专利名称：带复合传感器的智能轴承的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器，具体地讲，涉及一种应用在高速铁路车辆(高速 客车等)的轮轴和高级轿车、大型卡车的轮轴、变速箱以及其它一些采用 轴承支撑方式的旋转机械的在线监测与故障诊断系统，可提取高速列车轮 轴轴承，高级轿车和大型卡车所用轴承的振动、温度、速度信号的复合式 传感器。
背景技术：
轴承，作为机械设备中的关键零件之一，其运行状态的好坏，将直接 影响设备的运行状态和使用性能。对轴承，特别是大型机电装备主轴系统 和高速车辆上的轴承运行状态的监控和故障检测已经成为故障诊断技术的 一个重要研究内容和应用领域。经实践证明，轴承诊断系统性能的好坏取 决于它对轴承早期运行中故障的检测能力，即在灾难性事故发生之前检测 到异常情况。大量事实证明许多重大事故都是由于机器故障在预期的寿命 之前就出现而引起的。这些事故说明了难以预测的轴承故障所带来的潜在 危险，发展智能轴承技术，创建在线的轴承诊断及预警系统是当今轴承故 障诊断技术的发展趋势。
智能轴承技术也可以说是在机械、电子、通讯等技术飞速发展的背景 下而产生的。由于科学技术的不断发展，机械的精密程度和自动化程度的
不断提高，早期的轴承故障检测方法已经落后，而融现代传感技术、信号 传输与处理技术及计算机技术于一体的"智能化"诊断技术应运而生。因 此，作为机械系统中广泛应用的提供自由旋转的基本元件——轴承的性能 监测及故障诊断方法也朝着"智能化"的方向发展。对于"智能轴承"的 定义，当前一种具有代表性的说法是，在传统轴承的基础上集成不同用途 的传感装置，使其结合成为一体而形成独特的结构单元，再通过微型计算 机进行信息处理，达到实时在线监测的目的。
与传统的轴承相比，集成有微传感器的智能轴承的一个显著优点就是 能够实时监测自己的工作性能，且信噪比高。其次，由于智能轴承中轴承 和传感器结合为一个整体结构，从而可作为一个独立完整的产品进行生产 和购买，方便用户实际应用。
目前轴承和传感器的结合包括外挂式和嵌入式两种结构形式。外挂式 是指传感器不是嵌入到轴承的内圈、外圈或滚动体内，而是附加在轴承上 的。这个结构不会破坏轴承的完整性(即轴承允许的最大应力和变形不发 生变化)。传统的外挂式将传感组件附加在轴承周围，监测对象和范围很有 限。在实际中较难广泛应用。而不改变轴承外廓尺寸，且能够进行多种参 数测试的嵌入式智能轴承是智能轴承的一个较好发展方向。嵌入式智能轴 承单元则是将传感器嵌入到轴承体内，这种方法的优点是传感装置能够很 接近被测信号的发生源。信号传输的中间界面减少，采集的信号更能真实 地反映轴承的实际工作状况，信噪比高。
但由于传感元件究竟嵌入到轴承的什么位置，以及传感装置在复合传
感器上的合理布置等这些关键问题，使得嵌入式的应用受到了限制。目前 所采用的嵌入式结构，是将传感装置集中在轴承上，这会产生应力集中， 并且导线不好布置，给装配带来困难。另外，现有的智能轴承的传感装置 大多只采用一种，最常见的是带有加速度(振动)传感装置的智能轴承单元 和带有速度传感装置的智能轴承单元。针对高速列车、高速客车等高速车 辆，由于车速过高，轴承的振动加剧，必须对振动信号进行检测，以预防 将会造成的巨大的人身和经济损失。为防止高速车辆抱死现象的发生，需 实时检测速度信号。另外，为了防止发生由于轴承故障引起的切轴事故， 以及由于轴承自身发热而造成的磨损、烧伤需同时检测轴承内圈(轴)、外 圈的温度信号。这样就必须设计出将振动传感装置、温度传感装置、速度 传感装置集成一体的智能轴承单元。
发明内容
本发明的目的是针对高速列车、高级轿车和大型卡车上所用轴承的特 点，设计出一种将振动传感装置、温度传感装置、速度传感装置集成一体， 并能有效地提取轴承故障信号的带复合传感器的智能轴承。
本发明的具体方案是 一种带复合传感器的智能轴承，关键在于在 轴承端面安装有一个复合传感器，该复合传感器由两个形状相同的上半圆 壳体和下半圆壳体对接构成中央有通孔的圆盘壳体，该圆盘壳体的内圈和 外圈均按同一方向轴向弯折延伸形成凸台，在两凸台之间的壳体上装有电 路板，在所述圆盘壳体内圈的凸台上嵌接有加速度传感装置、速度传感装
置、温度传感装置，在所述圆盘壳体外圈的周面上还装有另一个温度传感 装置；各传感装置的输出线分别与所述电路板上的放大器的输入端相连， 经各放大器处理后，再将信号输出。
所述圆盘壳体外圈凸台边缘向圆心弯折，该弯折部分嵌入所述轴承外 圈的凹槽内。
本发明把轴承与传感器采用一种嵌入的方式结合。其嵌入的方式体现 在传感器壳体外边缘翻边后镶入轴承的槽内，符合嵌入式的定义，但这种 嵌入的方式又不同于以往的把传感器直接嵌入到轴承上的形式。从外观上 看，接近外挂式，但与现有的BMH传感器轴承有不同之处。BMH传感器 轴承是将传感器热装到轴承上，企图解决应力集中的问题，而本发明中的 轴承与传感器是通过一个圆盘壳体在整个圆周上连接，对传统的嵌入式而 言，能有效地解决应力集中的问题。
在所述圆盘壳体的内圈凸台上嵌接有二个加速度传感装置、二个速度 传感装置、 一个温度传感装置，其中两个速度传感装置分别安装在上半圆 壳体和下半圆壳体上，并且位于穿过圆盘中心的直线上，所述二个加速度 传感装置位于安装在下半圆壳体上的速度传感装置的两侧，并且二个加速 度传感器的轴心线相垂直，所述二个温度传感器一个在下半圆壳体内圈的 凸台上，另一个在上半圆壳体的顶端。
本发明将加速度(振动)、温度、速度传感装置合理布置在同一复合 传感器的壳体上，实现对三种信号的提取。在传感器下半圆壳体上安装两 个加速度传感装置分别检测轴承端面两个垂直方向的振动信号；在上半圆
壳体、下半圆壳体上分别安装一个速度传感装置检测轴速，两者可互相弥 补受干扰的信号成分，解决了单一的传感装置检测带来的弊端。在测温方 面，采用两个温度传感装置，分别检测轴承外圈和内圈的温度。同时对轴 承内圈温度信号的提取反映了轴温信息，防止了切轴事故的发生。由于高 速车辆在运行时振动较大，为防止传感装置脱落，在其与壳体的接缝处进 行焊接。
在所述上半圆壳体和下半圆壳体的外边缘翻边形成安装平面，在该翻 边平面上开有安装孔。
将复合传感器壳体外边缘翻边，并插入到轴承外圈加工出的槽内，上 半圆壳体与下半圆壳体通过螺栓穿过安装孔连接成一完整的圆盘状壳体， 使其与轴承结合成一体，保证了对壳体与对轴承的振动检测的一致性，且 温度传感装置的测温点与轴承距离很短，保证了对轴承内圈(轴)、外圈温 度检测的精度。另外，壳体的内圈凸台直径与轴径接近，保证了磁感应探 头与轴外径的距离在速度传感装置允许的检测范围内，测量精度不会受到 影响。振动传感装置、速度传感装置、温度传感装置通过输出线将信号送 入到放大电路板上。
所述加速度传感装置由机座、压电元件、输出电缆、质量块、金属片、 薄膜、外壳组成，其中压电元件封装在机座与外壳所形成的空腔内，在该 压电元件的上表面盖有质量块，该压电元件通过位于其上下表面的金属片
及导线与输出电缆连接；该金属片外表面粘接薄膜，并通过薄膜保持与机 座和质量块绝缘；外壳通过螺纹与机座相连。该加速度传感装置在测量时，
感受到与壳体相同频率的振动。由于螺钉的固定作用，质量块也感受与试 件相同的振动。质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上，由 于压电效应，在压电片两个表面上就有电荷产生。传感装置的输出电荷与 作用力成正比，亦即与壳体的加速度成正比。再经过转换将电荷量变为电 脉冲信号。
所述速度传感器由外壳、磁钢、引出线、骨架、T型铁心和线圈组成，
其中磁钢为圆柱体，该磁钢的下段伸入骨架中，该磁钢的底面与T型铁心 接触，所述线圈绕制在有T型铁心穿过的骨架段的外面，所述磁钢上段和 线圈的引出线装在外壳内。当轴转动时，轴表面均匀分布的磁性金属件交 替经过感应探头的表面，引起通过线圈磁路磁阻的变化，即引起磁通量的 变化，线圈中产生了交变的感应电动势，与线圈连接的有源放大器将微弱 的感应电动势放大，将轴的速度信号转变成电脉冲信号。
所述的温度传感装置由热敏元件组成，在金属套管与热电极之间填充 绝缘材料。热电偶保护套内两种不同的导体连接成一个闭合回路。当测量 端与参考端温度不同时，则在该回路中就会产生电动势，再经过转换成为 电脉冲信号。
所述电路板上设置有振动信号放大电路、归一化电路、温度信号放大 电路、速度信号放大电路；其中振动信号放大电路的输入端接加速度传感 装置的信号输出线，该振动信号放大电路的输出端接归一化电路的输入端; 所述温度信号放大电路的输入端接温度传感装置的热敏元件的信号输出 线；所述速度信号放大电路的输入端接速度传感装置的信号输出线。
由于智能轴承单元输出信号都为微弱能量信号，电缆的分布电容及噪 声等干扰将严重影响输出特性，为了避免在传输中增大误差和后续处理方 便，先通过各自的放大变换电路进行放大，再输出。其中因压电敏感器件 本身的内阻抗很高，使得压电器件难以直接使用一般的放大器，而必须进 行前置阻抗变换并进行归一化处理。
本发明具有以下的优点
1、 将加速度、速度、温度传感装置集成一体且布置合理，有利于信 号的提取；
2、 壳体外边缘嵌入轴承外圈的槽内，与轴承结合成一体；
3、 同时检测轴承端面相互垂直的两向振动；
4、 采用成18(T的两速度传感装置检测轴速，对信号的采集有互相弥 补的作用；
5、 同时检测轴承内圈(轴)、外圈的温度，可综合分析出由于轴承自 身的高温所产生的故障以及切轴事故(通过对内圈温度，即轴温的检测)；
6、 加速度传感装置、速度传感装置、温度传感装置都无需外接电源， 且信号传输和处理电路比较简单；
7、 将信号放大电路板放置在轴承单元内，实现了轴承诊断的智能化;
8、 与复合传感器结合的轴承可以是滚动轴承、滑动轴承等多种类的
轴承，拓宽了诊断对象的范围。
图l是本发明的主视图2是图1的俯视图； 图3是图1的A-A剖视图4是图1中加速度传感装置1的结构示意图； 图5是图1中速度传感装置3的结构示意图； 图6是图1中温度传感装置7的结构示意图7是本发明的电路图。
具体实施例方式
实施例
请参看图l、图2、图3，本发明主要由轴承30和安装在轴承30端面 的复合传感器29，所述复合传感器由两个形状相同的上半圆壳体2和下半 圆壳体8对接构成中央有通孔的圆盘壳体，该圆盘壳体的内圈和外圈均按 同一方向轴向弯折延伸形成凸台，在两凸台之间的壳体上装有电路板25， 在所述圆盘壳体内圈的凸台上嵌接有加速度传感装置1、速度传感装置3、 温度传感装置7，在所述圆盘壳体外圈的周面上还装有另一个温度传感装 置7;所述各传感装置l、 3、 7的输出线分别与所述电路板25上的放大器 的输入端相连，经各放大器处理后，再将信号输出。
如图l所示在所述圆盘壳体的内圈凸台上嵌接有二个加速度传感装 置l、 二个速度传感装置3、 一个温度传感装置7，其中两个速度传感装置 3分别安装在上半圆壳体2和下半圆壳体8上，并且位于穿过圆盘中心的 直线上，所述二个加速度传感装置1位于安装在下半圆壳体8上的速度传 感装置3的两侧，并且二个加速度传感装置1的轴心线相垂直，所述二个
温度传感装置7—个在下半圆壳体8内圈的凸台上，另一个在上半圆壳体 2的顶端。
如图3所示所述圆盘壳体外圈凸台边缘向圆心弯折，该弯折部分嵌
入所述轴承30外圈的凹槽内。与复合传感器29结合的圆柱滚子轴承由外 圈26、内圈27、滚动体28组成。
如图2所示在所述上半圆壳体2和下半圆壳体8的外边缘翻边形成 安装平面32，在该翻边平面32上开有安装孔31 。
由图4可知所述加速度传感装置1由机座9、压电元件10、输出电 缆ll、质量块12、金属片13、薄膜14、外壳15组成，其中压电元件IO 封装在机座9与外壳15所形成的空腔内，在该压电元件10的上表面盖有 质量块12，该压电元件10通过位于其上下表面的金属片13及导线与输出 电缆ll连接；该金属片13外表面粘接薄膜14，并通过薄膜14保持与机 座9和质量块12绝缘；外壳15通过螺纹与机座9相连。
由图5可知所述速度传感装置3由外壳16、磁钢17、引出线18、 骨架19、 T型铁心20和线圈21组成，其中磁钢17为圆柱体，该磁钢17 的下段伸入骨架19中，该磁钢17的底面与T型铁心20接触，所述线圈 21绕制在有T型铁心20穿过的骨架19段的外面，所述磁钢17上段和线 圈的引出线18装在外壳16内。
由图6可知所述的温度传感装置7由热敏元件组成，在金属套管22与 热电极23之间填充绝缘材料24。
如图7所示所述电路板25上设置有振动信号放大电路、归一化电路、
温度信号放大电路、速度信号放大电路；其中振动信号放大电路的输入端 接加速度传感装置1的信号输出线，该振动信号放大电路的输出端接归一 化电路的输入端；所述温度信号放大电路的输入端接温度传感装置7的热 敏元件的信号输出线；所述速度信号放大电路的输入端接速度传感装置3 的信号输出线。
因有二个加速度传感装置l，所以设置了二组结构相同的放大电路和归 一化电路， 一组是Ai、 A2，另一组是As、 A6。在第一组中，加速度传感装 置l (即振动敏感器件)的信号输出线与放大电路的输入端相连，输出的信 号通过电容C2和电阻R2加到放大器Ai的反相放大端；反馈电容d与电阻Rj 并联并跨接在Ai放大器的输出端和反相输入端之间；同时Ai放大器的同相
放大端直接接地。振动信号归一化电路的输入端与其信号放大电路的输出 端相连；电压信号经输入回路调整电位器Wi和电阻R3加到放大器A2的反相 放大端，而放大器同相放大端通过补偿电阻R5接地；反馈电阻R4跨接在放 大器A2的输出端和反相输入端之间。第二组加速度传感装置的放大电路及 归一化电路与第一组的连接方式相同。
因只有二个温度传感装置7，所以设置二个结构相同的放大电路A3和 A7，温度传感装置7 (即热电偶)的信号输出线与放大电路的输入端相连，
产生的电压信号经输入回路电阻R6 (或Ri6)加到放大器A3 (或A7)的反 相放大端，同时A3 (或A7)的同相输入端接地；反馈电阻R7 (或Rn)跨 接在A3 (或A》放大器的输出端和反相输入端之间。
因有二个速度传感装置3，所以设置二个结构相同的放大电路， 一个
是八4，另一个是As。速度传感装置3(即磁电式)的信号输出线与放大电路 的输入端相连，通过电阻Rs (或Rw)接到放大器A4 (或As)的反相放大 端，而同相放大端通过补偿电阻Ru)(或R2C))接地。反馈电阻R9 (或Rw) 跨接在A4 (或As)放大器的输出端和反相输入端之间。
权利要求
1.一种带复合传感器的智能轴承，包括轴承(30)，以及安装在轴承(30)端面的复合传感器(29)，其特征在于所述复合传感器由两个形状相同的上半圆壳体(2)和下半圆壳体(8)对接构成中央有通孔的圆盘壳体，该圆盘壳体的内圈和外圈均按同一方向轴向弯折延伸形成凸台，在两凸台之间的壳体上装有电路板(25)，在所述圆盘壳体内圈的凸台上嵌接有加速度传感装置(1)、速度传感装置(3)、温度传感装置(7)，在所述圆盘壳体外圈的周面上还装有另一个温度传感装置(7)；所述各传感装置(1、3、7)的输出线分别与所述电路板(25)上的放大器的输入端相连，经各放大器处理后，再将信号输出。
2. 根据权利要求1所述的带复合传感器的智能轴承，其特征在于在 所述圆盘壳体的内圈凸台上嵌接有二个加速度传感装置(1)、 二个速度传 感装置(3)、 一个温度传感装置(7)，其中两个速度传感装置(3)分别安 装在上半圆壳体(2)和下半圆壳体(8)上，并且位于穿过圆盘中心的直 线上，所述二个加速度传感装置(1)位于安装在下半圆壳体(8)上的速 度传感装置(3)的两侧，并且二个加速度传感装置(1)的轴心线相垂直， 所述二个温度传感装置(7) —个在下半圆壳体(8)内圈的凸台上，另一 个在上半圆壳体(2)的顶端。
3.根据权利要求2所述的带复合传感器的智能轴承，其特征在于-所述加速度传感装置(1)由机座(9)、压电元件(10)、输出电缆(11)、 质量块(12)、金属片(13)、薄膜(14)、外壳(15)组成，其中压电 元件(10)封装在机座(9)与外壳(15)所形成的空腔内，在该压电元件 (10)的上表面盖有质量块(12)，该压电元件(10)通过位于其上下表 面的金属片(13)及导线与输出电缆(11)连接；该金属片(13)外表面 粘接薄膜(14)，并通过薄膜(14)保持与机座(9)和质量块(12)绝缘； 外壳(15)通过螺纹与机座(9)相连。
4. 根据权利要求2所述的带复合传感器的智能轴承，其特征在于所 述速度传感装置(3)由外壳(16)、磁钢(17)、引出线(18)、骨架(19)、 T型铁心(20)和线圈(21)组成，其中磁钢(17)为圆柱体，该磁钢(17) 的下段伸入骨架(19)中，该磁钢(17)的底面与T型铁心(20)接触， 所述线圈(21)绕制在有T型铁心(20)穿过的骨架(19)段的外面，所 述磁钢(17)上段和线圈(21)的引出线(18)装在外壳(16)内。
5. 根据权利要求2所述的带复合传感器的智能轴承，其特征在于所 述的温度传感装置(7)由热敏元件组成，在金属套管(22)与热电极(23) 之间填充绝缘材料(24)。
6. 根据权利要求书2所述的嵌入式多参量复合传感器，其特征在于 在所述上半圆壳体(2)和下半圆壳体(8)的外边缘翻边形成安装平面(32)， 在该翻边平面(32)上开有安装孔(31)。
7. 根据权利要求1或6所述的带复合传感器的智能轴承，其特征在于: 所述圆盘壳体外圈凸台边缘向圆心弯折，该弯折部分嵌入所述轴承(30) 外圈的凹槽内。
8. 根据权利要求1或2所述的带复合传感器的智能轴承，其特征在于: 所述电路板(25)上设置有振动信号放大电路、归一化电路、温度信号放 大电路、速度信号放大电路；其中振动信号放大电路的输入端接加速度传 感装置(1)的信号输出线，该振动信号放大电路的输出端接归一化电路的 输入端；所述温度信号放大电路的输入端接温度传感装置(7)的热敏元件 的信号输出线；所述速度信号放大电路的输入端接速度传感装置(3)的信 号输出线。
全文摘要
一种带复合传感器的智能轴承，在轴承(30)端面安装有复合传感器(29)，其特征是所述复合传感器由两个形状相同的上半圆壳体(2)和下半圆壳体(8)对接构成中央有通孔的圆盘壳体，该圆盘壳体的内圈和外圈均按同一方向轴向弯折延伸形成凸台，在两凸台之间的壳体上装有电路板(25)，在所述圆盘壳体内圈的凸台上嵌接有加速度传感装置(1)、速度传感装置(3)、温度传感装置(7)，在所述圆盘壳体外圈的周面上还装有另一个温度传感装置(7)；所述各传感装置的输出线分别与所述电路板(25)上的放大器输入端相连，经各放大器处理后，再将信号输出。本发明将振动传感装置、温度传感装置、速度传感装置集成一体，能有效提取轴承故障信号。
文档编号F16C41/00GK101105202SQ20071009257
公开日2008年1月16日 申请日期2007年8月10日 优先权日2007年8月10日
发明者方杰平, 亮 葛, 邵毅敏 申请人:重庆大学