CN112431855B - 一种智能轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能轴承，包括自发电与测速装置、保持架测速装置、轴承内圈同轴度误差检测装置、常规项检测装置、信号处理与传输装置。自发电与测速装置包括磁铁、线圈与霍尔传感器，磁铁与线圈构成发电装置用于给各传感器以及电路板供电，磁铁与霍尔传感器用于测轴承内圈转速以取代单独的测速设备；保持架测速装置包括霍尔传感器与磁铁，用于测保持架转速；轴承内圈同轴度误差检测装置包括涡流传感器，用于测量轴承径向位移；常规项检测装置主要包括压电传感器与热传感器，用于检测振动与热量；信号处理与传输装置主要由电路板与接线端子构成，用于各传感器信号收集、处理、传输等。

Description

一种智能轴承
技术领域
本发明涉及一种智能轴承，具体涉及一种结构精简、设备成本低，精度高、运用范围广泛的智能轴承。
背景技术
智能轴承是高端轴承发展的主要方向，未来智能轴承具有自感知、自决策及自调控功能。但目前智能轴承无论在国内还是在国外仍处于发展的初级阶段；智能轴承关键技术，包括轴承状态智能评估及智能诊断技术以及智能调整技术。
目前，多数轴承检测还是靠人工手持传感器进行；多数智能轴承仅仅是在轴承旁边固定传感器用于检测，由于没有深入轴承内部，此类方法占用较大空间，且所检测项目无法保证真正反映轴承状态；少数智能轴承的智能检测装置以及信号传输装置均是基于含有密封挡圈这类轴承的，考虑到高速轴承在运转过程中需要油雾散热，轴承保持架两侧不可有密封挡圈，这样，基于含有密封挡圈的智能轴承其传感器便失去了固定装置。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供结构精简、设备成本低，精度高、运用范围广泛的智能轴承。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种智能轴承，所述智能轴承包括：自发电与测速装置、保持架测速装置、轴承内圈同轴度误差检测装置、常规项检测装置、信号处理与传输装置。
在本发明的具体实施例子中，所述自发电与测速装置包括自发电装置与测速装置，二者共用一套磁铁；
所述磁铁包括若干第五强磁铁以及一个第一弱磁磁铁；
所述自发电装置包括若干线圈与磁铁，若干线圈固定在轴承外圈第一内表面上，且首尾相接，磁铁均布在轴承内圈第一外表面，且相邻两磁铁之间留有空隙；
所述测速装置包括磁铁、第一强磁铁、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、第二强磁铁，第一强磁铁与第一霍尔传感器均安装在轴承外圈开的安装孔内，且第一霍尔传感器设置在离磁铁更近的位置；第二霍尔传感器、第二强磁铁均安装在轴承外圈开的安装孔内，且第二霍尔传感器设置在离磁铁更近的位置，且第一强磁铁、第一霍尔传感器与第二霍尔传感器、第二强磁铁所在位置相隔一定角度，即，第一强磁铁、第一霍尔传感器与第二霍尔传感器、第二强磁铁二者除相同位置外，能在同一垂直于轴承轴线的平面内成任意夹角。
在本发明的具体实施例子中，保持架测速装置包括铆钉、第一保持架、铆钉组件、第一支撑座、第二保持架、第二支撑座、第一支撑杆、第二支撑杆、第五霍尔传感器、第二弱磁磁铁、第三支撑座、普通磁铁、第三支撑杆、第六霍尔传感器、第四支撑杆；
所述第一支撑座固定在第一支撑杆和第二支撑杆之间，第二支撑座固定在第三支撑杆和第四支撑杆之间；
所述铆钉组件包括铆钉、第二弱磁磁铁、第三支撑座，若干铆钉组件将第一保持架、第二保持架固定，第二弱磁磁铁固定在第三支撑座内，第三支撑座通过连接杆与铆钉固定连接；
所述第五霍尔传感器和第六霍尔传感器，二者一面分别固定在第一支撑座和第二支撑座上，二者另一面均对着普通磁铁方向，且第一支撑座、第一支撑杆、第二支撑杆、第五霍尔传感器所构成的整体与第二支撑座、第三支撑杆、第六霍尔传感器、第四支撑杆所构成的整体之间在同一平面圆周上相隔一定角度，即上述两个整体除相同位置外，能在同一垂直于轴承轴线的平面内成任意夹角，且上述两个整体分别通过第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆、第四支撑杆固定在轴承外圈上。
在本发明的具体实施例子中，所述轴承内圈同轴度误差检测装置包括第一涡流传感器、轴承内圈第二外表面、第二涡流传感器，所述第一涡流传感器与第二涡流传感器均沿轴承径向正对轴承内圈第二外表面，且第一涡流传感器与第二涡流传感器在同一平面圆周内相隔90度。
在本发明的具体实施例子中，所述常规项检测装置包括压电传感器和热传感器，为使轴承外圈轴承外圈开槽位置分布均匀，二者相距180度，为便于布线，压电传感器靠近第一线槽侧，热传感器靠近第二线槽侧。
在本发明的具体实施例子中，所述信号处理与传输装置包括第一接触端子、电路板、第二接触端子、第三接触端子、第一绝缘壳、第一接线柱、弹簧、载体、螺栓、第二绝缘壳、第二接线柱，所述轴承外圈两端面分别固定若干第一接触端子、电路板、若干第二接触端子，轴承外圈上表面固定若干第三接触端子；
所述电路板包括稳压整流模块、传感器信号收集处理模块、诊断信号无线发送模块，其中稳压整流模块用于收集自发电装置所发出电能，并向其他模块以及传感器输出稳定电压与电流；
所述第一接触端子、第二接触端子、第三接触端子均采用相同结构，均包括第二绝缘壳、第二接线柱，第二绝缘壳固定在轴承所开设槽内，第二接线柱固定在第二绝缘壳内；
所述第一绝缘壳、第一接线柱、弹簧、螺栓所构成的整体用于与第二绝缘壳、第二接线柱所构成的接触端子配合实现弹性接触，其中，第一接线柱外表面覆盖有第一绝缘壳，第一绝缘壳颈部与载体之间通过弹簧连接，螺栓与载体旋合以限制第一绝缘壳、第一接线柱所构成整体的轴向运动，第一接线柱端部与第二接线柱接触并压紧实现螺栓与第二接线柱两端面接触同时接线柱与第二接线柱紧连接。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的智能轴承有如下优点：
1、本发明中传感器所测轴承数据与报警信号均自动通过接线端子实时传输到终端系统并通过轴承自带无线传输模块将信息无线传输至各移动终端，相较于手动测量轴承参数，本发明提供的技术更加实时、高效。
2、本发明将传感器内置在轴承中，相较于将传感器堆叠在轴承附近，其省去额外空间，且测量精度更高，更能真实反映出轴承状态。
3、相较于将传感器内置在保持架两旁的密封挡圈上，本发明中将传感器设置在轴承内外圈以及保持架上，这样使轴承更能适应高速无密封挡圈的情况。
4、本发明中自发电装置与测速装置公用同一组磁铁，这在保证功能不变的前提下，降低智能轴承复杂程度。
5、由于保持架打滑会磨损轴承滚动体，故测量保持架速度可以预估轴承滚动体磨损状况，本发明通过霍尔传感器与磁铁配合实现对保持架速度的实时测量。
6、由于轴承磨损，导致内外圈与滚动体之间间隙变大，轴承旋转时实际旋转轴线与理论轴线偏离程度变大，本发明通过电涡流传感器能够实时测量出轴承工作时实际轴线与理论轴线的偏移量。
7、考虑到轴承自发电装置在轴承刚启动时电压电流较小，本发明将外部稳定电源与自发电电源同时通过接线端子引入电路板，系统根据自发电情况随时进行电量补给，以保证各传感器在轴承低速状态下正常工作。
附图说明
图1为本发明提供的智能轴承第一装配图。
图2为本发明提供的智能轴承第二装配图。
图3为本发明提供的智能轴承剖视图。
图4为本发明提供的智能轴承中测速装置原理图。
图5为本发明提供的智能轴承第三装配图。
图6为本发明提供的智能轴承中保持架结构图。
图7为本发明提供的智能轴承中接触端子结构图。
下面是本发明中标号对应的名称：
第一接触端子1、铆钉2、第一保持架3、线圈4、轴承外圈5、轴承内圈6、磁铁7、压电传感器8、轴承外圈第一内表面9、轴承内圈第一外表面10、电路板11、铆钉组件12、第一支撑座13、轴承外圈第二内表面14、第二保持架15、轴承外圈滚道16、第一涡流传感器17、滚子18、第二接触端子19、第二支撑座20、轴承内圈滚道21、轴承内圈第二外表面22、第二涡流传感器23、热传感器24、第一强磁铁25、第一霍尔传感器26、第二霍尔传感器27、第二强磁铁28、第三强磁铁29、第三霍尔传感器30、磁感线31、第四强磁铁32、33-第一弱磁磁铁、第五强磁铁34、第六强磁铁35、第七强磁铁36、第四霍尔传感器37、第八强磁铁38、第一线槽39、第三接触端子40、第二线槽41、第一支撑杆42、第二支撑杆43、第五霍尔传感器44、第二弱磁磁铁45、第三支撑座46、普通磁铁47、第三支撑杆48、第六霍尔传感器49、第四支撑杆50、第一绝缘壳51、第一接线柱52、弹簧53、载体54、螺栓55、第二绝缘壳56、第二接线柱57。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。图1为本发明提供的智能轴承第一装配图，图2为本发明提供的智能轴承第二装配图，图5为本发明提供的智能轴承第三装配图。如上述图所示：本发明提供的智能轴承，包括自发电与测速装置、保持架测速装置、轴承内圈同轴度误差检测装置、常规项检测装置、信号处理与传输装置。
自发电与测速装置由自发电装置与测速装置构成，二者公用一套磁铁7；磁铁7由若干第五强磁铁34以及一个第一弱磁磁铁33构成。
自发电装置包括若干线圈4与磁铁7，若干线圈4固定在轴承外圈第一内表面9上，且首尾相接，磁铁7均布在轴承内圈第一外表面10，且相邻两磁铁7之间留有空隙。
测速装置由磁铁7、第一强磁铁25、第一霍尔传感器26、第二霍尔传感器27、第二强磁铁28构成，第一强磁铁25与第一霍尔传感器26均安装在轴承外圈5开的安装孔内，且第一霍尔传感器26设置在离磁铁7更近的位置，同理，第二霍尔传感器27、第二强磁铁28均安装在轴承外圈5开的安装孔内，且第二霍尔传感器27设置在离磁铁7更近的位置，且第一强磁铁25、第一霍尔传感器26与第二霍尔传感器27、第二强磁铁28所在位置相隔一定角度，即，第一强磁铁25、第一霍尔传感器26与第二霍尔传感器27、第二强磁铁28二者除相同位置外，可以在同一垂直于轴承轴线的平面内成任意夹角。
进一步地，保持架测速装置由铆钉2、第一保持架3、铆钉组件12、第一支撑座13、第二保持架15、第二支撑座20、第一支撑杆42、第二支撑杆43、第五霍尔传感器44、第二弱磁磁铁45、第三支撑座46、普通磁铁47、第三支撑杆48、第六霍尔传感器49、第四支撑杆50构成，第一支撑座13固定在第一支撑杆42和第二支撑杆43之间，第二支撑座20固定在第三支撑杆48和第四支撑杆50之间。
铆钉组件由铆钉2、第二弱磁磁铁45、第三支撑座46构成，若干铆钉组件将第一保持架3、第二保持架15固定，第二弱磁磁铁45固定在第三支撑座46内，第三支撑座46通过连接杆与铆钉2固定连接。
第五霍尔传感器44和第六霍尔传感器49，二者一面分别固定在第一支撑座13和第二支撑座20上，二者另一面均对着普通磁铁47方向，且第一支撑座13、第一支撑杆42、第二支撑杆43、第五霍尔传感器44所构成的整体与第二支撑座20、第三支撑杆48、第六霍尔传感器49、第四支撑杆50所构成的整体之间在同一平面圆周上相隔一定角度，即上述两个整体除相同位置外，可以在同一垂直于轴承轴线的平面内成任意夹角，且上述两个整体分别通过第一支撑杆42、第二支撑杆43和第三支撑杆48、第四支撑杆50固定在轴承外圈5上。
本发明的轴承内圈同轴度误差检测装置包括第一涡流传感器17、轴承内圈第二外表面22、第二涡流传感器23，第一涡流传感器17与第二涡流传感器23均沿轴承径向正对轴承内圈第二外表面22，且第一涡流传感器17与第二涡流传感器23在同一平面圆周内相隔90度。
常规项检测装置包括压电传感器8和热传感器24，为使轴承外圈轴承外圈5开槽位置分布均匀，二者相距180度，为便于布线，压电传感器8靠近第一线槽39侧，热传感器24靠近第二线槽41侧。
信号处理与传输装置由第一接触端子1、电路板11、第二接触端子19、第三接触端子40、第一绝缘壳51、第一接线柱52、弹簧53、载体54、螺栓55、第二绝缘壳56、第二接线柱57构成，轴承外圈5两端面分别固定若干第一接触端子1、电路板11、若干第二接触端子19，轴承外圈5上表面固定若干第三接触端子40。
电路板由稳压整流模块、传感器信号收集处理模块、诊断信号无线发送模块构成，其中稳压整流模块用于收集自发电装置所发出电能，并向其他模块以及传感器输出稳定电压与电流。
第一接触端子1、第二接触端子19、第三接触端子40均采用相同结构，均由第二绝缘壳56、第二接线柱57构成，第二绝缘壳56固定在轴承所开设槽内，第二接线柱57固定在第二绝缘壳56内。
第一绝缘壳51、第一接线柱52、弹簧53、螺栓55所构成的整体用于与第二绝缘壳56、第二接线柱57所构成的接触端子配合实现弹性接触，其中，第一接线柱52外表面覆盖有第一绝缘壳51，第一绝缘壳51颈部与载体54之间通过弹簧53连接，螺栓55与载体54旋合以限制第一绝缘壳51、第一接线柱52所构成整体的轴向运动，第一接线柱52端部与第二接线柱57接触并压紧实现螺栓55与第二接线柱57两端面接触同时接线柱52与第二接线柱57紧连接。
本发明工作原理：以内圈旋转、外圈固定为例，当轴承旋转时若干首尾相连的线圈4切割磁铁7的磁感线产生电能，电能通过导线进入电路板11进行供电，若干旋转的磁铁7与第一强磁铁25、第一霍尔传感器26、第二霍尔传感器27、第二强磁铁28构成轴承内圈测速装置。
参照图1、图3，为轴承内圈测速装置的位置分布图，图4为上述轴承内圈测速装置的原理图；磁铁7由若干第五强磁铁34以及一个第一弱磁磁铁33构成，其两极方向与第三强磁铁29、第八强磁铁38方向相同；以逆时针为例，当磁铁7旋转时，第一弱磁磁铁33经过第八强磁铁38正下方，磁感线经过第四霍尔传感器37产生一种电流波动，当第四霍尔传感器37位于两磁铁之间时，即位于第六强磁铁35、第七强磁铁36之间时，磁感线被分成两部分，第四霍尔传感器37产生一种电流波动，当第四强磁铁32与第三霍尔传感器30对齐时，磁感线31穿过第三霍尔传感器30产生一种电流波动，分析电流波动幅值与时间关系可知轴承内圈转速，由于第一弱磁磁铁33经过第三霍尔传感器30与第四霍尔传感器37的先后顺序不同可知轴承内圈转向。
参照图6，为保持架测速装置图，与上述轴承内圈测速装置工作原理相同，但由于上述磁铁7中磁铁设置比较密集，磁感线较为混乱，故在第三霍尔传感器30与第四霍尔传感器37后方分别增加了第三强磁铁29与第八强磁铁38，以增强磁感线的方向性，而在保持架测速装置中由于磁铁进固定在铆钉上，故其分布较为稀疏，磁感线互相干扰程度较小，故无需在第五霍尔传感器44与第六霍尔传感器49后方增设磁铁。
参照图2，第一涡流传感器17与第二涡流传感器23正对轴承内圈第二外表面22，由于轴承内圈第二外表面22的圆度误差较小，而轴承内圈由装配、制造引起的同轴度误差与轴承磨损后引起的同轴度误差较大，从而通过第一涡流传感器17与第二涡流传感器23对轴承内圈第二外表面22进行距离测量可较准确测出轴承内圈同轴度误差。
参照图1、图2，压电传感器8和热传感器24均固定在轴承外圈5上，当轴承产生振动，压电传感器会随时间输出不同波形，通过对波形、波峰、以及频率对轴承以及其内圈所连接系统运行状态进行诊断；热传感器通过测量轴承外圈温度实时检测轴承温度。
参照图1、图2、图7，轴承除将轴承诊断信号通过电路板11中无线传输模块传输到各终端设备，还通过轴承与轴承之间、轴承与外界之间的第一接触端子1、第二接触端子19和第三接触端子40进行信号传输与电能传输；一组轴承中仅需要一个配备有电路板11的轴承作为信号收集端，将各轴承传感器诊断信号通过图7所示接触端子装置收集至电路板，进行诊断以及预警；同时外部稳定电源与自发电电源同时通过接触端子装置引入电路板11，系统根据自发电情况随时进行电量补给，以保证各传感器在轴承低速状态下正常工作。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种智能轴承，其特征在于：所述智能轴承包括：自发电与测速装置、保持架测速装置、轴承内圈同轴度误差检测装置、常规项检测装置、信号处理与传输装置，所述自发电与测速装置、保持架测速装置、轴承内圈同轴度误差检测装置、常规项检测装置、信号处理与传输装置均安装在一个轴承内；
所述信号处理与传输装置包括第一接触端子(1)、电路板(11)、第二接触端子(19)、第三接触端子(40)、第一绝缘壳(51)、第一接线柱(52)、弹簧(53)、载体(54)、螺栓(55)、第二绝缘壳(56)、第二接线柱(57)，轴承外圈(5)两端面分别固定若干第一接触端子(1)、电路板(11)、若干第二接触端子(19)，轴承外圈(5)上表面固定若干第三接触端子(40)；
所述电路板(11)包括稳压整流模块、传感器信号收集处理模块、诊断信号无线发送模块，其中稳压整流模块用于收集自发电装置所发出电能，并向其他模块以及传感器输出稳定电压与电流；
所述第一接触端子(1)、第二接触端子(19)、第三接触端子(40)均采用相同结构，均包括第二绝缘壳(56)、第二接线柱(57)，第二绝缘壳(56)固定在轴承所开设槽内，第二接线柱(57)固定在第二绝缘壳(56)内；
所述第一绝缘壳(51)、第一接线柱(52)、弹簧(53)、螺栓(55)所构成的整体用于与第二绝缘壳(56)、第二接线柱(57)所构成的接触端子配合实现弹性接触，其中，第一接线柱(52)外表面覆盖有第一绝缘壳(51)，第一绝缘壳(51)颈部与载体(54)之间通过弹簧(53)连接，螺栓(55)与载体(54)旋合以限制第一绝缘壳(51)、第一接线柱(52)所构成整体的轴向运动，第一接线柱(52)端部与第二接线柱(57)接触并压紧实现螺栓(55)与第二接线柱(57)两端面接触同时接线柱(52)与第二接线柱(57)紧连接。
2.根据权利要求1所述的智能轴承，其特征在于：所述自发电与测速装置包括自发电装置与测速装置，二者共用一套磁铁(7)；
所述磁铁(7)包括若干第五强磁铁(34)以及一个第一弱磁磁铁(33)；
所述自发电装置包括若干线圈(4)与磁铁(7)，若干线圈(4)固定在轴承外圈第一内表面(9)上，且首尾相接，磁铁(7)均布在轴承内圈第一外表面(10)，且相邻两磁铁(7)之间留有空隙；
所述测速装置包括磁铁(7)、第一强磁铁(25)、第一霍尔传感器(26)、第二霍尔传感器(27)、第二强磁铁(28)，第一强磁铁(25)与第一霍尔传感器(26)均安装在轴承外圈(5)开的安装孔内，且第一霍尔传感器(26)设置在离磁铁(7)更近的位置；第二霍尔传感器(27)、第二强磁铁(28)均安装在轴承外圈(5)开的安装孔内，且第二霍尔传感器(27)设置在离磁铁(7)更近的位置，且第一强磁铁(25)、第一霍尔传感器(26)与第二霍尔传感器(27)、第二强磁铁(28)所在位置相隔一定角度，即，第一强磁铁(25)、第一霍尔传感器(26)与第二霍尔传感器(27)、第二强磁铁(28)二者除相同位置外，能在同一垂直于轴承轴线的平面内成任意夹角。
3.根据权利要求1所述的智能轴承，其特征在于：保持架测速装置包括铆钉(2)、第一保持架(3)、铆钉组件(12)、第一支撑座(13)、第二保持架(15)、第二支撑座(20)、第一支撑杆(42)、第二支撑杆(43)、第五霍尔传感器(44)、第二弱磁磁铁(45)、第三支撑座(46)、普通磁铁(47)、第三支撑杆(48)、第六霍尔传感器(49)、第四支撑杆(50)；
所述第一支撑座(13)固定在第一支撑杆(42)和第二支撑杆(43)之间，第二支撑座(20)固定在第三支撑杆(48)和第四支撑杆(50)之间；
所述铆钉组件包括铆钉(2)、第二弱磁磁铁(45)、第三支撑座(46)，若干铆钉组件将第一保持架(3)、第二保持架(15)固定，第二弱磁磁铁(45)固定在第三支撑座(46)内，第三支撑座(46)通过连接杆与铆钉(2)固定连接；
所述第五霍尔传感器(44)和第六霍尔传感器(49)，二者一面分别固定在第一支撑座(13)和第二支撑座(20)上，二者另一面均对着普通磁铁(47)方向，且第一支撑座(13)、第一支撑杆(42)、第二支撑杆(43)、第五霍尔传感器(44)所构成的第一整体与第二支撑座(20)、第三支撑杆(48)、第六霍尔传感器(49)、第四支撑杆(50)所构成的第二整体之间在同一平面圆周上相隔一定角度，即上述第一整体和第二整体除相同位置外，能在同一垂直于轴承轴线的平面内成任意夹角，且上述两个整体分别通过第一支撑杆(42)、第二支撑杆(43)和第三支撑杆(48)、第四支撑杆(50)固定在轴承外圈(5)上。
4.根据权利要求1所述的智能轴承，其特征在于：所述轴承内圈同轴度误差检测装置包括第一涡流传感器(17)、轴承内圈第二外表面(22)、第二涡流传感器(23)，所述第一涡流传感器(17)与第二涡流传感器(23)均沿轴承径向正对轴承内圈第二外表面(22)，且第一涡流传感器(17)与第二涡流传感器(23)在同一平面圆周内相隔90度。
5.根据权利要求1所述的智能轴承，其特征在于：所述常规项检测装置包括压电传感器(8)和热传感器(24)，为使轴承外圈轴承外圈(5)开槽位置分布均匀，二者相距180度，为便于布线，压电传感器(8)靠近第一线槽(39)侧，热传感器(24)靠近第二线槽(41)侧。
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