WO2020258075A1

WO2020258075A1 - 行星齿轮箱和轴承游隙监测系统

Info

Publication number: WO2020258075A1
Application number: PCT/CN2019/093009
Authority: WO
Inventors: 关冉; 陈向科; 夏祥瑞
Original assignee: 舍弗勒技术股份两合公司; 关冉
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2020-12-30

Abstract

一种行星齿轮箱和轴承游隙监测系统，行星齿轮箱包括行星轮组件（20）、行星架（33）、第一传感器组件（40）和第二传感器组件（50），行星轮组件（20）包括互相套设的第一圈和第二圈，第一传感器组件（40）包括第一传感器（41）和第一天线（42），第一传感器（40）固定于第一圈并用于测量第一圈的温度，第二传感器组件（50）包括第二传感器（51）和第二天线（52），第二传感器（51）固定于第二圈并用于测量第二圈的温度，第二天线（52）呈环形且固定于行星轮组件（20）的行星齿轮圈（21）的轴向端面。通过该行星齿轮箱，轴承的第一圈和第二圈的温度能够被直接测量，从而有助于监测轴承游隙。

Description

行星齿轮箱和轴承游隙监测系统

技术领域

本发明涉及齿轮箱领域，尤其涉及风力发电机的行星齿轮箱，且特别涉及行星齿轮箱用的轴承和对该轴承游隙的监测系统。

背景技术

轴承游隙是影响轴承寿命的一个重要因素，而轴承的内圈和外圈的温度是影响轴承游隙的重要因素之一。在例如用于风力发电机(也称风轮机)的行星齿轮箱内，现有技术中的一种调节行星齿轮轴承(以下简称轴承)的温度的方式是设置润滑油(也称控温油)降温系统。而轴承温度与润滑油降温系统是相互影响的，因此，获知轴承的内圈和外圈的温度有助于调节润滑油降温系统的参数。

中国专利公开CN107642546A公开了一种测量轴承温度的方法，其使用两个温度传感器分别测量轴承的外圈和内圈的温度，然而，对于其所公开的内圈转动的滚动轴承，测量轴承内圈温度的传感器并不和内圈直接接触，而是通过对润滑油温度的测量来获得内圈的近似温度。

专利公开WO2007/085259A1公开了一种风轮机的行星齿轮箱，并公开了在行星齿轮架安装传感器以测量温度的技术方案，其中传感器与数据发送器可以通过硬连线连接、也可以无线地传输信号和/或电力。然而，在该方案中，传感器只能间接地测量轴承内圈的温度，不能测量轴承外圈的温度，也就无法准确计算游隙。此外，该方案没有给出传感器与数据发送器无线连接的形式，也未给出无线传感器的具体类型。

中国专利CN201561852U公开了一种行星轮系无线检测装置，并公开了对轴承内圈温度的测量方法，其测量目的是准确反映出润滑油的油温。该方案同样不能测量轴承外圈的温度，无法准确计算游隙。此外，该方案未说明传感器的供电方式，现有技术中通常是使用锂电池对用于测量轴承温度的传感器进行供电，电池供电的方式占用轴承内部较大的空间，并需要定期更换电池。

此外，现有技术中也有使用红外温度传感器以非接触的形式测量轴承温度的方案，但是由于行星齿轮轴承在工作过程中的位置是不固定的，因此固定的红外温度传感器也不适用于对行星齿轮轴承温度的测量。

现有技术中还有带导电滑动环的温度传感器，其通过导线连接电源并传输信号，然而此种传感器也需要较大的安装空间，且此种传感器容易磨损、寿命较短。

发明内容

本发明的目的在于克服或至少减轻上述现有技术存在的不足，提供一种可以直接测量行星轮组件的轴承内圈和外圈(或行星轮齿圈)的温度的行星齿轮箱。

根据本发明的第一方面，提供一种行星齿轮箱，其包括多个行星轮组件和连接所述多个行星轮组件的行星架，所述行星轮组件包括第一圈和第二圈，所述第二圈套设在所述第一圈的外周并能相对于所述第一圈转动，其中，

所述行星齿轮箱还包括第一传感器组件和第二传感器组件，

所述第一传感器组件包括电连接的第一传感器和第一天线，所述第一传感器固定于所述第一圈并用于测量所述第一圈的温度，所述第一天线至少部分地伸至所述行星架的背向所述行星轮组件的轴向外侧，

所述第二传感器组件包括电连接的第二传感器和第二天线，所述第二传感器固定于所述第二圈并用于测量所述第二圈的温度，

所述第二天线呈环形且固定于行星轮组件的行星齿轮圈的轴向端面，所述第二天线的外周边缘凸出于所述行星架的外周边缘。

在至少一个实施方式中，所述第二天线具有齿部，所述齿部被构造为使得所述第二天线的垂直于轴向的截面与所述行星齿轮圈的垂直于轴向的截面至少在外周部分的形状相同。

在至少一个实施方式中，所述第一圈是所述行星轮组件的轴承内圈，所述第二圈是所述行星轮组件的行星齿轮圈，所述行星轮组件不具有轴承外圈。

在至少一个实施方式中，所述第二天线覆盖所述第二传感器。

在至少一个实施方式中，所述第一圈是所述行星轮组件的轴承内圈，所述第二圈是所述行星轮组件的轴承外圈，所述行星齿轮圈套设在所述轴承外圈的外周。

在至少一个实施方式中，所述第一圈的轴向端面向轴向内侧凹进而限定出第一传感器安装孔，所述第一传感器容纳于所述第一传感器安装孔，和/或

所述第二圈的轴向端面向轴向内侧凹进而限定出第二传感器安装孔，所述第二传感器容纳于所述第二传感器安装孔。

在至少一个实施方式中，所述行星齿轮箱还包括数据处理天线，所述数据处理天线安装于所述行星架的背离所述行星轮组件的轴向外侧，所述数据处理天线用于与所述第一天线和所述第二天线通信。

在至少一个实施方式中，所述数据处理天线呈环形，所述数据处理天线在径向上覆盖所述第一天线和所述第二天线所在的区域。

在至少一个实施方式中，所述第一传感器和所述第二传感器均为无源传感器，所述第一传感器和所述第二传感器无线地通过所述数据处理天线而获得能量。

根据本发明的第二方面，提供一种轴承游隙监测系统，所述系统包括根据本发明所述的行星齿轮箱，还包括线缆连接件、总线缆和数据处理模块，

所述线缆连接件安装于所述行星齿轮箱的端盖、并穿过所述端盖而连接到所述数据处理天线，所述总线缆将所述线缆连接件和所述数据处理模块电连接，

所述数据处理模块根据所述第一传感器和所述第二传感器测量的温度计算所述第一圈和所述第二圈所构成的轴承的轴承游隙。

根据本发明的行星齿轮箱，轴承的第一圈和第二圈的温度能够被直接测量，从而有助于更准确地监测轴承游隙。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的轴承游隙监测系统的示意图。

图2是图1的分解示意图(省略了线缆连接件、总线缆、数据处理模块和计算机)。

图3是根据本发明的第一实施方式的行星齿轮箱的部分的示意图。

图4是根据本发明的第一实施方式的第二传感器组件与行星齿轮圈的安装方式的分解示意图。

图5是根据本发明的一个实施方式的轴承内圈的轴向剖视图。

附图标记说明

11箱体；12端盖；13转轴；

20行星轮组件；21行星齿轮圈；22轴承内圈；221第一传感器安装孔；23行星轮中轴；

31太阳轮；32齿圈；33行星架；

40第一传感器组件；41第一传感器；42第一天线；43第一线缆；

50第二传感器组件；51第二传感器；52第二天线；

60数据处理天线；

71线缆连接件；72总线缆；73数据处理模块；74计算机。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

参照图1至图5介绍根据本发明的第一实施方式的行星齿轮箱和轴承游隙监测系统。本发明所称的轴向与轴承的轴向一致；本发明所称的径向与轴承的径向一致，本发明所称的周向与轴承的周向一致。

(第一实施方式)

根据本实施方式的行星齿轮箱包括箱体11、端盖12、转轴13、行星轮组件20、太阳轮31、齿圈32、行星架33、第一传感器组件40、第二传感器组件50和数据处理天线60。

参照图3，行星轮组件20包括行星齿轮圈21、轴承内圈22、行星轮中轴23、位于行星齿轮圈21和轴承内圈22之间的转动体和保持架。端盖12、齿圈32和箱体11通过紧固件固定在一起。三个行星轮组件20的行星齿轮圈21啮合于太阳轮31的外周、齿圈32的内周，行星齿轮圈21能围绕太阳轮31转动。行星架33例如连接到行星轮中轴23以将三个行星轮组件20连接在一起。行星架33的外径小于齿圈32的内径，即行星齿轮圈21在径向上部分地露出于行星架33。

对于每一个行星轮组件20来说，轴承内圈22绕太阳轮31公转，行星齿轮圈21在绕太阳轮31公转的同时还绕行星轮中轴23自转，因此在行星齿轮箱的工作过程中，轴承内圈22和行星齿轮圈21的位置是变化的。

在本实施方式中，每一个行星轮组件20都安装有第一传感器组件40和第二传感器组件50。

第一传感器组件40用于测量轴承内圈22的温度，第一传感器组件40包括第一传感器41、第一天线42和第一线缆43。

轴承内圈22的朝向端盖12的端面向轴向内侧凹进而限定出第一传感器安装孔221(参照图5)，第一传感器41安装于第一传感器安装孔221内。优选地，第一传感器安装孔221为螺纹孔，第一传感器41具有带外螺纹的安装座，第一传感器41通过螺纹螺合的方式连接到轴承内圈22。

参照图2，第一天线42固定于行星架33，第一天线42和第一传感器41通过第一线缆43电连接。行星架33开设有轴向贯通的第一天线安装孔，使得第一天线42至少部分地伸出到行星架33和端盖12之间的轴向区域，以方便第一天线42与位于行星架33和端盖12之间的数据处理天线60(下文进一步介绍)进行通信。例如，第一天线42固定于第一天线安装孔内并部分地伸出第一天线安装孔至行星架33和端盖12之间的轴向区域，或者，第一天线42固定于行星架33的朝向端盖12的端面、第一线缆43穿过第一天线安装孔而将第一天线42和第一传感器41连接在一起。

参照图4，第二传感器组件50用于测量行星齿轮圈21的温度，第二传感器组件50包括第二传感器51和第二天线52。

第二传感器51安装在行星齿轮圈21的朝向端盖12的端面。优选地，行星齿轮圈21的朝向端盖12的端面向轴向内侧凹进而限定出第二传感器安装孔(图中未示出)，第二传感器51例如通过粘接的方式安装在第二传感器安装孔内，使第二传感器51不凸出于行星齿轮圈21的端面。

第二天线52呈环形且其外周边缘凸出于行星架33的外周边缘。第二天线52固定于行星齿轮圈21的朝向端盖12的端面并覆盖第二传感器51，第二天线52例如可以通过粘接的方式固定到行星齿轮圈21，或是第二天线52具有金属背板并通过该金属背板而焊接到行星齿轮圈21。第二天线52与第二传感器51 电连接。

优选地，第二天线52的外周部分具有齿部，第二天线52的齿部与行星齿轮圈21的齿部形状吻合，即第二天线52的垂直于轴向的截面与行星齿轮圈21的垂直于轴向的截面至少在外周部分的形状是相同的，这使得第二天线52能从行星架33露出较多的面积，能在不与其它部件干涉的情况下具有较大的增益。

数据处理天线60用于与第一天线42和第二天线52通信。数据处理天线60呈环形、设置于行星架33和端盖12之间的轴向区域。优选地，数据处理天线60通过紧固件固定于端盖12。优选地，在径向上，数据处理天线60覆盖第一天线42和第二天线52所在的区域，使得数据处理天线60具有足够的增益。

优选地，第一传感器41和第二传感器51均为无线无源(自供电)传感器，其例如可以通过电磁效应或压电效应获得工作电压、而不需要连接额外的电源。第一传感器41和第二传感器51的信号的无线传播方式例如是通过声波或射频信号传播。无线无源传感器的具体设置例如可以参照专利CN100344974C或专利公开CN105222919A，本发明对此不再赘述。

参照图1，根据本发明的轴承游隙监测系统包括根据本发明的行星齿轮箱，还包括线缆连接件71、总线缆72、数据处理模块73和计算机74。

线缆连接件71固定于行星齿轮箱的端盖12、并穿透端盖12以连接到数据处理天线60。总线缆72依次连接线缆连接件71、数据处理模块73和计算机74。

数据处理模块73接收数据处理天线60获取的数据信号，从而能计算每一个行星轮组件20的行星齿轮圈21和轴承内圈22的温度。

计算机74获得行星齿轮圈21和轴承内圈22的温度(以下也简称轴承温度)，并根据内置的程序，例如结合行星轮组件20的制作材料和结构参数，计算行星轮组件20的实时的轴承游隙，并且可以根据需要将轴承温度和轴承游隙以可视化的形式显示。轴承温度和轴承游隙的参数还能用于指导润滑油降温系统的优化，例如根据轴承温度的变化调整润滑油的供应量。

(第二实施方式)

第二实施方式是第一实施方式的变型。在第一实施方式中，行星齿轮圈21充当了行星轮组件20的轴承外圈的作用；在第二实施方式中，行星轮组件20包括轴承外圈和行星齿轮圈这两个独立的部件，行星齿轮圈套设在轴承外圈的外周。

为表述方便，也把行星轮组件的轴承内圈称为第一圈，把第一实施方式中的行星齿轮圈21称为第二圈，或是把第二实施方式中的轴承外圈称为第二圈。对轴承温度的测量包括对第一圈温度的测量和对第二圈温度的测量。

在本实施方式中，第二传感器组件包括第二传感器、第二天线和第二线缆。

第二传感器固定于轴承外圈，其固定方式例如可以参考第一实施方式中第一传感器41在轴承内圈22的固定方式。由于轴承外圈(和轴承内圈)通常会被设置在轴承端部的盖遮挡，且考虑到行星架在径向上对行星轮组件的遮挡，因此优选地，第二天线固定于行星齿轮圈，其固定方式可以参考第一实施方式中第二天线52在行星齿轮圈21的固定方式。

第二线缆将第二传感器和第二天线电连接。

下面简单说明本发明的上述实施方式的部分有益效果。

(i)本发明使用无线无源传感器，实现了对行星轮组件的轴承的第一圈和第二圈的温度的直接测量。

(ii)本发明将参与测量第二圈温度的第二传感器组件的第二天线设置在行星齿轮圈的端面，且第二天线呈环形、其外周部分的形状与行星齿轮圈吻合，这不仅解决了第二圈被行星架大面积遮挡且第二圈在工作中不断变换位置而不方便传递温度信号的问题，还使得第二天线具有较大的增益。

(iii)环形的数据处理天线60能够同时与第一天线42和第二天线52通信。

(iv)数据处理天线60与齿轮箱外部的线缆相连，使得数据处理天线60 能够获取能量、并将能量无线地传递给第一天线42和第二天线52。

(v)本发明通过直接测量行星轮组件的轴承的第一圈和第二圈的温度，能够实时地准确地计算轴承游隙，以方便对轴承游隙的监测和对润滑油降温系统的优化，从而能减少由于轴承温度过高而引起的齿轮箱失效问题，能减少轴承锁死的风险，增加齿轮箱的可靠性。

应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本发明。本领域技术人员可以在本发明的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本发明的范围。例如：

(i)根据本发明的行星齿轮箱不限于用于风力发电机，根据本发明的行星轮组件的轴承可以是圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承、球轴承、球面滚子轴承(调心滚子轴承)和滑动轴承等。

(ii)根据本发明的行星齿轮箱内的行星轮组件20的数量不限于三个，其例如也可以是四个或更多个。

Claims

一种行星齿轮箱，其包括多个行星轮组件(20)和连接所述多个行星轮组件(20)的行星架(33)，所述行星轮组件(20)包括第一圈和第二圈，所述第二圈套设在所述第一圈的外周并能相对于所述第一圈转动，其中，

所述行星齿轮箱还包括第一传感器组件(40)和第二传感器组件(50)，

所述第一传感器组件(40)包括电连接的第一传感器(41)和第一天线(42)，所述第一传感器(41)固定于所述第一圈并用于测量所述第一圈的温度，所述第一天线(42)至少部分地伸至所述行星架(33)的背向所述行星轮组件(20)的轴向外侧，

所述第二传感器组件(50)包括电连接的第二传感器(51)和第二天线(52)，所述第二传感器(51)固定于所述第二圈并用于测量所述第二圈的温度，

所述第二天线(52)呈环形且固定于行星轮组件(20)的行星齿轮圈(21)的轴向端面，所述第二天线(52)的外周边缘凸出于所述行星架(33)的外周边缘。
根据权利要求1所述的行星齿轮箱，其特征在于，所述第二天线(52)具有齿部，所述齿部被构造为使得所述第二天线(52)的垂直于轴向的截面与所述行星齿轮圈(21)的垂直于轴向的截面至少在外周部分的形状相同。
根据权利要求1所述的行星齿轮箱，其特征在于，所述第一圈是所述行星轮组件(20)的轴承内圈，所述第二圈是所述行星轮组件(20)的行星齿轮圈(21)，所述行星轮组件(20)不具有轴承外圈。
根据权利要求3所述的行星齿轮箱，其特征在于，所述第二天线(52)覆盖所述第二传感器(51)。
根据权利要求1所述的行星齿轮箱，其特征在于，所述第一圈是所述行星轮组件(20)的轴承内圈，所述第二圈是所述行星轮组件(20)的轴承外圈，所述行星齿轮圈(21)套设在所述轴承外圈的外周。
根据权利要求1所述的行星齿轮箱，其特征在于，所述第一圈的轴向端面向轴向内侧凹进而限定出第一传感器安装孔(221)，所述第一传感器(41)容纳于所述第一传感器安装孔(221)，和/或

所述第二圈的轴向端面向轴向内侧凹进而限定出第二传感器安装孔，所述第二传感器(51)容纳于所述第二传感器安装孔。
根据权利要求1所述的行星齿轮箱，其特征在于，所述行星齿轮箱还包括数据处理天线(60)，所述数据处理天线(60)安装于所述行星架(33)的背离所述行星轮组件(20)的轴向外侧，所述数据处理天线(60)用于与所述第一天线(42)和所述第二天线(52)通信。
根据权利要求7所述的行星齿轮箱，其特征在于，所述数据处理天线(60)呈环形，所述数据处理天线(60)在径向上覆盖所述第一天线(42)和所述第二天线(52)所在的区域。
根据权利要求7所述的行星齿轮箱，其特征在于，所述第一传感器(41)和所述第二传感器(51)均为无源传感器，所述第一传感器(41)和所述第二传感器(51)无线地通过所述数据处理天线(60)而获得能量。
一种轴承游隙监测系统，其特征在于，所述系统包括根据权利要求7至9中任一项所述的行星齿轮箱，还包括线缆连接件(71)、总线缆(72)和数据处理模块(73)，

所述线缆连接件(71)安装于所述行星齿轮箱的端盖(12)、并穿过所述端盖(12)而连接到所述数据处理天线(60)，所述总线缆(72)将所述线缆连接件(71)和所述数据处理模块(73)电连接，

所述数据处理模块(73)根据所述第一传感器(41)和所述第二传感器(51)测量的温度计算所述第一圈和所述第二圈所构成的轴承的轴承游隙。