CN203856902U - 一种具有自测量系统的球轴承 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种具有自测量系统的球轴承,属于轴承技术领域。外圈端面固定有盖板,盖板上安装有护板,护板上设有至少一个用于安装传感器的通孔、用于安装电路板的环槽、凸台及导向孔;盖板及护板中间压接有环形金属膜,金属膜侧面粘接有压电膜并构成换能器;换能器上装有受激磁铁,受激磁铁的另一端置于导向孔内、且可沿导向孔往复运动;在内圈靠近护板的一侧端面上镶嵌有一组激励磁铁;电路板通过螺钉固定在环槽上,电路板经导线组一与传感器相连、经导线组二与换能器相连。优点是具有自供能传感监测功能,无需改变安装设备的结构,可实现真正意义上的实时在线监测;采用导向孔防止受激磁铁扭摆,换能器可靠性高。
Description
技术领域
本实用新型属于轴承技术领域,具体涉及一种具有自测量系统的球轴承。
背景技术
轴承是一种典型的机械基础件,在机械、车辆、航空航天、轮船及能源等领域都有着及其广泛的应用;然而,轴承也是转动机器中最易损坏的零件之一,旋转机械故障的30%是由轴承失效所引发的。因此,轴承的状态监测与早期故障诊断已引起人们的高度重视。轴承状态的在线监测已经逐步成为大型风力发电机、轮船、高铁以及航空器等领域不可或缺的技术,所需监测的指标包括诸如温度、振动、转速及噪音等。早期的轴承监测系统主要是外挂式的,其弊端之一是传感器与信号源间的距离较远,属于非接触的间接测量,故误差较大。近年来,人们又相继提出了不同形式的嵌入式监测系统,这种方法可解决测量精度及准确性问题,但需要改变相关设备的结构或其完整性,以便安装传感监测系统,这不但容易引起设备零部件的应力集中等问题,在一些结构复杂或空间有限的设备上也是无法实现的;最为关键的是,当监测系统需要随轴承内圈或外圈一起转动时,不便通过电线供电,而采用电池供电使用时间很短。因此,目前的轴承监测系统基本上还都是非实时的、间接的非接触测量,难以及时准确地获得轴承的运行状态。
发明内容
本实用新型提供一种具有自测量系统的球轴承,以解决现有轴承监测系统在实际应用中所存在的都是非实时的、间接的非接触测量,难以及时准确地获得轴承的运行状态的问题。
本实用新型采取的技术方案是:包括内圈、滚珠、保持架、外圈,所述外圈宽度大于内圈的宽度,且所述内圈与外圈的一侧对齐安装,在所述非对齐一侧,外圈端面通过螺钉固定有盖板的连接法兰,所述盖板上靠近内圈的一侧设有一组凹腔一和一个定位孔,并通过螺钉安装有护板,所述护板上设有与所述盖板上的凹腔一相对的凹腔二、与所述盖板上的定位孔相对的定位轴,在所述的凹腔二底部设有至少一个用于安装传感器的通孔、用于安装电路板的环槽、凸台及导向孔,在所述盖板及护板中间压接有环形金属膜,在所述金属膜的侧面对应凹腔一及凹腔二处粘接有压电膜,共同构成换能器,在所述换能器的中心处通过螺钉安装有受激磁铁,位于不同换能器上的各受激磁铁的磁极配置方向相同,受激磁铁的另一端置于导向孔内、且可沿导向孔往复运动,在所述内圈靠近护板的一侧端面上镶嵌有一组激励磁铁,所述两圆周方向相邻的激励磁铁的磁极配置方向相反,且所述激励磁铁及受激磁铁的中心距轴承内圈的中心的距离相等,电路板通过螺钉固定在环槽上,所述电路板经导线组一与传感器相连、经导线组二与换能器相连。
本实用新型的优点是结构新颖,轴承自身具有自供能传感监测功能,作为独立的标准部件使用,无需改变其安装设备的结构,可实现真正意义上的实时在线监测;换能器结构及激励磁铁配置参数确定合理,发供电能力强;采用导向孔防止受激磁铁扭摆,提高换能器可靠性。
附图说明
图1是本实用新型一个较佳实施例的结构剖面图;
图2是图1的A-A视图;
图3是图1的B-B视图;
图4是本实用新型盖板的结构示意图;
图5是图4的右视图;
图6是本实用新型护板的结构示意图;
图7是图6的左视图;
图8是本实用新型不同定角比时受激磁铁所受作用力与转角比的关系曲线图;
图9是本实用新型激励系数、最大作用力与定角比的关系曲线图;
图10是本实用新型结构系数与厚度比及半径比的关系曲线图。
具体实施方式
如图1~图4所示,包括内圈1、滚珠2、保持架3、外圈4,所述外圈4宽度大于内圈1的宽度,且所述内圈1与外圈4的一侧对齐安装,在所述非对齐一侧,外圈4端面通过螺钉固定有盖板6的连接法兰61,所述盖板6上靠近内圈1的一侧设有一组凹腔一62和一个定位孔63,并通过螺钉安装有护板13,所述护板13上设有与所述盖板6上的凹腔一62相对的凹腔二131、与所述盖板6上的定位孔63相对的定位轴134,在所述的凹腔二131底部设有至少一个用于安装传感器5的通孔135、用于安装电路板15的环槽133、凸台136及导向孔132,在所述盖板6及护板13中间压接有环形金属膜7,在所述金属膜7的侧面对应凹腔一62及凹腔二131处粘接有压电膜10,共同构成换能器11,在所述换能器11的中心处通过螺钉安装有受激磁铁9,位于不同换能器11上的各受激磁铁9的磁极配置方向相同,受激磁铁9的另一端置于导向孔132内、且可沿导向孔132往复运动,在所述内圈1靠近护板13的一侧端面上镶嵌有一组激励磁铁14,所述两圆周方向相邻的激励磁铁14的磁极配置方向相反,且所述激励磁铁14及受激磁铁9的中心距轴承内圈1的中心的距离相等,电路板15通过螺钉固定在环槽133上,所述电路板15经导线组一8与传感器5相连、经导线组二12与换能器11相连。
工作过程中,当内圈1与外圈4做相对转动时,内圈1端部的激励磁铁14与换能器11上的受激磁铁9产生相对转动,从而使激励磁铁14与受激磁铁9之间产生吸-排交替的作用力,迫使换能器11产生轴向弯曲振动,并将机械能转化成电能;换能器11所生成的电能经导线组二12输出给电路板15上的能量转换处理电路,再经导线组一8输出给传感器5;从而实现轴承运动状态的自供电实时监测。
本实用新型中,为提高换能器11的发电能力,内圈1端部的激励磁铁数量n应满足下式,即其中,r为激励磁铁14的半径、R为激励磁铁14中心到轴承内圈1回转中心的距离;或定角比满足其中Q1为激励磁铁14的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角,Q2为两相邻激励磁铁14的中心与轴承回转中心的连线间的夹角
为确保换能器11产生的电能可满足传感器5的自供电需求,其他条件确定时应尽可能提高换能器11产生的电压和电能。激励磁铁14与受激磁铁9相对转动一周时,单个换能器11产生的电能为:其中Cf为压电膜10的自由电容,Vg=ηF为换能器11生成的开路电压,η为与压电膜10尺度及材料有关的电压系数,h=nF2称为激励系数,λ=Cfη2/2结构系数,n为激励磁铁14的数量。显然,在其它条件确定时,可通过提高作用力F、激励磁铁数量n及结构系数λ提高电压及电能;其中,激励磁铁14数量n通过改变激励次数及作用力大小两方面影响换能器11的特性。根据本实用新型具有自测量系统球轴承的工作原理、以及磁场为空间分布的实际情况,任一受激磁铁9都同时受多个激励磁铁14作用,作用力的大小取决于定角比为激励磁铁14的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角,Q2=2π/n为两相邻激励磁铁14的中心与轴承回转中心的连线间的夹角,由此可将定角比转换成激励磁铁14数量n的函数,即其中r为激励磁铁14的半径、R为激励磁铁14中心到轴承内圈1回转中心的距离。进一步的研究表明,当激励磁铁14与受激磁铁9相对转动时,存在不同的最佳的定角比k使电压及电能最大;当取k=1~1.5时,即激励磁铁14数量范围为时,所获得的电能及电压都较大,其中激励系数不低于其最大值的1/2。
图8给出了不同定角比时受激磁铁9所受作用力F与转角比j=Q3/Q1的试验曲线,其中Q3为受激磁铁9及激励磁铁14中心与其回转中心O的连线间的夹角,即为所述受激磁铁9与激励磁铁14自中心重叠后所转过的相对角度,故转角比j表征的是受激磁铁与激励磁铁间的距离。图8说明,定角比不同时,所述受激磁铁所受激励磁铁作用力的大小及激励的次数不同。作用力最大值及激励系数与定角比k的关系曲线如图9所示,显然,当取k=1.0~1.5时,所得电压和电能都较大,激励系数大于其最大值的1/2。
本实用新型中,为提高换能器11自身的发电能力,金属膜7的材料为铍青铜,压电膜10的材料为PZT4,且压电膜10厚度与换能器11的厚度比β的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜10半径与凹腔一62半径之比α的取值范围为0.5<α<0.7。
本实用新型采用圆形压电膜构造的换能器11,当金属膜7的厚度及凹腔一62的直径给定时,压电膜10的厚度及半径过大或过小都会使发电能力降低,实际中存在最佳的厚度比和半径比使换能器11的发电量即结构系数最大。当金属膜7及压电膜10的材料参数确定后,即可进一步求得发电量或结构系数λ与厚度比β及半径之比α的关系。本实用新型的金属膜7的材料为铍青铜,压电膜10的材料为PZT4,其结构系数与厚度比及半径比的关系如图10所示。根据图10,本实用新型由铍青铜及PZT4所构成换能器的较佳参数范围是0.5<β<0.7、0.5<α<0.7。
Claims (1)
1.一种具有自测量系统的球轴承,包括内圈、滚珠、保持架、外圈,其特征在于:所述外圈宽度大于内圈的宽度,且所述内圈与外圈的一侧对齐安装,在所述非对齐一侧,外圈端面通过螺钉固定有盖板的连接法兰,所述盖板上靠近内圈的一侧设有一组凹腔一和一个定位孔,并通过螺钉安装有护板,所述护板上设有与所述盖板上的凹腔一相对的凹腔二、与所述盖板上的定位孔相对的定位轴,在所述的凹腔二底部设有至少一个用于安装传感器的通孔、用于安装电路板的环槽、凸台及导向孔,在所述盖板及护板中间压接有环形金属膜,在所述金属膜的侧面对应凹腔一及凹腔二处粘接有压电膜,共同构成换能器,在所述换能器的中心处通过螺钉安装有受激磁铁,位于不同换能器上的各受激磁铁的磁极配置方向相同,受激磁铁的另一端置于导向孔内、且可沿导向孔往复运动,在所述内圈靠近护板的一侧端面上镶嵌有一组激励磁铁,所述两圆周方向相邻的激励磁铁的磁极配置方向相反,且所述激励磁铁及受激磁铁的中心距轴承内圈的中心的距离相等,电路板通过螺钉固定在环槽上,所述电路板经导线组一与传感器相连、经导线组二与换能器相连。
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