高速混合陶瓷摩擦电轴承及其自传感状态监测方法

1.本发明涉及智能轴承技术领域，特别是涉及高速混合陶瓷摩擦电轴承及其自传感状态监测方法。


背景技术：

2.滚动轴承作为机械关键基础件，被广泛应用于电机、机床、航空航天等现代化工业设备中，其运行状态直接影响系统装备的工作性能、可靠性和寿命。随着现代工业技术的迅猛发展，对高速滚动轴承的运行健康状态监测提出了要求，高速滚动轴承的打滑和保持架不稳定运转是是最常见、最主要的失效形式。会造成滚动体及内外滚道的划伤、保持架磨损断裂，降低轴承的旋转精度，严重影响轴承的工作性能和使用寿命。因此，对滚动轴承打滑及保持架稳定性进行监测是高端轴承智能化发展的重要方向之一。目前传统的监测轴承打滑及保持架稳定性的方法诸如在轴承上安装光纤传感器、在保持架侧面安装电涡流传感器等会严重影响轴承结构的完整性和紧凑性，难以应用于航空发动机等高端装备。
3.自2012年以来，以美国佐治亚理工学院王中林教授为代表的研究团队发明了摩擦纳米发电机，其利用摩擦起电效应和静电感应效应二者的耦合效应把微小的非电能的能量转换为电能。摩擦电滚动轴承是一种融合摩擦发电原理的滚动轴承。在满足轴系支承功能的前提下，将轴承运转的机械能转化为摩擦电信号并输出。基于摩擦电信号，可实现旋转机械转速工况的自传感和状态监测。因存在面-面滑动接触而易磨损、聚合物材料强度弱、结构完整性差等问题，现有摩擦电滚动轴承难以实现高速运转，因而限制其在高速旋转机械(如航空发动机、高速电机等)中的应用。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，为解决现有高速滚动轴承打滑、保持架稳定性直接监测困难，需要额外安装大尺寸传感器的问题，以满足高性能装备轻量化、智能化的需求，本发明提出一种高速混合陶瓷摩擦电轴承，可实现对高速滚动轴承打滑率和保持架稳定性的实时监测。
6.本发明的另一个目的在于提出一种高速混合陶瓷摩擦电轴承的自传感状态监测方法。
7.为达上述目的，本发明一方面提出一种高速混合陶瓷摩擦电轴承，包括：混合材料滚动轴承和定子单元，
8.所述混合材料滚动轴承，包括金属轴承内外圈、开口式的保持架和陶瓷滚动体，所述金属轴承内外圈与所述陶瓷滚动体接触，所述保持架与所述金属轴承内外圈的侧面外圈配合；
9.所述定子单元包括，叉指电极、环氧树脂板、钕硼磁铁组和端盖支架，所述叉指电极设置在所述环氧树脂板上，所述环氧树脂板固定在所述端盖支架上，所述钕硼磁铁组设置在所述端盖支架上。
10.另外，根据本发明上述实施例的高速混合陶瓷摩擦电轴承还可以具有以下附加的技术特征：
11.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述定子单元与保持架开口侧轴承外圈內圆肩部相互配合，依靠过盈配合和所述钕硼磁铁组吸附所述金属轴承内外圈固定轴向位置。
12.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述保持架的一侧开口，使得所述陶瓷滚动体作为介电材料与所述定子单元中的叉指电极形成摩擦纳米发电机，基于所述混合材料滚动轴承转动时所述陶瓷滚动体与所述叉指电极的相对转动数据，使得感应电荷在叉指电极之间流动产生交流电信号。
13.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述叉指电极的梳齿数是陶瓷滚动体数量的整数倍，所述陶瓷滚动体与所述叉指电极非接触。
14.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述叉指电极印刷在环氧树脂板上，环氧树脂板通过强力胶水固定在端盖支架上，磁铁组镶嵌在端盖支架上形成定子单元；
15.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述混合材料滚动轴承由于采用陶瓷滚动体和高分子保持架，能够提高轴承的极限转速。
16.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述混合材料滚动轴承的保持架一侧开口，使得一组陶瓷滚动体能够作为介电材料与定子单元中的叉指电极形成摩擦纳米发电机，当滚动轴承转动时，陶瓷滚动体的公转和自转在叉指电极表面产生摩擦起电效应和静电感应，随着陶瓷滚动体与叉指电极的相对转动，感应电荷在两个叉指电极之间来回流动产生交流电信号。
17.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述定子单元中的环氧树脂板的厚度决定陶瓷滚动体与叉指电极之间的间隙，为保证摩擦电轴承的寿命，在调整间隙时应充分考虑滚动体的轴向位移。
18.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述陶瓷滚动体与叉指电极非接触，当滚动轴承正常工作时，电势差驱动感应电荷在两个叉指电极之间来回流动产生交流信号，且该交流信号频率随着所述陶瓷滚动体公转转速的变化而变化。
19.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述混合材料滚动轴承的一组陶瓷滚动体的公转转速与保持架公转转速保持一致。
20.为达上述目的，本发明另一方面提出一种高速混合陶瓷摩擦电轴承的自传感状态监测方法，包括：
21.将摩擦电轴承产生的交流电信号中的高频杂波进行滤除得到摩擦电信号；
22.根据提取的所述摩擦电信号的特征频率计算保持架实际转速；
23.根据混合材料滚动轴承的内圈转速和保持架转速计算公式计算保持架理论转速；
24.根据保持架实际转速和保持架理论转速计算保持架的打滑率。
25.本发明实施例的高速混合陶瓷摩擦电轴承及其自传感状态监测方法，以印刷叉指电极的印制电路板为主要结构，通过安装于冠型保持架开口侧，有效地收集滚动轴承陶瓷滚动体在公转过程中的产生的摩擦电能量，分析摩擦电信号评估滚动轴承实时打滑和稳定性，具有结构简单、高转速、精度高等特点，可实现对高速滚动轴承打滑率和保持架稳定性的实时监测。
26.本发明的有益效果为：
27.(1)本发明提出摩擦电轴承，陶瓷滚动体兼具摩擦发电机介电元件和轴承元件功能，简化了摩擦电轴承的结构，轴承结构完整性和功能完整性未被破坏，且陶瓷滚动体使得此摩擦电轴承能够实现高转速轴承状态监测，最高转速达到现有摩擦电轴承的三倍以上。
28.(2)本发明提出摩擦电轴承，公转的陶瓷滚动体与静止的叉指电极静电感应产生交流电信号。该交流电信号的频率会随着滚动轴承的滚珠的公转转速同步变化，因此对该传感产生的交流信号频率进行采集并进行相关计算即可计算滚动轴承打滑率，对该传感器产生的交流信号的周期进行统计纷纷能够评估保持架稳定性。由于该摩擦电轴承采用非接触模式和混合材料滚动轴承，故其具有超长的服役寿命和极高的稳定性，可实现对滚动轴承实时状态监测，具有自驱动传感、检测范围广服役寿命长等优点。
29.(3)使用过程中可同时组合多个高速混合陶瓷摩擦电轴承的输出，从而进一步提高输出电量，具有解决无线传感器网络节点供电问题的潜力。
30.(4)大大减小了摩擦发电的制造和更换成本，仅需将定子单元嵌入轴承保持架开口一侧即可，安装便捷。
31.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
32.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
33.图1是根据本发明实施例的高速混合陶瓷摩擦电轴承的结构示意图；
34.图2是根据本发明实施例的高速混合陶瓷摩擦电轴承结构整体装配图；
35.图3是根据本发明实施例的高速混合陶瓷摩擦电轴承发电原理图；
36.图4是根据本发明实施例的高速混合陶瓷摩擦电轴承的自传感状态监测方法流程图；
37.图5是根据本发明实施例的三种转速工况下混合陶瓷摩擦电轴承输出电流信号时域波形图；
38.图6是根据本发明实施例的不同转速载荷工况下轴承整体打滑率示意图；
39.图7是根据本发明实施例的保持架瞬态转速信息示意图；
40.图8是根据本发明实施例的保持架瞬时转速数据正态分布函数示意图。
41.附图标记说明：1.轴承内外圈；2.冠型保持架；3.陶瓷滚动体；4.叉指电极；5.环氧树脂板；6.磁铁块；7.端盖支架。
具体实施方式
42.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
43.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
44.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的高速混合陶瓷摩擦电轴承及其自传感状态监测方法。
45.图1是本发明实施例的高速混合陶瓷摩擦电轴承的结构示意图。
46.如图1所示，该高速混合陶瓷摩擦电轴承，混合材料滚动轴承和定子单元，
47.所述混合材料滚动轴承，包括金属轴承内外圈1、开口式的保持架2和陶瓷滚动体3，所述金属轴承内外圈1与所述陶瓷滚动体3接触，所述保持架2与所述金属轴承内外圈1的侧面外圈配合；
48.所述定子单元包括，叉指电极4、环氧树脂板5、钕硼磁铁组6和端盖支架7，所述叉指电极4设置在所述环氧树脂板5上，所述环氧树脂板5固定在所述端盖支架7上，所述钕硼磁铁组6设置在所述端盖支架7上。
49.作为本发明的一些实施例，如图2所示，该摩擦电轴承包括混合材料滚动轴承和定子单元，混合材料滚动轴承包括金属轴承内外圈1、高分子材料pa66冠型开口保持架2、氧化锆陶瓷滚动体3，定子单元包括0.1mm厚铜质叉指电极4、环氧树脂板5、钕硼磁铁组6和亚克力端盖支架7。铜质叉指电极4印刷在环氧树脂板5上，环氧树脂板5通过强力胶水固定在亚克力端盖支架7上，钕硼磁铁组镶嵌6在端盖支架7上形成定子单元；陶瓷滚动体3数量为9个，与铜质叉指电极4梳齿数相同；定子单元与冠型保持架轴承的保持架开口侧轴承外圈內圆肩部相配合，依靠过盈配合和钕硼磁铁组6吸附金属轴承内外圈1固定轴向位置；定子单元中的环氧树脂板5的厚度为1.6mm,设置陶瓷滚动体3与叉指电极4之间的间隙为0.1mm。
50.作为本发明的一些实施例，如图2所示，选用的轴承型号为6206轴承，轴承外圈肩部内径为52.46mm，轴承内圈肩部外径为40.7mm，滚动体直径为9.56mm，保持架开口长度为4.54mm，端盖支架3的轴向厚度为2mm,端盖支架7的外径小于轴承外圈外径0.5～1mm。
51.进一步的，本发明的基于冠型保持架的高速混合陶瓷摩擦电轴承的发电原理是将滚动体机械能转化为电能，如图3所示为摩擦电轴承一个运行周期的发电原理图。由于初始的摩擦和空气摩擦起电效应，陶瓷滚动体3与叉指电极4之间存在对应的感应电荷；陶瓷滚动体3在与叉指电极的相对运动中，感应电荷在两极交替运动，叉指电极连接的外接负载中将产生周期性的交变电流，从而驱动负载工作。电流的周期与滚珠的公转周期和滚动体数量之积、叉指电极梳齿数保持正比。
52.根据本发明实施例的高速混合陶瓷摩擦电轴承，大大减小了摩擦发电的制造和更换成本，仅需将定子单元嵌入轴承保持架开口一侧即可，还可以有效地收集滚动轴承陶瓷滚动体在公转过程中的产生的摩擦电能量，分析摩擦电信号评估滚动轴承实时打滑和稳定性，具有结构简单、高转速、精度高等特点。
53.为了实现上述实施例，如图4所示，本实施例中还提供了高速混合陶瓷摩擦电轴承的自传感状态监测方法，包括：
54.s1，将摩擦电轴承产生的交流电信号中的高频杂波进行滤除得到摩擦电信号；
55.s2，根据提取的摩擦电信号的特征频率计算保持架实际转速；
56.s3，根据混合材料滚动轴承的内圈转速和保持架转速计算公式计算保持架理论转速；
57.s4，根据保持架实际转速和保持架理论转速计算保持架的打滑率。
58.在本发明的一些实施例中，利用静电采集设备记录高速混合陶瓷摩擦电轴承产生的交流电流或电压信号，通过信号处理模块将原始正弦信号中的高频杂波滤除，获取稳定的摩擦电信号。
59.具体地，利用静电采集设备记录高速混合陶瓷摩擦电轴承产生的交流电流或电压信号，通过信号处理模块将原始正弦信号中的高频杂波滤除，获取稳定的摩擦电信号；如图5所示，测试了高速混合陶瓷摩擦电轴承在3种不同转速下(3000，4500，6000rpm)的短路电流时域波形，可以看出高速混合陶瓷摩擦电轴承产生的交流电流的幅值随转速升高而升高，交流电流的周期随转速升高而降低。
60.在本发明的一些实施例中，对摩擦电信号做傅里叶变换，提取摩擦电信号的特征频率，依据此特征频率计算保持架的实际转速。
61.具体地，对摩擦电信号做傅里叶变换，提取摩擦电信号的特征频率，依据此特征频率计算保持架的实际转速；实际转速的计算方法如下：
62.nc＝f
sig
×
60/ne63.其中nc为保持架的公转转速，f
sig
为交流电信号的特征频率，ne为叉指电极中的梳齿数。
64.在本发明的一些实施例中，根据滚动轴承的内圈转速和保持架转速计算公式，计算保持架理论转速。
65.具体地，根据滚动轴承的内圈转速和保持架转速计算公式，计算保持架理论转速：
[0066][0067]
其中n
bm
为保持架理论转速，ωi为轴承内圈转速，d为滚珠直径，dm为轴承节圆直径，α0为轴承接触角。
[0068]
在本发明的一些实施例中，根据保持架实际转速与保持架理论转速计算保持架打滑率。
[0069]
具体地，根据保持架实际转速与保持架理论转速计算保持架打滑率：
[0070][0071]
其中r
sk
为轴承总体打滑率。如图6为本实例中摩擦电轴承在不同转速载荷工况下轴承整体打滑率，可以看出轴承运行转速达到15000rpm，滚动轴承在低速下打滑率较高，在低载荷-高转速下的绝对打滑速度更高。
[0072]
在本发明的一些实施例中，根据处理后的摩擦电信号的时域波形，获取交流电信号每个正弦周期所需要的时间，根据周期计算保持架的瞬时转速。
[0073]
具体地，根据处理后的摩擦电信号的时域波形，获取交流电信号每个正弦周期所需要的时间，根据周期计算保持架的瞬时转速；如图7即为轴承转速15000rpm下，载荷750n下的3s内的保持架瞬态公转转速信息。
[0074]
在本发明的一些实施例中，统计一段时间内的所有保持架瞬时转速，利用正态分布函数拟合这一组瞬时转速数据。
[0075]
具体地，统计一段时间内的所有保持架瞬时转速，利用正态分布函数拟合这一组
瞬时转速数据；如图8即为在上述图7工况中保持架瞬时转速数据分布情况和正态分布拟合曲线。
[0076]
在本发明的一些实施例中，正态分布函数中的参数指标作为评估保持架稳定性的依据。
[0077]
具体地，正态分布函数中的参数指标作为评估保持架稳定性的依据，正态分布函数如下所示：
[0078][0079]
其中σ，μ分别为该正态分布的标准差和数学期望，x为距离平均转速的偏差，exp代表以自然常数e为底的指数函数。这里将σ和μ的值作为评估保持架稳定性的指标，σ越大，说明保持架瞬时转速的分布越分散，稳定性越差。μ值距离0越远，说明保持架瞬时转速分布距离平均转速越不对称，稳定性越差。
[0080]
可以知道的是，本发明所述的基于冠型保持架的高速混合陶瓷摩擦电轴承及自传感状态监测方法的工作原理为：
[0081]
当滚动轴承正常工作时，陶瓷滚动体3作为滚动元件和介电材料，开口保持架2里的陶瓷滚动体3的公转和自转与叉指电极4表面产生摩擦起电效应和静电感应，随着陶瓷滚动体3与叉指电极4的相对转动，感应电荷在两个叉指电极4之间周期性流动，产生交流电信号。该交流电信号的频率会随着滚动轴承的保持架2公转转速或陶瓷滚动体3的公转转速同步变化。对该传感产生的交流信号频率进行采集并进行相关计算即可计算滚动轴承打滑率，对该传感器产生的交流信号的周期进行统计纷纷能够评估保持架稳定性。
[0082]
综上，本发明实施例简化了摩擦电轴承的结构，轴承结构完整性和功能完整性未被破坏，且陶瓷滚动体使得此摩擦电轴承能够实现高转速轴承状态监测，最高转速达到现有摩擦电轴承的三倍以上。
[0083]
根据本发明实施例的高速混合陶瓷摩擦电轴承的自传感状态监测方法，使用过程中可同时组合多个高速混合陶瓷摩擦电轴承的输出，从而进一步提高输出电量，具有解决无线传感器网络节点供电问题的潜力。大大减小了摩擦发电的制造和更换成本，仅需将定子单元嵌入轴承保持架开口一侧即可，安装便捷。
[0084]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0085]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

技术特征：
1.一种高速混合陶瓷摩擦电轴承，其特征在于，包括混合材料滚动轴承和定子单元，所述混合材料滚动轴承，包括金属轴承内外圈、开口式的保持架和陶瓷滚动体，所述金属轴承内外圈与所述陶瓷滚动体接触，所述保持架与所述金属轴承内外圈的侧面外圈配合；所述定子单元包括，叉指电极、环氧树脂板、钕硼磁铁组和端盖支架，所述叉指电极设置在所述环氧树脂板上，所述环氧树脂板固定在所述端盖支架上，所述钕硼磁铁组设置在所述端盖支架上。2.根据权利要求1所述的高速混合陶瓷摩擦电轴承，其特征在于，所述定子单元与保持架开口侧轴承外圈內圆肩部相互配合，依靠过盈配合和所述钕硼磁铁组吸附所述金属轴承内外圈固定轴向位置。3.根据权利要求1所述的高速混合陶瓷摩擦电轴承，其特征在于，所述保持架的一侧开口，使得所述陶瓷滚动体作为介电材料与所述定子单元中的叉指电极形成摩擦纳米发电机，基于所述混合材料滚动轴承转动时所述陶瓷滚动体与所述叉指电极的相对转动数据，使得感应电荷在叉指电极之间流动产生交流电信号。4.根据权利要求1所述的高速混合陶瓷摩擦电轴承，其特征在于，所述叉指电极的梳齿数是陶瓷滚动体数量的整数倍，所述陶瓷滚动体与所述叉指电极非接触。5.一种应用于权利要求1-4中任一一项所述的高速混合陶瓷摩擦电轴承的自传感状态监测方法，其特征在于，包括：将摩擦电轴承产生的交流电信号中的高频杂波进行滤除得到摩擦电信号；根据提取的所述摩擦电信号的特征频率计算保持架实际转速；根据混合材料滚动轴承的内圈转速和保持架转速计算公式计算保持架理论转速；根据保持架实际转速和保持架理论转速计算保持架的打滑率。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：根据所述摩擦电信号的时域波形得到交流电信号的每个正弦周期所需要的时间，并根据周期计算保持架的瞬时转速；统计预设时间内的所有保持架的所述瞬时转速得到瞬时转速统计结果，利用正态分布函数拟合所述瞬时转速统计结果得到参数指标；根据所述参数指标对所述保持架的稳定性进行评估得到稳定性评估结果。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述保持架实际转速的计算公式为：n
c
＝f
sig
×
60/n
e
其中，n
c
为保持架的公转转速，f
sig
为交流电信号的特征频率，n
e
为叉指电极中的梳齿数。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述保持架理论转速的计算公式为：其中，n
bm
为保持架理论转速，ω
i
为轴承内圈转速，d为滚珠直径，d
m
为轴承节圆直径，α0为轴承接触角。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述保持架的打滑率的计算公式为：
其中，r
sk
为轴承总体打滑率。10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述正态分布函数的表达式为：其中，σ，μ分别为该正态分布的标准差和数学期望，x为距离平均转速的偏差。

技术总结
本发明公开了高速混合陶瓷摩擦电轴承及其自传感状态监测方法，该方法包括：将摩擦电轴承产生的交流电信号中的高频杂波进行滤除得到摩擦电信号；根据提取的摩擦电信号的特征频率计算保持架实际转速；根据混合材料滚动轴承的内圈转速和保持架转速计算公式计算保持架理论转速；根据保持架实际转速和保持架理论转速计算保持架的打滑率。本发明可有效地收集滚动轴承陶瓷滚动体在公转过程中的产生的摩擦电能量，分析摩擦电信号评估滚动轴承实时打滑和稳定性，具有结构简单、高转速、精度高等特点。点。点。


技术研发人员：韩勤锴 高帅
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/9/7