用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪系统、用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪方法及轴承

摘要

一种用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪系统、用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪方法及轴承，跟踪系统在轴承可动部件(1)设置有基于微机电系统的参数采集模块(12)和参数发送模块(14)。这样，一方面能够通过参数采集模块(12)实时采集轴承可动部件的预定位置处的空间运动参数，另一方面还能够通过参数发送模块(14)将该空间运动参数优选实时发送到指定设备，进而借助于指定设备基于这些空间运动参数获得轴承可动部件的空间运动状态，从而能够对轴承可动部件的运动特性进行总结和分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微机电传感器对轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪领域，更具体地涉及用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪系统、用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪方法及轴承。

背景技术

在现有技术中，对轴承内部的滚动体和保持架的运动状态和受力状态进行测量和追踪并且详细了解并掌握轴承内部的滚动体和保持架的运动特性及受力特性，能够帮助轴承设计及研发人员更准确地找到轴承的设计和优化的方向。但是，由于轴承一般密封条件较好并且轴承内部充满润滑介质，因此难以直接得到轴承内部的滚动体和保持架的真实运动状态和受力状态。

现在，一般通过建立运动学模型和力学模型，然后利用数值计算及模拟得到滚动体和保持架各自的运动状态和受力状态。但是由于这种建立模型的方法一般基于较多的假设，所以通过这种方法分析得到保持架及滚动体的运动特性和受力特性的结果通常难以得到验证，其准确性难以保证。而且，通过实验室搭建台架的方法也只能对特定工况下的轴承进行评估，不能应用到真实的轴承工况下进行实时的监控。因此，亟需对轴承可动部件的真实运动状态进行检测和跟踪的技术。

发明内容

基于上述现有技术的缺陷而做出了本发明。本发明的一个目的在于提供一种用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪系统，其能够实时地采集轴承可动部件的至少一个预定位置的空间运动参数并且将该空间运动参数发送到指定设备中进行处理。本发明的另一个目的在于提供用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪方法及利用上述技术的轴承。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案。

本发明提供了一种如下的用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪系统，包括：参数采集模块，所述参数采集模块附着于所述轴承可动部件并且用于采集所述轴承可动部件的至少一个预定位置的空间运动参数；以及参数发送模块，所述参数发送模块与所述参数采集模块数据连通，以用于传输所述参数采集模块采集的所述空间运动参数和/或用于存储所述空间运动参数。

优选地，所述参数采集模块包括至少一个基于微机电系统的参数采集感测单元。

更优选地，每个所述参数采集感测单元用于实时采集其所在位置的所述空间运动参数。

优选地，所述参数采集及跟踪系统还包括控制模块和供电模块，所述控制模块与所述参数采集模块和所述参数发送模块均数据连通，用于实现对所述参数采集模块和所述参数发送模块的工作进行控制；并且所述供电模块与所述参数采集模块、所述参数发送模块和所述控制模块均电连接，使得所述供电模块对所述参数采集模块、所述参数发送模块和所述控制模块供电。

优选地，所述参数采集及跟踪系统还包括位于所述轴承可动部件的外部的参数接收模块和参数处理模块，所述参数接收模块与所述参数发送模块数据连通以接收来自所述参数发送模块的包含所述空间运动参数的信号，所述参数处理模块与所述参数接收模块数据连通，以用于对所述参数接收模块接收到的所述信号进行处理。

更优选地，所述参数处理模块包括用于对所述信号进行信号放大的信号放大单元和用于对所述信号进行信号滤波的信号滤波单元。

本发明还提供了一种如下的轴承，包括：轴承可动部件；至少一个传感器，所述至少一个传感器附着于所述轴承可动部件并且用于采集所述轴承可动部件的至少一个预定位置的空间运动参数；以及信号发送器，所述信号发送器与所述至少一个传感器数据连通，以用于传输所述至少一个传感器采集的所述空间运动参数和/或用于存储所述空间运动参数。

优选地，所述至少一个传感器为基于微机电系统的运动传感器。

更优选地，每个所述传感器用于实时采集其所在位置的所述空间运动参数。

优选地，所述运动传感器包括加速度计、陀螺仪和地磁场传感器中的至少一者。

优选地，所述轴承还包括中央处理器和电源，所述中央处理器与所述至少一个传感器和所述信号发送器均数据连通，用于实现对所述至少一个传感器和所述信号发送器的动作的控制，并且所述电源用于与所述至少一个传感器、所述信号发送器和所述中央处理器均电连接，使得所述电源对所述至少一个传感器、所述信号发送器和所述中央处理器供电。

更优选地，所述至少一个传感器、所述信号发送器、所述中央处理器和所述电源以不影响所述轴承可动部件正常运动的方式附着于所述轴承可动部件。

优选地，所述轴承可动部件包括轴承的滚动体和保持架。

更优选地，所述滚动体为滚子，所述滚子包括能够与所述轴承的滚道接触的外周面以及位于所述滚子的轴向两端部的端面，并且所述滚子的轴向两端部的端面均形成有安装凹部，各所述安装凹部均收纳安装一个所述传感器。

更优选地，所述传感器设置于所述滚子的轴向一端部的第一预定位置和所述滚子的轴向另一端部的第二预定位置，使得所述传感器能够采集所述第一预定位置的空间运动参数和所述第二预定位置的空间运动参数。

更优选地，所述第一预定位置和所述第二预定位置位于所述滚子的中心轴线上且相对于所述滚子的几何中心对称布置。

更优选地，所述滚动体为球，所述球的内部形成有安装腔，所述安装腔内设置有所述传感器，使得所述传感器能够采集所述球的几何中心的空间运动参数。

本发明还提供了一种用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪方法，包括：采集轴承可动部件的至少一个预定位置的空间运动参数；以及传输和处理所述空间运动参数和/或暂时存储所述空间运动参数以用于延迟传输和处理。

优选地，对所述空间运动参数的处理包括对包含该参数的信号进行信号放大和信号滤波以及利用所获得的参数建立与时间相关的参数曲线。

更优选地，对所述空间运动参数的处理还包括利用所述参数曲线与利用仿真计算建立的基准参数曲线进行比较验证。

优选地，采集轴承可动部件的至少一个预定位置的空间运动参数，包括：在所述轴承可动部件为滚子的情况下，分别采集所述滚子的轴向一端部的第一预定位置的空间运动参数和所述滚子的轴向另一端部的第二预定位置的空间运动参数。

更优选地，所述空间运动参数包括空间位置参数，所述第一预定位置和所述第二预定位置位于所述滚子的中心轴线上且相对于所述几何中心对称布置，当在预定时间点采集的所述第一预定位置的空间位置参数在三个空间坐标轴上的线性数值分别为x1、y1、z1且采集的所述第二预定位置的空间位置参数在三个空间坐标轴上的线性数值分别为x2、y2、z2时，所述滚子的几何中心的空间位置参数在三个空间坐标轴上的线性数值分别为(x1+x2)/2、(y1+y2)/2、(z1+z2)/2。

更优选地，所述空间运动参数包括空间角度参数，所述第一预定位置和所述第二预定位置位于所述滚子的中心轴线上且相对于所述几何中心对称布置，当在预定时间点采集的所述第一预定位置的空间角度参数绕着三个空间坐标轴的转动角度数值为α1、β1、γ1且采集的所述第二预定位置的空间角度参数绕着三个坐标轴的转动角度数值为α2、β2、γ2时，所述滚子的几何中心的空间角度参数绕着三个坐标轴的转动角度数值为(α1+α2)/2、(β1+β2)/2、(γ1+γ2)/2。

优选地，采集轴承可动部件的至少一个预定位置的空间运动参数，包括：通过基于微机电系统的传感器实时采集所述轴承可动部件的至少一个预定位置的空间运动参数。

通过采用上述技术方案，本发明提供了一种用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪系统，该系统包括附着于轴承可动部件的基于微机电系统的参数采集模块和参数发送模块。这样，一方面能够通过参数采集模块实时采集轴承可动部件的预定位置处的空间运动参数，另一方面还能够通过参数发送模块将该空间运动参数优选实时发送到指定设备，进而借助于指定设备基于这些空间运动参数获得轴承可动部件的空间运动状态，从而能够对轴承可动部件的运动特性进行总结和分析。另外，本发明还提供了用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪方法，该方法能够通过采集轴承可动部件的空间运动参数对轴承可动部件的空间运动状态进行追踪。此外，本发明还提供了采用上述技术的轴承。

附图说明

图1示出了根据本发明的用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪系统的结构框图。

图2a示出了采用图1中的系统的轴承可动部件的一个示例(圆柱滚子)的剖视示意图；图2b示出了图2a中的圆柱滚子的剖视立体图；图2c示出了基于图2a中的圆柱滚子采集第一预定位置和第二预定位置的空间位置参数和绕质心的空间角度参数的说明性示意图。图2d和图2e示出了图2a中的圆柱滚子的几何中心(质心)的倾斜角和歪斜角的说明性示意图。

图3示出了采用图2a至图2c中的圆柱滚子的圆锥滚子轴承的结构示意图。

图4a至图4c示出了基于仿真计算圆柱滚子的几何中心的三个线性位移量、倾斜角和歪斜角的数值随着时间变化的曲线图。

附图标记说明

1轴承可动部件 11供电模块 12参数采集模块 13控制模块 14参数发送模块 2基站 21参数接收模块 22参数处理模块

1a圆柱滚子 1c安装凹部 11a电源 12a传感器 13a中央处理器 14a信号发送器2a外圈 3a保持架 4a内圈

A轴向 R径向 P1第一预定位置 P2第二预定位置。

具体实施方式

以下将结合说明书附图详细说明本发明的具体实施方式。将首先说明用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪系统的基本结构。

(用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪系统的基本结构)

如图1所示，根据本发明的用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪系统用于例如滚动体和保持架的轴承可动部件1并且包括供电模块11、参数采集模块12、控制模块13、参数发送模块14以及参数接收模块21和参数处理模块22(最后两者组成基站2)。

具体地，在本实施方式中，轴承可动部件1可以是收纳于轴承的外圈和内圈之间的滚道内的滚动体，该滚动体可以是球、圆柱滚子1a(如图2a至图2c所示)、圆锥滚子和滚针等；轴承可动部件1也可以是保持上述滚动体的保持架。

在本实施方式中，供电模块11附着于轴承可动部件1并且供电模块11与参数采集模块12、控制模块13和参数发送模块14均电连接，使得供电模块11对参数采集模块12、控制模块13和参数发送模块14供电，从而保证参数采集模块12、控制模块13和参数发送模块14正常工作所需的电能。

另外，该供电模块11优选是微型电池并且采用无线充电的方式。由于轴承使用寿命一般较长，为了满足整个系统的长时间正常运行，需要性能较高电池。经由供电模块11还能够实现整个系统的自动睡眠和唤醒功能，在检测到轴承处于静止状态时自动睡眠，这样可以降低系统的整体功耗。

在本实施方式中，参数采集模块12是基于微机电系统(MEMS)的用于实时采集轴承可动部件1的预定位置的空间运动参数的传感器，因此参数采集模块12的尺寸能够非常小。参数采集模块12附着于轴承可动部件1，优选地设置于轴承可动部件1的内部并且一个参数采集模块12用于实时采集轴承可动部件1的一个预定位置的空间运动参数。

进一步地，参数采集模块12优选包括(三轴)加速度计、(三轴)陀螺仪和(三轴)地磁场传感器，这里选用的传感器性能足够高，能够实现完整的参数测量，信号采集，且能抗混叠，抗噪声；并且这里选用的传感器功耗较低，这样能够保证在轴承失效之前功能持续有效。

在本实施方式中，控制模块13附着于轴承可动部件1并且控制模块13与参数采集模块12和参数发送模块14均数据连通。这样，控制模块13能够控制参数采集模块12实现空间运动参数的实时采集，并且控制模块13能够对这些参数进行初步处理。进一步地，控制模块13还能够控制参数发送模块14实时地向参数接收模块21传输采集到的空间运动参数或者暂时存储所采集到的空间运动参数以延时发送。

在本实施方式中，参数发送模块14附着于轴承可动部件1并且与控制模块13直接数据连通，从而与参数采集模块12实现了间接的数据连通，以用于向基站2的参数接收模块21传输参数采集模块12实时采集的空间运动参数。该参数发送模块14采用现有的无线传输技术，例如蓝牙、wifi等。

另外，如果在实际应用过程中不需要进行实时传输，则该参数发送模块14也可以用作参数暂存器，以暂时存储所采集到的空间运动参数。

在本实施方式中，包括彼此数据连通的参数接收模块21和参数处理模块22的基站2位于轴承可动部件1所在的轴承的外部。

具体地，参数接收模块21与参数发送模块14对应以接收来自参数发送模块14的参数信号。参数处理模块22具备对参数进行建模和分析的模块之外还至少具有放大器和滤波器。这样，该参数处理模块22除了能够对该参数信号进行必要的建模和分析之外，还能够对参数接收模块21接收到的参数信号进行包括放大和滤波等的其它处理。

以上说明了用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪系统的基本结构。以下将以圆柱滚子作为轴承可动部件1的示例说明采用上述用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪系统的轴承可动部件1的示例(圆柱滚子)的结构以及包括该圆柱滚子的圆锥滚子轴承的结构。

(采用轴承滚动体的空间运动跟踪系统的圆柱滚子及包括该圆柱滚子的圆锥滚子轴承的结构)

需要说明的是，在以下的说明中，轴向和径向分别是指圆柱滚子的轴向和径向；并且轴向一端部是指图2a中的左端部，轴向另一端部是指图2a中的右端部。

如图2a至图2c所示，在本实施方式中，采用轴承滚动体的空间运动跟踪系统的轴承可动部件1为圆柱滚子1a。该圆柱滚子1a整体为圆柱形状并且包括与轴承的滚道接触的外周面以及位于滚子的轴向A上的两端部(即轴向两端部)的端面，滚子的轴向两端部的端面均形成有安装凹部1c，电源11a、中央处理器13a、传感器12a和信号发送器14a顺序安装于该安装凹部1c。该安装凹部1c在径向R上的尺寸小于对应的端面的在径向R上的尺寸，并且安装凹部1c的中心轴线与圆柱滚子1a的中心轴线保持一致。

具体地，从各安装凹部1c的底部起朝向该安装凹部1c的开口，依次设置电源11a、中央处理器13a、传感器12a和信号发送器14a，并且使得信号发送器14a不超出该信号发送器14a所设置的安装凹部1c对应的端面，这样电源11a、中央处理器13a、传感器12a和信号发动器14a以不会影响圆柱滚子1a的正常运动的方式附着于圆柱滚子1a。

如图3所示，采用上述圆柱滚子1a的圆锥滚子轴承包括彼此相对的外圈2a和内圈4a，在外圈2a和内圈4a之间形成收纳圆柱滚子1a的滚道。多个现有技术的圆柱滚子与上述至少一个本发明的圆柱滚子1a由保持架3a保持在滚道内。这样，能够实时采集上述至少一个本发明的圆柱滚子1a的空间运动参数。该空间运动参数包括空间上6个自由度的参数(如图2c至图2e所示)，即在三维空间的三个坐标轴(x轴、y轴和z轴)上的线性偏移量和绕着这三个坐标轴的旋转角度。基于所采集到的空间运动参数，得到了反映圆柱滚子1a的真实空间运动状态及姿态的曲线，从而可以进行进一步验证和分析。具体地，可以通过直接测量以及进一步验证和分析至少得到如下的参数/数学模型：

1.圆柱滚子1a在三个坐标轴上的位置和圆柱滚子1a绕几何中心(质心)的三个转动角度；

2.圆柱滚子1a的与六个自由度对应的速度和加速度；

3.圆柱滚子1a和保持架3a的打滑特性；

4.润滑介质的润滑性能；

5.滚道和圆柱滚子1a的缺陷及轴承寿命；以及

6.保持架3a的结构变形。

以上说明了采用本发明的技术的轴承可动部件1的示例(圆柱滚子1a)的结构以及包括该圆柱滚子1a的圆锥滚子轴承的结构，以下将结合该示例说明参数采集及跟踪方法。

(用于轴承可动部件的空间运动的参数采集及跟踪方法)

概括来说，基于圆柱滚子1a的空间运动的参数采集及跟踪方法包括如下过程：

通过安装于圆柱滚子1a的轴向两端部的安装凹部1c内的传感器12a分别实时测量圆柱滚子1a的轴向一端部的第一预定位置P1的空间运动参数和滚子的轴向另一端部的第二预定位置P2的空间运动参数；以及

在传感器12a实时测量和采集空间运动参数之后，通过信号发送器14a将该空间运动参数发送到基站2的参数接收模块21，基站2的参数处理模块22利用参数接收模块21接收到的参数信号跟踪滚子的几何中心的任意时刻的空间运动参数。

更具体地，如图2c所示，该第一预定位置P1和第二预定位置P2一般为各传感器12a上的点，优选为传感器12a的几何中心。进一步地，第一预定位置P1和第二预定位置P2在滚子的中心轴线上且相对于几何中心对称布置。这样，能够方便地经由实时采集的第一预定位置P1的空间运动参数和第二预定位置P2的空间运动参数计算滚子的几何中心的任意时刻的空间运动参数。如上所述，以空间位置参数和绕几何中心(质心)的空间角度参数为例说明如何获得该空间运动参数。

关于空间位置参数，当在预定时间点所采集的第一预定位置P1的空间位置参数在三个空间坐标轴上的线性数值(偏移量)分别为x1、y1、z1且所采集的第二预定位置P2的空间位置参数在三个空间坐标轴上的线性数值分别为x2、y2、z2时，则圆柱滚子1a的几何中心的空间位置参数在三个空间坐标轴上的线性数值分别为(x1+x2)/2、(y1+y2)/2、(z1+z2)/2。

关于空间角度参数，当在预定时间点采集的第一预定位置P1的空间角度参数绕着三个空间坐标轴的转动角度数值为α1、β1、γ1且采集的第二预定位置P2的空间角度参数绕着三个坐标轴的转动角度数值为α2、β2、γ2时，圆柱滚子1a的几何中心的空间角度参数绕着三个坐标轴的转动角度数值为(α1+α2)/2、(β1+β2)/2、(γ1+γ2)/2。在这三个转动角度数值中，如图2d和图2e所示，在yz平面中产生的倾斜角α以及在xy平面中产生的歪斜角γ具有非常重要的参考意义。

这样，一方面，当对以上的空间运动参数进行测量之后能够将圆柱滚子1a的几何中心的空间位置参数在三个空间坐标轴上的数值所建立的曲线与通过仿真计算得到的图4a中的圆柱滚子1a的几何中心的空间位置参数的基准曲线进行比较来进行验证和分析，从而得到期望的结果。另一方面，还能够将圆柱滚子1a的几何中心的倾斜角α和歪斜角γ的数值所建立的曲线与通过仿真计算得到的图4b和图4c中的圆柱滚子1a的几何中心的倾斜角和歪斜角的基准曲线进行比较来进行验证和分析，从而得到期望的结果。

以上对本发明的具体实施方式进行了详细地阐述，但是还需要说明的是：

I.当滚动体1为球时，可以在球的内部形成有供电源11a、传感器12a、中央处理器13a和信号发送器14a安装的安装腔，使得传感器12a测量球的几何中心的空间运动参数。

II.虽然在以上的具体实施方式中仅说明了将跟踪系统的电源11a、传感器12a、中央处理器13a和信号发送器14a附着于滚动体，但是也可以将这些部件集成于保持架3a的适当位置。

III.本发明的技术方案能够基于原始信号处理后的参数信号对轴承运行状态进行评估。在确定的轴承工况下，轴承可动部件的运动特性具有一定的规律性，例如滚动体的几何中心轨迹、绕几何中心的转动角等具有一定的规律性。通过本发明的跟踪系统可以在前期不断收集并建立起轴承可动部件的运动规律数据库，基于该数据库可以获得表示对应特定的失效模式的轴承可动部件的特定的运动特性。

另外，利用根据本发明的跟踪系统可以持续不断实现对轴承可动部件的监控，可以确保轴承使用周期的安全可预测性。一方面，可以监控轴承的工作状态，为轴承的设计和研发找到可靠的依据。对建立的轴承动力学数值模拟模型(基准曲线)进行验证和校正。另一方面，可以将根据本发明的系统直接应用到轴承实际工作过程中，实现对轴承实时健康维护，对工作异常的轴承实现提前预警。此外，根据本发明的系统实现了模块化，便于安装和使用。