CN112834213B - 一种变速箱状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变速箱状态监测系统，属自供电监测与新能源技术领域。左右壳体装在定圈两侧，左右挡板装在动圈两侧，壳体和挡板上装有电路板和传感器；转轴和右挡板上分别镶嵌有主被动磁铁，滚柱装在定动圈之间并被隔成滚柱组，定圈由定圈体及左右定电极组构成，动圈由动圈体及左右动电极组构成；定动电极环压分别接在其所靠近的定或动电极组的定端子上；滚柱与动定电极滚动接触生成异种感应电荷，左右定动电极组之间分别存在电势差，滚柱转动时滚柱组与各定动电极组中的电极交替地接触与分离，左右定电极组之间及左右动电极组之间的电势差交替增减并将机械能转换成电能，所生成的电能供给传感器，传感器所获得参数经发射单元发射出去。

Description

一种变速箱状态监测系统

技术领域

本发明属于自供电监测与新能源技术领域，具体涉及一种变速箱状态监测系统。

背景技术

轴承、齿轮、轮轴等是机床、载运工具、风力发电机、矿山机械及轻工机械等领域中不可或缺的常规件，也是相关传动系统中最易损的零件。由于变速箱中的零部件大都工作在变速变载荷环境下，故易发生故障，约有有30%的故障因轴承失效所引起的；此外，变速箱出现故障时维修困难、且成本高，风电变速箱运行及维护成本高达总运行成本的30％。因此，人们提出了多种形式的变速箱状态实时监测系统与方法，以期实时获得变速箱的各相关状态参数及时发现并解决问题，从而降低设备损坏程度及维修成本。目前，风电变速箱监测的要素包括齿轮、轴承及轮轴等运动部件的载荷、振动及温度等诸多方面。最初的变速箱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，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监测系统以及基于轴系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。目前所提出的自供电监测系统大都是利用电磁原理和压电原理发电的，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变速箱监测系统依然是各行业所急需的。

发明内容

本发明提出一种变速箱状态监测系统，本发明采用的实施方案是：所提出的一种变速箱状态监测系统主要包括定圈、动圈、滚柱、支架、左壳体、右壳体、左挡板、右挡板；左右壳体经螺钉安装在定圈的左右两侧，左右挡板经螺钉安装在动圈的左右两侧，左右壳体上均设有定电极环，左右挡板上均设有动电极环，左壳体和左挡板上安装有电路板和传感器；右挡板上镶嵌有一组被动磁铁，转轴上镶嵌有主动磁铁，主被动磁铁数量及安装半径相同且异性磁极相对安装；滚柱经支架安装在定动圈之间，支架由侧板和隔板构成，隔板将滚柱分隔成滚柱组，滚柱组的数量大于等于2，各滚柱组所含滚柱的数量相等。

定圈由定圈体及左右定电极组构成，定圈体上设有定导线孔，左右定电极组均由定电极构成；定电极由定电极体和定端子构成；定电极体与定圈体的轴线平行、定端子由定圈体的内缘指向外缘；左右定电极组中的定电极交叉且均布排列，即各定电极沿定圈体的圆周方向均布且两个圆周方向上相邻的定电极的定端子的安装方向相反，左定电极组中的定端子位于定圈体的左侧，右定电极组中的定端子位于定圈体的右侧；定电极体嵌入于定圈体中，定电极体和定圈体共同形成定圈内孔。

动圈由动圈体及左右动电极组构成，动圈体上设有动导线孔，左右动电极组均由动电极构成；动电极由动电极体和动端子构成；动电极体与动圈体的轴线平行、动端子由动圈体的外缘指向内缘；左右动电极组中的动电极交叉且均布排列，即各动电极沿动圈体的圆周方向均布且两个圆周方向上相邻的动电极的动端子的安装方向相反，左动电极组中的动端子位于动圈体的左侧，右动电极组中的动端子位于动圈体的右侧；动电极体嵌入于动圈体中，动电极体和动圈体共同形成动圈外圆。

定电极、动电极及滚柱组具有相等的圆心角，定电极的圆心角是指定电极体圆周方向弧长所对应的圆心角，动电极的圆心角是指动电极体圆周方向弧长所对应的圆心角，滚柱组的圆心角是指滚柱组最外侧两个滚柱上经过定圈或动圈圆心的切线间的夹角。

左右壳体上的定电极环压分别接在其所靠近的定电极组的定端子上、与另一定电极组中的定电极不接触，左右挡板上的动电极环分别压接在其所靠近的动电极组的动端子上、与另一动电极组中的动电极不接触；右定电极组和右动电极组的导线分别经定导线孔和动导线孔与左壳体或左挡板上的电路板连接。

工作中，定圈安装在机床箱体上，动圈与转轴同轴；转轴转动时，转轴经主被动磁铁的耦合作用力带动动圈转动，滚柱在动定圈之间滚动，滚柱与动定电极相互接触并滚动的过程中会产生电荷，由于不同材料吸引电子的能力不同，滚柱与动定电极滚动接触生成异种感应电荷，即分别为正电荷或负电荷；在滚柱和动定电极的表面存在异种静电荷的情况下，左右定电极组之间及左右动电极组之间分别存在电势差，滚柱转动时滚柱组与各定动电极组中的电极交替地接触与分离，从而使左右定电极组之间及左右动电极组之间的电势差交替地增加和减小并将机械能转换成电能，左右定电极组之间及左右动电极组间分别经负载连接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，传感器实时地获得变速箱温度、转速或噪音等参数，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，进而完成监测系统的自供电监测过程。

上述工作中，滚柱组与某个电极组接触是指所述滚柱组的圆心角与所述电极组的圆心角有重叠，滚柱组与某个电极分离是指所述滚柱组的圆心角与所述电极组的圆心角无重叠。

本发明中，各个部件间相对运动生成的电荷特性与零部件材料有关，动定圈体、左右壳体、左右挡板及支架材料为绝缘材料；动定电极的材料为相同的金属，如铜或铝；滚柱的材料为非金属，如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺及有机玻璃等；具体地，如：动定电极材料为黄铜、滚柱的材料为聚四氟乙烯时，滚柱带负电荷、动定电极带正电荷。

优势与特色：能量自给、无需改变变速箱结构，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；置于轴端，安装方便；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监测系统的结构剖面图；

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定圈的结构示意图；

图4是图3的左视图；

图5 是本发明一个较佳实施例中动圈的结构示意图；

图6是图5的左视图。

具体实施方式

本发明提出一种变速箱状态监测系统，主要包括定圈a、动圈b、滚柱c、支架d、左壳体e、右壳体f、左挡板g、右挡板h；左壳体e和右壳体f经螺钉安装在定圈a的两侧，左挡板g和右挡板h经螺钉安装在动圈b的两侧，左壳体e和右壳体f上均设有定电极环i，左挡板g和右挡板h上均设有动电极环j，左壳体e和左挡板g上安装有电路板p和传感器s；右挡板h上镶嵌有一组被动磁铁k，转轴Z上镶嵌有主动磁铁m，主动磁铁m和被动磁铁k的数量及安装半径相同且异性磁极相对安装；滚柱c经支架d安装在定圈a和动圈b之间，支架d由侧板d1和隔板d2构成，隔板d2将滚柱c分隔成滚柱组C，滚柱组C的数量大于等于2，各滚柱组C所含滚柱d2的数量相等。

定圈a由定圈体a1以及左定电极组和右定电极组构成，定圈体a1上设有定导线孔a3，左右定电极组均由定电极a2构成；定电极a2由定电极体a21和定端子a22构成；定电极体a21与定圈体a1的轴线平行、定端子a22由定圈体a1的内缘指向外缘；左右定电极组中的定电极a2交叉且均布排列，即各定电极a2沿定圈体a1的圆周方向均布且两个圆周方向上相邻的定电极a2的定端子a22的安装方向相反，左定电极组中的定电极a2的定端子a22位于定圈体a1的左侧，右定电极组中定电极a2的定端子a22位于定圈体a1的右侧；定电极体a21嵌入于定圈体a1中，定电极体a21和定圈体a1共同形成定圈内孔a4。

动圈b由动圈体b1以及左动电极组和右动电极组构成，动圈体b1上设有动导线孔b3，左右动电极组均由动电极b2构成；动电极b2由动电极体b21和动端子b22构成；动电极体b21与动圈体b1的轴线平行、动端子b22由动圈体b1的外缘指向内缘；左右动电极组中的动电极b2交叉且均布排列，即各动电极b2沿动圈体b1的圆周方向均布且两个圆周方向上相邻的动电极b2的动端子b22的安装方向相反，左动电极组中的动电极b2的动端子b22位于动圈体b1的左侧，右动电极组中动电极b2的动端子b22位于动圈体b1的右侧；动电极体b21嵌入于动圈体b1中，动电极体b21和动圈体b1共同形成动圈外圆b4。

定电极a2、动电极b2及滚柱组C具有相等的圆心角Q，定电极a2的圆心角是指定电极体a21圆周方向弧长所对应的圆心角，动电极b2的圆心角是指动电极体b21圆周方向弧长所对应的圆心角，滚柱组C的圆心角是指滚柱组C最外侧两个滚柱c上经过定圈a或动圈b圆心的切线间的夹角。

左壳体e上的定电极环i压接在左定电极组的定端子a22上、与右定电极组中的定电极a2不接触，右壳体f上的定电极环i压接在右定电极组的定端子a22上、与左定电极组中的定电极a2不接触；左挡板g上的动电极环j压接在左动电极组的动端子b22上、与右动电极组中的动电极b2不接触，右挡板h上的动电极环j压接在右动电极组的动端子b22上、与左动电极组中的动电极b2不接触；右定电极组和右动电极组的导线分别经定导线孔a3和动导线孔b3与左壳体e或左挡板g上的电路板p连接。

工作中，定圈a安装在机床箱体上，动圈b与转轴Z同轴；转轴Z转动时，转轴Z经主动磁铁m和被动磁铁k的耦合作用力带动动圈b转动，滚柱c在动圈b和定圈a中间滚动，滚柱c与动圈b上的动电极b2及定圈a上的定电极a2相互接触并滚动的过程中会产生电荷，由于不同材料吸引电子的能力不同，滚柱c与动电极b2和定电极a2滚动接触生成异种感应电荷，即分别为正电荷或负电荷；在滚柱c和动电极b2及定电极a2的表面存在异种静电荷的情况下，左右定电极组之间及左右动电极组之间分别存在电势差，滚柱c转动时滚柱组C与定圈b上的左右定电极组的定电极a2及动圈b上的左右动电极组中的动电极b2交替地接触与分离，从而使左右定电极组之间及左右动电极组之间的电势差交替地增加和减小并将机械能转换成电能，左右定电极组之间及左右动电极组间分别经负载连接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实时地获得变速箱温度、转速或噪音参数，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，进而完成监测系统的自供电监测过程。

上述工作中，滚柱组C与某个电极组接触是指所述滚柱组C的圆心角Q与所述电极组的圆心角有重叠，滚柱组C与某个电极分离是指所述滚柱组C的圆心角Q与所述电极组的圆心角无重叠。

本发明中，各个部件间相对运动生成的电荷特性与零部件材料有关，动圈体b1、定圈体a1、左壳体e、右壳体f、左挡板g、右挡板h和支架d材料为绝缘材料；动电极b2和定电极a2的材料为相同的金属，如铜或铝，滚柱c的材料为非金属，如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚酰亚胺及有机玻璃等；具体地，如：动电极b2和定电极a2材料为黄铜、滚柱c的材料为聚四氟乙烯时，滚柱c带负电荷、动电极b2和定电极a2带正电荷。

Claims (3)

1.一种变速箱状态监测系统，包括定动圈、滚柱、支架、左右壳体和左右挡板，左右壳体装在定圈左右两侧，左右挡板装在动圈的左右两侧，左壳体和左挡板上安装有电路板和传感器；右挡板上镶嵌有一组被动磁铁，转轴上镶嵌有主动磁铁，滚柱经支架装在定动圈之间，其特种在于：左右壳体上均设有定电极环，左右挡板上均设有动电极环，支架的隔板将滚柱分隔成所含滚柱数量相等的滚柱组，定圈由定圈体及左右定电极组构成，左右定电极组均由定电极构成；动圈由动圈体及左右动电极组构成，左右动电极组具有动电极构成，定电极、动电极及滚柱组具有相等的圆心角；左右壳体上的定电极环压分别接在其所靠近的定电极组的定端子上，左右挡板上的动电极环分别压接在其所靠近的动电极组的动端子上；定电极体与定圈体的轴线平行；左右定电极组中的定电极交叉且均布排列，定电极体嵌入于定圈体中，定电极体和定圈体共同形成定圈内孔；左右动电极组均由动电极构成，动电极体与动圈体的轴线平行，左右动电极组中的动电极交叉且均布排列，动电极体嵌入于动圈体中，动电极体和动圈体共同形成动圈外圆；滚柱与动定电极滚动接触生成异种感应电荷，左右定电极组之间及左右动电极组之间分别存在电势差，滚柱转动时滚柱组与各定动电极组中的电极交替地接触与分离，从而使左右定电极组之间及左右动电极组之间的电势差交替地增加和减小并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板上的转换电路处理后供给传感器，传感器所获得的变速箱参数经发射单元发射出去。

2.根据权利要求1所述的一种变速箱状态监测系统，其特征在于：定圈安装在机床箱体上，转轴转动时转轴经主被动磁铁的耦合作用力带动动圈转动。

3.根据权利要求1所述的一种变速箱状态监测系统，其特征在于：动定圈体、左右壳体、左右挡板及支架材料为绝缘材料，动定电极的材料为相同的金属铜或铝；滚柱的材料为非金属聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺。

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