轴承壳体中的电容测量的制作方法
【专利摘要】本发明在于轴承装置，其包括安装在壳体(120)中的轴承(110)，其中润滑脂存在于壳体内用于润滑轴承。该装置还包括由电绝缘材料制成的支撑框架(130)，其布置在轴承和壳体密封件之间的壳体内的空间内。支撑框架上设有具有第一和第二电极(131，132)的配置成使得润滑脂的一部分位于第一和第二电极之间的至少一个电极对。电容计设置成用于测量第一和第二电极之间的电容。所述至少一个电极对中的第一和第二电极设置在支撑框架的径向取向的表面上，该表面被布置成使得脂能够在轴向方向上在表面上移动。
【专利说明】
轴承壳体中的电容测量
技术领域
[0001]本发明涉及一种包括安装在壳体中的轴承的轴承装置，其中该装置包括电容传感器，其可以用于例如确定存在于壳体内的润滑脂的污染程度。
【背景技术】
[0002]为延长使用寿命，重要的是轴承得到适当润滑。大多数轴承是脂润滑，其中脂中的油在轴承运转期间产生油膜，使滚动接触的表面分开。如果油膜破裂，发生金属对金属的接触，如果油膜没有补充，可能会迅速导致轴承故障。因此在某些应用中利用监测方法监测轴承中的润滑状态，从而使再润滑可以在故障发生之前进行。例如，在文献EP1676041中，使用电容测量确定油膜的膜厚度。
[0003]润滑油的污染也可能导致轴承早期故障。如果油或润滑脂含有磨粒，滚动接触表面可能被损坏。水的存在也是不期望的，因为这可能会导致表面侵蚀和空穴化。由于极端的接触压力(可高达I至3GPA)，氢脆也可能发生，其中水可分解成其组成原子引起氢穿透轴承元件的表面，使得表面变得更脆。水也会加速脂内润滑油或基油的氧化。
[0004]因此，在其中轴承可能暴露于污染物进入的应用中，有时进行润滑剂的状态监测。电容测量可以用来检测污染物。例如JP 2007198576，公开了一种密封的轴承，其中一对电极设在密封件的轴向取向的内表面上，用于检测水的侵入。
[0005]现有技术仍有改善的余地。
【发明内容】
[0006]本发明在于轴承装置，该轴承装置包括安装在壳体中的轴承，其中脂存在于所述壳体内以润滑所述轴承。所述装置还包括由电绝缘材料制成的支撑框架，布置在壳体内的空间中，从而轴向地位于轴承和壳体密封件之间。所述支撑框架设有至少一个电极对，该电极对具有第一和第二电极，其被布置成使得所述润滑脂的一部分位于所述第一和第二电极之间。提供用于测量所述第一和第二电极之间的电容的电容计。至少一个电极对的第一和第二电极设在所述支撑框架的径向取向的表面上，该表面被布置成以使得所述脂能够在轴向方向上在所述表面之上移动。
[0007]在一示例中，支撑框架是安装到壳体上的环或环段。因此支撑框架可具有简单的结构，其易于翻新改造到现有轴承装置。
[0008]第一电极和第二电极设置在环或环段的径向内表面上。合适地，所述环或环段具有低的径向高度，使得环(段)和在壳体内被轴承支支撑的轴之间存在相当大的径向间隙。其结果是，在轴承装置中的润滑脂在轴向方向的移动不被阻碍。这有益于实现在加入新鲜脂时用过的脂退出轴承壳体。此外，润滑脂可以很容易地通过第一电极和第二电极，进而使电极被脂清洗。结果，在再润滑事件之后测量的电容将准确地反映脂中污染的程度。如果电极被放置在支撑框架的轴向取向的表面上，存在着用过润滑脂会卡在那的风险。
[0009]在一不例中，至少一个电极对中的第一电极和第二电极在周向上彼此隔开。可替代地，第一电极和第二电极可以在轴向方向上肩并肩地布置。
[0010]在另一示例中，支撑框架包括第一和第二同心布置的环或环段，以使得它们之间存在径向间隙，允许脂通过。合适地，所述至少一个电极对中的第一电极和第二电极分别设置在第一和第二环或环段上以使其径向彼此相对。
[0011]在本发明的又一发展中，所述支撑框架上设有多个电极对。使用环段为例，径向内表面上可以设有具有周向隔开的电极的第一电极对和具有轴向隔开的电极的第二电极对。当支撑框架包括同心环段时，第三电极对可具有径向隔开的电极。
[0012]多个电极对的好处是，基于每个电极对的相对位置和在每个电极对之间测得的电容，确定壳体内污染程度的空间分布变得可能。因此，如当第一电极对之间测量的第一电容大于所述第二电极对之间测量的第二电容时，可检测污染的局部区域。
[0013]有利的是，轴承装置可设有具有至少一个电极对的第二支撑框架，电极对设在径向取向的表面上。合适地，第一和第二支撑框架被布置在轴承的两轴向侧。
[0014]因为润滑剂的电容取决于润滑剂的组成物，造成润滑剂的不同介电性质的组成物的任何变化导致电容的变化。特别是，水的介电常数比常规使用的轴承润滑剂如油和脂的介电常数高得多。金属粒子的润滑剂中的存在也将改变其介电常数。所测量的电容还可以指示在轴承壳体内的湿度的程度。
[0015]在轴承的正常运转期间，期望电容没有显著变化。电容的突然增加可能表明进水或磨肩的存在。电容的突然减少可能表明因密封故障导致的脂泄漏。
[0016]因此，如果测量到电容剧烈变化，在轴承出现损伤之前，信号可被发送到例如脂栗，以启动轴承再润滑。
[0017]在本发明的一个实施方式中，轴承装置还包括配置成确定脂温度的温度传感器，温度在操作期间可显著变化。特别是，在静态轴承与高速旋转的轴承进行比较时可以预期温度差。在一般情况下，脂的介电常数不随温度显著变化。然而，水的介电常数，随温度变化很大。因此，通过测量温度，可能被解释为脂的水含量小变化的电容小变化，可正确地替换成被归因为温度变化。此外，通过观察温度依赖性的电容，脂的实际含水量可以更精确地确定。温度传感器可以是任何类型的本领域技术人员已知的类型。
[0018]在一个实施方式中，所述电容计包括被编程有用于测量电容的上下阈值的处理器。阈值可基于以相同脂润滑的类似轴承装置上的先前测量或可以基于理论计算来确定。可替代地或另外地，所述处理器可被配置成在一系列时间间隔处测量电容，并记录在一系列连续测量之间的电容值的差。可以限定对于最大容许差值的阈值，其例如基于校准测量进行确定。然后，测得的差与所述阈值进行比较，以确定脂润滑剂的状态是否已受到不利影响。
[0019]有利的是，处理器被配置成，在阈值被超过的事件时，发送信号至润滑栗，用于触发再润滑动作。由此可轴承可防止在可能损坏轴承的润滑不良的状态下工作。
[0020]本发明的其他优点将从下面的详细描述和附图中变得明显。
【附图说明】
[0021]图1示出根据本发明的一实施方式的轴承装置的部件的透视图，该装置包括具有导电电极的支撑框架的第一示例；
[0022]图2示出具有导电电极的支撑框架的第二示例的透视图；
[0023]图3示出具有导电电极的支撑框架的第三示例的透视图；
[0024]图4示出具有导电电极的支撑框架的第四示例的侧视图。
【具体实施方式】
[0025]在本详细描述中，根据本发明的轴承装置的各种实施方式是参考球面滚子轴承进行讨论。应当注意的是，这决不限制本发明的范围，它同样适用于被安装在壳体内且以润滑脂润滑的任何类型的轴承。
[0026]图1示出根据本发明的轴承装置100的实施方式，包括安装在壳体120中的球面滚子轴承110。壳体的上半部已被从图中移除，以更好地揭示本发明轴承布置的组成部分。
[0027]轴承110包括内环112，外环115和设置在内环112上的内滚道和外环115上的外滚道之间的许多球形滚子(未示出)。在使用中，轴承相对于壳体120旋转地支撑轴(未示出)。典型地，在壳体的孔122和轴之间设有径向密封件，用于防止污染物进入到壳体中以及用于将润滑脂(未示出)保持在壳体内。
[0028]在其中轴承于高度污染境中运行的应用中，它并不总是能防止污染物如水分的进入。为确保污染不会达到严重影响润滑脂的润滑能力或损坏轴承的水平，轴承装置100设有电容传感器。
[0029]电容传感器包括由电绝缘材料例如聚合物材料制成的支撑框架130。在所描绘的实施方式中，支撑框架是基本上C形的环段。所述支撑架包括一个电极对，其由第一和第二导电电极131、132组成。在所描绘的示例中，第一电极和第二电极实施为弧形条，由导电材料制成，它们相对于彼此轴向地隔开。电容传感器还包括电容计(未示出)，第一电极和第二电极连接于该电容计。
[0030]在第一电极和第二电极之间测得的电容取决于电极之间存在的介电材料的介电常数。当脂是电介质时，如果脂含有水分或如金属颗粒，那么介电常数变化。因此测量电容提供了在脂中污染程度的指示。如果测得的量超过预定阈值，则激活警报。合适地，警报触发再润滑事件，其可以由维护人员手动地执行，或者，如果轴承装置被连接到润滑栗，警报使润滑栗自动递送规定量的润滑脂到轴承装置100。
[0031]典型地，该轴承壳体120的上部包括用于递送新鲜脂至轴承装置中的油嘴。随着新鲜的脂被输送，所用的脂被压出轴承装置，或通过密封件或通过壳体120下部的出口孔或是这两者结合。因此，重要的是该电容传感器不会妨碍轴承壳体内润滑脂的流动。
[0032]根据本发明，第一电极和第二电极131、132设在支撑框架的径向取向表面、即环段的径向内表面上。环段130被设置在壳体的下部，以使得累积在壳体下部的脂将与电极接触。此外，环段具有比所述轴和所述壳体的内表面之间的径向间隙小得多的径向高度。因此，脂能在轴向方向在环段130上的电极131、132上移动。这不仅有益于实现脂在壳体内的流动，而且益于“清洁”的电极，以实现污染水平的更精确的测定。
[0033]在本发明的进一步发展中，电容传感器包具有多个电极对的支撑框架。进一步发展的第一个示例示于图2中。支撑框架还是C形环段130，其适于用于安装在轴承装置的壳体的下部，如在图1A中所示。环形段130的径向内表面上设有四个周向隔开的实施为弧形条的电极231、232、233、234。周向相邻的电极231、232形成第一电极对的第一电极和第二电极；而周向相邻的电极233、234形成第二电极对的第一电极和第二电极。每个电极对被连接到电容计，因而测量位于第一电极对的电极231、232之间的脂的第一电容，并且测量位于第二电极对的电极233、234之间的脂的第二电容。
[0034]多个电极对的使用能使污染的局部区域被识别。在大电容的脂被测量的实施方式中，有一种危险，即，尽管包括局部污染的区域，所测量的值将指示脂在可接受的状态下。月旨的受到污染的部分可能到达轴承。因此，该电容计被优选配置成:如果第一或第二测量电容超过预定阈值，触发重新润滑动作。
[0035]具有多个电极对支撑框架的另一个示例在图3中描绘出。支撑框架再次是环形段130，环段的径向内表面上设有八个电极，实施为导电材料的弧形条。第一组四个周向隔开的电极331、333、335、337相对于第二组四个周向隔开的电极332、334、336、338的电极周向地隔开。电极可由任何两个电极来形成。在一实施方式中，每个电极对由轴向相邻的电极例如形成331和332形成。在其他实施方式中，每个电极对由周向相邻的电极例如332和334形成。轴向隔开和周隔开的电极对的组合也是可能的。每个电极连接到电容计，其测量位于每个电极对之间的脂的电容。因此，有可能在所述壳体内的多个位置测量轴向和/或圆周方向上的电容，以更精确地检测润滑脂内局部污染的区域。
[0036]具有多个电极对支撑框架的又一个实施方式在图4中描绘出。支撑框架由电绝缘材料制成，并且包括第一环段，其适合于安装于轴承壳体的下部。支撑框架还包括第二环段430b，其相对于第一环段430a同心地布置，由此环段之间存在径向间隙。径向间隙允许脂在环段之间的轴向方向上移动。为在径向方向上测量电容，在两个位置处，包括径向相对的第一电极和第二电极431、432的第一电极对和包括径向相对的第一电极和第二电极433、434的第二电极对设置在支撑框架430上。根据本发明，第一和第二电极对的第一电极431、433设置在第一环形段430a的径向外表面上；第一和第二电极对的第二电极432、434设置在第二环段430b的径向内表面上。
[0037]在另一实施方式，提供如在图4中所描绘的支撑架，其设有至少一个电极对，该电极对具有径向隔开的第一电极和第二电极，并且还设有具有轴向隔开的第一电极和第二电极的至少一个电极对以及具有周向隔开的第一电极和第二电极的至少一个电极对。脂的电容因此可在径向方向上、在轴向方向上和在圆周方向上进行测量，实现润滑脂内污染的的空间分布的精确确定。
[0038]已经描述了许多方面的发明的实施方式。但应该理解的是，各个方面/实施方式可以与任何其它方面/实施方式相结合。此外，本发明并不限于所述实施方式，而是可以在所附专利权利要求的范围内变化。
【主权项】
1.一种轴承装置(100)，包括: -轴承(110)，该轴承被安装在壳体(120)中，该轴承包括内环(112)，外环(115)，以及布置在所述内环和所述外环之间的多个滚动元件； -润滑脂，该润滑脂设在所述壳体内以润滑所述轴承； -支撑框架(130，430)，该支撑框架由电绝缘材料制成，布置在所述轴承(110)和壳体密封件之间的所述壳体内的空间中，所述支撑框架设有至少一个电极对，该电极对具有第一和第二电极(131，132)，该第一和第二电极被布置成使得所述润滑脂的一部分位于所述第一和第二电极之间；以及 -电容计，该电容计被配置成测量所述第一和第二电极之间的电容，其中 所述至少一个电极对的第一和第二电极设在所述支撑框架(130，430)的径向取向的表面上。2.根据权利要求1所述的轴承装置，其中所述支撑框架包括环或环段(130，430)，其径向高度比所述壳体的内表面与在所述壳体(120)内由所述轴承(110)支撑的轴之间的径向间隙更小。3.根据权利要求2所述的轴承装置，其中环或环段(130，430)被安装在所述壳体(120)的下部。4.根据前述权利要求1-3中的任一项所述的轴承装置，其中，所述至少一个电极对的第一和第二电极(131，132，331，332)轴向地彼此隔开。5.根据权利要求1至3中的任一项所述的轴承装置，其中，所述至少一个电极对的第一和第二电极(231，232，331，333)周向地彼此隔开。6.根据权利要求1至3中的任一项所述的轴承装置，其中，所述支撑框架(430)包括第一和第二同心布置的环或环段(430a，430b)，使得在所述环或环段之间存在径向间隙，用于允许润滑脂的通过，并且其中，至少一个电极对的第一和第二电极(431，432，433，434)分别设置在第一和第二环或环段的径向相对的表面上。7.根据前述权利要求1-3中的任一项所述的轴承装置，其中，所述支撑框架(130，430)包括多个电极对，其中每个电极对具有连接到所述电容计的第一电极和第二电极，以及其中所述电容计被配置成测量每个电极对之间的电容。8.根据权利要求7的轴承装置，其中，所述支撑框架包括具有周向隔开的第一和第二电极的至少一个电极对，并且还包括具有轴向隔开的第一和第二电极的至少一个电极对。9.根据权利要求7所述的轴承装置，其中所述支撑框架(430)还至少包括具有周向或轴向隔开的第一和第二电极的第二电极对。10.根据前述权利要求1_3，8，9中的任一项所述的轴承装置，还包括与所述轴承装置(100)连接的脂栗，所述脂栗被配置成当电极对之间被测量的电容值超过预定阈值时递送预定体积的润滑脂至所述轴承装置。11.根据前述权利要求1_3，8，9中的任一项所述的轴承布置，包括第一和第二支撑框架，其中，每个框架设有用于测量电容的至少一个电极对。12.根据权利要求11所述的轴承装置，其中，所述第一支撑框架被布置在所述轴承(110)的第一轴向侧并且所述第二支撑框架被布置在所述轴承(110)的第二轴向侧。
【文档编号】F16C33/66GK106015351SQ201610183752
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】J.邦加尔茨, F.塔塔尔
【申请人】斯凯孚公司