CN112709756A - 带有超声波距离传感器的滚动轴承 - Google Patents

带有超声波距离传感器的滚动轴承 Download PDF

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Abstract

轴承包括第一圈(10)、第二圈(12)以及成列的轴向滚动元件(18)和径向滚动元件(22)，轴向滚动元件配置在设置在圈上的径向滚道(26、28)之间，径向滚动元件配置在设置在所述圈上的轴向滚道(34、36)之间。第二圈包括突出鼻部40，该突出鼻部接合到第一圈的环形槽(38)中，并且设置有其上形成有轴向滚道(34)的轴向圆柱形表面。轴承还包括至少一个超声波距离传感器(24)，该至少一个超声波距离传感器安装在第一圈上并且与第二圈的鼻部的轴向圆柱形表面径向接触，超声波距离传感器具有发射和接收的声波的主辐射方向，主辐射方向朝向第二圈的相对于滚动轴承的旋转轴线X‑X'倾斜的表面取向。

Description

带有超声波距离传感器的滚动轴承
技术领域
本发明涉及滚动轴承的领域。
本发明特别涉及大直径滚动轴承(large-diameter rolling bearing)的领域，所述大直径滚动轴承可供应(/调节/适应)(accommodate)轴向负载和径向负载，并且具有绕着在轴向方向上延伸(run)的旋转轴线同心地配置的内圈和外圈。
背景技术
这种大直径滚动轴承可以用于例如隧道掘进机(/隧道钻机)(tunnel boringmachine)、采矿挖掘机(mining extraction machine)或风力涡轮机中。
一种大直径滚动轴承包括两个同心(/同轴)(concentric)的内圈和外圈以及配置在内圈与外圈之间的至少两列滚动元件(诸如，滚子)。这种滚动轴承通常在轴向上和在径向上承载常常相对大的负载(/载荷)。在这种情况下，参照定向滚子轴承或回转(slew)滚子轴承。
由于重负载，滚动轴承的部件(更具体地为滚动元件的滚道)磨损。圈和滚动元件的磨损导致初始轴承间隙(clearance)的显著增加。超过一定值的磨损可能会导致严重的轴承故障。
通过由于间隙增加导致的圈的相对轴向和径向位移来测量轴承的磨损有助于预测轴承的剩余寿命。
这种不希望的运动影响轴承和应用的正常运行，且具有使轴承圈接触和碰撞(collide)的风险。附接到轴承圈的其他元件也可能会碰撞。
通常在轴承磨损时更换轴承。这种维护干预是昂贵的，尤其是因为机器或设施需要停机。因此，期望在轴承圈之间的任何接触之前及时地执行这种维护干预，但也不要太早。
为了在其服务寿命(/使用寿命)期间监测轴承状态，在专利申请FR-A1-3041396中公开的滚动轴承包括固定到内圈的环形磁性目标(/靶/对象)以及安装在外圈上并且面对磁性目标的传感器。相应地，可以检测内圈与外圈之间的轴向相对运动和角相对运动。
然而，这需要将环形磁性目标安装在直径可以为几米的内圈上。
还可以参考在专利US-B2-10041545中公开的并且包括编码器的滚动轴承，所述编码器设置有磁条部，所述磁条部以平坦的方式抵靠外圈附接，并且与固定到内圈的传感器协作。
然而，利用这种构造，不管圈的旋转位置如何，都不可能测量内圈与外圈之间的轴向相对运动，而是仅当外圈处于其中磁条部在内圈的传感器前方的旋转位置上时，才可以测量内圈与外圈之间的轴向相对运动。
此外，在使用上面提及的文献中公开的这种磁性目标的情况下，测量内圈与外圈之间的轴向位移受径向位移的影响。实际上，当测量磁性目标的轴向位移时，目标与传感器之间的空隙(/气隙)(airgap)随着圈之间的径向相对运动而变化，使得测量精度较低，甚至无法测量。
发明内容
本发明的一个目的是克服这些缺点。
本发明涉及一种滚动轴承，所述滚动轴承包括第一圈、第二圈、至少一列轴向滚动元件和至少一列径向滚动元件，所述至少一列轴向滚动元件配置在设置在所述圈上的径向滚道之间，所述至少一列径向滚动元件配置在设置在所述圈上的轴向滚道之间，以形成可以传递径向力的径向推力。
所述第二圈包括突出鼻部(nose)，所述突出鼻部接合到所述第一圈的环形槽(/凹槽)(groove)中，并且设置有其上形成有所述第二圈的轴向滚道的轴向圆柱形表面。
根据一般特征，所述滚动轴承还包括至少一个超声波距离传感器，所述至少一个超声波距离传感器安装在所述第一圈上，并且与所述第二圈的鼻部的其上形成有所述轴向滚道的轴向圆柱形表面径向接触。
所述超声波距离传感器具有发射和接收的声波的主辐射方向，所述主辐射方向朝向所述第二圈的相对于所述滚动轴承的旋转轴线倾斜的表面取向。
术语“轴向滚动元件”被理解为是指适于供应(/调节/适应)(accommodate)轴向负载的滚动元件，而术语“径向滚动元件”被理解为是指适于供应径向负载的滚动元件。
由于本发明，不管圈的旋转位置如何，都可以准确地检测圈之间的轴向相对位移。实际上，由所述超声波距离传感器检测所述第二圈的倾斜表面相对于所述第一圈的轴向位置。
另外，所述超声波距离传感器与所述鼻部的形成所述圈的轴向滚道的轴向圆柱形表面接触，从而形成在轴承旋转期间具有低摩擦的良好质量和润滑的表面。相应地，由于使用了鼻部的该轴向圆柱形表面，因此在相关联的圈上不需要额外的表面来测量。例如，所述鼻部的轴向圆柱形表面可以是被磨削的(ground)。
优选地，所述滚动轴承还包括预应力元件，所述预应力元件布置在所述第一圈与所述超声波距离传感器之间，以保持所述传感器与所述第二圈的鼻部的其上形成有所述轴向滚道的轴向圆柱形表面的接触。
所述预应力元件在所述超声波距离传感器上施加永久力，以确保与所述第二圈的鼻部的径向接触，尤其确保在圈之间的相对径向位移的情况下与所述第二圈的鼻部的径向接触。所述预应力元件可以包括弹簧。
有利地，所述第一圈包括径向通孔，所述超声波距离传感器至少部分地布置在所述径向通孔内部。所述第一圈的径向通孔可以从在径向上位于与所述第二圈相对的一侧的轴向圆柱形表面延伸，并且在所述第一圈的相对轴向圆柱形表面上开口，所述相对轴向圆柱形表面在径向上面对所述第二圈的鼻部的其上形成有所述轴向滚道的轴向圆柱形表面。
相应地，所述传感器插入到所述径向通孔中，并且以容易的方式配置在其最终位置中。所述第一圈还可以包括密封所述通孔的塞子(/插塞)(plug)。
所述第二圈的突出鼻部还可以设置有两个相对的径向侧面(/侧翼)(flank)，所述径向侧面在轴向上界定所述轴向圆柱形表面，所述径向侧面中的一个径向侧面至少部分地界定所述第二圈的径向滚道。
在一个实施方式中，所述滚动轴承包括至少两列轴向滚动元件，每个轴向滚动元件配置在设置在所述圈上的径向滚道之间，所述两列轴向滚动元件在轴向上布置在所述第二圈的鼻部的两侧(each side)。
附图说明
通过研究通过非限制性示例给出并且通过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，在附图中，图1是根据本发明的示例的滚动轴承的部分截面。
具体实施方式
如图1所示的滚动轴承是包括第一圈10和第二圈12的大直径滚动轴承(large-diameter rolling bearing)。在所示出的示例中，第一圈10是外圈，而第二圈12是内圈。滚动轴承例如可以用于隧道掘进机(tunnel boring machine)、风力涡轮机或使用大直径滚动轴承的任何其他应用中。
外圈10和内圈12是同心的(/同轴的)(concentric)并且沿着轴承旋转轴线X-X'在轴向上延伸，轴承旋转轴线X-X'在轴向方向上延伸(run)。圈10、12是实心型(/固体式)(solid type)的。
外圈10形成为开口圈(/分离圈/分离式圈)(split ring)，并且包括在轴向方向上相对于彼此堆叠的第一圈14和第二圈16。外圈的第一圈14和第二圈16中的每个设置有多个对准的通孔(未示出)，以通过装配螺栓而接合。
在所示出的示例中，滚动轴承包括：两列轴向滚子18、20，配置在外圈10与内圈12之间以形成轴向推力；以及一列径向滚子22，配置在所述圈之间以形成径向推力。
如稍后将描述的，滚动轴承还包括用于检测外圈10与内圈12之间的轴向相对位移的超声波距离传感器24。在所示出的示例中，超声波距离传感器24安装在外圈10上。
一列的滚子18、20、22彼此相同。每个滚子18、20、22包括圆柱形外滚动表面和界定所述外滚动表面的两个相对的前端表面(frontal end surface)。每个滚子22的旋转轴线平行于轴承的轴线X-X'并且垂直于每个滚子18、20的轴线。在所示出的示例中，滚子18的轴向长度大于滚子20的轴向长度。作为另一种选择，滚子18的轴向长度可以小于或者可以等于滚子20的轴向长度。
滚子18在轴向上配置在形成在内圈12上的环形径向滚道26与形成在外圈10上的环形径向滚道28之间。每个径向滚道26、28在截面中具有与滚子18的滚动表面接触的直的内轮廓。滚道26、28在轴向方向上彼此面对。
滚子20在轴向上配置在形成在内圈12上的环形径向滚道30与形成在外圈10上的环形径向滚道32之间。每个径向滚道30、32在截面中具有与滚子20的滚动表面接触的直的内轮廓。滚道30、32在轴向上彼此面对。成列的滚子18和成列的滚子20在轴向方向上彼此间隔开。
滚子22在径向上配置在形成在内圈12上的环形轴向滚道34与形成在外圈10上的环形轴向滚道36之间。每个轴向滚道34、36在截面中具有与滚子22的滚动表面接触的直的内轮廓。滚道34、36在径向方向上彼此面对。滚子22列在径向上相对于滚子18列、滚子20列向外偏移。滚子22列在轴向上位于滚子18列与滚子20列之间。
外圈10包括环形槽(/凹槽)(groove)38，环形槽38在径向方向上向内朝向内圈12开口。外圈10包括阶梯式(/台阶式)(stepped)圆柱形内孔10a，槽38由阶梯式圆柱形内孔10a形成。外圈10还包括在径向上与孔10a背对的圆柱形外表面10b。外圈10还包括在轴向上界定所述圈的孔10a和外表面10b的两个背对的径向前表面10c、10d。
内圈12包括环形突出鼻部(nose)40，环形突出鼻部40接合到外圈的环形槽38中。鼻部40在径向上向外延伸。
内圈12包括圆柱形内孔12a以及在径向上与孔12a背对的阶梯式圆柱形外表面12b。在所示出的示例中，内圈的孔12a设置有齿轮齿(/轮齿)(gear teeth)(未示出)。内圈12还包括在轴向上界定孔12a和圆柱形外表面12b的两个背对的径向前表面12c、12d。突出鼻部40在径向上从圆柱形外表面12b突出。
滚子18列、滚子20列在轴向上配置在内圈的鼻部40与外圈的槽38之间。滚子18列、滚子20列布置在内圈的鼻部40的两侧。径向滚道26位于鼻部40和内圈的阶梯式圆柱形外表面12b的径向部分上。作为另一种选择，径向滚道26可以完全位于鼻部40上。径向滚道30位于鼻部40上。径向滚道28、32位于外圈的槽38上。
更准确地，鼻部40的第一径向侧面(/侧翼)(flank)部分地界定用于滚子18的径向滚道26。槽38的在轴向上与鼻部40的第一径向侧面面对的第一径向侧面界定用于滚子18的径向滚道28。鼻部40的第二侧面和槽38的相对第二侧面分别界定用于滚子20的径向滚道30、32。鼻部40的相对的第一侧面和第二侧面在轴向上界定所述鼻部。类似地，槽38的相对的第一侧面和第二侧面在轴向上界定所述槽。鼻部40的第一侧面和第二侧面中的每个在径向上延伸内圈的圆柱形外表面12b。
滚子22列在径向上配置在内圈的鼻部40与外圈的槽38之间。轴向滚道34、36分别位于鼻部40和槽38上。鼻部40的圆柱形外表面界定轴向滚道34。鼻部40的所述圆柱形外表面和圆柱形外表面12b在径向上错开。结果，轴向滚道34和圆柱形外表面12b也在径向上错开。鼻部40的圆柱形外表面在所述鼻部的相对径向侧面之间在轴向上延伸。
槽38的轴向底部界定轴向滚道36。在所示出的示例中，环形槽(/狭槽)(slot)41形成在槽38的底部中并且界定轴向滚道36。轴向滚道36在径向上面对鼻部40的圆柱形外表面，轴向滚道34形成到鼻部40的圆柱形外表面上。
在所示出的示例中，内圈12制成一个部分(/一件式)(one part)。作为另一种选择，内圈12可以在轴向方向上划分为固定在一起的至少两个单独的部分。在另一变型中，鼻部40可以与内圈的主要部分(/主体部分)分开地制成。
如前面所提及的，外圈10在轴向方向上划分为两个单独的部分，即，第一圈14和第二圈16。第一圈14和第二圈16一起界定槽38。径向滚道28位于第一圈14上，并且径向滚道32位于外圈的第二圈16上。
如前面所提及的，超声波距离传感器24被设置为检测外圈10与内圈12之间的轴向相对位移。超声波距离传感器24在径向上与内圈的鼻部40的界定轴向滚道34的圆柱形外表面接触。
外圈14设置有径向通孔42，传感器24部分地定位在径向通孔42内部。通孔42从外圈的外表面10b延伸并且在孔10a上开口。通孔42在径向上面对内圈的鼻部40的界定轴向滚道34的圆柱形外表面。
传感器24安装到通孔42中，并且在径向上突出到设置在内圈的鼻部40与外圈的槽38之间的径向空间中，以在径向上与所述鼻部接触。传感器24与鼻部40的该圆柱形外表面直接接触。优选地，通孔42的形状与传感器24的形状互补。
在所示出的示例中，由于鼻部40的圆柱形外表面的由滚子22留下自由的长度在轴向上在该侧较大，因此传感器24在轴向上位于径向滚子22列与轴向滚子20列之间。作为另一种选择，可以将传感器24在轴向上布置在径向滚子22列与轴向滚子18列之间。
外圈10还包括塞子(/插塞)(plug)44，塞子44封闭并且密封通孔42。塞子44在径向上定位到通孔42中。塞子44通过任何适当的手段固定在通孔42内部，例如，塞子44通过压配(force-fitting)固定在通孔42内部。塞子44与外圈10的圆柱形外表面10b齐平(flush)。
滚动轴承还包括弹簧46，弹簧46在径向上介于塞子44与传感器24之间。弹簧46在传感器24上施加径向预应力永久力(radial pre-stressing permanent force)，以便确保传感器24与内圈的鼻部40的圆柱形外表面之间的恒定接触。弹簧46用作预应力元件。弹簧46的第一端支撑抵靠塞子44，并且相对的第二端支撑抵靠传感器24。在所示出的示例中，弹簧46是压缩弹簧。作为另一种选择，可以设置其他预应力元件(例如，弹性垫圈(诸如，蝶形垫圈(/贝式垫圈)(Belleville washer)))以在传感器24上施加永久力。
超声波距离传感器24包括安装到外圈的通孔42中的传感器主体50，并且在径向上与内圈的鼻部40的界定轴向滚道34的圆柱形外表面接触。
在所公开的示例中，超声波距离传感器24还包括用于传输感测数据的输出连接线缆52，输出连接线缆52相对于传感器主体50向外延伸。输出线缆52在径向上向外延伸。塞子44设置有贯通开口(未示出)，其中，输出线缆52可以穿过该贯通开口。输出线缆52将传感器24连接到控制单元(未示出)，以传输感测到的测量结果。作为另一种选择，在无线传感器的情况下，传感器24可以不具有这种输出线缆。
传感器的传感器主体50具有在径向上延伸的纵向轴线54。轴线54还形成传感器24的纵向轴线。如由虚线中的箭头示意性地示出的，传感器24具有发射和接收的声波的主辐射方向56，主辐射方向56相对于所述传感器的径向纵向轴线54倾斜。换句话说，辐射方向56与径向纵向轴线54形成角度。传感器的辐射方向56倾斜地向内延伸。
在所示出的示例中，传感器的辐射方向56朝向内圈的径向滚道26的连接到圆柱形外表面12b的小直径部分的边缘取向。因此，由传感器24检测内圈12的所述边缘相对于外圈10的轴向相对位移。
实际上，传感器24发射声波穿过内圈12，声波被所述内圈的径向滚道26的边缘反射并且被接收回传感器中。发射与接收之间经过的时间与内圈的径向滚道26的边缘的距离成比例，并且因此允许检测所述边缘相对于外圈10的轴向相对位移轴向。传感器24允许同时检测内圈的径向滚道26上的裂纹。
作为另一种选择，由传感器24发射和接收的声波的辐射方向56可以朝向径向滚道26的另一区域取向，以用于检测内圈12相对于外圈14的轴向位置。在另一变型中，例如在滚子18的轴向长度减小的情况下，传感器24的辐射方向56可以指向内圈的前径向表面12d。更一般地，传感器24的辐射方向56可以指向内圈12的相对于轴线X-X'倾斜的任何表面，以用于检测所述表面相对于外圈14的轴向位置。例如，所述表面可以是在径向上延伸或相对于轴线X-X'倾斜地延伸的表面。
滚动轴承还在两侧包括环形密封件58、60，环形密封件58、60安装在内圈12上并且被设置为封闭存在于圈10、12之间的径向空间。该径向空间限定在外圈的孔10a与内圈的圆柱形外表面12b和鼻部的外表面之间。
封闭空间62限定在内圈12和外圈14与密封件58、60之间，传感器24以及滚动元件18列、滚动元件20列和滚动元件22列容纳在封闭空间62中。
每个密封件58、60安装到形成在内圈的圆柱形外表面12b上的槽(未示出)中，并且与外圈10接触。密封件58与外圈的径向前表面10c接触。密封件60在轴向上靠近滚子18列与外圈的孔10a接触。作为另一种选择，可以为密封件58、60中的至少一个提供相反的构造，其中，所述密封件安装在外圈10上并且与内圈12摩擦接触。
另外，如前面所提及的，在该示出的示例中，滚动轴承的第一圈是外圈10，而第二圈是内圈12。
作为替代方案，可以提供相反的构造，其中，第一圈形成内圈并且第二圈形成外圈。在这种情况下，形成在内圈上的槽在径向上向外开口，并且外圈的鼻部在径向上向内延伸。超声波距离传感器安装在内圈上，并且与鼻部的圆柱形轴向内表面径向接触，圆柱形轴向内表面形成所述鼻部的孔，并且外圈的轴向滚道形成在圆柱形轴向内表面上。
在所描述的示例中，滚动轴承设置有包括三列滚动元件的滚动轴承。作为另一种选择，滚动轴承可以仅包括两列滚动元件、或者四列或更多列滚动元件。在所示出的示例中，滚动元件是滚子。滚动轴承可以包括其他类型的滚动元件，例如，球。

Claims (10)

1.一种滚动轴承，包括第一圈(10)、第二圈(12)、至少一列轴向滚动元件(18)和至少一列径向滚动元件(22)，所述至少一列轴向滚动元件(18)配置在设置在所述圈上的径向滚道(26、28)之间，所述至少一列径向滚动元件(22)配置在设置在所述圈上的轴向滚道(34、36)之间，所述第二圈(12)包括突出鼻部(40)，所述突出鼻部接合到所述第一圈的环形槽(38)中，并且设置有其上形成有所述第二圈的轴向滚道(34)的轴向圆柱形表面，其特征在于，所述滚动轴承还包括至少一个超声波距离传感器(24)，所述至少一个超声波距离传感器(24)安装在所述第一圈(10)上，并且与所述第二圈的鼻部(40)的其上形成有所述轴向滚道(34)的轴向圆柱形表面径向接触，所述超声波距离传感器(24)具有发射和接收的声波的主辐射方向，所述主辐射方向朝向所述第二圈的相对于所述滚动轴承的旋转轴线(X-X')倾斜的表面取向。
2.根据权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，所述滚动轴承还包括预应力元件(46)，所述预应力元件(46)布置在所述第一圈(10)与所述超声波距离传感器(24)之间，以保持所述传感器与所述第二圈的鼻部(40)的其上形成有所述轴向滚道(34)的轴向圆柱形表面之间的接触。
3.根据权利要求2所述的滚动轴承，其特征在于，所述预应力元件(46)包括弹簧。
4.根据前述权利要求中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述第一圈(10)包括径向通孔(42)，所述超声波距离传感器(24)至少部分地布置在所述径向通孔(42)内部。
5.根据权利要求4所述的滚动轴承，其特征在于，所述第一圈的径向通孔(42)从在径向上位于与所述第二圈相对的一侧的轴向圆柱形表面(10b)延伸，并且在所述第一圈的相对轴向圆柱形表面(10a)上开口，所述相对轴向圆柱形表面在径向上面对所述第二圈的鼻部(40)的其上形成有所述轴向滚道(34)的轴向圆柱形表面。
6.根据权利要求4或5所述的滚动轴承，其特征在于，所述第一圈(10)还包括密封所述通孔(42)的塞子(44)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述第二圈的突出鼻部(40)还设置有两个相对的径向侧面，所述径向侧面在轴向上界定所述轴向圆柱形表面，所述径向侧面中的一个径向侧面至少部分地界定所述第二圈的径向滚道(26)。
8.根据权利要求7所述的滚动轴承，其特征在于，所述滚动轴承包括至少两列轴向滚动元件(18、20)，每列轴向滚动元件配置在设置在所述圈上的径向滚道(26、28、30、32)之间，所述两列轴向滚动元件(18、20)在轴向上布置在所述第二圈的鼻部(40)的两侧。
9.根据前述权利要求中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述第二圈的鼻部(40)的其上形成有所述轴向滚道(34)的轴向圆柱形表面被磨削。
10.根据前述权利要求中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述第一圈(10)是外圈，所述第二圈(12)是内圈。
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