CN218297416U - 一种无线供电的轴承内圈温度监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种无线供电的轴承内圈温度监测装置，包括：转动机构和静止机构，转动机构包括：空心轴、温度传感器、无线供电接收模块、测温模块和无线数据发射模块，空心轴安装在待测轴承内圈中，其侧壁上设有通孔，温度传感器设置在通孔内并与轴承内圈接触，测温模块分别与温度传感器和无线数据发射模块连接，无线供电接收模块分别与测温模块和无线数据发射模块连接；静止机构包括：支撑模块以及安装在支撑模块中的无线供电发射模块和无线数据接收模块；支撑模块安装在轴承座上，无线供电发射模块与外部电源和无线数据接收模块电连接，并将外部电源输入的电能传输给无线供电接收模块，无线数据接收模块与上位机连接。

Description

一种无线供电的轴承内圈温度监测装置

技术领域

本实用新型属于轴承温度实时测量技术领域，涉及一种无线供电的轴承内圈温度监测装置。

背景技术

轴承在全寿命服役过程中因滚动体和轴承内、外圈跑道的滚动和(或)滑动摩擦会引起轴承温度的增加。轴承温度的变化，一方面可以反应轴承是否处于良好的润滑状态，另一方面可以间接体现轴承材料表面接触损伤程度与转动精度。在轴承滚动接触疲劳失效阶段，也会同时出现轴承温度的显著提高。因此，针对轴承温度的在线实时检测对于轴承服役安全和稳定性评价至关重要。

目前，针对轴承温度监测的常规方法是在轴承座中打孔布置热电偶，直接测量轴承外圈温度，作为轴承整体的温度变化趋势。但由于轴承外圈测温点远离滚动接触区，导致其温度测量具有较为明显的滞后性，无法快速测量出轴承在载荷和转速等服役工况和油膜连续性、表面损伤和疲劳剥落等状态改变而对轴承温度的影响。此外，轴承滚动接触区域产生的热量积累主要集中于滚动体、内圈和保持架接触区域附近，使得外圈温度总是低于接触区域。仅将轴承外圈采集温度作为监控依据，往往会带来轴承服役状态的误判，对轴承带来不可逆的损伤。尤其是对于采用高分子材料加工保持架的高速陶瓷球轴承，当其外圈处采集温度接近保持架材料服役极限温度(70℃)时，其滚动接触区域温度已远远高于该温度值，保持架极易断裂，引起轴承失效。

为实现轴承服役温度的快速和精准监测，Lokesh等的美国专利“Wireless sensorfor rotating elements(US 9528885 B2)”,在轴承内圈端面等转动零件表面布置NdFeB或AlNiCo等永磁材料，通过霍尔传感器测量永磁材料随温度产生的磁场强度变化，推导换算获得内圈温度值。但是磁场变化的检测精度会受轴承和其他结构铁磁性材料的影响，降低温度计算的准确性。此外，在轴承内圈布置永磁材料，也会对轴承结构产生一定改变，影响轴承寿命。与之相似，Scott等在《IEEE SENSORS》发表“An Inherently-Robust 300℃MEMSTemperature Sensor for Wireless Health Monitoring of Ball and Rolling ElementBearings”论文，其采用微机械加工(MEMS)方法制备集成在轴承保持架内部的温度遥测传感器测量轴承温度。传感器的嵌入式安装也会对轴承结构产生不良影响。

为实现轴承内圈温度的无损监测，闫柯等的中国实用新型专利“一种通过监测内圈温度来调节轴承润滑状态的装置及方法(CN105627074B)”利用轴承内圈表面制备的聚电解质-CdTe量子点复合薄膜温度传感器在激光激发下的荧光光谱特质获得轴承转动体的温度信息。进而根据温度变化调节轴承润滑油的流量，实现轴承润滑状态和服役温度的调控。但是，一方面，量子点薄膜传感器的标定较为复杂，且薄膜与轴承钢界面结合较为薄弱，易脱落；另一方面，由于该方法属于非接触式测量，轴承服役过程中喷溅的润滑油会对激光光束形成遮挡，影响量子点薄膜温度传感器温度信息获得的准确性和稳定性。

王正辉等的中国实用新型专利“一种航空轴承内圈温度测试装置及测试方法(CN109855745A)”采用在轴承安装传动轴表面设计凹槽方式直接将热电偶接触安装在传动轴上，与轴承内圈的内表面接触采集温度。通过无线数据传输方式将热电偶采集到的温度数据发送至上位机。轴承内圈测温装置直接与轴一体化安装，并采用锂电池为无线数据传输的测温装置供电。成功解决信号有线传输无法对旋转的轴承内圈进行温度测试的难题，并且对轴承结构完整性无任何影响。但是传动轴表面开槽安装热电偶方式，并未对热电偶导线的布线方式进行保护设计，使得热电偶导线暴露于轴承和传动轴服役工况下，影响导线数据传输稳定性，缩短温度测试装置寿命。马明明等的中国实用新型专利“一种轴承内圈温度实时测量装置(CN 204730956 U)”公开一种在轴内部安装由锂电池供电的无线信号传输测温装置，热电偶安装在轴承安装轴的盲孔内，间接的通过轴的温度传导对轴承内圈温度进行测量。测温装置嵌入在轴承安装轴的内部，导致无线数据信号向外传输较为困难，需要在轴承安装轴上额外设计通孔用于信号传输，影响安装轴整体刚度。此外，一方面，在上述两项专利中采用的锂电池供电方式，锂电池供电存在电池体积过大影响转动部件动平衡，电池电量限制无线测温装置无法长时间连续工作等问题。对于航空发动机轴承等较高温度工况服役轴承，其润滑油温度往往可达到60～150℃。锂电池本身难以耐受如此高温，使得该类无线传输测温装置无法工作。另一方面，工业现场复杂电磁环境下信号干扰强烈，温度模拟或数字信号的无线传输会收到一定影响。以上公开专利均未对无线信号传输进行特殊的信号屏蔽设计。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种无线供电的轴承内圈温度监测装置，该装置可在轴承结构无损伤前提下实现对轴承内圈温度快速与准确的长时间在线监测，且具有电磁干扰屏蔽功能。

本实用新型提供一种无线供电的轴承内圈温度监测装置，包括：转动机构和静止机构，所述转动机构包括：空心轴以及设置在空心轴内的温度传感器、无线供电接收模块、测温模块和无线数据发射模块，所述空心轴安装在待测轴承内圈中，空心轴侧壁上设有通孔，所述温度传感器设置在通孔内并与轴承内圈接触，所述测温模块分别与温度传感器和无线数据发射模块电连接，所述无线供电接收模块分别与测温模块和无线数据发射模块电连接；

所述静止机构包括：支撑模块、无线供电发射模块和无线数据接收模块；所述支撑模块安装在轴承座上，无线供电发射模块和无线数据接收模块安装在支撑模块中；所述无线供电发射模块与外部电源和无线数据接收模块电连接，并将外部电源输入的电能传输给无线供电接收模块，所述无线数据接收模块与上位机连接。

在本实用新型的无线供电的轴承内圈温度监测装置中，所述空心轴一端为悬臂端，另一端为连接端；所述无线供电接收模块、测温模块和无线数据发射模块整集成在第一电路板上，采用聚合物强化封装后通过螺栓紧固安装于空心轴的悬臂端。

在本实用新型的无线供电的轴承内圈温度监测装置中，所述空心轴的连接端为花键或柔性绳联轴器，其与驱动电机相连接以带动待测轴承旋转。

在本实用新型的无线供电的轴承内圈温度监测装置中，所述无线供电接收模块接收所述无线供电发射模块传输的电能并将其转换为1.5～5.0V电压；无线供电接收模块的接收线圈为环形线圈，扎数为20～50。

在本实用新型的无线供电的轴承内圈温度监测装置中，测温模块中的测温芯片型号为MAX31855K，温度传感器为铂电阻或热电偶。

在本实用新型的无线供电的轴承内圈温度监测装置中，无线数据发射模块为CH571芯片，采用蓝牙或Zigbee通讯方式向无线数据接收模块发射温度数据。

在本实用新型的无线供电的轴承内圈温度监测装置中，所述无线供电发射模块和无线数据接收模块集成在第二电路板上，采用聚合物强化封装后安装在支撑模块中。

在本实用新型的无线供电的轴承内圈温度监测装置中，所述支撑模块整体为圆筒结构，圆筒结构一端封闭另一端开口处向外延伸形成凸缘，所述凸缘通过螺栓固定在轴承座上，支撑模块安装在轴承座靠近悬臂端的一侧；所述圆筒结构内设有由水平推杆和垂直柱构成的推杆结构，所述垂直柱固定在圆筒结构的内壁上，顶部设有安装孔，第二电路板安装在水平杆的一端，另一端穿过垂直柱的安装孔并通过螺栓固定。

在本实用新型的无线供电的轴承内圈温度监测装置中，圆筒结构的支撑模块为金属材质以屏蔽环境他电磁信号干扰。

在本实用新型的无线供电的轴承内圈温度监测装置中，所述无线供电发射模块的输入电压为10～24V，无线供电发射模块的发射线圈为环形结构，扎数为80～150；无线数据接收模块为CH571芯片。

本实用新型的一种无线供电的轴承内圈温度监测装置，至少具有以下有益效果：

该温度监测装置采用带无线供电方式无需内置电池，降低装置对轴承动平衡的影响。同时在不影响轴承结构完整性前提下实现轴承内圈温度的长时间稳定的直接测量。测温过程中电路、导线不受润滑油或润滑脂等影响，可快速准确反映轴承温升与服役状态。该温度监测装置中采用特殊电磁屏蔽结构设计，使无线温度信号不受外界工况复杂电磁环境影响。

附图说明

图1是本实用新型的一种无线供电的轴承内圈温度监测装置的结构示意图；

其中，1-空心轴，2-无线供电接收模块，3-接收线圈，4-测温模块，5-无线数据发射模块，6-温度传感器，7-待测试轴承，8-轴承座，9-无线供电发射模块，10-发射线圈，11-无线数据接收模块，12-支撑模块，13-水平推杆，14-垂直柱，15-外部电源，16-上位机。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的一种无线供电的轴承内圈温度监测装置，其特征在于，转动机构和静止机构，所述转动机构包括：空心轴1以及设置在空心轴1内的温度传感器6、无线供电接收模块2、测温模块4和无线数据发射模块5，所述空心轴1安装在待测轴承7的内圈中，空心轴1的侧壁上设有通孔，所述温度传感器6设置在通孔内并与轴承内圈接触，所述测温模块4分别与温度传感器6和无线数据发射模块5电连接，所述无线供电接收模块2分别与测温模块4和无线数据发射模块5电连接。

所述静止机构包括：支撑模块12、无线供电发射模块9和无线数据接收模块11。所述支撑模块12安装在轴承座8上，无线供电发射模块9和无线数据接收模块11安装在支撑模块12中。所述无线供电发射模块9与外部电源15和无线数据接收模块11电连接，并将外部电源15输入的电能传输给无线供电接收模块2，所述无线数据接收模块2与上位机16连接。

所述空心轴一端为悬臂端，另一端为连接端。所述无线供电接收模块2、测温模块4和无线数据发射模块5整集成在第一电路板上，采用聚合物强化封装后通过螺栓紧固安装于空心轴1的悬臂端。所述空心轴1的连接端为花键或柔性绳联轴器，其与驱动电机相连接以带动待测轴承实现高速旋转。

具体实施时，所述无线供电接收模块2接收所述无线供电发射模块9传输的电能并将其转换为1.5～5.0V电压，为测温模块4和无线数据发射模块5供电。无线供电接收模块2的接收线圈3为环形线圈，扎数为20～50。所述测温模块4中的测温芯片型号优选为MAX31855K，温度传感器6可采用铂电阻或热电偶，测温范围为0～1000℃，具体可采用一个或多个温度传感器6。温度传感器6的导线在空心轴1内部布置并连接至测温模块4，不会暴露在轴承的服役工况下，不会接触润滑油，数据传输稳定。无线数据发射模块5优选采用CH571芯片，采用蓝牙或Zigbee通讯方式向无线数据接收模块11发射温度数据。

所述无线供电发射模块9和无线数据接收模块11集成在第二电路板上，采用聚合物强化封装后安装在支撑模块12中。所述支撑模块11整体为圆筒结构，圆筒结构一端封闭另一端开口处向外延伸形成凸缘，所述凸缘通过螺栓固定在轴承座8上，支撑模块11安装在轴承座靠近悬臂端的一侧。所述圆筒结构内设有由水平推杆13和垂直柱14构成的推杆结构，所述垂直柱14固定在圆筒结构的内壁上，顶部设有安装孔，第二电路板安装在水平杆13的一端，水平杆13的另一端穿过垂直柱14的安装孔并通过螺栓固定，水平杆13可在5～30mm的范围内左右调整第一电路板和第二电路板的距离。

具体实施时，圆筒结构的支撑模块为金属材质以屏蔽环境中其他电磁信号干扰，保证温度数据的准确传输。所述无线供电发射模块9的输入电压为10～24V通过无线传输的形式将电能传输到转动机构，无线供电发射模块9的发射线圈10为环形结构，扎数为80～150；无线数据接收模块11为CH571芯片，可将温度数据以数字和/或模拟信号有线传输至上位机16，进而实现温度数据的实时显示与记录。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型的思想，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线供电的轴承内圈温度监测装置，其特征在于，包括：转动机构和静止机构，所述转动机构包括：空心轴以及设置在空心轴内的温度传感器、无线供电接收模块、测温模块和无线数据发射模块，所述空心轴安装在待测轴承内圈中，空心轴侧壁上设有通孔，所述温度传感器设置在通孔内并与轴承内圈接触，所述测温模块分别与温度传感器和无线数据发射模块电连接，所述无线供电接收模块分别与测温模块和无线数据发射模块电连接；

所述静止机构包括：支撑模块、无线供电发射模块和无线数据接收模块；所述支撑模块安装在轴承座上，无线供电发射模块和无线数据接收模块安装在支撑模块中；所述无线供电发射模块与外部电源和无线数据接收模块电连接，并将外部电源输入的电能传输给无线供电接收模块，所述无线数据接收模块与上位机连接。

2.根据权利要求1所述的无线供电的轴承内圈温度监测装置，其特征在于，所述空心轴一端为悬臂端，另一端为连接端；所述无线供电接收模块、测温模块和无线数据发射模块整集成在第一电路板上，采用聚合物强化封装后通过螺栓紧固安装于空心轴的悬臂端。

3.根据权利要求2所述的无线供电的轴承内圈温度监测装置，其特征在于，所述空心轴的连接端为花键或柔性绳联轴器，其与驱动电机相连接以带动待测轴承旋转。

4.根据权利要求1所述的无线供电的轴承内圈温度监测装置，其特征在于，所述无线供电接收模块接收所述无线供电发射模块传输的电能并将其转换为1.5～5.0V电压；无线供电接收模块的接收线圈为环形线圈，扎数为20～50。

5.根据权利要求1所述的无线供电的轴承内圈温度监测装置，其特征在于，测温模块中的测温芯片型号为MAX31855K，温度传感器为铂电阻或热电偶。

6.根据权利要求1所述的无线供电的轴承内圈温度监测装置，其特征在于，无线数据发射模块为CH571芯片，采用蓝牙或Zigbee通讯方式向无线数据接收模块发射温度数据。

7.根据权利要求1所述的无线供电的轴承内圈温度监测装置，其特征在于，所述无线供电发射模块和无线数据接收模块集成在第二电路板上，采用聚合物强化封装后安装在支撑模块中。

8.根据权利要求7所述的无线供电的轴承内圈温度监测装置，其特征在于，所述支撑模块整体为圆筒结构，圆筒结构一端封闭另一端开口处向外延伸形成凸缘，所述凸缘通过螺栓固定在轴承座上，支撑模块安装在轴承座靠近悬臂端的一侧；所述圆筒结构内设有由水平推杆和垂直柱构成的推杆结构，所述垂直柱固定在圆筒结构的内壁上，顶部设有安装孔，第二电路板安装在水平杆的一端，另一端穿过垂直柱的安装孔并通过螺栓固定。

9.根据权利要求8所述的无线供电的轴承内圈温度监测装置，其特征在于，圆筒结构的支撑模块为金属材质以屏蔽环境他电磁信号干扰。

10.根据权利要求1所述的无线供电的轴承内圈温度监测装置，其特征在于，所述无线供电发射模块的输入电压为10～24V，无线供电发射模块的发射线圈为环形结构，扎数为80～150；无线数据接收模块为CH571芯片。

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