一种能自动监测磨损量的智能水润滑轴承

1.本发明属于材料领域，涉及一种轴承，具体一种能自动监测磨损量的智能水润滑轴承，通过将监测器件与导电填料的添加，实现水润滑轴承摩擦与散热性能的提升，同时监测内衬各部分磨损量，从而对水润滑轴承的失效与剩余寿命做出评价与预测，提高其可靠性。


背景技术：

2.轴承是传动系统的重要组成部分，其故障往往导致整个机械传动系统的崩溃，因此其可靠性需求极高。目前，油润滑轴承虽然使用广泛，但当机械系统在水下工作时，其存在漏油风险，容易产生环境问题。因此，为避免上述问题，水润滑轴承逐渐得到广泛应用。
3.目前，船舶推进系统是水润滑轴承的最大应用领域。虽然根据船厂的经验，水润滑轴承可以正常工作十年以上，但从目前收集到的数据来看，每年依然有许多船舶事故是因水润滑轴承失效引起的，这极大影响了海上航行的安全性和可靠性。
4.为了解决水润滑轴承可靠性问题，对其进行原位在线监测是一种有效的办法。智能轴承在保持高性能的基础上，将相关传感器集成于其本体，直接获取其性能表征参数，并结合系统工况环境、部件耦合关系等知识信息，完成多源数据特征参数的提取，实现工作状态和剩余寿命的有效评估。
5.现有技术中，关于智能水润滑轴承的研究非常有限。一般仅存在设计理念，没有进行更深入的工程应用研发，一般的，为避免水下环境对传感器的破坏，目前的设计大都采用将传感器嵌入内衬的方法。但是，传感器的嵌入会对轴承内衬造成机械损坏，从而降低其可靠性。因此寻找一种不会影响内衬摩擦性能的监测手段至关重要。
6.专利cn 113300628 a公开了一种基于摩擦纳米发电机的智能水润滑轴承，包括：筒状轴壳以及设置在所述轴壳内部、与轴壳过盈配合的筒状轴衬，所述轴衬内壁沿轴向均匀贯通凹刻有若干个水槽，使用时，水流沿所述水槽进入轴承内部，水槽内蓄满后，水流溢出水槽随转轴转动均匀扩散至轴衬与转轴直接接触的受载面上，从而形成水膜；在其中至少一条水槽的一端或两端的端口位置，设置一摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机被设置为响应于水流流量的大小输出电信号，并传输至外部的监测终端。本发明不仅有较强的承载能力，而且能在无外部电源情况下完成轴承运行状态监测，具有安全可靠、适用环境广、监测灵敏度高、绿色环保等优点。该技术仅仅设置了纳米摩擦发电机，并且根据所发电量大小判断水槽内润滑水的流量大小，来实现自动监测，但是该手段只能监测水槽内润滑水流量，并不能监测磨损量大小。
7.专利cn 112228449 a公开了了一种可变刚度智能水润滑轴承，包括管状的外壳和固定在外壳内壁的管状的内衬，内衬由高分子橡胶合金弹性体硫化而成，在内衬内埋设有至少一个磁流变弹性体。在减振降噪以及抗冲击性得到延续的同时，可通过调节外加电场控制磁流变弹性体刚度以达到橡胶界面变形可控的目的，从而提供了一种刚柔复合的、高承载的可变刚度智能水润滑轴承，可有效克服水润滑轴承高比压与低噪声之间的矛盾；并
提供了一种通用的可变刚度智能水润滑轴承动力传动系统，可以利用无源传感器收集动态服役工况下的性能数据，与外部无级调压循环水系统实时交互，以达到减小界面瞬态温升、磨损和提高运行可靠性的目的。并且还在说明书中提到在所述内衬内埋设有无源传感器。通过选用特定功能的无源传感器可以直接实时监测水润滑轴承内衬的温度、应力、形变、噪声等数据，数据传输到控制系统，有利于分析水润滑轴承的运行状态，继而有利于根据运行状态调整磁流变弹性体的刚度，以优化轴承运行。例：在深海压力下，为提升转子运行平稳性以及声学性能，需要严格控制内衬形变以减小转子跳动量。为此，无源传感器获得不同海水深度下的橡胶形变量，控制系统则通过形变量信号控制磁流变弹性体的刚度以减小内衬变形，达到优化跳动量的目的。该专利主要是通过埋设磁流变弹性体来调整内衬的刚度，达到优化跳动量的目的。虽然其提到可以设置无源传感器监测温度、应力、变形，但是并没有提供具体的技术手段，并且这几种参数都跟机械相关，因此采用压电材料即可进行无源监测，而对于内衬磨损量缺是无法实现无源检测。
8.专利cn 103438101 b公开了一种水润滑橡胶合金智能轴承，包括呈筒状的轴壳和套装设置在轴壳内的橡胶合金衬，橡胶合金衬的内壁上环形均布设有用千润滑水通过的凹槽，位千相邻两凹槽之间的橡胶合金衬的内壁上设有内凹的承载工作面，凹槽和承载工作面均沿橡胶合金衬的轴向方向延伸并贯穿橡胶合金衬的两端；还包括用千实时监控轴承运行工况的监控装置，监控装置包括数据接收装置和设置在承载工作面内并用千测量轴承运行参数的传感器组，传感器组和数据接收装置之间无线连接。该水润滑橡胶合金智能轴承不仅能够提高承载能力和抗震能力，延长轴承的使用寿命，而且能够对运行过程中的动态数据进行在线智能测控，并水润滑轴承的失效作出预估和预判，以提高可靠性。虽然该技术公开了有源传感器，并公开如何供电，可以设置振动、温度等传感器，但是对于磨损量还是无法监测。
9.对于船舶轴系，在实际工作过程中由于轴系尾端螺旋桨的悬臂作用，艉轴承轴颈处中心线并不重合轴承孔中心线，从而难以形成水膜，尾端磨损更为严重。因此，需要设计一种可以对水润滑轴承不同位置进行磨损监测的智能轴承，这不仅可以为也为水润滑轴承的水膜分布，动态特性研究提供宝贵的数据，还可以进一步提高水润滑轴承状态评估的准确性，提高船舶可靠性。


技术实现要素：

10.本发明的的一个目的在于：提供一种可以监测磨损量的智能水润滑轴承，该轴承不仅可以提高其摩擦性能，还能对其磨损量进行实时估计。通过不同的传感器嵌入，其可在工作状态下对轴承多种数据进行监测，并对水润滑轴承的失效与剩余寿命做出评价与预测，从而提高其可靠性。
11.本发明的另一个目的在于提供一种能够监测水润滑轴承不同区域磨损量的检测装置，进一步提高水润滑轴承状态评估的准确性，提高船舶可靠性。
12.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
13.一种能自动监测磨损量的智能水润滑轴承，其特征在于：包括呈筒状的轴瓦、安装于轴瓦内壁的内衬和用于监测内衬磨损量的监测装置；
14.所述内衬包括内衬基体和设于内衬基体内表面与转动轴接触的磨损层，所述磨损
层采用均值电阻材料制成；
15.所述监测装置包括与磨损层间隔一定距离接触的两个电极和与两个电极相连的电阻测量装置，通过电阻测量装置实时监测两个电极之间磨损层的电阻，随着磨损层被磨损，电阻也跟随变化，通监控电阻变化按照比例换算为磨损层的变化。
16.为了监测不同区域磨损量，本发明采用的技术方案为：
17.将所述磨损层通过绝缘隔膜分割成若干子块，每个子块均设有一个监测装置，通过绝缘隔膜分割监测智能水润滑轴承的分区磨损量。
18.进一步地，所述电极为沿着内衬径向设置的丝状电极，所述丝状电极与磨损层同步磨损。
19.进一步地，所述能监测磨损量的智能水润滑轴承还包括设于内衬上为监测装置供电的纳米发电机。
20.进一步地，所述能监测磨损量的智能水润滑轴承还包括用于传输监测装置信号的无线天线，所述无线天线通过机械或热能能量转换装置供电。
21.本发明还提供一种水润滑轴承的磨损量自动监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
22.采用均值电阻材料制备水润滑轴承内衬表面的磨损层，并在磨损量内设置若干对电极，每对电极均设置一个电阻测量装置，通过电阻测量装置实时监测两个电极之间磨损层的电阻，随着磨损层被磨损，电阻也跟随变化，通监控电阻变化按照比例换算为磨损层的变化。
23.本发明有益效果如下：
24.本发明的可以监测磨损量的智能水润滑轴承，通过将传感器与导电填料嵌入内衬的方法，提升轴承摩擦性能，并直接获取水润滑轴承性能表征参数，获取内衬磨损分布状况，并结合系统工况环境、部件耦合关系等知识信息，完成多源数据特征参数的提取，实现工作状态和剩余寿命的有效评估。
25.本发明在传统智能水润滑轴承的设计基础上，采用导电填料对水润滑轴承进行性能提升和磨损监测。解决了因在实际工作过程中由于轴系尾端螺旋桨的悬臂作用，尾端磨损严重导致的事故，大大提升了水润滑轴承的可靠性。本发明制作简单，成本低廉，实施性强，特别适用于对轴承传动系统可靠性要求严格的工程应用，并同时适用于水润滑轴承或材料磨损的研究中。
26.导电填料由润滑性能优异的碳作为原材料，可增强水润滑轴承的摩擦性能和导电性，并能够通过测量其电极间电阻对轴承磨损量进行监控；该自感应高分子智能水润滑轴承不仅能够提升摩擦性能与散热性能，降低动力系统能耗，延长轴承使用寿命，在运行中对轴承多种数据进行监测，还可以对轴承各处磨损量进行评估，从而准确预测轴承剩余寿命。
附图说明
27.图1为可以监测磨损量的智能水润滑轴承结构示意图；
28.图2为图1的横剖面图；
29.图3为图1的侧剖面图。
30.1-轴瓦，2-内衬，3-凹槽，4-磨损层，5-监测装置，6-绝缘隔膜，7-电极，8-电阻测量
装置，9-内衬基体。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
32.如图1至图3所示，本发明提供了一种能自动监测磨损量的智能水润滑轴承，包括呈筒状的轴瓦1、安装于轴瓦1内壁的内衬2和用于监测内衬2磨损量的监测装置5；
33.所述内衬2包括内衬基体9和设于内衬基体9内表面与转动轴接触的磨损层4，所述磨损层4采用均值电阻材料制成；
34.所述监测装置5包括与磨损层4间隔一定距离接触的两个电极7和与两个电极7相连的电阻测量装置8，通过电阻测量装置8实时监测两个电极7之间的电阻，随着磨损层4被磨损，电阻也跟随变化，通监控电阻变化按照比例换算为磨损层4的变化。
35.电阻测量装置8可以采用现有技术中微型电阻传感器或者电阻表，具体形式不限，比如也可以采用专利cn 103399201 b中记载的一种传感器微弱信号通用检测芯片系统，利用该系统检测到的电流根据供电电压换算得到电阻，或者也可以直接基于该技术建立电流与磨损量的对应关系。
36.作为一种优选实施例，轴瓦1采用可满足性能与工艺要求的金属或非金属制成。
37.作为一种优选实施例，所述磨损层4由高分子电阻材料制成，所述高分子电阻材料包括均匀混合的高分子材料和导电填料。所述高分子材料和导电填料均匀混合构成自感应高分子材料。所述内衬基体9采用满足性能与工艺要求的高分子材料制成。轴瓦1与内衬2通过机械或硫化方式固连。
38.作为一种优选实施例，所述导电填料为碳材料，比如炭黑，碳纳米管等，碳的优异摩擦性能使得其同时可以做为填料增强水润滑轴承的摩擦性能，从而在提高轴承摩擦性能与散热性能的前提下使其具备自检测能力。
39.本实例中的导电填料可以增强内衬2的摩擦性能，并使磨损层4导电，处于一个合适的电阻值大小，比如几欧姆到几千欧姆之间，过大和过小的电阻值都不利于检测。
40.作为一种优选实施例，内衬2采用热压工艺制作而成，高分子粉末与高分子电阻材料粉末分别放入热压模具对应位置，再根据不同材料种类，在热压压力5-15mpa，热压温度180-250摄氏度下制作内衬2。
41.作为一种优选实施例，所述磨损层4还可以由高分子材料和导电填料采用机械或化学共混法制成。
42.作为一种优选实施例，所述内衬基体9内表面设有若干轴向用于润滑水通过的凹槽3，润滑水的经过凹槽3有助于轴承内水膜的形成与泥沙的排出，相邻两个凹槽3之间的内衬基体9表面为与转动轴接触的接触面，所述每个接触面上均设有磨损层4，每个接触面上的磨损层4均设有至少一个监测装置5。
43.作为一种优选实施例，所述凹槽3设置为便于水膜的形成与泥沙的排出的形状，根据不同的船舶的工作需求与工作环境差异可设置不同的凹槽3的数量(一般为4-16个)和横截面形状(如水滴形，uv形，方形等)。
44.作为一种优选实施例，所述磨损层4通过绝缘隔膜6分割成若干子块，每个子块均
设有一个监测装置5，通过绝缘隔膜6分割监测智能水润滑轴承的分区磨损量，所述绝缘隔膜6为不导电材料制成，比如采用绝缘并且耐高温的塑料膜，在热压前放置在高分子电阻材料粉末内，将其隔离为若干字块，比如本发明每个接触面上通过绝缘隔膜6分割为三个区域，每个区域可以独立监测磨损量。
45.作为一种优选实施例，所述绝缘隔膜6的厚度为1-10毫米，在保证隔离效果的同时减少了所述绝缘隔膜6对磨损层4的影响。
46.作为一种优选实施例，所述电极7为沿着内衬2径向设置的丝状电极7，所述丝状电极7与磨损层4同步磨损，相应监测装置5所监测的电阻为两个丝状电极7之间的高分子电阻材料的电阻，随着高分子电阻材料磨损，两个丝状电极7之间高分子电阻材料越来越少，电阻也越来越大，这样可以提高监测装置5对于磨损层4电阻监测的准确性。
47.作为一种优选实施例，所述丝状电极7可以采用导电性能好的导电纤维或者石墨纤维。
48.作为一种优选实施例，所述智能水润滑轴承还包括设于内衬2上为监测装置5供电的机械或热能能量转换装置(图中未画出)，这样可以实现自供电，无需外接电源，并进行复杂布线。
49.热能能量转换装置可以采用温度发电材料，机械能量转换装置包括纳米发电机、压电材料等等，也可以现有技术中的发电结构，比如cn 113300628 a、cn 112228449 a及cn103438101b等记载的供电装置。
50.作为一种优选实施例，所述智能水润滑轴承还包括用于传输监测装置5信号的无线天线，所述无线天线通过机械能量转换装置(比如纳米发电机)供电。这样可以完全实现智能水润滑轴承独立使用，无需外接任何线，保证轴瓦1的完整性，也就保证了轴瓦1的刚度和强度。
51.作为一种优选实施例，所述监测装置5为微型电阻表或者电阻传感器，监测装置5可以在热压前预置在内衬基体9内，也可以设置在内衬基体9与轴瓦1之间，具体根据需要设置。
52.作为一种优选实施例，由于温度的升高同样会导致导电内衬2电阻变化，对内衬2磨损量的判断应同时考虑温度与电阻变化，因此可以考虑在内衬2内设置热电偶检测温度，进行温度修正。
53.本发明在传统智能水润滑轴承的设计基础上，采用导电填料对水润滑轴承进行性能提升和磨损监测。解决了因在实际工作过程中由于轴系尾端螺旋桨的悬臂作用，尾端磨损严重导致的事故，大大提升了水润滑轴承的可靠性。本发明制作简单，成本低廉，实施性强，特别适用于对轴承传动系统可靠性要求严格的工程应用，并同时适用于水润滑轴承或材料磨损的研究中。
54.对于本领域技术人员而言，显然本发明创造不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明创造的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明创造。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明创造的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明创造内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
55.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。