CN110332231B - 一种可主动调节温度和预紧力的轴承组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可主动调节温度和预紧力的轴承组，该轴承组包括固定环、压电作动器、预紧柱、力传感器、至少两个轴承、挡环、轴承套、限位螺柱、限位环、无线温度传感器和两个预紧环；所述无线温度传感器、限位环和至少两个轴承安装在外围装置的转轴上，挡环和两个预紧环套装在限位环上，挡环上安装有至少三个力传感器；所述轴承套套装在所有轴承及无线温度传感器外，轴承套内填充有用于降温的冷却液；所述固定环套装在轴承套外表面上；所述预紧柱的一端依次贯穿固定环和轴承套插装在两个预紧环之间，预紧柱的另一端安装有压电作动器；在压电作动器外固定有限位螺柱。该轴承组在监测温度和预紧力的同时，可以对温度和预紧力进行主动调节。

Description

一种可主动调节温度和预紧力的轴承组
技术领域
本发明涉及机械工程领域，具体是一种可主动调节温度和预紧力的轴承组。
背景技术
轴承是高精密装置转动的重要部件，轴承的平稳运转决定了高精密装置的精度、负载能力和使用寿命等性能。随着制造业发展，对精密传动装置的工作要求越来越高，传统轴承已经无法满足使用需求。而为满足高转速、高刚度及高承载能力等工况要求，通常将多个轴承组合使用。
申请号为201821342686.2的中国专利公开了一种带有无线传感器的智能轴承，该智能轴承的温度感应装置及振动传感装置依次设置在轴承外圈开设的让位孔内，用于检测轴承运转过程中轴承内外圈之间转动体的温升及检测轴承的振动频率；但该智能轴承需要对轴承本体进行改变将影响到轴承结构的应力和变形，进而影响轴承的承载能力，且只能监测转动体的温升，无法对智能轴承的温度进行主动调节。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种可主动调节温度和预紧力的轴承组，该轴承组在监测温度和预紧力的同时，可以对温度和预紧力进行主动调节。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：
一种可主动调节温度和预紧力的轴承组，该轴承组包括固定环、压电作动器、预紧柱、力传感器、至少两个轴承、挡环、轴承套、限位螺柱、限位环、无线温度传感器和两个预紧环；
所述无线温度传感器、限位环和至少两个轴承安装在外围装置的转轴上，无线温度传感器位于最外侧的轴承外的转轴上，无线温度传感器的检测端与紧挨的轴承的内圈接触；限位环位于相邻两个轴承之间且同时与相邻两个轴承的内圈接触；挡环和两个预紧环套装在限位环上，挡环上安装有至少三个力传感器；两个预紧环之间组成预紧柱安装槽；
所述轴承套套装在所有轴承及无线温度传感器外，轴承套内填充有用于降温的冷却液；所述固定环套装在轴承套外表面上；所述预紧柱的一端依次贯穿固定环和轴承套插装在两个预紧环之间的预紧柱安装槽，预紧柱的另一端安装有压电作动器；预紧柱的数量与力传感器的数量相同，压电作动器沿固定环的径向固定在固定环内，压电作动器处于最大伸长量时的长度小于固定环内外半径之差；每个压电作动器分别通过导线与压电陶瓷驱动器相连，压电陶瓷驱动器与外接电源相连；在压电作动器外固定有限位螺柱。
每个预紧环外表面上具有至少三个呈圆周阵列排布的缺口，两个预紧环相应的缺口之间形成V型槽；所述预紧柱的一端具有楔形头，楔形头与V型槽相配合。
所述固定环的圆周面上开有多个呈圆周阵列排布的安装槽，固定环的径向上开有与槽口数量一致的呈圆周阵列排布的安装孔，每个安装孔与相应槽口相通，安装孔内安装限位螺柱。
所述轴承组还包括多个温度传感器，多个温度传感器呈圆周阵列安装在轴承套上。
所述轴承套包括轴承套端盖、轴承套组件一和轴承套组件二；所述轴承套组件一套在所有轴承的外圈上，轴承组的所有轴承及无线温度传感器均包裹在轴承套组件一内，同时轴承套组件一与外围装置固定安装；所述轴承套组件一的圆周侧面上具有呈螺旋形排布的冷却水槽；所述轴承套组件二套在轴承套组件一上，且轴承套组件二的长度能够覆盖轴承组件一上的冷却水槽所在区域，轴承套组件二和轴承套组件一的一端通过轴肩固定，另一端通过轴承套端盖及螺钉密封固定，轴承套端盖与转轴之间存在间隙。
所述轴承套组件二上具有多个用于将该轴承组安装在外围装置上的螺孔；冷却水槽与轴承套组件二形成的封闭空间共同形成冷却管道，冷却管道进口连接外部冷却液供给端，冷却管道出口连接外部冷却液回收端。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过无线温度传感器监测轴承内圈的温度，可以监测轴承的工作状态；通过布置在轴承套组件二上的温度传感器监测整个轴承的温升，通过调节冷却液的温度实现对整个轴承的温度控制；通过多个力传感器可以实时监测轴承的预紧力，通过调节压电作动器可以实现对轴承预紧力的精准调节；该轴承组不仅具有温度和预紧力的调节功能，还具有温度和预紧力的监测功能。
(2)本申请预紧柱的一端具有楔形头，预紧环上具有多个缺口，预紧柱的楔形头插装在两个预紧环相应缺口之间形成的V型槽内，实现了预紧柱与预紧环的精准配合，使施加给轴承的预紧力更加可靠。
(3)本发明在相邻两个轴承之间呈圆周均匀安装有多个预紧力调节装置，使施加给轴承的预紧力更加均匀。
附图说明
图1为本发明使用状态沿转轴轴向的剖视图；
图2为本发明的使用状态图；
图3为本发明预紧柱与预紧环的连接示意图；
图4为本发明固定环的结构示意图；
图5为本发明预紧环的结构示意图；
图6为本发明预紧柱的结构示意图；
图7为本发明挡环的结构示意图；
图中：1、固定环；2、压电作动器；3、预紧柱；4、力传感器；5、轴承；6、挡环；7、轴承套；8、限位螺柱；9、限位环；10、温度传感器；11、无线温度传感器；12、预紧环；13、转轴；
1-1、安装槽；1-2、安装孔；3-1、楔形头；3-2、螺纹孔；6-1、凹槽；7-1、轴承套端盖；7-2、轴承套组件一；7-3、轴承套组件二；12-1、缺口。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种可主动调节温度和预紧力的轴承组(参见图1-7)，该轴承组包括固定环1、压电作动器2、预紧柱3、力传感器4、轴承5、挡环6、轴承套7、限位螺柱8、限位环9、无线温度传感器11和两个预紧环12；
所述轴承5至少有两个，所有轴承5安装在外围装置的转轴13上；所述限位环9安装在外围装置的转轴13上且与转轴13之间为过盈配合，两者能够一起转动，限位环9位于任意两个相邻轴承5之间且同时顶紧两个轴承5的内圈，对多个轴承5的内圈进行限位；所述两个预紧环12紧挨着套在限位环9外表面上，均与限位环9之间存在间隙，确保限位环9能够转动而预紧环12不会发生转动；两个预紧环12均可以沿轴向来回移动，一个预紧环12的一侧端面与相邻轴承5的外圈接触；每个预紧环12上具有至少三个呈圆周阵列排布的缺口12-1，两个预紧环12对应的缺口12-1之间形成V型槽，V型槽用于对预紧柱3进行限位；所述挡环6套装在限位环9上，挡环6的一侧端面与相邻轴承5的外圈接触，挡环6与限位环9之间为间隙配合，使挡环不随限位环9转动；所述挡环6的另一侧端面上具有多个呈圆周阵列排布的用于安装力传感器4的凹槽6-1，其数量与预紧环12上缺口12-1的数量相适应，安装有力传感器4的挡环端面紧挨另一个预紧环12的端面；每个凹槽6-1内安装有力传感器4，每个力传感器4的一侧均与另一个预紧环12的一侧接触，通过挤压力传感器4即可测量施加给轴承外圈的预紧力，多个力传感器4共同承受轴承预紧力比单个力传感器4承受更大的预紧力，每个力传感器4通过导线与外接电源相连；本发明通过挡环6、两个预紧环12和多个力传感器4共同对轴承的外圈进行轴向限位；
所述无线温度传感器11安装在外围装置的转轴13上且位于靠近转轴13端部的轴承5的一侧，无线温度传感器11的检测端与相应轴承5的内圈接触，用于测量轴承内圈的温度；由于轴承内圈温度可以较为敏感地反应轴承工况的改变，可以及时反映轴承的工作状态，因而通过测量轴承内圈的温度可以监测轴承的工作状态；所述无线温度传感器11采用无线电磁供电；
所述轴承套7包括轴承套端盖7-1、轴承套组件一7-2和轴承套组件二7-3；所述轴承套组件一7-2套在所有轴承5的外圈上，轴承组的所有轴承及无线温度传感器11均包裹在轴承套组件一7-2内，同时轴承套组件一7-2与外围装置安装固定；所述轴承套组件一7-2的圆周侧面上具有呈螺旋形排布的冷却水槽；所述轴承套组件二7-3套在轴承套组件一7-2上，且轴承套组件二的长度能够覆盖轴承组件一上的冷却水槽所在区域，轴承套组件二7-3的一端卡在轴承套组件一7-2的轴肩处，轴承套组件二7-3上具有多个用于将该轴承组安装在外围装置上的螺孔；冷却水槽与轴承套组件二7-3形成的封闭空间共同形成冷却管道，冷却管道内填充有用于对轴承组进行降温的冷却液，冷却管道进口连接外部冷却液供给端，冷却管道出口连接外部冷却液回收端；轴承套组件二7-3和轴承套组件一7-2一端通过轴肩固定，另一端通过轴承套端盖7-1及螺钉密封固定，轴承套端盖穿过外围装置的转轴13，轴承套端盖7-1与转轴13之间存在间隙，轴承套整体不与转轴一起转动，保证转轴13能够转动；
所述预紧柱3有多个，其数量与预紧环12上缺口12-1的数量相适应，每个预紧柱3的一端具有与预紧环12上的缺口12-1相匹配的楔形头3-1，另一端具有用于安装压电作动器2的螺纹孔3-2；每个预紧柱3的楔形头3-1贯穿轴承套组件一7-2和轴承套组件二7-3插装在两个预紧环12相应缺口12-1之间形成的V型槽内，每个预紧柱3具有螺纹孔3-2的一端均露在轴承套组件二7-3外；
所述固定环1套在轴承套组件二7-3上，与轴承套组件二7-3形成过盈配合；所述固定环1的圆周面上开有多个呈圆周阵列排布的安装槽1-1，其数量与预紧柱3数量相同，安装槽1-1用于安装压电作动器2；所述安装槽1-1在固定环1径向上的槽口长度大于压电作动器处于最大伸长量时的长度，为压电作动器2的伸长或缩短提供空间；所述固定环1的外圆周侧面上具有与安装槽1-1数量一致的呈圆周阵列排布的安装孔1-2，安装孔1-2与相应的安装槽1-1相通，安装孔1-2用于安装限位螺柱8；
每个压电作动器2安装在相应预紧柱3的有螺纹孔的一端，且嵌在固定环1相应的安装槽1-1内，压电作动器2与预紧柱3之间为螺纹连接，压电作动器2的数量与预紧柱3的数量相同；每个压电作动器2分别通过导线与压电陶瓷驱动器(图中未画出)上相应的接口相连，压电陶瓷驱动器通过导线与外接电源相连，压电陶瓷驱动器驱动压电作动器2伸长或缩短进而实现相应预紧柱3在径向上的来回移动；压电作动器2、预紧柱3、两个预紧环12和限位环9共同组成预紧力调节装置；
每个限位螺柱8安装在固定环1相应的安装孔1-2内，限位螺柱8的数量与压电作动器2的数量相同，初始安装时每个限位螺柱8的一端顶着相应的压电作动器2，对压电作动器2进行径向限位。
所述轴承组还包括多个温度传感器10，多个温度传感器10呈圆周阵列安装在轴承套组件二7-3上，每个温度传感器10的检测端均与轴承套组件二7-3的外表面接触，用于监测轴承套7的温升，多个温度传感器10分别与外接电源相连；多个温度传感器10测得的温度求平均值，某一时刻与初始时刻的平均值之差即为温升数据，温升过大会导致轴承套7变形过大，从而影响轴承的精度；若温度过高则可以通过降低冷却液的温度使轴承套7降温从而保证轴承正常工作；通过多个温度传感器10测得的温升可以对冷却液的温度进行精准调节，当测得的温升(大于2℃)较大，可以将冷却液的温度降得更低；当测得的温升较小(小于2℃)，可以适当提高冷却液的温度，避免能源浪费，节约成本，从而保证轴承组始终工作在最佳的温度范围内，即始终在初始温度左右进行工作。
所述压电陶瓷驱动器属于现有技术，可以输出一定范围的电压值，用来控制压电作动器2的输入电压从而使压电作动器2伸长或缩短；当压电陶瓷驱动器的输出电压增大时，压电作动器2伸长；当压电陶瓷驱动器的输出电压减小时，压电作动器2缩短；压电陶瓷驱动器的型号为RII14。
所述压电作动器2属于现有技术，通过逆压电效应将电能转化为机械能，能够伸长或缩短，其型号为RP150/10×10/30。
所述无线温度传感器11属于现有技术，采用文献《滚动轴承内圈温度无线监测技术》中记载的无线监测技术实现轴承内圈的温度测量；所述温度传感器10采用有线温度传感器，其型号为PT100；所述力传感器4的型号为AT8101。
优选地，该轴承组包含2-4个轴承。
本发明的工作原理和工作流程是：
将该轴承组安装在外围装置上，在外围装置的转轴13工作之前，启动所有力传感器4，然后调节限位螺柱8使限位螺柱8顶着相应压电作动器2向着预紧环12的方向移动，从而带动预紧柱3向着预紧环12的方向移动，此时压电作动器2不伸缩(无电压)；当每个力传感器4测得的力为10N时，预紧柱3的楔形头3-1与两个预紧环12上相应缺口12-1之间形成的V型槽刚好完全配合，此时停止调节限位螺柱8并将限位螺柱8固定在此位置；每个限位螺柱8都按上述步骤进行调节，使两个预紧环12之间的轴向间隙在圆周的任意位置都相同，至此完成轴承组的初始位置调节；开启多个温度传感器10，测量得到转轴13工作之前轴承套的初始温度；
然后启动压电陶瓷驱动器，增大压电陶瓷驱动器的输出电压，使每个压电作动器2伸长，从而带动相应的预紧柱3继续向着预紧环12的方向移动，楔形头3-1施加给两个预紧环12的力逐渐增大使两个预紧环12在轴向上移动，两个预紧环12之间的轴向间隙增大，挤压力传感器4使一个预紧环12和挡环6分别顶着相应轴承的外圈在轴向上移动使轴承内外圈对滚子的挤压力增大，从而增加轴承预紧力以消除轴承的游隙，与此同时力传感器4对预紧力进行测量；当力传感器4测量到的预紧力达到最佳预紧力时，停止增大压电陶瓷驱动器的输出电压并使压电陶瓷驱动器保持该输出电压；
启动外围装置使转轴13转动，当力传感器4测量到的预紧力大于最佳预紧力时，调节压电陶瓷驱动器，使其输出电压减小，压电作动器2缩短，带动预紧柱3背着预紧环12方向移动，楔形头3-1施加给两个预紧环12的力减小使两个预紧环12之间的轴向间隙减小，使轴承内外圈对滚子的挤压力减小，从而减小轴承的预紧力，使轴承之间的预紧力达到最佳预紧力；当力传感器4测量到的预紧力小于最佳预紧力时，采用上述增加预紧力方法使轴承的预紧力达到最佳预紧力；
与此同时无线温度传感器11和多个温度传感器10也同时工作，分别用于测量轴承内圈的温度和轴承套的温度；当无线温度传感器11测得的温度在短时间内发生突变，则说明轴承的工况发生改变，外围装置需要停机检查，避免造成轴承失效；当温度传感器10测得的温升过大时，降低冷却液的温度，从而减小轴承套的形变，保证轴承的工作精度，可以根据温度传感器10测得的温升适当调节冷却液的温度。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种可主动调节温度和预紧力的轴承组，其特征在于，该轴承组包括固定环、压电作动器、预紧柱、力传感器、至少两个轴承、挡环、轴承套、限位螺柱、限位环、无线温度传感器和两个预紧环；
所述无线温度传感器、限位环和至少两个轴承安装在外围装置的转轴上，无线温度传感器位于最外侧的轴承外的转轴上，无线温度传感器的检测端与紧挨的轴承的内圈接触；限位环位于相邻两个轴承之间且同时与相邻两个轴承的内圈接触；挡环和两个预紧环套装在限位环上，挡环上安装有至少三个力传感器；两个预紧环之间组成预紧柱安装槽；
所述轴承套套装在所有轴承及无线温度传感器外，轴承套内填充有用于降温的冷却液；所述固定环套装在轴承套外表面上；所述预紧柱的一端依次贯穿固定环和轴承套插装在两个预紧环之间的预紧柱安装槽，预紧柱的另一端安装有压电作动器；预紧柱的数量与力传感器的数量相同，压电作动器沿固定环的径向固定在固定环内，压电作动器处于最大伸长量时的长度小于固定环内外半径之差；每个压电作动器分别通过导线与压电陶瓷驱动器相连，压电陶瓷驱动器与外接电源相连；在压电作动器外固定有限位螺柱；
所述轴承组还包括多个温度传感器，多个温度传感器呈圆周阵列安装在轴承套上；
每个预紧环外表面上具有至少三个呈圆周阵列排布的缺口，两个预紧环相应的缺口之间形成V型槽；所述预紧柱的一端具有楔形头，楔形头与V型槽相配合；
该轴承组根据力传感器实时测量的数据动态调节压电作动器的伸长量，进而调节预紧柱施加给两个预紧环的力，当力传感器测量到的预紧力达到最佳预紧力时，停止增大压电陶瓷驱动器的输出电压并使压电陶瓷驱动器保持该输出电压，使轴承始终在最佳预紧力下工作。
2.根据权利要求1所述的轴承组，其特征在于，所述固定环的圆周面上开有多个呈圆周阵列排布的安装槽，固定环的径向上开有与槽口数量一致的呈圆周阵列排布的安装孔，每个安装孔与相应槽口相通，安装孔内安装限位螺柱。
3.根据权利要求1所述的轴承组，其特征在于，所述轴承套包括轴承套端盖、轴承套组件一和轴承套组件二；所述轴承套组件一套在所有轴承的外圈上，轴承组的所有轴承及无线温度传感器均包裹在轴承套组件一内，同时轴承套组件一与外围装置固定安装；所述轴承套组件一的圆周侧面上具有呈螺旋形排布的冷却水槽；所述轴承套组件二套在轴承套组件一上，且轴承套组件二的长度能够覆盖轴承组件一上的冷却水槽所在区域，轴承套组件二和轴承套组件一的一端通过轴肩固定，另一端通过轴承套端盖及螺钉密封固定，轴承套端盖与转轴之间存在间隙。
4.根据权利要求3所述的轴承组，其特征在于，所述轴承套组件二上具有多个用于将该轴承组安装在外围装置上的螺孔；冷却水槽与轴承套组件二形成的封闭空间共同形成冷却管道，冷却管道进口连接外部冷却液供给端，冷却管道出口连接外部冷却液回收端。
5.根据权利要求1所述的轴承组，其特征在于，该轴承组的工作过程是：
1)将该轴承组安装在外围装置上，在外围装置的转轴工作之前，调节限位螺柱使限位螺柱顶着相应压电作动器向着预紧环的方向移动至预紧柱下端与预紧柱安装槽刚好完全匹配，停止调节限位螺柱并将限位螺柱固定在此位置；每个限位螺柱都按上述步骤进行调节，使两个预紧环之间的轴向间隙在圆周的任意位置都相同，至此完成轴承组的初始位置调节；
2)然后启动压电陶瓷驱动器，使每个压电作动器伸长，施加给两个预紧环的力逐渐增大使两个预紧环在轴向上移动，两个预紧环之间的轴向间隙增大，挤压力传感器使一个预紧环和挡环分别顶着相应轴承的外圈在轴向上移动使轴承内外圈对滚子的挤压力增大以消除轴承的游隙，与此同时力传感器对预紧力进行测量；当力传感器测量到的预紧力达到最佳预紧力时，停止增大压电陶瓷驱动器的输出电压并使压电陶瓷驱动器保持该输出电压；
3)启动外围装置使转轴转动，当力传感器测量到的预紧力大于最佳预紧力时，调节压电陶瓷驱动器，使其输出电压减小，压电作动器缩短，带动预紧柱背着预紧环方向移动，使轴承内外圈对滚子的挤压力减小，从而减小轴承的预紧力，使轴承之间的预紧力达到最佳预紧力；当力传感器测量到的预紧力小于最佳预紧力时，调节压电陶瓷驱动器增大电压使轴承的预紧力达到最佳预紧力；
4)转轴启动时无线温度传感器也工作，实时测量轴承内圈的温度；当无线温度传感器测得的温度在短时间内发生突变，则说明轴承的工况发生改变，外围装置需要停机检查。
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