CN116025637A - 用于滚动轴承的压电陶瓷滚动体和滚动轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于滚动轴承的压电陶瓷滚动体和滚动轴承。一种用于滚动轴承的压电陶瓷滚动体包括：外壳，其具有中空的大致筒状形状并且包括至少一个轴向开口；压电陶瓷管，其设置在外壳内部，其中压电陶瓷管具有大致筒状形状并且包括位于压电陶瓷管的径向外表面的第一电极和位于压电陶瓷管的径向内表面的第二电极；和电路组件，其设置在外壳内部，其中电路组件与压电陶瓷管的第一电极和第二电极分别电连接，并且电路组件构造成能够将压电陶瓷管产生的信号发射到压电陶瓷滚动体外部。

Description

用于滚动轴承的压电陶瓷滚动体和滚动轴承

技术领域

本发明涉及轴承技术领域。更具体地，本发明涉及用于滚动轴承的检测技术领域。

背景技术

在现有的轴承振动监测中，在轴承座外表面或包含轴承的整个设备的外壳上布置振动传感器。图1是一种包含轴承的设备的振动检测的示意图。如图1所示，设备包括外壳1'、轴承2'和振动传感器3'，轴承2'布置在外壳1'的内部，振动传感器3'安装在外壳的外表面上。当轴承2'发生故障时，由故障引起的异常振动传递到设备的外壳1'上从而被振动传感器3'检测到，以此来分析和判断轴承2'的运行状态。

但是，当位于设备内部的轴承与位于设备外壳上的振动传感器相距较远时或者当刚性连接较差时，振动传感器在外壳上所测量的振动相对于轴承的振动会产生较大衰减，甚至可能振动传感器的测量结果完全无效。例如，在行星减速设备中，位于行星轮上的轴承与齿轮箱外壳之间没有任何直接的连接，完全无法通过在外壳上检测振动来获得轴承的状态。假设想将传感器安装在行星减速设备内部，因为行星轮和行星架都是旋转的，根本没有理想的安装传感器的位置。在这种情况下，现有技术无法有效地检测轴承的状态。

此外，安装在外壳上的外置振动传感器所测量的信号实际上表示在测量位置处整个设备的各种振动的叠加效果。虽然这种振动叠加可以用频谱分析进行分析，但是表征轴承振动的信号在处理过程中会被各种机械零部件的振动信号所影响，所关心的轴承振动信号存在被干扰信号淹没掉的可能。如果据此判断轴承故障，准确率必然受影响。

为此，需要一种能够提高振动检测准确率的用于滚动轴承的检测单元和包括该检测单元的滚动轴承。

发明内容

本发明的一个目的是提供能够提高振动监测准确率的用于滚动轴承的压电陶瓷滚动体和滚动轴承。本发明的另一目的是提供能够无源地检测振动的用于滚动轴承的压电陶瓷滚动体和滚动轴承。本发明的另一目的是提供能够无线地发射信号的用于滚动轴承的压电陶瓷滚动体和滚动轴承。本发明的另一目的是提供能够实时地检测振动的用于滚动轴承的压电陶瓷滚动体和滚动轴承。

本发明的一个方面提供一种用于滚动轴承的压电陶瓷滚动体包括：外壳，其具有中空的大致筒状形状并且包括至少一个轴向开口；压电陶瓷管，其设置在外壳内部，其中压电陶瓷管具有大致筒状形状并且包括位于压电陶瓷管的径向外表面的第一电极和位于压电陶瓷管的径向内表面的第二电极；电路组件，其设置在外壳内部，其中电路组件与压电陶瓷管的第一电极和第二电极分别电连接，并且电路组件构造成能够将压电陶瓷管产生的信号发射到压电陶瓷滚动体外部。

由此，根据本发明的实施例的压电陶瓷滚动体一方面作为检测单元被集成到滚动轴承内部，并且另一方面作为滚动体在滚动轴承运行时承受载荷。由于压电陶瓷滚动体即是检测单元又是轴承本身的部件，因此滚动轴承所受到的载荷和故障冲击可以被更准确地检测。压电陶瓷滚动体产生的信号直接体现轴承所受的载荷和故障冲击，因为滚动轴承与检测单元没有间接的连接结构，可以不受现有技术上由于传感器与滚动轴承间存在复杂的连接结构的测量限制。此外，由于压电陶瓷滚动体通过压电陶瓷管自发电而无需外部供电，可以直接驱动电路组件以将信号无线地发射到滚动轴承外部，从而可以实现实时检测。此外，由于压电陶瓷滚动体在滚动轴承内沿滚道运动，如果滚道存在故障点，产生的冲击变化可以被更准确地识别。此外，相比于现有技术中固定位置的传感器的检测结果体现整个设备在一点处振动的叠加，根据本发明的实施例的压电陶瓷滚动体发射的信号主要体现滚动轴承本身的振动，可以显著提高检测准确率。

根据本发明的某些实施例，压电陶瓷滚动体包括填充物，其形成为填充在外壳和/或压电陶瓷管内部以固定电路组件。通过填充物可以稳固地将电路组件固定在压电陶瓷滚动体内部。

根据本发明的某些实施例，压电陶瓷管以过盈配合设置在外壳内部。由此，压电陶瓷管可以稳固地固定在外壳内，并且外壳受到的振动和冲击可以直接被传递到压电陶瓷管上。

根据本发明的某些实施例，电路组件设置在压电陶瓷管内部。

根据本发明的某些实施例，填充物是通过灌胶工艺形成的灌胶填充物。灌胶填充物可以提供良好的粘接力以固定电路组件，并且可以提高生产效率并降低装配成本。

根据本发明的某些实施例，电路组件构造成以专有频段发射信号，从而使得压电陶瓷滚动体发射的信号具有唯一可识别性。每个电路组件发射的信号处于专有的频段内，由此当存在多个压电陶瓷滚动体时，不同的压电陶瓷滚动体发射的信号处于不同的频段，从而可以根据信号的频段来识别出相应的压电陶瓷滚动体。

根据本发明的某些实施例，压电陶瓷管包括位于压电陶瓷管的轴向端部的凹槽。凹槽可以便于电路组件和压电陶瓷管的电连接。

根据本发明的某些实施例，外壳包括从其径向内表面沿径向向内延伸的台肩。当压电陶瓷管在外壳内安装到位后，台肩可以在轴向上定位外壳并且防止压电陶瓷管从外壳中脱离。

根据本发明的某些实施例，填充物包括分别位于其两个轴向端部处的挡片，并且挡片的外径大于压电陶瓷管的内径。由此，挡片与压电陶瓷管的轴向端部配合，可以提高填充物的抗松脱性。

本发明的另一方面提供一种滚动轴承，包括：内圈；外圈；和一个或多个根据本发明的实施例的压电陶瓷滚动体，其中，压电陶瓷滚动体布置在内圈和外圈之间。

本发明的另一方面提供一种检测系统，包括：一个或多个根据本发明的实施例的滚动轴承；和信号接收装置，其位于滚动轴承外部，并且用于无线地接收从位于滚动轴承内的压电陶瓷滚动体发射的信号。

附图说明

图1是一种包含轴承的设备的振动检测的示意图。

图2是根据本发明的某些实施例的滚动轴承的示意图。

图3是根据本发明的某些实施例的压电陶瓷滚动体的示意图。

图4是根据本发明的某些实施例的压电陶瓷滚动体的分解示意图。

图5是根据本发明的某些实施例的压电陶瓷滚动体的截面示意图。

图6是根据本发明的某些实施例的与电路组件电连接的压电陶瓷管的截面示意图。

图7是根据本发明的某些实施例的压电陶瓷管和电路组件的连接示意图。

图8是根据本发明的某些实施例的检测系统的示意图。

具体实施方式

下文中，参照附图描述本发明的实施例。下面的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，本发明不限于所描述的优选实施例，本发明的范围由权利要求书限定。现参考示例性的实施方式详细描述本发明，一些实施例图示在附图中。以下描述参考附图进行，除非另有表示，否则在不同附图中的相同附图标记代表相同或类似的元件。以下示例性实施方式中描述的方案不代表本发明的所有方案。相反，这些方案仅是所附权利要求中涉及的本发明的各个方面的系统和方法的示例。

本发明提供一种用于滚动轴承的压电陶瓷滚动体和一种包括压电陶瓷滚动体的滚动轴承。下面，参考附图来描述本发明的示例性实施例。应当理解，附图中仅示出本发明的某些实施例，本发明的范围应当根据权利要求来确定。

图2是根据本发明的某些实施例的滚动轴承的示意图。根据本发明的某些实施例，如图2所示，滚动轴承1包括内圈10、外圈20和多个滚动体30。内圈10和外圈20是围绕滚动轴承1的旋转轴线同轴地布置的环形部件，其中，外圈20位于内圈10的径向外侧。内圈10包括位于其径向外表面上的径向外滚道。外圈20包括位于其径向内表面上的径向内滚道。滚动体30可以在径向内滚道和径向外滚道之间滚动。内圈10和外圈20能够通过布置在二者之间的滚动体30的滚动来围绕旋转轴线进行相对转动。在一些实施例中，滚动轴承1还包括保持架，以用于沿周向使滚动体30间隔开。

根据本发明的某些实施例，滚动轴承1的多个滚动体30包括一个或多个压电陶瓷滚动体100。压电陶瓷滚动体100用于检测滚动轴承1的振动并且用于将表征振动的信号无线地发射到滚动轴承1外部。压电陶瓷滚动体100一方面作为检测单元被集成到滚动轴承1内部，并且另一方面作为滚动体在滚动轴承1运行时承受载荷。由此，滚动轴承1在保持原有的承载和动力传递功能的基础上，还创新地内置检测自身运行中产生的振动和冲击的检测单元。

在图2所示的实施例中，滚动轴承1包括两个压电陶瓷滚动体100。在一些实施例，当滚动轴承1包括多个压电陶瓷滚动体100时，多个压电陶瓷滚动体100在周向上布置于不同位置，以覆盖更多的载荷测量区域。在一些实施例中，多个压电陶瓷滚动体100可以沿周向均匀分布。

下面，参考附图来描述本发明的压电陶瓷滚动体。图3是根据本发明的某些实施例的压电陶瓷滚动体的示意图。图4是根据本发明的某些实施例的压电陶瓷滚动体的分解示意图。根据本发明的某些实施例，压电陶瓷滚动体100包括外壳110、压电陶瓷管120、电路组件130和填充物140。图5是根据本发明的某些实施例的压电陶瓷滚动体的截面示意图。请注意为便于展示，在图5中未示出填充物。图6是根据本发明的某些实施例的压电陶瓷管和电路组件的连接示意图。图7是根据本发明的某些实施例的与电路组件电连接的压电陶瓷管的截面示意图。

根据本发明的某些实施例，如图3所示，外壳110具有中空的大致筒状形状并且包括径向外表面111和径向内表面112。在一些实施例中，外壳110包括分别位于两个轴向端部的两个轴向开口113。外壳110构造成用于固定和保护压电陶瓷管120。在示例性实施例中，外壳110由金属制成。具体地，在滚动轴承1运行时交变的径向和轴向载荷下，外壳110可以固定和保护压电陶瓷管120，以避免或降低轴承滚道和轴承内异物对压电陶瓷管120的磨损、腐蚀和冲击。此外，外壳110可以增强压电陶瓷滚动体100的承载能力。

根据本发明的某些实施例，如图3所示，压电陶瓷管120具有大致筒状形状并且包括径向外表面和径向内表面。压电陶瓷管120设置在外壳110内部。压电陶瓷管120包括分别位于其径向外表面和径向内表面的两个电极121、122，优选为镀银电极。由此，压电陶瓷管120是周向极化的。

根据本发明的某些实施例，压电陶瓷管120的径向外表面与外壳110的径向内表面刚性连接，从而外壳110受到的振动和冲击可以直接被传递到压电陶瓷管120上。在一些实施例中，压电陶瓷管120以过盈配合设置在外壳110内。例如，可以采用热装法或冷装法等将压电陶瓷管120安装在外壳110内，使得外壳110的径向内表面和压电陶瓷管120的径向外表面过盈配合。

在一些实施例中，压电陶瓷管120设置成大致占据外壳110的中空部分，即，压电陶瓷管120的轴向长度大致等于或略小于外壳110的中空部分的轴向长度。在一些实施例中，如图5所示，在外壳110的一个或两个轴向端部处，外壳110还可以从其径向内表面沿径向向内延伸的台肩114。当压电陶瓷管120在外壳110内安装到位后，台肩114可以在轴向上定位外壳110并且防止压电陶瓷管120从外壳110中脱离。

根据本发明的某些实施例，如图5至图7所示，电路组件130设置在压电陶瓷管120内。电路组件130与压电陶瓷管的两个电极121、122电连接。在滚动轴承1运行时，压电陶瓷滚动体100中的压电陶瓷管120会产生信号。电路组件130用于将压电陶瓷管120产生的信号发射到压电陶瓷滚动体100外部。在一些实施例中，电路组件130包括天线。例如，电路组件130包括板载天线。板载天线可以与电路组件130中的电路板印刷在一起，从而可以节省电路组件130的占用空间并且提高其可靠性和使用寿命。

具体地，在滚动轴承1运行时，压电陶瓷滚动体100周期性地被内圈10和外圈20压入和压出轴承负载区，导致压电陶瓷管120的电极121、122上的电荷数量周期性变化，从而引起电压波动并产生信号。例如，如果滚动轴承1的滚道上存在缺陷，当压电陶瓷滚动体100滚动经过该缺陷部位时会产生冲击，从而在信号中产生相应脉冲。与压电陶瓷管120电连接的处理电路130能够获取压电陶瓷管120产生的信号并且将该信号无线地发射到压电陶瓷滚动体100外部，特别是发射到滚动轴承1外部。外部的信号接收装置可以接收由压电陶瓷滚动体100的电路组件130发射的信号。

在一些实施例中，电路组件130构造成以专有频段发射信号，从而使得压电陶瓷滚动体100发射的信号具有唯一可识别性。在这种情况下，每个电路组件130发射的信号处于专有的频段内。由此，当存在多个压电陶瓷滚动体100时，不同的压电陶瓷滚动体100发射的信号处于不同的频段，从而可以根据信号的频段来识别出相应的压电陶瓷滚动体100。

在一些实施例中，电路组件130采用LC振荡电路来发射信号。LC振荡电路所使用的器件较少、占用空间小且复杂性低，由此可以提高压电陶瓷滚动体100及滚动轴承1的可靠性和使用寿命。在一些实施例中，电路组件130采用声表面波(SAW)振荡电路来发射信号。SAW振荡电路能够实现更好的信号发射性能。但是，本领域技术人员应当理解，电路组件130所采用的电路类型不限于以上所述。

在一些实施例中，如图4至图7所示，为便于电路组件130和压电陶瓷管120的电连接，压电陶瓷管120还包括位于其一个轴向端部处并且从径向内表面延伸到径向外表面的凹槽123。例如，当电路组件130布置在压电陶瓷管120内时，电线可以从电路组件130延伸并穿过凹槽123，连接到位于压电陶瓷管120的径向外表面的电极121。

根据本发明的某些实施例，如图3和图4所示，填充物140形成为填充在压电陶瓷管120内部以固定电路组件130。在示例性实施例中，填充物140是灌胶填充物，即通过灌胶工艺形成。例如，在电路组件130被设置在压电陶瓷管120内并与压电陶瓷管120电连接后，液态灌封胶可以被灌入到压电陶瓷管120内并且经固化后形成填充物140，从而将电路组件130固定在压电陶瓷管120内部。

在一些实施例中，如图4所示，填充物140形成为包括分别位于两个轴向端部处的两个挡片141。在一些实施例中，挡片141的外径大于压电陶瓷管120的内径。由此，挡片141与压电陶瓷管120的轴向端部配合，可以提高填充物140的抗松脱性。在一些实施例中，挡片141的外径还可以大于外壳110的内径。由此，挡片141与外壳110配合形成不可拆卸的连接结构，从而可以进一步提高填充物140的抗松脱性。

本发明还提供一种检测系统。图8是根据本发明的某些实施例的检测系统的示意图。根据本发明的某些实施例，如图8所示，检测系统包括一个或多个滚动轴承1和信号接收装置2。信号接收装置2布置在滚动轴承1外部。每个滚动轴承1包括根据本发明的实施例的压电陶瓷滚动体100。信号接收装置2可以无线地接收从滚动轴承1的压电陶瓷滚动体100发射的信号。

在一些实施例中，当检测系统包括多个滚动轴承1时，多个滚动轴承1分别以不同频段发射信号，优选为每个压电陶瓷滚动体100以专有频段发射信号。由此，信号接收装置2可以根据信号的频段来识别出相应的压电陶瓷滚动体100和滚动轴承1。此外，信号接收装置2还可以同步地接收多个滚动轴承1或多个压电陶瓷滚动体100发射的信号。但是，本发明不限于此。在一些实施例中，信号接收装置2还可以构造成分时段地接收不同滚动轴承1或不同压电陶瓷滚动体100发射的信号。

上文描述外壳110包括分别位于两个轴向端部的两个轴向开口113。但是，本发明不限于此。在一些实施例中，外壳110仅包括位于一个轴向端部的一个轴向开口。在安装过程中，压电陶瓷管120可以从外壳110的轴向开口被放置到外壳110的中空部分中。

上文描述压电陶瓷管120设置成大致占据外壳110的中空部分。但是，本发明不限于此。在一些实施例中，压电陶瓷管120沿轴向仅占据外壳110的中空部分的一部分，即，压电陶瓷管120的轴向长度小于外壳110的中空部分的轴向长度。例如，压电陶瓷管120的轴向长度与外壳110的中空部分的轴向长度的比值小于等于0.9、0.7、0.5等。在一些实施例中，当压电陶瓷管120沿轴向仅占据外壳110的中空部分的一部分时，外壳110的中空部分的其他部段可以被填充物所填充，例如根据本发明的实施例的灌胶填充物。

上文描述电路组件130设置在压电陶瓷管120内。但是，本发明不限于此。在一些实施例中，例如当压电陶瓷管120沿轴向仅占据外壳110的一部分时，电路组件130也可以设置在外壳110内而位于压电陶瓷管120外。

上文描述灌胶填充物140形成为填充在压电陶瓷管120内部以固定电路组件130。但是，本发明不限于此。在一些实施例中，例如当压电陶瓷管120沿轴向仅占据外壳110的一部分时，灌胶填充物140形成为填充在外壳110和/或压电陶瓷管120内部以固定电路组件130。

上文描述填充物140为灌胶填充物。但是，本发明不限于此。在其他实施例中，填充物还可以是利用其他工艺或材料形成的填充物，只要其能够在压电陶瓷滚动体100中固定电路组件即可。

上文描述压电陶瓷管120包括凹槽123以便于位于压电陶瓷管120内的电路组件130电连接到位于压电陶瓷管120的径向外表面的电极121。但是，本发明不限于此。在一些实施例中，压电陶瓷管120可以包括从其径向内表面延伸到径向外表面的通孔。通孔不是设置在压电陶瓷管120的轴向端部处，而是位于压电陶瓷管120的中间部位。在一些实施例中，压电陶瓷管120可以不设置该凹槽或通孔。

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应理解，本发明并不限于上述实施例的构造和方法。相反，本发明意在覆盖各种修改例和等同配置。另外，尽管在各种示例性结合体和构造中示出了所公开发明的各种元件和方法步骤，但是包括更多、更少的元件或方法的其它组合也落在本发明的范围之内。

附图标记列表

1滚动轴承；

2信号接收装置；

10 内圈；

20 外圈；

30 滚动体；

100 压电陶瓷滚动体；

110 外壳；

111 径向外表面；

112 径向内表面；

113 轴向开口；

114 台肩；

120 压电陶瓷管；

121 电极；

122 电极；

123 凹槽；

130 电路组件；

140 填充物；

141 挡片。

Claims (11)

1.一种用于滚动轴承(1)的压电陶瓷滚动体(100)，包括：

外壳(110)，其具有中空的大致筒状形状并且包括至少一个轴向开口(113)；

压电陶瓷管(120)，其设置在所述外壳(110)内部，其中所述压电陶瓷管(120)具有大致筒状形状并且包括位于所述压电陶瓷管(120)的径向外表面的第一电极(121)和位于所述压电陶瓷管的径向内表面的第二电极(122)；和

电路组件(130)，其设置在所述外壳(110)内部，其中所述电路组件(130)与所述压电陶瓷管(120)的所述第一电极(121)和所述第二电极(122)分别电连接，并且所述电路组件(130)构造成能够将所述压电陶瓷管(120)产生的信号发射到所述压电陶瓷滚动体(100)外部。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷滚动体(100)，其中，所述压电陶瓷滚动体还包括填充物(140)，其形成为填充在所述外壳(110)和/或所述压电陶瓷管(120)内部以固定所述电路组件(130)。

3.根据权利要求2所述的压电陶瓷滚动体(100)，其中，所述压电陶瓷管(130)以过盈配合设置在所述外壳(110)内部。

4.根据权利要求3所述的压电陶瓷滚动体(100)，其中，所述电路组件(130)设置在所述压电陶瓷管(120)内部。

5.根据权利要求4所述的压电陶瓷滚动体(100)，其中，所述填充物(140)是通过灌胶工艺形成的灌胶填充物。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的压电陶瓷滚动体(100)，其中，所述电路组件(130)构造成以专有频段发射信号，从而使得所述压电陶瓷滚动体(100)发射的信号具有唯一可识别性。

7.根据权利要求4或5所述的压电陶瓷滚动体(100)，其中，所述压电陶瓷管(120)包括位于所述压电陶瓷管(120)的轴向端部的凹槽(123)。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的压电陶瓷滚动体(100)，其中，所述外壳(110)包括从其径向内表面沿径向向内延伸的台肩(114)。

9.根据权利要求5所述的压电陶瓷滚动体(100)，其中，所述填充物(140)包括分别位于其两个轴向端部处的挡片(141)，并且所述挡片(141)的外径大于所述压电陶瓷管(120)的内径。

10.一种滚动轴承(1)，包括：

内圈(10)；

外圈(20)；和

一个或多个根据权利要求1至9中任一项所述的压电陶瓷滚动体(100)，其中，所述压电陶瓷滚动体(100)布置在所述内圈(10)和所述外圈(20)之间。

11.一种检测系统，包括：

一个或多个根据权利要求10所述的滚动轴承(1)；和

信号接收装置(2)，其位于所述滚动轴承(1)外部，并且用于无线地接收从位于所述滚动轴承(1)内的压电陶瓷滚动体(100)发射的信号。

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