滚动轴承单元
阅读说明：本技术 滚动轴承单元 (Rolling bearing unit ) 是由 蔡福强 吴丽娟 刘志恒 贾宪林 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种滚动轴承单元,其包括滚动轴承和保持架状态监测组件(60,70)。滚动轴承包括外圈(10)、保持架(40)和至少一列滚动体(20),其中,外圈的内周表面构造有挡边部,其中,保持架同心地布置在外圈的径向内侧并且在正常运行时相对挡边部形成径向间隙。保持架状态监测组件(60,70)包括：不透光涂层(62,72),其局部地设置在挡边部的内周表面处并且能够因保持架在非正常运行时的接触而磨损；光学传感器(61,71),其设置在位于外圈处的容纳孔(11)中,其中,光学传感器能够朝向不透光涂层发射出发射光并且检测发射光在不透光涂层处反射的反射光,其中,在反射光的减少量随不透光涂层的磨损达到阈值时能够判定保持架失效。(The invention relates to a rolling bearing unit comprising a rolling bearing and a cage condition monitoring assembly (60, 70). The rolling bearing comprises an outer ring (10), a cage (40) and at least one row of rolling bodies (20), wherein the inner circumferential surface of the outer ring is configured with a rim portion, wherein the cage is concentrically arranged radially inside the outer ring and forms a radial gap with respect to the rim portion during normal operation. The cage condition monitoring assembly (60, 70) includes: an opaque coating (62, 72) which is partially provided at an inner peripheral surface of the flange portion and which can be worn by contact due to abnormal operation of the holder; an optical sensor (61, 71) which is arranged in the receiving opening (11) at the outer ring, wherein the optical sensor is capable of emitting a radiation towards the light-impermeable coating and detecting a reflected radiation of the radiation reflected at the light-impermeable coating, wherein a cage failure can be determined when the reduction of the reflected radiation reaches a threshold value as the light-impermeable coating wears.)
技术领域
本发明涉及轴承技术领域。本发明具体地涉及一种具有保持架状态监测组件的滚动轴承单元。
背景技术
对滚动轴承进行有效的状态监控与故障诊断对于保障机械安全运转和节约开支具有重要意义。目前，在一类轴承状态监测系统中，可以通过发现轴承疲劳来检测轴承的早期故障。在比较常见的另一类轴承状态监测系统中，可以借助对振动的测量监测轴承的滚道磨损情况，但是在这类监测方案中运算复杂并且监测系统整体成本较高。
然而，上述的轴承状态监测系统无法有效监测保持架的状态。因此，即使保持架严重磨损或断裂，也可能无法检测到保持架的异常。在这种情况下，尤其对于例如地铁列车等轨道交通运输工具的轮对轴承，一旦保持架断裂，将严重影响交通运输工具运行的安全。为此，通常需要在列车回厂时增加轴承噪音检测。
也存在少量针对保持架的轴承状态监测方案。例如专利文件CN105570320B公开了一种具有保持架状态监测系统的轴承系统，其中，保持架状态监测系统包括RFID芯片、印刷电路线和RFID阅读器，其中，RFID芯片被固定在保持架上，RFID芯片与印刷电路线电连接，印刷电路线沿着保持架的周身设置，并在保持架被印刷电路线覆盖的部分保持完整的情况下保持导通，RFID阅读器能够通过射频信号与RFID芯片通讯，以监测保持架的状态。然而，针对保持架的轴承状态监测系统较为复杂并且成本较高。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种滚动轴承单元，其能够以较低成本对保持架运行状态实施有效的监测。
根据本发明，上述目的通过一种滚动轴承单元解决，其包括滚动轴承和保持架状态监测组件。在此，滚动轴承包括外圈、保持架和至少一列滚动体，其中，外圈的内周表面构造有用于在轴向上止挡滚动体的挡边部，其中，保持架同心地布置在外圈的径向内侧并且在正常运行时相对挡边部形成径向间隙。保持架状态监测组件包括不透光涂层和光学传感器，其中，不透光涂层局部地设置在挡边部的内周表面处并且能够因保持架在非正常运行时的接触而磨损，其中，光学传感器设置在位于外圈处的容纳孔中，其中，光学传感器能够朝向不透光涂层发射出发射光并且检测发射光在不透光涂层处反射的反射光，其中，在反射光的减少量随不透光涂层的磨损达到阈值时能够判定保持架失效。
在本文的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“轴向”、“径向”和“周向”均基于滚动轴承的旋转轴线。
在本文的范围中，滚动轴承单元中的滚动轴承能够基本根据现有设计方案实施。可以想到的是，滚动轴承除以上提及的外圈、保持架和至少一列滚动体外还包括内圈，从而能够实现滚动轴承的旋转支撑功能。
在此，在外圈的内周表面处构造有供滚动体滚动的滚道和形成在滚道的轴向两侧的挡边部，其中，挡边部优选地朝向径向内侧凸出于滚道，从而能够沿轴向止挡在各个滚动体的轴向端面处。可以理解的是，在单列轴承的实施方式中，在外圈的内周表面处形成有两个挡边部，其中，两个挡边部分别形成在外圈的轴向两端。也可以理解的是，在双列轴承的实施方式中，在外圈的内周表面处形成有沿轴向分布的三个挡边部，其中，每两个相邻的止挡部用于在轴向上止挡一列滚动体。
在此，保持架状态监测组件对保持架的监测利用了保持架在不同运行状态下相对外圈具有不同位置关系的事实，即保持架的轴向端部在正常运行时能够保持相对外圈的挡边部的径向间隙并且在保持架失效或即将失效时会接触并且摩擦挡边部的内周表面。在此，能够根据需要将不透光涂层设置在外圈的任一个、一部分或者全部止挡部的内周表面处，保持架状态监测组件的轴向位置能够相应调整。
保持架状态监测组件可以通过如下方式工作：在保持架正常运行时，不透光涂层可以基本完好地保持在挡边部的内周表面处，此时光学传感器朝向不透光涂层发射出发射光能够在不透光涂层处以较大的反射率被反射回光学传感器；而在保持架失效或者即将失效时，不透光涂层会因保持架与挡边部的接触而磨损或者说被刮蹭，此时在涂层处的透光率增大，光学传感器朝向不透光涂层发射出的发射光会较少地被反射回光学传感器。通过光学传感器对反射光的接收和检测，能够尤其实时地获知不透光涂层对发射光的反射程度。当光学传感器接收的反射光尤其相比于不透光涂层完好时减少了预设量时，则可以推断不透光涂层的磨损达到严重程度并且由此判定保持架失效。由此，借助在此提供的保持架状态监测组件，可以实时地监测保持架的运行状态，从而保障滚动轴承的运行可靠性。
此外，在此提供的保持架状态监测方案能够以低成本实现。一方面，基本无需对现有滚动轴承作出改型设计，而是仅需在外圈处增设用于保持架状态监测组件的容纳孔。另一方面，判定保持架是否失效的算法非常简单，能够省去大量运算耗费。
在此，需要说明的是，本文不限定保持架状态监测组件的光学传感器的选型，技术人员可以根据保持架状态监测组件或者更确切地说根据滚动轴承单元的具体情况采用已知的光学传感器。优选地，光学传感器能够连接有供电线和/或信号传输线。在这种情况下，光学传感器自身具有较低的成本。此外，尤其考虑到光学传感器安装于外圈并且外圈通常被固定在机械设备中，因此光学传感器的线路设计可以简单地实现。备选地，光学传感器也可以通过无线的方式供电和传输信号。在这种情况下，无需考虑光学传感器的布线，能够简化设计。
此外，需要说明的是，对反射光减少量的运算和/或对保持架是否失效的判定能够由信号处理单元实施。可选的是，由信号处理单元可以集成在保持架状态监测组件中，也即集成在滚动轴承单元中。也可选的是，由信号处理单元可以集成在设置有滚动轴承单元的机械设备中。
在一种优选的实施方式中，不透光涂层构造为油墨涂层。由此，不透光涂层易于涂覆并且成本较低。此外，油墨涂层还有遮光性好且较易磨损的特性，尤其适用于本文提供的保持架状态监测组件。
在此，优选地，不透光涂层的涂层材料如此配置，使得针对光学传感器的发射光的波段，涂层材料的反射率与制成保持架的材料的反射率不同。由此，尤其在不透光涂层已经部分地或全部地磨损脱落时，可以排除因发射光在保持架处的反射而造成的干扰。
在一种有利的实施方式中，容纳孔从外圈的外周表面连通至挡边部的内周表面，其中，不透光涂层覆盖容纳孔在径向内侧的开口。特别优选地，容纳孔构造为沿径向贯通外圈的外周表面和内周表面的通孔。在此，容纳孔可以简单地且低成本地制成并且保持架状态监测组件易于装配到容纳孔中。
在另一种有利的实施方式中，容纳孔从外圈的轴向端面连通至挡边部的内周表面，其中，不透光涂层覆盖容纳孔在径向内侧的开口。在这种情况下，容纳孔整体优选呈L型。在此，能够根据滚动轴承单元的具体设计、例如密封或者传感器布线等方面的设计，提供适配保持架状态监测组件、尤其光学传感器的更多容纳孔结构方案。
在一种优选的实施方式中，保持架状态监测组件还包括固定在容纳孔中的支架，其中，支架构造有由透光材料制成的支撑部段，其中，支撑部段布置在光学传感器和不透光涂层之间。优选地，支撑部段优选固定在容纳孔中。在此，支撑部段例如可以通过压配合、形状配合的方式或者借助粘合剂固定在容纳孔中。由此，支撑部段不仅能够通过其一个端部支撑光学传感器，还能够通过其另一个端部封闭容纳孔在径向内侧的开口，从而易于涂覆不透光涂层。
在此，附加地且优选地，支架还构造有具有凹槽的传感器容纳部段，其中，光学传感器布置在凹槽中。由此可以借助容纳部段将光学传感器固定在容纳孔中，并且容纳部段还可以为光学传感器提供保护。在此，凹槽的槽口优选朝向容纳孔在径向外侧的开口、例如朝向外圈的外周表面处或者轴向端面，从而有利于简化光学传感器的安装。
在此，特别优选地，支撑部段和传感器容纳部段一体式构造。在这种情况，支架能够整体由透光材料制成，支架成本整体较低并且有利于简化支架自身或者已装有光学传感器的支架在容纳孔中的安装。
在此，特别优选地，支架由塑料或玻璃制成。在这种情况下，能够以低成本制造具有透光的支撑部段的支架。
在一种有利的实施方式中，滚动轴承单元还包括布置在滚动轴承的轴向端侧的密封构件，其中，密封构件构造有供光学传感器的导线穿过的通孔。
附图说明
下面结合附图来示意性地阐述本发明的优选实施方式。附图为：
图1是根据一种优选实施方式的滚动轴承单元的剖视图的局部；
图2是根据图1的滚动轴承单元在保持架状态监测组件处的局部放大图；和
图3是根据另一种优选实施方式的滚动轴承单元在保持架状态监测组件处的局部放大图。
具体实施方式
图1示出了根据一种优选实施方式的滚动轴承单元的剖视图的局部。根据本实施方式的滚动轴承单元能够用于例如地铁列车的轨道交通运输工具。如图1所示，滚动轴承单元包括滚动轴承、保持架状态监测组件60和密封构件50。
滚动轴承在此用作轮对轴承并且在本实施方式中具体地构造为双列圆柱滚子轴承。密封构件50设置在滚动轴承的轴向端侧。滚动轴承包括外圈10、内圈30、两列圆柱滚子形式的滚动体20和两个保持架40。
滚动体20和保持架40沿径向布置在外圈10和内圈30之间。每列滚动体20分别配置有一个保持架40，每列滚动体20中的各个滚动体20借助保持架40在周向上均匀分布。外圈10的内周表面处构造有两列滚道，内圈30的外周表面处构造有滚道，从而滚动体20能够在外圈10的滚道和内圈30的滚道处滚动，进而实现滚动轴承的旋转支撑功能。
在此，外圈10的内周表面构造有用于在轴向上止挡滚动体20的挡边部，其中，挡边部形成在外圈10的每个滚道的轴向两侧。在本实施方式中，在外圈10的内周表面处形成有沿轴向分布的三个挡边部，挡边部在朝向径向内侧的方向上凸出于滚道，从而能够在轴向上止挡在各个滚动体20的轴向端面处。图1仅示出了分别位于轴向端部的两个挡边部中的一个和位于中间处的且另外设置有注油孔的一个挡边部。
图2示出了根据图1的滚动轴承单元在保持架状态监测组件60处的局部放大图。如图2所示，保持架状态监测组件60包括光学传感器61、支架63和不透光涂层62。
光学传感器61和支架63设置在位于外圈10处的容纳孔11中。容纳孔11在本实施方式中构造为阶梯式通孔，其从外圈10的外周表面沿径向连通至挡边部的内周表面。
支架63由透光的、优选完全透明的塑料或玻璃制成。支架63包括一体式构成传感器容纳部段和支撑部段。支架63在此通过压配合固定在外圈10的容纳孔11中。具体地，传感器容纳部段通过压配合固定在阶梯通孔形式的容纳孔11的大径区段中，支撑部段通过压配合固定在阶梯通孔形式的容纳孔11的小径区段中。传感器容纳部段构造有朝向外圈10的外周表面开口的凹槽，光学传感器61布置在该凹槽中，从而有利于简化光学传感器61的安装并且光学传感器61的供电线和信号传输线也能够借助槽口和构造在密封构件50处的通孔引导出滚动轴承。支撑部段整体呈柱状，其通过其一个纵向端部支撑光学传感器61并且通过其另一个纵向端部封闭容纳孔11在径向内侧的开口。在此，优选地，支撑部段在径向内侧的纵向端部优选与止挡部的内周表面平齐。
不透光涂层62在此涂覆在止挡部的内周表面处并且完全遮盖支架63的支撑部段的纵向端面。不透光涂层62在此为油墨涂层。
保持架状态监测组件60对保持架40的监测利用了保持架40在不同运行状态下相对外圈10具有不同位置关系的事实，即保持架40的轴向端部在正常运行时能够保持相对外圈10的挡边部的径向间隙并且在保持架40失效或即将失效时会接触并且摩擦挡边部的内周表面。
保持架状态监测组件60可以通过如下方式工作：在保持架40正常运行时，不透光涂层62可以基本完好地保持在挡边部的内周表面处，此时光学传感器61朝向不透光涂层62发射出发射光能够在不透光涂层62处以较大的反射率被反射回光学传感器61；而在保持架40失效或者即将失效时，不透光涂层62会因保持架40与挡边部的接触而磨损或者说被刮蹭，此时在涂层62处的透光率增大，光学传感器61朝向不透光涂层发射出发射光会较少地被反射回光学传感器61。通过光学传感器61对反射光的接收和检测，可以实时地获知不透光涂层62对发射光的反射程度。当光学传感器61接收的反射光相比于初始时间、即不透光涂层62完好时减少了预设量时，则可以推断不透光涂层62的磨损达到严重程度并且由此判定保持架40失效。在此，预设量可以根据具体工况灵活设置，例如减少量的阈值可以设置为50％。由此，借助本实施方式提供的保持架状态监测组件60可以实时地监测保持架40的运行状态，从而保障滚动轴承的运行可靠性。此外，在此提供的保持架监测方案能够以低成本实现。一方面，基本无需对现有滚动轴承作出改型设计，仅需在外圈10处增设用于保持架状态监测组件60的容纳孔11。另一方面，判定保持架40是否失效的算法非常简单，能够省去大量运算耗费。
图3示出了根据另一种优选实施方式的滚动轴承单元在保持架状态监测组件70处的局部放大图。根据本实施方式的滚动轴承单元与在图1和图2中示出的滚动轴承单元类似地构造，二者主要的区别在于保持架状态监测组件60，70中的支架63，73的结构。在本实施方式中，如图3所示，支架73仅包括构造为透光柱体的支撑部段。在此，光学传感器71直接安装在外圈10的容纳孔11中。保持架状态监测组件70的作用原理与上述实施方式相同，光学传感器71能够朝向不透光涂层72发射出发射光并且检测发射光在不透光涂层72处反射的反射光，其中，在反射光的减少量随不透光涂层72的磨损达到阈值时能够判定保持架40失效。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
附图标记列表
10 外圈
11 容纳孔
20 滚动体
30 内圈
40 保持架
50 密封构件
60 保持架状态监测组件
61 光学传感器
62 不透光涂层
63 支架
70 保持架状态监测组件
71 光学传感器
72 不透光涂层
73 支架
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