DE102008018611A1

DE102008018611A1 - Contact measuring method for surveying surface area of operating roller bearings and roller guides, involves detecting symptoms of wear and fatigue by tactile surface sensor integrated in roller bearings and roller guides

Info

Publication number: DE102008018611A1
Application number: DE200810018611
Authority: DE
Inventors: Detlef Riemer; Karsten Tennhardt; Thomas Wendt
Original assignee: Tennhardt Karsten Dipl-Ing (fh)
Current assignee: Tennhardt Karsten Dipl-Ing (fh)
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2009-10-15

Abstract

The contact measuring method involves detecting symptoms of wear and fatigue by a tactile surface sensor integrated in roller bearings and roller guides. A measuring system has a base of the tactile surface sensor that has a basic element probe tip, probe tip holder, mechanical transmission element with housing, mechanical fastening element, electronic assembly, signal transmission unit and evaluation unit.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zur Bestimmung von Schädigungen bzw. Zustandsparametern insbesondere an langsam laufenden Wälzlagern (z. B. Hauptlager von Windkraftanlagen). Anwendungen in verschiedenartigen Maschinenlagern und mechanischen Führungen, auch im Kfz-Bereich, sind möglich. Auf der Basis eines taktilen Sensors bzw. eines taktilen Sensorarrays erfolgt eine Abtastung der durch Verschleiß belasteten Oberflächen partiell bzw. auf die gesamte Oberfläche bezogen.The The invention relates to a measuring device for the determination of Damage or state parameters, especially slow current rolling bearings (eg main bearings of wind turbines). Applications in various machine bearings and mechanical Guided tours, also in the motor vehicle sector, are possible. On the basis of a tactile sensor or a tactile sensor array a scan of the surfaces subject to wear takes place partially or on the entire surface.

Stand der TechnikState of the art

Wälzlager finden in nahezu allen Bereichen des Maschinenbaus entsprechend dem Stand der Technik Verwendung. Auf Grund besonderer und vor allem gestiegener Anforderungen an Standzeit und Betriebssicherheit besteht ein hohes Interesse bezüglich der Kenntnis der Betriebsparameter von Wälzlagern sowie der Restlebensdauerbestimmung, auch im Zusammenhang mit der vorbeugenden Instandhaltung.roller bearing find in almost all areas of mechanical engineering accordingly the prior art use. Due to special and above all increased demands on service life and operational safety a high interest in the knowledge of the operating parameters of rolling bearings as well as the residual life-time determination, too in the context of preventive maintenance.

Auftretende Temperaturen, Lagerschwingungen, mechanische Belastungen, die Schmierstoffgüte und vor allem die Beschaffenheit der Wälzkörperlaufflächen nehmen signifikanten Einfluss auf die Lagerstandzeit. Insbesondere mittels dieser Parameter können im Einzelnen und in der Gesamtheit der derzeitige Zustand des Lager bewertet und eine zukünftige Abschätzung des Zustandes vorgenommen und daraus Informationen über sicherheitsrelevante Ereignisse erhalten werden.occurring Temperatures, bearing vibrations, mechanical loads, lubricant quality and especially the nature of the rolling elements treads take significant influence on the storage life. Especially By means of these parameters, in detail and in the Totality of the current condition of the warehouse is assessed and a future one Estimating the condition and making information about it security relevant events are received.

Es bieten sich für die Lösung der Aufgabe prinzipiell mehrere Lösungsvarianten an. Es können Sensoren für die Aufnahme von Temperatur und Körperschallereignissen am Lagergehäuse angebracht werden. Weiterhin lassen sich Sensoren oder Sensoreinheiten in die Lagerstelle einbringen. Dabei ist jedoch nicht auszuschließen, dass eventuell auftretende Störungen mit ausgewertet und die Messung insgesamt fehlerhaft ist. Insbesondere bei langsam laufenden Wälzlagern oder anderen Teilen im Maschinenbau sind die eingekoppelten Energieinhalte bei Laufflächenfehlern, die mit Körperschallsensoren gemessen werden sollen, so gering, dass sie im Grundrauschen des Messsignals untergehen. Ein möglicher Lösungsansatz hierzu ist z. B. die Erhöhung der Sensorempfindlichkeit, um Fehler bereits im Ansatz und nicht erst im kritischen Bereich zu erkennen. Ein weiterer Nachteil von Körperschallsensoren ist die Aufnahme von Körperschallereignissen und deren grafische Darstellung, die zumeist wenig mit den relevanten Fehlern zu tun haben, sondern aus anderen Maschinenteilen eingekoppelt werden.It in principle offer themselves for the solution of the task several solution variants. It can sensors for the recording of temperature and structure-borne noise events be mounted on the bearing housing. You can continue Insert sensors or sensor units into the bearing. there However, it can not be ruled out that any occurring Interference with evaluated and the measurement altogether faulty is. Especially with slow running bearings or Other parts in mechanical engineering are the coupled energy contents with tread flaws, which with structure-borne sound sensors be measured so low that they are in the background noise of Sinking signal. A possible solution this is z. B. increasing sensor sensitivity, error in the beginning and not in the critical area to recognize. Another disadvantage of structure-borne sound sensors is the recording of structure-borne sound events and their Graphical representation, which usually little with the relevant errors have to do, but are coupled from other machine parts.

Für die Aufnahme der Dehnungen und den Rückschlüssen auf eventuell vorhandene Schädigungen bieten sich Dehnungsmessstreifen (DMS) oder auch andere Dehnmessaufnehmer wie z. B. Faser-Bragg-Aufnehmer an. Auf Grund ihrer geringen Baugröße können sie ohne größere Veränderungen der Lager selbst integriert werden. Zumeist werden sie dabei direkt auf den Außenring montiert oder in andere Wälzlagerkomponenten eingepasst. Nachteile sind vor allem die Temperaturabhängigkeit und die resultierenden Fehler bei kleinen Dehnungen der DMS sowie der hohe Anschaffungspreis der Faser-Bragg-Sensoren. Auch eignen sich diese Sensoren nicht zur Verschleißmessung, sondern vorzugsweise nur zur Ermüdungsmessung.For the recording of the strains and the conclusions Strain gauges are available for any damage (DMS) or other strain gauges such. B. fiber Bragg transducers at. Due to their small size can they without major changes in the bearings be integrated yourself. Mostly they are directly on the Outer ring mounted or in other rolling bearing components fitted. Disadvantages are above all the temperature dependence and the resulting errors at small strains of the strain gauges as well the high purchase price of fiber Bragg sensors. Also suitable These sensors are not for wear measurement, but preferably only for measuring fatigue.

Die hier vorgestellten Möglichkeiten können jedoch keine Aussage über den tatsächlichen Zustand der Wälzlagerlaufflächen treffen oder den Verschleiß des Lagers richtig wiedergeben. Bisher können nur Lager, welche mit einer speziellen Beschichtung versehen sind, siehe auch Patent DE 199 254 60 von der Fraunhofergesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V., eine Bewertung der Lauffläche ermöglichen.However, the possibilities presented here can not make any statement about the actual condition of the rolling bearing raceways or reproduce the wear of the bearing properly. So far, only bearings, which are provided with a special coating, see also patent DE 199 254 60 from the Fraunhofer Society for the Promotion of Applied Research e. V., allow an evaluation of the tread.

Auf dem Markt übliche Software zur Auswertung von Wälzlager-Überwachungssensoren beinhaltet oft Auswertealgorithmen wie die Fast Fourier Transformation (FFT), die Hüllkurvenanalyse, die Cepstrumanalyse sowie verschiedene statistische Auswerteverfahren. Ausgehend von der Überlegung der Messung der Laufflächen zur Ermüdungsbestimmung und einer Messung des Verschleißes fehlt jedoch bei allen vorhandenen Systemen die Möglichkeit der Darstellung des Messsignals in einem Polardiagramm. Eine 3D-Auswertung der Ergebnisse im Bezug auf ein Wälzlagermodell in der virtuellen oder echten Realität ist bisher nicht bekannt.On the market standard software for the evaluation of rolling bearing monitoring sensors often contains evaluation algorithms like the Fast Fourier Transformation (FFT), the envelope analysis, the cepstrum analysis as well various statistical evaluation methods. Based on the consideration of the Measurement of treads for fatigue determination and a measurement of wear is missing at all existing systems the possibility of displaying the Measuring signal in a polar diagram. A 3D evaluation of the results in terms of a rolling bearing model in the virtual or real Reality is not known yet.

Aufgabenstellungtask

Der hier vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Ermüdung und vor allem Verschleiß insbesondere an langsam drehenden Wälzlagern zu messen und auszuwerten. Dabei sollen die Messdaten optional auch fernabfragbar sein. Die Aufgabe wurde mit einem Sensoraufbau durch die Merkmale insbesondere des Patentsanspruchs 1 gelöst. Die Aufbereitung und Auswertung der Sensorsignale wird vorrangig mittels Software durchgeführt.Of the The present invention is based on the object of fatigue and especially wear, especially on slowly rotating To measure and evaluate rolling bearings. It should be the Optionally, measurement data can also be queried remotely. The task was with a sensor structure by the features in particular of the patent claim 1 solved. The processing and evaluation of the sensor signals is primarily performed by software.

Ein Sensoraufbau, gemäß Anspruch 1 umfasst eine verformbare mechanische Einheit mit aufgebrachtem biegesensitiven Sensor bzw. Sensoren, eine bewegbare Abtastspitze sowie ein Befestigungsmodul, mit welchem der Sensoraufbau im bzw. am Wälzlager befestigt werden kann und welches gleichzeitig zur Übermittlung der Messsignale dient. Die Biegeeinheit und das Befestigungsmodul können je nach Art des zu untersuchenden Wälzlagers variieren. Elektronische Funktionseinheiten können sich ebenfalls bereits auf der Abtasteinheit befinden.A sensor structure according to claim 1 comprises a deformable mechanical unit with applied bending-sensitive sensor or sensors, a movable scanning tip and a mounting module, with which the sensor structure can be mounted in or on the rolling bearing and which simultaneously serves to transmit the measurement signals. The bending unit and the mounting module can vary depending on the type of bearing to be examined. Electronic functional units can likewise already be located on the scanning unit.

Ein optionales Computerprogramm ermöglicht mit Hilfe des beschriebenen taktilen Sensors eine Auswertung der Messdaten, auch im Hinblick auf eine Ermüdungsschädigung der Wälzlagerlauffläche sowie einem Verschleiß des Lagers. Die Auswertung und Darstellung der Messsignale kann dabei in relativ einfacher und verständlicher Form erfolgen. Eine rein elektronische Hardwarelösung zur Auswertung der Sensorsignale ist ebenfalls vorstellbar.One optional computer program allows using the described tactile sensor an evaluation of the measured data, also with regard to a fatigue damage of the rolling bearing surface and wear of the bearing. The evaluation and presentation The measurement signals can be relatively simpler and easier to understand Form done. A purely electronic hardware solution for Evaluation of the sensor signals is also conceivable.

Ausführungsbeispielembodiment

Weitere Vorteile, Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, jedoch nicht eingeschränkten Ausführungsformen der Erfindung, an Hand der schematischen und nicht maßstabsgetreuen Zeichnungen:Further Advantages, features and peculiarities of the invention arise from the description below of preferred, but not limited Embodiments of the invention, with reference to the schematic and not to scale drawings:

1 Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Sensoraufbaus, 1 Schematic representation of the sensor structure according to the invention,

2 Schnittdarstellung eines Kugelrollenlagers mit dem integrierten erfindungsgemäßen Sensoraufbau, 2 Sectional view of a ball roller bearing with the integrated sensor structure according to the invention,

3 Draufsicht auf die Biegeeinheit des erfindungsgemäßen Sensoraufbaus mit DMS, 3 Top view of the bending unit of the sensor assembly according to the invention with DMS,

4 Beispiel eines in einem Polardiagramm dargestellten Sensorsignals (mit Fehlerereignis) des Sensoraufbaus, welches z. B. mittels Computerprogramm darstellbar ist. 4 Example of a sensor signal shown in a polar diagram (with error event) of the sensor structure, which z. B. can be displayed by means of a computer program.

Prinzipiell wird der erfindungsgemäße Sensoraufbau durch drei Grundkomponenten erreicht. Das Befestigungs- und Elektronikmodul (5) trägt u. a. die für die drahtgebundene bzw. drahtlose Übertragung der Signale notwendige Elektronik (welche gegebenenfalls eine Signalanpassung/vorverarbeitung bereits durchführt) und ermöglicht eine Befestigung des taktilen Sensors am bzw. im Wälzlager. Dies kann zum Beispiel durch ein zentriertes Loch mittels einer Schraube direkt in den im Wälzlager befindlichen Wälzlagerkäfig (3) geschehen (3). So kann der Sensor den Außenring (1) oder den Innenring (2) abtasten. Weiterhin ist die Biegeeinheit (6) ein Grundmodul des Sensors. Für die Abtastung der Oberfläche wird die Abtastspitze (7) benutzt.In principle, the sensor structure according to the invention is achieved by three basic components. The mounting and electronic module ( 5 ) carries, inter alia, the necessary for the wired or wireless transmission of the signals electronics (which optionally already performs a signal adjustment / preprocessing) and allows attachment of the tactile sensor on or in the rolling bearing. This can be done, for example, by a centered hole by means of a screw directly into the roller bearing cage located in the rolling bearing ( 3 ) happen ( 3 ). So the sensor can remove the outer ring ( 1 ) or the inner ring ( 2 ). Furthermore, the bending unit ( 6 ) a basic module of the sensor. For the scanning of the surface, the scanning tip ( 7 ) used.

Die Funktionsweise des Sensors ist mit einem Biegebalken in der Technischen Mechanik vergleichbar. Die Biegung des Balkens wird mittels mindestens einem auf den Balken entsprechend angebrachten DMS (8) aufgenommen. Eine nachfolgende Software wertet die Verformung des DMS (Dehnung) Online, in Echtzeit bzw. in einem definierten Zeitraster aus. Es sollte möglichst der komplette elastische Bereich der Biegereinheit bzw. ein möglichst optimaler Bereich genutzt werden. Auf diese Art und Weise ist eine hinreichend genaue Erfassung der Dehnungen realisierbar. Durchgeführte praktische Versuche mit dem beschriebenen taktilen Sensorsystem haben gezeigt, dass bereits kleinste Unebenheiten im unteren μm-Bereich der Wälzlagerlauffläche detektierbar sind.The functioning of the sensor is comparable to a bending beam in technical mechanics. The bending of the beam is achieved by means of at least one DMS ( 8th ). Subsequent software evaluates the deformation of the strain gauge (strain) online, in real time or in a defined time frame. It should as far as possible the entire elastic range of the bending unit or an optimally optimal area are used. In this way, a sufficiently accurate detection of the strains can be realized. Practical experiments carried out with the described tactile sensor system have shown that even the smallest unevenness in the lower micron range of the rolling bearing surface can be detected.

Fährt die z. B. auf dem Wälzlager fest montierte Sensoreinheit mittels ihrer Tastspitze (7) die Laufbahn eines Wälzlagers ab, erzeugen die Oberflächenfehler dieser Fläche eine Dehnung in der Biegeinheit. Auch mit Hilfe eines mechanischen Hebels lassen sich kleine Fehler in große Ausschläge transformieren. Der auf der Biegeeinheit (6) applizierte DMS (8) (2) nimmt die Dehnungen auf. Nachfolgend werden diese DMS-Dehnungen in elektrische Signale umgewandelt. Die so erzeugten elektrischen Signale werden von der Elektronikeinheit (5) zur Empfangseinheit gesendet und danach z. B. in einem PC zur Datenauswertung mit Hilfe eines Computerprogramms übergeben.Does the z. B. on the rolling bearing permanently mounted sensor unit by means of its probe tip ( 7 ), the running surface of a rolling bearing, the surface defects of this surface generate an expansion in the bending unit. Even with the help of a mechanical lever small errors can be transformed into large deflections. The on the bending unit ( 6 ) applied DMS ( 8th ) ( 2 ) absorbs the strains. Subsequently, these strain gages are converted into electrical signals. The electrical signals generated in this way are transmitted by the electronic unit ( 5 ) are sent to the receiving unit and then z. B. passed in a PC for data analysis using a computer program.

Ein typisches Sensorsignal, welches der erfindungsgemäße Sensoraufbau liefert, besteht aus einem sinusförmigen Signalanteil, welcher die einzelnen Umdrehungen des Sensors im Wälzlager darstellt und den auf dem Sinusanteil sichtbaren Ausschlägen. Die kleinen Ausschläge sind dabei die Abbildungen der Oberfläche der Lauffläche des Wälzlagers und somit jener Signalbestandteil, welcher primär für die Auswertung interessant ist. Mittels Signalfilterung und modifizierter Darstellung in einem Polardiagramm (4) lässt sich visuell eine einfache und verständliche sowie quantifizierbare Auswertung des Signals produzieren. Somit wird es möglich, nicht nur die Größe des Ermüdungsfehlers, sondern auch seine Position im Lager zu ermitteln. Weiterhin lässt sich über eine statistische und fortwährende Untersuchung bzw. den Vergleich der Sensorsignale zu verschiedenen Zeitpunkten die Verschiebung des Kreises darstellen. Der Verschleiß des Lagers bildet sich ab.A typical sensor signal, which provides the sensor structure according to the invention, consists of a sinusoidal signal component, which represents the individual revolutions of the sensor in the rolling bearing and the rash visible on the sinusoidal component. The small deflections are the images of the surface of the bearing surface of the rolling bearing and thus that signal component, which is primarily interesting for the evaluation. By means of signal filtering and modified representation in a polar diagram ( 4 ) can be visually produce a simple and understandable and quantifiable evaluation of the signal. Thus, it becomes possible to detect not only the magnitude of the fatigue failure but also its position in the bearing. Furthermore, a statistical and continuous investigation or the comparison of the sensor signals at different times, the displacement of the circle can be displayed. Wear of the bearing is formed.

Vorteile der beschriebenen Sensoraufbau- und Software-Kombination sind ein relativ einfacher und kostengünstiger Aufbau, eine genaue Messung auch bei geringer Wälzlagerdrehzahl, ein äußerst geringer Signal-Rauschabstand, die optionale Funkübertragbarkeit der Messergebnisse, eine einfache und verständliche visualisierte Darstellung der Messergebnisse, verschiedenartige systemübergreifende technische Anwendungsmöglichkeiten und eine Skalierbarkeit sowie Ausbau des Messprinzips auf andere Aufgabenbereiche. Denkbar ist ein Einsatz des taktilen Sensors in bzw. an Wälzlagern sowie Gleitlagern, für die Abtastung von Werkstückoberflächen jeglicher Art und zur Überwachung verschiedenartiger mechanischer Führungen und Lager. Mit Hilfe modifizierter Varianten des taktilen Sensors ist auch eine Kraft-/Momentmessung an sich verformenden Elementen, ein Messung von Mikrobewegungen sowie eine Schwingungsmessung denkbar. Es ist eine Auslegung des Sensors für raue Umgebungsbedingungen prinzipbedingt durchführbar, insbesondere dort, wo optische Verfahren bereits an ihre Grenzen geraten. Eine entsprechende Software ermöglicht mittels entsprechender Auswertealgorithmen sowohl geschulten Personen eine eingehende Lageranalyse als auch weniger geschulten Anwendern. Mit Hilfe einer Visualisierung der Messergebnisse ist eine Bewertung der Lagerlaufflächen bzw. Schädigungen bis hin zu einer realistischen Abschätzung zukünftiger Schadensereignisse sowie der Restlebensdauer durchführbar.Advantages of the described Sensoraufbau- and software combination are a relatively simple and inexpensive construction, accurate measurement even at low rolling bearing speed, an extremely low signal-to-noise ratio, the optional radio portability of the measurement results, a simple and understandable visualized representation of the results, various cross-system technical Application possibilities and scalability as well as extension of the measuring principle to other tasks. It is conceivable to use the tactile sensor in or on rolling bearings and slide bearings, for the scanning of workpiece surfaces of any kind and for monitoring various types of mechanical guides and bearings. With the help of modified variants of the tactile sensor also a force / moment measurement on deforming elements, a measurement of micro-movements and a vibration measurement is conceivable. It is a design of the sensor for harsh environmental conditions inherently feasible, especially where optical methods are already reaching their limits. Corresponding software makes it possible for trained persons to carry out an in-depth stock analysis as well as less trained users by means of appropriate evaluation algorithms. With the help of a visualization of the measurement results, an evaluation of the bearing surfaces or damages up to a realistic estimation of future damage events as well as the remaining life span can be carried out.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 19925460 [0006]

Claims

Touching measuring method for surface measurement with rolling bearings and guides in operation, characterized in that wear and fatigue phenomena are determined using a built-in rolling bearings and guides tactile surface sensor.

Method according to claim 1, characterized that's based on the tactile surface sensor existing measuring system consisting of the basic components probe tip, probe tip holder, mechanical transmission element, housing, mechanical Fastener, electronic assembly, signal transmission unit and evaluation can exist.

Process according to claims 1 and 2 characterized characterized in that the application areas primarily the surveying of rolling bearing raceways, rolling bearing surfaces, Slide bearing surfaces and mechanical guides as well as other machine elements, which give an indication to residual life considerations can deliver.

Process according to claims 1 to 3 characterized characterized in that the measured variables to be evaluated the tactile surface sensor a direct or indirect measurement of wear and fatigue in particular allow the machine elements mentioned in claim 3.

Method according to at least one of the claims 1 to 4, characterized in that on the basis of the tactile Surface sensor a force / moment measurement itself deforming elements and systems is possible.

Method according to at least one of the claims 1 to 5, characterized in that on the basis of the tactile Surface sensor the measurement of micro-movements per se deforming elements and systems is possible.

Method according to at least one of the claims 1 to 6, characterized in that on the basis of the tactile Surface sensor a direct and indirect vibration measurement is possible on elements and systems.