用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的机构、装置及方法

摘要

本发明涉及轴承健康监控技术领域，特别涉及用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的机构、装置及方法，包括用于放置关节轴承的固定架，所述固定架在水平方向上对称设置有两个可转动的悬臂支座；所述悬臂支座的两端各自与套杆两端上的传动齿条固定连接，所述传动齿条与齿轮配合，所述齿轮与光电编码器的传动轴连接；所述套杆的中部设置有用于穿过并固定关节轴承运动轴的导向槽。本发明提供的机构能够对关节轴承进行差动测量以消除多种误差，获得准确的磨损量数据，并且可以实现工作状态中关节轴承自润滑衬垫磨损量的非接触式在线检测，便于我们随时监测关节轴承的磨损量，防止关节轴承发生损坏，具有较好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及轴承健康监控技术领域，特别涉及用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的机构、装置及方法。

背景技术

关节轴承是一种由带内球面的外圈以及带外球面的内圈组成的特殊的滑动轴承，实现关节轴承绕内圈轴心线一定角度转动及任意方向摆动或倾斜，而自润滑关节轴承则是在内外圈之间镶嵌或者粘接一层自润滑衬垫层，用衬垫层表面与内圈钢的摩擦来代替内外圈直接的钢与钢摩擦，完全突破了依靠油脂润滑的局限性而实现了无油润滑，广泛应用于航空航天领域、工程机械领域、水利机械领域等重大装备。

而自润滑关节轴承的主要失效形式是磨损,磨损使关节轴承内外圈配合间隙增大，甚至出现衬垫粘结脱落,导致摩擦因数升高,衬垫失去自润滑功能，严重时会造成相关机构咬合卡死。在诸如飞机起落架系统等场合，关节轴承失效常导致灾难性后果。因此，在实际工作过程中，自润滑关节轴承的实时磨损量对于提高装备的运行安全具有重大意义。并且随着航空航天和工程机械装备对自润滑关节轴承性能的要求越来越高，对自润滑关节轴承状态和故障诊断提出了迫切需求。而在现有技术中，仅存在关节轴承磨损量检测的试验机，很少有能够实时检测关节轴承磨损量的设备。

发明人在翻阅大量文献，找到如：《特大型推力轴承磨损量检测装置研究(康延辉时可可孟艳艳)》一文中介绍，通过定期读取安装在轴圈上的指针对应的刻度值，来计算出一段时间内轴承的磨损量。但是该类型装置存在需要人工定期检查，实时性较低的问题。并且在工业应用中，中小型关节轴承的磨损量远小于特大型推力轴承的磨损量，对监测装置的分辨力及测量精度要求更高，而该类型装置并不能满足检测的精度需求。

发明内容

为解决现有技术中无法实时检测工作状态下关节轴承磨损量的问题，本发明提供了一种用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的机构包括用于放置关节轴承的固定架，所述固定架在水平方向上对称设置有可转动的第一悬臂支座与第二悬臂支座；所述第一悬臂支座、第二悬臂支座的一端与第一套杆两端上的第一传动齿条滑动连接，所述第一传动齿条与第一齿轮配合，所述第一齿轮与第一光电编码器的传动轴连接；所述第一悬臂支座、第二悬臂支座的另一端与第二套杆两端上的第二传动齿条滑动连接，所述第二传动齿条与第二齿轮配合，所述第二齿轮与第二光电编码器的传动轴连接；所述第一套杆与第二套杆分别与关节轴承的运动轴在轴向上可转动地连接。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述第一悬臂支座、第二悬臂支座对称两端各设置有用于安装所述第一传动齿条、第二传动齿条的水平安装槽以及用于固定所述第一光电编码器、第二光电编码器的水平固定座。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述固定架在竖直方向上对称设置有可转动的第三悬臂支座与第四悬臂支座；所述第三悬臂支座、第四悬臂支座的一端与第三套杆两端上的第三传动齿条滑动连接，所述第三传动齿条与第三齿轮配合，所述第三齿轮与第三光电编码器连接；所述第三悬臂支座、第四悬臂支座的另一端与第四套杆两端上的第四传动齿条滑动连接，所述第四传动齿条与第四齿轮配合，所述第四齿轮与第四光电编码器的传动轴连接；所述第三套杆与第四套杆分别与关节轴承的运动轴在轴向上可转动地连接。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述第三悬臂支座、第四悬臂支座对称两端各设置有用于安装所述第三传动齿条、第四传动齿条的竖直安装槽以及用于固定所述第三光电编码器、第四光电编码器的竖直固定座。

本发明还提供一种用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的装置，包括监测系统以及采用如上所述的用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的机构。

在上述技术方案的基础上，进一步地，所述监测系统包括对采集的脉冲输出进行脉冲整形的数据转换模块；将整形后的脉冲转化为电机转速值并进行处理的数据处理模块；当关节轴承的磨损量达到临界值时，会进行报警的报警模块；能够显示数据处理结果的显示模块。

本发明还提供一种用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的方法，包括以下步骤：

S100、采用如上所述的用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的机构对关节轴承的磨损量进行检测将齿轮旋转量转化为脉冲输出，并进入监测系统，经过数据转换模块进行脉冲整形；

S200、通过数据处理模块，将整形后的脉冲转化为电机转速值后，再对所述电机转速值进行数据处理；

S300、将处理好的数据结果通过显示模块显示出来，以获得关节轴承磨损量，对其进行实时监控。

在上述技术方案的基础上，进一步地，还包括根据实际工作需求，设定关节轴承的磨损临界值，当达到关节轴承的磨损量达到临界值时，将由报警模块进行报警。

在上述技术方案的基础上，进一步地，还包括在监测系统中设定采样周期，定期采集关节轴承磨损量。

本发明提供的用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的机构，与现有技术相比，具有以下优点：通过在固定架在水平方向上对称设置的悬臂支座、套杆等机构来实现对关节轴承的位移量进行差动测量以消除多种误差，并通过齿轮传动以及编码器，将位移量转化为脉冲数据，以便于对该数据进行准确地计算，从而获得关节轴承的磨损量。通过上述机构，可以实现工作状态中关节轴承自润滑衬垫磨损量的非接触式在线检测，便于我们随时监测关节轴承的磨损量，防止关节轴承发生损坏。

为了能够进一步完善该机构，本发明还提供了一种用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的装置，还包括监测系统，可以对关节轴承自润滑衬垫磨损量在线监测，使得报警模块能在磨损程度达到临界值时进行报警，从而保证设备正常运作，有效避免事故的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的在水平方向上用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量机构的示意图一；

图2为本发明提供的在水平方向上用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量机构的示意图二；

图3为水平方向上机构建立的坐标示意图；

图4为水平方向上仅有两组齿轮齿条及光电编码器的机构的俯视图；

图5为竖直方向上一套机构的结构示意图；

图6为两套机构复合的结构示意图；

图7为监测系统的模块示意图；

图8为用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的方法的步骤流程图。

附图标记：

100 固定架 110 第一悬臂支座 120 第二悬臂支座

130 第一套杆 131 第一传动齿条 132 第一齿轮

133 第一光电编码器 140 第二套杆 141 第二传动齿条

142 第二齿轮 143 第二光电编码器 150 水平导向槽

112 水平固定座 210 第三悬臂支座 111 水平安装槽

230 第三套杆 231 第三传动齿条 220 第四悬臂支座

233 第三光电编码器 240 第四套杆 232 第三齿轮

242 第四齿轮 250 竖直导向槽 241 第四传动齿条

243 第四光电编码器 212 竖直固定座 300 运动轴

211 竖直安装槽

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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。

本发明提供了一种监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的机构，包括用于放置关节轴承的固定架100，所述固定架100在水平方向上对称设置有可转动的第一悬臂支座110与第二悬臂支座120；所述第一悬臂支座110、第二悬臂支座120的一端与第一套杆130两端上的第一传动齿条131滑动连接，所述第一传动齿条131与第一齿轮132配合，所述第一齿轮132与第一光电编码器133的传动轴连接；所述第一悬臂支座110、第二悬臂支座120的另一端与第二套杆140两端上的第二传动齿条141滑动连接，所述第二传动齿条141与第二齿轮142配合，所述第二齿轮142与第二光电编码器143的传动轴连接；所述第一套杆130与第二套杆140分别与关节轴承的运动轴300在轴向上可转动地连接。

具体实施时，如图1～4所示，包括用于放置关节轴承的固定架100，其中，所述固定架100可外套或卡接于关节轴承外侧，也可焊接于关节轴承上；如图1所示，所述固定架100呈十字圆柱状，应当理解的是，其形状并不限于此，可采用其他能使悬臂支座对称设置的结构。所述第一悬臂支座110与第二悬臂支座120的中部设置有通孔，所述通孔内侧装配有轴承，使得第一悬臂支座110与第二悬臂支座120通过轴承可转动地固定在固定架100上。本机构还包括对称设置且垂直固定于第一悬臂支座110及第二悬臂支座120上的第一套杆130、第二套杆140；所述第一套杆130、第二套杆140设置在第一悬臂支座110、第二悬臂支座120的方式可采用滑轨的方式，便于套杆在悬臂支座上滑动；如图2所示，第一套杆130以及第二套杆140对称两端各设置有传动齿条，且传动齿条与齿轮啮合的同时，齿轮还与光电编码器的传动轴连接，即共有四组传动齿条齿轮以及四个光电编码器；其中，第一套杆130与第二套杆140的中部各设置有水平导向槽150，所述水平导向槽150用于穿过并通过定位销等方式径向固定关节轴承的运动轴300，使得关节轴承的运动轴300在水平导向槽150中可一定范围内轴向转动。

其工作原理为：所述关节轴承的运动轴300在水平方向绕垂直中心转动，会带动第一套杆130及第二套杆140的相对运动，进而带动第一传动齿条131与第二传动齿条141在第一悬臂支座110与第二悬臂支座120内水平运动，使得第一齿轮132与第二齿轮142转动，所述第一光电编码器133与第二光电编码器143将采集的齿轮转动量转化为关节轴承位移量，通过位移量的计算便可得到关节轴承自润滑衬垫的磨损量。

对关节轴承自润滑衬垫水平方向的磨损进行研究。首先选取竖直方向为Z轴方向，关节轴承的运动轴300方向为Y轴方向，再根据右手坐标系法则可以确定X轴方向，坐标系的确立如图3所示。当对自润滑关节轴承进行测量时，将产生运动轴300绕Z轴的运动、套杆沿X轴方向运动以及自润滑关节轴承内衬垫磨损时产生的沿X轴方向的水平运动。在这其中需要测量的位移量为自润滑关节轴承内衬垫磨损时产生的沿着X轴方向的位移量。当套杆及轴承磨损时产生的位移量沿X轴方向运动时，将带动传动齿条沿X轴方向运动，从而带动光电编码器齿轮随之同步转动。

如图4所示，若仅在两组齿轮齿条传动和光电编码器的机构中，设左侧自润滑关节轴承运动轴300在X轴方向上的总位移量为S

S

其中，S

在此基础上，为抵消温度、振动等环境因素对此仪器带来的误差，并且提高关节轴承自润滑衬垫磨损量在线检测装置的灵敏度及准确度，同时设计四组齿轮齿条传动和光电编码器进行差动式测量的结构。其原理为，以温度对该仪器的影响为例，温度的变化会使左右两齿条的长度均发生ΔX

S

S

将二者相加，即可得:

S

其中ΔX

可看出温度对自润滑关节轴承内衬垫的磨损量检测过程中产生的影响。因此在水平方向上增加两组齿轮齿条传动及光电编码器后，与上述原理推导相同，则另外两组的齿轮齿条传动所测得的自润滑关节轴承内衬垫的磨损量为：

S

从而可以得到水平方向上沿X轴的总位移：

S

故，如图1～2所示通过在水平方向上对称设置四组齿轮齿条传动和光电编码器，不仅可以消除温度对自润滑关节轴承内衬垫的磨损量检测过程中产生的影响，同时也进一步增加了自润滑关节轴承内衬垫的磨损量检测的灵敏度。

本发明将微小的关节轴承磨损量转化利用机构来检测位移量的方式达到监测磨损量的目的，即通过在固定架在水平方向上对称设置的悬臂支座、套杆等机构来实现对关节轴承的位移量进行差动测量以消除多种误差，并通过齿轮传动以及编码器，将位移量转化为脉冲数据，以便于对该数据进行准确地计算，从而获得关节轴承的磨损量。通过上述机构，可以实现工作状态中关节轴承自润滑衬垫磨损量的非接触式在线检测，便于我们随时监测关节轴承的磨损量，防止关节轴承发生损坏。

优选地，所述第一悬臂支座110、第二悬臂支座120对称两端各设置有用于安装所述第一传动齿条131、第二传动齿条141的水平安装槽111以及用于固定所述第一光电编码器133、第二光电编码器143的水平固定座112。

具体实施时，如图2所示，所述第一悬臂支座110与第二悬臂支座120上设置有水平安装槽111与水平固定座112，其中水平安装槽111为滑槽结构，使得套杆上的传动齿条可以在水平安装槽111中实现移动。其中水平固定座112的大小为适配于光电编码器的大小，所述水平固定座112还设置有通孔，用于连接相关线路。

优选地，所述固定架100在竖直方向上对称设置有可转动的第三悬臂支座210与第四悬臂支座220；所述第三悬臂支座210、第四悬臂支座220的一端与第三套杆230两端上的第三传动齿条231滑动连接，所述第三传动齿条231与第三齿轮232配合，所述第三齿轮232与第三光电编码器233连接；所述第三悬臂支座210、第四悬臂支座220的另一端与第四套杆240两端上的第四传动齿条241滑动连接，所述第四传动齿条241与第四齿轮242配合，所述第四齿轮242与第四光电编码器243的传动轴连接；所述第三套杆230与第四套杆240分别与关节轴承的运动轴300在轴向上可转动地连接。

具体实施时，如图5～6所示，在竖直方向上，再设置有一套工作原理相同的机构，其中所述第三悬臂支座210与第四悬臂支座220的中部设置有通孔，所述通孔内侧装配有轴承，使得第三悬臂支座210与第四悬臂支座220通过轴承可转动地固定在固定架100上。还包括对称设置且垂直固定于第三悬臂支座210及第四悬臂支座220上的第三套杆230、第四套杆240；所述第三套杆230、第四套杆240设置在第三悬臂支座210、第四悬臂支座220的方式可采用滑轨的方式，便于套杆在悬臂支座上滑动；如图5所示，第三套杆230与第四套杆240对称两端各设置有齿轮齿条传动，且齿轮与光电编码器连接，即共有四组齿轮齿条传动和光电编码器；其中，第三套杆230与第四套杆240的中部各设置有竖直导向槽250，所述竖直导向槽250用于穿过并通过定位销等方式径向固定关节轴承的运动轴300，使得关节轴承的运动轴300在竖直导向槽250中可一定范围内轴向转动。

其工作原理与上述相似，如图5所示，当运动轴300在竖直方向上绕X轴运动时，将带动第三套杆230与第四套杆240在Z轴上相对运动，从而带动齿轮齿条传动，再通过光电编码器可以测得齿轮的转动量，从而得知自润滑关节轴承左侧或右侧的位移量。

再根据关节轴承自润滑衬垫磨损量X方向以及Z方向的两套监测机构中，对于关节轴承自润滑衬垫在其一周的所有方向的磨损量，如图6所示，假设其任意点具有ΔS的磨损位移，故在其X方向以及Z方向的两套监测机构中可以检测到ΔS

从而可以得到其任意关节轴承自润滑衬垫任意点的磨损量。

优选地，所述第三悬臂支座210、第四悬臂支座220对称两端各设置有用于安装所述第三传动齿条231、第四传动齿条241的竖直安装槽211以及用于固定所述第三光电编码器233、第四光电编码器243的竖直固定座212。

具体实施时，如图5所示，所述第三悬臂支座210与第四悬臂支座220上设置有竖直安装槽211与竖直固定座212，其中竖直安装槽211为滑槽结构，使得套杆上的传动齿条可以在竖直安装槽211中实现移动。其中竖直固定座212的大小为适配于光电编码器的大小，所述竖直固定座212还设置有通孔，用于连接相关线路。

本发明还提供一种用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的装置，包括监测系统以及采用如上所述的用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的机构。

具体实施时，监测系统可根据实际工作环境的影响，设置控制模块以及若干传感器，再通过机构上的光电编码器将采集的位移量数据进行处理，进而实时检测关节轴承自润滑衬垫的磨损量，以实现监测的高效性与智能化。

优选地，所述监测系统包括对采集的脉冲输出进行脉冲整形的数据转换模块；将整形后的脉冲转化为电机转速值并进行处理的数据处理模块；当关节轴承的磨损量达到临界值时，会进行报警的报警模块；能够显示数据处理结果的显示模块。

具体实施时，如图7所示，所述监测系统包括数据转换模块、数据处理模块、报警模块以及显示模块，上述模块的具体设计方案为本领域的现有技术，在此不多加赘述。通过上述模块的配合，当关节轴承自润滑衬垫状态发生突变或异常时，监测系统能够立即通过报警模块在生产现场进行报警提醒，并根据要求在显示模块上选择是否立即停止设备运作，防止关节轴承发生损坏。

本发明还提供一种用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的方法，包括以下步骤：S100、采用如上所述的用于监测关节轴承自润滑衬垫磨损量的机构对关节轴承的磨损量进行检测将齿轮旋转量转化为脉冲输出，并进入监测系统，经过数据转换模块进行脉冲整形；S200、通过数据处理模块，将整形后的脉冲转化为电机转速值后，再对所述电机转速值进行数据处理；S300、将处理好的数据结果通过显示模块显示出来，以获得关节轴承磨损量，对其进行实时监控。

具体实施时，如图8所示，基于高精度的机-光-电复合结构衬垫磨损监测方法中，首先通过齿轮齿条传动并带动光电编码器的机械结构，将齿轮旋转量转化为脉冲输出，经过斯密特触发器进行脉冲整形，单片机采集脉冲后换算为电机转速值，再对电机转速值进行数据处理，并且可通过TFT式显示屏显示出来，通过上述方法，能够精确测量出关节轴承自润滑衬垫的磨损量从而保证关节轴承的正常运行，有效避免事故的发生。

优选地，还包括根据实际工作需求，设定关节轴承的磨损临界值，当达到关节轴承的磨损量达到临界值时，将由报警模块进行报警。

具体实施时，对于不同尺寸规格的关节轴承以及不同的工作环境中，其关节轴承的磨损临界值不同，因此，在使用前，可在监测系统中设定当前工作环境下关节轴承的磨损临界值，当其磨损量达到设定临界值时，将由报警模块进行报警，从而提高其通用性能。

优选地，还包括在监测系统中设定采样周期，定期采集关节轴承磨损量。

具体实施时，并不一定需要时时刻刻去检测关节轴承的磨损量，因此，为了简化人为操控过程，在监测系统中，还将设定采样周期，系统将定期自动采集关节轴承磨损量，并且还可对实时检测的磨损量进行分析建模，一方面可以将其应用于自润滑衬垫关节轴承的结构优化设计和磨损分析中，另一方面，也可进一步分析模拟，获得该关节轴承的磨损量预测数据，用于关节轴承的寿命预测中，实现人机交互。

尽管本文中较多的使用了诸如固定架、第一悬臂支座、第二悬臂支座、第一套杆、第一传动齿条、第一齿轮、第一光电编码器、第二套杆、第二传动齿条、第二齿轮、第二光电编码器、水平导向槽、水平安装槽、水平固定座、运动轴、第三悬臂支座、第四悬臂支座、第三套杆、第三传动齿条、第三齿轮、第三光电编码器、第四套杆、第四传动齿条、第四齿轮、第四光电编码器、竖直导向槽、竖直安装槽、竖直固定座等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。