一種帶一體化監測裝置的高速球軸承的製作方法

2023-05-24 09:44:26 1

一種帶一體化監測裝置的高速球軸承的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種帶一體化監測裝置的高速球軸承，屬於軸承及其監測【技術領域】。內圈及珠架上分別裝有主動盤和被動盤，被動盤外緣與外圈內孔間設有限位滾珠，主被動盤上均固定有壓板，壓板與主被動盤間分別壓有金屬膜，金屬膜與其表面所粘接的壓電膜構成壓電振子，壓電振子中心處裝有有磁鐵，磁鐵套在主被動盤的導向孔內，主被動盤上安裝有電路板和傳感器。優點是軸承與其監測裝置集成一體，可作為獨立的標準部件使用，可實現真正意義上的實時在線監測；可有效增加高速時壓電振子所得動能及發電量；採用導向孔防止壓電振子扭擺、且壓電振子結構尺寸配置合理，故可靠性及發電量均較高。
【專利說明】一種帶一體化監測裝置的高速球軸承

【技術領域】
[0001] 本實用新型屬於滾動軸承及其監測【技術領域】，具體涉及一種高速球軸承及其一體 化監測裝置。

【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。
[0003] 為解決軸承等旋轉監測系統的供電問題，人們提出了多種形式的旋轉式壓電懸臂 梁發電裝置，其原理是直接利用軸與軸承座之間的相對轉動通過磁勵耦合的方式激勵壓電 振子振動發電，這種工作模式發電機的最大弊端是僅適用於較低轉速的情況；當轉速較高 時，旋轉磁鐵與壓電振子端部磁鐵間重疊時間極短，壓電振子難以獲得足夠的動能使其產 生振動並發電。


【發明內容】

[0004] 本實用新型提供一種帶一體化監測裝置的高速球軸承，以解決現有軸承監測系統 以及相關壓電發電裝置在實際應用中所存在的當轉速較高時，旋轉磁鐵與壓電振子端部磁 鐵間重疊時間極短，壓電振子難以獲得足夠的動能使其產生振動並發電的問題。
[0005] 本實用新型採用的實施方案是：包括內圈，一對珠架，用於軸承的承載滾珠，外圈， 所述內圈比外圈窄，內圈與外圈一側對齊安裝，非對齊一側的內圈及珠架的端面分別通過 螺釘固定有主動盤和被動盤，被動盤的外緣表面與外圈內孔表面間設有限位滾珠，限位滾 珠安裝在被動盤外緣表面的球面沉孔內、且可沿外圈內孔上的滾道滾動，主動盤和被動盤 上分別通過螺釘固定有壓板，壓板與主動盤之間、以及壓板與被動盤之間分別壓接有金屬 膜，金屬膜與其表面所粘接的壓電膜構成壓電振子，壓電振子的中心處通過鉚釘鉚接有磁 鐵，被動盤和主動盤上分別設有壓電振子變形所需的沉腔一和沉腔二，所述沉腔一和沉腔 二的底壁分別設有磁鐵防扭所需的導向孔一和導向孔二，壓板上設有壓電振子變形所需的 通孔，主動盤上安裝有電路板一、振動傳感器及噪聲傳感器，被動盤上安裝有電路板二和溫 度傳感器，主動盤上的振動傳感器、噪聲傳感器及各壓電振子分別通過不同的導線組與電 路板一連接，被動盤上的溫度傳感器和各壓電振子通過不同的導線組與電路板二連接。
[0006] 本實用新型的優點是結構新穎，軸承與其監測裝置集成一體、且自供電能力，可作 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； 利用隨滾動體轉動的被動盤與主動盤相對轉動激勵，可有效增加高速時壓電振子所得動能 及發電量；採用導向孔防止壓電振子扭擺、且壓電振子結構尺寸配置合理，故可靠性及發電 量均較高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 圖1是本實用新型一個較佳實施例的結構剖面圖；
[0008] 圖2是圖1的A-A視圖；
[0009] 圖3是圖1的B-B視圖；
[0010] 圖4是圖1的I部放大圖；
[0011] 圖5是本實用新型被動盤的結構示意圖；
[0012] 圖6是本實用新型保持架的結構示意圖；
[0013] 圖7是圖6的右視圖；
[0014] 圖8是本實用新型結構係數與厚度比及半徑比的關係曲線圖；
[0015] 圖9是本實用新型為壓電振子總面積與俘能器半徑間的關係曲線圖。

【具體實施方式】
[0016] 如圖1?圖7所示，包括內圈1，一對珠架2,用於軸承的承載滾珠3,外圈4,所述 內圈1比外圈4窄，內圈1與外圈4 一側對齊安裝，非對齊一側的內圈1及珠架2的端面分 別通過螺釘固定有主動盤7和被動盤5,被動盤5的外緣表面與外圈4內孔表面間設有限 位滾珠6,限位滾珠6安裝在被動盤5外緣表面的球面沉孔51內、且可沿外圈4內孔上的 滾道滾動，主動盤7和被動盤5上分別通過螺釘固定有壓板8,壓板8與主動盤7之間、以 及壓板8與被動盤5之間分別壓接有金屬膜9,金屬膜9與其表面所粘接的壓電膜10構成 壓電振子12,壓電振子12的中心處通過鉚釘鉚接有磁鐵11，被動盤5和主動盤7上分別設 有壓電振子12變形所需的沉腔52和沉腔72,所述沉腔52和沉腔72的底壁分別設有磁鐵 11防扭所需的導向孔53和導向孔71，壓板8上設有壓電振子12變形所需的通孔81，主動 盤7上安裝有電路板一 14、振動傳感器S1及噪聲傳感器S2,被動盤5上安裝有電路板二13 和溫度傳感器S3,主動盤7上的振動傳感器S1、噪聲傳感器S2及各壓電振子12分別通過 不同的導線組與電路板一 14連接，被動盤5上的溫度傳感器S3和各壓電振子12通過不同 的導線組與電路板二13連接。
[0017] 工作過程中，當內圈1及主動盤7與外圈4做相對轉動時，與保持架2相連接的被 動盤5在承載滾珠3的帶動下也產生相對內圈1的轉動，從而使所述置於主動盤7和被動 盤5上的壓電振子12及磁鐵11產生相對轉動，相對轉動的磁鐵11之間交替增加和減小的 作用力使得壓電振子12產生彎曲變形並將機械能轉換成電能，所生成的電能經轉換處理 後為所述各傳感器供電，從而實現不同軸承參數的自供電監測。
[0018] 根據力學知識，當質量為Μ的靜止物體受外力F作用時間t後，其所獲得的速度為 V = Ft/M、動能為E = (Ft)V(2M)。顯然，在其它條件相同時，力的作用時間過短時物體會 因所得能量不足以克服慣性力而依然靜止不動。在基於磁勵耦合激勵的旋轉式壓電發電機 中，激振力F的作用時間即為兩個相對轉動磁鐵的重疊時間、且隨轉速增加而縮短，當轉速 過高時壓電振子將不會被有效激勵。因此，增加旋轉發電機的激振力的作用時間或降低相 對轉速可有效增加壓電振子所獲得的外部能量。本實用新型中，內圈1與外圈4的相對轉 速nl約為內圈1及主動盤7與被動盤5相對轉速n2的λ η = nl/n2 = :^/仏倍，即主動盤 7與被動盤5上磁體11間的重疊 tl約為當將相同的磁鐵分別置於內圈1和外圈4上時重 疊時間t2的λ t = 1/ λ n = R/a倍，其中，Γ(ι和R分別為磁鐵11的半徑及其中心的迴轉 半徑。因此，採用隨滾動體運動而轉動的被動盤5與主動盤7相對轉動激勵時，壓電振子12 所獲得的動能為內外圈相對轉動直接激勵時的λ Ε= (RyiJ2倍。因仏》!^，故本實用新型 可實現高速狀態下壓電振子的有效激勵、發電量大。
[0019] 為提高壓電振子12自身的發電能力，金屬膜9的材料為鈹青銅，壓電膜10的 材料為PZT4,且壓電膜10厚度h p與壓電振子的總厚度h之比β = hp/h的取值範圍 為0.5〈β〈0.7、壓電膜10半徑rp與壓電振子12半徑r之比a =rp/r的取值範圍為 0· 5〈 α〈〇· 7。
[0020] 本實用新型壓電振子12單次受激振力F作用時產生的電能為

【權利要求】
1. 一種帶一體化監測裝置的高速球軸承，包括內圈，一對珠架，用於軸承的承載滾珠， 外圈，其特徵在於：所述內圈比外圈窄，內圈與外圈一側對齊安裝，非對齊一側的內圈及珠 架的端面分別通過螺釘固定有主動盤和被動盤，被動盤的外緣表面與外圈內孔表面間設有 限位滾珠，限位滾珠安裝在被動盤外緣表面的球面沉孔內、且可沿外圈內孔上的滾道滾動， 主動盤和被動盤上分別通過螺釘固定有壓板，壓板與主動盤之間、以及壓板與被動盤之間 分別壓接有金屬膜，金屬膜與其表面所粘接的壓電膜構成壓電振子，壓電振子的中心處通 過鉚釘鉚接有磁鐵，被動盤和主動盤上分別設有壓電振子變形所需的沉腔一和沉腔二，所 述沉腔一和沉腔二的底壁分別設有磁鐵防扭所需的導向孔一和導向孔二，壓板上設有壓電 振子變形所需的通孔，主動盤上安裝有電路板一、振動傳感器及噪聲傳感器，被動盤上安裝 有電路板二和溫度傳感器，主動盤上的振動傳感器、噪聲傳感器及各壓電振子分別通過不 同的導線組與電路板一連接，被動盤上的溫度傳感器和各壓電振子通過不同的導線組與電 路板二連接。
【文檔編號】F16C19/02GK204061540SQ201420281076
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年5月28日 優先權日:2014年5月28日
【發明者】曾平, 沈亞林, 闞君武, 王淑雲, 程光明 申請人:浙江師範大學