CN113300628B - 一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承，包括：筒状轴壳以及设置在所述轴壳内部、与轴壳过盈配合的筒状轴衬，所述轴衬内壁沿轴向均匀贯通凹刻有若干个水槽，使用时，水流沿所述水槽进入轴承内部，水槽内蓄满后，水流溢出水槽随转轴转动均匀扩散至轴衬与转轴直接接触的受载面上，从而形成水膜；在其中至少一条水槽的一端或两端的端口位置，设置一摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机被设置为响应于水流流量的大小输出电信号，并传输至外部的监测终端。本发明不仅有较强的承载能力，而且能在无外部电源情况下完成轴承运行状态监测，具有安全可靠、适用环境广、监测灵敏度高、绿色环保等优点。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承

技术领域

本发明涉及一种轴承，具体的为一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承。

背景技术

轴承是旋转机械的关键部件，部分轴承可以通过润滑油进行润滑，但类似于靠近船舶螺旋桨端的艉后轴承，如果采用润滑油进行润滑一旦封装泄露会引发油污染产生严重的后果。针对此种情况，船舶近螺旋桨处的轴承润滑常用水润滑代替油润滑。

水润滑无污染，节能能源，安全可靠等优点，已经在各种舰船上得到广泛应用。随着水润滑轴承的广泛应用，人们越来越重视运行状态下水润滑轴承的安全性能。对轴承进行状态监测是保证其安全性能的有效手段之一，然而，水润滑轴承监测还存在许多技术难题，如：水润滑轴承在不同的工作条件下，水膜的形成状态不能受到实时的监测，也就无法获得水润滑轴承的运行状态，使水润滑轴承的安全性能可靠性不足。

目前国内外在对运行中的水润滑轴承进行信号测量时，由于传感器布置困难，工作环境干扰信号多，信号的传输易受干扰。而且在一般情况下，应用水润滑轴承的机械一旦运转，将在很长一段时间内一直运转，对传感器本身的磨损和采集系统的持续电量消耗极大。这给水润滑轴承动态数据采集增加了难度。针对轴承监测时存在的信号采集困难等问题，需要一种新型水润滑轴承，实现运行状态下水润滑轴承的监测。

发明内容

针对轴承监测时存在的信号采集困难等问题，本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承，能够实现运行状态下水润滑轴承的监测。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承，包括：筒状轴壳以及设置在所述轴壳内部、与轴壳过盈配合的筒状轴衬，所述轴衬内壁沿轴向均匀贯通凹刻有若干个水槽，使用时，水流沿所述水槽进入轴承内部，水槽内蓄满后，水流溢出水槽随转轴转动均匀扩散至轴衬与转轴直接接触的受载面上，从而形成水膜；

在其中至少一条水槽的一端或两端的端口位置，设置一摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机被设置为响应于水流流量的大小输出电信号，并传输至外部的监测终端。

进一步地，所述摩擦纳米发电机包括由上至下依次设置的高分子材料涤纶树脂薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜以及高分子材料涤纶树脂薄膜，所述高分子材料涤纶树脂薄膜外侧由防水材料封装，且高分子材料涤纶树脂薄膜与防水材料之间铺设铜导线。

进一步地，所述聚二甲基硅氧烷薄膜的上表面被设置为均匀分布的“金字塔”形状。

进一步地，所述水槽的深度大于所述摩擦纳米发电机的高度，所述水槽的宽度大于摩擦纳米发电机的宽度。

进一步地，所述摩擦纳米发电机被设置为响应于水流流量的大小输出相应的电信号，包括摩擦纳米发电机被设置为响应于水流流量的大小输出相应的电压或电流信号。

进一步地，所述摩擦纳米发电机为立方体结构，其上表面为边长3-8cm的正方形，厚度0.5-1.5cm。

进一步地，所述监测终端为计算机。

进一步地，所述监测终端为响应于电压信号强弱而点亮或者熄灭的LED灯。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明公开的基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承，在水槽内设置有摩擦纳米发电机作为传感器，在工作时利用外界机械能转化为自身电能，实现无需外电源供电，通过自身的发电机理将自身的输出电流或电压信号作为轴承运行状态的评估指标，完成无消耗下持续对水润滑轴承进行状态监测，可提高整体安全性。因此本发明特别适合于船舶，航天机械等对轴承运行状态可靠度要求高而且长时间持续工作的机械。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承的结构示意图。

图2为本发明基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承的截面结构示意图。

图3为本发明实例中的摩擦纳米发电机结构示意图。

图4为本发明实例中的摩擦纳米发电机电荷转移机理示意图。

图5为本发明实例中测得的摩擦纳米发电机输出电压示意图。

图中：1、轴壳；2、轴衬；3、水槽；4、受载工作面；5、摩擦纳米发电机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承，包括：筒状轴壳以及设置在轴壳内部、与轴壳过盈配合的筒状轴衬，轴衬内壁沿轴向均匀贯通凹刻有若干个水槽，使用时，水流沿所述水槽进入轴承内部，水槽内蓄满后，水流溢出水槽岁转轴转动均匀扩散至轴衬是与转轴直接接触的受载面上，从而形成水膜。在其中至少一条水槽的一端或两端的端口位置，设置一摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机被设置为响应于水流流量的大小输出相应的电信号，并传输至外部的监测终端。

作为本发明优选的实施方式，摩擦纳米发电机包括由上至下依次设置的高分子材料涤纶树脂薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜以及高分子材料涤纶树脂薄膜，所述高分子材料涤纶树脂薄膜外侧由防水材料封装，且高分子材料涤纶树脂薄膜与防水材料之间铺设铜导线。

下面结合附图和具体的应用实例，对本发明的方案做进一步的说明。

如图1-3所示，本实施例中，基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承包括呈筒状的轴壳1和套装设置在轴壳1内的高分子轴衬2，轴壳1可为任意满足强度性能要求的金属或非金属，轴衬为聚四氟乙烯制成的高分子材料轴衬。本实施例中，高分子轴衬2与轴壳1之间的配合属于过盈配合。

高分子轴衬2内壁上均布用于润滑水暂时储存和通过的水槽3，每两个相邻水槽3之间高分子轴衬2的内壁上设有与轴直接接触的受载工作面4，保证水槽3相较于受载工作面4凹陷深度应大于摩擦纳米发电机5的高度，凹槽的宽度大于摩擦纳米发电机的宽度。

在水槽3内轴瓦的两端放置摩擦纳米发电机5，放在两端的目的是方便摩擦纳米发电机5的输出线路便于连接到计算机。摩擦纳米发电机被设置为响应于水流流量的大小输出相应的电信号，包括电压或电流信号。

摩擦纳米发电机5的数量理论上最多为水槽3数量的两倍，可根据运行状态监测精度要求选择放置的数量。如图2所示，本实施例中摩擦纳米发电机5放置在轴衬的两端。进一步地，如图3所示摩擦层材料分别为：上层为高分子材料涤纶树脂(PET)薄膜；中层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜；下层为PET薄膜。优选地，PDMS薄膜的上表面被设置为均匀分布的“金字塔”形状。摩擦纳米发电机为立方体结构，其上表面为边长3-8cm的正方形，厚度0.5-1.5cm。本实施例中，水槽3的宽度为45mm沿轴向贯穿整个轴衬，水槽3数量为4个，凹槽数量过多或过少都不利于水膜的形成。凹槽深度为12mm，摩擦纳米发电机5为长宽高40mm*40mm*10mm的矩形方片。摩擦纳米发电机的数量为4，分别为轴向截面的水平和竖直方向的两端。

如图4所示，为摩擦纳米发电机电荷转移机理过程图，(a)为该装置的初始状态。(b)为当水流经过即水膜形成，摩擦纳米发电机外表面受到水流压力的作用下，通过摩擦过程在聚合物薄膜的两个内表面产生并分布具有相反符号的静电摩擦电荷。(c)为当水膜破坏，摩擦纳米发电机释放形变，相反的摩擦电荷通过气隙分开，形成偶极矩，感应电位差将驱动电子流过外部负载。(d)为当水膜完全消失，平面电极之间的电势达到平衡，电子聚集在电极的一侧，使另一侧带正电荷。(e)为当水膜再次形成，另一个循环过程开始，偶极矩消失或减小，累积的电子将被驱使向相反方向流动。

如图5所示，为一种实施方式中，监测终端为计算机。向水润滑轴承注入水流润滑后，计算机测得的摩擦纳米发电机输出电压图，从图中可以看出，随着水流的逐渐减弱摩擦纳米发电机输出电压逐渐降低，即水润滑轴承正常工作状态下，流经凹槽的水流大小(即水膜形成状态)与输出电压值呈正相关。当水膜形成状态较差，则输出电压值小于1.5v。在另一种实施方式中，检测终端还包括安装在输出电路上LED灯，LED灯响应于电压信号强弱而点亮或者熄灭。该实施方式中，当水膜形成状态较差，则输出电压值小于1.5v，输出电路上LED灯亮；当水膜形成状态良好，则输出电压值大于1.5v，输出电路上LED灯灭。从而实现，无外部供电情况下轴承运行状态的在线监测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承，其特征在于，包括：筒状轴壳以及设置在所述轴壳内部、与轴壳过盈配合的筒状轴衬，所述轴衬内壁沿轴向均匀贯通凹刻有若干个水槽，使用时，水流沿所述水槽进入轴承内部，水槽内蓄满后，水流溢出水槽随转轴转动均匀扩散至轴衬与转轴直接接触的受载面上，从而形成水膜；

在其中至少一条水槽的一端或两端的端口位置，设置一摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机被设置为响应于水流流量的大小输出电信号，并传输至外部的监测终端；

所述摩擦纳米发电机为立方体结构，其上表面为边长3-8cm的正方形，厚度0.5-1.5cm，所述摩擦纳米发电机包括由上至下依次设置的高分子材料涤纶树脂薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜以及高分子材料涤纶树脂薄膜，所述高分子材料涤纶树脂薄膜外侧由防水材料封装，且高分子材料涤纶树脂薄膜与防水材料之间铺设铜导线，

所述聚二甲基硅氧烷薄膜的上表面被设置为均匀分布的“金字塔”形状。

2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承，其特征在于，所述水槽的深度大于所述摩擦纳米发电机的高度，所述水槽的宽度大于摩擦纳米发电机的宽度。

3.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承，其特征在于，所述摩擦纳米发电机被设置为响应于水流流量的大小输出相应的电信号，包括摩擦纳米发电机被设置为响应于水流流量的大小输出相应的电压或电流信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承，其特征在于，所述监测终端为计算机。

5.根据权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承，其特征在于，所述监测终端为响应于电压信号强弱而点亮或者熄灭的LED灯。

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