[发明专利]一种带一体化监测装置的高速球轴承

说明书

技术领域

本发明属于滚动轴承及其监测技术领域，具体涉及一种高速球轴承及其一体化监测装置。

背景技术

轴承是一种典型的机械基础件，在机械、车辆、航空航天、轮船及能源等领域都有着极其广泛的应用；然而，轴承也是转动机器中最易损坏的零件之一，旋转机械故障的30％是由轴承失效所引发的。因此，轴承的状态监测与早期故障诊断已引起人们的高度重视。轴承状态的在线监测已经逐步成为大型发电机、轮船、高铁以及航空器等领域不可或缺的技术，所需监测的指标包括诸如温度、振动、转速及噪音等。早期的轴承监测系统主要是外挂式的，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，故误差较大。近年来，人们又相继提出了不同形式的嵌入式监测系统，这种方法可解决测量精度及准确性问题，但需要改变相关设备的结构或其完整性，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圈或外圈一起转动时，不便通过电线供电，而采用电池供电使用时间很短。因此，目前的轴承监测系统基本上还都是非实时的、间接的非接触测量，难以及时准确地获得轴承的运行状态。

为解决轴承等旋转监测系统的供电问题，人们提出了多种形式的旋转式压电悬臂梁发电装置，其原理是直接利用轴与轴承座之间的相对转动通过磁励耦合的方式激励压电振子振动发电，这种工作模式发电机的最大弊端是仅适用于较低转速的情况；当转速较高时，旋转磁铁与压电振子端部磁铁间重叠时间极短，压电振子难以获得足够的动能使其产生振动并发电。

发明内容

本发明提供一种带一体化监测装置的高速球轴承，以解决现有轴承监测系统以及相关压电发电装置在实际应用中所存在的当转速较高时，旋转磁铁与压电振子端部磁铁间重叠时间极短，压电振子难以获得足够的动能使其产生振动并发电的问题。

本发明采用的实施方案是：包括内圈，一对珠架，用于轴承的承载滚珠，外圈，所述内圈比外圈窄，内圈与外圈一侧对齐安装，非对齐一侧的内圈及珠架的端面分别通过螺钉固定有主动盘和被动盘，被动盘的外缘表面与外圈内孔表面间设有限位滚珠，限位滚珠安装在被动盘外缘表面的球面沉孔内、且可沿外圈内孔上的滚道滚动，主动盘和被动盘上分别通过螺钉固定有压板，压板与主动盘之间、以及压板与被动盘之间分别压接有金属膜，金属膜与其表面所粘接的压电膜构成压电振子，压电振子的中心处通过铆钉铆接有磁铁，被动盘和主动盘上分别设有压电振子变形所需的沉腔和沉腔，所述沉腔和沉腔的底壁分别设有磁铁防扭所需的导向孔和导向孔，压板上设有压电振子变形所需的通孔，主动盘上安装有电路板一、振动传感器及噪声传感器，被动盘上安装有电路板二和温度传感器，主动盘上的振动传感器、噪声传感器及各压电振子分别通过不同的导线组与电路板一连接，被动盘上的温度传感器和各压电振子通过不同的导线组与电路板二连接。

本发明的一种实施方式是，为提高压电振子自身的发电能力，金属膜的材料为铍青铜，压电膜的材料为PZT4，且压电膜厚度h_p与压电振子的总厚度h之比β＝h_p/h的取值范围为0.5<β<0.7、压电膜半径r_p与压电振子半径r之比α＝r_p/r的取值范围为0.5<α<0.7。

本发明的一种实施方式是：为提高主动盘及被动盘上各压电振子总的发电能力，主动盘及被动盘上的压电振子的最佳数量为n＝2π/Q＝4、最佳半径为r＝0.4142(R-H)，其中Q＝2arcsin[r/(R-H)]为压电振子上两条相交于内圈中心的切线间的夹角、R为内圈的内孔半径、H为金属膜的夹紧量。

本发明的优点是结构新颖，轴承与其监测装置集成一体、且自供电能力，可作为独立的标准部件使用，无需改变其安装设备的结构，可实现真正意义上的实时在线监测；利用随滚动体转动的被动盘与主动盘相对转动激励，可有效增加高速时压电振子所得动能及发电量；采用导向孔防止压电振子扭摆、且压电振子结构尺寸配置合理，故可靠性及发电量均较高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的结构剖面图；

图2是图1的A-A视图；

图3是图1的B-B视图；

图4是图1的I部放大图；

图5是本发明被动盘的结构示意图；

图6是本发明保持架的结构示意图；

图7是图6的右视图；

图8是本发明结构系数与厚度比及半径比的关系曲线图；