轴承装置和间隔件的制作方法

1.本发明涉及一种轴承装置和间隔件。


背景技术：

2.用于机床主轴的轴承往往在高速且低负载下使用，角接触球轴承被广泛应用于此类轴承。用于机床主轴的轴承通过油气(油雾)润滑或脂润滑进行润滑。油气润滑的特点是因为有外部供应的润滑油，所以能够长期保持稳定的润滑状态。脂润滑的特点是因为不需要附属设施和管道，所以成本效率高，并且因为产生的雾量极少，所以环境友好。
3.在高速区域中使用的轴承应该以更稳定的方式运行，该高速区域诸如为由内圈的内直径乘以旋转次数计算出的dn值等于或大于一百万的区域，例如机床内的加工中心的主轴中。然而，因下面描述的各种因素，轴承可能会经历在轴承滚道表面处的表面粗糙化或剥落，或是保持件的异常，随之轴承的温度可能会过度上升。-在油气润滑中，润滑油的不当进给和排放(油量过小或过大或排放不足)-密封在轴承中的润滑脂变质-冷却剂、水或异物进入轴承滚动部分-由于过大的预负载、即滚动部分中接触压力的增加，导致油膜破裂为了防止因上述因素造成的轴承温度过度升高，日本专利特开第2017-26078号(专利文献1)公开了这样一种技术，即在与轴承相邻的间隔件中包含润滑油进给泵和非接触式温度传感器，润滑油进给泵根据温度传感器测量的轴承润滑部分的温度值向轴承内部进给润滑油。引用列表专利文献
4.专利文献1：日本专利特开第2017-26078号


技术实现要素：

技术问题
5.与正常的高速旋转操作相比，轴承的燃烧往往伴随着更多的瞬时和突然的温度上升。因此，例如，在远离发热源的壳体中即使测量轴承附近的温度(具体而言，轴承外圈的温度)，也很难感测到轴承中瞬时和突然的温度上升。在测量轴承内圈的温度时，因为内圈旋转，所以应当无接触地测量温度。
6.上述问题对于包含在与轴承相邻的间隔件中的温度传感器也是类似的。如日本专利特开第2017-26078号所描述的，当包含在间隔件中的温度传感器为非接触式时，温度传感器受轴承内部的润滑油的影响很大，并且难以测量红外线发射率低的金属表面的温度。因此，难以准确测量温度。
7.本发明是为了解决上述问题而作出的，其目的是提供一种轴承装置和间隔件，其中可以准确和早期地感测到轴承的异常。
解决技术问题所采用的技术手段
8.本公开涉及一种轴承装置，其利用轴承对旋转体进行支承，该轴承包括内圈、外圈和滚动体。该轴承装置包括：发电机，该发电机包括发电量根据在轴承中造成的内圈与外圈之间的温度差而可变的珀尔帖元件；以及异常感测装置，该异常感测装置基于发电机的发电量来感测轴承的异常。
9.优选地，异常感测装置基于发电量、发电量的时间导数值以及发电量与另一参数之间的跟随关系中的至少一个来感测轴承的异常。
10.优选地，轴承装置进一步包括：电力储存装置，在所述电力储存装置中储存有由发电机产生的电力；负载回路，所述负载回路使用电力储存装置中的电力；以及电源，所述电源在接收电力储存装置的电压时向负载回路提供电源电压。
11.优选地，轴承装置进一步包括电力储存装置，在所述电力储存装置中储存由发电机产生的电力。异常感测装置基于电力储存装置中储存电力的量的时间导数产生的值来感测轴承的异常。
12.优选地，该轴承装置进一步包括与该轴承相邻布置的间隔件。间隔件包括邻接在内圈上的内圈间隔件和邻接在外圈上的外圈间隔件。所述发电机布置在外圈间隔件中。
13.优选地，该轴承装置构造为支承机床的旋转轴。根据另一方面，本公开涉及一种与对旋转体进行支承的轴承相邻布置的间隔件。该轴承包括内圈、外圈、滚动元件和保持件。该间隔件包括：发电机，该发电机包括发电量根据在轴承中造成的内圈和外圈之间的温度差而可变的珀尔帖元件；以及异常感测装置，该异常感测装置基于发电机的发电量来感测轴承的异常。
14.优选的，间隔件包括邻接在内圈上的内圈间隔件和邻接在外圈上的外圈间隔件。发电机布置在外圈间隔件中。发明效果
15.在本公开的轴承装置中，基于轴承装置中的轴承的内圈与外圈之间的温度差而产生电力的模块安装在轴承滚道表面的附近。因此，可以基于从该模块获得的输出来监测轴承的状态或感测到异常。
附图说明
16.图1是本实施例中的轴承装置的沿着旋转轴截取的横截面视图。图2是沿着图1中ii-ii截取的横截面图。图3是示出了第一实施例中电路的细节的框图。图4是用于说明第一实施例中的由异常感测装置所执行的处理的流程图。图5是示出第一实施例中珀尔帖(peltier)元件的发电量与转速之间关系的操作波形图。图6是示出了第二实施例中电路的细节的框图。图7是用于说明第二实施例中的由异常感测装置所执行的处理的流程图。图8是示出第二实施例中储能电压与转速之间关系的操作波形图。图9是示出了发电机布置在主轴装置的壳体和前盖中的示例的横截面图。图10是示出了包括珀尔帖元件的发电机布置在轴承内部的示例的横截面图。
具体实施方式
17.下面，参考附图对本发明的实施方式进行说明。下面附图中相同的或对应的元件具有相同的附图标记，并且其描述将不再重复。
18.[第一实施例]图1是本实施例中的轴承装置的沿着旋转轴的横截面视图。图2是沿着图1中ii-ii截取的横截面图。
[0019]
参照图1和图2，轴承装置1使用包括内圈5ia、5ib、外圈5ga、5gb以及滚动元件ta、tb的轴承来对旋转体500进行支承。轴承装置1包括发电机25，该发电机25包括：珀尔帖元件，所述珀尔帖元件的发电量根据在轴承5中产生的内环5ia与外环5ga之间的温度差而可变；以及异常感测装置100，该异常感测装置100根据发电机25的发电量来对轴承5的异常情况进行感测。
[0020]
轴承5a具有内圈5ia、外圈5ga、滚动元件ta和保持件rta。轴承5b包括内圈5ib、外圈5gb、滚动元件tb和保持件rtb。轴承5a是其中在内圈5ia与外圈5ga之间布置有多个滚动元件ta的滚动轴承。滚动元件ta之间的间隔由保持件rta保持。轴承5b是在内圈5ib与外圈5gb之间布置有多个滚动元件tb的滚动轴承。滚动元件tb之间的间隔由保持件rtb保持。
[0021]
可以采用角接触球轴承、深沟球轴承、圆柱滚子轴承或是锥形滚子轴承作为轴承5a、5b。在图1所示的轴承装置1中采用了角接触球轴承。
[0022]
轴承装置1进一步包括与轴承5相邻布置的间隔件6。两个轴承5a、5b以背对背的双轴承(db)布置来进行设置，间隔件6介于其间。间隔件包括邻接在内圈5ia上的内圈间隔件6i和邻接在外圈5ga上的外圈间隔件6g。发电机25布置在外圈间隔件6g中。尽管图1示出了其中两排轴承布置为背对背双布置的示例，但排数和组合数并不受此限制，且可以是其他的构造。
[0023]
内圈间隔件6i与一般间隔件类似地构造而成。在外圈间隔件6g的上部中设置了润滑油供应路径67a、67b，润滑油供应路径67a、67b是用于对轴承5a、5b进行冷却和润滑的油气供应路径。润滑油以油气或油雾的状态与携带润滑油的空气一起被从排放孔(喷嘴)喷射出。出于简洁，图1没有示出润滑油供应路径。当采用脂润滑轴承作为轴承5a、5b时，不必设置润滑油供应路径67a、67b。
[0024]
轴承装置1构造为将机床的旋转轴作为旋转体500支承。该机床的示例包括机床的内置电机式主轴装置。在这种情况下，旋转体500是主轴，该主轴的一端连接到诸如端铣刀的切削工具，另一端由电机旋转。
[0025]
发电机25和电路26装入在外圈间隔件6g中。发电机25和电路26布置在外圈间隔件6g的内周侧上设置的容纳空间中。发电机25连接到电路26，而异常感测装置100包括在电路26中。
[0026]
在本实施例中，例如，可以采用基于塞贝克(seebeck)效应产生电力的热电元件(珀尔帖元件)作为发电机25，该发电机25基于轴承5a的内圈5ia与外圈5ga之间的温度差产生电力。
[0027]
例如，作为发热源的电机包含在高速旋转的机床的内置电机式主轴装置的主轴中，因此，整个主轴中的发热量很大。因此，通常采用用于对主轴护套进行冷却的结构(护套冷却)。在这种情况下，除了受电机发热的影响之外还与热辐射差的轴相接触的内圈5ia的
温度高于除了受护套冷却的影响之外还与热辐射好的壳体接触的外圈5g的温度。因此，轴承5a的内圈5ia与外圈5ga之间的温差也会增加。因此，与对不必引入附属设施的主轴的外周表面或是轴承外圈外表面进行测量的温度传感器(非接触式温度传感器或热电偶)相比，来自基于温差产生电力的珀尔帖元件的输出在灵敏度和对于传感器输出的反应速度方面更高。在本实施例中，通过利用珀尔帖元件的这种特性，可以早期确定诸如轴承燃烧的异常情况。
[0028]
在本实施例中，轴承装置1包含发电机(包括珀尔帖元件)。珀尔帖元件设置在非旋转部分，诸如轴承、与轴承相邻的间隔件、壳体或是盖中，并且不与旋转部分接触。为了利用来自旋转部分的热辐射，发电机25和旋转部分优选布置成尽可能地相互靠近，尽管发电机25和发电机25和旋转部分并不相互接触。尽管发电机25在本实施例中没有与内圈间隔件6i(旋转部分)接触，但发电机25布置成靠近内圈间隔件6i。包括在其中储存由发电机25产生的电力的电力储存装置(电容器)、控制器和电源的电路26也安装在外圈间隔件6g上。
[0029]
如图2所示，发电机25包括与外圈间隔件6g连接的散热器25g、与内圈间隔件6i相对布置的散热器25i以及布置在两个散热器之间的热电元件25m。
[0030]
如图1所示，当采用滚动轴承作为轴承5时，因抵靠滚动元件ta、tb的摩擦热，内圈5ia、5ib以及外圈5ga、5gb的温度会升高。由于外圈5ga、5gb通常装入在设备的壳体中，因此，外圈5ga、5gb的热量通过热传导辐射到壳体。因此，内圈5ia、5ib与外圈5ga、5gb之间产生温度差(内圈5ia、5ib的温度高于外圈5ga、5gb的温度)。外圈5ga的温度通过热传导而被传导到散热器25g。内圈5ia的温度通过热传导而被传导到内圈6i，随之通过热辐射被传导到散热器25i。布置在散热器25g、25i之间的热电元件25m的相反端表面之间进而产生了温度差。因此，热电元件25m可因塞贝克效应而产生电力。
[0031]
散热器25g、25i采用热导率高的金属。例如，该金属的示例包括金、银和铜。从成本的角度来看，一般使用铜。可以采用主要由铜构成的铜合金。
[0032]
图3是示出了第一实施例中电路的细节的框图。参照图3，电路26包括整流二极管82、电力储存装置86、电源85、异常感测装置100、开关91和泵驱动回路28。泵驱动回路28对泵29进行驱动。泵驱动回路28是示例性的电力负载回路，电力通过电源85供应至泵驱动回路28，并且该泵驱动回路28可以连接到另一负载。
[0033]
异常感测装置100包括微型计算机27和发射器54。微型计算机27包括中央处理单元(cpu)27a、a/d转换器27b和存储器27c。
[0034]
电源电压vdd被从电源85供应到微型计算机27。a/d转换器27b接收由发电机25提供的电压vp，并将该电压转换为数字值。待由cpu 27a执行的程序和由cpu 27a使用的数据存储在存储器27c中。
[0035]
cpu 27a执行异常感测操作，这将在后文中描述，并且还对开关91进行控制。
[0036]
由发电机25产生的电荷(电力)被储存在电力储存装置86中。电力储存装置86包括储存电池或电容器。优选采用电气双层电容器作为电容器。
[0037]
如参照上述图1至图3所描述的，轴承装置1进一步包括：电源储存装置86，其中储存由发电机25产生的电力；负载回路(泵驱动回路28)，其使用电力储存装置86中的电力；以及电源85，其在从电力储存装置86接收电压时向负载回路(泵驱动回路28)供应电源电压vdd。
[0038]
图4是用于示出第一实施例中的由异常感测装置所执行的处理的流程图。参照图3和图4，在步骤s1中，异常感测装置100确定由珀尔帖元件产生并从发电机25提供的发电电压vp是否高于判断阈值vpth。
[0039]
当满足vp》vpth的条件时(s1中的“是”)，在步骤s2中，异常感测装置100从发射器54向未示出的接收器提供异常感测信号sout。
[0040]
当vp》vpth的条件未被满足时(在s1中的“否”)，该过程返回到主例程而不执行步骤s2中的处理，并且再次重复执行步骤s1中的确定处理。
[0041]
图5是示出第一实施例中珀尔帖元件的发电量与转速之间关系的操作波形图。图5示出由珀尔帖元件产生的发电电压vp和旋转体500的转速n随时间的改变。
[0042]
从时间0到t3，轴承装置以通常使用的恒定转速n1操作。从时间0到t1，发电电压vp从0v逐渐增加到vp1，而从时间t1到t2，发电电压表现为稳定的电压vp1。从时间t2到t3，由于轴承的异常，发电电压vp进一步增加，在时间t3，发电电压达到阈值vpth。
[0043]
通过适当地设定判断阈值vpth，可以基于观察在温度的异常增加发生的情况下的发电电压vp来感测轴承的异常情况。用实线表示的波形表示当发电电压vp达到阈值vpth时，机床响应于异常感测信号sout而停止操作的情况。在这种情况下，转速n在超过时间t3的时间点处从n1变化到0，然后发电电压vp从阈值vpth逐渐降低到0。用虚线表示的波形表示润滑油泵响应于异常感测信号sout而被驱动并且润滑油被供应到轴承的情况。在这种情况下，轴承的异常被消除，此后不久，发电电压vp恢复到类似于从时间t1到t2的状态的稳定电压vp1。
[0044]
在tp1期间，由发电机25产生的电力被储存在电力储存装置86中，直到发电电压vp超过判断阈值vpth，并且在提供异常感测信号的tp2期间，电力用于传输异常感测信号或解决异常的操作(润滑油泵等的驱动)。
[0045]
换句话说，在轴承5没有异常时，由珀尔帖元件产生的电力被储存起来，而当轴承5发生异常时，在此之前储存的电力可以有效地用于“指示轴承异常的警告(包括向外部传输)”或“用于向轴承中供应的润滑油泵的驱动”。
[0046]
如上所述，在第一实施例中，通过利用基于在轴承的操作期间引起的内圈与外圈之间的温度差而产生电力的珀尔帖元件的特性，异常感测装置100基于发电量来确定轴承的异常情况。
[0047]
在图4和图5所示的示例中，发电电压vp简单地与判断阈值vpth进行比较。然而，异常感测装置100可以基于发电量和发电量的时间导数值(倾角或变化率)中的至少一个来感测轴承5a的异常。
[0048]
[第二实施例]在第二实施例中，将描述考虑了旋转体500转速的异常的感测的示例。
[0049]
图6是示出了第二实施例中电路的细节的框图。参照图6，电路26a包括异常感测装置100a，以替代图3所示的电路26的构造中的异常感测装置100。由于电路26a在其他方面与参照图3描述的电路26的构造相似，因此将不重复描述。
[0050]
异常感测装置100a包括微型计算机27和发射器54。微型计算机27包括中央处理单元(cpu)27a、a/d转换器27b和存储器27c。
[0051]
电源电压vdd从电源85供应到微型计算机27。在第二实施例中，a/d转换器27b接收
电力储存装置86的电力储存电压vc和旋转体500的转速n，并将它们转换为数字值。待由cpu 27a执行的程序和由cpu 27a使用的数据存储在存储器27c中。
[0052]
cpu 27a执行异常感测操作，这将在后文中描述，并且还对开关91进行控制。
[0053]
在第二实施例中，轴承装置1包括电力储存装置86，电力储存装置86中储存由发电机25产生的电力。异常感测装置100a基于电压vc的时间导数产生的值来感测轴承的异常，电压vc指示储存在电力储存装置86中的电力量。
[0054]
图7是用于说明第二实施例中的由异常感测装置所执行的处理的流程图。参照图6和图7，在步骤s11中，异常感测装置100a对电力储存装置86的电力储存电压vc进行采样，并从来自电力储存电压vc的差值vc和先前采样中的采样时间差t计算出倾斜度g＝vc/t。
[0055]
接着，在步骤s12中，异常感测装置100a从未示出的转速传感器等读取旋转体500的转速n。
[0056]
接着，在步骤s13中，异常感测装置100a将与转速n对应的判断阈值gth(n)设定为步骤s11中所计算出的倾斜度g的判断阈值gth。对应于转速n的判断阈值gth(n)是为每个转速预先确定的，并储存在存储器27c中。在步骤s13中，异常感测装置100a从存储器27c中读取判断阈值gth(n)用于使用。
[0057]
在步骤s14中，异常感测装置100确定在步骤s11中计算出的倾斜度g是否大于判断阈值gth。
[0058]
当满足g》gth的条件时(s14中的“是”)，在步骤s15中，异常感测装置100从发射器54向未示出的接收器提供异常感测信号sout。
[0059]
当不满足g》gth的条件时(s14中的“否”)，过程返回到主例程，不执行步骤s15中的处理，而从步骤s11再次重复执行确定处理。
[0060]
图8是用于示出第二实施例中储能电压与转速之间关系的操作波形图。图8示出了电力储存装置86中的电力储存电压vc和旋转体500的转速n随时间的改变。
[0061]
从时间0到t12，机床以通常使用的转速n1运行。从时间0到t11，执行稳定的操作，因此，电力储存电压vc从0v逐渐增加到vc1。由于在此时期倾斜度g1小于阈值gth，因此，不提供异常感测信号。
[0062]
在时间t11处轴承发生异常，并且从时间t11到t12，电力储存电压vc进一步增加到vc2。此时，电压vc增加的倾斜度g也从g1增加到g2。此时，通过适当设定倾斜度g1与倾斜度g2之间的判断阈值gth，可以基于观察在温度发生异常升高时电力储存电压vc的变化率来感测轴承的异常。在时间t12处，机床响应于异常感测信号的输出而停止操作，电力储存电压vc不再增加。
[0063]
在时期tp11期间，在发电机25中产生的电力储存在电力储存装置86中，直到倾斜度g超过判断阈值gth，并且在提供异常感测信号的时期tp12期间，电力被用于传输异常感测信号或解决异常的操作(润滑油泵等的驱动)。因此，在时间t12处，电力储存电压vc轻微消耗并降低。
[0064]
在图8所示的示例中，异常感测装置100基于储存的电力量的时间导数值(倾斜度g或变化率)来感测轴承5的异常情况。当存在如图7所示的多个待使用的转速时，如参考步骤s13所描述的，通过设定与转速相对应的倾斜度g的判断阈值，轴承5a的异常可以基于电力储存的量的倾斜度g和转速之间的跟随关系来感测。
[0065]
异常感测装置100a可以基于发电量与另一参数(振动、温度、电机电流值、负载或热位移)之间的关系(跟随性)来确定轴承的异常。
[0066]
(珀尔帖元件的另一示例性布置)尽管在以上描述中示出了包括珀尔帖元件的发电机被布置在间隔件中的示例，但是发电机可以布置在靠近轴承的发热源的另一位置处。
[0067]
图9是示出发电机布置在主轴装置的壳体和前盖中的示例的横截面图。图9中所示的主轴装置1a包括轴承5a、5b、与轴承5a、5b相邻布置的间隔件6以及旋转体500。旋转体500被设置在嵌入轴承护套2内部部分的壳体3中的多个轴承5a、5b旋转支承。轴承5a、5b通过将前盖12插入壳体3并用螺栓或类似物将前盖紧固到主轴装置。
[0068]
在这样的结构中，发电机25a可以布置在前盖12中与轴承5a相邻布置，并且发电机25b可以布置在壳体3中与轴承5b相邻布置。
[0069]
图10是示出了包括珀尔帖元件的发电机布置在轴承内部的示例的横截面图。如图10所示，可在外圈5ga的内周表面上设置发电机25c，并且发电机25c和处理来自其的输出信号的处理回路可邻近地布置至该内周表面。由处理回路处理的信号通过线路传输至另一控制回路。该处理回路执行，例如，用于放大信号的处理或用于a/d转换的处理。
[0070]
在这种情况下，当轴承的尺寸小时，用于布置发电机25c和处理回路的空间就会产生问题。如图10所示，根据需要，布置有发电机25c和处理回路的轴承的外圈5ga的内周表面可以在轴向方向中延伸，并且与之相对的内圈5ia也可以类似地在轴向方向中延伸。在这种情况下，相对于外圈5ga在轴向的中心位置，滚动元件ta优选朝着没有布置发电装置25c的一侧布置。
[0071]
在根据以上描述的第一和第二实施例的轴承装置中，可以感测到诸如轴承燃烧的异常，或者可以监测轴承的状态，而不引入用于测量内圈温度的大规模附属设施。不仅可以利用由珀尔帖元件产生的电力用于感测轴承的异常，还可以用于表示轴承发生异常的警告或是用于向轴承供应的润滑泵的驱动。
[0072]
应该理解，本文公开的实施方式是在各方面都是说明性和非限制性的。本发明的范围由权利要求书所限制而非上述实施方式的描述所限制，并且趋于包括在权利要求书的范围内并且含意等同于各项权利要求书的任何变型。附图标记列表
[0073]
1轴承装置；1a主轴装置；2轴承护套；3壳体；12前盖；5、5a、5b轴承；5ga、5gb外圈；5ia、5ib内圈；6间隔件；6g外圈间隔件；6i内圈间隔件；25、25a、25b、25c发电机；25g、25i散热器；25m热电元件；26、26a电路；27微型计算机；27b转换器；27c存储器；28泵驱动回路；29泵；54红外发射器；67a、67b润滑油供应路径；82整流二极管；85电源；86电力储存装置；91开关；100、100a异常感测装置；500旋转体。