CN111623983A - 一种滚动轴承换能装置及其应用 - Google Patents

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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such

Abstract

本发明涉及一种滚动轴承换能装置及其应用，属于轴承能量采集和故障诊断技术领域。本发明的滚动轴承换能装置，包括下轴承座、上轴承座、轴承外圈、滚动体和轴承内圈，以及压电片和绝缘层。压电片为分区极化的半圆柱壳形压电片，压电片上的每个极化区域之间彼此绝缘，绝缘层为半圆柱壳形，压电片和绝缘层从里到外固定在轴承内圈和下轴承座之间。本发明的滚动轴承换能装置能够有效的利用滚动轴承中滚动体运动产生的能量，并实现轴承的状态监测和诊断。

Description

一种滚动轴承换能装置及其应用
技术领域
本发明涉及一种滚动轴承换能装置及其应用，属于轴承能量采集和故障诊断技术领域。
背景技术
滚动轴承是旋转机械的主要支撑部件，其健康状态监测受到研究者们的广泛关注。传感器作为轴承结构在线监测系统的基础，其使用受到了电池使用寿命的限制。因此，采集轴承运动能量的，实现传感器自供能有着很迫切的需求。
当前轴承能量采集装置大多需要对轴承进行改造，会对轴承的工作状态和使用寿命产生不可忽略的影响。文献【Design,modeling and experimental verification ofcircular Halbach electromagnetic energy harvesting from bearing motion】中提出了一种滚动轴承能量采集装置，将线圈安装在轴承内圈上，在轴承端盖上均布磁铁，通过转动过程中线圈和磁铁产生的相对位移将机械能转化为电能，同时为轴承上的传感器供电。文献【A triboelectric rolling ball bearing with self-powering and self-sensingcapabilites】则利用塑料制作了塑料轴承，在轴承外圈上放置电极片，通过塑料滚珠和电极片的摩擦起电将机械能转换为电能，同时可以通过输出电流进行转速的监测。总体上来看，目前轴承能量采集装置需要对轴承的结构做比较大的改变，实用性不强。
根据轴承动力学理论，滚动轴承在工作过程中，轴承中的滚动体会产生转动，因此对轴承外圈会产生随时间变化的载荷，轴承外圈可以将该载荷传递到轴承座上。而且，当轴承产生故障时，滚动体在经过故障位置时，会产生较为规律的冲击载荷，同样会导致轴承座的载荷发生改变，因此对轴承座结构进行相应的改造，利用压电效应能够实现轴承能量采集和故障诊断。
发明内容
本发明的目的是提出一种滚动轴承换能装置及其应用，对轴承座的结构进行改造，利用压电效应，实现轴承能量的采集和故障诊断。
本发明提出的滚动轴承换能装置，包括下轴承座、上轴承座、轴承外圈、滚动体和轴承内圈，还包括压电片和绝缘层；所述的压电片为分区极化的半圆柱壳形压电片，压电片上的每个极化区域之间彼此绝缘，所述的绝缘层为半圆柱壳形，压电片和绝缘层从里到外固定在轴承内圈和下轴承座之间。
上述滚动轴承换能装置可以用于滚动轴承能量采集，滚动轴承能量采集过程如下：
(1)将分区极化的半圆柱壳形压电片和半圆柱壳形绝缘层从里到外固定在轴承内圈和下轴承座之间；
(2)滚动轴承在滚动过程中产生的动态载荷传递到压电片上，用导线使压电片上彼此绝缘的各极化区域与相应的整流芯片相连，使每一个极化区域的正负极的通过导线与整流芯片相连；
(3)使所有整流芯片与储能电容相连，滚动轴承经过压电片的每一个极化区域时，滚动轴承引起的载荷产生改变，实现能量采集。
上述滚动轴承换能装置还可以用于滚动轴承故障诊断，滚动轴承故障诊断的过程如下：
(1)将分区极化的半圆柱壳形压电片和半圆柱壳形绝缘层从里到外固定在轴承内圈和下轴承座之间；
(2)滚动轴承在工作过程中产生的动态载荷传递到压电片上，利用示波器测量并记录压电片产生的电压，
(3)当轴承产生故障时，会对压电片产生明显的冲击载荷，导致压电片输出电压产生突变，根据输出电压突变的形式可以判断轴承故障类型。
本发明提出的滚动轴承换能装置及其应用，其优点是：
本发明的滚动轴承换能装置，同时具备轴承故障的诊断能力和滚动轴承的能量采集能力装置，可以通过压电片的输出电压进行轴承健康状态监测和故障诊断。通过比较不同极化区域的输出电压幅值能够进行轴承故障特征的定位。因此本发明的用于能量采集的结构，通过巧妙的设计，采集转子系统的机械能，能够有效的应用到轴承故障诊断中，使用效果良好。
附图说明
图1是本发明提出的一种滚动轴承换能装置的结构示意图。
图1中，1是下轴承座，2是下轴承座，3是轴承外圈，4是滚动体，5是轴承内圈，6是压电片，7是绝缘层。
图2是本发明的滚动轴承换能装置用于能量采集的电路图。
图3是本发明的滚动轴承换能装置用于故障诊断的电路图。
图4是本发明中使用的压电片示意图。
图5是不同故障类型的轴承产生的输出电压。
图5中：(a),(b)为轴承健康工作时，压电片输出电压；(c)、(d)分别为轴承内圈发生故障时轴承工作时压电片输出电压；(e)、(f)分别为轴承外圈发生故障时，轴承工作时压电片输出电压。
图6为轴承发生外圈故障时，轴承工作时的压电片不同极化区域的输出电压。
图6中：(a)为远离故障位置的压电片极化区域的输出电压信号；(b)为靠近故障位置的压电片极化区域的输出电压信号。
具体实施方式
本发明提出的滚动轴承换能装置，其结构如图1所示，包括下轴承座1、上轴承座2、轴承外圈3、滚动体4和轴承内圈5，还包括压电片6和绝缘层7；所述的压电片6为分区极化的半圆柱壳形压电片，压电片上的每个极化区域之间彼此绝缘，所述的绝缘层7为半圆柱壳形，压电片6和绝缘层7从里到外固定在轴承内圈5和下轴承座1之间。
根据其结构，本发明的滚动轴承换能装置的输出电压为
Figure BDA0002487613040000031
其中Q表示滚动体受力，和转子的载荷Fp和滚动体的数量z关系为：
Figure BDA0002487613040000032
f表示偏心质量，g33表示压电常数，,
Figure BDA0002487613040000033
表示介电常数，h表示压电片厚度，A表示压电片面积，R表示外接电阻，w1表示滚动体通过频率，w2表示转轴转动频率
本发明的滚动轴承换能装置可以应用于滚动轴承能量采集，滚动轴承能量采集涉及的电路如图2所示，滚动轴承能量采集过程如下：
(1)将分区极化的半圆柱壳形压电片6和半圆柱壳形绝缘层7从里到外固定在轴承内圈5和下轴承座1之间；
(2)滚动轴承在滚动过程中产生的动态载荷传递到压电片上，用导线使压电片上彼此绝缘的各极化区域与相应的整流芯片相连，使每一个极化区域的正负极的通过导线与整流芯片相连；
(3)使所有整流芯片与储能电容相连，滚动轴承经过压电片的每一个极化区域时，滚动轴承引起的载荷都会产生改变，实现能量采集。
本发明的滚动轴承换能装置可以应用于滚动轴承故障诊断，滚动轴承故障诊断涉及的电路图如图3所示，滚动轴承故障诊断的过程如下：
(1)将分区极化的半圆柱壳形压电片6和半圆柱壳形绝缘层7从里到外固定在轴承内圈5和下轴承座1之间；
(2)滚动轴承在工作过程中产生的动态载荷传递到压电片上，利用示波器测量并记录压电片产生的电压
(3)当轴承产生故障时，会对压电片产生明显的冲击载荷，导致压电片输出电压产生突变，根据输出电压突变的形式可以判断轴承故障类型。
为了使本发明的目的更加清晰，一下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，滚动轴承中的滚动体4在转动过程中，对一个特定区域的轴承外圈来说，会存在一个进入该位置到远离该区域的过程，该区域承受的载荷会发生相应的该变，从而通过压电效应可以将机械能转化为电能，达到采集滚动轴承能量的目的。
如图4所示，压电片划分为不同的区域，分别进行极化，需要保证每个极化区域之间彼此绝缘。
如图5所示为典型的健康轴承、内圈故障轴承和外圈故障轴承工作时产生的电压输出信号。图5中：(a),(b)为轴承健康工作时，压电片输出电压；(c)、(d)分别为轴承内圈发生故障时轴承工作时压电片输出电压；(e)、(f)分别为轴承外圈发生故障时，轴承工作时压电片输出电压。图5中对比健康轴承和故障轴承的输出电压，图中可以看出故障轴承的输出电压中存在明显的突变值。可以发现，当轴承出现内圈故障时，能够产生明显的冲击电压产生，但是冲击电压的幅值会发生相应的改变；当轴承出现外圈故障时，压电片同样可以产生冲击电压，但是每一个周期的冲击电压幅值改变不会很大；通过故障轴承压电片输出信号类型可以达到轴承状态检测和故障识别的供能。
如图6所示，当轴承外圈发生故障时，靠近故障位置的极化区域输出电压信号里冲击电压幅值较大，远离故障位置的极化区域输出电压冲击电压信号较小，通过比较不同极化区域的输出电压冲击电压的幅值判断出轴承出现故障的具体位置。图6中：(a)为远离故障位置的压电片极化区域的输出电压信号；(b)为靠近故障位置的压电片极化区域的输出电压信号。图中可以看出，靠近故障位置的突变值明显大于远离故障位置的突变值，因此可以通过对比各个极化区域突变值的大小来确定轴承产生故障的位置。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种滚动轴承换能装置，包括下轴承座、上轴承座、轴承外圈、滚动体和轴承内圈，其特征在于还包括压电片和绝缘层；所述的压电片为分区极化的半圆柱壳形压电片，压电片上的每个极化区域之间彼此绝缘，所述的绝缘层为半圆柱壳形，压电片和绝缘层从里到外固定在轴承内圈和下轴承座之间。
2.一种如权利要求所述的滚动轴承换能装置的应用，其特征在于，将滚动轴承换能装置用于滚动轴承能量采集，滚动轴承能量采集过程如下：
(1)将分区极化的半圆柱壳形压电片和半圆柱壳形绝缘层从里到外固定在轴承内圈和下轴承座之间；
(2)滚动轴承在滚动过程中产生的动态载荷传递到压电片上，用导线使压电片上彼此绝缘的各极化区域与相应的整流芯片相连，使每一个极化区域的正负极的通过导线与整流芯片相连；
(3)使所有整流芯片与储能电容相连，滚动轴承经过压电片的每一个极化区域时，滚动轴承引起的载荷产生改变，实现能量采集。
3.一种如权利要求1所述的滚动轴承换能装置的应用，其特征在于，将滚动轴承换能装置用于滚动轴承故障诊断，滚动轴承故障诊断的过程如下：
(1)将分区极化的半圆柱壳形压电片和半圆柱壳形绝缘层从里到外固定在轴承内圈和下轴承座之间；
(2)滚动轴承在工作过程中产生的动态载荷传递到压电片上，利用示波器测量并记录压电片产生的电压，
(3)当轴承产生故障时，会对压电片产生明显的冲击载荷，导致压电片输出电压产生突变，根据输出电压突变的形式可以判断轴承故障类型。
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