CN112780670A - 具有安装在座上的至少两种类型的感测元件的轴承单元 - Google Patents

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Abstract

一种轴承单元(10)包括座(12)和安装在所述座(12)中的至少一个轴承(14，16，18)。轴承单元(10)包括至少一个载荷感测元件(30，31，32)和固定在座(12)上的至少一个振动感测元件(33，34)。

Description

具有安装在座上的至少两种类型的感测元件的轴承单元
技术领域
本发明涉及轴承的状况监测的领域，用于通过主动地感测载荷来进行控制处理。
更特别地，本发明涉及配备有诸如光纤的光纤感测元件(/纤维光学感测元件)(fiber optical sensing element，称为FOS)的滚动轴承。
背景技术
光纤通常包括用于感测围绕轴承的圈的圆周均匀地分布的位置(例如，用于感测滚动元件之外的至少一个位置)的多个光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratings，称为FBG)。
光纤感测可用于监测机器，诸如，以下面的机器为例：泵、压缩机、风力涡轮机、船舶推进系统、航空推进系统和例如在诸如油气、矿山、船舶、造纸(纸浆和纸张)、航空航天等……的应用中使用的其他旋转机器以及需要长距离信号的任何装备(/设施)(installations)。
可以参照文献US 2016/0305845-A1和US 2013/188897-A1和WO 2011/066926，这些文献描述了具有设置在轴承的外圈的外表面上的周向槽的轴承的示例，所述槽中的每个容纳用于测量轴承载荷的光纤感测元件。
然而，在这种构造中，光纤感测元件在轴承的运输期间遭受到损坏。
在旋转机器中，旋转轴的载荷主要由轴承支承。因此，至关重要的是减少维护时间和组装的复杂性，从而使机器的工作时间最大化。借助状况监测系统，可以改善维护计划。
由于例如在游轮(cruise liner)中使用的轴承的更换操作通常在并非最适合更换轴承的施工场地(construction site)中实现，因此旋转部件可能会暴露于天气、湿气、污染和不受控制的温度漂移中而导致传感器系统的测量精度不足。这可能会导致所述传感器系统的错误校准的风险。
需要改善轴承状况(诸如载荷)的知识(/资料/信息)(knowledge)，以改善轴承寿命的预测和故障检测。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种易于组装，感测元件的损坏风险减小且具有改善的测量精度的轴承单元。
本发明的特别目标在于提供一种轴承单元，轴承单元包括座和安装在所述座内部的至少一个轴承。
轴承单元包括至少一个载荷感测元件和固定在座上的至少一个振动感测元件。
所述至少一个载荷感测元件不同于所述至少一个振动感测元件。换句话说，轴承单元包括座和安装在所述座上的两种不同类型的感测元件。
轴承被构造为支撑从轴作用到轴承座组件的力。可以更换轴承而不损坏座。
座用作载荷单元(/荷重元)(load cell)，放大力并将加速度传递到感测元件。
力和振动信号用作用于轴承状况监测和寿命预测的输入，从而评估轴承性能。
有利地，至少一个载荷感测元件安装在设置在座的孔上的槽中，轴承安装在所述孔中。
例如，轴承在轴向上安装在座的两个轴向相对的肩部之间，所述至少一个载荷感测元件安装在设置在座的肩部中的至少一者上的槽中。
在实施方式中，所述至少一个振动感测元件安装在座的前表面(frontalsurface)上。
在实施方式中，所述至少一个振动感测元件安装在座的外周表面上。
例如，轴承包括在径向上安装在座中的至少两个轴承，例如，一个环形滚子轴承和一个球形滚子推力轴承。
在实施方式中，轴承单元至少包括被构造为传递径向载荷的第一轴承(诸如，以环形滚子轴承为例)以及被构造为传递轴向载荷和径向载荷的两个相邻的第二轴承和第三轴承(诸如，以球形滚子推力轴承为例)，所述第一轴承、所述第二轴承和所述第三轴承在轴向上安装在座的两个轴向相对的肩部之间。
在另一个实施方式中，轴承单元包括至少三个载荷感测元件，所述至少三个载荷感测元件包括：
-第一载荷感测元件，位于设置于座的第一肩部的第一槽中，并与第一轴承轴向接触；
-第二载荷感测元件，位于设置于座的孔的第二槽中，并与第一轴承的外圈径向接触；以及
-第三载荷感测元件，位于设置于座的与第一肩部轴向相对的第二肩部的第三槽中，所述第三载荷感测元件与第三轴承轴向接触。
在实施方式中，轴承单元包括至少两个振动感测元件，所述至少两个振动感测元件包括：
-第一振动感测元件，安装在座的第一前表面上；以及
-第二振动感测元件，安装在所述座的外圆柱形表面上。
载荷感测元件的数量不限于三个。实际上，轴承单元可以包括两个或多于三个的载荷感测元件。
振动感测元件的数量不限于两个。实际上，轴承单元可以包括多于两个的振动感测元件。
例如，载荷感测元件是光纤感测元件。
光纤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。
例如，振动感测元件是压电感测元件。
座被制成为一个部件，或者可以包括多个轴向堆叠的座组件。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施方式的轴承单元的局部剖视图。
具体实施方式
通过研究以非限制性示例的方式给出并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，附图示出了根据本发明的实施方式的轴承单元的局部截面图。
表述“外(/外部)”和“内(/内部)”参考轴承的旋转轴线X-X，内部分比外部分靠近所述旋转轴线。
参照图1，图1示出了包括座(/壳体)(housing)12和三个轴承14、16、18的轴承单元10的实施方式，所述三个轴承14、16、18在径向上安装在座12内部并且被设计为围绕轴1安装。
作为另一种选择，轴承单元10可以包括单个轴承，或者两个轴承，或者高于三个的数量的轴承。
如所示出的，座12在径向上由内圆柱形表面12a和外圆柱形表面12b界定。座12还包括在轴向上界定内圆柱形表面12a和外圆柱形表面12b的两个径向前表面(/前额表面/正表面)(frontal surface)12c、12d。如所示出的，座12包括第一部分13a和在轴向方向上相对于第一部分13a堆叠的第二部分13b。
轴承14、16、18在径向上安装在座12(尤其是第一部分13a)的内表面上或孔12a内部，并且在轴向上安装在所述座12的两个轴向相对的肩部12e、12f之间。第一肩部12e设置在座12的第一部分13a中，而第二肩部12f设置在座12的第二部分13b中。座12的第二部分13b将轴承14、16、18在轴向上保持在座12的第一部分13a内部。
作为非限制性示例的方式，轴承单元10包括第一轴承14，诸如，以被构造为传递径向载荷的环形滚子轴承为例。第一轴承14包括内圈19、外圈20和配置在内圈19与外圈20之间的一列滚动元件21(诸如，以滚子为例)。例如，第一轴承14包括被构造为保持滚动元件的周向间隔的保持架(未示出)。
第一轴承14的内圈19和外圈20为能够绕轴承单元10的旋转轴线X-X旋转的同心圈的形式，外圈20在径向上围绕内圈19。
如所示出的，第一轴承14的外圈20是实心型的，并且在径向上由内圆柱形表面20a和外圆柱形表面20b界定，内圆柱形表面20a具有用于滚动元件21的滚道并且外圆柱形表面20b与座12的内表面12a径向接触。外圈20还包括在轴向上界定内圆柱形表面20a和外圆柱形表面20b的两个相对(背对/)的径向前表面(/正表面)20c、20d。第一前表面20c与座的第一肩部12e轴向接触(/在轴向上接触)，并且第二前表面20d与垫片(shim)15轴向接触，垫片15在轴向上位于第一轴承14与第二轴承16之间。垫片15安装在座的供安装轴承14、16、18的孔12a中。作为一种选择，外圈20的第二前表面20d可以直接接触第二轴承16。
如所示出的，第一轴承14的内圈19是实心型的，并且在径向上由内圆柱形表面19a和外圆柱形表面19b界定，内圆柱形表面19a与轴1径向接触并且外圆柱形表面19b具有用于滚动元件21的滚道。内圈19还包括在轴向上界定内圆柱形表面19a和外圆柱形表面19b的两个相对(/背对)的径向前表面19c、19d。
轴承单元10包括两个相邻的第二轴承16和第三轴承18，诸如，以被构造为传递轴向载荷和径向载荷的球形滚子推力轴承为例。第二轴承16包括内圈22、外圈23以及配置在内圈22与外圈23之间的一列滚动元件24(诸如，以滚子为例)，第三轴承18包括内圈26、外圈25以及布置在内圈26与外圈25之间的一列滚动元件27(诸如，以滚子为例)。例如，第二轴承16和第三轴承18均包括被构造为保持滚动元件的周向间隔的保持架(未标出)。
轴承单元10还包括两个相对的密封元件28、29，每个密封元件28、29安装在座12的相应的肩部12e、12f的孔(未标出)中并且朝向轴1径向向内地延伸。密封元件在轴承的圈之间限制液体、颗粒和灰尘从外部环境渗入。密封元件是带有箍轴弹性部(/箍轴弹簧/卡轴弹性部/卡轴弹簧)(garter shaft spring)的径向轴密封件。作为一种选择，密封元件可以是任何其他类型的。
如所示出的，轴承单元10包括被构造为测量轴承载荷的三个光纤感测元件(/纤维光学感测元件)30、31、32。由轴承的滚动元件作用的载荷被传递到座。可以测量附加的参数，诸如，以压力、温度、保持架速度或旋转方向为例。
光纤感测元件的数量不限于三个。实际上，轴承单元可以包括一个光纤感测元件，或两个光纤感测元件，或高于三个的数量的光纤感测元件。例如，轴承单元可以包括数量与用于滚动元件的外圈滚道的数量相对应的光纤感测元件。
如所示出的，第一光纤感测元件30位于第一槽12g中，第一槽12g设置在座的肩部12e的前表面(未标出)上。所述第一光纤感测元件30与第一轴承14的外圈20的第一前表面20c轴向接触。
轴承单元10还包括位于第二槽12h中的第二光学感测元件31，第二槽12h设置在座12的内表面12a上。所述第二光纤感测元件31与第一轴承14的外圈20的外表面20b径向接触。
轴承单元10还包括位于第三槽12i中的第三光学感测元件32，第三槽12i设置在座12的第二肩部12f的前表面(未标出)上。所述第三光纤感测元件32与第三轴承18轴向接触。
如所示出的，轴承单元10包括被构造为测量轴承的振动的两个压电感测元件33、34。这允许检测任何损坏并在其他组件的任何进一步损坏之前计划维护。
压电感测元件的数量不限于两个。实际上，轴承单元可以包括一个压电感测元件，或多于两个的压电感测元件。
如所示出的，第一压电感测元件33安装在座12的第一前表面12c上，第二压电感测元件34安装在所述座12的外表面12b上。
然后，分别由光纤感测元件和压电感测元件传输的载荷和振动信号可以用作用于轴承状况监测和轴承寿命预测的输入。
传递到轴承的力导致轴承外圈发生弹性变形。如果轴承被损坏，则振动将从损坏的外圈传递到座12。座12因此用作吸收力并将加速度传递到感测元件的载荷单元(/荷重元/测压元件)(load cell)。
座以轴承可以被安装和被拆卸而不会损坏座的方式设计。
轴承单元10可以在实验室条件下在施工现场上组装，然后与轴一起运输到组装现场(assembly site)。因此，感测元件被校准和预加载(preloaded)，这提高了测量精度，因而提高了轴承单元的寿命预测。
由于本发明，容易更换包括感测元件的整个轴承单元，该轴承单元用于时间紧迫的应用(time-critical application)(诸如，以海洋游轮(marine cruise liner)为例)。还可重复使用座以及感测元件，并且在需要时仅更换轴承。

Claims (10)

1.一种轴承单元(10)，包括座(12)和安装在所述座(12)内部的至少一个轴承(14，16，18)，其中，所述轴承单元(10)包括至少一个载荷感测元件(30，31，32)和固定在所述座(12)上的至少一个振动感测元件(33，34)。
2.根据权利要求1所述的轴承单元(10)，其特征在于，所述至少一个载荷感测元件(31)安装在槽(12h)中，所述槽(12h)设置于所述座(12)供所述轴承安装的孔(12a)。
3.根据权利要求1所述的轴承单元(10)，其特征在于，所述轴承(14，16，18)在轴向上安装在所述座的两个轴向相对的肩部(12e，12f)之间，所述至少一个载荷感测元件(30，32)安装在槽(12g，12i)中，所述槽(12g，12i)设置于所述座(12)的肩部(12e，12f)中的至少一者。
4.根据前述权利要求中任一项所述的轴承单元(10)，其特征在于，所述至少一个振动感测元件(33)安装在所述座(12)的前表面(12c)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的轴承单元(10)，其特征在于，所述至少一个振动感测元件(34)安装在所述座(12)的外周表面(12b)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的轴承单元(10)，其特征在于，所述轴承单元(10)至少包括被构造为传递径向载荷的第一轴承(14)以及被构造为传递轴向载荷和径向载荷的两个相邻的第二轴承(16)和第三轴承(18)，所述第一轴承(14)、所述第二轴承(16)和所述第三轴承(18)在轴向上安装在所述座(12)的两个轴向相对的肩部(12e，12f)之间。
7.根据权利要求6所述的轴承单元(10)，其特征在于，所述轴承单元(10)包括至少三个载荷感测元件(30，31，32)，所述至少三个载荷感测元件(30，31，32)包括：
第一载荷感测元件(30)，位于设置于所述座(12)的第一肩部(12e)的第一槽(12g)中，并与所述第一轴承(14)轴向接触；
第二载荷感测元件(31)，位于设置于所述座(12)的孔(12a)的第二槽(12h)中，并与所述第一轴承(14)的外圈(20)径向接触；以及
第三载荷感测元件(32)，位于第三槽(12i)中，所述第三槽(12i)设置于所述座(12)的在轴向上与所述第一肩部(12e)相对的第二肩部(12f)，所述第三载荷感测元件(32)与所述第三轴承(18)轴向接触。
8.根据权利要求6或7所述的轴承单元(10)，其特征在于，所述轴承单元(10)包括至少两个振动感测元件(33，34)，所述至少两个振动感测元件(33，34)包括：
第一振动感测元件(33)，安装在所述座(12)的第一前表面(12c)上；以及
第二振动感测元件(34)，安装在所述座(12)的外圆柱形表面(12b)上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的轴承单元(10)，其特征在于，所述载荷感测元件是光纤感测元件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的轴承单元(10)，其特征在于，所述振动感测元件(33，34)是压电感测元件。
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