CN112228465B - 一种自监测的球轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自监测的球轴承，属轴承监测与新能源领域。带电路板和传感器的隔板将外圈隔成左右腔，右腔内经大滚珠装有内圈；两组压电振子经螺钉、压环和隔垫装在左腔内，隔垫的外环上经筋板连接有带卡槽的内环；摆轴一端设有半轴、另一端设有大小轴台；半轴与小轴台轴线在存在倾角且其交点位于外滚道对称中心所在的半轴的横截面上；大小轴台分别套在隔板和内圈的内孔中，大轴台与内圈相连；带拨块的摆圈经小滚珠装在半轴上，拨块置于内环的卡槽内，拨块位于两组压电振子之间；压电振子由等厚的基板与其一侧粘接的压电片构成；摆轴及内圈随主轴转动时摆圈沿半轴轴向往复摆动，进而迫使压电振子弯曲变形并发电，用于轴承参数检测及发射。

Description

一种自监测的球轴承
技术领域
本发明属于轴承监测与新能源技术领域，具体涉及一种自监测的球轴承。
背景技术
轴承是机械、车辆、航空航天、轮船及能源等领域中不可或缺的标准件，也是相关传动系统中最易损坏的零件之一，旋转机械中30％的故障是因轴承失效所引发的。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。在线监测已逐步成为发电机、轮船、高铁以及航空器等领域中大型轴承可靠运转的前提保障，监测指标涉及温度、振动、转速及噪音等多方面。早期的轴承监测系统主要为外挂式，其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，人们相继提出了不同形式的嵌入式轴承监测系统，较好地解决了测量精度及准确性问题，但需要改变相关设备的结构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为定期、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基于磁力耦合激励发电供电的自监测轴承，其最大问题是：存在磁干扰、不同转速时的发电性能差异较大、有效频带窄、可靠性低等。
发明内容
本发明的一种自监测的球轴承包括内外圈、大小滚珠、摆轴、摆圈、隔垫、压电振子、端盖、传感器、电路板及压环；外圈内壁上的隔板将外圈的内腔隔成左右腔；隔板上安装有电路板和传感器，电路板置于左腔内，左腔端部经螺钉安装有端盖，右腔内经大滚珠安装有内圈；两组压电振子经螺钉、压环和隔垫安装在左腔内，隔垫位于两组压电振子之间，隔垫的外环上经筋板连接有带卡槽的内环，外环及压电振子的一端经螺钉固定在左腔内。
摆轴一端设有带有外滚道的半轴、另一端设有同轴的大小轴台，大轴台靠近半轴的一侧设有轴肩；半轴轴线与小轴台轴线在同一平面内存在倾角且其交点位于外滚道对称中心所在的半轴的横截面上；大小轴台分别套在隔板和内圈的内孔中，大轴台经螺钉与内圈相连，大轴台与隔板的内孔间隙配合，小轴台与内圈的内孔过渡配合；隔板置于轴肩和内圈之间。
带拨块和内滚道的摆圈经小滚珠安装在半轴上，小滚珠置于内外滚道内，摆圈经小滚珠绕半轴相对转动的同时还沿半轴的轴向摆动，拨块位于摆圈的外缘上，拨块置于内环的卡槽内，拨块与隔垫厚度相等，内外滚道的对称中心点位于隔垫厚度方向的中介面上，拨块位于两组压电振子的自由端之间；压电振子由等厚的基板与其一侧粘接的压电片构成，基板靠近隔垫安装；压电振子和传感器经不同的导线组与电路板相连。
工作中，摆轴及内圈随主轴转动，摆圈及压电振子不转动，摆圈经小滚珠与摆轴产生相对转动并沿半轴轴向往复摆动，进而迫使压电振子产生往复弯曲变形并将机械能转换成电能，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。
本发明中，当摆轴转动使摆圈上下两侧拨块的摆动量最大时，隔垫一侧压电振子与拨块接触且弯曲变形量最大、另一侧压电振子顶靠在隔垫上且其变形量为零；此后，随摆轴转动，拨块的摆动量及与其接触压电振子的变形量逐渐减小，摆轴转过90度时拨块两侧压电振子的变形特性相同；摆轴进一步转动时，原来与拨块接触的压电振子与拨块脱离并顶靠在隔垫上，而另一侧的压电振子与拨块接触且其变形量随摆轴的转动而增加，摆轴转过180度时拨块的摆动量及与其接触的压电振子的变形量达到最大，至此完成一次激励，上述工作过程中需确保：①压电振子仅向使压电片承受压应力的方向变形，故可避免压电片承受拉应力；②压电振子最大变形量小于其许用值，拨块的摆动半径R需满足：RsinQ-0.5H(1-cosQ)≤δ*，其中，Q为倾角、即半轴轴线与小轴台轴线间夹角，
Figure RE-GDA0002804668660000021
为压电振子的许用变形量，
Figure RE-GDA0002804668660000022
h为基板厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和
Figure RE-GDA0002804668660000023
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子可弯曲部分的长度，H为拨块厚度，η为与胶层厚度有关的修正系数。
优势与特色：结构及激励过程简单、无电磁干扰、无接触冲击和噪音；各转速下压电振子为单向的等幅激励，压电片仅承受量值可控的压应力，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摆轴的结构示意图；
图3是本发明一个较佳实施例中摆圈的结构示意图；
图4是图3的左视图；
图5是本发明一个较佳实施例中隔垫的结构示意图；
图6是图5的左视图；
图7是图1中轴承内圈转过90度时的结构剖面图；
图8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
本发明的一种自监测的球轴承包括内圈a、外圈b、大滚珠c、摆轴d、小滚珠f、摆圈g、隔垫h、压电振子i、端盖j、传感器k、电路板n及压环p；外圈b的内壁上的隔板b1将外圈b的内腔隔成左腔b2 和右腔b3；隔板b1上安装有电路板n和传感器k，电路板n置于左腔b2内；左腔b2的端部经螺钉安装有端盖j，右腔b3内经大滚珠c安装有内圈a，两组压电振子i经螺钉、压环p和隔垫h安装在左腔b2内，隔垫h位于两组压电振子i之间，隔垫h的外环h1上经筋板h3连接有带卡槽h4的内环h2，外环h1及压电振子i的一端经螺钉固定在左腔b2内。
摆轴d的一端设有带有外滚道d5的半轴d4，另一端设有同轴的大轴台d2和小轴台d1，大轴台d2靠近半轴d4的一侧设有轴肩d3；半轴轴线x2与小轴台轴线x1在同一平面内存在倾角Q且其交点O位于外滚道d5的对称中心所在的半轴d4的横截面x3上；大轴台d2和小轴台d1分别套在隔板b1和内圈a的内孔中，大轴台d2经螺钉与内圈a相连，大轴台d2与隔板b1的内孔间隙配合，小轴台d1与内圈a的内孔过渡配合；隔板b1置于轴肩d3和内圈a之间。
带拨块g1和内滚道g2的摆圈g经小滚珠f安装在半轴d4上，小滚珠f置于内滚道g2和外滚道d5内，摆圈g经小滚珠f绕半轴d4相对转动的同时还沿半轴d4的轴向摆动，拨块g1位于摆圈g的外缘上，拨块 g1置于隔垫h的内环h2的卡槽h4内，拨块g1与隔垫h的厚度相等，内滚道g2和外滚道g5的对称中心点O位于隔垫h厚度方向的中介面上，拨块g1位于两组压电振子i的自由端之间；压电振子i为由等厚的基板i1与其一侧粘接的压电片i2构成，基板i1靠近隔垫h安装；压电振子i和传感器k经不同的导线组与电路板n相连。
工作中，摆轴d及内圈a随主轴z转动，摆圈g及压电振子i不转动，摆圈g经小滚珠f与摆轴d产生相对转动并沿半轴d4轴向往复摆动，进而迫使压电振子i产生往复弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板n上的转换电路处理后供给传感器k，传感器k实时地获得轴承温度、转速或振动参数，再经电路板n上的发射单元发射出去。
本发明中，当摆轴d转动使摆圈g上下两侧拨块g1的摆动量最大时，隔垫h一侧压电振子i与拨块g1接触且弯曲变形量最大、另一侧压电振子i顶靠在隔垫h上且其变形量为零；此后，随摆轴d转动，拨块g1 的摆动量及与其接触压电振子i的变形量逐渐减小，摆轴d转过90度时拨块g1两侧压电振子i的变形特性相同；摆轴d进一步转动时，原来与拨块g1接触的压电振子i与拨块g1脱离并顶靠在隔垫h上，而另一侧的压电振子i开始与拨块g1接触且其变形量随摆轴d的转动而增加，摆轴d转过180度时拨块g1的摆动量及与其接触的压电振子i的变形量达到最大，至此完成一次激励，上述工作过程中需确保：①压电振子i仅向使压电片i2承受压应力的方向变形，故可避免压电片i2承受拉应力；②压电振子i的最大变形量小于其许用值，拨块g1的摆动半径R需满足：RsinQ-0.5H(1-cosQ)≤δ*，其中，Q为倾角即半轴轴线 x2与小轴台轴线x1间夹角，
Figure RE-GDA0002804668660000031
为压电振子i的许用变形量，
Figure RE-GDA0002804668660000032
h为基板i1的厚度，β＝Em/Ep，Em和 Ep分别为基板i1和压电片i2的杨氏模量，k31和
Figure RE-GDA0002804668660000033
分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子i可弯曲部分的长度，H为拨块g1的厚度，η为与胶层厚度有关的修正系数。

Claims (2)

1.一种自监测的球轴承，外圈内壁上的隔板将外圈的内腔隔成左右腔，隔板上安装有电路板和传感器，右腔内经大滚珠安装有内圈，其特征在于：两组压电振子经压环和隔垫安装在左腔内，隔垫位于两组压电振子之间，隔垫的外环上经筋板连接有带卡槽的内环；摆轴一端设有带有外滚道的半轴、另一端设有同轴的大小轴台；半轴轴线与小轴台轴线在同一平面内存在倾角且其交点位于外滚道对称中心所在的半轴的横截面上；大小轴台分别套在隔板和内圈的内孔中，大轴台与内圈相连，大轴台与隔板的内孔间隙配合，小轴台与内圈的内孔过渡配合；带拨块和内滚道的摆圈经小滚珠安装在半轴上，拨块位于摆圈的外缘上，拨块置于内环的卡槽内，拨块与隔垫厚度相等，内外滚道的对称中心点位于隔垫厚度方向的中介面上，拨块位于两组压电振子的自由端之间；压电振子和传感器经不同的导线组与电路板相连；摆轴及内圈随主轴转动时，摆圈经小滚珠与摆轴产生相对转动并沿半轴轴向往复摆动，进而接触迫使压电振子产生往复弯曲变形并将机械能转换成电能，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。
2.根据权利要求1所述的一种自监测的球轴承，其特征在于：压电振子由等厚的基板与其一侧粘接的压电片构成，基板靠近隔垫安装，压电振子仅向使压电片承受压应力的方向变形，压电振子最大变形量小于其许用值，即满足R sin Q-0.5H(1-cos Q)≤δ*，其中，Q为倾角，R为拨块的摆动半径，H为拨块厚度，δ*为压电振子的许用变形量。
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