CN113933053B - 非接触感应式摩擦电轴承传感器及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触感应式摩擦电轴承传感器及其测试方法，该传感器包括滚动轴承、定子单元和转子单元，定子单元的端盖的沟槽处设有电荷补充装置，栅格电极由两个环形叉指电极组成，调整环用于调节电极与转子单元的距离；转子单元包括保持架连接板和PTFE环，保持架连接板通过铆钉与保持架相连接，PTFE环安装于保持架连接板的凹槽处。当轴承转动时电荷补充装置和PTFE环发生相对摩擦并在两接触表面不断积累电荷，并在栅格电极上感应产生相应的静电荷，随着PTFE环与栅格电极的相对转动，感应电荷在两个叉指电极之间来回流动产生交流信号。本发明可实现对滚动轴承的转速和打滑率检测，具有测量范围广、测量精度高和服役寿命长等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种非接触感应式摩擦电轴承传感器及其测试方法，属于传感器技术领域。
背景技术
滚动轴承作为机械关键基础件，被广泛应用于数控机床、航空航天等现代化工业设备中，其运行状态直接影响装备的工作性能、可靠性和寿命。随着现代工业技术的迅猛发展，对滚动轴承的转速和服役寿命提出了更高的要求，然而其在高速状态下极易产生打滑现象。打滑是滚动轴承在运行过程中最常见的失效形式之一，会造成滚动体及内外滚道的划伤、磨损和早期失效，降低轴承的旋转精度，严重影响轴承的工作性能和使用寿命。因此，对滚动轴承打滑率进行监测可以有效避免因其故障造成的严重设备事故和重大经济损失。
但是目前所采用的轴承打滑率检测方法普遍需要对其结构进行一定改变，极大影响了保持架的动态特性，且所采用的光纤传感器、电涡流传感器的测试精度极易受环境的影响，导致该类测试系统结构复杂，安装和维修困难，需要外部电源供电，难以广泛推广应用。
因此，迫切需要设计一种结构简单、易于集成、精度高且稳定可靠的新型滚动轴承转速和打滑监测传感器以满足现代工业装备小型化、智能化的需求。
发明内容
本发明为了解决需要设计一种结构简单、易于集成、精度高且稳定可靠的新型滚动轴承转速和打滑监测传感器以满足现代工业装备小型化、智能化的需求的技术问题，提出一种非接触感应式摩擦电轴承传感器及其测试方法，可以实现对滚动轴承转速和打滑率的实时监测。
本发明提出一种非接触感应式摩擦电轴承传感器，包括滚动轴承、定子单元和转子单元，所述定子单元包括端盖、电荷补充装置、栅格电极和调整环，所述端盖与滚动轴承的外圈固定，所述电荷补充装置安装在端盖的沟槽处为转子单元提供电荷补充保证传感器信号强度，所述栅格电极在端盖上沿周向呈栅格状交错排布，所述调整环用于调节栅格电极与转子单元的距离；
所述转子单元包括保持架连接板和PTFE环，所述保持架连接板固定在滚动轴承的保持架上，与保持架保持同步转动，所述PTFE环呈梳指状，当滚动轴承转动时，所述PTFE环和电荷补充装置发生相对摩擦在两接触表面不断积累电荷，同时在所述栅格电极上感应产生相应电荷，随着所述PTFE环与所述栅格电极的相对转动，感应电荷在两个叉指电极之间来回流动产生交流信号。
优选地，所述端盖上设有凸起块用于与所述滚动轴承外圈固定限位。
优选地，所述电荷补充装置由EVA泡沫和铜扫掠片组成，铜扫掠片固定在外端盖的勾槽内，为转子单元提供电荷补充保证传感器信号强度，为减少摩擦阻力和延长使用寿命将铜扫掠片设计为凸弧形，在扫掠片下面垫有EVA泡沫，为扫掠片提供支撑并施加一定的预紧力，保证其足够大的接触面积。
优选地，所述栅格电极由两个环形叉指状电极呈栅格交错排布组成，其内外圈电极间同心布置，相邻栅格间保持恒定间距，叉指电极对的单个周期所占的扇形区域角度为30°。
优选地，所述保持架连接板结构设计与所述滚动轴承的保持架结构尺寸相匹配，且通过铆钉固定在滚动轴承的保持架上。
优选地，所述PTFE环的12个梳指沿圆周方向均匀排布，每个梳指所占扇形区域大小为14°，且形状样式与所述栅格电极的指形相匹配。
优选地，所述PTFE环安装于所述保持架连接板的凹槽处，作为电负性材料，安装完成后所述PTFE环上表面略高于保持架连接板凸起部分，避免所述电荷补充装置与所述保持架连接板发生接触。
优选地，所述PTFE环与滚动轴承的保持架保持同步转动，且与所述电荷补充装置发生相对摩擦，由于摩擦起电效应在两摩擦表面不断累积电荷至饱和状态。
优选地，所述PTFE环与栅格电极非接触，所述PTFE环经充电后在栅格电极表面感应出相应静电荷，当滚动轴承正常工作时，电势差驱动感应电荷在两个叉指电极之间来回流动产生交流信号，且该交流信号频率随着所述滚动轴承保持架转速的变化而变化。
一种非接触感应式摩擦电轴承传感器的测试方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：利用静电采集设备记录非接触感应式摩擦电轴承传感器产生的交流信号，通过信号处理模块将原始正弦信号转化为方波信号提高信号的稳定性并降低检测信号的复杂度；
步骤S2：将信号处理后的方波信号频率换算为相应的滚动轴承101保持架实际转速；
步骤S3：根据滚动轴承101内圈和和保持架转速公式，将伺服电机转速换算为保持架理论转速；
步骤S4：根据保持架实际转速与保持架理论转速计算保持架打滑率。
本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器及其测试方法的有益效果为：
(1)本发明提出的传感器，当轴承正常工作时，保持架带动梳指状PTFE环相对于电荷补充装置转动和摩擦，随着摩擦过程的持续进行在两摩擦表面不断积累相应的静电荷。在PTFE环上积累的负电荷作用下，两栅格电极上感应产生相应的正负电荷，且随着PTFE环的转动，静电荷在两栅格电极间周期性流动，产生交流电信号。该交流电信号的频率会随着滚动轴承的保持架转速同步变化，因此对该传感产生的交流信号频率进行采集并进行相关计算即可得到滚动轴承的保持架转速和打滑率等信息。由于该传感器采用非接触模式，故其具有超长的服役寿命和极高的稳定性，可实现对滚动轴承的转速和打滑率检测，具有自驱动传感、检测范围广、测量精度高和服役寿命长等优点。
(2)本发明具有小型化、集成化的特点，可在保持轴承结构完整性和功能完整性的前提下实现对滚动轴承转速和打滑率的实时检测，为新型自驱动、自感知智能轴承的研制提供理论和试验基础。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器的结构示意图；
图2为本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器中的转子结构的结构示意图；
图3为本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器中的定子结构的结构示意图；
图4为本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器中的定子结构的立体图；
图5为本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器的工作原理示意图；
图6为本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器测试方法的示意流程图；
图7为本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器在不同转速下开路电压特性示意图；
图8为本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器的旋转速度与输出信号频率的拟合直线示意图，其中(a)表示理论转速与输出信号频率的拟合直线示意图；(b)表示商用传感器检测转速与输出信号频率的拟合直线示意图；
图9为本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器在旋转速度为10-2000rpm时的误差值和误差率示意图；
图10为本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器在旋转速度为2000-5000rpm时的打滑值和打滑率示意图；
图11为本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器进行耐久性测试的结果图；
附图标记说明：101-轴承、1021-端盖、102-定子单元、1022-电荷补充装置、1023-栅格电极、1024-调整环、103-转子单元、1031-连接板、1032-PTFE环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-11说明本实施方式。
图1是本发明一个实施例的非接触感应式摩擦电轴承传感器的结构示意图。
如图1所示，该滑动式摩擦电环形运动传感器10包括滚动轴承101、定子单元102和转子单元103。其中，定子单元102包括端盖1021、电荷补充装置1022、栅格电极1023和调整环1024，端盖1021的外缘上设有凸起块用于与滚动轴承101外圈固定限位，电荷补充装置1022由铜扫掠片和EVA泡沫组成，铜扫掠片固定在外端盖的勾槽内，为转子单元103提供电荷补充保证传感器信号强度，为减少摩擦阻力和延长使用寿命将铜扫掠片设计为凸弧形，在扫掠片下面垫有EVA泡沫，为扫掠片提供支撑并施加一定的预紧力，保证其足够大的接触面积，所述栅格电极1023由两个环形叉指电极组成，栅格电极在端盖上沿周向呈栅格状交错排布，调整环1024用于调节所述栅格电极1023与转子103单元之间的距离。其中EVA泡沫起到支撑和施加预紧力作用保证扫掠片和PTFE环1032充分接触，铜扫掠片作为电正性材料与PTFE环1032发生相对摩擦。
转子单元103包括保持架连接板1031和PTFE环1032，保持架连接板1031通过铆钉104固定在滚动轴承101的保持架上，PTFE环1032呈梳指状沿圆周方向有12个均匀分布的梳指，当轴承101转动时PTFE环1032和电荷补充装置1022发生相对摩擦并在两接触表面不断积累电荷，同时在栅格电极1023上生成相应的感应电荷，随着PTFE环1032与栅格电极1023的相对转动，PTFE环和栅格电极相对位置不断发生变化引起电势分布的周期性变化，在电势差的驱动下感应电荷在两个叉指电极之间来回流动产生交流信号。
如图2所示，该定子单元102由端盖1021，电荷补充装置1022，栅格电极1023和调整环1024组成，其中端盖1021外径为69.6mm，内径为48.4mm，高为5mm，厚度为0.04mm，在端盖1021上设有凸起块用于与轴承外圈固定限位，将栅格电极1023贴附于外圈端盖内，栅格电极1023由两个环形叉指电极组成，叉指电极对的单个周期所占的扇形区域角度为30°，每两个相邻的栅格都属于相对的电极，将设计图案通过印刷并固定在铜箔表面，基底为聚酰亚胺，通过激光切割铜箔获得所需的叉指电极，电荷补充装置1022安装于端盖的勾槽内为转子单元提供电荷补充保证传感器信号强度，调整环1024安装在端盖1021和转子单元103之间用于调节二者间的距离。
如图3-4所示，该转子单元103由保持架连接板1031和PTFE环1032组成，PTFE环1032安装于保持架连接板1031的凹槽处，安装后PTFE环1032上表面高于保持架连接板1031端面0.5～1mm，PTFE环1032以烧结PTFE固体为材料并加工为梳指状，沿其圆周方向有12个均匀分布的梳指，单个梳状指占据的扇形角为14°，相邻两个梳状指之间的扇形角间距为16°。
如图5所示，电荷补充过程由电荷补充装置1022和PTFE环1032参与完成，当轴承正常工作时，保持架带动梳指状PTFE环1032相对于电荷补充装置1022转动和摩擦，由于摩擦起电效应在两摩擦表面不断积累相应的静电荷，栅格电极1023与PTFE环1032不接触，当二者相对时由于静电感应作用下在栅格电极1023上产生相应感应电荷，随着PTFE环1032和栅格电极1023的相对运动，PTFE环1032与两叉指电极的相对面积不断发生变化，进而引起两电极间的电势差，在电势差的驱动下，感应电荷在两叉指电极间周期性往复流动形成交流电信号，该信号的频率随着滚动轴承101转速变化而变化。
图6是本发明一个实施例的非接触感应式摩擦电轴承传感器测试方法流程图。
如图5所示，该非接触感应式摩擦电轴承传感器的测试方法包括以下步骤：
在步骤S1中，利用静电采集设备记录传感器产生的交流信号，通过信号处理模块将原始正弦信号转化为方波信号提高信号的稳定性并降低检测信号的复杂度。
在步骤S2中，将信号处理后的方波信号频率换算为相应的保持架实际转速。本传感器输出的电压信号频率和滚动轴承保持架转速的关系为：
其中，f为电压信号频率，N为单个转动周期输出的脉冲数，n为摩擦电传感器检测的滚动轴承保持架转速。
在步骤S3中，根据滚动轴承内圈和保持架转速关系，计算保持架理论转速：
γ＝Dcosα/dm
其中，nm是保持架转速，ni是内圈转速，no是外圈转速，D球直径，α是接触角，dm是轴承节圆直径。
在步骤S4中，根据保持架实际转速和保持架理论转速计算保持架打滑率：
其中，n是保持架理论转速，nm是保持架实际转速，S是打滑率。
如图7所示，测试了非接触感应式摩擦电轴承传感器在不同转速下的开路电压特性，首先，采集在500rpm下传感器的输出电压，然后每间隔500rpm记录一次传感器开路电压情况。可以看出非接触感应式摩擦电轴承传感器的开路电压与滚动轴承的旋转速度无关。在各个工作速度下，传感器的开路电压峰值基本稳定在10V，不随速度的增加而变化。
如图8所示，为非接触感应式摩擦电轴承传感器的旋转速度与输出信号频率的线性关系，实验结果显示本传感器电压信号特征频率与理论转速具有良好的线性度，本传感器电压信号频率可以较好的反映滚动轴承的转速信息。最后，将本传感器检测的轴承转速信息与商用传感器检测结果进行比较，结果表明本传感器测量的转速与商用传感器测得的值基本相等。
如图9所示，为非接触感应式摩擦电轴承传感器的转速传感检测结果，当滚动轴承101工作速度区间为100-2000rpm时，本传感器检测的转速误差值稳定在1.8rpm以下，误差率小于0.25％，并且随着转速的提升检测的误差率总体呈下降趋势最终稳定在0.1％以下，显示出了本传感器优异的传感性能。
如图10所示，为非接触感应式摩擦电轴承传感器的打滑率检测结果，当滚动轴承101工作速度达到2000rpm以上时轴承处在高速空载状态，因此发生了打滑现象，导致滚动轴承101内圈与滚动体产生了线速度差异，通过保持架理论转速与测得的保持架实际转速即可实现对滚动轴承的打滑率检测，实验结果表明本传感器可以较好的对滚动轴承的打滑率进行实时检测。
如图11所示，为非接触感应式摩擦电轴承传感器进行耐久性测试的结果，实验结果表明在连续运行3000000转(50小时)后其开路电压幅值仍稳定在10V，没有明显衰减，体现出了本传感器超长的服役寿命。
本发明所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器及其测试方法的工作原理为：
当滚动轴承101正常工作时，保持架带动梳指状PTFE环1032相对于电荷补充装置1022转动和摩擦，随着摩擦过程的持续进行在两摩擦表面不断积累相应的静电荷。在PTFE环1032上积累的负电荷作用下，两栅格电极1023上感应产生相应的正负电荷，且随着PTFE环1032的转动，静电荷在两栅格电极1023间周期性流动，产生交流电信号。该交流电信号的频率会随着滚动轴承101的保持架转速同步变化，因此对该传感器产生的交流信号频率进行采集并进行相关计算即可得到滚动轴承101的保持架转速和打滑率等信息。
由于该传感器采用非接触模式，故其具有超长的服役寿命和极高的稳定性，可实现自驱动传感、检测范围广、检测精度高。
本发明实施例提出的非接触感应式摩擦电轴承传感器，具有小型化、集成化的特点，可在保持轴承结构完整性和功能完整性的前提下实现对滚动轴承转速和打滑率的实时检测，为新型自驱动、自感知智能轴承的研制提供理论和试验基础。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种非接触感应式摩擦电轴承传感器，其特征在于，包括滚动轴承(101)、定子单元(102)和转子单元(103)，所述定子单元(102)包括端盖(1021)、电荷补充装置(1022)、栅格电极(1023)和调整环(1024)，所述端盖(1021)与滚动轴承(101)的外圈固定，所述电荷补充装置(1022)安装在端盖(1021)的沟槽处为转子单元(103)提供电荷补充保证传感器信号强度，所述栅格电极(1023)在端盖(1021)上沿周向呈栅格状交错排布，所述调整环(1024)用于调节栅格电极(1023)与转子单元(103)的距离；
所述转子单元(103)包括保持架连接板(1031)和PTFE环(1032)，所述保持架连接板(1031)固定在滚动轴承(101)的保持架上，与保持架保持同步转动，所述PTFE环(1032)呈梳指状，当滚动轴承(101)转动时，所述PTFE环(1032)和电荷补充装置(1022)发生相对摩擦在两接触表面不断积累电荷，同时在所述栅格电极(1023)上感应产生相应电荷，随着所述PTFE环(1032)与所述栅格电极(1023)的相对转动，感应电荷在两个叉指电极之间来回流动产生交流信号；
所述栅格电极(1023)由两个环形叉指状电极呈栅格交错排布组成，其内外圈电极间同心布置，相邻栅格间保持恒定间距，叉指电极对的单个周期所占的扇形区域角度为30°；
所述电荷补充装置(1022)由EVA泡沫和铜扫掠片组成，铜扫掠片固定在外端盖的勾槽内，为转子单元(103)提供电荷补充保证传感器信号强度；
所述PTFE环(1032)的12个梳指沿圆周方向均匀排布，每个梳指所占扇形区域大小为14°，且形状样式与所述栅格电极(1023)的指形相匹配；
所述PTFE环(1032)安装于所述保持架连接板(1031)的凹槽处，作为电负性材料，安装完成后所述PTFE环(1032)上表面高于保持架连接板(1031)凸起端面0.5～1mm，避免所述电荷补充装置(1022)与所述保持架连接板(1031)发生接触；
所述PTFE环(1032)与滚动轴承(101)的保持架保持同步转动，且与所述电荷补充装置(1022)发生相对摩擦，由于摩擦起电效应在两摩擦表面不断累积电荷至饱和状态。
2.根据权利要求1所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器，其特征在于，所述端盖(1021)上设有凸起块用于与所述滚动轴承(101)外圈固定限位。
3.根据权利要求1所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器，其特征在于，为减少摩擦阻力和延长使用寿命将铜扫掠片设计为凸弧形，在扫掠片下面垫有EVA泡沫，为扫掠片提供支撑并施加一定的预紧力，保证其足够大的接触面积。
4.根据权利要求1所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器，其特征在于，所述保持架连接板(1031)结构设计与所述滚动轴承(101)的保持架结构尺寸相匹配，且通过铆钉固定在滚动轴承(101)的保持架上。
5.根据权利要求1所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器，其特征在于，所述PTFE环(1032)与栅格电极(1023)非接触，所述PTFE环(1032)经充电后在栅格电极(1023)表面感应出相应静电荷，当滚动轴承正常工作时，电势差驱动感应电荷在两个叉指电极之间来回流动产生交流信号，且该交流信号频率随着所述滚动轴承(101)保持架转速的变化而变化。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的非接触感应式摩擦电轴承传感器的测试方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1：利用静电采集设备记录非接触感应式摩擦电轴承传感器产生的交流信号，通过信号处理模块将原始正弦信号转化为方波信号提高信号的稳定性并降低检测信号的复杂度；
步骤S2：将信号处理后的方波信号频率换算为相应的滚动轴承(101)保持架实际转速；
步骤S3：根据滚动轴承(101)内圈和和保持架转速公式，将伺服电机转速换算为保持架理论转速；
步骤S4：根据保持架实际转速与保持架理论转速计算保持架打滑率。
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