具有磨损传感器的支承件的制作方法

本公开涉及一种用于支承件的传感器，所述传感器用于监控支承件的磨损，并且任选地监控与支承件的使用和性能相关联的其他所选参数。更具体地，传感器现在容纳在支承件磨损表面中并且构造成无线传输关于表面磨损和其他所选参数的信息。具体地，磨损传感器应用在使用于航空工业中的支承件中，在这些支承件中，考虑到维护和支承件寿命，连续地监控支承件的磨损和其他特征是重要的。

背景技术：

状态检修(cbm)在高性能滑动支承件的应用中是不断发展的助力。状态检修对于航空航天飞行器关键应用(例如但不限制于直升机转子变桨连杆控制支承件)来说尤为重要。支承件设计、质量、应用以及多种性能状况和环境飞行状况可以影响支承件磨损速率。因此，当前仅仅基于飞行小时数来合理地准确预测任何具体的支承件状况是相对困难的。

当前也越来越多的使用直升机电传操纵控制、液压控制、变桨控制(pitchcontrol)，这基本消除了向飞行员的机械转子触觉反馈。这些变化降低了飞行员判断何时存在由于支承件磨损而产生的处于发展中的变桨控制支承件问题的能力。

因此，主动式支承件磨损传感器的构造对于允许支承件在识别出某些基准(例如支承件磨损表面减小至给定阈值或者与支承件性能和使用相关联的其它参数)后更准确地发出信号是有用的。针对准确地监视支承件性能并且特别是在航空环境下准确地监视支承件性能的难题的这种解决方案还有可能减轻转子支承件的机械测量的相对昂贵且相对更不可靠的工作。这种机械测量检测通常导致飞行器在给定的支承件布置的寿命期间大量的累计成本以及累计停机时间。

技术实现要素：

一种具有构造成无线传输信息的传感器的支承件，所述支承件包括支承件磨损表面，所述支承件磨损表面包括磨损表面传感器，其中，磨损表面传感器包括用于传输来自磨损表面传感器的表示支承件磨损表面的磨损状态的数据信号的一个或多个连接线。所述一个或多个连接线延伸到支承件磨损表面外侧，并且连接到射频通信装置以用于传输来自所述传感器的表示所述支承件磨损表面的磨损状态的数据信号。射频通信装置和传感器相对于彼此固定，使得在支承件使用期间，连接线不会弯曲至故障。

附图说明

将以示例的方式参照附图描述本发明，其中：

图1是包括远程读出装置的图示的磨损传感器的一个示例的部件的剖视图。

图2a是图1的支承件的前侧透视图。

图2b是图2a中示出的支承件的横截面的视图。

图3是用于轴颈支承件的印刷电路的图示。

图4是在印刷电路背膜的一侧上具有四(4)个电路的印刷电路的图示。

图5a、图5b、图5c和图5d示出了射频通信装置的优选布置方式的示例。

图6示出了磨损传感器电路和射频通信装置的布置方式的其他构造。

图7a和图7b示出了包括磨损传感器的长度可调节的支承件。

图8示出了这里的磨损传感器构造在支承件磨穿传感器时表现出磨损速率降低。

具体实施方式

图1示出了本发明的传感器构造10的部件的一个示例。优选地，支承件11是滑动支承结构，其中，滑动支承表面11a或滑动支承表面11b中的一个包括聚合物磨损表面层15，所述聚合物磨损表面层15包括至少一个磨损传感器电路13a(图2)。如图所示，磨损传感器13a包括一个或多个连接线13，所述连接线13用于传输来自磨损传感器的表示滑动支承表面11a或滑动支承表面11b的磨损状态的数据信号。因此，连接线13延伸到支承件磨损表面15的外部，并且如图(图2)所示连接到射频通信装置12以用于传输来自磨损传感器的表示支承件磨损表面15的磨损状态的数据信号。远程射频装置以附图标记14示出。

应当注意的是，容纳在支承件磨损表面中的磨损传感器与所述射频通信装置12相对于彼此固定，以确保在支承件使用期间连接线13不会弯曲而导致故障。即，通过相对于射频通信装置12固定磨损传感器，在支承件使用期间，连接线不会经受任何可能导致磨损传感器和射频通信装置12之间的通信中断的严重的应变。因此，关于磨损传感器和射频通信装置被固定的特征此处应当理解为如下情况：在支承件的给定寿命期间连接线不会弯曲至故障点，并且连接线可以保持相对完整至少直到在支承件使用过程中磨损传感器已经报告支承件磨损表面15需要替换的时间点。

需要注意的是，优选地，射频通信装置12是与磨损传感器相通信的rfid标签。rfid标签12可以是主动式或被动式的，所述主动式标签为有源标签且能够在从或不从远程读取装置接收信号的情况下进行传输，所述被动式标签为无源标签并且依赖从远程读取装置接收信号和能量。虽然确实存在例外，但主动式标签通常在需要更高的功能性、更大的传输范围或更强的信号的应用中是优选的。被动式标签通常更适合于识别目的或近距离监控。

此处还可以想到，磨损传感器电路13a可以是通过增材制造制备的印刷电路或由减材制造形成的光刻电路。

图2a示出了图1的支承件的前侧透视图。图2b是图2a中示出的支承件的横截面的视图。现在可以看到具有磨损表面层15的支承件11，所述磨损表面层15优选地为由聚合物树脂形成的聚合物磨损表面。在放大视图中，可以看到磨损表面层15包括优选地夹在磨损层15r和磨损层15w之间的磨损表面传感器13a。因此，磨损层15w优选地为主要磨损表面，并且因此磨损层15r为储备磨损表面。因此，可以理解的是，磨损表面传感器至少部分地容纳在磨损表面中，并且定位在磨损表面15w下方以及磨损表面15r上方。另外，可以看到，如图1中所示的从传感器13a延伸出的连接线最终与射频通信装置12相通信。

因此，现在应当理解的是，可以根据需要更改磨损层15r和磨损层15w的厚度，由此改变正常磨损寿命和储备磨损寿命的比值。与磨损层15w滑动接触的球体11c逐渐磨损掉磨损层15w。当球体磨穿磨损传感器13a时，磨损传感器13a产生信号。这个信号由外部线或优选地由rfid标签部分来处理，并且可以根据rfid标签通信设计协议实现到远程射频读取装置14的通信。射频读取装置提醒操作者支承件已经进入其储备寿命容量并且应当规划支承件的维护。

因此，应当注意的是，磨损层15w的厚度可以优选地为0.002英寸至0.020英寸，包括该范围内的所有值以及在该范围内的以0.001英寸的幅度变化的增量。例如，磨损层15w的厚度可以优选地在0.009英寸至0.012英寸的范围内。磨损层15r的厚度可以在0.001英寸至0.10英寸的范围内，包括该范围内的所有值以及在该范围内的以0.001英寸的幅度变化的增量。例如，磨损层15r的厚度可以优选地在0.002英寸至0.006英寸的范围内。磨损传感器13a自身的厚度优选地在0.001英寸至0.010英寸的范围内，包括该范围内的所有值以及在该范围内的以0.001英寸的幅度变化的增量。例如，磨损传感器13a的厚度可以为0.002英寸至0.004英寸。此外，磨损传感器的长度和宽度可以根据所讨论的具体支承件而变化。优选地，传感器的长度和宽度使得传感器将占据待监控的支承件磨损表面的整个磨损表面面积的5-100％。

磨损表面层15r或磨损表面层15w可以优选地从多种热塑性组合物或热固性组合物中选出。优选地，磨损表面层由酚基树脂(phenolicbasedresins)形成，所述酚基树脂指的是包括通过聚合酚类化合物形成的聚合物的那些树脂。磨损表面层还可以优选地包括聚酰亚胺和聚丙烯酸酯的树脂、聚乙烯醇缩甲醛树脂(poly(vinylformal)resin)、聚酯丙烯酸酯、聚酰胺酰亚胺(poly(amideimides))、环氧树脂、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯醚、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚甲醛、聚苯并咪唑、聚乙烯、聚丙烯和聚氨酯丙烯酸酯。因此，聚合物树脂优选地占重量的20％-100％。树脂可以任选地包含占其重量的0.1％-80％的纤维增强体，所述纤维增强体可以包括由聚芳酰胺、聚酯、聚酰胺、玻璃纤维和碳纤维形成的织造织物或非织造织物。除了聚合物树脂之外，磨损表面层可以包括占其重量的0.1-60％的从聚四氟乙烯粉末、二硫化钼、六方氮化硼(hexagonalboronnitride)、石墨或或全氟聚醚中选出的一种或多种润滑剂。此外，磨损表面层15r和15w可以具有相同或不同的成分。

正如能够理解的那样，在这种情况下，一旦磨损传感器13a通知磨损表面层15w已经损耗掉，可以相对地比磨损表面层15w薄的磨损表面层15r可以提供相对更好的磨损特性，以便保证用于支承件维护的时间。例如，对于使用在航空应用中的支承件来说，在飞行过程中磨损表面层已经损耗掉的指示将无需飞行器立即着陆。

如图2中所示的相对的、非聚合物的滑动磨损表面层11c可以为任何材料或材料的组合物：金属、陶瓷或聚合物，并且可以具有特殊的涂层、加工或其他处理来提高硬度、耐化学性、摩擦性能、表面粗糙度等。

需要注意的是，传感器13a可以任选地提供其他类型的信息。该信息可以包括但不限制于温度、力、加速度或循环，所有以上信息都可以根据通信设计协议与射频读取装置相通信。这种信息和使用时间记录一起可以随后构成目标支承件在其具体应用中的状态检修(cbm)记录。

支承件11可以是轴颈支承件、球面支承件、杆端支承件、连杆支承件、履带支重轮(trackroller)支承件、平面支承件或具有与机器部件成一体的任何形状的支承表面的支承件。支承件可以由金属、复合物、聚合物或陶瓷制成或可以由以上这些材料的任意的组合物制成。支承件也可以为构建入壳体、结构或单个部件中的单独的支承件，或可以是位于本发明的新的连杆或杆端部中。

磨损表面层15w或磨损表面层15r可以粘附到任一滑动表面。通常，该磨损表面层通常位于球面支承件和轴颈支承件的滚道上以及位于履带支重轮支承件的滚子上，虽然在任何情况下可以以相反的方式设置。有利的是，在滑动支承表面11a与基体层15r相结合之前，对滑动支承表面11a的表面进行粗糙化处理。在一些情况下，还有利的是，在滑动支承表面11a与基体层15r相结合之前，在滑动支承表面11a上涂覆附加的、薄的粘合剂层。这种粘合剂的厚度可以为0.0001英寸至0.0020英寸，更优选地为0.0002英寸至0.002英寸。

可以在将聚合物磨损表面层粘附于支承表面之前，通过任何聚合物片、膜或复合加工方法或这些方法的组合来形成聚合物磨损表面层。可以通过任何聚合物制造方法、复合制造方法或这些制造方法的组合来将聚合物磨损表面层逐步地构造到支承表面上。在将聚合物磨损表面层粘附到磨损表面层之前，可以部分地形成聚合物磨损表面层，然后在将聚合物磨损表面层粘附到磨损表面层之后完成聚合物磨损表面层的形成。

在一个优选方法中，将常规加工方法按照如下方式结合：粘结树脂的层涂覆到具有受控的粗糙度(ra)的支承件基体表面上(图2中示出为11a)；接着将储备磨损层(图2中示出为15r)放置、涂覆、模制、喷涂或以其他方式形成于粘结剂涂覆的基体层上；将粘结树脂的另一层涂覆到储备磨损层(图2中示出为15r)的顶部；接着将磨损传感器13a印刷电路放置在适当位置；将粘结树脂的另一涂层放置在rfid电路的顶部，所述rfid电路自身的厚度可以为0.0001英寸至0.020英寸，更优选地为0.001英寸至0.004英寸；然后，将主要磨损表面层15w放置、涂覆、模制、喷涂或以其他方法形成在适当位置。应当注意的是，对于此处使用的任何粘结剂，无论是用于结合磨损表面层或用于结合磨损传感器，可以优选地使用酚基树脂系统并且更优选地使用聚乙烯醇缩甲醛树脂改性的酚醛树脂。

功能电路13a可以为一个或多个电路。可以通过任何产生图2中示出的层状结构(其中，传感器电路13a夹在磨损层15r和磨损层15w之间)的方法来形成功能电路，并且因此，功能电路可以理解为容纳在所述聚合物磨损表面中。

一种优选的磨损传感器电路13a是印刷电路。图3示出了用于轴颈支承件的印刷电路16的一个非限制性示例。所述印刷电路16具有离开磨损层以固定并且连接到安装在外部的rfid标签的两条引线17。印刷电路具有示出为孔的穿孔18以允许用来粘附到聚合物磨损表面层的聚合物基体穿过。可以推测穿孔增强了复合聚合物磨损表面层15的层间强度。电路自身可以是任何导电金属，例如但不限制于铜和银。

图4示出了用于轴颈支承件的印刷电路19的另一非限制性实施例，该印刷电路19在印刷电路背膜的一侧具有四个电路。具体地，19f提供力的测量，19w提供磨损测量；19t提供温度测量；并且19a提供加速度测量。通过20描绘了两个电路位于印刷电路背膜的顶部表面并且两个电路位于印刷电路背膜的底部表面的一个替代的非限制性实施例构造。还可以将各个电路结合在单独的印刷电路背膜上，并且将多个传感器构建为类似三明治的构造(未示出)。在力传感器电路、温度传感器电路和加速度传感器电路的一些示例中，可以期望的是将传感器电路的实际传感器部分放置到磨损表面层所粘附到的表面中的袋状部或凹槽中。在这些情况中，可以对磨损表面层的设计做出特殊的规定，以使这些传感器电路延伸通过粘附的磨损表面层。

图5a、图5b、图5c和图5d示出了定位在杆的端部的支承件上的射频通信装置12(优选地为rfid标签)的优选布置方式的示例。更具体地，杆端部21、杆端部22和杆端部23表明射频通信装置12可以根据应用需求安装在杆端部本体周围的任何位置。如在杆端部24中所示，外部射频通信装置12在一些情况下还可以安装到杆端部的柄处。此处还可以想到可以将机加工的轴套放置在支承件壳体的外侧以容纳射频通信装置12。此外，可以想到从容纳在磨损表面层中的磨损传感器延伸的线13(图2)可以被密封或封装，以在支承件操作期间进一步限制该连接线的弯曲，并保护该连接线免于受到由碎屑、清洁剂、除冰液等引起的环境损害。可以优选地利用聚合物复合物来实现连接线的这种密封或封装，所述聚合物组合物将再次固定连接线并且限制该连接线的移动，并且因此该聚合物组合物可以优选地包括例如环氧基涂层配方的热固性组合物。

图6示出了根据本发明的磨损传感器电路和射频通信装置的布置方式的其他构造。连杆25、连杆26、连杆27具有一个长度可调节的支承件端部，所述支承件端部包括磨损传感器，该磨损传感器与从所述磨损表面延伸出并连接到射频通信装置的连接线一起被容纳在聚合物磨损表面中，其中所述射频通信装置和所述磨损传感器相对于彼此固定，以使得在支承件使用期间连接线不会弯曲至故障。

连杆25还具有位于杆端部本体上的第二外部磨损层rfid安装部分，而连杆27具有位于杆端部柄上的第二外部磨损层rfid安装部分。连杆26是连杆上的仅一个支承件包含本发明的磨损传感器的一个示例。

在某些情况下，长度可调节的连杆可以包括线接到一个射频通信装置的两个磨损传感器电路。此外，磨损传感器电路将优选地布置在聚合物磨损表面中，并且包括在该磨损表面外部延伸且连接到射频通信装置的线，其中，此外，两组线相对于射频通信装置固定并且在支承件使用期间该两组线不会弯曲至故障。连杆28、连杆29、连杆30、连杆31是固定的长度可调节的支承件，每个支承件均包括一个或多个磨损传感器且具有外部射频通信装置的多种安装可能。

图7a和图7b示出了长度可调节的支承件的一个非限制性示例，该支承件包括用于无线传输关于支承件磨损表面的信息的传感器。杆端部和连杆组件32和横截面图38示出了长度可调节的安装系统的一个实施例的非限制性图示。外部射频通信装置12附接到支架34并且经由线13(图1)与磨损传感器13a(图2)相连。优选地，支架34通过两个锁紧螺母33附接到且固定到杆端部组件37。支架34可以是金属支架、聚合物支架或复合材料支架。这种构造允许独立于杆端部组件37来调整杆或连杆组件36的总长度，且不会影响磨损传感器13a经由线13与射频通信装置12进行通信的能力。

支架夹具35是在调整长度后用来将支架34固定到杆或连杆组件36的保持夹具或稳定夹具的一个非限制性示例。支架夹具35可以将支架34直接约束到管或在支架34和管不接触的状态下提供近距离对齐。

如上所述，可以优选地操作包括磨损传感器13a的支承件以提供例如但不限制于如下中的一个或多个的信息：支承件的特性；支承件的位置(在多个支承件实施类似的功能的情况下，该支承件例如但不限制于直升机变桨转子支承件)；rfid支承件传感器系统的功能状态；当开始支承件磨损寿命储备时的指示器；支承件磨损层温度记录；支承件负载循环计数；支承件磨损层力的记录，以及支承件磨损层加速度数据；外部支承件磨损层环境温度和加速度。

可以想到，此处包括容纳在支承件磨损表面中的磨损传感器的支承件与在长度可调节的支承件和杆端部上使用这种磨损传感器构造一起在滑动支承件的领域中尤为有用，所述领域包括但不限制于航空航天支承件领域、铁路支承件领域、车辆悬挂系统以及例如风力涡轮机的发电系统等。

值得注意的是，此处研发支承件磨损表面指示器的最初尝试是将磨损传感器电路和射频通信装置完全嵌入磨损表面层中。这些尝试无法提供支承件外部的可靠的、可检测的信号。尽管不被任何特定的理论所限，可以相信支承件自身的金属表面会导致标签和接收器之间的射频交换削弱的干涉。

因此，此处的构造(包括磨损传感器电路在支承件磨损表面中的布置)连同磨损表面外部以及至射频通信装置的线通信(其中，磨损传感器电路相对于射频通信装置固定，使得在支承件使用期间线不会弯曲至故障)一起，允许可靠地检测支承件磨损表面寿命。

示例1

使用下列部件实施测试：

(a)alienhiggs4嵌入epcgen2被动rfid标签

(b)motorolamc9090z手持式rfid标签读取装置

(c)符合as81934/1规范的平面支承件，其尺寸符合p/nm81934/1-16c016

测试方法和结果：

(a)确认标签在磨损界面外部起作用。

(b)确认标签在衬里制造工艺之后起作用。

(c)以多种定向将标签部分地以及完全地布置在支承件的磨损界面中。

(d)由于标签必须位于衬里中，发现当靠近金属时，特别是当金属表面阻碍了rfid标签和读取装置之间的路径时，标签作用较差。

(e)发现当粘附到金属表面时，标签功能较差。

(f)完全位于磨损表面层内的标签不可读取。

示例2

制定一种测试程序以验证磨损传感器系统的可靠性。这种测试允许快速地重复，直到克服了关键技术难题，并且该系统为常规的支承件寿命测试做好了准备。经证实，与已建立的摆动测试程序相比，这种测试提供了充分的具有代表性的磨损。

测试中使用的部件如下：

(a)zigbee2.4ghz无线收发器

(b)具有粗糙的筒形研磨器的bridgeport型铣床

(c)符合as81934/1规范的平面支承件，其尺寸符合p/nm81934/1-16c016且具有根据本发明的嵌入有传感器的磨损表面层。

测试方法：

(a)传输装置构造成广播连接到磨损传感器的信号输入的状态。

(b)接收装置构造成指示传输装置信号输入的状态以及所接收到的信号的强度。

(c)粗糙的筒形研磨器用来加速支承件衬里的磨损，模拟支承件的功能性表面的磨损。

结果：

(a)确认主动传输装置靠近金属部件时起作用。

(b)可靠地检测到达到极限的衬里磨损。

(c)认为磨损充分地表示应用的特征以保证进一步的进展。

示例3

在测试机器上对于以下支承件实施了测试：(a)根据本发明的轴颈支承件，其尺寸符合规范as81934/1，部件号为m81934/1-16c016，且具有陶瓷涂覆的销作为旋转磨损构件。销的表面光洁度为10-14ra。

测试条件：

支承件应力：25，000psi

负载：单向

摆动：±25°旋转，每圈总共100°

频率：0.5hz

持续时间：磨损0.014-0.020英寸

在销和轴颈支承件之间达到金属与金属表面的接触之前，暂停测试。如图9中所示，磨穿根据本发明的传感器系统(样本1和样本2)没有引起系统磨损速率的显著增大，并且事实上在接收到传感器信号后系统磨损速率下降，这是出人意料的，原因在于电路板自身不是通常用于滑动支承件磨损层的材料。