CN106769039B - 一种适用于滚动轴承旋转部件监测的安装组件 - Google Patents

Abstract

一种适用于滚动轴承旋转部件监测的安装组件，在紧靠轴承的旋转组件上内嵌传感器模块、无线通信模块和无线充电接收模块，以实现对轴承旋转部件的状态监测；传感器模块包括温度传感器、振动加速度传感器、振动位移传感器、速度传感器、力传感器，以此来监测轴承内外圈的温度、内圈的振动加速度、轴承内圈位移、转速以及轴承预紧力等；进而通过对如上物理信号分析，综合评定轴承的健康状态；整个安装组件中集成有无线供电模块和无线通信模块，在不改变轴系轴承尺寸、保证安装组件原有功能的前提下，实现了对旋转设备关键零部件的长期监测。

Description

一种适用于滚动轴承旋转部件监测的安装组件

技术领域

本发明涉及机械装备关键零部件健康状态动态监测领域，特别涉及一种适用于滚动轴承旋转部件监测的安装组件，是在线监测系统及常用零部件的改进，尤其是对轴承定位隔套、锁紧螺母等轴承安装组件的改造，使其能够在线监测轴承旋转部件(包括轴承内外套圈、保持架)的温度、速度、振动信号，基于这些实时测量信号，配合专有的轴承运行状态评估与故障诊断算法，实现对滚动轴承运行状态的感知，从而使普通轴承成为具备对工况感知功能的智能轴承。

背景技术

滚动轴承广泛应用于航空航天、铁路、轮船、大型机床等重要领域，它作为旋转机械的关键零部件，起着支撑轴系和传递动力的重要作用。同时，滚动轴承也是旋转机械最薄弱的一环，据统计，旋转机械的故障30％是由轴承损坏引起的，所以滚动轴承的运行状态正常与否往往直接影响着整台设备的性能。

现阶段对轴承的状态监测主要通过在轴承座上布设振动传感器来监测轴承振动情况。然而通过安装在轴承座上的振动传感器获取振动信号，虽然信号拾取方便，但是由于故障信号的微弱性和传递的衰减性，使得对轴承早期故障的监测异常困难，导致故障信号表征与故障源和故障类型的对应关系难以判定、故障诊断正确率较低。轴承的振动主要是由其旋转部件产生，因此如果能够直接监测轴承旋转部件振动信号，避免信号传递过程的衰减，对于轴承的状态监测将具有十分重要的意义。

另外，温度是滚动轴承状态监测中最常用的信号之一，轴承的任何异常通常都会通过温度变化显现出来。目前对滚动轴承温度的监测主要是通过在轴承静止的套圈或轴承座上布设温度传感器，或者采用红外非接触式方式来实现。然而研究表明轴承内部温度往往较外套圈温度更高，对状态变化反应更灵敏，现有的在轴承静止套圈或轴承座上测温方式无法及时反应状态变化导致的温度变化。另一方面，红外测温精度较低，受工作环境(如油雾、污染物)影响大，不适用于工业现场长时间监测的需要。因此，如何准确监测轴承内隔套等旋转部件的温度，是轴承状态监测所急需的技术之一。

基于上述的需求，将多种传感器集成于轴承本体、实现轴承和传感器紧密结合的智能轴承概念被提出来。重庆大学的邵毅敏等人设计了一种外挂式结构的智能轴承，通过轴承外圈上的槽式结构,将复合传感器与轴承端面进行嵌入式结合，实现对轴承运转过程中信号的采集。研究表明，轴承旋转部件上的信号更有利于反应轴承的健康状态，尤其是轴承旋转部件上的温度信号。而该方案是在轴承静止部件上铺设传感器，难以测得旋转部件上的关键物理参数。另外轴承结构多样，该方案仅适用于轴承外圈上的槽式的结构，具有很大的局限性。国防科技大学的刘浩等人研究了嵌入式结构的智能轴承，通过在轴承外圈开槽嵌入微传感器的方式来监测轴承的运行状态信号。这样就破坏了轴承的完整性，而且无法对轴承内圈状况进行监测。另外非接触式的测试容易受到环境的影响，在油雾的条件下进行测量很容易受到干扰。洛阳轴研科技股份有限公司提出的专利——内圈高速旋转时的内圈多点温度测试方法，需要在轴承外部加装一个轴承衬套，使轴系复杂，不符合轴承实际的工作环境。西安交通大学朱永生等人发明专利——一种机床集成监测环装置，主要是通过测试轴承外圈振动和温度，然而外圈的温度相较于内圈会有滞后，而且该装置增加了轴系零部件，使轴系复杂。

另外，旋转测试系统的能量供给一直以来是一个技术难点，尤其是在轴承正常工作的环境中实现能量的供给。主要在于轴承安装在轴承座中，其空间狭小而且环境复杂。较为成熟的电磁耦合无线供电可以实现能量的无线供给,装甲兵工程学院机械工程系丁闯、赵永东等通过非接触感应供电技术实现扭矩测量，但通用的电磁耦合供电方案很难满足狭小的铁磁空间中的能量供给，而且开放性的交变电磁场常常伴随着电涡流效应，这会带来不必要的热源，进而影响轴承乃至整个轴系的测试结果。光电转换能量供给是不存在涡流效应的方案，它通过强光照射来驱动能量接收端，进而使光能转换成为电能来满足系统能量需求，但对于轴承的工作环境，这种能量供给方案就难以应付，带有油污和油雾的环境很容易阻塞光线的传播，油污在能量接收端的沉积也是在所难免。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种适用于滚动轴承旋转部件监测的安装组件，该安装组件不破坏轴承结构，并且减少了信号传递路径，准确地测得轴承旋转套圈内圈和外圈的振动、温度等信号，为实现早期故障诊断提供技术支持。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种适用于滚动轴承旋转部件监测的安装组件，其特征在于，在紧靠轴承的旋转组件上内嵌传感器模块、无线通信模块和无线充电接收模块，以实现对轴承旋转部件的状态监测。

所述的旋转组件包括锁紧螺母和隔套，所述的锁紧螺母和隔套径向上沿着圆周方向开设有槽，槽内设置有传感器模块、无线通信模块和无线充电接收模块。

所述的传感器模块包含温度传感器，温度传感器通过弹簧使其与轴承内圈端面接触。

所述的无线通信模块，通过无线通信将测试到的数据传输到上位机上，通过上位机的分析，实现对轴承状态的评估。

所述的无线充电接收模块，与跟其配套使用的无线充电发射模块共同组成能量供给模块，无线充电接收模块采用多个接收线圈排布在轴承的径向，或者采用多个月牙式接收线圈非封闭排布在轴承的径向，实现对测试系统的能量供给；无线充电发射模块采用集约式的能量发射端，即发射线圈采用单线圈相切但不接触于轴或定位套筒。

本发明的优点：

1、发射线圈的布置相比于传统的电磁耦合发射端小了很多，可以方便地安装到轴承座内部，通过较为集中的电磁场使接收端耦合感应到电能。

2、无线充电发射模块采用集约式的能量发射端，使涡流效应减少乃至消失。

3、采用在旋转组件上内嵌传感器的形式，更加接近于信号源，测得的数据相较于现有技术更加准确。可以实现对旋转部件接触式测量。

4、本发明不改变轴承本身的结构，在旋转组件进行加工内嵌，对机械旋转的关键零部件状态监测，如轴承内圈的温度监测、速度监测和振动监测。通用性强，不影响轴承正常工作。

5、由于温度传感器通过弹簧使其与轴承内圈端面接触，紧贴轴承旋转的套圈，可以在复杂环境中，如油雾环境下，实现待测点温度的在线监测。

6、可以实现多点温度测试，通过布设振动和速度传感器，实现对振动、速度的监测。

7、采用无线自组网通信技术，实现多轴承监测，并且可以组建传感器网络。

附图说明

图1是本发明实际工况下各组件位置示意图,其中，图1(a)是轴承内圈左右隔套定位示意图；图1(b)是轴承内圈左右采用锁紧螺母和隔套定位示意图。

图2是本发明的原理框图。

图3是单个滚动轴承旋转部件监测的安装组件结构示意图。图3(a)是主视图，图3(b)是侧视图。

图4是无线供电接收模块线圈示意，其中，图4(a)是采用月牙形线圈供电示意图；图4(b)是采用多线圈供电示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施过程进一步解释说明。

参照图1、图3，一种适用于滚动轴承旋转部件监测的安装组件，其特征在于，在紧靠轴承2的旋转组件1、3、4上内嵌测试系统7，测试系统7中包括有传感器模块8、无线通信模块9和无线充电接收模块10，以实现对轴承旋转部件的状态监测。滚动轴承通常采用外圈固定，内圈转动的方式，本说明书以该工作方式为例展开表述，对于外圈转动，内圈固定的工作方式是同样适用的。

所述的旋转组件包括锁紧螺母4和隔套1、3，所述的锁紧螺母4和隔套1、3径向上沿着圆周方向开设有槽12，槽12内设置有测试系统7，包括传感器模块8、无线通信模块9和无线充电接收模块10，轴承在轴向定位过程中，锁紧螺母和定位隔套是常用的零部件，通过在该类旋转部件上进行加工开槽，在槽内埋设上振动、温度等传感器，以实现对轴承旋转部件的状态感知。

所述的传感器模块8包含温度传感器，温度传感器通过弹簧使其与轴承内圈端面接触。

所述的无线通信模块9，通过无线通信将测试到的数据传输到上位机上，通过上位机的分析出来，实现对轴承状态的评估。

参照图4，所述的无线充电接收模块10，与跟其配套使用的无线充电发射模块11共同组成能量供给模块，无线充电接收模块10采用多个接收线圈13排布在轴承的径向，或者采用多个月牙式14接收线圈非封闭排布在轴承2的径向，进而实现对测试系统的能量供给；无线充电发射模块11采用集约式的能量发射端，即发射线圈采用单线圈相切但不接触于轴5或定位套筒，使涡流效应减少。

本发明的工作原理：

(1)如图2所示，根据实际工况需求，选择所需传感器种类，然后集成在滚动轴承旋转部件监测的安装组件上，通过统计所需监测的轴承个数，确定网络节点数目，布置传感器网络；

(2)旋转组件的安装：从轴系中取下原先的锁紧螺母和内隔圈，换上本发明具有内置模块的安装组件，将其他零部件安装上，布置好信号接收天线，即可实现之前所述对轴承内圈工作状况的监测；

(3)通过无线供电来实现整个组件测试系统的能量供给。通过传感器所反馈回的信息，综合评定轴承的工作状态，通过多个监测组件的安装布置，利用无线传感器网络技术，进而实现整个轴系关键旋转零部件的实时监测；

本发明的工作原理综上所述，在不破坏轴承结构以及其他轴系零部件结构的情况下，通过对现有轴承辅件的改进—内嵌集成传感器模块等装置，传感器包括温度传感器、振动加速度传感器、振动位移传感器、速度传感器、力传感器，以此来监测轴承内外圈的温度、内圈的振动加速度、轴承内圈位移、转速以及轴承预紧力等。进而通过对如上物理信号分析，综合评定轴承的健康状态。整个安装组件中集成有无线供电模块和无线通信模块，在不改变轴系轴承尺寸、保证安装组件原有功能的前提下，实现了对旋转设备关键零部件的长期监测。通过无线传感器网络技术，实现对轴系多轴承的状态监测，进而可以评定整个轴系工作的状态。

Claims (2)

1.一种适用于滚动轴承旋转部件监测的安装组件，其特征在于，在紧靠轴承的旋转组件上内嵌传感器模块、无线通信模块和无线充电接收模块，以实现对轴承旋转部件的状态监测，所述的旋转组件包括锁紧螺母和隔套，所述的锁紧螺母和隔套径向上沿着圆周方向开设有槽，槽内设置有传感器模块、无线通信模块和无线充电接收模块，所述的传感器模块包含温度传感器，所述温度传感器通过弹簧使其与轴承内圈端面接触，所述传感器还包括振动传感器；

所 述的无线充电接收模块，与跟其配套使用的无线充电发射模块共同组成能量供给模块，无线充电接收模块采用多个接收线圈排布在轴承的径向，或者采用多个月牙式接收线圈非封闭排布在轴承的径向，实现对测试系统的能量供给；无线充电发射模块采用集约式的能量发射端，即发射线圈采用单线圈相切但不接触于轴或定位套筒。

2.根据权利要求1所述的一种适用于滚动轴承旋转部件监测的安装组件，其特征在于，所述的无线通信模块，通过无线通信将测试到的数据传输到上位机上，通过上位机的分析出来，实现对轴承状态的评估。