CN112178060A - 集成光纤传感器的滚动轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种滚动轴承，包含第一圈(14)、第二圈(12)和设置在第一圈与第二圈之间的至少一列滚动体(16)。所述第一和第二圈中的每一个均设置有内孔(14a、12a)、外表面(14b、12b)和形成在所述内孔与所述外表面两者之一上的用于所述至少一列滚动体的至少一列滚道(42、32)。所述第一圈(14)包含用于限定所述滚道的至少一个部分圈(36)和能够可靠固定在所述部分圈上的至少一个套筒(40)。所述套筒(40)至少部分限定第一圈的所述内孔与所述外表面两者之中的另外一个。所述滚动轴承进一步包含至少一个光纤传感器(24)，安装在形成于所述第一圈上的至少一个圆周槽(46)内，并且穿过开口于所述圆周槽的至少一个光纤传感器通道(50)。

Description

集成光纤传感器的滚动轴承
技术领域
本发明涉及对滚动轴承的状态监测，尤其是负荷传感(/载荷感测)(loadsensing)。
具体而言，本发明涉及集成有光纤传感器的滚动轴承。
背景技术
为评估滚动轴承承载的负荷，已知方法是将应变传感器(strain sensor)集成在轴承的固定(静止)圈上。
为在不设任何本地电源的情况下能够以可靠的方式测量滚动轴承的不同参数并且监测其状态，另外一种已知的方法是使用光纤传感器。比方说，可以参照专利EP2507603B1(SKF)。
所述光纤传感器可以设置在形成于非旋转外圈外表面上的圆周槽(circumferential grooves)内。所述外圈上还设置有用于光纤进出的通道。一般而言，这类通道具有复杂的形状，比方说，类似于曲线形状。
传统而言，所述槽和光纤传感器通道通过机械加工形成在经过热处理的轴承外圈上。
这种方案的主要缺点在于其运营成本，因为微小的铣削工具(milling tool)需要很长的机械加工时间。比方说，单光纤传感器通道的机械加工时间就需要几个小时。
发明内容
本发明的一个目的就是为了克服上述缺点。
在一种实施方式下，滚动轴承包含第一圈、第二圈和设置在第一和第二圈之间的至少一列滚动体。
所述第一和第二圈中的每一个均设置有内孔、外表面以及形成在内孔和外表面两者之一上的用于所述至少一列滚动体的至少一列滚道。
根据一个通用特征，第一圈包含至少一个部分圈(part ring)，限定形成在内孔和外表面两者之一上的所述滚道。第一圈还包含能够可靠固定在所述部分圈上的至少一个套筒(sleeve)，所述套筒至少部分限定第一圈的内孔与外表面两者之中的另外一个。套筒由比所述部分圈软的材料制成。
根据另外一个通用特征，所述滚动轴承进一步包含至少一个光纤传感器，所述传感器安装在形成于第一圈上的至少一个圆周槽内，并且穿过开口于所述圆周槽内的至少一个光纤传感器通道。至少所述的光纤传感器通道形成在第一圈的套筒上。
采用这样的设置，光纤传感器通道(比如具有弯曲形状)的复杂的机械加工可以在软质的套筒上进行。如果软质套筒可以由，比方说，塑料材质通过模具加工而成(molding，简称“模制”)，那么光纤传感器通道也可以通过模制获得。增材制造(additivemanufacturing，俗称“3D打印”)也可以用于获得所述的套筒。
除上述情形以外，轴承的性能相对于传统轴承而言并无变化，因为限定第一圈滚道的仍然是由硬质材料构成的所述部分圈。
有利的是，第一圈的所述套筒和所述部分圈在径向上彼此接触安装。
所述光纤传感器在径向上处于第一圈的所述套筒和所述部分圈两者之间。因此，光纤传感器处在所述的第一圈内。
在一种实施方式下，所述圆周槽可以形成在在径向上接触安装在述所部分圈上的所述套筒的内孔或者外表面上。
在另外一种实施方式下，所述圆周槽可以形成在不与所述部分圈在径向上接触安装的所述套筒的内孔或者外表面上。在这种实施方式下，所述圆周槽可被充以填充树脂(potting resin)。
在上述两种实施方式下，光纤传感器通道和圆周槽均设置在所述套筒上，这再度促进生产作业的便利性。所述光纤传感器通道的延伸可源自套筒的一个正向表面(详见后文描述)。
作为另外一种选择，圆周槽可以形成在在径向上接触安装在所述套筒上的所述部分圈的内孔或者外表面上。
因此，光纤传感器可以更深地设置在滚动轴承中更高应力的区域中，这使得测量结果具有更高的敏感性。
有利的是，考虑轴承的一个径向平面(详见后文说明)，所述圆周槽在套筒或者部分圈上所处的轴向位置使其刚好位于滚动体列与第一和第二圈的滚道之间接触点的连线的位置上。
因此，光纤传感器可以处于综合负载(combined load)从一个滚道传递到另外一个轨道的那条线上。
在一个具体实施方式中，第一圈包含至少两个在轴向上彼此接触安装的部分圈。在这种情况下，所述部分圈***为并列的圈部件(ring segments)。
有利的是，在这样的实施方式中，套筒将第一圈的部分圈保持在一起。因此，套筒用于将所述部分圈锁定在一起，而无需额外设置钻孔和栓销。
滚动轴承可以包含设置在第一和第二圈之间的至少两列滚动体，第一圈的所述部分圈分别为两列滚动体中的每一列限定出一条滚道。
在一种具体实施方式下，第一圈的所述套筒设置有沿径向向第二圈突伸的至少一处凸起，所述圆周槽就形成在所述突起上。因此，光纤传感器也可以更深地放置在滚动轴承中具有更高应力的区域中。
当内圈为转动圈时，滚动轴承的第一圈为外圈；或者，当外圈为转动圈时，滚动轴承的第一圈为内圈。
通过阅读以下详细描述的以非限制性范例和附图说明的具体实施方式，本发明及其优点将能够被更好地理解。
附图说明
图1是本发明第一实施例所述滚动轴承的透视图；
图2是图1所示滚动轴承的正视图；
图3是图2中沿III-III的截面图；
图4是图3的局部放大图；
图5是图2中沿V-V的截面图；
图6是本发明第二实施例所述滚动轴承的截面图；
图7是图6的局部放大图；
图8是本发明第三实施例所述滚动轴承的截面图；
图9是图8的局部放大图；
图10是本发明第四实施例所述滚动轴承的截面图；以及
图11是图10的局部放大图。
具体实施方式
图1和图2中所示的滚动轴承10包含内圈12和外圈14，所述内、外圈12和14同轴并沿轴承的旋转轴线X-X’(图3)在轴向上延伸。
图3更清楚地显示滚动轴承10还包含两列滚动体16和18，均以球(滚珠)的形式提供，设置在内圈12和外圈14之间。滚动轴承10还包含用于使每列滚动体16、18均保持规则圆周间距的保持架20、22。
后文将描述，滚动轴承10进一步包含设置在外圈14上的两个光纤传感器24、26。
在上述实施例中，内圈12形成为***圈，由在轴向上彼此接触安装的两个环形的部分圈28和30组合而成。换言之，内圈12在轴向上细分为两个部分圈28和30，两个部分圈28和30彼此相同，而且相对于穿过滚动轴承中心的径向截面对称。
内圈12包含圆筒形的内孔12a和与所述内孔反向设置的圆筒形的外表面12b。圆筒形外表面12b上形成有用于滚动体16、18的环面形状(toroidal)的圆周滚道32、34，所述滚道32、34径向朝外。内圈12进一步包含两个(在轴向上)反向设置的沿径向延伸的正向(所述正向为图2中的视角方向，以下同)侧表面12c和12d，所述侧表面12c和12d在轴向上限定内圈的内孔12a和外表面12b。
在上述实施例中，外圈14也包含两个环形的部分圈36和38。这两个部分圈36和38在轴向上彼此接触安装。两个部分圈36和38是相同的，而且相对于穿过滚动轴承10的中心的径向截面对称。内、外圈的部分圈28、30和36、38均由金属，比方说硬化钢(hardenedsteel)，制成。作为另外一种选择，仅设置在所述部分圈上的滚道才经过硬化处理。
外圈14进一步包含独立于部分圈36、38但可靠固定于后者之上的环形套筒40。套筒40可以以任何适宜的方式，比方说，粘着、销蚀、焊接等方式，固定在部分圈36、38上。
套筒40在径向上环绕安装在部分圈36、38上，而且在径向上接触部分圈36、38。套筒40在径向上覆盖部分圈36、38，而且安装在部分圈36、38的外表面上。
外圈14包含圆筒形的内孔14a，其中形成有用于滚动体16、18的两个环面结构的圆周滚道42、44，所述滚道径向朝内。外圈14还包含在径向上与所述内孔14a反向设置的圆筒形的外表面14b。
外圈14进一步包含两个(在轴向上)反向设置的沿径向延伸的正向侧表面14c、14d，这两个侧表面在轴向上限定外圈的内孔14a和外表面14b。外圈的侧表面14d与内圈的侧表面12d同在一个平面(共面)，外圈的侧表面14c与内圈的侧表面12c同在一个平面(共面)。
外圈的内孔14a和滚道42、44由部分圈36、38形成。外圈的外表面14b由套筒40形成。外圈的侧表面14c由部分圈36和套筒40共同形成。类似地，外圈的侧表面14d由部分圈38和套筒40形成。
套筒40包含圆筒形的内孔和与所述内孔反向设置的圆筒形的外表面。套筒的内孔在径向上接触安装在部分圈36和38的外表面上，套筒的外表面形成外圈的外表面14b。套筒40还包含两个反向设置的沿径向延伸的正向侧表面，这两个侧表面在轴向上限定套筒的内孔和外表面。外圈的各侧表面14c、14d分别由套筒的这些侧表面局部构成。
如前所述，外圈14上设置有两个光纤传感器24和26。图4更清楚地显示两个圆周槽46、48形成在套筒40的内孔上，该圆周槽46、48内分别安装有光纤传感器24、26。
在上述实施例中，圆周槽46和48具有环形形状。作为另外一种选择，圆周槽46、48也可以不呈环形。例如，圆周槽46、48可以延伸不超过340度圆周角(angular sector)。
槽46在径向上围绕部分圈36，槽48在径向上围绕部分圈38。槽46、48由部分圈36、38封盖。槽46在套筒40内孔中所处的轴向位置使其刚好位于轴承的一个径向平面内滚动体16与内、外圈滚道32、42的接触点连线(未显示)上，从而使轴承的负载可以沿所述连线从一个滚道传递到另一个滚道(所述径向平面为轴承的一个假想的径向平面，所述接触点连线刚好位于该平面内)。
类似地，槽48在套筒40内孔中所处的轴向位置使其刚好位于所述径向平面内滚动体18与内、外圈滚道34、44的接触点连线上。
套筒40的厚度被定义为能使光纤传感器24、26的位置处于理想的深度，从而使测量性能最优化。例如，套筒40的厚度可以相当于外圈14整体厚度的20％～50％。
再次参看图1，套筒40还设置有供光纤传感器进出的通道50、52。在图示的实施例中，各通道50、52先从套筒40的其中一个正向表面沿轴向进入套筒的材料层，然后开放(暴露)于套筒的外表面。这一点从图5所示的通道50也可以看出。
在套筒40的外表面，通道50、52各自包含一个轴向部，接以一个弯曲部，所述弯曲部本身再续以一个圆周部。通道50、52的圆周部的末端在径向上没入套筒的材料层，并且开口于相应的槽46、48中。
套筒40是由比部分圈36、38软的材料制成。例如，套筒40的硬度可以低于38维氏硬度(Vickers)，而部分圈36、38的硬度则可以至少在58维氏硬度以上。
套筒40可以由金属，比方说，钢或者合金制成。由于套筒40是由比部分圈36、38软的材料制成，所以具有弯曲部的通道50、52的机械加工将变得较为容易。这也导致槽46、48的机械加工时间的减少。作为另外一种选择，套筒40也可以由塑料材质制成。在这种情况下，通道50、52和槽46、48是在塑料的模制过程中形成在套筒上的。
如前所述，各光纤传感器24、26分别安装在形成于套筒40内孔上的相应的槽46、48中。各光纤传感器24、26同时还安装在形成于套筒40上并开口于相应槽46、48中的通道50、52中。
各通道50、52允许在光纤传感器24、26沿轴向进入套筒的材料层时以手动的方式引导相应的传感器，然后沿切向导入相应的槽46、48。在转过一道弯进入相应的槽46、48以后，相应的光纤传感器24、26离开所述的槽，并且可靠固定在通道50、52中。
各光纤传感器24、26均设置有若干个光线扭曲结构(light distortingstructures)，比如，光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratings)。有关光纤传感器的更多细节，比方说，也可以参照专利EP2802796B1(SKF)。光纤传感器24、26可用于测量滚动轴承10的不同参数，比如，负载、温度、压力、振动等。
在图6和7所示的实施方式中，相同的部件被赋予相同的附图标记。与前述实施方式不同的是，套筒40的内孔设置有环状的突起54，沿径向向形成在部分圈36、38外表面上的凹陷处(未显示)延伸，圆周槽46、48就形成在所述突起54的内孔上。采用这样的结构，光纤传感器24、26可以更深地放置在滚动轴承中。
在前述实施例中，部分圈28、36和30、38按照背靠背(back-to-back)的轴承布置方式进行布置；作为另外一种选择，部分圈28、36和30、38也可以图8和9中所示的实施方式中那样以面对面(face-to-face)的轴承布置方式或者串列的布置方式(tandemarrangement)进行布置。
可以想见，采用这样面对面的轴承布置方式，套筒40也可以设置有两个突起，在径向上向形成在部分圈36、38外表面上的凹陷处延伸，并且在所述突起上形成有圆周槽46、48。
在前述实施例中，外圈14上设置有套筒，因为内圈12是意图被用于旋转的圈。
作为另外一种选择，当外圈14是意图被用于旋转的圈时，内圈12上可设置有套筒40，如图10和11中所示的具体实施方式那样，其中相同的部件被赋予相同的附图标记。
在这种实施方式下，套筒40安装在部分圈28、30的内孔中。套筒40的外表面在径向上接触安装在部分圈28、30的内孔中。圆周槽46、48形成在套筒40的外表面上。用于光纤传感器进出的通道50、52从套筒40的一个正向表面沿轴向进入套筒的材料层，并且开放(暴露)于套筒的内孔上。各通道50、52沿套筒40的内孔在轴向和圆周方向上延伸，在径向上没入套筒的材料层，并且开口于相应的槽46、48。
在这种实施方式下，部分圈28、36和30、38是按照面对面的轴承布置方式进行布置的。作为另外一种选择，部分圈28、36和30、38也可以按照背靠背的轴承布置方式或者串列的布置方式进行布置。套筒40的外表面也可以设置有一处或者两处突起，沿径向向外突出，进入形成在部分圈28、30内孔上的凹陷处，并且在所述突起上形成有圆周槽46、48。
在上述实施例中，套筒40在相应的部分圈的整个长度上延伸。作为另外一种选择，套筒40也可以仅具有缩短的长度。
在上述实施例中，槽46、48和通道50、52均设置在套筒40上。作为另外一种选择，仅(拥有弯曲部的)通道50、52设置在套筒40上。在这种情况下，槽46、48形成在外圈14或内圈12的所述部分圈上。于是，相应的光纤传感器24、26可以更深地放置在滚动轴承中应力更高的区域中。
本发明是在内、外圈被设置为拥有两个在轴向上彼此接触安装的环形部分圈的滚动轴承的基础上加以描述的。作为另外一种选择，所述内圈和/或外圈可以仅包含一个部分圈，或者包含三个或三个以上的部分圈。
在所示实施例中，滚动轴承包含两列滚动体。作为另外一种选择，滚动轴承也可以仅包含一列滚动体，或者包含三列或三列以上的滚动体。在所示实施例中，滚动体为球体(滚珠)。作为另外一种选择，滚动轴承也可以包含其他类型的滚动体，比如，滚子。在披露的实施例中，滚动轴承适于同时承载轴向负荷和径向负荷。作为另外一种选择，滚动轴承也可以仅适于承载轴向负荷或者径向负荷。

Claims (10)

1.一种滚动轴承，包含第一圈(14)、第二圈(12)和设置在第一圈与第二圈之间的至少一列滚动体(16)，各所述第一和第二圈(14、12)均设置有内孔(14a、12a)、外表面(14b、12b)和形成在所述内孔与所述外表面两者之一上的用于所述至少一列滚动体的至少一列滚道(42、32)，其特征在于：
所述第一圈(14)包含用于限定所述滚道的至少一个部分圈(36)和能够可靠固定在所述部分圈上的至少一个套筒(40)，所述套筒(40)至少部分限定第一圈的所述内孔与所述外表面两者之中的另外一个，所述套筒(40)由比所述部分圈(36)软的材料制成；
所述滚动轴承进一步包含至少一个光纤传感器(24)，安装在形成于所述第一圈上的至少一个圆周槽(46)内，并且穿过开口于所述圆周槽的至少一个光纤传感器通道(50)，至少所述光纤传感器通道(50)形成在第一圈的所述套筒上。
2.如权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于：第一圈的所述套筒(40)和所述部分圈(36)在径向上彼此接触安装。
3.如权利要求2所述的滚动轴承，其特征在于：所述光纤传感器(24)在径向上设置在第一圈的所述套筒(40)与所述部分圈(36)之间。
4.如权利要求2或3所述的滚动轴承，其特征在于：所述圆周槽(46)形成在在径向上接触安装在所述部分圈(36)上的所述套筒(40)的内孔或者外表面上。
5.如权利要求2或3所述的滚动轴承，其特征在于：所述圆周槽(46)形成在在径向上接触安装在所述套筒(40)上的所述部分圈(36)的内孔或者外表面上。
6.如权利要求1或2所述的滚动轴承，其特征在于：所述圆周槽(46)形成在不与所述部分圈(36)在径向上接触安装的所述套筒(40)的内孔或者外表面上。
7.如前述任意一项权利要求所述的滚动轴承，其特征在于：考虑轴承的一个径向平面，所述圆周槽(46)在套筒(40)或者部分圈(36)上所处的轴向位置使其刚好位于滚动体(16)列与第一和第二圈的所述滚道(42、32)之间接触点的连线位置上。
8.如前述任意一项权利要求所述的滚动轴承，其特征在于：
所述第一圈(14)包含在轴向上彼此接触安装的至少两个部分圈(36、38)，所述套筒(40)将所述部分圈(36、38)保持在一起；
所述滚动轴承进一步包含设置在第一和第二圈(14、12)之间的至少两列滚动体(16、18)，第一圈的所述部分圈(36、38)分别为至少两列滚动体中的每一列滚动体限定出一条滚道(42、44)。
9.如前述任意一项权利要求所述的滚动轴承，其特征在于：第一圈(14)的所述套筒(40)上设置有在径向上向第二圈(12)突出的至少一处突起(54)，所述圆周槽(46)就形成在所述突起(54)上。
10.如前述任意一项权利要求所述的滚动轴承，其特征在于：光纤传感器通道(50)的延伸源自所述套筒的正向表面。
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