一種帶一體化監(jiān)測裝置的高速球軸承的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種帶一體化監(jiān)測裝置的高速球軸承，屬于軸承及其監(jiān)測【技術領域】。內圈及珠架上分別裝有主動盤和被動盤，被動盤外緣與外圈內孔間設有限位滾珠，主被動盤上均固定有壓板，壓板與主被動盤間分別壓有金屬膜，金屬膜與其表面所粘接的壓電膜構成壓電振子，壓電振子中心處裝有有磁鐵，磁鐵套在主被動盤的導向孔內，主被動盤上安裝有電路板和傳感器。優(yōu)點是軸承與其監(jiān)測裝置集成一體，可作為獨立的標準部件使用，可實現(xiàn)真正意義上的實時在線監(jiān)測；可有效增加高速時壓電振子所得動能及發(fā)電量；采用導向孔防止壓電振子扭擺、且壓電振子結構尺寸配置合理，故可靠性及發(fā)電量均較高。
【專利說明】一種帶一體化監(jiān)測裝置的高速球軸承
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于滾動軸承及其監(jiān)測【技術領域】，具體涉及一種高速球軸承及其一體化監(jiān)測裝置。
【背景技術】
[0002]軸承是一種典型的機械基礎件，在機械、車輛、航空航天、輪船及能源等領域都有著極其廣泛的應用；然而，軸承也是轉動機器中最易損壞的零件之一，旋轉機械故障的30%是由軸承失效所引發(fā)的。因此，軸承的狀態(tài)監(jiān)測與早期故障診斷已引起人們的高度重視。軸承狀態(tài)的在線監(jiān)測已經逐步成為大型發(fā)電機、輪船、高鐵以及航空器等領域不可或缺的技術，所需監(jiān)測的指標包括諸如溫度、振動、轉速及噪音等。早期的軸承監(jiān)測系統(tǒng)主要是外掛式的，其弊端之一是傳感器與信號源間的距離較遠，屬于非接觸的間接測量，故誤差較大。近年來，人們又相繼提出了不同形式的嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)，這種方法可解決測量精度及準確性問題，但需要改變相關設備的結構或其完整性，以便安裝傳感監(jiān)測系統(tǒng)，這不但容易引起設備零部件的應力集中等問題，在一些結構復雜或空間有限的設備上也是無法實現(xiàn)的；最為關鍵的是，當監(jiān)測系統(tǒng)需要隨軸承內圈或外圈一起轉動時，不便通過電線供電，而采用電池供電使用時間很短。因此，目前的軸承監(jiān)測系統(tǒng)基本上還都是非實時的、間接的非接觸測量，難以及時準確地獲得軸承的運行狀態(tài)。
[0003]為解決軸承等旋轉監(jiān)測系統(tǒng)的供電問題，人們提出了多種形式的旋轉式壓電懸臂梁發(fā)電裝置，其原理是直接利用軸與軸承座之間的相對轉動通過磁勵耦合的方式激勵壓電振子振動發(fā)電，這種工作模式發(fā)電機的最大弊端是僅適用于較低轉速的情況；當轉速較高時，旋轉磁鐵與壓電振子端部磁鐵間重疊時間極短，壓電振子難以獲得足夠的動能使其產生振動并發(fā)電。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明提供一種帶一體化監(jiān)測裝置的高速球軸承，以解決現(xiàn)有軸承監(jiān)測系統(tǒng)以及相關壓電發(fā)電裝置在實際應用中所存在的當轉速較高時，旋轉磁鐵與壓電振子端部磁鐵間重疊時間極短，壓電振子難以獲得足夠的動能使其產生振動并發(fā)電的問題。
[0005]本發(fā)明采用的實施方案是:包括內圈,一對珠架,用于軸承的承載滾珠,外圈,所述內圈比外圈窄，內圈與外圈一側對齊安裝，非對齊一側的內圈及珠架的端面分別通過螺釘固定有主動盤和被動盤，被動盤的外緣表面與外圈內孔表面間設有限位滾珠，限位滾珠安裝在被動盤外緣表面的球面沉孔內、且可沿外圈內孔上的滾道滾動，主動盤和被動盤上分別通過螺釘固定有壓板，壓板與主動盤之間、以及壓板與被動盤之間分別壓接有金屬膜，金屬膜與其表面所粘接的壓電膜構成壓電振子，壓電振子的中心處通過鉚釘鉚接有磁鐵，被動盤和主動盤上分別設有壓電振子變形所需的沉腔和沉腔，所述沉腔和沉腔的底壁分別設有磁鐵防扭所需的導向孔和導向孔，壓板上設有壓電振子變形所需的通孔，主動盤上安裝有電路板一、振動傳感器及噪聲傳感器，被動盤上安裝有電路板二和溫度傳感器，主動盤上的振動傳感器、噪聲傳感器及各壓電振子分別通過不同的導線組與電路板一連接，被動盤上的溫度傳感器和各壓電振子通過不同的導線組與電路板二連接。
[0006]本發(fā)明的一種實施方式是，為提高壓電振子自身的發(fā)電能力，金屬膜的材料為鈹青銅，壓電膜的材料為PZT4，且壓電膜厚度hp與壓電振子的總厚度h之比β =hp/h的取值范圍為0.5〈0〈0.7、壓電膜半徑&與壓電振子半徑1'之比a =rp/r的取值范圍為
0.5< α〈0.7。
[0007]本發(fā)明的一種實施方式是:為提高主動盤及被動盤上各壓電振子總的發(fā)電能力，主動盤及被動盤上的壓電振子的最佳數(shù)量為η = 2 π /Q = 4、最佳半徑為r = 0.4142 (R-H),其中Q = 2arcsin[r/(R-H)]為壓電振子上兩條相交于內圈中心的切線間的夾角、R為內圈的內孔半徑、H為金屬膜的夾緊量。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點是結構新穎，軸承與其監(jiān)測裝置集成一體、且自供電能力，可作為獨立的標準部件使用，無需改變其安裝設備的結構，可實現(xiàn)真正意義上的實時在線監(jiān)測；利用隨滾動體轉動的被動盤與主動盤相對轉動激勵，可有效增加高速時壓電振子所得動能及發(fā)電量；采用導向孔防止壓電振子扭擺、且壓電振子結構尺寸配置合理，故可靠性及發(fā)電量均較聞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明一個較佳實施例的結構剖面圖；
[0010]圖2是圖1的A-A視圖；
[0011]圖3是圖1的B-B視圖；
[0012]圖4是圖1的I部放大圖；
[0013]圖5是本發(fā)明被動盤的結構示意圖；
[0014]圖6是本發(fā)明保持架的結構示意圖；
[0015]圖7是圖6的右視圖；
[0016]圖8是本發(fā)明結構系數(shù)與厚度比及半徑比的關系曲線圖；
[0017]圖9是本發(fā)明為壓電振子總面積與俘能器半徑間的關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0018]如圖1?圖7所示，包括內圈I, 一對珠架2，用于軸承的承載滾珠3，外圈4，所述內圈I比外圈4窄，內圈I與外圈4 一側對齊安裝，非對齊一側的內圈I及珠架2的端面分別通過螺釘固定有主動盤7和被動盤5，被動盤5的外緣表面與外圈4內孔表面間設有限位滾珠6，限位滾珠6安裝在被動盤5外緣表面的球面沉孔51內、且可沿外圈4內孔上的滾道滾動，主動盤7和被動盤5上分別通過螺釘固定有壓板8，壓板8與主動盤7之間、以及壓板8與被動盤5之間分別壓接有金屬膜9，金屬膜9與其表面所粘接的壓電膜10構成壓電振子12，壓電振子12的中心處通過鉚釘鉚接有磁鐵11，被動盤5和主動盤7上分別設有壓電振子12變形所需的沉腔52和沉腔72，所述沉腔52和沉腔72的底壁分別設有磁鐵11防扭所需的導向孔53和導向孔71，壓板8上設有壓電振子12變形所需的通孔81，主動盤7上安裝有電路板一 14、振動傳感器SI及噪聲傳感器S2，被動盤5上安裝有電路板二 13和溫度傳感器S3，主動盤7上的振動傳感器S1、噪聲傳感器S2及各壓電振子12分別通過不同的導線組與電路板一 14連接，被動盤5上的溫度傳感器S3和各壓電振子12通過不同的導線組與電路板二 13連接。
[0019]工作過程中，當內圈I及主動盤7與外圈4做相對轉動時，與保持架2相連接的被動盤5在承載滾珠3的帶動下也產生相對內圈I的轉動，從而使所述置于主動盤7和被動盤5上的壓電振子12及磁鐵11產生相對轉動，相對轉動的磁鐵11之間交替增加和減小的作用力使得壓電振子12產生彎曲變形并將機械能轉換成電能，所生成的電能經轉換處理后為所述各傳感器供電，從而實現(xiàn)不同軸承參數(shù)的自供電監(jiān)測。
[0020]根據力學知識，當質量為M的靜止物體受外力F作用時間t后，其所獲得的速度為V = Ft/M、動能為E = (Ft)2/(2M)。顯然，在其它條件相同時，力的作用時間過短時物體會因所得能量不足以克服慣性力而依然靜止不動。在基于磁勵耦合激勵的旋轉式壓電發(fā)電機中，激振力F的作用時間即為兩個相對轉動磁鐵的重疊時間、且隨轉速增加而縮短，當轉速過高時壓電振子將不會被有效激勵。因此，增加旋轉發(fā)電機的激振力的作用時間或降低相對轉速可有效增加壓電振子所獲得的外部能量。本發(fā)明中，內圈I與外圈4的相對轉速nl約為內圈I及主動盤7與被動盤5相對轉速n2的λ ^ = nl/n2 = r0/R0倍，即主動盤7與被動盤5上磁體11間的重疊tl約為當將相同的磁鐵分別置于內圈I和外圈4上時重疊時間t2的λ t = I/ λ n = R0/r0倍，其中，A和R0分別為磁鐵11的半徑及其中心的回轉半徑。因此，采用隨滾動體運動而轉動的被動盤5與主動盤7相對轉動激勵時，壓電振子12所獲得的動能為內外圈相對轉動直接激勵時的λΕ= (RcZrtl)2倍。因RtlArtl，故本發(fā)明可實現(xiàn)高速狀態(tài)下壓電振子的有效激勵、發(fā)電量大。 [0021]為提高壓電振子12自身的發(fā)電能力，金屬膜9的材料為鈹青銅，壓電膜10的材料為ΡΖΤ4，且壓電膜10厚度hp與壓電振子的總厚度h之比β = hp/h的取值范圍為0.5〈β〈0.7、壓電膜10半徑rp與壓電振子12半徑r之比a = rp/r的取值范圍為
0.5< α〈0.7。
[0022]本發(fā)明壓電振子12單次受激振力F作用時產生的電能為[狀2，其中Cf為自由電容、Vg= JlF為生成的開路電壓、η為與尺度及材料有關的電壓系數(shù)、λ =Cf η 2/2稱為結構系數(shù)。當壓電振子12的厚度h及半徑r給定時，壓電膜10的厚度hp及半徑rp過大或過小都會使發(fā)電能力降低，實際中存在最佳的厚度比β =hp/h和半徑比a =rp/r使壓電振子的發(fā)電量最大。當金屬膜9及壓電膜10的材料參數(shù)確定后，即可進一步求得發(fā)電量或結構系數(shù)λ與厚度比β及半徑之比α的關系。本發(fā)明的金屬膜9的材料為鈹青銅，壓電膜10的材料為ΡΖΤ4，其結構系數(shù)與厚度比及半徑比的關系如圖8所示。根據圖8，本發(fā)明由鈹青銅與ΡΖΤ4所構成壓電振子12的較佳參數(shù)范圍是 0.5〈 β〈0.7,0.5〈 α〈0.7。
[0023]本發(fā)明中，為提高主動盤7及被動盤5上各壓電振子12總的發(fā)電能力，應使其面積之和最大，此時置于主動盤7及被動盤5上的壓電振子12的最佳數(shù)量均為η = 2 π /Q =
4、最佳半徑均為r = 0.4142 (R-H)，其中Q = 2arcsin [r/ (R-H)]為壓電振子12上兩條相交于內圈中心的切線間的夾角、R為內圈I的內孔半徑、H為金屬I吳9的夾緊量。
[0024]本發(fā)明中，為提高各壓電振子12的總體發(fā)電能力，應使置于主動盤7和被動盤5上各壓電振子12的面積之和最大，即應使
【權利要求】
1.一種帶一體化監(jiān)測裝置的高速球軸承，包括內圈，一對珠架，用于軸承的承載滾珠，外圈，其特征在于:所述內圈比外圈窄，內圈與外圈一側對齊安裝，非對齊一側的內圈及珠架的端面分別通過螺釘固定有主動盤和被動盤，被動盤的外緣表面與外圈內孔表面間設有限位滾珠，限位滾珠安裝在被動盤外緣表面的球面沉孔內、且可沿外圈內孔上的滾道滾動，主動盤和被動盤上分別通過螺釘固定有壓板，壓板與主動盤之間、以及壓板與被動盤之間分別壓接有金屬膜，金屬膜與其表面所粘接的壓電膜構成壓電振子，壓電振子的中心處通過鉚釘鉚接有磁鐵，被動盤和主動盤上分別設有壓電振子變形所需的沉腔和沉腔，所述沉腔和沉腔的底壁分別設有磁鐵防扭所需的導向孔和導向孔，壓板上設有壓電振子變形所需的通孔，主動盤上安裝有電路板一、振動傳感器及噪聲傳感器，被動盤上安裝有電路板二和溫度傳感器，主動盤上的振動傳感器、噪聲傳感器及各壓電振子分別通過不同的導線組與電路板一連接，被動盤上的溫度傳感器和各壓電振子通過不同的導線組與電路板二連接。
2.根據權利要求1所述的一種帶一體化監(jiān)測裝置的高速球軸承，其特征在于:所述金屬膜的材料為鈹青銅，壓電膜的材料為PZT4，且壓電膜厚度hp與壓電振子的總厚度h之比β = hp/h的取值范圍為0.5〈 β〈0.7、壓電膜半徑rp與壓電振子半徑r之比a = rp/r的取值范圍為0.5〈α〈0.7。
3.根據權利要求1或2所述的一種帶一體化監(jiān)測裝置的高速球軸承，其特征在于:所述主動盤及被動盤上的壓電振子的最佳數(shù)量為η = 2 π /Q = 4、最佳半徑為r =.0.4142 (R-H)，其中Q = 2arcsin [r/(R-H)]為壓電振子上兩條相交于內圈中心的切線間的夾角、R為內圈的內孔半徑、H為金屬膜的夾緊量。
【文檔編號】F16C41/00GK103982540SQ201410233657
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權日:2014年5月28日
【發(fā)明者】程光明, 沈亞林, 闞君武, 王淑云, 曾平 申請人:浙江師范大學