CN112332704B - 一种自供电监测的滚动轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自供电监测的滚动轴承，属轴承监测与新能源技术领域。外圈内壁上的隔板将外圈的内腔隔成左右腔，隔板上装有电路板和传感器，电路板置于左腔内；左腔端部装有端盖，端盖将带有上下卡槽的定位环压接在左腔内；右腔内经滚动体一安装有内圈；摆轴一端设有半轴，另一端设有同轴的大小轴台；半轴的倾斜轴线与小轴台的水平轴线之间存在轴倾角；摆轴的大轴台和小轴台分别套在隔板的内孔和内圈的内孔中，大轴台与内圈相连接，隔板置于轴肩和内圈之间；摆圈经滚动体二安装在半轴上，半轴转动时摆圈绕半轴的轴向摆动；摆圈外缘装有压电振子，压电振子和传感器与电路板相连，压电振子自由端置于定位环的上下卡槽内。

Description

一种自供电监测的滚动轴承

技术领域

本发明属于轴承监测与新能源技术领域，具体涉及一种自供电监测的滚动轴承。

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

本发明提出一种自供电监测的滚动轴承，本发明采用的实施方案是：本发明提出一种自供电监测的滚动轴承，包括内圈、外圈、滚动体一、摆轴、滚动体二、摆圈、压环、压电振子、端盖、传感器、电路板及定位环；外圈内壁上的隔板将外圈的内腔隔成左腔和右腔；隔板上安装有电路板和传感器，电路板置于左腔内；左腔的端部经螺钉安装有端盖，端盖的止口将带有上卡槽和下卡槽的定位环压接在左腔内；右腔内经滚动体一安装有内圈，滚动体一为滚珠、圆柱滚子或圆锥滚子。

摆轴的一端设有带有环槽的半轴，另一端设有同轴的大轴台和小轴台，大轴台靠近半轴的一侧设有轴肩；半轴的倾斜轴线与小轴台的水平轴线的交点位于环槽的对称中心所在的半轴的横截面上，倾斜轴线与水平轴线在同一平面内的夹角为轴倾角，轴倾角为锐角；摆轴的大轴台和小轴台分别套在隔板的内孔和内圈的内孔中，大轴台经螺钉与内圈相互连接，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。

摆圈经滚动体二安装在半轴上，滚动体二置于环槽内，半轴转动时摆圈绕半轴的轴向摆动；摆圈的外缘上下两侧都经螺钉和压环安装有压电振子，压电振子和传感器经不同的导线组与电路板相连。压电振子为由基板与其一侧粘接的压电片构成的单晶梁、或由基板与其两侧粘接的压电片构成的双晶梁，基板的厚度为压电振子总厚度的一半；压电振子的自由端置于定位环的上卡槽或下卡槽内。

工作中，摆轴及内圈随主轴转动，摆圈及压电振子不转动，摆轴经滚动体二与摆圈产生相对转动并迫使摆圈产生沿半轴轴向的往复摆动，摆圈再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。

压电振子为单晶梁时，压电振子的固定端的基板与压电片的粘接面位于环槽的对称中心所在的半轴的横截面上；工作中，当摆轴转动使摆圈上方向左的摆动量和摆圈下方向右的摆动量最大时，压电振子的变形量最大；此后，摆圈的摆动量及压电振子的变形量随摆轴转动逐渐减小，摆轴转过180度时摆圈的摆动量及压电振子的变形量达到最小，至此完成压电振子的一次完整激励；为避免压电片因受过大压应力损毁，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，如：上方压电振子的基板始终与上卡槽左侧接触、下方压电振子的基板始终与下卡槽右侧壁接触，故需上方压电振子的基板和下方压电振子的压电片靠近压环安装；

②压电振子的最大变形量小于其许用值、最小变形量大于零，如：摆圈逆时针方向摆动到极限位置时压电振子的变形量小于其许用值、摆圈顺时针方向摆动到极限位置时压电振子的变形量大于零，故需使上卡槽位于摆圈中心点的右侧、下卡槽位于摆圈中心点的左侧，且需满足：RtanQ-h/cosQ≤x≤(δ^*-h-RsinQ)/cosQ，其中：x为摆圈中心点与其相邻的上卡槽或下卡槽侧壁间的轴向距离，R为定位环的内腔半径，Q为轴倾角，即Q为半轴的倾斜轴线与小轴台的水平轴线间的夹角，δ^*为压电振子的许用变形量，

h为基板的厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板和压电片的杨氏模量，k₃₁和

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，

η为与胶层厚度有关的修正系数。

压电振子为双晶梁时，压电振子i的固定端的基板厚度方向的对称中心位于环槽的对称中心所在的半轴的横截面上，即上卡槽和下卡槽的轴向宽度方向的对称中心面与摆圈宽度方向的对称中心面重合。工作中，摆轴转动使摆圈上下两侧的轴向摆动量最大时，压电振子的弯曲变形量最大，压电振子两侧的压电片分别承受最大的压应力和最大的拉应力；此后，压电振子的变形量及两侧压电片所受应力随摆轴转动逐渐减小，摆轴转过90度时压电振子无变形、各压电片所受应力值都为零；摆轴进一步转动时，压电振子反向变形且变形量逐渐增加，摆轴转过180度时摆圈的摆动量及压电振子的变形量再度达到最大，至此完成一次激励。为避免压电片因受过大拉应力损毁，工作过程中需确保：压电振子的最大变形量小于其许用值，即(R-L)tanQ≤δ^*，其中，R为定位环的内腔半径，Q为轴倾角，即Q为半轴的倾斜轴线与小轴台的水平轴线间的夹角，δ^*为压电振子的许用变形量，

h为基板的厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板和压电片材料的杨氏模量，k₃₁和

分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L为压电振子可弯曲部分的长度，

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等幅激励，压电片仅承受量值可控的应力，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单晶压电振子圆柱轴承的结构剖面图；

图2是本发明一个较佳实施例中摆轴的结构示意图；

图3是本发明中外圈与定位环装配后的结构剖面示意图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是图1中轴承内圈转过180度时的结构剖面图；

图6是本发明一个较佳实施例中双晶压电振子圆锥轴承的结构剖面图；

图7是图6中轴承内圈转过90度时的结构剖面图；

图8是图6中轴承内圈转过180度时的结构剖面图。

具体实施方式

本发明提出一种自供电监测的滚动轴承，包括内圈a、外圈b、滚动体一c、摆轴d、滚动体二f、摆圈g、压环h、压电振子i、端盖j、传感器k、电路板n及定位环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，端盖j的止口将带有上卡槽p1和下卡槽p2的定位环p压接在左腔b2内；右腔b3内经滚动体一c安装有内圈a，滚动体一c为滚珠、圆柱滚子或圆锥滚子。

摆轴d的一端设有带有环槽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d4的倾斜轴线x2与小轴台d1的水平轴线x1的交点O位于环槽d5的对称中心所在的半轴d4的横截面x3上，倾斜轴线x2与水平轴线x1在同一平面内的夹角Q为轴倾角，轴倾角为锐角；摆轴d的大轴台d2和小轴台d1分别套在隔板b1的内孔和内圈a的内孔中，大轴台d2经螺钉与内圈a相互连接，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。

摆圈g经滚动体二f安装在半轴d4上，滚动体二f置于环槽d5内，半轴d4转动时摆圈g绕半轴d4的轴向摆动；摆圈g的外缘上下两侧都经螺钉和压环h安装有压电振子i，压电振子i和传感器k经不同的导线组与电路板n相连。压电振子i为由基板i1与其一侧粘接的压电片i2构成的单晶梁、或由基板i1与其两侧粘接的压电片i2构成的双晶梁，基板i1的厚度为压电振子i总厚度的一半；压电振子i的自由端置于定位环p的上卡槽p1或下卡槽p2内。

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，摆轴d经滚动体二f与摆圈g产生相对转动并迫使摆圈g产生沿半轴d4轴向的往复摆动，摆圈g再迫使压电振子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。

压电振子i为单晶梁时，压电振子i的固定端的基板i1与压电片i2的粘接面位于环槽d5的对称中心所在的半轴d4的横截面x3上；工作中，当摆轴d转动使摆圈g上方向左的摆动量和摆圈g下方向右的摆动量最大时，压电振子i的变形量最大；此后，摆圈g的摆动量及压电振子i的变形量随摆轴d转动逐渐减小，摆轴d转过180度时摆圈g的摆动量及压电振子i的变形量达到最小，至此完成压电振子i的一次完整激励；为避免压电片i2因受过大压应力损毁，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，如：上方压电振子i的基板i1始终与上卡槽p1左侧接触、下方压电振子i的基板i1始终与下卡槽p2右侧壁接触，故需上方压电振子i的基板i1和下方压电振子i的压电片i2靠近压环h安装；②压电振子i的最大变形量小于其许用值、最小变形量大于零，如：摆圈g逆时针方向摆动到极限位置时压电振子i的变形量小于其许用值、摆圈g顺时针方向摆动到极限位置时压电振子i的变形量大于零，故需使上卡槽p1位于摆圈g中心点O的右侧、下卡槽p2位于摆圈g中心点O的左侧，且需满足：RtanQ-h/cosQ≤x≤(δ^*-h-RsinQ)/cosQ，其中：x为摆圈g中心点O与其相邻的上卡槽p1或下卡槽p2侧壁间的轴向距离，R为定位环p的内腔半径，Q为轴倾角，即Q为半轴d4的倾斜轴线x2与小轴台d1的水平轴线x1间的夹角，δ^*为压电振子i的许用变形量，

h为基板i1的厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板i1和压电片i2的杨氏模量，k₃₁和

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，

η为与胶层厚度有关的修正系数。

压电振子i为双晶梁时，压电振子i的固定端的基板i1厚度方向的对称中心位于环槽d5的对称中心所在的半轴d4的横截面x3上。工作中，摆轴d转动使摆圈g上下两侧的轴向摆动量最大时，压电振子i的弯曲变形量最大，压电振子i两侧的压电片i2分别承受最大的压应力和最大的拉应力；此后，压电振子i的变形量及两侧压电片i2所受应力随摆轴d转动逐渐减小，摆轴d转过90度时压电振子i无变形、各压电片i2所受应力值都为零；摆轴d进一步转动时，压电振子i反向变形且变形量逐渐增加，摆轴d转过180度时摆圈g的摆动量及压电振子i的变形量再度达到最大，至此完成一次激励。为避免压电片i2因受过大拉应力损毁，工作过程中需确保：压电振子i的最大变形量小于其许用值，即(R-L)tanQ≤δ^*，其中，R为定位环p的内腔半径，Q为轴倾角，即Q为半轴d4的倾斜轴线x2与小轴台d1的水平轴线x1间的夹角，δ^*为压电振子i的许用变形量，

h为基板i1的厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板i1和压电片i2材料的杨氏模量，k₃₁和

分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L为压电振子i可弯曲部分的长度，

η为与胶层厚度有关的修正系数。

Claims (1)

1.一种自供电监测的滚动轴承，包括内圈、外圈、滚动体一、摆轴、滚动体二、摆圈、压环、压电振子、端盖、传感器、电路板及定位环，其特征在于：外圈内壁上的隔板将外圈的内腔隔成左腔和右腔，隔板上安装有电路板和传感器，电路板置于左腔内；左腔的端部装有端盖，端盖将带有上卡槽和下卡槽的定位环压接在左腔内；右腔内经滚动体一安装有内圈；摆轴的一端设有半轴，另一端设有同轴的大轴台和小轴台；半轴的倾斜轴线与小轴台的水平轴线之间存在轴倾角；摆轴的大轴台和小轴台分别套在隔板的内孔和内圈的内孔中，大轴台与内圈相连接，隔板置于轴肩和内圈之间；摆圈经滚动体二安装在半轴上，半轴转动时摆圈绕半轴的轴向摆动；摆圈的外缘上下两侧都装有压电振子，压电振子和传感器经不同的导线组与电路板相连；压电振子由基板与压电片粘接而成，基板的厚度为压电振子总厚度的一半，压电振子的自由端置于定位环的上卡槽或下卡槽内压电振子为单晶梁，压电振子的固定端的基板与压电片的粘接面位于环槽的对称中心所在的半轴的横截面上，压电振子仅向使压电片承受压应力的方向变形，压电振子的最大变形量小于其许用变形量、最小变形量大于零，且有RtanQ-h/cosQ≤x≤(δ^*-h-RsinQ)/cosQ，其中x为摆圈中心点与其相邻的上卡槽或下卡槽侧壁间的轴向距离，R为定位环的内腔半径，Q为轴倾角，δ^*为压电振子的许用变形量，h为基板的厚度。

Images