含该偏移。在两个直径相对的传感器的情况下，一个传感器将测量出正偏移，而另一个传感器将测量出负偏移，从而使所述偏移能够被抵消。实际上，当孔在径向载荷下变形时，传感器对(pair)测量出滚子孔的直径变化。在动态载荷的状况下(其中传感器模块与滚子一起绕着滚子轴线旋转)，由于滚子孔在径向载荷下呈(adopt)大致椭圆形变形形状，因此传感器信号中的最大峰值和最小峰值被检测到。适当地，来自两个传感器信号的最大峰值和最小峰值的差分测量被用于计算作用在滚子上的载荷。
在另一实施方式中，传感器模块包括两对或更多对直径相对的接近传感器，其中传感器对在轴向上相对于彼此间隔开。这允许测量在轴承运行期间作用在滚子上的径向载荷的分布。如果在滚子的轴向外侧处测量的径向载荷高于在轴向中心区域中测量的径向载荷，则这可能表示不对齐(/不对中)或过度的热膨胀，这可能对轴承寿命有不利的影响。
各传感器对中使用的接近传感器可以是电容传感器、电感传感器或光学传感器，诸如法布里-珀罗光纤传感器。滚子在存在润滑剂的环境中运行。如果例如脂要变得介于孔表面与传感元件之间，则电容传感器或光学传感器的测量精度可能会受损(/受到连累)(compromised)。因此，在有利的实施方式中，传感器模块的壳体通过(包围(enclose)壳体外表面与滚子孔之间的环形间隙的)密封元件而在壳体的第一轴向端和第二轴向端处安装于滚子孔。密封元件排斥(exclude)润滑剂和其它污染物的进入，以保护接近传感器的精确功能。
在仍然(nevertheless)可能发生润滑剂或其它污染物的进入的应用中，优选使用电感(式)传感器，因为这种传感器对在传感元件与滚子孔表面之间存在例如脂不太敏感。在优选的实施方式中，接近传感器包括电感线圈(/感应线圈)，适当地是圆形电感线圈，其安装于壳体以使得面对滚子孔。壳体例如可以包括被在其外表面中机加工出的座(seat)，圆形线圈被容纳在其(/座)内。适当地，所述座还具有孔隙(aperture)，以使线圈能够连接到例如被容纳在壳体内的PCB上的微控制器或电感数字转换器(IDC)。作为另一种选择，线圈可以形成PCB安装式(/安装在PCB上)(PCB-mounted)的电感传感器的一部分，其(/线圈)配置在壳体的外表面。
适当地，传感器模块还包括用于处理来自各接近传感器的信号并将处理结果无线传输到外部接收器的电子器件。电子器件可以包括处理器和天线，它们也位于壳体内的PCB上，以使得免受脂和其它污染物(影响)。能量源(诸如电池或电力收集装置)也位于壳体内。如此，传感器模块是能够容易地安装在滚子的中空孔内的自持单元。
附图说明
现将参照附图更详细地说明本发明。
图1示出了可以配备有根据本发明的滚子的滚子轴承的局部截面图；
图2a示出了具有滚子孔的滚子和根据本发明的传感器模块的示例在插入滚子孔内之前的立体图；
图2b示出了图2a的传感器模块的立体图，其中其壳体的部分被移除以显露出下面的组成部件。
具体实施方式
图1中示出了适用于支撑风力涡轮机的主轴的轴承的示例。所述轴承必须禁受(withstand)高的轴向载荷和径向载荷，并且被实施为双列圆锥滚子轴承。轴承包括外圈1，外圈1设置有圆锥滚子的第一列4和第二列5用的锥形的第一外滚道和第二外滚道。所述轴承还包括第一内圈2和第二内圈3，第一内圈2和第二内圈3分别设置有第一滚子列4和第二滚子列5用的锥形的第一内滚道和第二内滚道。另外，第一保持架6和第二保持架7被设置用于分别保持第一滚子列和第二滚子列的滚子。通常，保持架由在周向上彼此邻接(/抵接)的分段(segments)形成。
为了提供必要的刚度和确保长的使用寿命，轴承被预紧(preloaded)。内圈2、3相对于外圈1的轴向位置被设定为使得第一滚子列4和第二滚子列5具有负的内游隙(internal clearance)。然后将第一内圈和第二内圈(用)螺栓连接在一起或以其它方式轴向夹紧，以在轴承的(整个)使用寿命期内保持预紧。然而，在实际中，预紧随时间逐渐减小。如果预紧失去(lost)并且滚子上的径向载荷变为零，则其(/滚子)将能够朝向内滚道与外滚道之间的径向间隙(gap)的小直径侧移动，可能导致过度的(excessive)载荷，这将使轴承的使用寿命减少。由于主轴轴承是风力涡轮机的关键且昂贵的组成部件，因此检测轴承是否失去预紧是重要的。能够测量作用在轴承上的径向载荷并表征(characterize)轴承的载荷区的角度范围也是有益的。这样做的一个方式是测量作用在单个滚子上的径向载荷。在图示的轴承中，第一滚子列4和第二滚子列5中的任一者中的实心(solid)圆锥滚子中的至少一个被替换为传感化的滚子(sensorized roller)。
传感化的滚子具有中空圆柱(形)孔，传感器模块被插入所述孔内。图2a示出了在将传感器模块20插入滚子孔15内之前这种滚子10的示例的立体图。在图2b中示出了传感器模块的立体图，其中若干部分已被移除以显露出下面的组成部件。
传感器模块20包括由刚性材料制成的壳体30，壳体30的形状被设计为以小的径向游隙嵌合(/配合)在滚子孔内。孔15呈圆柱形形状并延伸贯穿滚子的整个轴向长度。壳体具有主圆柱(形)主体，其直径小于孔(的)直径，并且其尺寸被设计成被包含在滚子的尺寸内。传感器模块20在径向上通过第一弹性(resilient)密封元件37和第二弹性密封元件38而相对于圆柱形孔15定位，第一弹性密封元件37和第二弹性密封元件38配置在孔的径向内表面与壳体30的径向外表面之间。在图示的示例中使用O形圈。壳体在轴向上通过第一端帽33和第二端帽34而定位在滚子孔15内，第一端帽33和第二端帽34具有主圆柱形部分，该主圆柱形部分在任一轴向端嵌合(/配合)(fits over)在壳体30的主圆柱形主体上。各端帽还具有凸缘部分35，凸缘部分35的直径大于主圆柱形部分(的直径)，其(/凸缘部分)在组装之后抵靠被(机)加工于滚子10的各轴向端面中的凹入区域17。因此，传感器模块的壳体30被相对于滚子孔15精确地定位。凹入区域17的深度至少等于凸缘部分35的厚度，使得传感器模块(的)壳体不突出于滚子外部。
当径向载荷作用在滚子10上时，滚子孔15的圆形截面变形为椭圆形，导致孔(的)直径变化。为了测量在中心轴向位置处的这种变化，传感器模块配备有第一对接近传感器25a、25b，其(/接近传感器25a、25b)被容纳在壳体30的外表面的直径(/在直径上的)(diametrically)相对侧。接近传感器的传感元件被配置成以小的径向间隙(例如为1.2mm)面对滚子孔15的径向内表面并检测径向间隙的变化。将传感器25a、25b配置成直径相对的对(pairs)是有利的，因为这在传感器模块的中心轴线不与滚子孔的中心轴线完全同轴的情况下改善了精度。在孔的直径相对侧测量出的径向间隙的变化构成了差分测量(differential measurement)，该差分测量抵消了(cancels out)两个轴线之间的任何径向偏移。
在图示的示例中，各接近传感器是电感(式)传感器，由此传感元件是配置在座中的圆形线圈，其中所述座被(机)加工于壳体(的)外表面中。圆形线圈使传感器的Q因子最大化，然而其它线圈的形状也是可行的。优选的是，线圈直径在滚子孔的尺寸和线圈所座落于的传感器模块壳体30的尺寸的约束之内尽可能的大。已经发现，直径为8-13mm的电感线圈为所讨论的应用提供了足够的分辨率和测量精度。
各电感传感器25a、25b的线圈连接到LC振荡电路(LC tank circuit)中的电容器，该振荡电路被以谐振(resonance)驱动，以使得在线圈中产生高频磁场。这在滚子孔的面对表面中感应(出)涡流，这产生与线圈的主磁场(primary field)相对的次级磁场(secondary magnetic field)，导致跟线圈与孔表面之间的径向间隙成比例的振荡谐振频率(tank resonant frequency)有明显的转移(shift)。检测该转移以便测量径向间隙的变化，从而测量(出)因变形引起的孔直径的变化。然后，当滚子和传感器模块在轴承运行期间旋转时，由测量的变形中的最大峰值和最小峰值导出在第一传感器对25a、25b的位置处的滚子上的径向载荷。在图示的示例中，传感器模块20还配备有第二对电感传感器26a、26b和第三对电感传感器27a、27b，其与第一传感器对25a、25b轴向间隔开以使得能够沿着滚子的长度确定载荷分布。在正常运行的状况下，在轴向中心位置处的径向载荷应略高于在滚子的边缘处的载荷。如果在边缘中的一个处计算出较高的载荷，则这表示异常状况，例如不对中，这可能需要维护。
与各电感传感器25a、25b、26a、26b、27a、27b相关联的电子器件被适当地包含在安装在PCB 40上的一个或多个微控制器41或电感数字转换器(IDC)内。在图示的示例中，与一个传感器对相关联的两个圆形线圈连接到单个微控制器/IDC，尽管(根据微控制器/IDC的输入通道的数量)所连接的线圈的数量可以更高。
传感器模块20还包括：处理器45，其用于由测量的孔径变化计算出滚子上的径向载荷；和天线47，其用于将处理结果传送到位于轴承外部的接收器。处理器45和天线47也被配置在PCB 40上。传感器模块还配备有电池50，电池50用于为传感器和处理电子器件供电。传感器模块还可以配备(成)用于由滚子的旋转来产生其自身的电力。
配置在壳体30上的电感传感器使得能够以无接触的方式测量滚子孔15的变形。如上面所提到的，壳体30经由第一密封元件和第二密封元件安装于滚子孔15(参见图2a)。O形圈形式的密封元件由诸如为NBR的顺应材料(/柔顺材料)(compliant material)制成并且承受(take up)滚子孔15的变形，从而防止壳体30与孔进行接触。O形圈还使滚子孔15与环境密封，即保护传感器模块20的电气和电子组成部件(/器件)免于暴露于湿气(moisture)和污染物(诸如润滑剂)。壳体可以由塑料材料制成并且在径向上足够刚硬(stiff)，以确保壳体30的外表面不会沿着其整个长度与孔15接触。
有利的是，传感器模块20被构造成使得被容纳在模块内的组成部件可以被更换或维修。优选的是，壳体30由两个半圆柱形(的)半部形成，在传感器模块的各个组成部件被安装到一个壳体半部之后将这两个半圆形半部连接在一起。壳体半部可以经由设置在壳体半部的固定部分中的螺丝孔51而螺接在一起(参见图2b)。无需说明的是，可以应用其它的结合壳体半部的方式。
沿轴向定位壳体的第一端帽33和第二端帽34也易于安装和拆卸。在图示的示例中，螺纹部分36设置在各壳体半部的外表面上，位于壳体30的主圆柱形主体部分的两个轴向端处，它们匹配在一起以形成外螺纹。内螺纹设置在第一端帽33和第二端帽34上，它们螺接到壳体半部上。各端帽33、34可以设置有保持唇，保持唇接合在各壳体半部中的相应的缺口内，以防止端帽的松脱(unscrewing)。此外，各端帽的凸缘部分35的端面可以设置一个或多个孔35a或成形凹部，用于与能够用于将帽拧上和拧下的工具配合。
因此，传感器模块整体是一个易于安装和从滚子孔拆卸的自持单元(self-contained unit)。此外，传感器模块不会受到磨损，这是因为在孔与传感器模块壳体之间在径向上没有接触，这有利于传感器模块的长的使用寿命。

Claims (11)

1.一种轴承的传感化的滚子(10)，所述传感化的滚子包括沿所述滚子的轴向延伸的中空孔(15)，由此包括了用于检测所述滚子孔的因作用在所述滚子上的径向载荷而变形的一个或多个变形传感器的传感器模块(20)被配置在所述滚子孔内，其特征在于，
所述传感器模块(20)包括刚性壳体(30)，所述刚性壳体(30)的形状被设计成嵌合在所述滚子孔(15)内并以在所述壳体的外圆柱表面与所述滚子孔的内圆柱表面之间有小的径向游隙安装于所述滚子孔，其中，所述一个或多个变形传感器中的每一者被形成为接近传感器(25a、25b、26a、26b、27a、27b)，所述接近传感器被容纳在所述壳体(30)的外圆柱表面处，使得所述接近传感器的传感元件面对所述滚子孔(15)的径向内表面并测量它们之间的径向间隙。
2.根据权利要求1所述的传感化的滚子，其特征在于，所述传感器模块的壳体(30)另外容纳有：处理器(45)，其用于计算作用在所述滚子(10)上的径向载荷；天线(47)，其用于无线传输所计算出的径向载荷；和能量源(50)，其用于向所述处理器、所述天线和各接近传感器提供电能。
3.根据权利要求2所述的传感化的滚子，其特征在于，所述传感器模块(20)包括至少一对第一接近传感器和第二接近传感器(25a、25b；26a、26b；27a、27b)，它们围绕所述传感器模块的中心轴线彼此在直径上相对地配置，所述处理器(45)基于由所述传感器对的各接近传感器测量的径向间隙来计算作用在所述滚子(10)上的径向载荷。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的传感化的滚子，其特征在于，各接近传感器由电容传感器、光学传感器和电感传感器中的一者形成。
5.根据权利要求4所述的传感化的滚子，其特征在于，各接近传感器(25a、25b；26a、26b；27a、27b)是电感传感器并且包括配置在所述传感器模块的壳体(30)的外表面处的圆形线圈。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的传感化的滚子，其特征在于，所述传感器模块(20)在径向上通过轴向间隔开的第一弹性元件和第二弹性元件(37、38)被支撑在所述滚子孔(15)内，所述第一弹性元件和第二弹性元件由顺应材料制成，其承受前述变形并防止所述孔与所述壳体(30)的外表面之间的接触。
7.根据权利要求6所述的传感化的滚子，其特征在于，所述第一弹性元件和第二弹性元件(37、38)是环形元件，其完全包围和密封所述滚子孔(15)与所述壳体(30)的外表面之间的环形间隙。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的传感化的滚子，其特征在于，所述传感器模块的壳体(30)包括第一端帽和第二端帽(33、34)，所述第一端帽和第二端帽具有凸缘部分(35)，所述凸缘部分(35)抵靠设置在所述滚子(10)的相应的第一端面和第二端面中的凹部(17)，以使得使所述传感器模块(20)相对于所述滚子孔(15)轴向定位。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的传感化的滚子，其特征在于，所述壳体(30)包括两个结合在一起的半圆柱形壳体部分。
10.根据权利要求9在引用权利要求8时所述的传感化的滚子，其特征在于，所述半圆柱形壳体部分的第一轴向端和第二轴向端设置有外螺纹(36)，所述第一端帽和第二端帽(33、34)设置有配合的内螺纹。
11.一种轴承，包括根据前述权利要求中的任一项所述的传感化的滚子(10)。
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