一種圓柱滾子軸承組件的製作方法
2023-04-26 21:20:56
一種圓柱滾子軸承組件的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種圓柱滾子軸承組件，屬於軸承【技術領域】。外圈和內圈的左右兩端分別設有內環槽和外環槽，所述兩內圈外環槽處分別通過過盈配合安裝有設有輻板的骨架；各骨架兩側均分別安裝有電路板與金屬片和密封擋環並構成輻腔，對應輻腔處的金屬片上粘接有壓電片，受激磁鐵通過螺釘與壓電片及金屬片相連；骨架上對應輻腔處安裝有傳感器；壓電片、金屬片及傳感器通過不同的導線組與電路板連接；兩個激勵磁鐵分別鑲嵌在圓柱滾子兩側並與兩個受激磁鐵正對，所述各軸向相鄰兩磁鐵的異性磁極靠近安裝。特色與優勢：具有自供能傳感監測功能，作為獨立的標準部件使用，無需改變其安裝設備的結構，可實現真正意義上的實時在線監測；採用導向孔防止受激磁鐵扭擺，提高俘能器可靠性。
【專利說明】一種圓柱滾子軸承組件
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於軸承【技術領域】，具體涉及一種圓柱滾子軸承組件。
【背景技術】
[0002]軸承是一種典型的機械基礎件，在機械、車輛、航空航天、輪船及能源等領域都有著極其廣泛的應用；然而，軸承也是轉動機器中最易損壞的零件之一，旋轉機械故障的30%是由軸承失效所引發的。因此，軸承的狀態監測與早期故障診斷已引起人們的高度重視。軸承狀態的在線監測已經逐步成為大型風力發電機、輪船、高鐵以及航空器等領域不可或缺的技術，所需監測的指標包括諸如溫度、振動、轉速及噪音等。早期的軸承監測系統主要是外掛式的，其弊端之一是傳感器與信號源間的距離較遠，屬於非接觸的間接測量，故誤差較大。近年來，人們又相繼提出了不同形式的嵌入式監測系統，這種方法可解決測量精度及準確性問題，但需要改變相關設備的結構或其完整性，以便安裝傳感監測系統，這不但容易引起設備零部件的應力集中等問題，在一些結構複雜或空間有限的設備上也是無法實現的；最為關鍵的是，當監測系統需要隨軸承內圈或外圈一起轉動時，不便通過電線供電，而採用電池供電使用時間很短。因此，目前的軸承監測系統基本上還都是非實時的、間接的非接觸測量，難以及時準確地獲得軸承的運行狀態。
【發明內容】
[0003]針對現有軸承監測系統在實際應用中所存在的各類問題，本實用新型提供一種圓柱滾子軸承組件。本實用新型採用的實施方案是:一種圓柱滾子軸承組件，主要由外圈、圓柱滾子、密封擋環一和密封擋環二、內圈、環形骨架一和骨架二、環形電路板一和電路板二、金屬片一和金屬片二、壓電片一和壓電片二、受激磁鐵一和受激磁鐵二、激勵磁鐵一和激勵磁鐵二等構成，其特徵在於:所述外圈兩端設有內環槽、內圈兩端設有外環槽，兩內圈外環槽處分別通過過盈配合安裝有設有輻板的骨架一和骨架二 ；密封擋環一和金屬片一與電路板一通過螺釘固定在骨架一左右兩側，並與骨架一構成密閉輻腔一；輻板一上分別設有走線通孔一和導向孔一；壓電片一粘接在金屬片一上、且置於輻腔一內；受激磁鐵一通過螺釘與壓電片一及金屬片一相連；壓電片一及金屬片一通過導線組一與電路板一相連；傳感器一固定在環形骨架一上、且置於輻腔一內；所述傳感器一通過導線組二與電路板一相連；密封擋環二和金屬片二與電路板二通過螺釘固定在骨架二的左右兩側，並與環形骨架二構成密閉輻腔二 ；輻板二上分別設有走線通孔二和導向孔二 ；壓電片二粘接在金屬片二上、且置於密閉輻腔二內；受激磁鐵二通過螺釘與壓電片二及金屬片二相連接；壓電片二及金屬片二通過導線組三與電路板二相連接；傳感器二固定在環形骨架二上、且置於密閉輻腔二內；所述傳感器二經導線組四與電路板二相連；激勵磁鐵一及激勵磁鐵二鑲嵌在圓柱滾子兩側，並分別與受激磁鐵一及受激磁鐵二正對，所述各軸向相鄰兩磁鐵的異性磁極靠近安裝。
m 、.180
[0004]為提高發電量，所述各磁鐵的半徑相等且由式rc=(i?+r)sm —計算得至|J，其中:R為圓柱滾子軸承內圈滾道的半徑，r為圓柱滾子半徑，Iitl為圓柱滾子的數量；
&稱為定角比，Q2 = 360/n(1為兩相鄰激勵磁鐵一或兩相鄰激勵磁鐵二的中心與其迴轉中心O的連線間的夾角，Ql為通過迴轉中心O且與所述激勵磁鐵一或二相切的直線間的夾角；較佳的定角比為k = 1.5?3.5。
[0005]工作過程中，圓柱滾子隨著外圈或內圈轉動而滾動，同時還帶動圓柱滾子及與鑲嵌在所述圓柱滾子上的激勵磁鐵一和激勵磁鐵二一起轉動，從而使激勵磁鐵一和受激磁鐵一及激勵磁鐵二和受激磁鐵二之間產生相對運動，並使激勵磁鐵一與受激磁鐵一之間的作用力、以及激勵磁鐵二與受激磁鐵二之間作用力發生變化，迫使壓電片一和壓電片二交替的彎曲變形，將機械能轉換成電能；壓電片一所生成的電能經導線組一輸出給電路板一上的能量轉換處理電路，再經導線組二輸出給傳感器一；壓電片一所生成的電能經導線組三輸出給電路板二上的能量轉換處理電路，再經導線組四輸出給傳感器二 ；從而實現軸承運動狀態的自供電實時監測。
[0006]為確保壓電片產生的電能可滿足傳感器的自供電需求，應儘可能提高壓電片產生的電能。激勵磁鐵與受激磁鐵相對轉動一周時，單個壓電片產生的電能為Eg = nCK丨2 = nCf {ηFf /2 = hCftf ?2，其中:Cf為壓電片的自由電容，Vg= nF為壓電片生成的開路電壓，Π為與壓電片尺度及材料有關的係數，F為壓電片所受的外部作用力，h = nF2稱為能量係數。顯然，在其它條件不變時，可通過提高壓電片所受外部作用力F提高電壓，通過提高能量係數h提高電能。根據本實用新型圓柱滾子軸承的工作原理以及磁場為空間分布的實際情況，任一受激磁鐵一都同時受多個激勵磁鐵一作用、任一受激磁鐵二都同時受多個激勵磁鐵二作用。故在其它條件確定的情況下，所述某個受激磁鐵一及受激磁鐵二所受作用力分別與其所對應的定角比k有關，且存在較佳的定角比k使得作用力F、電壓Vg、及電能Eg較大；當取k= 1.5?3.5時，所獲得的電壓和電能都較大，可確保能量係數不低於其最大值的1/2。
[0007]圖7給出了不同定角比時受激磁鐵所受作用力F與轉角比j =Q3/Q1的試驗曲線，其中Q3為受激磁鐵及激勵磁鐵中心與其迴轉中心O的連線間的夾角，故轉角比j表徵的是受激磁鐵與激勵磁鐵間的距離。圖7說明，定角比不同時，受激磁鐵所受激勵磁鐵作用力的大小及激勵的次數不同。作用力最大值、激勵次數以及能量係數與定角比k的關係曲線如圖8所示。顯然，當取k = 1.5?3.5時，所得電壓和電能都較大，能量係數大於其最大值的 1/2。
[0008]壓電片產生的電壓和電能除了與作用力F，定角比k有關外，跟作用力F的作用時間也有很大的關係。當作用力F，定角比k確定時，根據I = Ft，若激勵磁鐵一或二作用時間t過小，壓電片幾乎不產生電壓和電能，可通過提高作用時間t來提高對壓電片的衝量。根據計算，圓柱滾子(激勵磁鐵一或二)公轉一周時間為T = 120(R+r)/nR，其中R為內圈滾道半徑，r為圓柱滾子半徑，n (r/min)為內圈轉速(假設外圈轉速為O)。作用時間t =240 (R+r) arctan (r0/ (R+r)) /n π R，其中;Ttl為激勵磁鐵半徑。與本實用新型激勵磁鐵一或二(圓柱滾子)相同旋轉半徑並直接相對轉動的激勵磁鐵公轉一周的時間為Ttl = 60/n，作用時間為 t0 = 120arctan(r0/(R+r))/ πη，則時間比 y = t0/t = R/2(R+r)。所以本實用新型可延長激勵磁鐵一或二的作用時間，即可提高壓電片產生電壓和電能。
[0009]優勢與特色:軸承自身具有自供能傳感監測功能，作為獨立的標準部件使用，無需改變其安裝設備的結構，可實現真正意義上的實時在線監測；採用導向孔防止受激磁鐵扭擺，提高俘能器可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本實用新型一個較佳實施例中圓柱滾子軸承的結構剖面圖；
[0011]圖2是軸承內圈及外圈上未安裝環形骨架時的結構示意圖；
[0012]圖3是圖1的A-A視圖；
[0013]圖4是圖1的B-B視圖；
[0014]圖5是本實用新型中激勵磁鐵與受激磁鐵相對轉動後的結構示意圖；
[0015]圖6是金屬片二 V結構示意圖
[0016]圖7是不同定角比時受激磁鐵所受作用力與轉角比的關係曲線；
[0017]圖8是能量係數、最大作用力及激勵次數與定角比的關係曲線；
【具體實施方式】
[0018]針對現有軸承監測系統在實際應用中所存在的各類問題，本實用新型提供一種圓柱滾子軸承組件。本實用新型採用的實施方案是:一種圓柱滾子軸承組件，主要由外圈1、圓柱滾子2、密封擋環一 3和密封擋環二 3』、內圈4、環形骨架一 5和骨架二 5』、環形電路板一6和電路板二 6』、金屬片一 7和金屬片二 7』、壓電片一 10和壓電片二 10』、受激磁鐵一11和受激磁鐵二 11』、激勵磁鐵一 8和激勵磁鐵二 8，等構成。
[0019]本實用新型中，所述外圈I左右兩端分別設有內環槽101和101』，所述內圈4左右兩端分別設有外環槽401和401』 ；所述內圈的左外環槽401通過過盈配合安裝有設有輻板501的環形骨架二 5，所述環形骨架二 5的外孔與外圈I的左內環槽101為間隙配合；所述內圈的右外環槽401』通過過盈配合安裝有設有輻板501』的環形骨架二 5』，所述環形骨架二5』的外孔與外圈I的右內環槽101』為間隙配合；所述密封擋環一 3與金屬片一 7和電路板一 6分別通過螺釘固定在環形骨架一 5的左側和右側，並與環形骨架一 5及輻板501共同構成密閉輻腔一 502 ;所述輻板501上設有走線通孔91和導向孔111 ;所述壓電片一 10粘接在金屬片一 7上、且置於福腔一 502內；受激磁鐵一 11通過螺釘與壓電片一 10及金屬片一 7相連；所述壓電片一 10及金屬片一 7通過導線組一 9與電路板一 6相連接；傳感器一13固定在環形骨架一 5上、且置於輻腔一 502內；所述傳感器一 13通過導線組二 12與電路板一 6相連接；所述密封擋環二 3』與金屬片二 7』和電路板二 6』分別通過螺釘固定在環形骨架二 5』的左右兩側，並與環形骨架二 5』及所述環形骨架二 5』上的輻板501』共同構成密閉輻腔二 502』 ；所述輻板501』上設有走線通孔91』和導向孔111』 ；所述壓電片二10』粘接在金屬片二 V上、且置於密閉輻腔二 502』內；受激磁鐵二 11』通過螺釘與壓電片二10』及金屬片二 V相連接；所述壓電片二 10』及金屬片二 V通過導線組三9』與電路板二 6』相連接；傳感器二 13』固定在環形骨架二 5』上、且置於密閉輻腔二 502』內；所述傳感器二 13』通過導線組四12』與電路板二 6』相連接；激勵磁鐵一 8及激勵磁鐵二 8，鑲嵌在圓柱滾子2兩側，並分別與受激磁鐵一 11及受激磁鐵二 11』正對；受激磁鐵一 11與激勵磁鐵一 8之間、激勵磁鐵一 8與激勵磁鐵二 8，之間、以及激勵磁鐵二 8，與受激磁鐵11』之間的異性磁極靠近安裝。
180
[0020]為提高發電量，所述各磁鐵的半徑相等且由式G=(R + r)sin —^計算得到，
?0(1 +是)
其中:R為圓柱滾子軸承內圈滾道的半徑，r為圓柱滾子2半徑，Iitl為圓柱滾子2的數量；,02-0
一稱為定角比，Q2 = 360/11(1為兩相鄰激勵磁鐵一 8或兩相鄰激勵磁鐵二 8』的中心與其迴轉中心O的連線間的夾角，Ql為通過迴轉中心O且與所述激勵磁鐵一 8或二 8』相切的直線間的夾角；較佳的定角比為k = 1.5?3.5。
[0021]工作過程中，圓柱滾子2隨著外圈I或內圈4轉動而滾動，同時還帶動圓柱滾子2及與鑲嵌在所述圓柱滾子上的激勵磁鐵一 8和激勵磁鐵二 8』一起轉動，從而使激勵磁鐵一8和受激磁鐵一 11及激勵磁鐵二 8，和受激磁鐵二 11』之間產生相對運動，並使激勵磁鐵一 8與受激磁鐵一 11之間的作用力、以及激勵磁鐵二 8，與受激磁鐵二 11』之間作用力發生變化，迫使壓電片一 10和壓電片二 10』交替的彎曲變形，將機械能轉換成電能；壓電片一10所生成的電能經導線組一 9輸出給電路板一 6上的能量轉換處理電路，再經導線組二 12輸出給傳感器一 13 ;壓電片一 10』所生成的電能經導線組三9』輸出給電路板二 6』上的能量轉換處理電路，再經導線組四12』輸出給傳感器二 13』 ；從而實現軸承運動狀態的自供電實時監測。
[0022]為確保壓電片產生的電能可滿足傳感器的自供電需求，應儘可能提高壓電片產生的電能。激勵磁鐵與受激磁鐵相對轉動一周時，單個壓電片產生的電能為Eg = nCfVl/2 = nCf{i}Ff 12 = hCftf /2，其中:cf為壓電片的自由電容，Vg= nF為壓電片生成的開路電壓，Π為與壓電片尺度及材料有關的係數，F為壓電片所受的外部作用力，h = nF2稱為能量係數。顯然，在其它條件不變時，可通過提高壓電片所受外部作用力F提高電壓，通過提高能量係數h提高電能。根據本實用新型圓柱滾子軸承的工作原理以及磁場為空間分布的實際情況，任一受激磁鐵一 11都同時受多個激勵磁鐵一 8作用、任一受激磁鐵二 11』都同時受多個激勵磁鐵二 8，作用。故在其它條件確定的情況下，所述某個受激磁鐵一 11及受激磁鐵二 11』所受作用力分別與其所對應的定角比k有關，且存在較佳的定角比k使得作用力F、電壓Vg、及電能Eg較大。本實用新型中，較佳的定角比為k = 1.5?
3.5時，所獲得的電壓和電能都較大。
[0023]圖7給出了不同定角比時受激磁鐵所受作用力F與轉角比j =Q3/Q1的試驗曲線，其中Q3為受激磁鐵及激勵磁鐵中心與其迴轉中心O的連線間的夾角，故轉角比j表徵的是受激磁鐵與激勵磁鐵間的距離。圖7說明，定角比不同時，受激磁鐵所受激勵磁鐵作用力的大小及激勵的次數不同。作用力最大值、激勵次數以及能量係數與定角比k的關係曲線如圖8所示。顯然，當取k = 1.5?3.5時，所得電壓和電能都較大，能量係數大於其最大值的 1/2。
[0024]壓電片產生的電壓和電能除了與作用力F，定角比k有關外，跟作用力F的作用時間也有很大的關係。當作用力F，定角比k確定時，根據I = Ft，若激勵磁鐵一 8或二 8』作用時間t過小，壓電片幾乎不產生電壓和電能，可通過提高作用時間t來提高對壓電片的衝量。根據計算，圓柱滾子2(激勵磁鐵一 8或二 8』 )公轉一周時間為T= 120(R+r)/nR，其中R為內圈4滾道半徑，r為圓柱滾子2半徑，n(r/min)為內圈4轉速(假設外圈I轉速為O)。作用時間t = 240 (R+r) arctan (r0/ (R+r)) /η π R，其中為激勵磁鐵半徑。與本實用新型激勵磁鐵一 8或二 8』(圓柱滾子2)相同旋轉半徑並直接相對轉動的激勵磁鐵公轉一周的時間為T0 = 60/n,作用時間為t0 = 120arctan (r0/ (R+r)) / πη，則時間比y = t。/t = R/2(R+r)。所以本實用新型可延長激勵磁鐵一 8或二 8』的作用時間，即可提高壓電片產生電壓和電能。
【權利要求】
1.一種圓柱滾子軸承組件，主要由外圈、圓柱滾子、密封擋環一和密封擋環二、內圈、環形骨架一和骨架二、環形電路板一和電路板二、金屬片一和金屬片二、壓電片一和壓電片二、受激磁鐵一和受激磁鐵二、激勵磁鐵一和激勵磁鐵二等構成，其特徵在於:所述外圈兩端設有內環槽、內圈兩端設有外環槽，兩內圈外環槽處分別通過過盈配合安裝有設有輻板的骨架一和骨架二 ；密封擋環一和金屬片一與電路板一通過螺釘固定在骨架一左右兩側，並與骨架一構成密閉輻腔一；輻板一上分別設有走線通孔一和導向孔一；壓電片一粘接在金屬片一上、且置於輻腔一內；受激磁鐵一通過螺釘與壓電片一及金屬片一相連；壓電片一及金屬片一通過導線組一與電路板一相連；傳感器一固定在環形骨架一上、且置於輻腔一內；所述傳感器一通過導線組二與電路板一相連；密封擋環二和金屬片二與電路板二通過螺釘固定在骨架二的左右兩側，並與環形骨架二構成密閉輻腔二 ；輻板二上分別設有走線通孔二和導向孔二 ；壓電片二粘接在金屬片二上、且置於密閉輻腔二內；受激磁鐵二通過螺釘與壓電片二及金屬片二相連接；壓電片二及金屬片二通過導線組三與電路板二相連接；傳感器二固定在環形骨架二上、且置於密閉輻腔二內；所述傳感器二經導線組四與電路板二相連；激勵磁鐵一及激勵磁鐵二鑲嵌在圓柱滾子兩側，並分別與受激磁鐵一及受激磁鐵二正對，所述各軸向相鄰兩磁鐵的異性磁極靠近安裝。
2.根據權利要求1所述的一種圓柱滾子軸承組件，其特徵在於:所述各磁鐵的半徑相
?η 、.180等且由式& = W +計算得到，其中:R為圓柱滾子軸承內圈滾道的半徑，r為圓柱滾子半徑，n0為圓柱滾子的數量4 =稱為定角比，Q2 = 360/?為兩相鄰激勵磁鐵一或兩相鄰激勵磁鐵二的中心與其迴轉中心O的連線間的夾角，Ql為通過迴轉中心O且與所述激勵磁鐵一或二相切的直線間的夾角；較佳的定角比為k = 1.5?3.5。
3.根據權利要求1所述的一種圓柱滾子軸承組件，其特徵在於:激勵磁鐵一/ 二公轉一周時間為T = 120(R+r)/nR,其中R為內圈滾道半徑,r為圓柱滾子半徑,n(r/min)為內圈轉速，作用時間t = 240 (R+r) arctan (r0/ (R+r))/η π R，其中為激勵磁鐵半徑；與本實用新型激勵磁鐵一 / 二相同旋轉半徑並直接相對轉動的激勵磁鐵公轉一周的時間為Ttl = 60/η,作用時間為 t0 = 120arctan (r0/ (R+r)) / π n,則時間比 y = t0/t = R/2 (R+r), y < 10
【文檔編號】F16C41/00GK203926388SQ201420319512
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月5日 優先權日:2014年6月5日
【發明者】王淑雲, 張肖逸, 程光明, 劉殿龍 申請人:浙江師範大學