CN112747031B - 一种滑动轴承 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种滑动轴承，属轴承监测与新能源技术领域。包括内外圈、挡板、护罩、传感器及电路板，外圈由外圈体与外电极构成，外电极由外极环、外极指及外端子构成，外极指置于外圈体内部；内圈由内圈体和内电极构成，内电极由内极环和内极指构成，内极指置于内圈体的内部，电极环经导电块与内极环滑动接触；内外极指的数量及圆心角相等；内外圈的材料分别为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，内外圈相对转动过程中其接触面间属性不同的感应电荷，两个圆周方向上相邻的内外极指间产生电势差；内外极指在圆周方向上交替地重叠与分离使内外电极间的电势差交替地增加和减小，将机械能转换成电能，所生成的电能经处理后供给传感器和信息发射系统。
Description
技术领域
本发明属于轴承监测与新能源技术领域，具体涉及一种滑动轴承。
背景技术
轴承是机床、载运工具、矿山机械及轻工机械等领域中不可或缺的标准件，也是相关传动系统中最易损的零件之一，旋转机械故障的30%是因轴承失效所造成的。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。轴承及其传动系统的在线监测已经成为发电机、船舶、高铁以及航空器等领域相关设备可靠运行的前提保障，所需监测的性能指标包括温度、振动、转速及噪音等诸多方面。最初的轴承监测系统主要为分体的外挂式结构，属于非接触的远距离间接测量范畴，传感器与信号源间距离较远、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以及基于轴承转动的微型发电装置，较好地解决了系统集成化、测量精度及自主供电等问题。目前所提出的具有自供电监测功能的轴承大都利用电磁原理和压电原理发电，电磁发电的弊端是存在磁干扰、低速时发电能力弱，压电发电的弊端是所需附加空间相对较大、温度过高时会引起压电陶瓷退极化。显然，现有技术在实际应用中还存在较大的局限性，体积小、集成度高、尤其是适于高温环境的具有自供电监测功能的各类轴承依然是各行业所急需的。
发明内容
本发明提出一种滑动轴承，本发明采用的实施方案是：所提出一种滑动轴承主要包括内外圈、挡板、护罩、传感器及电路板，护罩内部安装有电路板和传感器，外圈套在内圈上，内圈一端设有挡圈、另一端经螺钉安装有挡板，外圈经挡板和挡圈限位，护罩经螺钉安装在外圈的端部。
外圈由外圈体、外电极及电极环构成，外电极由外极环、外极指及外端子构成，外极指均布在外极环的右侧，外极指与外极环的轴线平行，外端子位于外极环的外缘上且与外极环的轴线垂直；外极指置于外圈体内部，外极环位于外圈体的左侧，外环体与外圈体同轴且其左侧面平齐；电极环位于外圈体的右侧，电极环与外圈体同轴且其右侧面平齐。
内圈由内圈体和内电极构成，内电极由内极环和内极指构成，内极指均布在内极环的左侧，内极指与内极环的轴线平行；内极指置于内圈体的内部，内极环位于内圈体的右侧；电极环经导电块与内极环滑动接触：内极环经弹簧将导电块顶靠在电极环上，弹簧及导电块置于挡圈上的沉孔内，弹簧一端顶靠在导电块上、另一端顶靠在内极环上；外极环及电极环经导线与电路板相连，电路板经导线与传感器相连。
内外圈的材料分别为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，例如：材料组合可为聚酰胺与聚酰亚胺、聚氯乙烯及聚四氟乙烯等；内外圈为分体结构或整体结构，整体结构是指圈体是通过注塑方法加工的整体结构，注塑过程中将电极嵌入其中；分体结构是指电极内外两侧的圈体分别单独加工制作后再组装，此时外电极嵌入在外圈体的外层里面。
外极指与内极环不重叠，外极环与内极指不重叠，即一个电极的极环与另一个电极的极指不同时处于同一轴截面上；外极指与电极环轴向不接触，外极指与电极环径向不重叠，即二者不处于任一轴截面上。
工作中，内外圈相对转动过程中其接触面间会产生电荷，内外极指上产生感应电荷，因不同材料吸引电子的能力不同，内圈外表面和外圈内表面滑动接触所生成的感应电荷属性不同，如：外圈材料为聚酰胺、内圈材料为聚四氟乙烯，则外圈内表面带正电荷、内圈外表面带负电荷；反之，外圈内表面带负电荷、内圈外表面带正电荷；在内圈外表面和外圈内表面存在异种电荷的情况下，两个圆周方向上相邻的内外极指间产生电势差；内外极指在圆周方向上交替地重叠与分离，从而使内外电极间的电势差交替地增加和减小，将机械能转换成电能，即内外电极经负载连接成回路后即有电流流过和功率输出；所生成的电能经电路板上的转换电路处理后供给传感器和信息发射系统，传感器实时地获得轴承温度、转速或振动参数，所获得的性能参数信息再经电路板上的发射单元发射出去，进而完成轴承的自供电监测过程。
上述工作中，内外极指的重叠是两个相邻的内外极指的圆心角有重叠，内外极指的分离是两个相邻的内外极指的圆心角无重叠；为确保所有的外极指和内极指同时接触或分离，内外极指的数量及圆心角相等且极指占空比均为1，极指占空比是指某个极指的圆心角与两个极指间的指间角的比值；圆心角是指某个极指圆周方向上两个侧边与内圈或外圈的圆心连线间的夹角，指间角是指两个圆周方向相邻的外极指或内极指的相邻侧边与内圈或外圈的圆心连线间的夹角；内外极指完全重叠时其间的电势差最小，内外极指完全脱离时其间的电势差最大。
内外圈相对转动时，单位时间内所产生的电能为：
，其中，
为内极指的数量，n为轴承转速，Q为内极指的圆心角，
为内极指圆周方向的宽度，r为内外圈的接触半径， l为内外极指的有效长度，即l为内外极指的轴向重叠长度，
为真空介电常数，
为内外极指重叠时电极表面的电荷密度，
为有效厚度系数，
，
和
分别为内外圈材料的介电常数，
和
分别为内外圈的有效厚度，即
和
分别为内外极指到内外圈接触面间的距离，
为与内外极指圆周方向重叠度相关的系数
。
优势与特色：总体结构简单、体积小、集成度及可靠性高，无电磁干扰、耐高温，发电单元输出电压受转速影响小或无影响、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视图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3 是本发明一个较佳实施例中外圈的结构示意图；
图4 是图3的左视图；
图5 是图3的B-B剖视图；
图6是本发明一个较佳实施例中内圈的结构示意图；
图7 是图6的左视图；
图8 是图6的C-C剖视图；
图9是本发明一个较佳实施例中左电极的展开示意图；
图10是本发明一个较佳实施例中右电极的展开示意图。
具体实施方式
本发明提出一种滑动轴承，主要包括外圈a、内圈b、挡板c、护罩d、传感器s及电路板p，护罩d的内部安装有电路板p和传感器s，外圈a套在内圈b上，内圈b的一端设有挡圈b2、另一端经螺钉安装有挡板c，外圈a经挡板c和挡圈b1限位，护罩d经螺钉安装在外圈a的端部。
外圈a由外圈体a1、外电极h及电极环k构成，外电极h由外极环h1、外极指h2及外端子h3构成，外极指h2均布在外极环h1的右侧，外极指h2与外极环h1的轴线平行，外端子h3位于外极环h1的外缘上且与外极环h1的轴线垂直；外极指h2置于外圈体a1的内部，外极环h1位于外圈体a1的左侧，外极环h1与外圈体a1左侧面平齐，外环体h1与外圈体a1同轴；电极环k位于外圈体a1的右侧，电极环k与外圈体a1右侧面平齐，电极环k与外圈体a1同轴。
内圈b由内圈体b1和内电极i构成，内电极i由内极环i1和内极指i2构成，内极指i2均布在内极环i1的左侧，内极指i2与内极环i1的轴线平行；内极指i2置于内圈体b1的内部，内极环i1位于内圈体b1的右侧；电极环k经导电块e与内极环i1滑动接触：内极环i1经弹簧f将导电块e 顶靠在电极环k上，弹簧f及导电块e置于挡圈b2上的沉孔b3内，弹簧f的一端顶靠在导电块e上、另一端顶靠在内极环i1上；外极环h1上的外端子h3及电极环k经导线与电路板p相连，电路板p经导线与传感器s相连。
内圈b和外圈a的材料分别为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，例如：材料组合可为聚酰胺与聚酰亚胺、聚氯乙烯及聚四氟乙烯等；外圈a和内圈b为分体结构或整体结构，以外圈a为例，所谓整体结构是指外圈a的外圈体a1是通过注塑方法加工的整体结构，注塑过程中将外电极h嵌入其中；所谓分体结构，是指外电极h内外两侧的圈体a1分别单独加工制作后再组装，此时外电极h嵌入在外圈体a1的外层里面。
外极指h2与内极环i1不重叠，外极环h1与内极指i2不重叠，即一个电极的极环与另一个电极的极指不同时处于同一轴截面上；外极指h2与电极环k轴向不接触，外极指h2与电极环k径向不重叠，即二者不处于任一轴截面上。
工作中，内圈b和外圈a相对转动过程中其接触面间会产生摩擦电荷，外极指h2和内极指i2上产生感应电荷，因不同材料吸引电子的能力不同，内圈b的外表面和外圈a的内表面滑动接触所生成的感应电荷属性不同，如：外圈a的材料为聚酰胺、内圈b材料为聚四氟乙烯，则外圈a的内表面带正电荷、内圈b的外表面带负电荷；反之，外圈a的内表面带负电荷、内圈b的外表面带正电荷；在内圈b的外表面和外圈a的内表面存在异种电荷的情况下，两个圆周方向上相邻的外极指h2和内极指i2之间产生电势差；外极指h2和内极指i2在圆周方向上交替地重叠与分离，从而使外电极h和内电极i间的电势差交替地增加和减小，内外电极经负载连接成回路后即有电流流过和功率输出；所生成的电能经电路板p上的转换电路处理后供给传感器s，传感器s实时地获得轴承温度、转速或振动参数，所获得的性能参数信息再经电路板p上的发射单元发射出去，进而完成轴承的自供电监测过程。
上述工作中，外极指h2和内极指i2的重叠是两个相邻的外极指h2和内极指i2的圆心角有重叠，外极指h2和内极指i2的分离是两个相邻的外极指h2和内极指i2的圆心角无重叠；为确保所有的外极指h2和内极指i2同时接触或分离，外极指h2和内极指i2的数量及圆心角相等且极指占空比均为1，占空比是指某个极指的圆心角Q与两个极指间的指间角q的比值；外极指h2和内极指i2的圆心角Q是指某个极指圆周方向两个侧边与内圈a或外圈b的圆心连线间的夹角，指间角q是指两个圆周方向相邻的外极指h2或内极指i2的相邻侧边与内圈a或外圈b的圆心连线间的夹角；图2所示为外极指h2与内极指i2完全重叠的情况；内极指i2和外极指h2完全重叠时其间的电势差最小，内极指i2与外极指h2完全脱离时其间的电势差最大。
内圈b和外圈a相对转动时，单位时间内所产生的电能为：
，其中，
为内极指i2或外极指h2的数量，n为轴承转速，Q为内极指i2或外极指h2的圆心角，
为内极指圆周方向的宽度，r为内外圈的接触半径， l为内外极指的有效长度，即l为内外极指的轴向重叠长度，
为真空介电常数，
为内外极指重叠时电极表面的电荷密度，
为有效厚度系数，
，
、
分别为外圈材料介电常数和内圈材料介电常数，
和
分别为外圈a和内圈b的有效厚度，即
和
分别为外极指h2和内极指i2到内外圈接触面间的距离，
为与内外极指圆周方向重叠度相关的系数
。
Claims (3)
1.一种滑动轴承，包括内外圈、挡板、护罩、传感器及电路板，其特征在于：护罩内部装有电路板和传感器，外圈套在内圈上，内圈一端设有挡圈，护罩装在外圈端部，外圈由外圈体、外电极及电极环构成，外电极由外极环、外极指及外端子构成，外极指均布在外极环的右侧，外极指置于外圈体内部；内圈由内圈体和内电极构成，内电极由内极环和内极指构成，内极指均布在内极环的左侧，内极指置于内圈体的内部，电极环经导电块与内极环滑动接触；内外极指的数量及圆心角相等且极指占空比均为1；外极指与内极环不重叠，外极环与内极指不重叠，外极指与电极环轴向不接触，外极指与电极环径向不重叠；内外圈的材料分别为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，内外圈相对转动过程中其接触面间产生属性不同的感应电荷，两个圆周方向上相邻的内外极指间产生电势差；内外极指在圆周方向上交替地重叠与分离使内外电极间的电势差交替地增加和减小，将机械能转换成电能，所生成的电能经处理后供给传感器和信息发射系统。
2.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于：内外圈的材料组合为聚酰胺与聚酰亚胺、聚氯乙烯或聚四氟乙烯；内外圈为分体结构或整体结构。
3.根据权利要求1所述的滑动轴承，其特征在于：外极指与外极环的轴线平行，外极环和电极环位于外圈体的左右两侧，外环体和电极环与外圈体同轴且分别与外圈体的左右侧面平齐；内极指与内极环的轴线平行，内极环位于内圈体的右侧，内极环经弹簧将导电块顶靠在电极环上。
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