CN104632878A - 一种大型自监测圆柱滚子轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型自监测圆柱滚子轴承，属于轴承技术领域。内筒固定在内圈上，内筒底壁内侧设有内隔板、安装有电路板和传感器；外筒固定在外圈上，外筒套在内筒外；外筒底壁上设有花键轴台和外隔板，花键轴台上套有磁环，外隔板和内隔板间设有环槽；拉伸式换能器的一端经安装在内筒侧壁上，换能器另一端经铆钉铆接在T型磁块上，磁块套在内外隔板间的环槽中，磁块与磁环的异性磁极靠近安装。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，可实现真正意义的实时在线监测；换能器通过径向拉伸激励发电，轴向空间小、磁体远离滚动体及发射电路；压电片始终承受压应力、且应力分布均匀，机械可靠性高、发电能力强。

Description

一种大型自监测圆柱滚子轴承

技术领域

本发明属于轴承技术领域，具体涉及一种大型自监测圆柱滚子轴承。

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；有鉴于此，人们提出了多种形式的自监测轴承，如中国专利201410233736.3、201410233029.4、201410233722.1，上述各专利的共同特点是利用圆形的或悬臂梁型的弯曲式换能器发电，工作时换能器中的压电片承受交替变化的压应力和拉应力，当轴承及换能器尺度过大时所需轴向尺寸增加、拉应力增加且易导致压电片破碎；此外，由于轴承及换能器结构的制约，现有自监测轴承中非接触激励磁铁与轴承滚动体间距离较小，对无线信号发射的有一定影响。

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、以及所提出的自监测轴承在实际应用中的潜在问题，本发明提供一种大型自监测圆柱滚子轴承。本发明的大型自监测圆柱滚子轴承主要由外圈、圆柱体、内圈、内筒、磁环、磁块、垫圈、O型圈、外筒、压环、换能器、电路板、传感器及导线等构成；本发明的实施方案是：内筒底壁外侧的止口环套在内圈上，内筒底壁经螺钉固定在内圈端面上，内筒底壁与内圈端面间压接有密封垫圈；内筒底壁内侧设有内隔板，内筒底壁内侧经螺钉安装有电路板和传感器；外筒侧壁端面的法兰经螺钉固定在外圈端面，外筒侧壁套在内筒侧壁外，外筒侧壁与内筒侧壁间设有O型密封圈；外筒底壁上设有花键轴台和外隔板，花键轴台上套接有带有花键孔的不等壁厚磁环，外隔板和内隔板与磁环、内筒底壁及外筒底壁共同构成内腔，外隔板和内隔板与内筒底壁、内筒侧壁、外筒底壁及外筒侧壁共同构成外腔；外隔板和内隔板间设有使内腔与外腔相互连通的环槽；置于外腔内的拉伸式换能器的一端经螺钉和压板安装在内筒侧壁的端面，换能器由两个粘接有压电片并经铆钉相铆接的金属片构成，换能器上由金属片和压电片粘接所构成的复合层为圆弧形；换能器的另一端经铆钉铆接在T型磁块上纵梁端部的长槽中，磁块的纵梁套接在外隔板和内隔板间的环槽中，磁块的横梁置于内腔中，磁块与磁环的异性磁极靠近安装；同一金属片上的压电片间经导线L1连接，不同金属片上的压电片间经导线L2相连，换能器与电路板间经导线组L4连接，电路板与传感器间经导线组L3连接。

工作过程中，当外圈通过圆柱体与内圈做相对转动时，外筒与内筒发生相对转动，从而带动磁块和磁环相对转动；由于磁块和磁环的异性磁极靠近安装，当磁块和磁环相对转动时换能器始终承受拉力作用、压电片始终承受压应力作用；因带有花键孔的磁环在圆周方向的磁场强度不同，故当磁块和磁环相对转动时换能器所承受的拉力、以及压电片所承受的压应力交替地增加和减小，压电片所受压应力交替地增加和减小即将机械能转换成电能，此为发电过程；所生成的电能经电路板上的转换电路处理后供给传感器，从而实现轴承温度、转速或振动特性的自动监测。

本发明中，为提高换能器的发电能力、避免压电片在非工作状态时因受过大拉应力作用而损坏，应确保当磁块的横梁与内隔板及外隔板相接触时换能器上金属片圆弧外表面的最小半径为R＝h{α+0.5[α²(1-β)-1-ηE_p/T_p]/[1-α(1-β)]}，内腔中磁块运动方向上的最小距离为D＝[L-2Rsin(0.5L/R)]n，其中 $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\mathrm{\α\β}/(1+k_{31}^2),$ α＝h_m/h，h＝h_m+h_p，h_p、h_m分别为压电片和金属片厚度，β＝E_m/E_p，E_p、E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L为金属片上单个圆弧的弦长，n为单个金属片上的圆弧数量。

优势与特色：①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；②换能器通过径向拉伸激励发电，所需轴向空间小、永磁体远离滚动体及发射电路；③预弯型拉伸式换能器始终处于受拉状态，即压电晶片始终承受压应力、且应力分布均匀，故机械可靠性高、发电能力强。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中圆柱滚子轴承的结构剖面图；

图2是图1的A-A视图；

图3是换能器的结构示意图；

图4是带花键孔磁环的结构示意图；

图5是图1中换能器受最小磁力作用时的I部放大图；

图6是图1中磁块与内隔板及外隔板接触时的I部放大图；

图7是图1中卸掉磁块时的I部放大图；

具体实施方式

如图1～图6所示，本发明的大型自监测圆柱滚子轴承主要由外圈1、圆柱体2、内圈3、内筒4、磁环5、磁块6、垫圈7、O型圈8、外筒9、压环10、换能器H、电路板B、传感器S及导线等构成。内筒4的底壁41外侧的止口环套在内圈3上，内筒底壁41通过螺钉固定在内圈3的端面上，内筒底壁41与内圈3的端面间压接有密封垫圈7；内筒底壁41的内侧设有内隔板42，内筒底壁41内侧经螺钉安装有电路板B和传感器S；外筒9的侧壁91端面的法兰经螺钉固定在外圈1的端面，外筒侧壁91套在内筒侧壁43外侧，外筒侧壁91与内筒侧壁43间设有O型密封圈；外筒9的底壁92上设有花键轴台94和外隔板93，花键轴台94上套接有带有花键孔51的不等壁厚磁环5，外隔板93和内隔板42与磁环5、内筒底壁41及外筒底壁92共同构成内腔C1，外隔板93和内隔板42与内筒底壁41、内筒侧壁43、外筒底壁92及外筒侧壁91共同构成外腔C2；外隔板93和内隔板42之间设有使内腔C1与外腔C2相互连通的环槽C3；置于外腔C2内的拉伸式换能器H的一端经螺钉和压环10安装在内筒4的侧壁43的端面，换能器H由两个粘接有压电片H2并经铆钉H3相铆接的金属片H1构成，换能器H上由金属片H1和压电片H2粘接所构成的复合层为圆弧形；换能器H的另一端经铆钉铆接在T型磁块6上纵梁61端部的长槽中，磁块6的纵梁61套接在外隔板93和内隔板42间的环槽C3中，磁块6的横梁62置于内腔C1中，磁块6与磁环5的异性磁极靠近安装；同一金属片H1上的压电片H2间经导线L1连接，不同金属片H1上的压电片H2间经导线L2相连，换能器H与电路板B经导线组L4连接，电路板B与传感器S间经导线组L3连接。

工作过程中，当外圈1通过圆柱体2与内圈3做相对转动时，外筒9与内简4发生相对转动，从而带动磁块6和磁环5相对转动；由于磁块6和磁环5的异性磁极靠近安装，当磁块6和磁环5相对转动时换能器H始终承受拉力作用、压电片H2始终承受压应力作用；因带有花键孔51的磁环5在圆周方向的磁场强度不同，故当磁块6和磁环5相对转动时换能器H所承受的拉力、以及压电片H2所承受的压应力交替地增加和减小，压电片H2所受压应力交替地增加和减小即将机械能转换成电能，此为发电过程；所生成的电能经电路板B上的转换电路处理后供给传感器S，从而实现轴承温度、转速或振动特性的自动监测。

本发明中，为提高换能器H的发电能力、避免压电片H2在非工作状态时因受过大拉应力作用而损坏，应确保当磁块6上横梁62与内隔板42及外隔板93相接触时换能器H的金属片H1上圆弧外表面的最小半径为R＝h{α+0.5[α²(1-β)-1-ηE_p/T_p]/[1-α(1-β)]}，内腔C1中磁块6运动方向上的最小距离为D＝[L-2R sin(0.5L/R)]n，其中 $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\mathrm{\α\β}/(1+k_{31}^2),$ α＝h_m/h，h＝h_m+h_p，h_p、h_m分别为压电片H2和金属片H1的厚度，β＝E_m/E_p，E_p、E_m分别为压电片H2和金属片H1的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L为金属片H1上单个圆弧的弦长，n为单个金属片H1上的圆弧数量。

Claims (1)

1.一种大型自监测圆柱滚子轴承，主要由外圈、圆柱体、内圈、内筒、磁环、磁块、垫圈、O型圈、外筒、压环、换能器、电路板、传感器及导线等构成，其特征在于：内筒底壁外侧的止口环套在内圈上，内筒底壁经螺钉固定在内圈端面上，内筒底壁与内圈端面间压接有密封垫圈；内筒底壁内侧设有内隔板，内筒底壁内侧经螺钉安装有电路板和传感器；外筒侧壁端面的法兰经螺钉固定在外圈端面，外筒侧壁套在内筒侧壁外，外筒侧壁与内筒侧壁间设有O型密封圈；外筒底壁上设有花键轴台和外隔板，花键轴台上套接有带有花键孔的不等壁厚磁环，外隔板和内隔板与磁环、内筒底壁及外筒底壁共同构成内腔，外隔板和内隔板与内筒底壁、内筒侧壁、外筒底壁及外筒侧壁共同构成外腔；外隔板和内隔板间设有使内腔与外腔相互连通的环槽；置于外腔内的拉伸式换能器的一端经螺钉和压板安装在内筒侧壁的端面，换能器由两个粘接有压电片并经铆钉相铆接的金属片构成，换能器上由金属片和压电片粘接所构成的复合层为圆弧形；换能器的另一端经铆钉铆接在T型磁块上纵梁端部的长槽中，磁块的纵梁套接在外隔板和内隔板间的环槽中，磁块的横梁置于内腔中，磁块与磁环的异性磁极靠近安装；同一金属片上的压电片间经导线L1连接，不同金属片上的压电片间经导线L2相连，换能器与电路板间经导线组L4连接，电路板与传感器间经导线组L3连接；

为提高换能器的发电能力、避免压电片在非工作状态时因受过大拉应力作用而损坏，应确保当磁块的横梁与内隔板及外隔板相接触时换能器上金属片圆弧外表面的最小半径为R＝h{α+0.5[α²(1-β)-1-ηE_p/T_p]/[1-α(1-β)]}，内腔中磁块运动方向上的最小距离为D＝[L-2R sin(0.5L/R)]n，其中 $\mathrm{\η}=(1-\mathrm{\α})[1-\mathrm{\α}(1-\mathrm{\β})]+\mathrm{\α\β}/(1+k_{31}^2),$ α＝h_m/h，h＝h_m+h_p，h_p、h_m分别为压电片和金属片的厚度，β＝E_m/E_p，E_p、E_m分别为压电片和金属片的杨氏模量，T_p分别为压电材料的机电耦合系数和许用拉应力，L为金属片上单个圆弧的弦长，n为单个金属片上的圆弧数量。