CN113574290B - 带传感器的轴承组件和轴承游隙监测系统 - Google Patents
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Abstract
一种带传感器的轴承组件，轴承组件包括轴箱座(21)、轴箱端盖(22)、轴承、传感器组件，轴承包括可动圈，可动圈能够相对于轴箱座(21)转动或蠕动，传感器组件包括传感器、传感器天线和收发天线(T14)，传感器固定于可动圈的在轴向(A)上靠近轴箱端盖(22)的端部，传感器与传感器天线电连接，传感器能够测量可动圈的状态的变化、并将测量得到的状态信号传递给传感器天线，传感器天线能够将状态信号无线地向周围发射，收发天线(T14)固定于轴箱端盖(22)的朝向轴承的端面，收发天线(T14)能够接收传感器天线发射的状态信号。根据该轴承组件能够准确而实时地测量轴承的可动圈的工作状况。还涉及一种轴承游隙监测系统。
Description
技术领域
本发明涉及轴承领域，且特别地涉及一种带传感器的轴承组件和轴承游隙监测系统。
背景技术
对于例如轨道列车用的轮对轴承(以下简称轴承)，在列车高速行进的过程中，轴承的温度会升高。由于热胀冷缩效应，轴承的内圈和外圈之间的游隙减小，严重时可能造成轴承抱死。因此，对轴承的内圈和外圈的温度监测是很有必要的。
现有技术中对轮对轴承的温度监测有如下几种方式。
(1)在列车轨道附近设置红外温度传感器来检测过往车辆的轮轴或轴箱的温度。这种方式并未直接检测轴承的温度，并且只有在车辆经过传感器时才能对轴承温度进行间接测量，而不能实时测量轴承温度。此外，红外温度传感器容易损坏，尤其是考虑到其被安装在户外环境中。
(2)在轴承壳体内设置传感器、并使其与轴承的静止圈(与转动圈相对，在轮对轴承中静止圈为轴承的外圈)接触，从而测量静止圈的温度。例如中国专利CN1276245C公开了使用无线温度传感器来检测轴承的静止圈的技术方案。然而，轴承的转动圈的温度变化同样值得被监测。
(3)中国专利CN100344974C公开了一种具有无线的自供电传感器单元的轴承，该方案中，传感器被安装到轴承的内圈和外圈(即转动圈和静止圈)之间，从而能够测量轴承内部的温度。然而，传感器位于轴承内部的设置方式将影响传感器信号的传输，此外，轴承内部空间小，不利于安装无线传感器的收发天线。
因此，有必要提供一种更便于准确监测内圈和/或外圈状况(例如温度)的轴承组件。
发明内容
本发明的目的在于克服或至少减轻上述现有技术存在的不足，提供一种能够实时地准确地测量轴承的可动圈的状况的轴承组件。
根据本发明的第一方面，提供一种带传感器的轴承组件，其包括轴箱座、轴箱端盖、轴承、传感器组件，所述轴承设置于所述轴箱座的内腔，所述轴箱端盖固定于所述轴箱座的轴向端部，所述轴承包括可动圈，所述可动圈能够相对于所述轴箱座转动或蠕动，其中，
所述传感器组件包括传感器、传感器天线和收发天线，
所述传感器固定于所述可动圈的在轴向上靠近所述轴箱端盖的端部，所述传感器与所述传感器天线电连接，
所述传感器能够测量所述可动圈的状态的变化、并将测量得到的状态信号传递给所述传感器天线，所述传感器天线能够将所述状态信号无线地向周围发射，
所述收发天线固定于所述轴箱端盖的朝向所述轴承的端面，所述收发天线能够接收所述传感器天线发射的所述状态信号。
在至少一个实施方式中，所述轴承的内圈为所述可动圈，所述内圈用于过盈配合地装配在轴的外周，所述内圈能够相对于所述轴箱座转动，所述轴的朝向所述轴箱端盖的轴向端部固定有轴端盖，
所述传感器组件包括第一传感器组件，所述第一传感器组件包括第一传感器和第一传感器天线，所述第一传感器固定于所述内圈的在轴向上靠近所述轴箱端盖的端部，所述第一传感器与所述第一传感器天线电连接，
所述轴端盖具有轴向贯通所述轴端盖的中孔，所述第一传感器天线固定于所述轴端盖并被至少部分地收容在所述中孔内。
在至少一个实施方式中，所述第一传感器天线通过连接件固定于所述轴端盖，所述连接件呈弯折的片状，所述连接件的一端固定于所述轴端盖，所述连接件的一部分向轴向内侧弯折而伸入到所述中孔内，所述第一传感器天线固定于所述连接件的伸入到所述中孔的部分。
在至少一个实施方式中，所述第一传感器组件还包括第一线缆组件，所述轴端盖还具有轴向贯通所述轴端盖的边孔，
所述第一线缆组件穿过所述边孔，所述第一线缆组件的两端分别连接所述第一传感器和所述第一传感器天线。
在至少一个实施方式中，所述轴承的外圈相对于所述轴箱座静止，
所述传感器组件还包括第二传感器组件，所述第二传感器组件包括第二传感器和第二线缆组件，
所述第二传感器固定于所述外圈的在轴向上靠近所述轴箱端盖的端部，所述第二线缆组件连接所述第二传感器，
所述第二传感器能够测量所述外圈的状态的变化、并将测量得到的状态信号传递给所述第二线缆组件。
在至少一个实施方式中，所述轴承的外圈能够相对于所述轴箱座蠕动，
所述传感器组件还包括第二传感器组件，所述第二传感器组件包括第二传感器、第二传感器天线和连接接头，
所述第二传感器固定于所述外圈的在轴向上靠近所述轴箱端盖的端部，所述第二传感器天线通过所述连接接头连接到所述第二传感器，
所述第二传感器能够测量所述外圈的状态的变化、并将测量得到的外圈状态信号传递给所述第二传感器天线，所述第二传感器天线将所述外圈状态信号无线地向周围发射，
所述外圈状态信号能够被所述收发天线接收。
在至少一个实施方式中，所述收发天线呈圆盘状，所述收发天线在径向上覆盖所述第二传感器天线所在的径向区域。
在至少一个实施方式中，所述轴箱端盖的与所述外圈接触的边缘具有槽，所述第二传感器组件能够部分地容纳于所述槽内。
在至少一个实施方式中，所述传感器为无源温度传感器。
根据本发明的第二方面，提供一种轴承游隙监测系统，其特征在于，所述系统包括根据本发明所述的轴承组件，所述系统还包括接头、总线缆、数据处理单元、通信线缆和计算机，
所述接头安装于所述轴箱端盖，所述接头将所述第一传感器组件测量的所述内圈的温度信号和所述第二传感器组件测量的所述外圈的温度信号传递给总线缆，所述总线缆将所述内圈和所述外圈的温度信号传递给所述数据处理单元，所述数据处理单元根据所述内圈和所述外圈的温度信号计算所述轴承的游隙，
所述通信线缆连接所述数据处理单元和所述计算机，所述计算机将所述轴承的温度和/或所述轴承的游隙以可视化的形式显示。
根据本发明的轴承组件，能够准确而实时地测量轴承的可动圈的工作状况(例如温度)。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的轴承游隙监测系统的示意图。
图2是根据本发明的第一实施方式的轴承组件的示意图(未示出轴箱端盖)。
图3是根据本发明的第一实施方式的轴承组件的轴向剖视图。
图4是根据本发明的第二实施方式的轴承组件的轴向剖视图。
图5是图4中所示的轴箱端盖的俯视图。
附图标记说明
11内圈；12外圈；
21轴箱座；22轴箱端盖；22A槽；
31轴；32轴端盖；32C中孔；32B边孔；33连接件；
41接头；42总线缆；43通信线缆；44数据处理单元；45计算机；
T10第一传感器组件；T11第一传感器；T12第一线缆组件；T13第一传感器天线；T14收发天线；
T20第二传感器组件；T21第二传感器；T22第二线缆组件；T23第二传感器天线；T24连接接头。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。
参照图1至图5介绍根据本发明的带传感器的轴承组件和轴承游隙监测系统。以图3中的指向为例，本发明所称的轴向A与轴承的轴向一致；本发明所称的径向R与轴承的径向一致，本发明所称的周向与轴承的周向一致。
以轮对轴承为例，根据本发明的带传感器的轴承组件包括轴箱、轴承和传感器组件。根据本发明的轴承游隙监测系统包括根据本发明的轴承组件、数据处理单元44和计算机45。根据转向架与轴箱的不同设置方式，轮对轴承的设置方式一般可以分为两种，分别是(i)内圈11和外圈12都为紧配合(即过盈配合)，和(ii)内圈11为过盈配合、外圈12为游隙配合。定义能够相对于轴箱座21转动或蠕动的轴承圈为可动圈。应当理解，这里所说的轴承圈能够相对于轴箱座21蠕动，主要是指轴承的外圈12能够相对于轴箱座21蠕动，这种蠕动表现为，即使在设计时不希望外圈12相对于轴箱座21蠕动，但是在实际应用中由于各种原因仍然会出现外圈12相对于轴箱座21蠕动的现象。应当理解，此处定义的“可动圈”不同于上文提到的轴承的转动圈；在这种定义下，轴承的静止圈和转动圈都可能是可动圈，轴承的转动圈在工作时显然相对于轴箱座21转动，而轴承的静止圈可能会相对于轴箱座21蠕动。在第(i)种安装方式中，内圈11为可动圈，内圈11能够相对于轴箱座21转动。在第(ii)种安装方式中，内圈11和外圈12均为可动圈，内圈11能够相对于轴箱座21转动，外圈12能够相对于轴箱座21蠕动。
首先介绍根据第(i)种安装方式的轴承组件。
第一实施方式
参照图1至图3，轴承安装于轴箱内，轴箱包括轴箱座21和盖设在轴箱座21的轴向A上的端部的轴箱端盖22。
轴承工作时其外圈12相对于轴箱座21静止、内圈11转动，因此测量内圈11的温度的传感器对安装定位的要求高，使用无线的温度传感器组件T10(以下也称第一传感器组件T10)，而测量外圈12的温度的传感器组件的安装方式相对简单，可以使用有线的温度传感器组件T20(以下也称第二传感器组件T20)。
首先介绍第二传感器组件T20的设置方式。第二传感器组件T20包括用于测量温度的传感器T21(也称第二传感器T21)和线缆组件T22(也称第二线缆组件T22)。传感器T21固定于外圈12的靠近轴箱端盖22的轴向端部，线缆组件T22与传感器T21电连接，用于将传感器T21检测到的信号向下游进一步传递。
传感器T21与外圈12的连接方式例如是螺纹连接，例如在外圈12的端部设置沿轴向A延伸的螺纹孔，线缆组件T22与传感器T21连接的端部设有带螺纹的电缆插接件，该电缆插接件将传感器T21固定到外圈12的螺纹孔处，使传感器T21能够与外圈12良好地接触、并使传感器T21得到防水的密封。
传感器T21以及下述的传感器T11是接触式的温度传感器(也称温度计)，例如压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻、温差电偶和半导体温度传感器等。
接下来介绍第一传感器组件T10的设置方式。第一传感器组件T10包括用于测量温度的传感器T11(也称第一传感器T11)、线缆组件T12(也称第一线缆组件T12)、传感器天线T13(也称第一传感器天线T13)和收发天线T14。
传感器T11固定于内圈11的靠近轴箱端盖22的轴向端部，例如在内圈11的端部设置沿轴向A延伸的螺纹孔用于固定传感器T11。线缆组件T12连接传感器T11和传感器天线T13。收发天线T14固定于轴箱端盖22。
内圈11与轴31过盈配合地连接，轴31在轴向A上靠近轴箱端盖22的一端通过螺钉固定有轴端盖32。
轴承工作时，内圈11、轴31、轴端盖32、传感器T11、线缆组件T12和传感器天线T13同步地相对于轴箱转动，而收发天线T14相对于轴箱静止。
为方便线缆组件T12和传感器天线T13的固定，轴端盖32的中部设有在轴向A上贯通的中孔32C，轴端盖32的径向外侧设有在轴向A上贯通的边孔32B。
轴端盖32的在轴向A上靠近轴箱端盖22的端部固定有连接件33。连接件33呈片状(例如，弯折的长片状)，其一端通过螺钉固定到轴端盖32，另一端向径向R的内侧延伸并向轴向A的内侧折弯而伸入到中孔32C内。传感器天线T13固定于连接件33的另一端，从而传感器天线T13能够至少部分地收容于中孔32C内而不至于占用轴承组件内部过多的轴向空间。优选地，传感器天线T13位于轴31的旋转中心，使得当轴31转动时传感器天线T13的转动半径小、受到的离心力小、运动状态稳定、收发信号稳定。
边孔32B连通到位于内圈11端部的用于固定传感器T11的螺纹孔，线缆组件T12的一端连接传感器T11、另一端穿过边孔32B之后向径向内侧延伸到中孔32C内并连接传感器天线T13。线缆组件T12优选使用半刚性电缆，保证其具有一定的柔性、能够根据轴承组件内部的空间折弯而布线，且具有一定的强度、便于固定。
收发天线T14用于接收传感器天线T13的信号、并将信号进一步向下游传递，收发天线T14固定于轴箱端盖22的轴向内侧的端面上。优选地，收发天线T14在径向上覆盖的区域大于传感器天线T13在径向上覆盖的区域。
传感器T11为无源(自供电)传感器，其例如可以通过电磁效应或压电效应获得工作电压、而不需要连接额外的电源。传感器T11的信号的无线传播方式例如是通过声波或射频信号传播。无源无线传感器的具体设置例如可以参照专利CN100344974C或专利公开CN105222919A，本发明对此不再赘述。
贯穿轴箱端盖22地设有接头41，线缆组件T22和收发天线T14的线缆在接头41处汇总，之后由连接于接头的总线缆42输出到轴承组件外部。总线缆42连接数据处理单元44(参照图1)，数据处理单元44根据内置的程序(考虑包括轴承的材料和结构尺寸等参数)将传感器T21和传感器T11采集的实时的温度信号转换为轴承的外圈12和内圈11的实时的尺寸变化量。为便于控制参数的可视化，数据处理单元44还通过通信线缆43连接计算机45，计算机45能够根据内置的程序将轴承的外圈12和内圈11的实时温度和轴承游隙的变化以可视化的形式显示。
维护人员还可以将测量的数据作为轴承游隙设计的反馈数据，或是可以设置合理的警戒温度值来向相关人员提供警报。
第二实施方式
参照图4和图5，接下来介绍在轴承的外圈12具有一定游隙的装配方式下传感器组件的设置方式。
在本实施方式中，轴承工作时其内圈11跟随轴31转动，而外圈12可能会缓慢地相对于轴箱座21在周向上蠕动。用于测量内圈11的温度的第一传感器组件T10的设置方式与第一实施方式相同，而用于测量外圈12的温度的第二传感器组件T20则使用与第一传感器组件T10相类似的无线传输信号的方式。以下主要介绍第二传感器组件T20的设置方式。
第二传感器组件T20包括(第二)传感器T21、连接接头T24和(第二)传感器天线T23。传感器T21固定于外圈12的靠近轴箱端盖22的轴向端部，连接接头T24的一端连接传感器T21、另一端向径向内侧和轴向外侧延伸并连接传感器天线T23。
收发天线T14呈圆盘状，其固定于轴箱端盖22的轴向内侧的端面上。收发天线T14在径向R上覆盖到传感器天线T23所在的径向区域，因此收发天线T14能同时接收来自传感器天线T23和传感器天线T13的信号，且即使传感器天线T23跟随外圈12在周向上蠕动，收发天线T14仍能接收来自传感器天线T23的信号。收发天线T14通过接头41与总线缆42连接以将信号进一步向下游传输。
为节约轴承组件轴向上的空间、同时避免第二传感器组件T20在随外圈12蠕动过程中与轴箱端盖22干涉，轴箱端盖22的与外圈12接触的边缘开设有槽22A，即轴箱端盖22的与外圈12接触的边缘在周向上是不完整的、被槽22A以豁口的形式间断开的，第二传感器组件T20能够部分地容纳于槽22A内。
下面简单说明本发明的上述实施方式的部分有益效果。
(i)传感器T21和传感器T11分别与轴承的外圈12和内圈11接触，能够实时地准确地测量轴承的外圈和内圈的温度。
(ii)通过使用无源无线传感器，传感器能与轴承的可动圈有效连接并传输信号。
(iii)无线传感器组件的收发天线T14固定于轴箱端盖22，收发天线T14不随轴承转动且能够接收来自传感器天线的信号。
(iv)通过实时监测轴承的外圈12和内圈11的温度，实时地计算轴承游隙，能避免轴承游隙过小造成的例如轴承抱死等不良后果。
(v)传感器组件不会增加(或不会过多地增加)轴箱的轴向尺寸。
应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本发明。本领域技术人员可以在本发明的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本发明的范围。例如，
(i)根据本发明的轴承组件不限于用于轨道车辆的轮对轴承组件。轴承组件中的轴承可以是圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承、球轴承、球面滚子轴承(调心滚子轴承)和滑动轴承等。
(ii)传感器T11和传感器T21还可以是能够测量轴承的其它状态的传感器，例如，传感器T11和传感器T21还可以是振动传感器或加速度传感器。
Claims (10)
1.一种带传感器的轴承组件，其包括轴箱座(21)、轴箱端盖(22)、轴承、传感器组件，所述轴承设置于所述轴箱座(21)的内腔，所述轴箱端盖(22)固定于所述轴箱座(21)的轴向端部，所述轴承包括可动圈，所述可动圈能够相对于所述轴箱座(21)转动或蠕动，其中，
所述传感器组件包括传感器、传感器天线和收发天线(T14)，
所述传感器固定于所述可动圈的在轴向(A)上靠近所述轴箱端盖(22)的端部，所述传感器与所述传感器天线电连接，
所述传感器能够测量所述可动圈的状态的变化、并将测量得到的状态信号传递给所述传感器天线，所述传感器天线能够将所述状态信号无线地向周围发射，
所述收发天线(T14)固定于所述轴箱端盖(22)的朝向所述轴承的端面，所述收发天线(T14)能够接收所述传感器天线发射的所述状态信号，所述轴承的内圈(11)为所述可动圈，所述内圈(11)用于过盈配合地装配在轴(31)的外周，所述内圈(11)能够相对于所述轴箱座(21)转动，所述轴(31)的朝向所述轴箱端盖(22)的轴向端部固定有轴端盖(32)，所述轴端盖(32)具有轴向贯通所述轴端盖(32)的中孔(32C)，第一传感器天线(T13)固定于所述轴端盖(32)并被至少部分地收容在所述中孔(32C)内。
2.根据权利要求1所述的轴承组件，其特征在于，
所述传感器组件包括第一传感器组件(T10)，所述第一传感器组件(T10)包括第一传感器(T11)和第一传感器天线(T13)，所述第一传感器(T11)固定于所述内圈(11)的在轴向上靠近所述轴箱端盖(22)的端部，所述第一传感器(T11)与所述第一传感器天线(T13)电连接。
3.根据权利要求2所述的轴承组件，其特征在于，所述第一传感器天线(T13)通过连接件(33)固定于所述轴端盖(32)，所述连接件(33)呈弯折的片状，所述连接件(33)的一端固定于所述轴端盖(32)，所述连接件(33)的一部分向轴向内侧弯折而伸入到所述中孔(32C)内，所述第一传感器天线(T13)固定于所述连接件(33)的伸入到所述中孔(32C)的部分。
4.根据权利要求2所述的轴承组件，其特征在于，所述第一传感器组件(T10)还包括第一线缆组件(T12)，所述轴端盖(32)还具有轴向贯通所述轴端盖(32)的边孔(32B)，
所述第一线缆组件(T12)穿过所述边孔(32B)，所述第一线缆组件(T12)的两端分别连接所述第一传感器(T11)和所述第一传感器天线(T13)。
5.根据权利要求2所述的轴承组件，其特征在于，所述轴承的外圈(12)相对于所述轴箱座(21)静止，
所述传感器组件还包括第二传感器组件(T20)，所述第二传感器组件(T20)包括第二传感器(T21)和第二线缆组件(T22)，
所述第二传感器(T21)固定于所述外圈(12)的在轴向上靠近所述轴箱端盖(22)的端部，所述第二线缆组件(T22)连接所述第二传感器(T21)，
所述第二传感器(T21)能够测量所述外圈(12)的状态的变化、并将测量得到的状态信号传递给所述第二线缆组件(T22)。
6.根据权利要求2所述的轴承组件，其特征在于，所述轴承的外圈(12)能够相对于所述轴箱座(21)蠕动，
所述传感器组件还包括第二传感器组件(T20)，所述第二传感器组件(T20)包括第二传感器(T21)、第二传感器天线(T23)和连接接头(T24)，
所述第二传感器(T21)固定于所述外圈(12)的在轴向(A)上靠近所述轴箱端盖(22)的端部，所述第二传感器天线(T23)通过所述连接接头(T24)连接到所述第二传感器(T21)，
所述第二传感器(T21)能够测量所述外圈(12)的状态的变化、并将测量得到的外圈状态信号传递给所述第二传感器天线(T23)，所述第二传感器天线(T23)将所述外圈状态信号无线地向周围发射，
所述外圈状态信号能够被所述收发天线(T14)接收。
7.根据权利要求6所述的轴承组件，其特征在于，所述收发天线(T14)呈圆盘状，所述收发天线(T14)在径向上覆盖所述第二传感器天线(T23)所在的径向区域。
8.根据权利要求5或6所述的轴承组件，其特征在于，所述轴箱端盖(22)的与所述外圈(12)接触的边缘具有槽(22A)，所述第二传感器组件(T20)能够部分地容纳于所述槽(22A)内。
9.根据权利要求1所述的轴承组件，其特征在于，所述传感器为无源温度传感器。
10.一种轴承游隙监测系统，其特征在于，所述系统包括根据权利要求5至8中任一项所述的轴承组件，所述系统还包括接头(41)、总线缆(42)、数据处理单元(44)、通信线缆(43)和计算机(45)，
所述接头(41)安装于所述轴箱端盖(22)，所述接头(41)将所述第一传感器组件(T10)测量的所述内圈(11)的温度信号和所述第二传感器组件(T20)测量的所述外圈(12)的温度信号传递给总线缆(42)，所述总线缆(42)将所述内圈(11)和所述外圈(12)的温度信号传递给所述数据处理单元(44)，所述数据处理单元(44)根据所述内圈(11)和所述外圈(12)的温度信号计算所述轴承的游隙，
所述通信线缆(43)连接所述数据处理单元(44)和所述计算机(45)，所述计算机(45)将所述轴承的温度和/或所述轴承的游隙以可视化的形式显示。
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