CN203856903U - 一种温度自监测球轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种温度自监测球轴承，属于轴承及其监测技术领域。内圈端面通过螺钉固定有安装筒，外圈端面通过螺钉固定有激励盘；激励盘上均匀地镶嵌有激励磁铁，安装筒的底板上安装有电路板和传感器，安装筒侧壁的端面上通过螺钉和压环压接有金属膜，安装筒侧壁的外表面与外圈的内表面间安装有O型密封圈；金属膜上设有悬臂梁，悬臂梁自由端上靠近激励磁铁的一侧通过螺钉安装有受激磁铁，另一侧粘接有压电膜；悬臂梁与压电膜粘接后构成俘能器，俘能器及传感器分别通过导线组一和导线组二与电路板连接。优点是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。

Description

一种温度自监测球轴承

技术领域

本实用新型属于轴承及其监测技术领域，具体涉及一种温度自监测球轴承。

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极其广泛的应用；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温度自监测球轴承，以解决现有轴承监测系统在实际应用中所存在的还都是非实时的、间接的非接触测量，难以及时准确地获得轴承的运行状态的问题。

本实用新型采取的技术方案是：包括内圈、滚珠、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，内圈端面通过螺钉固定有安装筒，外圈端面通过螺钉固定有激励盘，激励盘上均匀地镶嵌有激励磁铁，安装筒的底板上安装有电路板和传感器，安装筒侧壁的端面上通过螺钉和压环压接有金属膜，安装筒侧壁的外表面与外圈的内表面间安装有O型密封圈，所述金属膜上设有悬臂梁，悬臂梁的自由端上靠近激励磁铁的一侧通过螺钉安装有受激磁铁，另一侧粘接有压电膜，所述悬臂梁与压电膜粘接后构成俘能器，所述俘能器及传感器分别通过导线组一和导线组二与电路板连接；所述激励磁铁与受激磁铁的半径相等、同性磁极相对安装，且其中心置于同一个圆周上。

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；俘能器结构及激励磁铁配置参数确定合理，发供电能力强。

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是本实用新型金属膜及悬臂梁结构示意图；

图5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6是本实用新型能量系数、最大作用力与定角比的关系曲线图。

具体实施方式

如图1～图4所示，包括内圈1、滚珠2、外圈3、所述外圈3宽度大于内圈1的宽度，且所述内圈1与外圈3的一侧对齐安装；在所述非对齐一侧，内圈1端面通过螺钉固定有安装筒4，外圈3端面通过螺钉固定有激励盘8，激励盘8上均匀地镶嵌有激励磁铁13，安装筒4的底板41上安装有电路板12和传感器15，安装筒4侧壁42的端面上通过螺钉和压环6压接有金属膜7，安装筒4侧壁42的外表面与外圈3的内表面间安装有O型密封圈5，所述金属膜7上设有悬臂梁71，悬臂梁71的自由端上靠近激励磁铁13的一侧通过螺钉安装有受激磁铁11，另一侧粘接有压电膜9，所述悬臂梁71与压电膜9粘接后构成俘能器10，所述俘能器10及传感器15分别通过导线组一16和导线组二14与电路板12连接；所述激励磁铁13与受激磁铁11的半径相等、同性磁极相对安装，且其中心置于同一个圆周上。

工作过程中，当内圈1与外圈3做相对转动时，激励盘8上的激励磁铁13与俘能器10端部的受激磁铁11产生相对转动，从而使激励磁铁13与受激磁铁11间的轴向作用力交替地变化，迫使俘能器10产生轴向弯曲振动，并将机械能转化成电能；俘能器10所生成的电能经导线组一16输出给电路板12上的能量转换处理电路，再经导线组二14输出给传感器15；从而实现轴承运动状态的自供电实时监测。

本实用新型中，为使其它条件确定时的激振力F较大、提高俘能器的输出电压V_g及发电量E_g，激励磁铁的数量n的取值应满足下式，即其中R为激励磁铁中心到轴承回转中心的距离，r为激励磁铁的半径。

为确保俘能器10产生的电能可满足传感器15的自供电需求，其他条件确定时应尽可能提高俘能器10产生的电压和电能。激励磁铁13与受激磁铁11相对转动一周时，单个俘能器10产生的电能为：其中C_f为压电膜9的自由电容，V_g＝ηF为俘能器10生成的开路电压，η为与压电膜9尺度及材料有关的系数，h＝nF²称为能量系数，n为激励磁铁13的数量。显然，在其它条件确定时，可通过提高作用力F提高电压及电能；此外，激励磁铁13数量n通过改变激励次数及作用力的大小两方面影响俘能器10的特性。根据本实用新型自监测球轴承的工作原理、以及磁场为空间分布的实际情况，任一受激磁铁11都同时受多个激励磁铁13作用，作用力的大小取决于定角比其中为激励磁铁13的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角，Q2＝2π/n为两相邻受激磁铁11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13数量的函数，即其中R为激励磁铁中心到轴承回转中心的距离，r为激励磁铁的半径。进一步的研究表明，当激励磁铁13与受激磁铁11相对转动时，存在不同的最佳的定角比k使电压或电能最大，当取k＝1.5～3时，即激励磁铁13数量范围为时，所获得的电能及电压都较大，其中能量系数不低于其最大值的1/2。

图5给出了不同定角比时受激磁铁11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11及激励磁铁13中心与其回转中心O的连线间的夹角，故转角比j表征的是受激磁铁11与激励磁铁13间的距离。图5说明，定角比不同时，受激磁铁11所受激励磁铁13作用力的大小及激励的次数不同。作用力最大值及能量系数与定角比k的关系曲线如图6所示，显然，当取k＝1.5～3时，作用力及所得电压和电能都较大，能量系数大于其最大值的1/2。

本实用新型中，为提高俘能器10的可靠性及发电能力，所述俘能器10的工作部分、即L0处为等腰梯形，所述梯形两斜边的延长线交于受激磁铁11的中心，且梯形两斜边夹角Q5和换能器10的数量m分别为： $Q5=2\mathrm{atc}\tan \left[\frac{L(r+0.5z)}{L\sqrt{1-{(r+0.5z)}^2}-R^2}\right],m=\frac{\mathrm{\π}}{\arcsin \left(\frac{r+0.5z}{R}\right)},$ 其中L为俘能器10固定端顶角距轴承回转中心的距离，z为采用线切割加工时电极丝的直径。

根据材料力学知识，悬臂梁自由端受外力F作用时，距自由端距离为x处的弯曲应力σ_m与梁的宽度b及厚度H的关系为：而俘能器10的生成电压V_g与应力σ_m成正比。因此，如果俘能器10各截面宽度b及厚度H分别相等，其固定端应力及生成电压最大、而自由端应力及生成电压均为零，因此，为提高俘能器10的输出电压、降低固定端的弯曲应力、提高可靠性，本实用新型中俘能器10的工作段L0处为等腰梯形；为提高俘能器10的有效工作面积，两相邻俘能器10的自由端安装受激磁铁11处的半圆弧的间距为采用线切割加工时的电极丝直径z。故由三角函数知识可进一步求得： $\text{Q5=2arctan}\frac{L\sin (Q4/2)}{L\cos (A4/2)-R}=2\arctan \left[\frac{L(r+0.5z)}{L\sqrt{1-{(r+0.5z)}^2}-R^2}\right],$ 其中Q4＝2arcsin[(r+z/2)/R]为俘能器10固定端两个顶点与轴承回转中心连线间的夹角。

Claims (1)

1.一种温度自监测球轴承，包括内圈、滚珠、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，内圈端面通过螺钉固定有安装筒，外圈端面通过螺钉固定有激励盘，激励盘上均匀地镶嵌有激励磁铁，安装筒的底板上安装有电路板和传感器，安装筒侧壁的端面上通过螺钉和压环压接有金属膜，安装筒侧壁的外表面与外圈的内表面间安装有O型密封圈，所述金属膜上设有悬臂梁，悬臂梁的自由端上靠近激励磁铁的一侧通过螺钉安装有受激磁铁，另一侧粘接有压电膜，所述悬臂梁与压电膜粘接后构成俘能器，所述俘能器及传感器分别通过导线组一和导线组二与电路板连接；所述激励磁铁与受激磁铁的半径相等、同性磁极相对安装，且其中心置于同一个圆周上。