BRPI0414710B1 - método e disposição de sensores para determinar um vetor de carga atuando sobre um mancal de elemento giratório - Google Patents

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Abstract

"método e disposição de sensores para determinar um vetor de carga atuando sobre um mancal de elemento giratório". a invenção refere-se a um método e disposição de sensores para determinar um vetor de carga atuando sobre um mancal de elemento giratório (1) em operação. uma pluralidade de n sensores (8) é provida, sensores estes que medem deslocamento e/ou esforço para determinar deslocamento e/ou esforço em um dos elementos (5, 6, 7) do mancal de elemento giratório (1). além disto, um calculador de coeficientes de forma de modo (11) é provido, conectado com a pluralidade d n sensores (8), para determinar uma deformação do elemento (5, 6, 7) por meio de cálculo da amplitude e fase de n/2 termos de fourier representando pelo menos uma forma de modo radial do elemento configurado como anel (5, 6, 7). também, uma rede neural de mancal (12) está presente, conectada com o calculador de coeficientes de forma de modo (11), a rede neural de mancal (12) sendo treinada para prover o vetor de carga sobre o mancal de elemento giratório (1) a partir dos n/2 termos de fourier. l

Description

“MÉTODO E DISPOSIÇÃO DE SENSORES PARA DETERMINAR UM VETOR DE CARGA ATUANDO SOBRE UM MANCAL DE ELEMENTO GIRATÓRIO” Campo da Invenção A presente invenção refere-se a medições de carga em mancai de elemento giratório, tal como mancais de esferas ou mancais de roletes. Mais especificamente, a presente invenção refere-se a um método e disposição de sensores para determinar um vetor de carga atuando sobre um mancai de elemento giratório, compreendendo medir deslocamento e/ou esforço usando N sensores para determinar deslocamento e/ou esforço em um elemento configurado como anel do mancai de elemento giratório.
Arte Anterior Um tal método de medição de carga e disposição de sensores são, por exemplo, conhecidos da patente Norte-Americana US-A-5.140.849, que descreve um mancai de elemento giratório com uma unidade de sensor. A unidade de sensor compreende dois elementos sensores, na forma de medidores de esforço, que efetivamente medem um número de características de desempenho do mancai, incluindo a carga aplicada, aceleração de velocidade de rotação e aceleração.
Todavia, esta conhecida disposição de sensores não é capaz de medir o vetor de carga total aplicado ao mancai. Presunções são feitas com base na configuração de mancai (na maioria das vezes empírica) de como a carga sobre o mancai é detectada pelos dois elementos sensores, e, desta maneira, como a carga sobre o mancai pode ser determinada a partir de sinais de elemento sensor. Também, devido à natureza não linear de um mancai, um método de medição de vibração relativo retilineamente à frente usando a freqüência de passo de esfera não é suficiente para determinar o carregamento sobre o mancai, em um sentido geral.
Sumário da Invenção A presente invenção busca prover um aperfeiçoado método e disposição de sensores para determinar a carga sobre um mancai de roletes, que é capaz de determinar o vetor de carga completo sobre o mancai, isto é, três componentes de força ortogonais e dois momentos (o momento em tomo do eixo geométrico de rotação do mancai sendo sem importância).
De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, um método é provido de acordo com o preâmbulo definido acima, no qual o método compreende; determinar uma deformação do elemento por meio de da amplitude e fase de N/2 termos de Founer representando pelo menos uma forma de modo radial do elemento configurado como anel, e alimentar os N/2 termos de Fourier a uma rede neural de mancai, a rede neural de mancai sendo treinada para prover o vetor de carga sobre o mancai de elemento giratório elemento a partir dos N/2 termos de Fourier. O elemento de mancai, do qual uma deformação é medida usando os sensores, pode ser o anel interno ou anel externo, ou até mesmo um dos elementos giratórios.
Este método tem a vantagem que é possível determinar o vetor de carga em todas dimensões ortogonais em todas as posições do componente de mancai do elemento de rolamento pelo uso de medições da deformação de componente. Foi verificado que é possível treinar uma rede neural para prover o vetor de carga como um resultado de saída, usando os calculados coeficientes de forma de modo, como alimentação, onde a relação entre os sinais ou dados de entrada e o resultado de saída é uma relação não linear.
Em uma outra forma de realização, o mancai de elemento giratório compreende duas fileiras de mancais coaxiais, o elemento configurado como anel do mancai de elemento giratório sendo o anel externo de mancai de uma das duas fileiras de mancais coaxiais. Foi constatado que usando apenas medições a partir de uma única fileira, é possível obter o vetor de carga sobre a disposição de mancai como um todo.
Os N sensores podem compreender sensores de esforço, em uma outra forma de realização, e a pelo menos uma forma de modo radial compreende uma forma de modo de ordem zero e uma ou mais formas de modo de ordem dois ou mais alta. Usando sensores de esforço, o deslocamento (forma de modo de ordem zero) do elemento de mancai não pode ser medido, mas usando o presente método, é ainda possível obter um resultado de vetor de carga com precisão suficiente.
Em uma ainda outra forma de realização, os N sensores compreendem sensores de deslocamento, e a pelo menos uma forma de modo radial compreende uma ou mais formas de modo de ordem zero e mais alta. Usando sensores de deslocamento, a medição de dados com respeito a todas formas de modo, as quais, conjuntamente, formam a deformação de elemento de mancai, podem ser obtidas, fornecendo a mais alta precisão do vetor de carga resultante.
Para melhorar ainda mais a qualidade de resultado de medição, N/2 coeficientes polinomiais de Chebyshev são determinados a partir de sinais de sensor, representando pelo menos uma forma de modo axial do elemento configurado como anel. A rede neural de mancai é, em uma outra forma de realização, treinada usando uma pluralidade de conjuntos de dados, cada conjunto de dados compreendendo um predefmido vetor de carga sobre um tipo específico de mancai de elemento giratório e dados de medição associados a partir dos N sensores.
Em um outro aspecto, a presente invenção refere-se a uma disposição de sensores para determinar um vetor de carga atuando sobre um mancai de elemento giratório em operação, a disposição de sensores compreendendo uma pluralidade de N sensores for medir deslocamento e/ou esforço para determinar deslocamento e/ou esforço em um dos elementos do mancai de elemento giratório, um calculador de coeficientes de forma de modo, conectado a uma pluralidade de N sensores, para determinar uma deformação do elemento por meio de da amplitude e fase de N/2 termos de Fourier representando pelo menos uma forma de modo radial do elemento configurado como anel, e uma rede neural de mancai, conectada com o calculador de coeficientes de forma de modo, a rede neural de mancai sendo treinada para prover o vetor de carga sobre o mancai de elemento giratório a partir dos N/2 termos de Fourier.
Esta disposição de sensores provê vantagens comparáveis às vantagens discutidas acima em relação ao presente método. Formas de realização da presente disposição de sensores são descritas nas reivindicações dependentes da disposição de sensores.
Breve Descrição dos Desenhos A presente invenção será agora explicada em maior detalhe usando um número de formas de realização de exemplo, com referência aos desenhos acompanhantes, nos quais a figura 1 mostra uma vista de seção transversal de um mancai de elemento giratório provido com um número de sensores de deslocamento; a figura 2 mostra uma vista de seção transversal do mancai de elemento giratório da figura 1 através da linha ΙΙ-Π; e a figura 3 mostra um diagrama em blocos de uma disposição de sensores de acordo com uma forma de realização da presente invenção. Descrição Detalhada de Formas de Realização de Exemplo Na figura 1, uma vista de seção transversal é mostrada, de um mancai de elemento giratório 1, por exemplo, um mancai de esferas ou mancai de roletes. O mancai de elemento giratório 1 compreende um anel externo 5, um anel interno 6 e um número de elementos giratórios 7, tais como esferas ou roletes (o número de elementos giratórios 7 sendo oito no desenho). O anel externo 5 do mancai de elemento giratório 1 é fixado em um suporte de sensor 2, que forma a estrutura fixa para o mancai de elemento giratório 1. No suporte de sensor 2, oito sensores 8 são providos em locais voltados para o anel externo de mancai 5, com espaçamento (angular) correspondendo ao espaçamento angular dos elementos giratórios 7 do mancai 1. Os sensores 8 podem, por exemplo, ser sensores de deslocamento ou sensores de vibração, conhecidos como tais para a pessoa especializada na arte.
Como mostrado na vista de seção transversal da figura 2, o anel externo de mancai 5 é provido com um recesso 3 em sua periferia externa. As superfícies externas do anel externo de mancai 5 estão em estreito contato com o suporte de sensor 2. Os sensores 8 podem, desta maneira, monitorar qualquer deformação da superfície do recesso 3 do anel externo 5 como um resultado dos elementos giratórios 7 passando pelo e pelo vetor de força aplicado ao mancai 1.
Para a pessoa especializada na arte, ficará claro que o recesso circunferencial 3 pode também ser provido no suporte de sensor 2, de modo que uma deformação (local) da superfície externa do anel externo de mancai 5 é possível. Também será claro para a pessoa especializada na arte, que é possível usar sensores 8 que monitoram a superfície interna do anel interno de mancai 6, e que o anel interno de mancai 6 (ou o suporte de anel interno, suportante, análogo ao suporte de sensor 2), pode ser provido com um recesso circunferencial 3.
Na figura 1, também um eixo geométrico x e eixo geométrico y são indicados, um eixo geométrico z sendo definido como sendo ortogonal a ambos os eixos geométricos x e y (estendendo-se perpendicular à superfície do desenho), além disto, dois eixos geométricos de rotação podem ser definidos, por exemplo, eixos geométricos de rotação em tomo dos eixos geométricos x e y, respectivamente. Em geral, o mancai de elemento giratório 1 é, na operação, sujeito a um vetor de força 71 compreendendo três elementos de força na direção x, y e z, respectivamente, e dois elementos de momento em tomo dos eixos geométricos x e y, respectivamente.
Mancais são cada vez mais feitos na forma de unidades contendo duas fileiras de mancais que podem competir com uma combinação de forças axiais, forças radiais e momentos de flexão. Um exemplo de uma tal unidade de mancai 10 tendo duas fileiras de mancais 1, Γ, é mostrado na figura 3. Tais unidades 10 podem ser usadas como o mancai de roda de um moderno carro, o qual consiste de um flange ou haste para montar a unidade de mancai 10 na estrutura e uma parte rotativa que é conectada com a roda.
Em geral, a carga sobre uma unidade de mancai 10 pode incluir forças em três direções bem como momentos sobre os três eixos geométricos. As forças e momentos sobre a unidade de mancai 10 conduzem a forças predominantemente radiais e axiais sobre as individuais fileiras de mancai 1, 1’ na unidade 10. O anel externo 5 da unidade 10 responde às forças sobre as fileiras 1, V por meio de deformação elástica. Básico para a presente invenção é a compreensão que qualquer objeto mecânico, tal como o anel interno ou externo de mancai 5, 6, ou também os elementos giratórios 7, pode apenas ser deformado de acordo com suas formas de modo natural. De acordo com a técnica de síntese de modo de componente (CMS), as formas de modo natural podem ser descritas usando um específico conjunto de equações, como, por exemplo, descrito em J.A. Wensing, On the dynamics of bali bearings’, ISBN 90-36512298, que é incorporado aqui para referência. A deformação do anel externo 5 é a soma de modos forçados (formas de modo) da uni 10 e é conhecido que estes podem ser descritos com funções polinomiais, A deformação é, em uma forma de realização, descrita com séries de Fourier para a direção circunferencial e, por exemplo, polinômios de Chebyshev para a direção paralela ao eixo geométrico de rotação da unidade de eixo geométrico de rotação da unidade de mancai 10. Não é estritamente necessário determinar as formas de modo na direção axial. E verificado que informação circunferencial sobre uma fileira 1, Γ de uma tal unidade de mancai 10 é suficiente. Todavia, foi constatado que usando medições relativas às formas de modo axial permite determinar o ângulo de contato da carga.
Os termos circunferenciais de Fourier são medidos por meio do uso de uma adequada quantidade de sensores 8 que medem o deslocamento e/ou o esforço. Note que medição de esforço pode determinar os modos 0 (“modo de respiração), 2 (deformação oval), 3 (deformação triangular), etc., mas não o modo 1 (movimento de corpo rígido). A medição de deslocamento pode determinar as formas de modo radial incluindo o modo de corpo rígido que determina o deslocamento relativo do anel interno 6 com relação ao anel externo 5 em locais regularmente espaçados. Com N sensores 8, é possível determinar a amplitude e fase de N/2 diferentes termos de Fourier que representam a forma de modo radial do anel 5.
Na forma de realização mostrada na figura 3, uma única fileira 1 é provida com sensores associados 8. Em uma outra forma de realização, ambas fileiras 1, Γ podem ser providas com sensores 8, permitindo determinar a carga sobre o mancai com mais alta precisão e robustez.
As amplitudes de modo e fases são uma função das forças axiais e radiais sobre a fileira de mancais 1, Γ que é medida. A carga sobre uma fileira de mancais 1, Γ é a suma das individuais forças de contato nesta fileira 1, Γ. O anel externo 5 da unidade de mancai 10 é deformado devido às forças, mas a deformação é influenciada pela rigidez de contato dos contatos giratórios individuais. A amplitude das formas de modo individuais não é, por conseguinte, linearmente acoplada com as cargas. As amplitudes dos modos que descrevem as deformações, todavia,· são todas monotonamente dependentes da carga. Na prática, redes neurais artificiais, não lineares, são muito capazes de reconstruir o carregamento de rede sobre a unidade de mancai 10 a partir da entrada não linear.
Na figura 4, é mostrado um diagrama esquemático da disposição de sensores de acordo com uma forma de realização da presente invenção. Os sensores 8 são conectados em paralelo a um calculador de coeficiente de forma de modo 11, o qual é disposto para derivar a amplitude e valores de fase das formas de modo generalizadas a partir dos sinais de entrada dos sensores 8. Como um exemplo, a figura 5 mostra uma representação dos valores de amplitude de formas de modo para uma disposição específica, para os modos 0 a 5. A amplitude e fase das formas de modo são alimentadas em uma rede neural de mancai 12, a qual foi treinada para prover a carga de mancai usando sinais de amplitude e fase na qualidade de entrada. O projeto e o treinamento de uma rede neural para prover um sinal de saída a partir de uma pluralidade de sinais de entrada, onde uma relação não linear existe entre os sinais de entrada e o sinal de saída, são bem conhecidos na arte, e não precisa de maior explicação. A rede neural pode, por exemplo, ser treinada usando conjuntos de dados, onde cada conjunto de dados compreende um vetor de carga atualmente aplicado à unidade de mancai 10 (saída desejada da rede neural 12) e os dados de sensor medidos (e processados), associados este vetor de carga. Em geral, a mencionada a relação não linear é dependente do tipo de unidade de mancai 10 usada, e possivelmente também dependente de características específicas de montagem. Neste caso, a rede neural de mancai 12 é treinada para esta situação específica. O calculador de coeficientes de forma de modo 11 e a rede neural de mancai 12 podem, cada, ser implementados usando um computador de finalidade geral ou um sistema de processamento de sinal dedicado, ou em combinação. O calculador de coeficientes de forma de modo 11 e rede neural de mancai 12 são também conectados com um dispositivo de memória (não mostrado) para o armazenamento de parâmetros, dados e resultados de processamento. Também, a rede neural de mancai 12 pode ser conectada com dispositivos de interface (não mostrados), por exemplo, para prover uma saída de resultados processados em um visor ou impressora. O calculador de coeficientes de forma de modo 11 é disposto para processar os sinais que provêm dos sensores 8, e pode compreender, por exemplo, filtros, amplificadores, etc., ou dispositivos de processamento de sinais digitais, tais como conversores analógicos-para-digitais, filtros digitais, unidades lógicas aritméticas, etc., ou uma combinação de ambos.
Quando é antecipadamente conhecido, por exemplo, devido à construção na qual o mancai de elemento giratório 1 é usado, que o vetor de força irá ser dirigido em principalmente uma direção, é suficiente usar um pequeno número de sensores 8 na presente disposição de sensores. Se for conhecido, por exemplo, que o vetor de força irá ser predominantemente dirigido em uma única direção, pode ser suficiente prover apenas, por exemplo, três sensores um adjacente ao outro nesta direção, porque esta será a única região do anel externo 5 onde deformações irão ocorrer. Isto simplifica a disposição de sensores, enquanto mantém suficiente precisão.
REIVINDICAÇÕES

Claims (13)

1. Método para determinar um vetor de carga atuando sobre um mancai de elemento giratório (1), caracterizado pelo fato de que o método compreende: medir deslocamento e/ou esforço usando N sensores (8) para determinar deslocamento e/ou esforço em um elemento configurado como anel (5, 6, 7) do mancai de elemento giratório (1); determinar uma deformação do elemento (5, 6, 7) por meio de cálculo da amplitude e fase de N/2 termos de Fourier representando pelo menos uma forma de modo radial do elemento configurado como anel (5, 6, V); alimentar os N/2 termos de Fourier a uma rede neural de mancai (12), a rede neural de mancai (12) sendo treinada para prover o vetor de carga sobre o mancai de elemento giratório (1) a partir dos N/2 termos de Fourier.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o mancai de elemento giratório (1) compreende duas fileiras de mancais coaxiais (1, 1’), o elemento configurado como anel do mancai de elemento giratório sendo o anel externo de mancai (5) de uma das duas fileiras de mancais coaxiais (1,1 ’)■
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os N sensores (8) compreendem sensores de esforço, e a pelo menos uma forma de modo radial compreende uma forma de modo de ordem zero e uma ou mais formas de modo de ordem dois ou mais alta.
4. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os N sensores (8) compreendem sensores de deslocamento, e a pelo menos uma forma de modo radial compreende uma ou mais formas de modo de ordem zero e mais alta.
5. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que também compreende determinar N/2 coeficientes polinomiais de Chebyshev a partir dos N sinais de sensor, representando pelo menos uma forma de modo axial do elemento configurado como anel (5,6,7).
6. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a rede neural de mancai (12) é treinada usando uma pluralidade de conjuntos de dados, cada conjunto de dados compreendendo um predefinido vetor de carga sobre um tipo específico de mancai de elemento giratório (1) e dados de medição associados a partir dos N sensores (8).
7. Disposição de sensores para determinar um vetor de carga atuando sobre um mancai de elemento giratório (1) em operação, caracterizada pelo fato de que a disposição de sensores compreende: uma pluralidade de N sensores (8) que medem deslocamento e/ou esforço para determinar deslocamento e/ou esforço em um dos elementos (5,6,7) do mancai de elemento giratório (1); um calculador de coeficientes de forma de modo (11), conectado a uma pluralidade de N sensores (8), para determinar uma deformação do elemento (5, 6, 7) por meio de cálculo da amplitude e fase de N/2 termos de Fourier representando pelo menos uma forma de modo radial do elemento configurado como anel (5,6,7); uma rede neural de mancai (12), conectada com o calculador de coeficientes de forma de modo (11), a rede neural de mancai (12) sendo treinada para prover o vetor de carga sobre o mancai de elemento giratório (1) a partir dos N/2 termos de Fourier.
8. Disposição de sensores de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o mancai de elemento giratório (1) compreende duas fileiras de mancais coaxiais (1, Γ), o elemento configurado como anel do mancai de elemento giratório sendo o anel externo de mancai (5) de uma das duas fileiras de mancais coaxiais (1, Γ).
9. disposição de sensores de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que os N sensores (8) compreendem sensores de esforço, e a pelo menos uma forma de modo radial compreende uma forma de modo de ordem zero e uma ou mais formas de modo de ordem dois ou mais alta.
10. Disposição de sensores de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizada pelo fato de que os N sensores (8) compreendem sensores de deslocamento, e a pelo menos uma forma de modo radial compreende uma ou mais formas de modo de ordem zero e mais alta.
11. disposição de sensores de acordo com uma das reivindicações 7 a 10, caracterizada pelo fato de que o calculador de coeficiente de forma de modo (11) é também disposto para determinar N/2 coeficientes polinomiais de Chebyshev representando pelo menos uma forma de modo axial do elemento configurado como anel (5, 6, 7).
12. Disposição de sensores de acordo com uma das reivindicações 7 a 11, caracterizada pelo fato de que a rede neural de mancai (12) é treinada usando uma pluralidade de conjuntos de dados, cada conjunto de dados compreendendo um predefmido vetor de carga sobre um tipo específico de mancai de elemento giratório (1) e dados de medição associados a partir dos N sensores (8).
13. Disposição de sensores de acordo com uma das reivindicações 7 a 12, caracterizada pelo fato de que o anel interno de mancai (6) ou anel externo (5) é fixado em um suporte de sensor (2), um recesso circunferencial (3) sendo provido entre pelo menos parte das superfícies contactantes do anel interno (6) ou anel externo (5) e o suporte de sensor (2).
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