一种传感一体化的关节轴承及其使用方法技术

本发明专利技术属于关节轴承领域，涉及一种传感一体化的关节轴承及其使用方法。具体地，本发明专利技术提供的传感一体化关节轴承具有传感器布置槽和出线槽以及相应的密封件，用于布置测试关节轴承温度及应变的光纤光栅传感器，实现了温度和应变的有效补偿。本发明专利技术具有弥补传统关节轴承设计上的缺陷及测试信号抗干扰能力强等特点，实现了传感一体化的关节轴承。

A kind of sensor integrated joint bearing and its application method

【技术实现步骤摘要】
一种传感一体化的关节轴承及其使用方法
本专利技术属于关节轴承领域，涉及一种传感一体化的关节轴承及其使用方法。
技术介绍
关节轴承作为一种通用机械零部件，主要用于摆动机构装置的联接和承载，结构简单、承载力大、寿命长，广泛应用于航空航天装备、交通运输、工程机械等多个领域。但是，由于关节轴承的设计制造可能存在的缺陷，以及使用过程中缺少监测手段，导致关节轴承在使用过程中经常发生失效并导致严重事故。关节轴承的大多数失效故障原因归结为关节轴承结构本体的温度和变形超标，例如由于润滑不足导致的关节轴承温升过大，致使外圈或内圈接触表面磨损严重；过大的变形使得应力集中、导致关节轴承内外圈破碎等。国内外有一些专利或论文提出了对滚动轴承进行故障监测的技术方法。例如：用于数据可输出的轴承座的检测机构(CN108871778A)采用两个分别设置于滚动轴承内外圈的温度传感器来直接检测出工作状态下的轴承的温度，这相对于传统技术通过检测轴套的温度来判断轴承的温度，检测结果更准确；一种轴承温度检测报警装置(CN108760088A)利用温度检测探头和设置在箱体内部的信号处理器来收集和处理轴承的温升数据，并进行超标时的报警，其中箱体为一可移动的设备；轴承监测装置和方法(CN105765361A)里提出运用安装在滚动轴承上的至少一个应变传感器来检测的应变信号进而检测轴承缺陷的方法；带传感器滚动轴承装置(CN1782450)提出将压电元件设置在固定轨道圈和旋转轨道圈之间，对作用于这些固定轨道圈和固定部件间的载荷进行检测的方法，该方法实现了滚动轴承应变监测的一体化设计。一种测量轴承套圈温度和应变的光纤光栅分布式装置及方法(CN106153224A)提出过运用光纤光栅传感器测量轴承的内外圈的温升和应变，来对轴承进行检测，但此方法需要独立设计或者特殊改进轴承试验机。上述研究都是针对滚动轴承，而由于关节轴承的结构和工作状态的特殊性，目前在关节轴承本体上进行温度和应变监测的一体化设计技术尚属空白。因此，本专利技术提出将传感器和关节轴承本体进行集成，通过对关节轴承温度和应变状态进行在线测量和状态判断，形成一种可感知的关节轴承技术和产品，对于关节轴承的安全使用以及关节轴承技术的发展都具有非常重要意义。
技术实现思路
针对上述提出的目前关节轴承监测中存在的问题，本专利技术设计了一种基于光纤光栅传感一体化的关节轴承，解决采用传统技术进行关节轴承状态监测时的测试系统与轴承本体相分离、测量不准确使用不方便等方面的不足，克服在特殊试验机或特殊安装才能进行关节轴承状态测试的缺点。本专利技术的技术方案为：一种传感一体化的关节轴承，所述的传感一体化的关节轴承包括关节轴承本体和传感系统，所述传感系统的光纤光栅传感器和连接线安装固定于关节轴承本体中，所述传感系统用于在线测试和监测关节轴承的温度和应变状态；其中：所述关节轴承本体包括关节轴承外圈和关节轴承内圈，关节轴承外圈的内表面为凹形表面，关节轴承内圈的外表面为凸形表面，关节轴承外圈的内表面和关节轴承内圈的外表面之间间隙装配；所述关节轴承外圈上设置有传感器布置槽、出线槽、以及与传感器布置槽配合的传感器布置槽密封件、与出线槽配合的出线槽密封件；传感器布置槽沿关节轴承外圈的周向设置于关节轴承外圈外表面的中部，形成一圆环沟道，用于布置光纤光栅传感器，传感器布置槽内部两侧壁上均开设有传感器布置槽沟道；传感器布置槽密封件为一带有断口的环形套圈零件，其具有弹性变形能力，传感器布置槽密封件两侧外壁上设置有传感器布置槽密封件锁紧凸起，用于和传感器布置槽沟道相配合，以将传感器布置槽密封件定位和锁紧，在装配后，传感器布置槽密封件外表面与关节轴承外圈外表面相平齐；所述出线槽位于关节轴承外圈的外表面上，与传感器布置槽垂直设置，且与传感器布置槽相通，用于将布置完成的光纤光栅传感器引出，出线槽的内部两侧壁上开设有出线槽沟道，用于定位、锁紧出线槽密封件；出线槽密封件为一板型零件，其两侧外壁上设置有出线槽密封件锁紧凸起，用于将出线槽密封件固定在出线槽内，出线槽密封件上表面为一圆弧形表面，装配完成后与关节轴承外圈的外表面构成完整圆面；所述传感系统包括水平光纤光栅传感器、竖直光纤光栅传感器、光纤光栅传感器连接线、光纤光栅传感器引线、光纤跳线和数据采集系统；水平光纤光栅传感器上设置有水平测量光纤光栅传感器和水平补偿光纤光栅传感器；竖直光纤光栅传感器上设置有竖直测量光纤光栅传感器和竖直补偿光纤光栅传感器；其中水平测量光纤光栅传感器和竖直测量光纤光栅传感器连接在传感器布置槽的底面上，二者的测头位于关节轴承所在位置对应的半径夹角为90°，并与相应的补偿光纤光栅传感器配合用于测试轴承的应变，水平补偿光纤光栅传感器的测头和竖直补偿光纤光栅传感器的测头被装入套管中，用于测试轴承温度，套管连接在传感器布置槽的底面上，靠近水平测量光纤光栅传感器和竖直测量光纤光栅传感器，与相应的测量光纤光栅传感器平行；传感器连接线布置在水平光纤光栅传感器和竖直光纤光栅传感器之间，将两个传感器相连接，在出线槽输出，以简化关节轴承结构；光纤光栅传感器引线与传感器连接线连接，用于水平光纤光栅传感器和竖直光纤光栅传感器的统一输出，光纤光栅传感器引线光纤跳线连接，将信号传输给数据采集系统。在一个具体的实施方案中，所述水平测量光纤光栅传感器和竖直测量光纤光栅传感器通过胶水粘在传感器布置槽的底面上。在一个具体的实施方案中，所述水平补偿光纤光栅传感器的测头和竖直补偿光纤光栅传感器的测头被装入套管中，套管通过胶水粘在传感器布置槽的底面上。另一方面，本专利技术提供了一种，使用上述传感一体化的关节轴承进行关节轴承状态监测的方法，其包括以下步骤：1)水平光纤光栅传感器和竖直光纤光栅传感器通过传感器连接线进行连接，两个传感器所测信号通过布置在出线槽中的传感器引线引出，传感器引线经过出线槽，从关节轴承外圈的轴向引致端面，与光纤跳线进行连接，将信号传输给数据采集系统；2)温度测试：水平补偿光纤光栅传感器和竖直补偿光纤光栅传感器的波长变化仅受温度影响，测试的信号为关节轴承温度：其中，λ1为水平补偿光纤光栅传感器或竖直补偿光纤光栅传感器的原始波长，Δλ1为该补偿光纤光栅传感器的波长变化量，K1T为补偿光纤光栅的温度灵敏度，ΔT为测点处的轴承温升；3)应力补偿计算：水平测量光纤光栅传感器和竖直测量光纤光栅传感器波长变化受应变、温度影响，测试信号中有关节轴承的温度、应变信号，利用水平补偿光纤光栅传感器和竖直补偿光纤光栅传感器进行修正补偿：其中，λ2为步骤1)中对应测点处测量光纤光栅传感器的波长，Δλ2为该测点测量光纤光栅传感器的波长变化量，Kε为光纤光栅应变灵敏度，K1T为该测点补偿光纤光栅的温度灵敏度，K2T为该测点测试光纤光栅的温度灵敏度，ε为该测点处轴承套圈应变量。本专利技术的效果和益处是：本专利技术提供了一种传感一体化关节轴承；给出了传感器布置槽和出线槽以及密封件的设计方案；提供了一种测试关节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传感一体化的关节轴承，其特征在于，所述的传感一体化的关节轴承包括关节轴承本体(1)和传感系统(2)，所述传感系统(2)的光纤光栅传感器和连接线安装固定于关节轴承本体(1)中，所述传感系统(2)用于在线测试和监测关节轴承的温度和应变状态；其中：/n所述关节轴承本体(1)包括关节轴承外圈(11)和关节轴承内圈(12)，关节轴承外圈(11)的内表面为凹形表面，关节轴承内圈(12)的外表面为凸形表面，关节轴承外圈(11)的内表面和关节轴承内圈(12)的外表面之间间隙装配；/n所述关节轴承外圈(11)上设置有传感器布置槽(111)、出线槽(113)、以及与传感器布置槽(111)配合的传感器布置槽密封件(112)、与出线槽(113)配合的出线槽密封件(114)；传感器布置槽(111)沿关节轴承外圈(11)的周向设置于关节轴承外圈(11)外表面的中部，形成一圆环沟道，用于布置光纤光栅传感器，传感器布置槽(111)内部两侧壁上均开设有传感器布置槽沟道(1111)；传感器布置槽密封件(112)为一带有断口(1121)的环形套圈零件，其具有弹性变形能力，传感器布置槽密封件(112)两侧外壁上设置有传感器布置槽密封件锁紧凸起(1123)，用于和传感器布置槽沟道(1111)相配合，以将传感器布置槽密封件(112)定位和锁紧，在装配后，传感器布置槽密封件外表面(1122)与关节轴承外圈(11)外表面相平齐；/n所述出线槽(113)位于关节轴承外圈(11)的外表面上，与传感器布置槽(111)垂直设置，且与传感器布置槽(111)相通，用于将布置完成的光纤光栅传感器引出，出线槽(113)的内部两侧壁上开设有出线槽沟道(1131)，用于定位、锁紧出线槽密封件(114)；出线槽密封件(114)为一板型零件，其两侧外壁上设置有出线槽密封件锁紧凸起(1141)，用于将出线槽密封件(114)固定在出线槽(113)内，出线槽密封件上表面(1142)为一圆弧形表面，装配完成后与关节轴承外圈(11)的外表面构成完整圆面；/n所述传感系统(2)包括水平光纤光栅传感器(21)、竖直光纤光栅传感器(22)、光纤光栅传感器连接线(23)、光纤光栅传感器引线(24)、光纤跳线(25)和数据采集系统(26)；水平光纤光栅传感器(21)上设置有水平测量光纤光栅传感器(211)和水平补偿光纤光栅传感器(212)；竖直光纤光栅传感器(22)上设置有竖直测量光纤光栅传感器(221)和竖直补偿光纤光栅传感器(222)；其中水平测量光纤光栅传感器(211)和竖直测量光纤光栅传感器(221)连接在传感器布置槽(111)的底面上，二者的测头位于关节轴承上所在位置对应的半径夹角为90°，并与相应的补偿光纤光栅传感器配合用于测试轴承的应变，水平补偿光纤光栅传感器(212)的测头和竖直补偿光纤光栅传感器(222)的测头被装入套管中，用于测试轴承温度，套管连接在传感器布置槽(111)的底面上，靠近水平测量光纤光栅传感器(211)和竖直测量光纤光栅传感器(221)，与相应的测量光纤光栅传感器平行；传感器连接线(23)布置在水平光纤光栅传感器(21)和竖直光纤光栅传感器(22)之间，将两个传感器相连接，在出线槽(113)输出，以简化关节轴承结构；光纤光栅传感器引线(24)与传感器连接线(23)连接，用于水平光纤光栅传感器(21)和竖直光纤光栅传感器(22)的统一输出，光纤光栅传感器引线(24)光纤跳线(25)连接，将信号传输给数据采集系统(26)。/n...

【技术特征摘要】
20190626 CN 20191056003911.一种传感一体化的关节轴承，其特征在于，所述的传感一体化的关节轴承包括关节轴承本体(1)和传感系统(2)，所述传感系统(2)的光纤光栅传感器和连接线安装固定于关节轴承本体(1)中，所述传感系统(2)用于在线测试和监测关节轴承的温度和应变状态；其中：
所述关节轴承本体(1)包括关节轴承外圈(11)和关节轴承内圈(12)，关节轴承外圈(11)的内表面为凹形表面，关节轴承内圈(12)的外表面为凸形表面，关节轴承外圈(11)的内表面和关节轴承内圈(12)的外表面之间间隙装配；
所述关节轴承外圈(11)上设置有传感器布置槽(111)、出线槽(113)、以及与传感器布置槽(111)配合的传感器布置槽密封件(112)、与出线槽(113)配合的出线槽密封件(114)；传感器布置槽(111)沿关节轴承外圈(11)的周向设置于关节轴承外圈(11)外表面的中部，形成一圆环沟道，用于布置光纤光栅传感器，传感器布置槽(111)内部两侧壁上均开设有传感器布置槽沟道(1111)；传感器布置槽密封件(112)为一带有断口(1121)的环形套圈零件，其具有弹性变形能力，传感器布置槽密封件(112)两侧外壁上设置有传感器布置槽密封件锁紧凸起(1123)，用于和传感器布置槽沟道(1111)相配合，以将传感器布置槽密封件(112)定位和锁紧，在装配后，传感器布置槽密封件外表面(1122)与关节轴承外圈(11)外表面相平齐；
所述出线槽(113)位于关节轴承外圈(11)的外表面上，与传感器布置槽(111)垂直设置，且与传感器布置槽(111)相通，用于将布置完成的光纤光栅传感器引出，出线槽(113)的内部两侧壁上开设有出线槽沟道(1131)，用于定位、锁紧出线槽密封件(114)；出线槽密封件(114)为一板型零件，其两侧外壁上设置有出线槽密封件锁紧凸起(1141)，用于将出线槽密封件(114)固定在出线槽(113)内，出线槽密封件上表面(1142)为一圆弧形表面，装配完成后与关节轴承外圈(11)的外表面构成完整圆面；
所述传感系统(2)包括水平光纤光栅传感器(21)、竖直光纤光栅传感器(22)、光纤光栅传感器连接线(23)、光纤光栅传感器引线(24)、光纤跳线(25)和数据采集系统(26)；水平光纤光栅传感器(21)上设置有水平测量光纤光栅传感器(211)和水平补偿光纤光栅传感器(212)；竖直光纤光栅传感器(22)上设置有竖直测量光纤光栅传感器(221)和竖直补偿光纤光栅传感器(222)；其中水平测量光纤光栅传感器(211)和竖直测量光纤光栅传感器(221)连接在传感器布置槽(111)的底面上，二者的测头位于关节轴承上所在位置对应的半径夹角为90°，并与相应的补偿光纤光栅传感器配合用于测试...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁海兰，韩锦桐，仇黎斌，温保岗，
申请(专利权)人：扬州市舜意机械有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32