一种发电与监测一体的圆柱滚子轴承的制作方法

[0001]
本发明属于轴承监测与新能源技术领域，具体涉及一种发电与监测一体的圆柱滚子轴承。


背景技术：

[0002]
轴承是机械、车辆、航空航天、轮船及能源等领域中不可或缺的标准件，也是相关传动系统中最易损坏的零件之一，旋转机械中30％的故障是因轴承失效所引发的。因此，轴承状态监测与早期故障诊断已引起人们的高度重视。在线监测已逐步成为发电机、轮船、高铁以及航空器等领域中大型轴承可靠运转的前提保障，监测指标涉及温度、振动、转速及噪音等多方面。早期的轴承监测系统主要为外挂式，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，误差较大。近年来，人们相继提出了不同形式的嵌入式轴承监测系统，较好地解决了测量精度及准确性问题，但需要改变相关设备的结构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，现有轴承监测系统还基本上为定期、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基于磁力耦合激励发电供电的自监测轴承，其最大问题是：存在磁干扰、不同转速时的发电性能差异较大、有效频带窄、可靠性低等。


技术实现要素：

[0003]
本发明提出一种发电与监测一体的圆柱滚子轴承，包括内外圈、圆柱滚子、半轴、支架、端盖、激励环、滚珠、压电振子、电路板、传感器及压板；隔板将外圈的内腔隔成左右腔；隔板上装有电路板和传感器，电路板置于左腔内；左腔端部经螺钉装有端盖，端盖的止口将支架压接在左腔内，支架由至少两个横梁及其两端的环板构成，各横梁以环板的中心为对称中心均布，两个环板分别顶靠在隔板和端盖的止口上。
[0004]
外圈的右腔内经圆柱滚子安装有内圈，内圈与外圈的隔板之间设有密封圈，内圈端部的侧板上设有导向槽，半轴的座板经螺钉安装在导向槽内，半轴轴线与内外圈轴线平行且不重合，半轴上经滚珠安装有激励环，滚珠置于半轴的外滚道和激励环的内滚道中，激励环绕半轴转动。
[0005]
由基板及其一侧所粘接的压电片构成的压电振子的一端经螺钉和压板安装在支架的横梁上、另一端顶靠在激励环上，压电振子自由端的基板顶靠在激励环上，压电振子和传感器经不同的导线组与电路板相连。
[0006]
工作中，半轴及内圈随主轴转动，外圈、支架及压电振子不转动，激励环与半轴及内圈相对转动的同时还与外圈、支架及压电振子作相对移动，激励环与压电振子的相对运动迫使压电振子产生往复弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板上的转换电路处理后供给传感器，传感器实时地获得轴承温度、转速或振动参数，再经电路板上的
发射单元发射出去。
[0007]
本发明中，压电振子与内外圈轴线和半轴轴线所在平面垂直且在靠近内外圈轴线一侧与激励环相切时的变形量为零，此后压电振子变形量随主轴转动逐渐增加并当主轴转过180度时达到最大，然后再随主轴转动逐渐减小，主轴转过360度时变形量减小到零，至此完成压电振子的一次完整激励。
[0008]
本发明中，压电振子的基板始终与激励环接触且压电振子的最大变形量小于其许用值，即相关参数的关系为：其中：x为内外圈轴线和半轴轴线的间距，r和r分别为激励环的外缘半径和支架的内缘半径，δ
*
为压电振子的许用变形量，基板和压电片厚度相等时其中：h为基板的厚度，β＝e
m
/e
p
，e
m
和e
p
分别为基板和压电片的杨氏模量，k
31
和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，l为压电振子可弯曲部分的长度，η为与胶层厚度有关的修正系数。
[0009]
优势与特色：结构及激励过程简单、无电磁干扰、无接触冲击和噪音；各转速下压电振子为单向的等幅激励，压电片仅承受量值可控的压应力，故可靠性高、有效频带宽、发电与供电能力强。
附图说明
[0010]
图1是本发明一个较佳实施例中轴承的结构剖面示意图；
[0011]
图2是图1的a-a剖视图；
[0012]
图3是图1中轴承内圈转过180度时的a-a剖视图；
[0013]
图4是本发明一个较佳实施例中支架的结构剖面示意图；
[0014]
图5是图4的左视图。
具体实施方式
[0015]
本发明的发电与监测一体的圆柱滚子轴承包括内圈a、外圈b、圆柱滚子c、半轴d、支架e、端盖f、激励环g、滚珠h、压电振子i、电路板j、传感器k及压板n；隔板b1将外圈b的内腔隔成左腔b2和右腔 b3；隔板b1上安装有电路板j和传感器k，电路板j置于左腔b2内；左腔b2端部经螺钉安装有端盖f，端盖f的止口将支架e压接在左腔b2内，支架e由至少两个横梁e2及其两端的环板e1构成，各横梁e2以环板e1的中心为对称中心均布，两个环板e1分别顶靠在隔板b1和端盖f的止口上。
[0016]
外圈b的右腔b3内经圆柱滚子c安装有内圈a，内圈a与外圈b的隔板b1之间设有密封圈，内圈a 端部的侧板a1上设有导向槽a2，半轴d的座板d1经螺钉安装在导向槽a2内，半轴轴线x2与内外圈轴线 x1平行且不重合，半轴d上经滚珠h安装有激励环g，滚珠h置于半轴d的外滚道和激励环g的内滚道中，激励环g绕半轴d转动。
[0017]
由基板及其一侧所粘接的压电片构成的压电振子i的一端经螺钉和压板n安装在支架e的横梁e2上、另一的基板顶靠在激励环g上，压电振子i和传感器k经不同的导线组与电路板j相连。
[0018]
工作中，半轴d及内圈a随主轴z转动，外圈b、支架e及压电振子i不转动，激励环g与半轴d及内圈a相对转动的同时还与外圈b、支架e及压电振子i作相对移动，激励环g与压电振子i的相对运动迫使压电振子i产生往复弯曲变形并将机械能转换成电能，所生成的电能经电路板j上的转换电路处理后供给传感器k，传感器k实时地获得轴承温度、转速或振动参数，再经电路板j上的发射单元发射出去。
[0019]
本发明中，压电振子i与内外圈轴线x1和半轴轴线x2所在平面垂直且在靠近内外圈轴线x1一侧与激励环g相切时的变形量为零，此后压电振子i的变形量随主轴z的转动逐渐增加并当主轴z转过180度时达到最大，然后再随主轴z的转动逐渐减小，主轴z转过360度时变形量减小到零，至此完成压电振子i 的一次完整激励。
[0020]
本发明中，压电振子i的基板始终与激励环g接触且压电振子i的最大变形量小于其许用值，即相关参数的关系为：其中：x为内外圈轴线x1和半轴轴线x2的间距，r和r分别为激励环g的外缘半径和支架e的内缘半径，δ
*
为压电振子i的许用变形量，基板和压电片厚度相等时其中：h为基板的厚度，β＝e
m
/e
p
，e
m
和e
p
分别为基板和压电片的杨氏模量，k
31
和分别为压电材料的机电耦合系数和许用压应力，l为压电振子i可弯曲部分的长度，η为与胶层厚度有关的修正系数。