模塊、裝配有該模塊的軸承箱及管理對模塊的供電的方法

2023-10-18 00:14:24 2

專利名稱：模塊、裝配有該模塊的軸承箱及管理對模塊的供電的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於監控接觸式導向構件(contact guide member)的狀況的一物理量(特別是一特徵物理量)的自動模塊。在本發明的範圍內，術語接觸式導向構件是指用於線性或旋轉導向的任何滑動或支承導向構件。該術語特別是指光滑的滾珠(rotatingball)或滾柱軸承。該術語也指線性導向裝置，特別是這樣的類型，即，包括通過使裝備有輥的板在線性軌道上滑動而在線性軌道上循環的板。該術語也指線性軸承、線性滾柱軸承和滾珠螺旋螺母。
背景技術：
在某些應用中，特別是涉及公共運輸、能源或工業生產，對設備的可靠性和可用性的要求很高。這些要求使得需要監控這些設備的磨損部件，特別是旋轉構件的導向軸承，例如交流發電機軸或軌道軸軸承。 然而，這些軸承在故障出現前具有極長的潛在服務壽命，這例如是滾柱軸承的幾十億次旋轉，然而在惡劣的操作條件下服務壽命將縮短。各種原因可導致滾柱軸承故障，特別是阻塞、磨損、斷裂、隔圈破裂、腐蝕或碎裂，其是由於材料疲勞引起的軌道或滾動體的表面的一種損傷形式。在這種情況下，包括以定期的時間間隔拆卸軸承以檢測其狀況的系統的預防性維修涉及較高的固定成本和極其相關的效果，因為以此種方式檢測的絕大部分軸承沒有故障。連續的軸承監控因此代表設備的故障保護操作中的一主要因素，特別是在可用性和可靠性方面。文獻DE 10 20080 46202提出了一種用於監控旋轉構件的狀況的自發模塊(autonomous module),其利用旋轉構件的熱的產生而通過熱電變換器為監控模塊的電路供電。根據一個實施例，該熱電變換器和其相關的散熱片安裝在旋轉構件上，構件的旋轉提供用於散熱片的冷卻氣流。根據第二實施例，熱電變換器和其散熱片是固定的，該裝置還包括與旋轉構件相關的風扇，以用於在散熱片處產生強迫氣流。然而，該裝置不適用於監控容納在軸承箱(例如軸箱或齒輪箱)中的軸承，其中沒有觀察到足夠的熱梯度。文獻DE 10 2007 017 461描述了一種用於為電路供電的自發模塊，其包括利用可從電路的環境中獲得的熱流而通過塞貝克效應產生電壓的熱電式發電機。該模塊還設置有電路，以用於穩定熱電式發電機的輸出電壓。沒有進行用於將該模塊整合到適合現場使用的殼體中的布置。因此該模塊不適用於在惡劣環境中使用。文獻DE 10 2007 056 150描述了一種用於測量存在於由具有一孔的壁限定的介質中的一物理量的自發模塊，其包括傳感器，用於測量所討論的物理量；熱電傳感器，用於為傳感器供電；散熱片，與熱電變換器相關；以及螺釘，旨在穿過壁的孔以實現通過傳感器測量該物理量，該螺釘在介質與外部之間通過熱電變換器和散熱片而用作熱導體。此外，設想了無線測量傳輸裝置。然而，該試驗性裝置被證實不適用於在惡劣的工業環境中使用。
可關於線性導向構件(特別是輥或滾珠襯底導向裝置)的狀況的監控進行相似的觀察。

發明內容
本發明的目的在於改進以上確認的現有技術的所有或部分缺點，並且特別是在於提供這樣一種裝置，即，該裝置用於以較小的能耗實現監控接觸式導向構件(特別是容納在軸承箱中的軸承)或線性導向裝置，且優選地沒有外部有線接頭，並且不用對軸承箱或線性導向裝置進行極大的修改。根據本發明的一個方面，本發明涉及一種軸承箱，其包括軸承箱體，限定用於容納用於對旋轉構件(特別是軸頸)進行導向的軸承的腔體；軸承箱蓋，密封該腔體；以及聲發射傳感器，附接在軸承箱外部並具有聲耦合表面，該聲耦合表面與軸承箱的壁的外表面機械地耦合，從而使得聲發射傳感器適用於檢測由軸承內部的局部微位移所引起的並傳播至壁的瞬時彈性波。
傳感器在軸箱的外壁上的定位使得能在現有的軸承箱上設想非侵入式裝配，使得能避免軸承箱的再次判定。應注意的是，軸承箱的判定，特別是在設備安全很重要的技術領域中，例如對於軌道或電核應用，需要較長的和大量的裝載工作檯試驗。傳感器的定位還使得可在預先存在的軸承箱上設想改型翻新。經驗已表明，出乎意料地，聲發射傳感器能夠提供代表軸承的狀況的信號，即使將聲發射傳感器定位在距離軸承一定距離處且位於軸承箱的與容納有軸承的腔體相對的一表面上。這種類型的傳感器能耗較低，因而特別適用於沒有外部有線接頭的軸承箱的儀器操作。對來自這種傳感器的信號的處理也可以是簡單的，因而消耗低能量水平。在多個應用中，觀察到軸承的固定元件(其剛性地連接至軸箱且在下文中一般被稱作固定環)沒有受到圍繞軸承的旋轉軸線的均布載荷，而是，相反地，大部分載荷支承在圍繞軸承的旋轉軸線的有限的角形部分(angular sector)上，例如支承在小於180°且在實際中小於120°的部分上。一般而言，該觀察在軸承的旋轉軸線是水平的或更一般地相對於確定重力方向的豎直軸線傾斜時進行。例如對於軸箱也是如此，在該情況中，角形部分一般向上開口且對應於其上支撐有車輛的大部分重量的軸承的外環的部分。對於主風力發電機軸也是如此，在該情況中，角形部分適用於面向下且對應於支承旋轉元件的大部分重量的區域，該旋轉元件由風力發電機的主軸和推進器組成。在此情況下，設想聲耦合器壁位於與負載區相同的角形部分中將是有利的，如果有可能，則處於緊鄰固定環的對應於負載區的部分中。根據一個優選實施例，聲發射傳感器包括特別適用於減小實際傳感器和隨後的信號處理中的耗電量的壓電式換能器。事實上，這些傳感器具有非常好的信噪比，可降低信號放大。該聲發射傳感器可整合在一監控模塊中，該監控模塊包括用於處理由聲發射傳感器發射的聲發射信號以將該聲發射信號與軸承的特徵信號(signature)相比較並發射軸承診斷信號的電路。該模塊有利地包括用於保護聲發射傳感器和電路的密封的殼體，該殼體包括用於附接至軸承箱的至少一個機械界面(interface)。該監控模塊還可包括連接至電處理迴路的軸承的溫度傳感器和/或旋轉速度傳感器，軸承診斷信號取決於測得的溫度和/或速度。具體地，特徵軸承信號取決於由溫度傳感器測得的溫度和/或由速度傳感器測度的速度。監控模塊還包括連接至處理迴路和傳輸迴路的供電迴路。這些電路有利地整合在密封的監控模塊殼體中。根據利用通過軸承的旋轉來散熱的一個優選實施例，監控模塊還可包括-熱電變換器，整合在供電迴路中，-支承板，用於引導從軸承箱內部運輸至熱電變換器的熱流，-冷卻散熱片，定位成突出到軸承箱外部，以用於將通過熱傳導運輸的熱流從熱電變換器排放至外部， -至少一個隔熱密封件，用於將冷卻散熱片和支承板隔開。因而產生軸承箱儀器的自發供電，即，沒有外部有線供電接頭。支承板將優選地接觸軸承箱的熱耦合壁。聲發射傳感器可與支承板直接耦合，在該情況中，支承板具有雙重功能，即，用作聲發射傳感器與軸承箱的壁之間的機械耦合界面和用作熱傳導。根據一個實施例，該儀器殼體用於容納聲發射傳感器、處理迴路、熱電變換器、以及至少部分的傳輸迴路(如果適用)。該儀器殼體可至少部分地由散熱片、支承板和熱密封件組成。如果使用熱電傳感器，可有利地將該熱電傳感器布置在支承板上。如適用，可設想軸承箱設置有管道，從而支承板進入用於容納軸承的腔體的內部。儀器殼體還可包括本體，該本體與支承板和冷卻散熱片形成一個或多個用於容納熱電變換器和聲發射傳感器的密封的腔體。根據一個優選實施例，聲發射傳感器稱合儀器殼體的本體，通過軸承箱的壁呈現聲耦合表面，以向聲發射傳感器發送由軸承內部的局部微位移所引起的瞬時彈性波。關於其部件，支承板包括與軸承箱的熱分界壁，旨在接觸軸承箱的本體或蓋的熱外表面。該熱分界壁優選地垂直於殼體本體的聲耦合表面。該布置使得能確保支承板與軸承箱之間的良好接觸以用於將熱傳輸至熱電變換器，以及確保軸承箱的壁與聲耦合表面之間的良好接觸。該軸承箱蓋可有利地包括通向外部的開口殼體，其中容納有殼體的至少一部分，該殼體具有至少兩個垂直的表面，這兩個表面包括熱耦合壁的外表面和聲耦合壁的外表面。隔熱密封件優選地布置在本體與冷卻散熱片之間或者本體與支承板之間。該本體可又由隔熱材料構成，從而形成隔熱密封件的整個或部分。在該情況中，術語隔熱材料是指這樣一種材料，即，其中，導熱率比支承板和散熱片的組成材料的導熱率低至少五倍，並且優選地低至少十倍。例如，所選的儀器殼體的本體的組成材料可以是導熱率在的範圍內的不鏽鋼，支承板由導熱率在39011^1!^的範圍內的銅製成，並且散熱片由導熱率在23011^ -1的範圍內的鋁製成。如果對於支承板選擇在設想的使用條件下受到氧化的材料，例如銅，則保護支承板完全地免受環境空氣影響或更一般地免受周圍環境影響將是有利的。因而可設想儀器殼體的本體包圍支承板的除了與用作熱源的軸承箱壁接觸的表面(例如耦合壁)之外的所有表面。此外，可設想密封件(如果可以是熱密封件)布置在儀器殼體與軸承箱之間，以保護支承板免受惡劣的外部環境影響。因此儀器殼體的本體在設想的使用環境條件下特別是在-40°C至+150°C之間的空氣中優選地是不生鏽的，或者至少在深度上是不生鏽的。該模塊還可包括由可變形的導熱材料製成的至少一個緩衝器，該緩衝器布置在冷卻散熱片與熱電變換器之間或者布置在熱電變換器與支承板之間，或者該模塊還可包括位於熱電變換器的任一側上的兩個襯墊，從而以受控的接觸壓力夾緊夾在散熱片與支承板之間的熱電變換器，而不管與部件製造和裝配有關的任何尺寸容限怎樣。這些緩衝器的存在使得可在模塊的設計和生產期間將用於在不利的振動環境中提供機械強度的儀器殼體的部件的設計與用於提供令人滿意的熱和/或聲傳導的部件的設計分開。對於緩衝器，選擇優選地具有非常低的接觸熱阻的材料。假設支承板、支承板與熱 電變換器之間的可選的緩衝器、熱電變換器自身、熱電變換器與散熱片之間的可選的緩衝器熱串聯地布置在由軸承箱壁組成的熱源與由環境空氣組成的冷源之間，並假設這些元件中的每個具有一熱阻，則對於緩衝器將優選地選擇這樣的材料，即，其中該熱阻小於散熱片的熱阻，並且優選小於支承板的熱阻。具體地，對於緩衝器將選擇帶有金屬顆粒的柔性橡膠板。也可選擇帶有金屬顆粒的導熱油脂。優選地，緩衝器適用於壓縮時的彈性和/或塑性變形，以吸收大於散熱片與支承板之間的最大定位容限的衝程和在熱起伏的情況下由不同的材料延伸率所引起的相對運動。已通過楊氏模量在60 kPa至180 kPa之間的並且根據ASTM D2240-02標準測得的肖氏硬度為35的帶有玻璃纖維的O. 5mm至5_的板來獲得令人滿意的結果。根據一個實施例，該監控模塊還包括無線電傳輸天線和連接至該天線的電傳輸迴路。該天線可容納在由至少在對應於最大天線增益的頻率範圍內透射電磁波的材料製成的蓋密封的冷卻散熱片的腔體中。天線因而得到保護，特別是如果該模塊位於不利的環境(例如鐵路車輛轉向架)中。根據本發明的另一方面，本發明涉及一種用於監控軸承的磨損的方法，該軸承布置在一軸承箱中，該軸承箱包括其中容納有軸承的箱體以及密封該箱體的箱蓋，由此聲發射傳感器耦合箱的外壁，以測量由軸承內部的局部微位移所引起的並傳播至外壁的瞬時彈性波。測得的彈性波可有利於與特徵軸承信號相比較，以對軸承的狀況進行故障測定(troubleshoot)。也可測量箱內部的溫度，並且根據測得的彈性波和溫度對軸承的狀況進行故障測定。也可測量軸承的旋轉速度，並且當軸承的旋轉速度小於對於給定時間的預定閾值時，停止對軸承的狀況進行故障測定。根據本發明的另一個實施例，本發明的目的在於提供一種用於監控導向構件的狀況的自發監控模塊，其專門使用可從諸如滾柱軸承或光滑軸承的旋轉或線性接觸式導向構件、線性輥或滾珠絲槓或輥軸承導向裝置的直接環境中獲得的功率。更具體地，本發明涉及一種用於監控接觸式導向構件的狀況的至少一個特徵物理量的模塊，該模塊包括-至少一個狀況傳感器，用於提供用於測量該物理量的電信號，-電路，包括一用於詢問狀況傳感器的連接至狀況傳感器的迴路，—用於監控裝置的供電迴路，-熱電變換器，整合在供電迴路中，-支承板，用於引導從軸承箱內部運輸至熱電變換器的熱流， -冷卻散熱片，用於將通過熱傳導運輸的熱流從熱電變換器排放至外部，-至少一個隔熱密封件，用於將冷卻散熱片和支承板隔開。這樣，可使用由導向構件產生的熱能；由支承板引導的熱通量所攜帶的該能量通過冷卻散熱片由設置有冷卻源的熱電變換器進行轉換。優選地，該模塊包括用於容納至少部分地由散熱片、支承板、和熱密封件組成的電路的儀器殼體，該儀器殼體包括用於附接於連接至導向構件的一支撐構件的至少一個機械界面。這提供了適用於安裝在連接至導向構件的支撐構件上的整體式組件。該支撐構件例如可以是軸承箱，該軸承箱例如是軸箱、齒輪箱、曲柄箱或風力發電機軸承箱。該支撐構件也可由線性導向系統的移動板構成，所述板設置有輥或用於在固定的導軌中滾動的滾珠的電路。如果支撐構件是用於容納軸承的箱，可設想該支承板直接接觸所述箱的外壁，或者進入該箱內部。在通過該模塊進行改型翻新的現有軸承箱的所有情形中，第一種解決方案是優選的。根據一個優選的實施例，該儀器殼體還包括本體，該本體插在支承板與散熱片之間並且與支承板和散熱片一起形成用於容納熱電變換器的腔體。隔熱密封件可布置在本體與冷卻散熱片之間和/或布置在本體與支承板之間。本體的組成材料可以是隔熱材料，使得本體用作隔熱密封件或其一部分。在如上面所提到的情況中，術語隔熱材料是指這樣一種材料，即，其中導熱率比支承板和散熱片的組成材料的導熱率低至少五倍並且優選地低至少十倍。如果對於支承板選擇在設想的使用條件下受到氧化的材料，例如銅，則保護支承板完全地免受環境空氣影響或更一般地免受周圍環境影響將是有利的。因而可設想儀器殼體的本體包圍支承板的除了與用作熱源的軸承箱壁接觸的表面(例如耦合壁)之外的所有表面。此外，可設想密封件(如果可以是熱密封件)布置在儀器殼體與軸承箱之間，以保護支承板免受惡劣的外部環境影響。熱電變換器夾在散熱片與支承板之間。為提供這些元件之間的令人滿意的接觸壓力且有利於該模塊的裝配，所述模塊可有利地設置有至少一個緩衝器，該緩衝器由可變形的導熱材料製成，並且布置在冷卻散熱片與熱電變換器之間和/或布置在熱電變換器與支承板之間。根據一個優選實施例，電路包括連接至電傳輸迴路的無線電傳輸天線。為在不利環境中進行保護，天線可特別地容納在由至少在對應於最大天線增益的頻率範圍內透射電磁波的材料製成的蓋密封的冷卻散熱片的腔體中。
有利地，電路可包括節能迴路，該節能迴路連接至導向構件位移傳感器，並適用於當軸承旋轉傳感器信號超過對於給定時間的預定閾值時重新激活(reactivate)詢問迴路。該位移或移動傳感器適用於測量導向構件位移速度或代表導向構件移動的任何其他物理量，例如由加速器測得的振動、由高頻壓電傳感器測得的聲發射、溫度。在任何情況下，當使用來自旋轉傳感器所發射的信號的電能來為節能迴路供電並激活供電迴路時，都應該特別注意。根據一個實施例，熱電變換器具有面向支承板的熱表面以及與熱表面相對的且面向冷卻散熱片的冷表面。熱因而在支承板與散熱片之間通過傳導經由熱電變換器傳送。如果需要多個熱電變換器，則它們可在支承板與散熱片之間彼此熱串聯地或並聯地布置。該冷卻散熱片優選地由金屬材料製成，例如鋁合金。支承板也優選地由金屬材料製成，例如銅合金。本體可由不鏽鋼製成。根據一個優選實施例，供電迴路包括由熱電變換器再充電的電化電池。該電化電池優選地布置在冷卻散熱片上或布置在由柔性材料製成的緩衝器上，該柔性材料是良好的隔熱體，目的在於使電化電池的冷卻最大化，其中性能在過高溫度的情況下可能受損。物理量至少包括軸承的聲發射、軸承的溫度或軸承的振動。優選地，溫度與其他兩個物理量結合使用，以確定軸承的狀況。根據本發明的另一方面，本發明涉及一種軸承箱，該軸承箱包括-箱體，限定用於容納用於對旋轉構件進行導向的軸承的腔體；以及-箱蓋，密封該腔體；-如上所述的監控模塊，用於監控軸承的狀況的至少一個特徵物理量，監控模塊的支承板接觸並抵靠箱體或箱蓋的壁或者穿過此壁的一開口。根據本發明的一個具體應用，軸承箱是容納軸頸的軸箱，該冷卻散熱片包括與垂直於軸承的旋轉軸線的水平軸線平行的平的散熱片。根據另一個應用，該軸承箱是容納風力發電機推進器軸的風力發電機軸承箱，冷卻散熱片優選地包括與氣流的方向平行地布置的平的散熱片。 軸承可具體地是滾柱軸承或光滑軸承。有利地可設想，箱體或箱蓋具有通向箱的外部且用作監控模塊的座的腔體，散熱片突出到該腔體外部。優選地，該腔體具有垂直於軸承的旋轉軸線且用作熱耦合壁的側壁。該熱耦合壁優選地是軸承的負載區，其也對應於最大散熱區。根據本發明的另一個方面，本發明涉及一種用於為用於監控容納在軸承箱中的軸承的狀況的至少一個特徵物理量的模塊供電的方法，由此-通過熱傳導將熱從軸承箱內部傳送至位於軸承箱外部的熱電變換器的熱表面；-通過熱傳導將熱從熱電變換器的冷表面傳送至位於強迫環境氣流中的相對於軸承箱隔熱的冷卻散熱片；-通過熱電變換器為電化電池充電；-通過熱電變換器和/或電化電池為用於詢問用於測量物理量的傳感器的電路供電。電壓適配器可插在熱電變換器與電池之間。優選地，連接至無線電天線的傳輸迴路由熱電變換器和/或電化電池供電。
為限制能耗，可設想當軸承的旋轉速度在一預定時間低於預定閾值時停止至少對詢問迴路的供電。本發明的另一方面涉及一種用於監控接觸式導向構件的狀況的至少一個特徵物理量的模塊，該模塊包括-至少一個狀況傳感器，用於提供用於測量該物理量的一電信號，-電路，包括-用於詢問狀況傳感器的連接至狀況傳感器的電路，-用於監控裝置的供電迴路，以及-節能迴路，連接至導向構件位移傳感器，並適用於當由接觸式導向構件位移傳感器測得的接觸式導向構件的特徵物理量在一預定時間超過預定閾值時重新激活詢問迴路。 節能迴路使得可定義一種使該模塊所需的功率最小化的用於詢問狀況傳感器的電路的最佳供電策略，使得可導致模塊是自發的(如果適用)，因為其無需外部供電。該監控模塊特別適用於監控軸承。軸承的旋轉的特徵物理量可以是通常由速度傳感器測得的軸承轉速、由溫度傳感器測得的軸承箱或軸承箱外壁的溫度、由對小於20kHz並優選地小於IOOHz的頻率範圍特別敏感的加速傳感器測得的軸承箱或軸承的振動或聲發射。相似地，為監控線性導向構件，線性運動的特徵物理量可以是通常由速度傳感器測得的線性導向系統的板的速度、由溫度傳感器測測得的板或板在其中移動的導軌的溫度、由對小於20kHz並優選地小於IOOHz的頻率範圍特別敏感的加速傳感器測得的板的振動或聲發射。一旦已超過閾值，可選擇詢問迴路的中間激活，在該情況下，等待時間是零。在測量循環結束時，或者當由狀況傳感器測得的導向構件的狀況的特徵物理量降低到預定閾值以下時，或者當由導向構件運動傳感器測得的導向構件的運動的特徵物理量在一預定時間降低到預定閾值以下時，該電路可自動處於備用狀態。 根據一個優選實施例，供電迴路包括電化電池。供電迴路可包括適用於將導向構件發出的動能和/或熱能轉換成電能的至少一個換能器。該換能器可具體地包括如以上結合本發明的其他方面所描述的熱電變換器、以及例如這樣的熱電變換器，即，該熱電變換器具有熱表面以及冷表面，該熱表面通過熱傳導連接至模塊的與導向構件的壁接觸或穿過導向構件殼體的壁的支承板，該冷表面通過熱傳導連接至優選地定位在氣流中的冷卻散熱片。根據一個優選實施例，接觸式導向構件是容納在軸承箱中的軸承。換能器包括至少一個熱電變換器，該熱電變換器具有熱表面以及冷表面，該熱表面通過熱傳導連接至監控模塊的接觸軸承箱的壁或穿過軸承箱的壁並進入軸承箱內部的支承板，該冷表面通過熱傳導連接至冷卻散熱片。也可設想，導向構件運動傳感器連接至供電迴路，從而當導向構件旋轉時，導向構件運動傳感器產生為供電迴路供電的信號。這提供了一種適用於主要或輔助使用的能源，例如除了熱電變換器以外。對於線圈式極化無源電磁速度傳感器和發音輪或磁編碼器，這是特別可能的。該監控模塊還可包括無線電傳輸天線和連接至天線的傳輸迴路。還為了能量控制，可設想傳輸迴路適用於當所述天線設置在遠程發射接收機裝置的電磁場中時通過天線供電。在此設計中，傳輸迴路可限制供電迴路在傳輸階段的使用，如果傳輸階段出現在停車期間，例如出現在維修階段(其中軸承不發熱也不旋轉)，這是特別有利的。此外，還為使能量需求最小化且使監控模塊的自發最大化，可設想狀況傳感器是適用於檢測由導向構件內部的局部微位移所引起的瞬時彈性波的聲發射傳感器。實際上，此傳感器具有較低的能耗且無需也消耗能量的複雜信號處理。然而，可設想其他狀況傳感器，例如溫度傳感器或加速傳感器。根據本發明的另一個方面，本發明涉及一種軸承箱，特別是一種軸箱，該軸箱包括-軸承箱體，限定用於容納用於對特別是軸頸的旋轉構件進行導向的軸承的腔體，以及-軸承箱蓋，密封該腔體，-如上所述的監控模塊，用於監控軸承的狀況的至少一個特徵物理量。該狀況傳感器優選地布置在軸承箱外部，優選地布置在附接至軸承箱的特定殼體中。軸承旋轉傳感器可布置在軸承箱外部(例如，對於測溫或加速傳感器)。其也可通過軸承箱體或軸承箱蓋的壁的一開口進入腔體內部。根據本發明的另一個方面，本發明涉及一種軸承箱，特別是軸箱，包括-用於附接至軸承箱體的裝置；以及-如上所述的監控模塊，用於監控軸承的狀況的至少一個特徵物理量，監控模塊的支承板接觸並抵靠軸承箱蓋的熱和/或聲耦合壁，或穿過該軸承箱蓋的壁的一開口。該解決方案特別適用於現有設備的翻新，並且僅部分的軸承箱被改變為蓋，這無需整個軸承箱的再次判定。根據本發明的另一個方面，本發明涉及一種用於管理對模塊的供電的方法，該模塊用於監控容納在軸承箱中的軸承的狀況的至少一個特徵物理量，由此-通過至少一個熱電變換器為電化電池充電；-當軸承的旋轉速度大於第一預定閾值時，為用於詢問用於測量物理量的狀況傳感器的電路供電；-當軸承的旋轉速度小於對於給定時間的第二預定閾值時，至少停止為詢問迴路供電。如以上所論述的，該節能測量實現了監控模塊的更大自發性。


在閱讀了以下參考附圖的描述之後，本發明的其他特徵和優點將變得顯而易見，附圖示出了-圖I是根據本發明的一個實施例的監控模塊的方框圖；-圖2是根據本發明的一個實施例的監控模塊的截面圖；-圖3是沿與圖2中的截面平面平行的一截面平面的圖2中的監控模塊的截面圖；-圖4是圖2中的監控模塊的分解圖；-圖5是結合有圖2中的監控模塊的軸承箱(在該情況下為軸箱)的截面圖；-圖6是根據一個可替代實施例的截面圖。
為了更簡潔，在所有圖中用相同的參考標號指代相同或相似的元件。
具體實施例方式圖I示意性地示出了旋轉軸承監控模塊10，其由多個技術塊組成，S卩，一個用於從環境中回收能量的塊12 ;—個用於管理並存儲該能量的塊14 ;一個由一個或多個傳感器組成的用於測量軸承的狀況的一個或多個特徵物理量的測量塊16 個信號處理塊18 ;以及一個用於發送對軸承的狀況的診斷的塊20。在下文中，為了說明的目的，將假設所討論的軸承是容納在軌道軸箱中的滾柱軸承，但無需限制其具體應用。能量回收可利用在傳感器的直接環境中得到的各種能量源，特別是由軸承導向的軸的旋轉或軸承附近的溫度。理論上可設想其他可用的能量源，例如任何軸承環的變形或太陽能。應考慮到所選的機械一體化和結合有軸承所需儀器的系統而做出選擇。在圖2至圖5更詳細地示出的實施例中，能源回收塊實現為至少一個熱電變換器，在該情況下為平行地定位在熱流中的兩個熱電變換器22、24，如圖2中示意性地示出。以已 知的方式，這些熱電變換器22、24每個均包括適用於放置在熱流中以獲得期望的熱電效應的加表面和冷表面。由於還需要機械地保護這些熱電變換器免受其潛在的不利環境影響，它們插入到允許所述熱流的儀器殼體26中。該殼體包括金屬支承板28，該支承板例如由銅或銅基合金製成，具有暴露於熱源的側外熱耦合表面30以及接觸並抵靠也由銅製成的適配器34的內表面32，所述適配器直接接觸熱電變換器的熱表面。優選地，適配器34由螺釘35附接至支承板28。該殼體還包括由鋁合金製成的散熱片36，該散熱片旨在定位在冷卻氣流中，或者定位在至少相對於熱源的相對較冷的氣流中。熱通路通過銅適配器38和緩衝器40形成在熱電變換器22、24的冷表面與冷卻的散熱片36之間。散熱片36和支承板28相互不直接接觸，而是相反地，由殼體的本體41分隔開，該本體與支承板28和散熱片36形成用於容納熱電變換器22、24的腔體42，該腔體在一側上由散熱片36密封並在另一側上由支承板28密封。優選地，本體41由隔熱材料組成並形成將支承板與散熱片隔開的熱密封件。該本體也可由導熱材料組成，在該情況下，必須在本體41與散熱片36之間設置特定的熱密封件，和/或在本體41與支承板28之間設置特定的熱密封件。支承板28優選地通過附接螺釘47附接至本體41，如圖4中示出。散熱片36優選地使用附接螺釘48安裝在本體上。在一個實施例的實例中，考慮到所設想的用於安裝軌道軸箱的應用的極大機械載荷，設置有不鏽鋼本體，支承板由銅製成並且散熱片由鋁製成。密封件43、44設置在支承板28與本體41之間，並設置在本體41與散熱片36之間。由隔熱材料製成的剛性板46也設置在本體與散熱片之間，以在其中形成熱密封。為防止支承板28的任何氧化，不鏽鋼本體41包圍並完全覆蓋支承板28的除了熱耦合表面之外的所有表面。在儀器殼體26的裝配期間，熱電變換器夾在適配器34、3 8之間，並且最終夾在支承板28與散熱片36之間。布置在散熱片36與適配器38之間的緩衝器40可變形，並且能完全控制熱電變換器與適配器之間的界面的接觸壓力。在圖中示出的實例中，該緩衝器40布置在散熱片36與位於熱電變換器22、24的冷表面側上的適配器38之間，但根據一個可替代實施例，該緩衝器可替代地可定位在位於熱電變換器的熱表面側上的適配器34與支承板28之間。可設想在熱電變換器22、24的每側上有兩個緩衝器，以保護熱電變換器22、24的冷表面和熱表面。這些緩衝器由良好的隔熱可變形材料製成，並且具有適用於其間所插入的部件的表面特性，以使接觸面積最大化並使每個界面處的接觸熱阻最小化。該儀器殼體26不僅適用於容納熱電變換器22、24，還適用於容納監控模塊10的電路，該電路由使用螺釘51附接至本體的一個或多個印刷電路50表示，並結合有能量管理和存儲塊14、測量塊16、信號處理塊18和傳輸塊20。該電路特別地包括用於管理供電的電路，該電路連接於熱電變換器22、24並連接於電化電池52。電化電池52有利地與支承板隔熱且熱連接於散熱片，以確保電池在足夠低的溫度範圍內操作。該供電管理電路有利地可包括用於確定電化電池的充電水平的電路。該電路還包括詢問軸承的狀況的電路，該電路連接於軸承的狀況的特徵物理量的一個或多個傳感器，在該情況下，連接於聲發射傳感器54、溫度傳感器以及速度傳感器58(如果適用)、或其他傳感器(例如在文獻FR 2 944 875中設想的那些傳感器)，將其描述通過引證結合於此。 聲發射是由於在帶有不可逆損傷的材料中以瞬時彈性波的形式釋放能量所導致的。來自旋轉期間的光滑軸承或滾柱軸承部件的聲發射使得能確定損傷，例如部件上的裂縫或缺口，對於光滑軸承，能確定潤滑狀態或可能的層壓。可通過試驗確定該損傷的特定信號。聲發射傳感器54包括壓電式換能器，該壓電式換能器具有帶有待監控的部件的耦合表面，並且對超聲波範圍中(特別是高於20 kHz的振動範圍中)的振動敏感。該聲發射傳感器54布置在監控模塊10的儀器殼體26中並機械地直接耦合支承板28或直接耦合儀器殼體的本體41。在圖中示出的實施例中，聲發射傳感器54更具體地附接並耦合殼體的本體41、壓在旨在直接接觸軸承箱的壁的薄壁60。設置有電磁屏蔽蓋62，以使聲發射傳感器54免受任何幹擾。測溫傳感器接觸支承板的熱表面、直接靠近熱電變換器的熱表面而設置。詢問迴路對測溫傳感器和聲發射傳感器54進行詢問，並將數據發送至信號處理迴路。考慮到系統的能量平衡，這自動地並不複雜。實際上，該過程的簡化是優選的，以實現更大的測量頻率。處理迴路還包括數據存儲器。根據測得的聲發射水平，軸承的操作條件由潛在地採用三種狀態的指示器表示-綠色軸承是完好的-橙色檢測到破裂的開始。有必要安排維修操作，以替換該軸承。這可在與下一預定的維修間隔相同的時間執行。紅色破裂發展。急需替換該軸承，以防止任何潛在的過熱和任何斷裂。根據指示器的狀態，可讀取為了更深入的分析而記錄的測量結果。最後，該電路包括連接於傳輸天線64的低能耗射頻傳輸迴路。天線64容納在散熱片中所設置的腔體66中。該腔體面向外並由透射電磁波的材料製成的防護罩68密封。由於構成散熱片36的金屬質量，因此天線64的設計是特定的並考慮到材料的電磁特徵。導電的金屬板70插在天線與散熱片之間，以形成適用於提高天線的性能的布局。所限定的監控模塊適用於安裝在軸承箱中，該軸承箱例如為鐵路車輛軸箱72，如圖5中示出，包括由箱蓋76密封的箱體78，限定用於容納用於對軸頸82進行導向的軸承80的密封腔體78。在該情況下，並非任何形式的限制，軸承80是滾柱軸承，包括帶有兩個傾斜的軸承軌道的固定的外環84、帶有傾斜的軸承軌道的兩個內環86以及滾動體88 (在該情況下為保持在罩90中的錐形輥)。固定的外環84剛性地連接於軸箱的本體74，而內環84安裝在軸頸82上並由軸頸蓋92保持在位。如圖中示出，監控模塊10定位在蓋76的凹槽94中，並且側熱耦合壁30壓在直接處於軸承80、94的負載區中的側壁96上，以使通過形成熱耦合壁的該壁96的傳熱最大化。監控模塊10的儀器殼體26的本體41通過四個螺釘98 (圖4)附接於蓋的凹槽94，從而在儀器殼體的本體41與軸箱72的蓋76之間在凹槽94 (其也形成聲耦合壁)處形成的令人滿意的接觸壓力。密封件I 00設置在儀器殼體的本體41與軸承箱72之間，包圍支承板28，以保護支承板28。明顯地，凹槽94的聲耦合壁和熱耦合壁96相互垂直，從而可在本體41與聲耦合壁94之間以及支承板與熱耦合壁96之間觀察到尺寸鏈，而無論本體41與支承板28之間的裝配容限如何。速度傳感器58通過一孔穿過凹槽的壁，以進入軸箱的內部78，面向編碼器104且位於距離該編碼器一間隙處，該編碼器剛性地連接於旋轉元件，例如，軸頸蓋92，或軸承的 一個旋轉內環86。所討論的編碼器104是所謂的「頂部巡視(top tour)」編碼器，適用於檢測每次旋轉的一種或兩種狀態變化。該信息是足夠的，因為速度傳感器58基本用於管理電路的能量從而使能耗最小化，並且用於對軸承的狀況進行故障測定，其無需精確地知道速度。當軸的速度小於備用速度閾值時，例如在所討論的鐵軌應用中，對於所討論的鐵路車輛，等於處於80千米/小時的區域中的速度，電路保持在深度睡眠模式中，從而使耗電量非常低或為零。當軸82的速度超過給定的閾值時，速度傳感器58的終端處的電壓使得電路離開備用模式，從而可起動監控循環。相反地，當軸82的速度降到可選地等於第一閾值的第二預定閾值以下並且在長於預定時間的時間段內保持時，電路進入到深度睡眠模式中。當然，可設想各種可替代實施例。圖6代表沒有速度傳感器的一個可替代實施例。於是可以設想用於使該模塊所消耗的能量最小化的各種策略-可僅設想以時間間隔(例如每天一次)進行詢問；-如果該模塊中找到其他傳感器，也可根據由這些傳感器中的任一個輸出的具有足夠的能量的信號和軸承旋轉特徵(例如溫度信號或測得的振動RMS值)來設想致動電路。在可觀察到足夠的軸承過熱和軸承箱的內部與外部環境之間的極大溫差的應用中，監控模塊10不僅能適用於軸箱，也可適用於其他類型的滾柱軸承或光滑軸承箱，特別是適用於風力發電機或工業機器。該殼體可形成為沒有本體，在該情況下附接至支承板的散熱片插入有熱密封件。速度傳感器58可用作監控模塊10的輔助能量源或主要能量源。為此，速度傳感器58應通過多個極與多極編碼器環相關聯，例如每次旋轉32個極，以產生用於為電路和電池52供電的交流電。可省去適配器34、38或它們中的至少一個。熱變換器的數量和其熱串聯和/或並聯、以及電串聯和/或並聯的布置對於每個應用可所有不同地確定，特別是根據體積限制，熱源和冷源處可提供的熱差和/或待產生以可與電化電池兼容的電壓範圍。傳輸迴路可以是完全無源的，從而天線64也用於獲得由遠程掃描天線發射的電磁能，所述能量用於傳輸迴路，以發送關於正在監控的軸承的狀況的信息。 以上描述也可用於線性導向系統。
權利要求
1.一種用於監控接觸式導向構件(80)的狀況的至少一個特徵物理量的模塊(10)，所述模塊包括 -用於提供用於測量所述物理量的電信號的至少一個狀況傳感器(54、58); -電路，所述電路包括 -用於詢問所述狀況傳感器的連接至所述狀況傳感器的迴路； 以及 一用於所述監控裝置的迴路， 其特徵在於，所述電路包括節能迴路，所述節能迴路連接至導向構件(80)位移傳感器(58)並適於當由所述位移傳感器(58)測得的所述導向構件(80)的運動的特徵物理量在一預定時間大於預定閾值時重新激活所述詢問迴路。
2.根據權利要求I所述的監控模塊(10)，其特徵在於，所述供電迴路包括電化電池(52)。
3.根據權利要求I或2所述的監控模塊(10)，其特徵在於，所述供電迴路包括適於將由所述導向構件(80)發出的動能和/或熱能轉換成電能的至少一個換能器(22、24、58)。
4.根據權利要求3所述的監控模塊(10)，其特徵在於，所述換能器包括至少一個熱電變換器(22、24)，所述熱電變換器具有熱表面以及冷表面，所述熱表面通過熱傳導連接至所述監控模塊(10)的與所述導向構件(80)的壁(96)接觸或穿過所述導向構件的壁的支承板(28),所述冷表面通過熱傳導連接至冷卻散熱片(36)。
5.根據權利要求I至3中任一項所述的監控模塊(10)，其特徵在於，所述接觸式導向構件(80 )是容納在軸承箱(72 )中的軸承(80 )。
6.根據權利要求5或3所述的監控模塊(10)，其特徵在於，所述換能器包括至少一個熱電變換器(22、24 )，所述熱電變換器具有熱表面以及冷表面，所述熱表面通過熱傳導連接至所述監控模塊(10)的與所述導向構件(80)的壁(96)接觸或穿過所述軸承的壁且進入所述軸承箱內部的支承板(28 )，所述冷表面通過熱傳導連接至冷卻散熱片(36 )。
7.根據前述權利要求中任一項所述的監控模塊(10)，其特徵在於，所述位移傳感器(58)連接至所述供電迴路，從而當所述導向構件(80)旋轉時，所述位移傳感器(58)產生用於為所述供電迴路供電的信號。
8.根據權利要求I至7中任一項所述的監控模塊(10)，其特徵在於，由所述位移傳感器(58)測得的所述導向構件(80)的運動的特徵物理量是溫度、振動、聲發射或速度。
9.根據前述權利要求中任一項所述的監控模塊(10)，其特徵在於，所述監控模塊(10)還包括無線電傳輸天線(64 )以及連接至所述天線的電傳輸迴路。
10.根據權利要求9所述的監控模塊(10)，其特徵在於，所述電傳輸迴路適於通過設置在遠程發射接收機裝置的電磁場中的所述天線(64)來供電。
11.根據前述權利要求中任一項所述的監控模塊(10)，其特徵在於，所述狀況傳感器包括適於檢測由所述導向構件(80)內部的局部微位移所引起的瞬時彈性波的聲發射傳感器(54)。
12.—種軸承箱(72)，特別是軸箱，包括 -軸承箱體(74)，限定用於容納用於對特別是軸頸的旋轉構件(82)進行導向的軸承(80)的腔體(78);以及-軸承箱蓋(76),密封所述腔體(78)， 其特徵在於，所述軸承箱裝配有根據前述權利要求中任一項所述的用於監控所述軸承(80)的狀況的至少一個特徵物理量的監控模塊(10)，所述狀況傳感器(54)布置在所述軸承箱(72 )外部，所述軸承位移傳感器(58 )經由所述軸承箱體(74)或所述軸承箱蓋(76 )的壁的一開口進入所述腔體(78 )。
13.一種用於管理對模塊(10)的供電的方法，所述模塊用於監控容納在軸承箱(72)中的軸承(80)的狀況的至少一個特徵物理量，其特徵在於 -通過至少一個熱電變換器(22、24)為電化電池(52)充電， -當所述軸承的旋轉速度在一預定時間大於第一預定閾值時，為用於詢問用於測量所述物理量的狀況傳感器(54、58)的迴路供電， -當所述軸承的旋轉速度在一給定時間小於第二預定閾值時，至少停止為所述詢問迴路供電。
全文摘要
本發明涉及一種用於監控容納在軸承箱(72)中的軸承(80)的狀況的至少一個特徵物理量的模塊(10)、裝配有該模塊的軸承箱及用於管理對該模塊的供電的方法。該模塊包括用於提供用於測量物理量的電信號的至少一個狀況傳感器(54、58)以及電路，該電路包括用於詢問狀況傳感器的連接至狀況傳感器的電路；用於監控裝置的供電迴路；以及節能迴路，該節能迴路連接至導向構件(80)位移傳感器(58)並適於當由位移傳感器(58)測得的導向器構件(80)的運動的特徵物理量在一預定時間大於預定閾值時重新激活詢問迴路。
文檔編號H02N11/00GK102865309SQ20121023114
公開日2013年1月9日 申請日期2012年7月4日 優先權日2011年7月4日
發明者帕斯卡爾·德比奧勒, 塞巴斯蒂安·紀堯姆 申請人:Ntn-Snr 軸承公司