CN203962683U

CN203962683U - 一种温度自监测的圆锥滚子轴承组件

Info

Publication number: CN203962683U
Application number: CN201420319515.3U
Authority: CN
Inventors: 阚君武; 刘殿龙; 王淑云; 程光明
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2024-06-05

Abstract

本实用新型涉及一种温度自监测的圆锥滚子轴承组件，属于轴承技术领域。外圈设有内环槽，内圈设有外环槽，外圈左侧通过螺钉固定有环形激励盘，激励盘上的轴肩与外圈内环槽过盈配合，与内圈的外环槽间隙配合，激励盘上镶嵌有激励磁铁；内圈的外环槽通过过盈配合安装有环形骨架一和环形骨架二，环形骨架一和环形骨架二的外孔与外圈的内环槽为间隙配合，环形骨架二上设有导向孔；电路板通过螺钉固定在环形骨架一上，环形骨架一、金属片和环形骨架二通过螺钉依次连接，所述压电片粘接在金属片上，受激磁铁通过螺钉与压电片及金属片相连，压电片及金属片通过导线组一与电路板相连接；传感器固定在环形骨架一上，传感器通过导线组二与电路板相连接；受激磁铁和激励磁铁正对，并异性磁极靠近安装。优势与特色：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；俘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，提高俘能器可靠性。

Description

一种温度自监测的圆锥滚子轴承组件

技术领域

本实用新型属于轴承技术领域，具体涉及一种温度自监测的圆锥滚子轴承组件。

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

针对现有轴承监测系统在实际应用中所存在的各类问题，本实用新型提供一种温度自监测的圆锥滚子轴承组件。本实用新型采用的实施方案是：一种温度自监测的圆锥滚子轴承组件，主要由外圈、圆锥滚子、内圈、环形骨架一和环形骨架二、环形电路板、金属片、压电片、激励磁铁、受激磁铁等构成。本实用新型中，内圈的宽度大于外圈的宽度，外圈和内圈右侧对齐安装，非对齐一侧外圈设有内环槽，内圈设有外环槽；所述外圈左侧通过螺钉固定有环形激励盘，激励盘上的轴肩与外圈内环槽过盈配合，与内圈的外环槽间隙配合；所述激励盘上镶嵌有激励磁铁；所述内圈的外环槽通过过盈配合安装有环形骨架一和环形骨架二，所述环形骨架一和环形骨架二的外孔与外圈的内环槽为间隙配合；所述环形骨架二上设有导向孔；所述电路板通过螺钉固定在环形骨架一上，环形骨架一、金属片和环形骨架二通过螺钉依次连接，并分别构成容腔一和容腔二；所述压电片粘接在金属片上、且置于容腔一和容腔二之间；受激磁铁通过螺钉与压电片及金属片相连；所述压电片及金属片通过导线组一与电路板相连接；传感器固定在环形骨架一上、且置于容腔一内；所述传感器通过导线组二与电路板相连接；受激磁铁和激励磁铁正对，并异性磁极靠近安装。

工作过程中，当外圈与内圈做相对转动时，受激磁铁与激励磁铁之间产生相对转动，并改变受激磁铁与激励磁铁间的轴向作用力，从而使压电片和金属片构成的俘能器所受轴向作用力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能：俘能器产生的电能经导线组传输给电路板上的电源电路，用于满足温度信号的处理与发射需求。

本实用新型中，为提高俘能器的发电能力，激励盘上的激励磁铁的数量n应满足下式，即其中，r及R分别为激励磁铁的半径及其中心到内圈回转中心的距离；或定角比满足其中Q1为激励磁铁的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角，Q2为两相邻激励磁铁的中心与轴承回转中心的连线间的夹角。

为确保俘能器产生的电能可满足温度信号的处理与发射需求，其它条件确定时应尽可能提高俘能器产生的电压和电能。轴承外圈和内圈相对转动一周时，单个俘能器产生的电能为：其中C_f为俘能器的自由电容，V_g＝ηF为俘能器生成的开路电压，η为与俘能器尺度及材料有关的电压系数，h＝nF²称为激励系数，λ＝C_fη²/2为结构系数，n为激励磁铁11的数量。显然，在其它条件确定时，可通过提高作用力F、激励磁铁的数量n及结构系数λ提高电压及电能；其中，激励磁铁的数量n通过改变激励次数及作用力大小两方面影响俘能器的特性。根据本实用新型具有温度及转速自监测的发电机用圆锥滚子轴承的工作原理、以及磁场为空间分布的实际情况，任一受激磁铁都同时受多个激励磁铁的作用，作用力的大小取决于定角比其中为激励磁铁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数量n的函数，即其中r及R分别为激励磁铁的半径及其中心到内圈回转中心的距离。进一步的研究表明，存在不同的最佳的定角比k使俘能器产生的电压及电能最大；当取k＝1～1.5时，即激励磁铁数量范围为时，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7给出了不同定角比时受激磁铁所受作用力F与转角比j＝Q3/Q1的试验曲线，其中Q3为受激磁铁相对某一激励磁铁中心的转角，故转角比j表征的是受激磁铁与各激励磁铁间的位置关系。图7说明，定角比不同时，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。

优势与特色：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；采用导向孔防止受激磁铁扭摆，提高俘能器可靠性。

附图说明

图1是本实用新型一个较佳实施例中圆锥滚子轴承的结构剖面图；

图2是轴承内圈及外圈上未安装环形骨架时的结构示意图；

图3是图1的A-A视图；

图4是图1的B-B视图；

图5是本实用新型中激励磁铁与受激磁铁相对转动后的结构示意图；

图6是金属片二8结构示意图

图7是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8是激励系数、最大作用力与定角比的关系曲线；

具体实施方式

针对现有轴承监测系统在实际应用中所存在的各类问题，本实用新型提供一种温度自监测的圆锥滚子轴承组件。本实用新型采用的实施方案是：一种温度自监测的圆锥滚子轴承组件，主要由外圈1、圆锥滚子2、内圈3、环形骨架一4和环形骨架二5、环形电路板6、金属片8、压电片9、激励磁铁10、受激磁铁11等构成。

本实用新型中，内圈3的宽度大于外圈1的宽度，外圈1和内圈3右侧对齐安装，非对齐一侧外圈1设有内环槽101，内圈3设有外环槽301；所述外圈左侧通过螺钉固定有环形激励盘7，激励盘7上的轴肩701与外圈1内环槽101过盈配合，与内圈3的外环槽301间隙配合；所述激励盘7上镶嵌有激励磁铁11；所述内圈3的外环槽301通过过盈配合安装有环形骨架一4和环形骨架二5，所述环形骨架一4和环形骨架二5的外孔与外圈1的内环槽101为间隙配合；所述环形骨架二5上设有导向孔12；所述电路板6通过螺钉固定在环形骨架一4上，环形骨架一4、金属片8和环形骨架二5通过螺钉依次连接，并分别构成容腔一401和容腔二501；所述压电片9粘接在金属片8上、且置于容腔一401和容腔二501之间；受激磁铁10通过螺钉与压电片9及金属片8相连；所述压电片9及金属片8通过导线组一L1与电路板6相连接；传感器13固定在环形骨架一5上、且置于容腔一501内；所述传感器13通过导线组二L2与电路板6相连接；受激磁铁10和激励磁铁11正对，并异性磁极靠近安装。

工作过程中，当外圈1与内圈3做相对转动时，受激磁铁10与激励磁铁11之间产生相对转动，并改变受激磁铁10与激励磁铁11间的轴向作用力，从而使压电片9和金属片8构成的俘能器所受轴向作用力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能：俘能器产生的电能经导线组L1传输给电路板6上的电源电路，用于满足温度信号的处理与发射需求。

本实用新型中，为提高俘能器的发电能力，激励盘7上的激励磁铁11的数量n应满足下式，即其中，r及R分别为激励磁铁11的半径及其中心到内圈1回转中心的距离；或定角比满足其中Q1为激励磁铁11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11的中心与轴承回转中心的连线间的夹角。

为确保俘能器产生的电能可满足温度信号的处理与发射需求，其它条件确定时应尽可能提高俘能器产生的电压和电能。轴承外圈1和内圈3相对转动一周时，单个俘能器产生的电能为：其中C_f为俘能器的自由电容，V_g＝ηF为俘能器生成的开路电压，η为与俘能器尺度及材料有关的电压系数，h＝nF²称为激励系数，λ＝C_fη²/2为结构系数，n为激励磁铁11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11的数量n及结构系数λ提高电压及电能；其中，激励磁铁11的数量n通过改变激励次数及作用力大小两方面影响俘能器的特性。根据本实用新型具有温度及转速自监测的发电机用圆锥滚子轴承的工作原理、以及磁场为空间分布的实际情况，任一受激磁铁10都同时受多个激励磁铁11的作用，作用力的大小取决于定角比其中为激励磁铁11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11数量n的函数，即其中r及R分别为激励磁铁11的半径及其中心到内圈3回转中心的距离。进一步的研究表明，存在不同的最佳的定角比k使俘能器产生的电压及电能最大；当取k＝1～1.5时，即激励磁铁11数量范围为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7给出了不同定角比时受激磁铁10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10相对某一激励磁铁11中心的转角，故转角比j表征的是受激磁铁10与各激励磁铁11间的位置关系。图7说明，定角比不同时，受激磁铁10所受激励磁铁11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8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。

Claims

1.一种温度自监测的圆锥滚子轴承组件，主要由外圈、圆锥滚子、内圈、环形骨架一和环形骨架二、环形电路板、金属片、压电片、激励磁铁、受激磁铁等构成，其特征在于：内圈的宽度大于外圈的宽度，外圈和内圈右侧对齐安装，非对齐一侧外圈设有内环槽，内圈设有外环槽；所述外圈左侧通过螺钉固定有环形激励盘，激励盘上的轴肩与外圈内环槽过盈配合，与内圈的外环槽间隙配合；所述激励盘上镶嵌有激励磁铁；所述内圈的外环槽通过过盈配合安装有环形骨架一和环形骨架二，所述环形骨架一和环形骨架二的外孔与外圈的内环槽为间隙配合；所述环形骨架二上设有导向孔；所述电路板通过螺钉固定在环形骨架一上，环形骨架一、金属片和环形骨架二通过螺钉依次连接，并分别构成容腔一和容腔二；所述压电片粘接在金属片上、且置于容腔一和容腔二之间；受激磁铁通过螺钉与压电片及金属片相连；所述压电片及金属片通过导线组一与电路板相连接；传感器固定在环形骨架一上、且置于容腔一内；所述传感器通过导线组二与电路板相连接；受激磁铁和激励磁铁正对，并异性磁极靠近安装。

2.根据权利要求1所述的一种温度自监测的圆锥滚子轴承组件，其特征在于：压电片和金属片构成俘能器，为提高俘能器的发电能力，激励磁铁的数量n应满足下式，即其中r及R分别为激励磁铁的半径及其中心到内圈回转中心的距离；或定角比满足其中Q1为激励磁铁的两条在轴承回转中心处相交的切线间的夹角，Q2为两相邻激励磁铁的中心与轴承回转中心的连线间的夹角。