CN113983075B - 一种基于薄膜热电偶的测温智能轴承 - Google Patents

一种基于薄膜热电偶的测温智能轴承 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于薄膜热电偶的测温智能轴承,包括轴承单元和薄膜热电偶传感器;本发明通过将薄膜热电偶与滚动轴承相结合,形成一种特殊的智能轴承形式。该方案与以往的轴承测温方案相比,所提出的轴承体积更小,能够节省设备内部的空间,减小该轴承安装时的困难;采用了多个薄膜热电偶传感器对轴承进行测温,可以测量轴承内圈的多个位置,将轴承运转时温度的实时变化准确地反映出来;采用了粉末冶金轴承和热等静压工艺相结合的制造方法,将薄膜热电偶传感器与轴承内圈相结合,将传感器放置在更能够反映轴承温度的位置,使得传感器更有利于监测轴承温度的变化情况。

Description

一种基于薄膜热电偶的测温智能轴承
技术领域
本发明涉及机械设备和工业制造技术领域,尤其涉及一种基于薄膜热电偶的测温智能轴承。
背景技术
随着制造业的不断发展,制造设备和产品的数量不断提高,对于制造设备的监测和诊断也成为不可或缺的一部分。轴承是回转支撑单元的核心零部件,是设备和产品中的重要单元,广泛应用于航空航天、高铁与汽车轮毂、大型转子及精密机床等各个领域,其发展水平的高低往往代表或制约着一个国家机械工业和其他相关产业的发展水平。轴承作为设备的关键零部件,常常会在极端条件下产生一系列的失效和破坏,从而导致生产效率下降甚至造成严重的生产事故,影响生产效率和人员安全。对于轴承的监测和诊断已成为一个重要课题。但是,对于轴承的监测和诊断也面临着诸多难题,例如:大型机械测试困难,有的甚至没有提供测试点;相关参数难以实时和准确地测量。
温度是轴承疲劳寿命试验参数之一,对其实施监测并提高温度测量精度是保证轴承寿命计算值可靠的前提。普通滚动轴承的工作温度不应超过100℃,轴承一旦失效,温度将急剧上升。相关研究表明,轴承正常运行温度达到稳定状态时,内圈(转动圈)与外圈(静止圈)温度相差近;轴承失效时内圈(转动圈)温度急剧增大,外圈(静止圈)温度变化很小并且相对滞后,而内圈(转动圈)比外圈(静止圈)的温度变化要大得多。
热等静压(Hot Isostatic Pressing,简称HIP)工艺是将制品放置到密闭的容器中,向制品施加各向同等的压力,并施以高温,在高温高压的作用下,制品得以烧结和致密化。热等静压是高性能材料生产和新材料开发不可或缺的手段。热等静压是使粉末直接加热加压烧结成型的粉末冶金工艺,或者将成型后缩松缩孔的铸件进行热致密化处理,通过热等静压处理后,铸件可以提高致密度,改善铸件的整体力学性能。
现有技术中对轴承测温主要有以下几种技术方式:
中国专利CN112160983A公开了一种可测内圈温度的智能轴承,该方案设计采用红外温度传感器对轴承进行检测,这种方法使得传感器与轴承不直接接触,并且这种检测方法大多是对轴承的外圈(静止圈)进行测量。测量的结果往往不能准确反映轴承温度的变化情况并且所测得的数据具有滞后性,不利于监测轴承温度的实时变化;国际专利WO2020215256A1公开了一种带传感器的轴承组件和轴承游隙监测系统,该方案中,分别在轴承的内圈(转动圈)和外圈(静止圈)的端面设置了温度监测组件,对轴承的内圈(转动圈)和外圈(静止圈)进行温度监测。但是这种方法所监测的温度数据是在轴承的端面测量的,所测量的数据不一定能够准确地反映温度数值的变化;中国专利CN103245430A公开了一种用于测量瞬态温度的针状同轴薄膜热电偶,该方案设计了一种针状结构的薄膜热电偶传感器。但是这种制作薄膜热电偶的工艺方法较为复杂,并且,相比传统的薄膜热电偶来说也不便于安装;中国专利CN107250586A公开了一种用于滚动轴承的传感器装置和具有这种传感器装置的滚动轴承装置,该方案设计了一种设置在轴承端面的传感器模块,各个传感器模块分布在轴承的端面上。然而,这种设计增大了轴承的厚度,对轴承的安装精度要求较高,并且,使所测量的数据不一定能够准确地反映温度数值的变化。
综上,现有的对轴测温的技术均存在一定的缺陷和不足,因此有必要提供一种更有利于实时反映轴承运转时温度变化情况的测温轴承。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种能够实时准确地测量轴承运转时温度变化情况的基于薄膜热电偶的测温智能轴承。
本发明采用的技术方案如下:
本发明所提出的一种基于薄膜热电偶的测温智能轴承,包括轴承单元和薄膜热电偶传感器;
所述轴承单元包括轴承外圈、轴承内圈、滚动体和保持架;所述滚动体通过保持架均匀分布在轴承外圈和轴承内圈之间,且所述滚动体与轴承外圈和轴承内圈之间存在滚动;
所述热电偶传感器包括耐高温薄膜、第一热电极、第二热电极、第一引线和第二引线;所述第一热电极与第二热电极平铺于耐高温薄膜内部,且所述第一热电极与第二热电极平行,在内端相邻处呈半圆形将第一热电极与第二热电极连接;所述耐高温薄膜、第一热电极和第二热电极共同构成了薄膜热电偶传感器;所述第一热电极与第二热电极的外端伸出耐高温薄膜处分别与第一引线和第二引线相连;所述薄膜热电偶传感器固定在轴承内圈内部,且所述薄膜热电偶传感器与轴承内圈之间无相对滑动。
进一步的,所述轴承内圈包括外部包套、内部包套、第一套环、第二套环和金属粉末;所述外部包套间隔一定距离套装在内部包套外侧;所述外部包套和内部包套的一端之间通过第一套环密封;所述外部包套和内部包套的另一端之间通过第二套环密封;所述薄膜热电偶传感器固定在外部包套的内壁上;所述金属粉末填充在外部包套和内部包套之间的空隙内。
进一步的,所述轴承内圈采用热等静压工艺制成,具体步骤如下:
将内部包套和外部包套套装后通过包套夹具将其底端固定,采用氩弧焊接方式将第一套环焊接密封在内部包套和外部包套的顶端之间,此时内部包套、外部包套和第一套环完全固定;将包套夹具取下并将完全固定的内部包套、外部包套和第一套环整体倒放,呈中空的杯状结构;
将杯状结构放置于振动平台上,将薄膜热电偶传感器贴在外部包套内壁上固定,防止其滑落;在内部包套和外部包套之间的中空部分填充金属粉末,并通过振动平台将其震实;
重复上述操作,将中空部分中的金属粉末填充到一定高度,并盖上第二套环将其封口处理,所述第二套环同样采用氩弧焊接方式焊接密封在内部包套和外部包套的端部之间;
所述第二套环与第一套环的外廓尺寸一致,且所述第二套环上加工有通孔,使包套整体内部的金属粉末与外部相通;
采用氩弧焊接方式将脱气管焊接于第二套环上的通孔处;
将包含脱气管的包套整体经过气体泄漏检测;
将包套整体放置于脱气炉内进行脱气处理;
此时包套内部含有薄膜热电偶传感器和金属粉末,且包套内部处于完全密封的负压状态;
将脱气后的包套整体放置于热等静压炉内,热等静压加工温度为750-1350℃,压强为140-200MPa,时间为4-6h;
通过4-6小时的热等静压工艺,测温轴承粗坯已加工完成;
将热等静压后的测温轴承粗坯采用机加工方式进行整型,将其加工成为轴承内圈。
进一步的,所述脱气处理的脱气温度为200-400℃,压强为10-3MPa。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
1、本发明将薄膜热电偶与滚动轴承相结合,是一种特殊的智能轴承形式;
2、本发明与以往的轴承测温方案相比,本发明所提出的轴承体积更小,能够节省设备内部的空间,减小该轴承安装时的困难;
3、本发明采用了多个薄膜热电偶传感器对轴承进行测温,可以测量轴承内圈的多个位置,将轴承运转时温度的实时变化准确地反映出来;
4、本发明采用了粉末冶金工艺,将薄膜热电偶传感器与轴承内圈相结合,将传感器放置在更能够反映轴承温度的位置,使得传感器更有利于监测轴承温度的变化情况;
5、本发明采用了粉末冶金轴承和热等静压相结合的制造方法。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图;
图2为图1中的局部放大结构示意图;
图3为图1中AA向剖面结构示意图;
图4为图3中的局部放大结构示意图;
图5为图4中薄膜热电偶传感器的结构示意图;
图6为本发明中轴承内圈的制造工艺流程图。
其中,附图标记:1-轴承单元;2-薄膜热电偶传感器;3-包套夹具;11-轴承外圈;12-轴承内圈;13-滚动体;14-保持架;21-耐高温薄膜;22-第一热电极;23-第二热电极;24-第一引线;25-第二引线;121-内部包套;122-外部包套;123-第一套环;124-金属粉末;125-第二套环。
具体实施方式
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的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为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,而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
参见附图1至6,给出了本发明所提出的一种基于薄膜热电偶的测温智能轴承的一个实施例的具体结构。所述轴承包括轴承单元和薄膜热电偶传感器。
所述轴承单元1包括轴承外圈11、轴承内圈12、滚动体13和保持架14;所述轴承外圈11为静止圈,所述轴承内圈12为转动圈;所述滚动体13通过保持架14均匀分布在轴承外圈11和轴承内圈12之间,且所述滚动体13与轴承外圈11、轴承内圈12之间存在滚动。
所述热电偶传感器包括耐高温薄膜21、第一热电极22、第二热电极23、第一引线24和第二引线25;所述第一热电极22与第二热电极23呈类椭圆型平铺于耐高温薄膜21内部,类椭圆型呈现两边平行,两边相邻的一边呈半圆形将第一热电极22与第二热电极23连接,即所述第一热电极22与第二热电极23平行,所述第一热电极22与第二热电极23在内端相邻处呈半圆形连接;所述耐高温薄膜21、第一热电极22和第二热电极23共同构成了薄膜热电偶传感器;所述第一热电极22与第二热电极23的外端伸出耐高温薄膜21处分别与第一引线24和第二引线25相连接;所述薄膜热电偶传感器2均匀分布并固定在轴承内圈12的内部,且所述薄膜热电偶传感器2与轴承内圈12之间无相对滑动。
本实施例中,所述轴承内圈12包括内部包套121、外部包套122、第一套环123、金属粉末124和第二套环125;所述内部包套121和外部包套122均为中空圆柱结构;所述外部包套122间隔一定距离套装在内部包套121的圆周外侧;所述外部包套122和内部包套121的一端之间通过第一套环123密封;所述外部包套122和内部包套121的另一端之间通过第二套环密封125;所述薄膜热电偶传感器2固定在外部包套122的内壁上;所述金属粉末124填充在外部包套122和内部包套121之间的空腔内;所述金属粉末也可采用合金粉末替代。
所述轴承内圈12采用热等静压工艺制造而成,具体制造步骤如下:
首先将内部包套121和外部包套122套装后通过包套夹具3将其底端固定,采用氩弧焊接方式将第一套环123焊接密封在内部包套121和外部包套122的顶端之间,此时内部包套121、外部包套122和第一套环123完全固定;将包套夹具3取下并将完全固定的内部包套121、外部包套122和第一套环123整体倒放,此时呈中空的杯状结构;
将杯状结构整体放置于振动平台上,将薄膜热电偶传感器2贴在外部包套122内壁上固定,防止其滑落;在内部包套121和外部包套122之间的中空部分填充金属粉末124,并通过振动平台将其震实;
重复上述操作,将中空部分中的金属粉末124填充到一定高度,并盖上第二套环125将其封口处理,所述第二套环125同样采用氩弧焊接方式焊接密封在内部包套121和外部包套122的端部之间;此时内部包套121和外部包套122两端已通过第一套环123和第二套环125将其两端进行密封,值得注意的是,密封是防止包套内部的金属粉末124发生漏气;完全固定的内部包套121、外部包套122、第一套环123和第二套环125构成包套整体;
所述第二套环125与第一套环123的外廓尺寸一致,且所述第二套环125上加工有直径3-10mm的通孔,使包套整体内部的金属粉末124与外部相通;
采用氩弧焊接方式将脱气管分别焊接于第二套环125上的通孔处;
将包含脱气管的包套整体经过气体泄漏检测;
将包套整体放置于脱气炉内进行脱气处理;脱气温度为200-400℃,压强为10-3MPa。
此时包套内部含有薄膜热电偶传感器2和金属粉末124,且包套内部处于完全密封的负压状态;
将脱气后的包套整体放置于热等静压炉内,热等静压加工温度为750-1350℃,压强为140-200MPa,时间为4-6h;
通过4-6小时的热等静压工艺,测温轴承粗坯已加工完成;
将热等静压后的测温轴承粗坯采用机加工方式进行整型,将其加工成为轴承内圈12。
温度的测量对于轴承的监测是十分重要的。轴承运转时,其最高温度往往分布在轴承的滚动体与内圈接触的地方,所以,对于该处的温度测量也最能反应轴承内部温度的变化情况。现有的测试轴承温度的结构中,往往将测温传感器安装于轴承内圈的端面上,测量轴承端面的温度,不能靠近信号发生源,造成测温难,测温不准的问题。而本发明专利采用粉末冶金方法,将测温部件内置于轴承内圈,使测温部件更接近信号发生源,测温效果更好。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于薄膜热电偶的测温智能轴承,其特征在于:所述轴承包括轴承单元和薄膜热电偶传感器;
所述轴承单元包括轴承外圈、轴承内圈、滚动体和保持架;所述滚动体通过保持架均匀分布在轴承外圈和轴承内圈之间,且所述滚动体与轴承外圈和轴承内圈之间存在滚动;
所述热电偶传感器包括耐高温薄膜、第一热电极、第二热电极、第一引线和第二引线;所述第一热电极与第二热电极平铺于耐高温薄膜内部,且所述第一热电极与第二热电极平行,在内端相邻处呈半圆形将第一热电极与第二热电极连接;所述耐高温薄膜、第一热电极和第二热电极共同构成了薄膜热电偶传感器;所述第一热电极与第二热电极的外端伸出耐高温薄膜处分别与第一引线和第二引线相连;所述薄膜热电偶传感器固定在轴承内圈内部,且所述薄膜热电偶传感器与轴承内圈之间无相对滑动;
所述轴承内圈包括外部包套、内部包套、第一套环、第二套环和金属粉末;所述外部包套间隔一定距离套装在内部包套外侧;所述外部包套和内部包套的一端之间通过第一套环密封;所述外部包套和内部包套的另一端之间通过第二套环密封;所述薄膜热电偶传感器固定在外部包套的内壁上;所述金属粉末填充在外部包套和内部包套之间的空隙内。
2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜热电偶的测温智能轴承,其特征在于:所述轴承内圈采用热等静压工艺制成,具体步骤如下:
将内部包套和外部包套套装后通过包套夹具将其底端固定,采用氩弧焊接方式将第一套环焊接密封在内部包套和外部包套的顶端之间,此时内部包套、外部包套和第一套环完全固定;将包套夹具取下并将完全固定的内部包套、外部包套和第一套环整体倒放,呈中空的杯状结构;
将杯状结构放置于振动平台上,将薄膜热电偶传感器贴在外部包套内壁上固定,防止其滑落;在内部包套和外部包套之间的中空部分填充金属粉末,并通过振动平台将其震实;
重复上述操作,将中空部分中的金属粉末填充到一定高度,并盖上第二套环将其封口处理,所述第二套环同样采用氩弧焊接方式焊接密封在内部包套和外部包套的端部之间;
所述第二套环与第一套环的外廓尺寸一致,且所述第二套环上加工有通孔,使包套整体内部的金属粉末与外部相通;
采用氩弧焊接方式将脱气管焊接于第二套环上的通孔处;
将包含脱气管的包套整体经过气体泄漏检测;
将包套整体放置于脱气炉内进行脱气处理;
此时包套内部含有薄膜热电偶传感器和金属粉末,且包套内部处于完全密封的负压状态;
将脱气后的包套整体放置于热等静压炉内,热等静压加工温度为750-1350℃,压强为140-200MPa,时间为4-6h;
通过4-6小时的热等静压工艺,测温轴承粗坯已加工完成;
将热等静压后的测温轴承粗坯采用机加工方式进行整型,将其加工成为轴承内圈。
3.根据权利要求2所述的一种基于薄膜热电偶的测温智能轴承,其特征在于:所述脱气处理的脱气温度为200-400℃,压强为10-3MPa。
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