摩擦电-压电式动态载荷监测轴承、轴系监测方法及系统与流程

本发明涉及智能传感器，特别是涉及摩擦电-压电式动态载荷监测轴承、轴系监测方法及系统。

背景技术：

1、在现代工业的背景下，对关键机械部件的运行状态进行监测并提供故障预警至关重要。滚动轴承作为旋转机械中的关键承载部件，在各种工业领域中得到了广泛应用。常见的应用场景包括汽车发动机、船用螺旋桨、风力发电机，航空航天领域，包括飞机涡轮发动机和航天器的飞轮系统。轴系的运行状态极大地影响轴承的健康状况和使用寿命。轴承故障通常会产生异常振动，降低设备的精度和效率，并随后导致灾难性事故。因此，监控滚动轴承和轴上旋转部件的运行状态具有重大意义。

2、轴在负载下的变形、制造和装配误差、安装不当等原因，其质心会偏离轴线。因此，在运行过程中，轴承将承受随转子运动而变化的动态载荷。如果轴承承受过大的动态载荷，可能会严重破坏润滑油膜，进而缩短其使用寿命。目前，轴承的早期故障往往需要机器学习辅助的振动监测等手段进行诊断。通过监测轴系运行状态为早期轴承故障预警可提供有价值的信息，然而，实现轴系运行状态的原位实时监测还具有一定的困难，存在干扰因素多和监测精度有限等问题亟待解决。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对现有技术对轴系动态载荷监测困难、且监测精度低的问题，提供一种摩擦电-压电式动态载荷监测轴承、轴系监测方法及系统。

2、一种摩擦电-压电式动态载荷监测轴承，其用于监测轴系的转速和动态载荷，所述动态载荷监测轴承包括：

3、滚动轴承；

4、套筒，其内圈与滚动轴承的外圈配合；

5、摩擦电传感模块，其包括与滚动轴承连接的转子和与套筒连接的定子；所述转子的端面设置有两种不同极性的介电材料层；所述定子的端面设置有电极层；所述转子和定子之间能够产生相对旋转，用于使得介电材料层通过其表面的电荷产生静电感应，使电极层产生时变的电位差，并输出一个周期性的电压信号，所述电压信号的每个周期有若干个极值点；

6、压电传感模块，其与滚动轴承的外圈紧贴，且压电传感模块与滚动轴承之间设置有沿轴承径向的预紧力；所述压电传感模块用于根据轴承的动态载荷产生相应的电压信号。

7、作为优选实例，所述转子和定子均设置为圆环状，且转子和定子的端面均设置有八等分的等分面；两种所述介电材料层分别设置在其中一个等分面上，且相邻介电材料层之间间隔设置；所述电极层设置有两个，两个电极层间隔设置在两个等分面上。

8、作为优选实例，八等分的所述等分面按坐标系分为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；负极性的介电材料层设置在第一象限和第三象限中的其中一个等分面上；正极性的介电材料层设置在第二象限或第四象限中的其中一个等分面；所述电极层设置在第一象限和第二象限中的其中一个等分面上。

9、作为优选实例，所述转子和定子均与滚动轴承的轴线同轴设置；所述转子与轴承内圈的外圆柱面连接；所述定子与套筒的外圆柱面连接。

10、作为优选实例，所述转子和定子之间设置有间隙，且介电材料层和电极层分别设置在转子和定子上相互靠近的一侧。

11、作为优选实例，所述套筒的内壁开设有通槽，所述压电传感模块设置在通槽内。

12、作为优选实例，所述压电传感模块包括压电片和若干个楔形垫片，所述压电片的负极紧贴滚动轴承的外圈；若干个所述楔形垫片堆叠设置，其一端与通槽内壁紧贴，另一端与压电片的正极紧贴。

13、一种轴系监测方法，包括以下步骤：

14、使用如上所述的摩擦电-压电式动态载荷监测轴承采集电压信号，其中，电压信号包括来自摩擦电传感模块的电压信号一和来自压电传感模块的电压信号二；所述电压信号一能够区分转子的相位；

15、将电压信号进行预处理，预处理后提取电压信号的参数，根据电压信号一的参数和线性关系模型计算得到轴系的转速；根据电压信号二的参数和线性关系模型计算得到滚动轴承所承受的动态载荷；

16、将电压信号一和电压信号二的相位关系进行对应，计算动态载荷的同时计算得到动态载荷在转子上的所在象限。

17、作为优选实例，所述轴系监测方法还包括预先设置动态载荷阈值；当电压信号二的幅值超过阈值后，系统发出预警。

18、一种轴系监测系统，其用于监测轴系的旋转运动，所述轴系监测系统包括依次信号连接的显示器、处理器和如上所述的摩擦电-压电式动态载荷监测轴承；所述摩擦电-压电式动态载荷监测轴承用于采集轴系运动的信号；所述处理器用于处理信号；所述显示器用于显示信号处理好后的参数信息。

19、本发明的有益效果在于：本发明通过摩擦电传感模块能够输出独特的m波，可用于提取转子的转速和相位识别。同时通过压电传感模块能够根据m波的主频率进行滤波，实现对轴系动态载荷的精确监测。此外，本发明能够根据摩擦电传感模块和压电传感模块之间输出信号的相位关系定位动态负载峰值所在的象限，在一定程度上缩小旋转部件的故障排查范围。本发明用于轴系的转速和动态载荷监测，为轴承的早期故障诊断提供一种新的思路。并且在旋转部件质心检测、轴系动载荷监测和过载预警等领域具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种摩擦电-压电式动态载荷监测轴承，其用于监测轴系的转速和动态载荷，其特征在于，所述动态载荷监测轴承包括：

2.根据权利要求1所述的摩擦电-压电式动态载荷监测轴承，其特征在于，所述转子（310）和定子（320）均设置为圆环状，且转子（310）和定子（320）的端面均设置有八等分的等分面；两种所述介电材料层分别设置在其中一个等分面上，且相邻介电材料层之间间隔设置；所述电极层设置有两个，两个电极层间隔设置在两个等分面上。

3.根据权利要求2所述的摩擦电-压电式动态载荷监测轴承，其特征在于，八等分的所述等分面按坐标系分为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；负极性的介电材料层设置在第一象限和第三象限中的其中一个等分面上；正极性的介电材料层设置在第二象限或第四象限中的其中一个等分面；所述电极层设置在第一象限和第二象限中的其中一个等分面上。

4.根据权利要求1所述的摩擦电-压电式动态载荷监测轴承，其特征在于，所述转子（310）和定子（320）均与滚动轴承（200）的轴线同轴设置；所述转子（310）与轴承内圈（210）的外圆柱面连接；所述定子（320）与套筒（100）的外圆柱面连接。

5.根据权利要求1所述的摩擦电-压电式动态载荷监测轴承，其特征在于，所述转子（310）和定子（320）之间设置有间隙，且介电材料层和电极层分别设置在转子（310）和定子（320）上相互靠近的一侧。

6.根据权利要求1所述的摩擦电-压电式动态载荷监测轴承，其特征在于，所述套筒（100）的内壁开设有通槽（102），所述压电传感模块（400）设置在通槽（102）内。

7.根据权利要求6所述的摩擦电-压电式动态载荷监测轴承，其特征在于，所述压电传感模块（400）包括压电片（410）和若干个楔形垫片，所述压电片（410）的负极紧贴滚动轴承（200）的外圈；若干个所述楔形垫片堆叠设置，其一端与通槽（102）内壁紧贴，另一端与压电片（410）的正极紧贴。

8.一种轴系监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的轴系监测方法，其特征在于，所述轴系监测方法还包括预先设置动态载荷阈值；当电压信号二的幅值超过阈值后，系统发出预警。

10.一种轴系监测系统，其用于监测轴系的旋转运动，其特征在于，所述轴系监测系统包括依次信号连接的显示器、处理器和如权利要求1至7中任意一项所述的摩擦电-压电式动态载荷监测轴承；所述摩擦电-压电式动态载荷监测轴承用于采集轴系运动的信号；所述处理器用于处理信号；所述显示器用于显示信号处理好后的参数信息。

技术总结
本发明涉及一种摩擦电‑压电式动态载荷监测轴承、轴系监测方法及系统。摩擦电‑压电式动态载荷监测轴承用于监测轴系的转速和动态载荷，其包括滚动轴承、套筒、摩擦电传感模块和压电传感模块；套筒的内圈与轴承的外圈配合；摩擦电传感模块包括与轴承连接的转子和与套筒连接的定子；所述转子的端面设置有两种不同极性的介电材料层；所述定子的端面设置有电极层；所述转子和定子之间能够产生相对旋转，用于使得介电材料层通过其表面的电荷产生静电感应，使电极层产生时变的电位差。本发明通过摩擦电传感模块能够输出独特的M波，可用于提取转子的转速和相位识别。同时通过压电传感模块能够根据M波的主频率进行滤波，实现对轴系动态载荷的精确监测。

技术研发人员：程廷海,李恒禹,王中林,王朋飞,杨峥,程小军
受保护的技术使用者：广州蓝色能源研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/12