CN112539221A - 具有用于载荷感测的单个感测光纤的轴承和轴承单元 - Google Patents

具有用于载荷感测的单个感测光纤的轴承和轴承单元 Download PDF

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CN112539221A CN202010999468.1A CN202010999468A CN112539221A CN 112539221 A CN112539221 A CN 112539221A CN 202010999468 A CN202010999468 A CN 202010999468A CN 112539221 A CN112539221 A CN 112539221A
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亚历山大·莫克尼克
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Abstract

一种轴承，包括第一圈、第二圈和在径向上位于设置在第一圈和第二圈上的滚道之间的至少一列滚动元件。轴承还包括单个感测光纤，该单个感测光纤安装在设置于第一圈的在径向上背对第一圈的滚道的表面上的槽中，光纤具有至少一个感测部分。槽设置有：第一分支，从第一圈的第一正表面延伸并且至少部分地沿着至少一个曲率半径弯曲以朝向平行于第一正表面的周向槽延伸；至少光纤的感测部分伸出到周向槽中；及第二分支，从第一圈的在轴向上背对第一正表面的第二正径向表面延伸，且连接到第一分支，第二分支至少部分地沿着至少一个曲率半径弯曲。

Description

具有用于载荷感测的单个感测光纤的轴承和轴承单元
技术领域
本发明涉及用于通过主动感测载荷进行控制处理的滚动轴承的状况监测的领域。
更特别地，本发明涉及配备有诸如光纤的光学感测元件的滚动轴承。
背景技术
光纤通常包括多个光纤布拉格光栅(称为FBG)，用于感测围绕轴承的圈的圆周均匀分布的位置，例如用于感测附加于(additional to)滚动元件的至少一个位置。
纤维光学感测可以用于监测泵、压缩机和其他旋转机器，但也可以用于石油和天然气、矿山、船舶、造纸(纸浆和纸张)、航空航天等以及任何需要远距离信号的装置。
可以参考文献WO2011/066926，其描述了在轴承的外圈上具有周向槽的线缆轴承的示例，所述槽容纳用于测量特别是轴承载荷的感测光纤(/传感光纤)。
为了测量组合的轴向轴承载荷和径向轴承载荷，已知将第一光纤容纳在设置于外圈的外圆周表面上的第一槽中，并且将第二光纤容纳在设置于外圈的轴向表面上的第二槽中。
需要提供一种改进的设计，其被构造成能够简单地安装在轴承壳体中并且在轴承侧面上没有任何光纤，能够沿可变的方向将多个轴承匹配在一起并且不会通过使光纤的弯曲部分变窄而使光纤断裂，确保安全运输并且在尖角处没有裂纹。还需要改进被构造为感测组合的轴向载荷和径向载荷的感测装置(sensing device)。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具有单个感测装置的轴承，所述单个感测装置被构造为能够准确地感测组合的轴向载荷和径向载荷，包括径向载荷的方向。
本发明的特别目的在于提供一种轴承，所述轴承包括第一圈、第二圈和在径向上位于设置在所述第一圈和所述第二圈上的滚道之间的至少一列滚动元件。
所述轴承还包括单个感测光纤(/传感光纤)(optical sensing fiber)，所述单个感测光纤安装在设置于所述第一圈的在径向上背对所述第一圈的滚道的表面上的槽中。所述光纤包括至少一个感测部分。
所述槽设置有：第一分支，从所述第一圈的第一正表面(frontal surface)延伸并且至少部分地沿着至少一个曲率半径弯曲以朝向平行于所述第一正表面的周向槽延伸；至少所述光纤的感测部分伸出到所述周向槽中；以及第二分支，从所述第一圈的在轴向上背对所述第一正表面的第二正表面延伸，并且连接到所述第一分支，所述第二分支至少部分地沿着至少一个曲率半径弯曲。
所述光纤可以包括多个光纤布拉格光栅(称为FBG)，用于感测绕着轴承的第一圈的圆周均匀分布的位置。例如，所述光纤布拉格光栅用于测量周向槽中的局部应变。
所述槽的特定形状使得所述光纤能够在两个轴向方向上离开所述第一圈，并且不会使所述光纤弯曲到低于最小弯曲半径，例如包括在5mm至10mm之间的最小弯曲半径。所述槽的所述特定形状还允许光纤的感测部分足够靠近待感测的元件而没有任何间隙。
例如，可以使用用于估计实施在具有轴承的轴承组件的电子控制单元中的轴承载荷的载荷估计方法来计算径向载荷和轴向载荷，所述轴承包括第一圈、第二圈、配置在第一圈与第二圈之间的滚动元件列，所述圈中的一个配备有至少一个应变传感器探头，所述应变传感器探头被构造为将应变信号传输到电子控制单元。所述方法包括：使用所述应变信号的谐波分量(harmonic component)来提取所述应变信号的波形的形状信息；以及将轴承载荷估计作为应变信号的所述谐波分量的多项式函数(polynomial function)进行计算。
所述槽的设计允许光纤逐渐地承受由与槽侧壁的摩擦力施加的拉伸载荷。
例如，所述感测光纤由护套保护。
例如，所述周向槽在所述第一正表面附近。
有利地，所述槽的第一分支设置有从所述第一圈的第一正表面在轴向上延伸的第一部分、从所述第一部分延伸并且沿着第一曲率半径弯曲的第二部分以及从所述第二部分朝向所述第一正表面延伸并且沿着第二曲率半径弯曲的第三部分。
所述槽的第一分支的所述第三部分可以伸出到所述第一圈的周向槽中。
例如，所述第一部分是直的并且沿着所述轴承的纵向轴线延伸。
作为替代方案，所述第一分支的第一部分可以至少部分地弯曲或者可以与轴承的纵向轴线形成角度。
有利地，所述槽的第二分支设置有从所述第二正表面在轴向上延伸的第一部分和从所述第一部分延伸并且至少部分地沿着第三曲率半径弯曲的第二部分。
例如，所述槽的第二分支的第一部分是直的并且沿着所述轴承的纵向轴线延伸。
作为替代方案，所述槽的第二分支的第一部分可以至少部分地弯曲或者可以与轴承的纵向轴线形成角度
例如，每个曲率半径包括在5mm至15mm之间，例如等于10mm。
与所述轴承相关联的光纤可以位于所述槽的第一分支中。
在一个实施方式中，所述第一圈的在径向上背对滚道的表面还包括与所述槽不同的附加布线轴向槽(additional routing axial groove)，所述附加布线槽在轴向上从所述第一圈的第一轴向表面(即，第一正表面)延伸到第二轴向表面(即，第二正表面)并且通过倾斜部分与所述槽连通。
在一个实施方式中，所述第一圈的在径向上背对所述第一圈的滚道的表面设置有与所述槽连通的斜槽(sloping groove)，例如，所述斜槽设计为在轴承运输期间通过将光纤缠绕在第一圈上来固定光纤而不会损坏。
所述附加布线槽在轴向上从所述第一圈的第一正表面延伸到第二正表面，并且与所述槽的第一分支的第一部分以及第二分支的第一部分轴向平行。
所述第一圈的在径向上背对滚道的表面还包括第一倾斜槽(inclined groove)和第二倾斜槽，所述第一倾斜槽将所述槽的第一分支的第一部分连接到所述附加布线槽，所述第二倾斜槽将所述槽的第二分支的第一部分连接到所述附加布线槽。所述第一倾斜槽可以沿着与所述第二倾斜槽的倾斜轴线相反的轴线倾斜。
例如，所述斜槽设置在位于所述第一倾斜槽与所述第二倾斜槽之间以及所述第一分支的第二部分与所述第二分支的第二部分之间的部分中。所述斜槽连接到所述槽并且连接到所述附加布线槽。所述斜槽被设计为避免所述光纤在缠绕在所述第一圈的外径上时由于断裂或产生裂纹而损坏。
例如，所述轴承是球轴承。
例如，所述槽设置在外圈(即，第一圈)的外圆周表面上。
作为一种选择，所述槽设置在内圈(即，第二圈)的内圆周表面上。
根据另一方面，本发明涉及一种轴承单元，所述轴承单元包括至少两个如上所述的轴承。所述两个轴承轴向安装，其中它们的正表面中的一个彼此轴向接触。
有利地，第一轴承的附加布线槽接纳与用于感测第二轴承的载荷相关联的第二光纤。例如，两个轴承以背对背构造、面对面构造或串联构造进行组合。
所述附加布线槽允许避免第一轴承的光纤与第二关联轴承的光纤之间的损坏。
在一个实施方式中，所述轴承单元包括防旋转系统，所述防旋转系统包括安装在轴向槽中的销，所述轴向槽设置在两个组合轴承的两个第一圈的背对滚道的表面上，所述轴向槽定位为在径向上背对用于光纤的槽，例如，所述轴向槽与用于光纤的槽相隔180°，所述轴承单元还包括狭槽(slot)，所述狭槽垂直于所述轴向槽，用于接纳塞，所述塞具有用于接纳所述销的通孔。
例如，所述狭槽具有被构造为与所述塞的正倾斜侧面配合的负倾斜侧面(negative beveled side-face)。将销穿过塞将推动塞的倾斜侧面进入外圈的狭槽中，并且因此提供自锁系统。
附图说明
通过研究以非限制性示例给出且由附图示出的具体实施方式的详细描述，将更好地理解本发明及其优点，在附图上：
-图1是根据本发明的实施方式的轴承的立体图；
-图2是图1的轴承的正视图；
-图3是沿着图2的线III-III的截面；
-图4是图1的轴承的详细视图；
-图5至图8示出了根据不同实施方式的轴承单元，其包括以不同方式组装的两个图1的轴承；
-图9是根据本发明的另一实施方式的轴承的立体图；
-图10是图6的轴承单元的视图，示出了防旋转系统；以及
-图11是图10的防旋转系统的详细视图。
具体实施方式
首先参照图1至图4，图1至图4示出了轴承10(例如球轴承)的实施方式，轴承10包括作为第一圈的外圈12、作为第二圈的旋转内圈14、配置在外圈12与旋转内圈14之间的滚动元件16(诸如球)列以及保持架18。
轴承12可以是球轴承类型。然而，本发明不限于球轴承，并且可以应用于圆锥滚子轴承、球面滚子推力轴承、四点角接触球轴承、深沟球轴承、推力球轴承以及任何其他承受组合的轴向载荷和径向载荷的轴承。
如图所示，外圈12是实心的并且在其内圆柱形表面12a上具有圆环形槽12b，圆环形槽12b的曲率半径略大于滚动元件16的半径并且形成用于滚动元件16的轴承滚道。可以通过对钢坯进行机加工或压制来制造外圈12，然后在轴承滚道12b处进行研磨(可选地磨光(lapped)，以使圈12具有其几何特征和其最终表面光洁度。
外圈12还包括在径向上背对内圆柱形表面12a的外圆柱形表面12c。
外圈12还包括两个径向正表面12d、12e，其在轴向上界定内圆柱形表面12a和外圆柱形表面12c。外圈12还包括在第一正表面12d附近并且平行于所述第一正表面12d的周向槽12f。
如图所示，内圈14是实心的并且在其外圆柱形表面14a上具有圆环形槽14b，圆环形槽14b的曲率半径略大于滚动元件16的半径并且形成用于滚动元件16的轴承滚道。可以通过对钢坯进行机加工或压制来制造内圈14，然后在轴承滚道14b处对进行研磨(可选地磨光)，以使圈14具有其几何特征和其最终表面光洁度。
内圈14还包括在径向上背对外圆柱形表面14a的内圆柱形表面14c。内圈14还包括两个径向正表面14d、14e，其在轴向上界定内圆柱形表面14c和外圆柱形表面14a。内圈14的正表面14d、14e在轴向上位于外圈12的对应的正表面12d、12e下方。换句话说，外圈12具有与内圈14的轴向长度相等的轴向长度。
为了监测轴承10的轴向载荷和径向载荷，轴承配备有光学应变计，通常是单个感测光纤(optical sensing fiber)20。为了清楚起见，在图2和图3上没有示出光纤20。
单个光纤20可以包括多个光纤布拉格光栅(称为FBG)，用于感测围绕轴承的圈的圆周均匀分布的位置，例如用于感测附加于滚动元件的至少一个位置。
单个光纤20包括位于所述光纤20的端部处的感测部分20a。通过光学询问器(interrogator)(未示出)进一步分析感测光纤的光学信号。
单个感测光纤20位于设置在轴承10的外圈12的外圆周表面12c上的一个槽30中。光纤20朝向周向槽12f延伸。光纤20的包括光纤布拉格光栅的感测部分20a进入所述周向槽12f中。
光纤20可以部分地被保护套(未标示)包围。光纤20的感测部分20a不被保护套包围，并且可以被称为“裸光纤”。所述感测部分20a可以例如利用粘合剂或涂层固定在周向槽12f中。
作为替代方案，槽30可以设置在第一圈14的内表面14c上。
槽30包括第一分支30a，第一分支30a从第一圈12的第一正表面12d延伸并且至少部分地沿着两个曲率半径R1、R2弯曲以朝向所述第一正表面12d延伸。
槽30还包括第二分支30b，第二分支30b从第一圈12的在轴向上背对第一正表面12d的第二正表面12e延伸，并且连接到第一分支30a。
第一分支30a包括从外圈12的第一正径向表面12d在轴向上延伸的第一部分31以及从所述第一部分31延伸并且沿着第一曲率半径R1弯曲的第二部分32。如图所示，第一分支30a的第一部分31是直的并且沿着轴承10的纵向轴线X-X延伸。作为替代方案，第一分支30a的第一部分31可以至少部分地弯曲或者可以与轴承的纵向轴线X-X形成角度。
第一分支30a还包括从第二部分32朝向第一正表面12d延伸并且沿着第二曲率半径R2弯曲的第三部分33。第三部分33伸出到外圈12的周向槽12f中。
第一部分31、第二部分32和第三部分33形成槽30的从外圈12的第一正径向表面12d延伸到周向槽12f中的第一分支30a。
槽30的第二分支30b包括从第二正表面12e在轴向上延伸的第一部分34和从第二分支30b的所述第一部分34延伸并且沿着第三曲率半径R3弯曲的第二部分35。如图所示，第二分支30b的第一部分34是直的并且沿着轴承10的纵向轴线X-X延伸。作为替代方案，第二分支30b的第一部分34可以是弯曲的或者可以与轴承的纵向轴线X-X形成角度。
第二分支30b的第一部分34与第一分支30a的第一部分31同轴。
第一部分34和第二部分35形成槽30的从第二正径向表面12e延伸到第一分支30a中的第二分支30b。
槽30的两个分支30a、30b形成接近希腊字母λ的特定形状。
曲率半径R1、R2、R3中的每个例如包括在5mm至15mm之间，例如等于10mm。
如图1和图4所示，与轴承10相关联的光纤20位于槽30的第一分支30a中。
通过选择槽30的第一分支30a或第二分支30b，槽30能够使光纤20沿轴向方向中的任一个离开外圈12。
槽30的设计允许光纤20(例如，在其挠曲护套(flexing jacket)中)逐渐地承受由与槽的侧壁的摩擦力施加的拉伸载荷(tensile load)，所述拉伸载荷为至少50N，例如至少100N。
槽30的特定形状能够使光纤20沿两个轴向方向离开外圈12，并且不会使光纤(optical fiber)弯曲到低于最小弯曲半径，并且允许光纤的感测部分20a特别靠近待感测的元件。
如图4所示，如果需要，在外圈12的外表面12c上设置与槽30不同的附加布线槽(additional routing groove)40。作为一种选择，当槽30设置在内圈14上时(通常针对外圈旋转安装)，可以在内圈14的内表面14c上设置附加布线槽。
所述附加布线槽40在轴向上从外圈12的第一正表面12d延伸到第二正表面12e，并且与槽30的第一分支30a的第一部分31以及第二分支30b的第一部分34轴向平行。
外圈12的外表面12c还包括第一倾斜槽42a和第二倾斜槽42b，第一倾斜槽42a将槽30的第一分支30a的第一部分31连接到附加布线槽40，第二倾斜槽42b将槽30的第二分支30b的第一部分34连接到附加布线槽40。第一倾斜槽42a沿着与第二倾斜槽42b的倾斜轴线相反的轴线倾斜。
所述附加布线槽40被构造为接纳用于感测第二轴承10的载荷相关联的第二光纤。
附加布线槽40允许避免第一轴承10的光纤20与第二关联轴承10的光纤之间的损坏。
图5至图8示出了具有两个组合的图1至图4的实施方式的轴承10的轴承单元。槽30的形状允许在彼此处于固定位置的双感测配置中利用与一个轴承10相关联的单个光纤20、22使至少两个轴承以光纤在轴承的背侧离开的方式串联组合(/一前一后组合)(如图5所示)，使至少两个轴承以光纤在轴承的面侧离开的方式串联组合(如图6所示)，或者使至少两个轴承背对背组合(如图7所示)或面对面组合(如图8所示)。
在图5的实施方式中，与第一轴承10相关联的第一光纤20(例如具有保护套)位于第一轴承的外圈12的槽30的第一分支30a中，并且与第二轴承10相关联的第二光纤22位于第二轴承的外圈12的槽30的第一分支30a中并且穿过第一轴承的外圈12的附加布线槽40、第二倾斜槽42b以及第二分支30b的第一部分34。
在图6的实施方式中，与第一轴承10相关联的第一光纤20(例如具有保护套)位于第一轴承的外圈12的槽30的第二分支30b以及第一分支30a的第三部分33中，并且与第二轴承10相关联的第二光纤22位于第二轴承的外圈12的槽30的第二分支30b以及第一分支30a的第三部分33中并且穿过第一轴承的外圈12的附加布线槽40、第一倾斜槽42a以及第一分支30a的第一部分31。
在图7的实施方式中，与第一轴承10相关联的第一光纤20位于第一轴承的外圈12的槽30的第二分支30b以及第一分支30a的第三部分33中，并且与第二轴承10相关联的第二光纤22位于第二轴承的外圈12的槽30的第一分支30a中并且穿过第一轴承的外圈12的附加布线槽40。
在图8的实施方式中，与第一轴承10相关联的第一光纤20位于第一轴承的外圈12的槽30的第一分支30a中，并且与第二轴承10相关联的第二光纤22位于第二轴承的外圈12的槽30的第二分支30b以及第一分支30a的第三部分33中并且穿过第一轴承的外圈12的附加布线槽40。
在图9的实施方式中，其中，相同元件具有相同的附图标记，外圈12的外圆周表面12c设置有连接到槽30并且连接到附加布线槽40的斜槽(sloping groove)44，尤其是位于第一倾斜槽42a与第二倾斜槽42b之间以及第一分支30a的第二部分32与第二分支30b的第二部分35之间的部分(未标示)设置有斜槽44。所述斜槽44被设计为避免光纤20在缠绕在外圈12的外径上时由于断裂或产生裂纹(nicks)而损坏，并且不会在轴承10运输中损坏。
由于防旋转元件，图5至图8的轴承单元可以保持在固定位置。参照图7的实施方式的图10和图11上示出了所述防旋转元件的示例。然而，所述防旋转元件可以应用于图5、图6和图8的实施方式。
防旋转元件包括安装在轴向槽50中的销60，轴向槽50设置在待组合的两个轴承10的两个外圈12的外圆周表面12c上。轴向槽50定位为背对用于光纤20的槽30，例如轴向槽50与用于光纤20的槽30相隔180°。垂直于轴向槽50的狭槽(slot)52设置在外圈12上，并且被构造为接纳塞70。狭槽52具有被构造为与塞70的正倾斜侧面(positive beveled side-face)配合的负倾斜侧面。塞70还包括被构造为接纳销60的居中通孔(未标示)。
将销60穿过塞70将推动塞70的倾斜侧面进入外圈12的狭槽52中，并且因此提供自锁系统。
由于位于槽30中的光纤20，可以使用两种不同方法，即，通过使用来自传感器位置的应变脉冲来估计轴的旋转速度(诸如，滚动元件速度)，以及通过使用应变谱检测(例如使用快速傅里叶变换分析)来估计真实轴速度。那些方法是已知的并且将不再进一步描述。使用这两种方法的检测方法均能够分析由轴承上的速度和载荷引起的与轴承的接触角变化。
由于槽30的特定形状，光纤20被很好地保护以防止在固定到外圈的端部处发生断裂。根据应用的要求，通过避免光纤弯曲半径低于约5mm至10mm，光纤还易于沿任一轴向方向布线。另外，由槽占据的角度空间如此小，使得光纤的光纤布拉格光栅可以以所需距离与至少一个附加光纤布拉格光栅成角度地间隔开。

Claims (10)

1.一种轴承(10)，包括第一圈(12)、第二圈(14)和在径向上位于设置在所述第一圈(12)和所述第二圈(14)上的滚道(12b、14b)之间的至少一列滚动元件(16)，其特征在于，所述轴承还包括单个感测光纤(20)，所述单个感测光纤(20)安装在设置于所述第一圈(12)的在径向上背对所述第一圈(12)的滚道的表面(12c)上的槽(30)中，所述光纤(20)包括至少一个感测部分(20a)；并且，所述槽(30)设置有：
-第一分支(30a)，从所述第一圈(12)的第一正表面(12d)延伸并且至少部分地沿着至少一个曲率半径(R1、R2)弯曲以朝向平行于所述第一正表面(12d)的周向槽(12f)延伸；至少所述光纤(20)的感测部分(20a)伸出到所述周向槽(12f)中；以及
-第二分支(30b)，从所述第一圈(12)的在轴向上背对所述第一正表面(12d)的第二正表面(12e)延伸，并且连接到所述第一分支(30a)，所述第二分支(30b)至少部分地沿着至少一个曲率半径(R3)弯曲。
2.根据权利要求1所述的轴承(10)，其特征在于，所述槽(30)的第一分支(30a)设置有从所述第一圈(12)的第一正表面(12d)轴向地延伸的第一部分(31)、从所述第一部分(31)延伸并且沿着第一曲率半径(R1)弯曲的第二部分(32)以及从所述第二部分(32)朝向所述第一正表面(12d)延伸并且沿着第二曲率半径(R2)弯曲的第三部分(33)。
3.根据权利要求2所述的轴承(10)，其特征在于，所述槽(30)的第一分支(30a)的第三部分(33)伸出到所述第一圈(12)的周向槽(12f)中。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承(10)，其特征在于，所述槽(30)的第二分支(30b)设置有从所述第二正表面(12e)轴向地延伸的第一部分(34)和从所述第一部分(34)延伸并且至少部分地沿着第三曲率半径(R3)弯曲的第二部分(35)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承(10)，其特征在于，与所述轴承(10)相关联的光纤(20)位于所述槽(30)的第一分支(30a)中。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承(10)，其特征在于，所述第一圈(12)的在径向上背对所述滚道(12b)的表面(12c)还包括与所述槽(30)不同的附加布线槽(40)，所述附加布线槽(40)从所述第一圈(12)的第一正表面(12d)轴向地延伸到第二正表面(12e)并且通过倾斜部分(42a、42b)与所述槽(30)连通。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的轴承(10)，其特征在于，所述第一圈(12)的在径向上背对所述第一圈(12)的滚道的表面设置有与所述槽(30)连通的斜槽(44)。
8.一种轴承单元(100、102、104、106)，包括至少两个根据前述权利要求中的任一项所述的轴承(10)，所述轴承(10)以轴向接触的方式安装。
9.根据引用权利要求6的权利要求8所述的轴承单元(100、102、104、106)，其特征在于，第一轴承的附加布线槽(40)接纳与用于感测第二轴承的载荷相关联的第二光纤(22)。
10.根据权利要求9所述的轴承单元(100、102、104、106)，所述轴承单元(100、102、104、106)包括防旋转系统，所述防旋转系统包括安装在轴向槽(50)中的销(60)，所述轴向槽(50)设置在两个组合轴承(10)的两个第一圈(12)的背对滚道的表面上，所述轴向槽(50)在径向上背对用于第一光纤(20)的槽(30)，所述轴承单元还包括狭槽(52)，所述狭槽(52)垂直于所述轴向槽(50)用于接纳塞(70)，所述塞(70)具有用于接纳所述销(60)的通孔。
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