CN114810841B - 一种智能水润滑轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能水润滑轴承，包括轴、轴承本体、轴承外壳、以及位于轴承两端的左端盖和右端盖，左端盖上设置有出水口，右端盖上设置有进水口，包括设置在轴承本体的轴瓦开槽处的薄膜传感器组，还包括设置在右端盖处的环形电路模块，以及嵌入于左端盖处的动平衡装置组，环形电路模块包括环形电路板和无线供电模块，无线供电模块对环形电路板供电，薄膜传感器组采集轴承的状态参数，并将轴承的状态参数通过导线发送至环形电路板，环形电路板对接收到的状态参数进行处理生成处理后的信息，并将处理后的信息通过导线对动平衡装置组传输，实现了轴承平稳运行及在线监测。本发明实时监测轴承运行状态和磨损情况并施加精准控制，使轴承平稳运行。

Description

一种智能水润滑轴承
技术领域
本发明属于轴承技术领域，涉及一种智能水润滑轴承。
背景技术
随着绿色发展理念的逐步深入，以水作为润滑剂的滑动轴承逐渐广泛应用于船舶、水轮机等水力机械设备中，轴承运行状态是否稳定将对机械设备产生至关重要的影响。
水润滑轴承以水作为润滑剂，用以润滑和支撑轴系，然而，水的黏度低，导致其难以形成有效润滑膜，加之水润滑轴承的结构多样性、润滑膜空间的封闭性、运行工况的复杂性以及应用环境的特殊性，轴承运行状态无法在外部空间观察，而通过试验手段在线监测轴承各项运行参数(例如水膜压力，水膜厚度与水膜刚度等)比较困难。
智能技术的发展日新月异，智能轴承也有一些研究进展，但大多集中在滚动轴承领域。智能滑动轴承研究相对较少，目前见到的主要集中于监测层面，大都在轴承外圈或端盖处开槽嵌入传感器的方式来监测轴承的运行状态信号，监测信息及监测部位单一，难以描述整个轴承健康状态；同时，轴承的自我调控技术应用尚不完善，除了在自动润滑技术上的研究较多外，对于轴系力平衡控制研究较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能水润滑轴承，实时监测轴承运行状态和磨损情况并施加精准控制，使轴承平稳运行。
本发明所采用的技术方案是，一种智能水润滑轴承，包括轴、轴承本体、轴承外壳、以及位于轴承两端的左端盖和右端盖，左端盖上设置有出水口，右端盖上设置有进水口，包括设置在轴承本体的轴瓦开槽处的薄膜传感器组，还包括设置在右端盖处的环形电路模块，以及嵌入于左端盖处的动平衡装置组，环形电路模块包括环形电路板和无线供电模块，无线供电模块对环形电路板供电，薄膜传感器组采集轴承的状态参数，并将轴承的状态参数通过导线发送至环形电路板，环形电路板对接收到的状态参数进行处理生成处理后的信息，并将处理后的信息通过导线对动平衡装置组传输，实现了轴承平稳运行及状态在线监测。
本发明的特点还在于，
薄膜传感器组包括依次均匀设置在同一圆周上的薄膜压力传感器A、应变式传感器、薄膜温度传感器、薄膜压力传感器B和薄膜压力传感器C，薄膜压力传感器A、薄膜压力传感器B和薄膜压力传感器C采集轴承水膜压力信号，应变式传感器监测轴瓦变形情况，薄膜温度传感器采集轴承的温度信号。
环形电路板上集成有稳压模块、信号调理模块、锂电池模块、微控制器模块、整流滤波电路模块以及无线传输模块；
微控制器模块包括微控制器，根据采集到的信息调节动平衡装置组使得轴承平稳运行；
信号调理模块包括滤波电路、AD转换模块以及放大电路，对传感器组所接收到的状态参数进行处理，转化为电压信号输出，并将处理后的信息传至无线传输模块；
无线传输模块包括无线发送模块和无线接收模块，信号调理模块将处理后的信息传至无线发送模块，无线发送模块通过无线透传方式将信息传输至无线接收模块，无线接收模块依次连接有上位机和微控制器，并将信息在上位机显示、处理，获得水膜压力、温度数据，得到水润滑轴承全息水膜压力分布规律以及确定轴承润滑膜存在区域；
整流滤波电路模块包括整流电子元件、滤波电子元件，用于将无线供电模块产生的交流电转化为直流电，使输出电压纹波系数降低，波形平滑；稳压模块与整流滤波电路模块连接，包括稳压电子元件；
锂电池模块包括内置于环形电路板的锂电池，锂电池作为备用电池对环形电路板供电，同时无线供电模块可为锂电池充电。
右端盖外端面设置有环形的防尘罩，无线传输模块还包括环形天线，环形天线套设在防尘罩外边缘，无线发送模块将接收到的信息反馈至用于传输的环形天线，无线接收模块获取并解码所属环形天线的数据。
AD转换模块包括模拟开关及多个AD转换器，模拟开关与AD转换器配合，实现对输入的多路模拟信号进行转换。
无线供电模块包括相对设置于右端盖环形凸起凹槽内的原边环形线圈电路板以及副边环形线圈电路板，原边环形线圈电路板设置有原边供电线圈，原边供电线圈与交流电源连接，副边环形线圈电路板设置有副边供电线圈，副边供电线圈与环形电路模块连接，原边供电线圈和副边供电线圈均呈圆形绕制。
原边环形线圈电路板和副边环形线圈电路板通过卡簧固定在右端盖的环形凸起凹槽内。
动平衡装置组包括设置于轴外部并随轴转动的加载盘，还包括设置在左端盖内与左端盖内壁紧密配合的环形电磁加载座，环形电磁加载座上固定有多个凹面电磁铁，多个凹面电磁铁均匀分布在同一圆周，且凹面电磁铁开口朝向所在圆的圆心，一部分凹面电磁铁上对称分布缠绕有偏置电流线圈，另一部分凹面电磁铁有对称分布缠绕有控制电流线圈，环形电磁加载座与微控制器；
还包括采集轴与电磁铁之间间隙的电涡流传感器，电涡流传感器依次连接有变送器和上位机。
本发明的有益效果是：
本发明一种智能水润滑轴承，通过集成不同传感器及调控结构，使其合为一体从而形成一种独特的轴承结构单元，并应用信息处理、自动控制等技术实现轴承运行状态的实时监测与调控，可实时捕捉轴承特征参数信息，克服了传统水润滑轴承传感器距测点较远以及无法实现自我监测及调控的问题，实时监测轴承运行状态和磨损情况并施加精准控制，使轴承平稳运行，且具有抵御内外部干扰的能力。
附图说明
图1是本发明一种智能水润滑轴承的爆炸图；
图2是本发明一种智能水润滑轴承结构示意图；
图3是本发明一种智能水润滑轴承剖面图；
图4是本发明一种智能水润滑轴承中薄膜传感器组的分布图；
图5是本发明一种智能水润滑轴承中环形电路板的结构示意图；
图6是图3中A处的放大图；
图7是本发明一种智能水润滑轴承中动平衡装置组的结构示意图；
图8是本发明一种智能水润滑轴承的监控系统框图；
图中，1.右端盖，2.轴承外壳，3.轴，4.轴承本体，5.环形电路板，6.加载盘，7.电磁流量计，8.水泵，9.压力阀，10.电磁调节阀，16.轴承座，17.副边环形线圈电路板，18.环形天线，20.油封，21电磁铁，22.环形电磁加载座，23.左端盖，24.原边环形线圈电路板，25.卡簧，26.防尘罩，27.轴套，28.密封圈A，29.密封圈B，32.出水口，33.进水口，34.进水管，35.出水管，36.水箱，37.无线接收模块，38.上位机，40.控制电流线圈，41.偏置电流线圈，42.锂电池模块，43.微控制器模块，44.接线端子，45.信号调理模块，46.无线发送模块，47.整流滤波电路模块，48.稳压模块，49.薄膜压力传感器A，50.应变式传感器，51.薄膜温度传感器，52.薄膜压力传感器B，53.薄膜压力传感器C。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种智能水润滑轴承，如图1-3所示，包括轴承座16、轴3、轴套27、轴承本体4、轴承外壳2、以及位于轴承两端的左端盖23和右端盖1，左端盖23和右端盖1分别与轴承本体4之间设置有密封圈A28和密封圈B29，左端盖23上设置有出水口32，右端盖1上设置有进水口33，出水口32和进水口33处分别连接有出水管35和进水管34，出水管35和与水箱36连接，进水管34与设置在水箱36中的水泵8连接，进水管34上设置有电磁流量计7、电磁调节阀10和压力阀9。
还包括设置在轴承本体4的轴瓦开槽处的薄膜传感器组，还包括设置在右端盖1处的环形电路模块，以及嵌入于左端盖23处的动平衡装置组，环形电路模块包括环形电路板5和无线供电模块，无线供电模块对环形电路板5供电，薄膜传感器组采集轴承的状态参数，并将轴承的状态参数通过导线发送至环形电路板5，环形电路板5对接收到的状态参数进行处理生成处理后的信息，并将处理后的信息通过导线对动平衡装置组传输，实现了轴承平稳运行及状态在线监测。
薄膜传感器组表面覆盖有一层油封20，防止损伤传感器，如图4所示，薄膜传感器组包括依次均匀设置在同一圆周上的薄膜压力传感器A49、应变式传感器50、薄膜温度传感器51、薄膜压力传感器B52和薄膜压力传感器C53，薄膜压力传感器A49、薄膜压力传感器B52和薄膜压力传感器C53采集轴承水膜压力信号，应变式传感器50监测轴瓦变形情况，薄膜温度传感器51采集轴承的温度信号。
如图5所示，环形电路板5采用螺纹连接，固定安装于右端盖1环形底板槽处，不影响轴承正常工作，环形电路板5上集成有稳压模块48、信号调理模块45、锂电池模块42、微控制器模块43、整流滤波电路模块47以及无线传输模块，环形电路板5上还设置有多个接线端子44；
微控制器模块43包括微控制器及外围电路，根据采集到的信息调节动平衡装置组使得轴承平稳运行；
信号调理模块45包括滤波电路、AD转换模块以及放大电路，对传感器组所接收到的状态参数进行处理，转化为4-20mA电流、1-5V电压信号输出，并将处理后的信息传至无线传输模块；
无线传输模块包括无线发送模块46和无线接收模块37，信号调理模块45将处理后的信息传至无线发送模块46，无线发送模块46通过无线透传方式将信息传输至无线接收模块37，无线接收模块37依次连接有上位机38和微控制器，并将信息在上位机38显示、处理，获得水膜压力、温度数据，得到水润滑轴承全息水膜压力分布规律以及确定轴承润滑膜存在区域；
整流滤波电路模块47包括整流电子元件、滤波电子元件，用于将无线供电模块产生的交流电转化为直流电，尽可能减小直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑；稳压模块48与整流滤波电路模块连接，利用电路的调整使输出电压稳定，包括电容、电感等稳压电子元件；锂电池模块42包括内置于环形电路板5的锂电池，锂电池作为备用电池对环形电路板5供电，同时无线供电模块可为锂电池充电。
右端盖1外端面设置有环形的防尘罩26，无线传输模块还包括环形天线18，环形天线18套设在防尘罩26外边缘，无线发送模块46将接收到的信息反馈至用于传输的环形天线18，无线接收模块37获取并解码所属环形天线18的数据。
AD转换模块包括模拟开关及多个AD转换器，模拟开关与AD转换器配合，实现对输入的多路模拟信号进行转换。
如图6所示，无线供电模块包括通过卡簧25固定、相对设置于右端盖1环形凸起凹槽内的原边环形线圈电路板24以及副边环形线圈电路板17，原边环形线圈电路板24设置有原边供电线圈，原边供电线圈与交流电源连接，副边环形线圈电路板17设置有副边供电线圈，副边供电线圈与环形电路模块连接，原边供电线圈和副边供电线圈均呈圆形绕制，通过上述结构，无线供电原边电路将外部直流电源高频逆变转换为高频交流电，经无功补偿后接入无线供电原边绕组产生高频磁场，副边绕组感应到同频交流电后经环形电路板5内部无功补偿、整流滤波、降压稳压后为环形电路模块供电。
如图7所示，动平衡装置组包括设置于轴外部并随轴转动的加载盘6，还包括设置在左端盖23内与左端盖23内壁紧密配合的环形电磁加载座22，环形电磁加载座22上固定有八个凹面电磁铁21，八个凹面电磁铁21均匀分布在同一圆周，且凹面电磁铁21开口朝向所在圆的圆心，四个凹面电磁铁21上对称分布缠绕有偏置电流线圈41，四个凹面电磁铁21有对称分布缠绕有控制电流线圈40，缠绕有偏置电流线圈41的电磁铁和缠绕有控制电流线圈40的电磁铁21均以所在圆的圆心为中心呈中心对称分布，环形电磁加载座22与微控制器；还包括采集轴与电磁铁之间间隙的电涡流传感器，电涡流传感器依次连接有变送器和上位机38，根据上位机38显示的信息，通过调节微控制器调节环形电磁加载座22的电磁铁电流，通过电涡流传感器采集轴与电磁铁21之间的间隙，并送至变送器进行滤波放大后转换成电压信号输出。
将本发明一种智能水润滑轴承应用于智能水润滑轴承润滑机理的试验研究，如图8所示，具体操作步骤为：
步骤一，检查扭矩转速传感器、电涡流传感器与相应信号调理电路之间连线，连接测试设备电源，打开上位机38；启动水泵8，调节供水压力使其到达试验值，同时利用电磁流量计7测量供水流量，为待测试轴承供水；启动电机，使轴3转动，调节转速并达到试验值；
步骤二，在旋转的过程中，薄膜传感器组采集水膜压力、温度、变形等参数，经过右端盖1处的环形电路模块处理，将采集的信息采用透传方式传输至无线接收模块37，并在上位机38显示、处理，得到水膜压力、温度数据，分析结果后得到水润滑轴承全息水膜分布规律以及确定轴承润滑膜存在区域；
步骤三，根据上位机38显示的信息对轴承运行状况判定，若运行状况出现异常，通过控制微控制器，实现润滑系统的控制，即调节压力阀9及电磁调节阀10的开度实现对供水压力、供水流量的控制，与此同时薄膜传感器组继续采集轴承状态信息将之反馈至上位机38，实现轴承系统的远端调控。

Claims (6)

1.一种智能水润滑轴承，包括轴（3）、轴承本体（4）、轴承外壳（2）、以及位于轴承两端的左端盖（23）和右端盖（1），所述左端盖（23）上设置有出水口（32），所述右端盖（1）上设置有进水口（33），其特征在于，包括设置在轴承本体（4）的轴瓦开槽处的薄膜传感器组，还包括设置在右端盖（1）处的环形电路模块，以及嵌入于左端盖（23）处的动平衡装置组，所述环形电路模块包括环形电路板（5）和无线供电模块，无线供电模块对环形电路板（5）供电，所述薄膜传感器组采集轴承的状态参数，并将轴承的状态参数通过导线发送至环形电路板（5），所述环形电路板（5）对接收到的状态参数进行处理生成处理后的信息，并将处理后的信息通过导线对动平衡装置组传输，实现了轴承平稳运行及状态在线监测；
所述薄膜传感器组包括依次均匀设置在同一圆周上的薄膜压力传感器A（49）、应变式传感器（50）、薄膜温度传感器（51）、薄膜压力传感器B（52）和薄膜压力传感器C（53），所述薄膜压力传感器A（49）、薄膜压力传感器B（52）和薄膜压力传感器C（53）采集轴承水膜压力信号，所述应变式传感器（50）监测轴瓦变形情况，所述薄膜温度传感器（51）采集轴承的温度信号；
所述环形电路板（5）上集成有稳压模块（48）、信号调理模块（45）、锂电池模块（42）、微控制器模块（43）、整流滤波电路模块（47）以及无线传输模块；
微控制器模块（43）包括微控制器，根据采集到的信息调节动平衡装置组使得轴承平稳运行；
所述信号调理模块（45）包括滤波电路、AD转换模块以及放大电路，对传感器组所接收到的状态参数进行处理，转化为电压信号输出，并将处理后的信息传至无线传输模块；
所述无线传输模块包括无线发送模块（46）和无线接收模块（37），所述信号调理模块（45）将处理后的信息传至无线发送模块（46），无线发送模块（46）通过无线透传方式将信息传输至无线接收模块（37），无线接收模块（37）依次连接有上位机（38）和微控制器，并将信息在上位机（38）显示、处理，获得水膜压力、温度数据，得到水润滑轴承全息水膜压力分布规律以及确定轴承润滑膜存在区域；
所述整流滤波电路模块（47）包括整流电子元件、滤波电子元件以及稳压电子元件，用于将无线供电模块产生的交流电转化为直流电，使输出电压纹波系数降低，波形平滑；
所述稳压模块（48）与整流滤波电路模块连接，包括稳压电子元件；
所述锂电池模块（42）包括内置于环形电路板（5）的锂电池，所述锂电池作为备用电池对环形电路板（5）供电，同时也可为无线供电模块充电。
2.根据权利要求1所述的一种智能水润滑轴承，其特征在于，所述右端盖（1）外端面设置有环形的防尘罩（26），所述无线传输模块还包括环形天线（18），所述环形天线（18）套设在防尘罩（26）外边缘，所述无线发送模块（46）将接收到的信息反馈至用于传输的环形天线（18），所述无线接收模块（37）获取并解码所属环形天线（18）的数据。
3.根据权利要求1所述的一种智能水润滑轴承，其特征在于，所述AD转换模块包括模拟开关及多个AD转换器，所述模拟开关与AD转换器配合，实现对输入的多路模拟信号进行转换。
4.根据权利要求1所述的一种智能水润滑轴承，其特征在于，所述无线供电模块包括相对设置于右端盖（1）环形凸起凹槽内的原边环形线圈电路板（24）以及副边环形线圈电路板（17），所述原边环形线圈电路板（24）设置有原边供电线圈，所述原边供电线圈与交流电源连接，所述副边环形线圈电路板（17）设置有副边供电线圈，副边供电线圈与环形电路模块连接，原边供电线圈和副边供电线圈均呈圆形绕制。
5.根据权利要求4所述的一种智能水润滑轴承，其特征在于，所述原边环形线圈电路板（24）和副边环形线圈电路板（17）通过卡簧（25）固定在右端盖（1）的环形凸起凹槽内。
6.根据权利要求1所述的一种智能水润滑轴承，其特征在于，所述动平衡装置组包括设置于轴外部并随轴转动的加载盘（6），还包括设置在左端盖（23）内与左端盖（23）内壁紧密配合的环形电磁加载座（22），所述环形电磁加载座（22）上固定有多个凹面电磁铁（21），多个所述凹面电磁铁（21）均匀分布在同一圆周，且所述凹面电磁铁（21）开口朝向所在圆的圆心，一部分所述凹面电磁铁（21）上对称分布缠绕有偏置电流线圈（41），另一部分所述凹面电磁铁（21）有对称分布缠绕有控制电流线圈（40），所述环形电磁加载座（22）与微控制器；
还包括采集轴与电磁铁之间间隙的电涡流传感器，所述电涡流传感器依次连接有变送器和上位机（38）。
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