一种具有状态监测功能的智能轴承的制作方法

1.本实用新型涉及轴承技术领域，具体涉及一种具有状态监测功能的智能轴承。


背景技术：

2.轴承是铁路运营车辆的重要部件，在长时间高速、重载运行过程中，为保证运行安全性，在现有的轴承技术基础上加装传感器组件，实现对轴承运行状态的实时监控是非常有必要的。
3.de102009021469a1示出一种传感器轴承单元，所述传感器轴承单元包括滚动轴承，所述滚动轴承具有设置在轴承环上的传感器壳体连同集成的传感器装置，所述传感器装置用于检测轴承运行状态。传感器壳体构成为贴靠在轴承环的自由的环周面或端面上的适配环。传感器装置例如能够具有用于测量力的传感器，所述传感器设置在适配环的支腿的内侧上，所述支腿贴靠在外部的轴承环的端面上。
4.cn102597558b一种带有传感器的轴承，利用滚动轴承的外圈的周槽使包括树脂制的有头环状体的传感器支架支撑于外圈，利用形成周向对半的反弹部的弹簧部件来实现传感器支架的固定强化。
5.de4218949a1包含一种具有力测量装置的滚动轴承，力测量装置构成为力测量薄膜并且能够与轴承环之一直接地连接或间接地经由中间元件与滚动轴承连接。
6.cn209164387u示出一种无源无线的轴承传感器及带有该传感器的轴承，本实用新型属于轴承技术领域，主要涉及一种无源无线的轴承传感器及带有该传感器的轴承，包括带有无线通信及无线充电功能的无源无线的轴承传感器，用于采集轴承运转过程中的温度、振动等环境信息，以及安装有该种传感器的轴承，本实用新型克服了传统传感器中导线和数据线的束缚，省去了轴承传感器安装过程中的排线工作，极大地方便了轴承传感器在各种工作条件下的安装、使用和维护。
7.然而，以上专利中公开的结构存在结构复杂或监测的信号单一等问题。


技术实现要素：

8.本实用新型针对以上问题提出了一种具有状态监测功能的智能轴承。
9.本实用新型采用的技术手段如下：
10.一种具有状态监测功能的智能轴承，包括外圈、内圈、滚动体以及保持架；还包括轴承监测模块和电源单元；
11.所述轴承监测模块包括数据处理单元、信号传输单元、存储单元以及复合传感器单元；
12.所述数据处理单元、信号传输单元以及存储单元集成在集成电路板上，所述集成电路板设置在外圈外壁上的集成电路板安装槽中；
13.所述复合传感器单元设置在所述外圈上并与所述数据处理单元连接；
14.所述信号传输单元和所述存储单元分别与所述数据处理单元连接。
15.进一步地，所述电源单元包括中隔圈和励磁发电组件；
16.所述中隔圈由永磁材料制成，所述中隔圈的外壁周向均匀设有多个锯形齿；
17.所述外圈内壁与所述中隔圈对应的位置处设有励磁发电组件安装槽，所述励磁发电组件安装槽中设有所述励磁发电组件，所述励磁发电组件包括励磁发电组件安装架、m形硅钢片绕芯以及线圈绕组；
18.所述m形硅钢片绕芯通过所述励磁发电组安装架安装在所述励磁发电组件安装槽中，所述线圈绕组设置在所述m形硅钢片绕芯上，所述线圈绕组与所述轴承监测模块连接。
19.进一步地，所述复合传感器单元为具有监测振动和温度信号的集成复合传感器；所述集成复合传感器集成在所述集成电路板上。
20.进一步地，所述复合传感器单元为具有监测振动和温度信号的非集成复合传感器；
21.所述外圈的外壁周向均匀设有多个传感器安装孔，所述非集成复合传感器通过传感器安装接头安装于所述传感器安装孔内。
22.进一步地，所述传感器安装接头中设有传感器容纳孔和扳手接口，非集成复合传感器固定在所述传感器容纳孔中；所述传感器安装接头端部设有所述扳手接口。
23.进一步地，所述传感器安装孔中设有内螺纹，所述传感器安装接头上设有外螺纹，所述传感器安装接头与所述传感器安装孔螺纹固定连接，所述传感器安装接头与所述传感器安装孔之间还设有密封圈。
24.进一步地，所述外圈上还设有监控装置安装环，所述监控装置安装环上设有传感器安装接头固定孔，所述传感器安装接头固定孔中设有内螺纹，所述传感器安装接头上设有外螺纹，所述传感器安装接头与所述传感器安装接头固定孔螺纹固定连接，所述传感器安装接头与所述传感器安装孔之间还设有密封圈。
25.进一步地，还包括蓄电池模块。
26.与现有技术比较，本实用新型公开的具有状态监测功能的智能轴承，由于具有轴承监测模块，轴承监测模块集成在集成电路板上，所述集成电路板设置在外圈外壁上的集成电路板安装槽中，具有结构简单，并能对轴承进行实时监测。
附图说明
27.图1为本实用新型公开的一种具有状态监测功能的智能轴承的整体结构图；
28.图2为轴承监测模块的结构示意图；
29.图3为本实用新型公开的一种具有状态监测功能的智能轴承的剖视图；
30.图4为图3中虚线处的局部放大图，传感器安装接头处的结构图；
31.图5为传感器安装接头的轴视图；
32.图6为本实用新型公开的智能轴承沿工艺环槽中线的剖视图；
33.图7为监控装置安装环的结构图；
34.图8为监控装置安装环的自由端与集成电路板卡接处的局部放大结构图；
35.图9为集成电路板的第二种结构的示意图；
36.图10为复合传感器为非集成复合传感器时，轴承座的结构图，轴承座中设有引线槽；
37.图11为本实用新型公开的具有状态监测功能的智能轴承的电源电源为自发电结构时的结构图。
38.图中：10、外圈，11、内圈，12、滚动体，13、保持架，14、电路板安装槽，15、励磁发电组件安装槽，16、传感器安装孔，17、监控装置安装环，18、传感器安装接头固定孔，2、轴承监测模块，20、数据处理单元，21、信号传输单元，22、存储单元，23、复合传感器单元，24、集成电路板，240、硬质集成电路板，241、柔性电路连接板，3、电源单元，30、中隔圈，31、锯形齿，32、励磁发电组件，33、励磁发电组件安装架，34、m形硅钢片，35、线圈绕组，4、传感器安装接头，40、传感器容纳孔，41、扳手接口，42、密封圈，5、轴承座，50、引线槽。
具体实施方式
39.如图1和图2所示为本实用新型公开的一种具有状态监测功能的智能轴承，包括外圈10、内圈11、滚动体12以及保持架13；还包括轴承监测模块2和电源单元3；
40.所述轴承监测模块2包括数据处理单元20、信号传输单元21、存储单元22以及复合传感器单元23；
41.所述数据处理单元20、信号传输单元21以及存储单元22集成在集成电路板24上，所述集成电路板24设置在外圈10外壁上的集成电路板安装槽14中；
42.所述复合传感器单元23设置在所述外圈10上并与所述数据处理单元20连接；
43.所述信号传输单元21和所述存储单元22分别与所述数据处理单元20连接。
44.具体地，如图1所示，本实用新型公开的智能轴承包括外圈10、内圈11、滚动体12以及保持架13，滚动体通过保持架置于外圈和内圈之间，在外圈的外壁上设有集成电路板安装槽14，集成电路板安装槽可以是设置在外圈的外壁上的中间工艺环槽，也可以是单独加工的安装槽，图中示出的为中间工艺环槽。在中间工艺环槽中通过胶进行粘结或其它方式安装有集成电路板，集成电路板上集成有数据处理单元、信号传输单元以及存储单元，复合传感器单元可以采用集成复合传感器或非集成复合传感器，复合传感器可以采集轴承的振动信号和温度信号，当复合传感器采用集成复合传感器时，集成复合传感器集成在集成电路板上，集成电路板是与轴承外径相适应的弧形结构，当复合传感器采用非集成传感器时，如图3、图4、图5和图6所示，所述外圈的外壁周向均匀设有多个传感器安装孔16，所述非集成复合传感器通过传感器安装接头4安装于所述传感器安装孔16内。如图5所示，所述传感器安装接头4中设有传感器容纳孔40和扳手接口41，非集成复合传感器通过橡胶粘结固定在所述传感器容纳孔40中；所述传感器安装接头4端部设有所述扳手接口41，传感器安装接头和传感器不限于胶接结构，也可采用阶梯台过盈配合或阶梯台与胶接结合结构。
45.所述传感器安装孔16中设有内螺纹，所述传感器安装接头4上设有外螺纹，所述传感器安装接头4与所述传感器安装孔16螺纹固定连接，所述传感器安装接头4与所述传感器安装孔16之间还设有密封圈42。图中所述传感器接头的扳手接口为内六角接口，也可采用十字口、一字口、外六角螺纹口等多种接口。在传感器安装接头端部设有扳手接口方便将传感器接头拧入传感器安装孔内。密封圈安装于传感器安装接头螺纹终止端小径处，安装后起到密封作用。
46.进一步地，在本实施例中，如图1、图6、图7和图8所示，所述外圈10上还设有监控装置安装环17，如图7和图8所示，监控装置安装环是具有开口结构的由弹性材质制成的卡环
结构，监控装置安装环的内径与轴承外圈的工艺环槽相配合，监控装置安装环可以卡入轴承外圈的工艺环槽内，监控装置安装环的两个自由端设有集成电路板卡接面171(集成电路板卡接面为一斜面)，集成电路板可以设置监控装置安装环的两个自由端之间并由集成电路板卡接面171卡固在轴承外圈的工艺环槽内，所述监控装置安装环17上设有传感器安装接头固定孔18，所述传感器安装接头固定孔18中设有内螺纹，所述传感器安装接头4上设有外螺纹，所述传感器安装接头与所述传感器安装接头固定孔螺纹固定连接，所述传感器安装接头与所述传感器安装孔之间还设有密封圈。传感器安装接头采用外螺纹，与监控装置安装环配合，不仅可以将复合传感器安装在传感器安装孔内以用于采集轴承的振动和温度信号，同时也能起到对监控装置安装环的周向定位功能。如图9所示，集成电路板还可以通过如下方式安装在轴承外圈的工艺环槽中，具体地，集成电路板24包括多个由硬质材料制成的硬质集成电路板和由柔性材料制成的柔性电路连接板，硬质电路板上设有轴承监测模块，柔性电路连接板实现多个硬质集成电路板的固定连接和电连接，该集成电路板套在轴承外圈的工艺环槽中，实现集成电路板与轴承外圈的安装。
47.在复合传感器采用非集成复合传感器，可直接用轴承工艺槽走线，或在配合轴承座上开设的传感器接线导线槽，如图10所示，在轴承座5中开设有引线槽50，复合传感器的导线在轴承座中的引线槽中进行走线，导线槽不限于轴承轴向直槽，也可加工成沿轴承周向开槽或任意走线槽，可根据具体的安装方式及走线需求设计。
48.电源单元可以采用蓄电池单元，优选地，电源单元3采用自发电结构，具体地，如图11所示，所述电源单元3包括中隔圈30和励磁发电组件32；
49.所述中隔圈30由永磁材料制成，所述中隔圈30的外壁周向均匀设有多个锯形齿31；
50.所述外圈10内壁与所述中隔圈30对应的位置处设有励磁发电组件安装槽15，所述励磁发电组件安装槽15中设有所述励磁发电组件32，所述励磁发电组件32包括励磁发电组件安装架33、m形硅钢片绕芯34以及线圈绕组35；
51.所述m形硅钢片绕芯34通过所述励磁发电组安装架33安装在所述励磁发电组件安装槽15中，所述线圈绕组35设置在所述m形硅钢片绕芯34上，所述线圈绕组35与所述轴承监测模块连接。所述永磁锯齿形的中隔圈，安装于两轴承内圈中间随轴承内圈转动，中隔圈的外径设计为锯齿形状以配合励磁线圈在轴承旋转过程中产生电势差；所述励磁发电组件32主要由m形硅钢片绕芯34和线圈绕组35组成，自发电输出导线连接到集成电路中，实现励磁供电。通过设置具有自动发电结构的单元，保证了智能轴承中轴承监测模块的长时间工作。
52.本实用新型公开的智能轴承由于设置了轴承监测模块，轴承监测模块中的复合传感器可以实时监测轴承的振动信息和温度信息，并将振动信息和温度信息传输至数据处理单元，数据处理单元具有信号预处理功能并控制信号流的功能，并通过信号传输模块将获取的信号输送至轴承外部。
53.信号传输模块可以包括天线，当信号传输模块具有天线时，对应的轴承座箱体中需开设天线孔，以便天线从天线孔伸出，或放置于天线孔中，用于信号传输。
54.本实用新型公开的智能轴承应用领域不限于铁路列车及车辆，也可以用于风电等其他领域。
55.进一步地，本实用新型公开的智能轴承设计方案不限于双列轴承，也可用于单列
轴承。
56.进一步地，本实用新型公开的智能轴承设计方案不限于圆柱轴承，也可用于圆锥轴承和球轴承等。
57.本实用新型中轴承监测模块的数据处理单元配合数据采集模块和数据存储模块，具备数据采集和数据边缘分析功能。
58.数据采集功能包括数据的常态巡检和数据的预警巡检，数据常态巡检是指，轴承正常情况下，以等间隔的采样时间进行温度和振动数据的监测；数据的预警巡检是指在轴承温度超限时，缩短温度和振动数据的采样间隔；轴承温度上升梯度超限，缩短温度和振动数据的采样间隔。此种方法能有效且准确的对轴承故障进行监测和预警，还能减少正常状态的数据存储量，提高轴承状态监控效率。
59.数据边缘分析功能是指嵌入的智能芯片具备一定的温度及振动数据分析及处理能力，温度信号主要监控指标为温度值和温升速率，振动信号的分析处理主要包括对数据进行压缩、轴承转速识别、干扰信号剔除以及数据矫正。
60.振动信号分析处理主要是进行初步的故障特征向量提取，主要提取方法有时域指标法、小波包分解法及emd向量分解法等，本设计提供信号处理方法的应用方案，但本实用新型的智能轴承不仅限于采用所述的数据处理方法，本实用新型智能轴承采用多种数据分析方法集成于智能芯片中，相较于单一的数据处理方式，准确性更高，为后端的轴承故障诊断及监控提供准确的数据基础，具有一定的先进性；时域指标法主要提取指标有信号的均方根值、均值、峰值、峰值指标、波形因数、脉冲因数以及峭度值等；小波包分解法主要是应用三层小波包分解，将信号高频分量和低频分量进行分解,利用三层小波包分解方法提取轴承故障特征，三层小波包分解过程如图所示，其中s代表原始振动信号，a代表低频分量，d代表高频分量，序号代表小波包分解的层数。以分解后各频段分量的能量做为故障特征向量，可进一步对轴承故障进行诊断，相对于基本的时域指标故障特征提取小波包分解更为准确，将此种方法应用于智能轴承集成智能芯片中，有助于信号的分析及处理；emd分解是经验模式分解方法的简称，它是基于信号局部特征的时间尺度，把信号分为若干个内蕴模式分量(imf)之和，取前10个分量的峭度值作为故障特征向量，对轴承振动信号进行故障特征提取。
61.通过emd分解方法将信号分解成一系列的内蕴模式分量(imf)，表示如下：
[0062][0063]
式中：imf
i
(t)是分解获得的第i个imf分量；r
n
(t)是经分解筛除得到n个imf分量后的残余分量，它通常表示信号的直流分量或信号的趋势。
[0064]
假设r
i
(t)为剩余分量，h
i
(t)为分解模态分量，则emd分解的具体步骤如下：
[0065]
(1)初始化，r0(t)＝x(t)，i＝1(循环开始)；
[0066]
(2)抽取第i个imf过程如图，停止条件可以用标准差s
d
控制。
[0067][0068]
式中，s
d
一般取0.2到0.3之间的值；
[0069]
(3)r
i
(t)＝r
i
‑1(t)
‑
imf
i
(t)
[0070]
(4)如果r
i
(t)仍含有两个以上的极值，则令i＝i 1，继续分解，否则分解结束。s
d
的值取0.2和0.3之间比较合理。
[0071]
将emd分解方法应用于本实用新型智能轴承集成芯片中，可提升轴承振动信号的处理准确性，同时可以和小波包分解和时域信号故障特征提取信息进行比对，得到更可靠的信号。
[0072]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。