CN113364350A - 一种自供电变速箱监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自供电的轴系监测装置，属新能源与监测技术域。转轴上装有壳体，壳体立壁和端盖上设有定磁铁；转轴上装有带俘能腔组和电控腔的转盘，俘能腔置于转盘两侧，俘能腔间的隔板上设有由定电极和定摩擦片构成的定复合膜，两俘能腔经通流孔连通；俘能腔内装有激励器和复合振子，激励器由隔膜与动磁铁构成，复合振子由基板与其两侧分别粘接的压电片和动摩擦片构成，动摩擦片与定摩擦片相贴合；两俘能腔中的复合振子间隔地覆盖在通流孔上，隔膜、复合振子及俘能腔构成压缩腔；转轴转动时激励器往复弯曲变形并经压缩腔中气体迫使复合振子往复弯曲变形及与定复合膜间的接触与分离，进而将机械能转换成电能，电能经处理后供给传感器和发射系统。
Description
技术领域
本发明属于变速箱监测与新能源技术领域，具体涉及一种自供电变速箱监测装置，用于风力发电机、机床、车辆及矿山机械等领域中变速箱的在线状态监测。
背景技术
轴承、齿轮、轮轴等是机床、载运工具、矿山机械、轻工机械及发电机等领域中不可或缺的常规件，也是变速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，其中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并时发现并解决问题，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；压电发电的弊端是利用压电振子端部附加磁铁实现非接触激励，压电振子受激励过程中存在扭转变形，可靠性及发电量低；此外，现有压电发电机中压电振子厚度可调节范围小甚至不可调节，厚度较大时输出高电压低电流、适用性差，且许用弯曲变形量较小、易破损。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
本发明提出一种自供电变速箱监测装置，主要包括转轴、壳体、端盖、定磁铁、转盘、激励器、复合振子及定复合膜，定复合膜由定电极和定摩擦片构成，激励器由隔膜与隔膜上的动磁铁构成；复合振子由基板与其两侧的压电片和摩擦片构成。
转轴法兰经螺钉安装在主轴端部，转轴上经轴承安装有壳体，壳体经弹簧与变速箱体连接，轴承盖将轴承外圈压接在壳立壁的轴承孔内；壳筒壁端部经螺钉装有端盖，壳立壁和端盖上都设有以转轴的轴心为中心的一组定磁铁，定磁铁沿圆周方向均布且到转轴的轴心的距离相等，定磁铁为圆形磁铁或弧形的片状磁铁。
转轴上安装有转盘，转盘的轴孔套在转轴上并经平键与转轴连接，挡板经螺钉安装在转轴端部，挡板经轴承的内圈和轴套将转盘压接转轴的轴肩上，转盘位于壳体内部；转轴或主轴上设有传感器，传感器为振动传感器、转速传感器、加速度传感器或温度传感器。
转盘上设有至少一个由两个俘能腔构成的俘能腔组和至少一个电控腔，电控腔内安装有电路板，电控腔端部经螺钉安装有腔盖；俘能腔组中的两个俘能腔对称配置在转盘两侧，俘能腔间的隔板上由里到外依次粘接有定电极和定摩擦片，定电极的半径大于定摩擦片的半径，定电极和定摩擦片构成定复合膜；俘能腔组中的两个俘能腔经通流孔连通，即定复合膜和隔板上设有一组连通两个俘能腔的通流孔，通流孔均布在以俘能腔的圆心为中心的圆周上，通流孔的数量为偶数。
本发明中，定复合膜可仅含有定电极，即定电极表面可不粘接定摩擦片。
俘能腔内经螺钉和压环由外至内依次压接有激励器和复合振子。
激励器由隔膜与隔膜上的动磁铁构成，隔膜和动磁铁均为圆形，动磁铁为片状结构，隔膜直径大于动磁铁直径，动磁铁经螺钉安装在隔膜上，隔膜外缘固定，动磁铁位于俘能腔外侧，动磁铁和定磁铁距转轴轴心的距离相等；一个俘能腔组中的两个动磁铁受与其相邻的定磁铁作用所产生的轴向运动方向相同，即所述两个俘能腔中动磁铁所受定磁铁的作用力方向相同，力的方向都向左或都向右，从而使一个俘能腔组中两个压缩腔的气体压力分别增加和减小；动磁铁与圆周上相邻两组定磁铁间的磁力方向相反，即一组定磁铁使动磁铁向左运动、另一组定磁铁使动磁铁向右运动，从而使压缩腔的气体压力交替地增加和减小。
复合振子为扇形，复合振子由基板与其两侧分别粘接的压电片和动摩擦片构成，基板为设置在圆环上的一组扇形悬臂梁，各扇形悬臂梁沿圆周方向均布；压环依次将激励器的隔膜、隔环、复合振子的基板和绝缘垫圈压接在定电极上，即基板与隔膜之间设有隔环、基板与定电极之间设有绝缘垫圈；动摩擦片靠近定摩擦片的一侧，绝缘垫圈厚度与动摩擦片和定摩擦片厚度之和相等，激励器和复合振子无弯曲变形时动摩擦片与定摩擦片相互贴合。
俘能腔中所安装复合振子的数量为通流孔数量的一半，一个俘能腔组中两个俘能腔中所安装的复合振子沿圆周方向错开，即两个俘能腔中所有复合振子在轴截面上的投影为均布排列；同一俘能腔组中的两个俘能腔中的复合振子的自由端间隔地覆盖在通流孔上，每个通流孔仅被其一侧的复合振子所覆盖，隔膜、复合振子及俘能腔构成压缩腔。
隔膜、基板及定电极的材料为金属，如：隔膜和基板的材料为铜或铍青铜，定电极的材料为铜或铝；动摩擦片和定摩擦片的材料为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，如：动摩擦片的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺，定摩擦片的材料为聚酰胺。
基板与压电片构成压电俘能单元，基板与动摩擦片构成动复合膜，动复合膜与定复合膜构成摩擦俘能单元，压电俘能单元和摩擦俘能单元经不同的导线组及整流桥与电路板相连，电路板经导线与传感器相连。
工作时，转轴随主轴转动，转轴带动转盘以及置于转盘上的激励器及复合振子一起转动，动磁铁与其相邻的定磁铁间的位置及相互作用力交替地变化，动磁铁迫使隔膜往复弯曲变形，从而使压缩腔内的气体压力交替地增加和减小；压缩腔中气体压力的变化迫使气体沿通流孔往复流动进而驱动复合振子产生往复弯曲变形并与定复合膜交替的接触与分离；复合振子上述运动过程中，压电俘能单元和摩擦俘能单元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，传感器实时地获得温度、转速或振动信息并经无线发射系统发射出去。
本发明中，两个经通流孔连通的压缩腔内的气体压力变化规则是：一个压缩腔的气体压力增加，另一个压缩腔内的气体压力减小，从而使气体从压力逐渐增加的压缩腔向压力逐渐降低的压缩腔内流动，气体压力增加的压缩腔内的复合振子恢复自然状态并顶靠在定复合膜上，气体压力减小的压缩腔内的复合振子受气流作用弯曲变形并与定复合膜分离，复合振子往复弯曲变形以及与定复合膜交替接触与分离过程中，压电俘能单元和摩擦俘能单元将机械能转换成电能。
本发明中隔膜的材料为铍青铜，为提升激励器的有效带宽，激励器的固有频率应不低于激励频率，其它条件确定时可通过隔膜厚度设计获得所需的激励器的固有频率；此外，为避免激励器出现明显的共振、提高可靠性和有效带宽，可通过调节通流孔的直径及压缩腔高度获得所需阻尼比ξ；合理的系统参数关系为
其中： h和R分别为隔膜厚度和俘能腔半径，H为压缩腔高度，h0为复合振子厚度，Fm为动磁铁与定磁铁间的最大作用力，M和ξ分别为激励器的等效质量和阻尼比，n和N分别为转盘转速及定磁铁总数，η为与隔膜半径比λr＝r/R有关的系数，r为动磁铁半径，λr＝0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、 0.8时η＝1.8864、3.1694、5.8035、12.0063、30.107、107.3138。
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；发电单元固有频率因需设计、有效频带宽；复合振子端部无附加质量、由气体间接激励，转动惯量小、无扭转变形、无滑移摩擦磨损，故发电量大、可靠性高；易于通过降低复合振子厚度降低输出电压、提高输出电流，提高电能的可用性。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中监测装置的结构剖面图；
图2是本发明一个较佳实施例中转盘的结构示意图；
图3是图2的右视图；
图4是本发明一个较佳实施例中装有复合振子、定复合膜及激励器的转盘结构图；
图5是图4的A-A剖视图；
图6是本发明一个较佳实施例中复合振子的结构示意图；
图7是图6的B-B剖视图。
具体实施方式
本发明提出一种自供电变速箱监测装置，主要包括转轴a、壳体c、端盖d、定磁铁j、转盘f、激励器G、复合振子i及定复合膜F1，定复合膜F1由定电极f5和定摩擦片f6粘接构成，激励器G由隔膜n与隔膜n上所安装的动磁铁k构成；复合振子i由基板i1与其两侧所粘接的压电片 i2和摩擦片i3构成。
转轴法兰a1经螺钉安装在主轴Z的端部，转轴a上经轴承b安装有壳体c，壳体c经弹簧t与变速箱体连接，轴承盖e1将轴承b的外圈压接在壳立壁c1的轴承孔内；壳筒壁c2的端部经螺钉安装有端盖d，壳立壁c1和端盖d上都设有以转轴a的轴心为中心的一组定磁铁j，定磁铁j沿圆周方向均布且到转轴a的轴心的距离相等，定磁铁j为圆形磁铁或弧形的片状磁铁。
转轴a上安装有转盘f，转盘f的轴孔f1套在转轴a上并经平键h与转轴a连接，挡板e经螺钉安装在转轴a的端部，挡板e经轴承b的内圈和轴套b1将转盘f压接转轴a的轴肩上，转盘f位于壳体c的内部；转轴a或主轴Z上设有传感器s，传感器s为振动传感器、转速传感器、加速度传感器或温度传感器。
转盘f上设有至少一个由两个俘能腔f2构成的俘能腔组和至少一个电控腔f3，电控腔f3内安装有电路板p，电控腔f3的端部经螺钉安装有腔盖m；俘能腔组中的两个俘能腔f2对称配置在转盘f的两侧，两个俘能腔f2之间的隔板f4上由里到外依次粘接有定电极f5和定摩擦片f6，定电极f5的半径大于定摩擦片f6的半径，定电极f5和定摩擦片f6构成定复合膜F1，定复合膜F1 和隔板f4上设有一组连通两个俘能腔f2的通流孔f7，通流孔f7均布在以俘能腔f2的圆心为中心的圆周上，通流孔f7的数量为偶数。
本发明中，定复合膜F1可仅含有定电极f5，即定电极f5表面可不粘接定摩擦片f6。
俘能腔f2内经螺钉和压环x1由外至内依次压接有激励器G和复合振子i。
隔膜n为圆形，隔膜n与其上所安装的动磁铁k构成激励器G，动磁铁k经螺钉安装在隔膜n 上，动磁铁k位于俘能腔f2外侧，动磁铁k为片状结构，动磁铁k和定磁铁j距转轴a的轴心的距离相等；两个同轴的动磁铁k受与其相邻的定磁铁j作用所产生的轴向运动方向相同，即一个俘能腔组中两个俘能腔f2中在受定磁铁j作用的力的方向相同，都向左或都向右，从而使一个俘能腔组中两个压缩腔C的气体压力分别增加和减小；动磁铁k与圆周上相邻两组定磁铁j的磁力方向相反，即一组定磁铁j使动磁铁k向左运动、另一组定磁铁j使动磁铁k向右运动，从而使压缩腔C的气体压力交替地增加和减小。
复合振子i为扇形，复合振子i由基板i1与其两侧分别粘接的压电片i2和动摩擦片i3构成，基板i1为设置在圆环上的一组扇形悬臂梁，各扇形悬臂梁沿圆周方向均布；压环x1依次将激励器G的隔膜n、隔环x2、复合振子i的基板i1和绝缘垫圈x3压接在定电极f5上，即基板i1与隔膜n之间设有隔环x2、基板i1与定电极f5之间设有绝缘垫圈x3；动摩擦片i3靠近定摩擦片f6的一侧，绝缘垫圈x3厚度与动摩擦片i3和定摩擦片f6的厚度之和相等，复合振子i无弯曲变形时动摩擦片i3与定摩擦片f6相互贴合。
俘能腔f2中所安装复合振子i的数量为通流孔f7数量的一半，一个俘能腔组中两个俘能腔 f2中所安装的复合振子i沿圆周方向错开，即两个俘能腔f2中所有复合振子i在轴截面上的投影为均布排列；每个俘能腔f2所安装的复合振子i的自由端间隔地覆盖在通流孔f7上，每个通流孔f7仅被其一侧的复合振子i所覆盖，隔膜n、复合振子i及俘能腔f2构成压缩腔C。
隔膜n、基板i1及定电极f5的材料为金属，如：隔膜n和基板i1的材料为铜或铍青铜，定电极f5的材料为铜或铝；动摩擦片i3和定摩擦片f6的材料为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，如：动摩擦片i3的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺，定摩擦片f6的材料为聚酰胺。
基板i1与压电片i2构成压电俘能单元Y，基板i1与动摩擦片i3构成动复合膜F2，动复合膜 F2与定复合膜F1构成摩擦俘能单元，压电俘能单元和摩擦俘能单元经不同的导线组及整流桥与电路板p相连，电路板p经导线与传感器s相连。
工作时，转轴a随主轴Z转动，转轴a带动转盘f以及置于转盘f上的激励器G及复合振子i一起转动，动磁铁k与其相邻的定磁铁j间的位置及相互作用力交替地变化，动磁铁k迫使隔膜n 往复弯曲变形，从而使压缩腔C内的气体压力交替地增加和减小；压缩腔C中气体压力的变化迫使气体沿通流孔f7往复流动进而驱动复合振子i产生往复弯曲变形并与定复合膜F1交替的接触与分离，复合振子i往复弯曲变形并与定复合膜F1交替接触与分离的过程中，压电俘能单元和摩擦俘能单元将机械能转换成电能，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实时地获得温度、转速或振动信息并经无线发射系统发射出去。
本发明中，两个经通流孔f7连通的压缩腔C内的气体压力变化规则是：一个压缩腔C的气体压力增加，另一个压缩腔C内的气体压力减小，从而使气体从压力逐渐增加的压缩腔C向压力逐渐降低的压缩腔C内流动，气体压力增加的压缩腔C内的复合振子i恢复自然状态并顶靠在定复合膜F1上，气体压力减小的压缩腔C内的复合振子i受气流作用弯曲变形并与定复合膜F1 分离，复合振子i往复弯曲变形以及与定复合膜F1交替接触与分离过程中，压电俘能单元和摩擦俘能单元将机械能转换成电能。
本发明中隔膜n的材料为铍青铜，为提升激励器G的有效带宽，激励器G的固有频率应不低于激励频率，其它条件确定时可通过隔膜n的厚度设计获得所需的激励器G的固有频率；此外，为避免激励器G出现明显的共振、提高可靠性和有效带宽，可通过调节通流孔f7的直径及压缩腔C的高度获得所需阻尼比ξ；合理的系统参数关系为
其中：h和R分别为隔膜n的厚度和俘能腔f2的半径，H为压缩腔C的高度，h0为复合振子i的厚度，Fm为动磁铁k与定磁铁j间的最大作用力，M和ξ分别为激励器G的等效质量和阻尼比，n和N分别为转盘f的转速及定磁铁j的总数，η为与隔膜半径比λr＝r/R有关的系数，r为动磁铁k的半径，λr＝0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8时η＝1.8864、3.1694、5.8035、12.0063、 30.107、107.3138。
Claims (4)
1.一种自供电的轴系监测装置，其特征在于：转轴装在主轴上，转轴上装有壳体，壳筒壁端部装有端盖，壳立壁和端盖上设有定磁铁；转轴上装有带俘能腔组和电控腔的转盘，俘能腔组中的两个俘能腔置于转盘两侧，俘能腔间的隔板上设有由定电极和定摩擦片构成的定复合膜，俘能腔组中的两个俘能腔经通流孔连通；俘能腔内装有圆形的激励器和扇形的复合振子，激励器由隔膜与动磁铁构成，复合振子由基板与其两侧分别粘接的压电片和动摩擦片构成，压环依次将激励器的隔膜、隔环、复合振子的基板和绝缘垫圈压接在定电极上，激励器和复合振子无弯曲变形时动摩擦片与定摩擦片相贴合；同一俘能腔组中的两个俘能腔中的复合振子间隔地覆盖在通流孔上，隔膜、复合振子及俘能腔构成压缩腔；转轴转动时激励器往复弯曲变形并经压缩腔中气体迫使复合振子产生往复弯曲变形及与定复合膜交替的接触与分离，进而将机械能转换成电能，电能经处理后供给转轴或主轴上的传感器，传感器所获得的测量参数经无线发射系统发射出去。
2.根据权利要求1所述的一种自供电的轴系监测装置，其特征在于：基板与压电片构成压电俘能单元，基板与动摩擦片构成动复合膜，动复合膜与定复合膜构成摩擦俘能单元，压电俘能单元和摩擦俘能单元经不同的导线组及整流桥与电控腔内的电路板相连，电路板经导线与传感器相连。
3.根据权利要求1所述的一种自供电的轴系监测装置，其特征在于：隔膜、基板及定电极的材料为金属，隔膜和基板的材料为铜或铍青铜，定电极的材料为铜或铝；动摩擦片和定摩擦片的材料为摩擦电序列相隔较远的两种高分子材料，动摩擦片的材料为聚四氟乙烯、聚乙烯或聚酰亚胺，定摩擦片的材料为聚酰胺。
4.根据权利要求1所述的一种自供电的轴系监测装置，其特征在于：同一俘能腔组中的两个动磁铁受与其相邻的定磁铁作用所产生的轴向运动方向相同，动磁铁与圆周上相邻两组定磁铁间的磁力方向相反。
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