一种智能滚子信号采集系统的自发电装置

1.本发明属于智能滚子的自发电领域，具体涉及一种智能滚子信号采集系统的自供电装置。


背景技术：

2.轴承是机械设备必不可少的一个重要零件，在各种机械设备中，起到“关节”的作用，承担着连接各种零件的重任，在车辆、机床、风电设备、电机等领域均有广泛的应用。在工业生产过程中，轴承故障问题对设备运行产生了巨大的影响，不仅会影响生产效率和产品质量，还会带来设备损坏的严重后果。通过分析损坏的轴承，大多数故障轴承是由滚动体失效引起的，因此对轴承滚动体的监测尤为重要。
3.以往的轴承监测设备大部分还是采用将传感器放置在近于轴承的零部件外外壳上,获取各零部件以及外界干扰经过复杂处理装置所获得的振动信号,然后对信号进行分析，做出故障诊断，但对于大型轴承而言,一般是盾构机轴承，大型风电轴承等，由于转速较低，且负载大，使得故障信号难以捕捉，所以对于大型轴承滚动体的监测，提出了内置监测装置的方案,由于监测装置处于滚动体内部，采集故障信号比较容易，且受到外界干扰较小，但这样设计监测装置难以从外部获得供电，如果采用电池供电，难以满足长期实时监测的功能，所以使得内部供电成为一种可行的方式。
4.近年来，人们相继提出了许多关于大型轴承滚动体监测装置的内嵌式解决方案，并且出现了解决供电问题的内部自发电装置，但是这些装置有些难以实现，有些破坏了滚动体的结构，使滚子无法承受巨大的载荷而导致滚子失效，有些自发电装置发出的电能有限，虽有储能装置，但仍然无法满足监测装置的供电需求。同时滚子内部时刻存在着振动和较高的温度，对于内部发电装置的可靠性和耐用性提出了更高的要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种智能滚子信号采集系统的自供电装置，该装置通过外壳和底座黏附在空心滚子的内部，发电核心部分由纯机械零件构成，在持续高温和振动的情况下仍能正常运行，同时该装置还可以很好地算出发电功率，对于发电装置储能的设计提供了数据基础。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种智能滚子信号采集系统的自发电装置，包括设置在智能滚子中心孔内的发电模块和电源管理模块，发电模块通过导线和电源管理模块连接；所述发电模块中设有随滚子滚动而摆动的摆陀，摆陀下部的齿轮和偏心齿轮啮合，偏心齿轮的偏心轴上安装具有棘爪的推杆，推杆的棘爪和一侧的棘轮配合；棘轮上设有连接齿轮，连接齿轮和发条盒上方的发条齿轮啮合，发条齿轮的轮轴与发条盒内的发条内圈末端连接，发条外圈末端固定在发条盒上；发条盒的圆周和一侧的动力输出齿轮啮合，动力输出齿轮和直流发电机的电机轴连接。
7.所述偏心齿轮上的推杆设置两条。
8.所述摆陀的摆动路径上设置两个限位钉，分别限制摆陀向上和向下摆动的幅度。
9.所述发电模块中还设有用于限制动力输出齿轮转速的擒纵装置。
10.所述发电模块具有与外壳连接的底座，所述摆陀、偏心齿轮、棘轮、发条盒和直流发电机均设置在底座上，外壳为弧形板，与底座连接形成空腔。
11.发电模块和电源管理模块之间设置有分隔所述空腔的隔板。
12.所述外壳和底座粘结在智能滚子的中心孔内。
13.所述外壳和底座均与智能滚子的中心孔内壁之间留有间隙。
14.所述智能滚子信号采集系统的自发电装置还包括信号采集及处理模块和无线传输模块，信号采集及处理模块、无线传输模块与所述电源管理模块同处同一空间中，并与发电模块隔开；电源管理模块将发电模块发出的电能供信号采集及处理模块和无线传输模块使用。
15.所述电源管理模块包含输入单元、ac/dc转化单元、高频转化单元、变压单元、滤波稳压单元、输出单元和电池模组。
16.本发明的有益效果是：本发明发电核心部分由纯机械零件构成，在持续高温和振动的情况下仍能正常运行，同时该装置还可以很好地算出发电功率，对于发电装置储能的设计提供了数据基础。
附图说明
17.图1为本发明的结构示意图；图2为图1的左视图；图3为本发明中发电模块的结构示意图；图4为图3中a处的局部放大图；图5为图3的左视图；图6为发电模块中擒纵装置的结构示意图；图7为发电模块中发条盒结构示意图；图8为摆陀摆动过程中原理分析图；图9为本发明的具有自供电装置的智能滚子在轴承上的分布示意图；图中标记：1、智能滚子，2、发电模块，3、外壳，4、导线，5、电源管理模块，6、信号采集及处理模块，7、无线传输模块；201、棘轮，202、推杆，203、偏心齿轮，204、摆陀，205、限位钉，206、擒纵装置，207、动力输出齿轮，208、发条齿轮，209、发条盒，210、直流发电机，211、底座，212、发条。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
19.本发明所述的智能滚子与风力发电设备、盾构机所用大型轴承上的滚子外形相同。智能滚子和其他普通滚子均置于轴承的滚道内，围绕轴承的轴心做圆周运动，具体的，可以在轴承内放置三个智能滚子，间隔120
°
。智能滚子的中心开孔，内置有本发明的自供电装置。
20.参照附图所示，一种智能滚子信号采集系统的自供电装置主要包括设置在智能滚子1内的发电模块2和外壳3，外壳3为弧形板，罩设在发电模块2上。外壳内还设置有电源管理模块5、信号采集及处理模块6和无线传输模块7。
21.发电模块包括棘轮201、推杆202、偏心齿轮203、摆陀204、限位钉205、擒纵装置206、动力输出齿轮207、连接发条齿轮208、发条盒209和底座211，底座211与外壳3固定连接，形成容纳其他结构的空腔，并且底座211和外壳3均可以粘结在滚子的中心孔中，且外壳3和底座211均与智能滚子1的中心孔内壁之间留有间隙，通过间隙便于结构的拆装。所述摆陀204转动安装在底座211上，并随着智能滚子1的滚动，摆陀204在重力作用下摆动，底座211上设置有用于限制摆陀204摆动幅度的限位钉205，限位钉205设置两个，分别限制摆陀204向上和向下摆动的幅度；所述摆陀204的一侧设置有偏心齿轮203，偏心齿轮203与摆陀204下部的齿轮啮合，摆陀204在摆动的过程中带动偏心齿轮203转动；所述偏心齿轮203上还通过偏心轴连接有两根推杆202，推杆202端部设置有与底座211上的棘轮201配合的棘爪，由于推杆202在偏心齿轮203上的偏心轴不在齿轮中心，因此随着偏心齿轮203的转动，推杆202会产生往复运动，进而带动棘轮201转动，由于棘轮201特殊的结构，棘轮201只会朝一个方向转动，例如图所示，该棘轮201只能逆时针转动；棘轮201下方有连接齿轮，连接齿轮带动发条盒209上方的发条齿轮208转动，发条盒209转动设置在底座211上，且发条盒209内设置有发条212，发条齿轮208通过一根轴连接发条212内圈末端，发条212外圈末端连接发条盒209，随着发条齿轮208的转动，使发条212内卷，发条盒209在发条212的带动下发生转动；发条盒209圆周和底座211上的动力输出齿轮207啮合，发条盒209转动后带动动力输出齿轮207转动，动力输出齿轮207通过轴连接底座211上的直流发电机210，使直流发电机210电机轴转动发出电能。发电模块2通过导线4将发出的电能传送到电源管理模块5当中。
22.所述底座211上还设置有用于限制动力输出齿轮207转速的擒纵装置206，进而限制发条盒209的转速，使发条212在积蓄能量的过程中还能不断释放能量，这样才能保持动力输出。
23.电源管理模块5、信号采集及处理模块6和无线传输模块7均设置在所述外壳3内，并与发电模块2用隔板隔开。电源管理模块5通过导线4与直流发电机210相连，将发出的电能储存在电池中，供信号采集及处理模块6和无线传输模块7使用。
24.电源管理模块5包含输入单元、ac/dc转化单元、高频转化单元、变压单元、滤波稳压单元、输出单元、电池模组。
25.信号采集及处理模块6和无线传输模块7包括姿态传感器、加速度传感器、应变传感器、温度传感器，信号采集及处理模块6将所获得的信号传递给无线传输模块7。
26.无线传输模块7将所获得的信号以无线电波的形式发送出去。
27.通过以上构造，可以很好地算出发电模块工作时的发电的功率，计算过程如下。
28.摆陀位于初始位置时，为起始做功点，令t时刻摆陀与初始位置的夹角为θ，可以利用摆陀转动的角度和加速度来计算摆陀转动所需的时间。
29.设摆陀的质量为m，长度为l，重心距摆陀底部的距离为d，摆陀转动的角度为θ，则摆陀转动的动能可以表示为：
其中，i为摆陀的转动惯量，ω为摆陀的角速度。
30.由于摆陀转动的角度比较小，可以近似认为摆陀转动的加速度为恒定的，且角速度ω的变化可以看作匀加速直线运动。因此，可以利用以下公式计算摆陀转动所需的时间t：其中，α为角加速度。
31.由于摆陀是绕其质心转动的，因此摆陀的转动惯量为：将上述公式代入动能公式，可以得到：将动能k与重力势能相等，可以得到：其中，g为重力加速度。
32.若在t时间内做功为w，，滚子绕轴承旋转一圈，摆陀有效做功一次，即摆陀转动θ若各齿轮之间的传动总效率为μ1，发条箱的传动效率为μ2，微型直流发电机的发电效率为μ3，则发电模块工作时的发电功率为:。
33.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种智能滚子信号采集系统的自发电装置，其特征在于：包括设置在智能滚子中心孔内的发电模块和电源管理模块，发电模块通过导线和电源管理模块连接；所述发电模块中设有随滚子滚动而因自重摆动的摆陀，摆陀下部的齿轮和偏心齿轮啮合，偏心齿轮的偏心轴上安装具有棘爪的推杆，推杆的棘爪和一侧的棘轮配合；棘轮上设有连接齿轮，连接齿轮和发条盒上方的发条齿轮啮合，发条齿轮的轮轴与发条盒内的发条内圈末端连接，发条外圈末端固定在发条盒上；发条盒的圆周和一侧的动力输出齿轮啮合，动力输出齿轮和直流发电机的电机轴连接。2.根据权利要求1所述的智能滚子信号采集系统的自发电装置，其特征在于：所述偏心齿轮上的推杆设置两条。3.根据权利要求1所述的智能滚子信号采集系统的自发电装置，其特征在于：所述摆陀的摆动路径上设置两个限位钉，分别限制摆陀向上和向下摆动的幅度。4.根据权利要求1所述的智能滚子信号采集系统的自发电装置，其特征在于：所述发电模块中还设有用于限制所述动力输出齿轮转速的擒纵装置。5.根据权利要求1所述的智能滚子信号采集系统的自发电装置，其特征在于：所述发电模块具有与外壳连接的底座，所述摆陀、偏心齿轮、棘轮、发条盒和直流发电机均设置在底座上，外壳为弧形板，与底座连接形成空腔。6.根据权利要求5所述的智能滚子信号采集系统的自发电装置，其特征在于：发电模块和电源管理模块之间设置有分隔所述空腔的隔板。7.根据权利要求5所述的智能滚子信号采集系统的自发电装置，其特征在于：所述外壳和底座粘结在智能滚子的中心孔内。8.根据权利要求5所述的智能滚子信号采集系统的自发电装置，其特征在于：所述外壳和底座均与智能滚子的中心孔内壁之间留有间隙。9.根据权利要求1所述的智能滚子信号采集系统的自发电装置，其特征在于：还包括信号采集及处理模块和无线传输模块，信号采集及处理模块、无线传输模块与所述电源管理模块同处同一空间中，并与发电模块隔开；电源管理模块将发电模块发出的电能供信号采集及处理模块和无线传输模块使用。10.根据权利要求1所述的智能滚子信号采集系统的自发电装置，其特征在于：所述电源管理模块包含输入单元、ac/dc转化单元、高频转化单元、变压单元、滤波稳压单元、输出单元和电池模组。

技术总结
本发明涉及一种智能滚子信号采集系统的自发电装置，包括设置在智能滚子中心孔内的发电模块和电源管理模块，发电模块通过导线和电源管理模块连接；所述发电模块中设有随滚子滚动而摆动的摆陀，摆陀下部的齿轮和偏心齿轮啮合，偏心齿轮的偏心轴上安装具有棘爪的推杆，推杆的棘爪和一侧的棘轮配合；棘轮上设有连接齿轮，连接齿轮和发条盒上方的发条齿轮啮合，发条齿轮的轮轴与发条盒内的发条内圈末端连接，发条外圈末端固定在发条盒上；发条盒的圆周和一侧的动力输出齿轮啮合，动力输出齿轮和直流发电机的电机轴连接。本发明的发电模块可以持续稳定的在高温和振动的情况下正常运行，具有良好的耐用性和可靠性。具有良好的耐用性和可靠性。具有良好的耐用性和可靠性。


技术研发人员：仲志丹 王子豪 彭建军 郝文路 谢兴会 赵俊飞 何奎 杨芳
受保护的技术使用者：河南科技大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/5