CN101762316A - 用于检测和测量工业辊中振动的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定压辊组件的振动源的系统包括：基本上圆柱形的第一辊；配合结构，其相对于第一辊定位以与之形成压区；安装于第一辊上的多个环形压区状况传感器单元；这些环形传感器单元中的每一个沿着该第一辊定位于不同的轴向位置处、并且被配置成从该压区提供压区状况信号，所述信号指示在多个周向位置处的压区状况；以及，与该传感器单元相关联的处理器，其从该传感器单元接收信号。该处理器被配置成将来自所述传感器单元的信号转换成每个轴向位置处对于多个周向位置的压区状况读数。这种系统可检测出会造成不希望振动的辊或配合结构中的不规则性。

Description

用于检测和测量工业辊中振动的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求保护在2008年11月14日提交的名称为“System andMethod for Detecting and Measuring Vibration in an Industrial Roll”的美国临时专利申请第61/114,604号的优先权，该专利申请的公开内容被整体合并到本文中。

技术领域

本发明大体而言涉及工业辊，且更特定而言涉及具有振动测量能力的工业辊。

背景技术

在旋转机器部件中通常会经历振动。在许多情况下，在制造期间，这些振动可能会导致产品不规则，机器部件的过早磨损和故障，以及不能承受的环境。在设计水平上，部件的大小常常使得它们的自然频率远高于振动源预期的频率。为了进一步减小或防止显著振动，常常要执行对个别部件的平衡。常常，这些预防性措施不足以将振动水平减到可容许的水平。事后必须要采用其它技术。在某些校正措施中，向部件添加阻尼。利用旋转机械，常常调整操作速度以减小某些振动频率。在许多情况下，这些测量措施不足以控制振动，所以需要更有效的技术。

造纸机辊面临振动的具体挑战。辊以某些特定旋转速度转动，对于任何不平衡程度，其将产生处于相同频率的振动水平。压辊还面临另外的挑战如下：

1)振动可以在与辊直径或毡长度的公倍数相关的频率处发生。举例而言，如果一个辊是其配合辊直径的五分之三，在较大辊上可存在着较小辊的相同点触碰的15个位置。然后，较大辊可以其旋转频率15倍的频率而振动。在造纸机中常采用的压毡的毡接缝被归咎为引起这些类型的振动和磨损。这种效果有时被称作起楞(barring)。

2)其它磨损源能够增加振动水平。如果该压区被认为是刚性弹簧、且辊体被认为是质量，那么这种弹簧-质量系统将通常以其自然频率而振动。如果辊在比其旋转频率大15倍的频率处振动，则将会生成十五个磨损或起楞区域。

3)行进到压区内的纸张自身可能会具有不规则性，诸如循环的密度、刚度或厚度变化。随着这种纸张穿过压区，压区压力将具有循环的变化且可导致振动。这种源常常报道于砑光机组(calender stack)中。

4)辊可具有梁弯曲振动(beam bending vibration)。

5)在辊上的涂层可能会相对于芯部或轴颈是偏心的，这会造成以与辊旋转相同频率的振动。即使在使这种辊动态平衡时，辊覆盖物厚度变化造成压区压力的循环变化。举例而言，如果覆盖物在零度最厚且在180度最薄，辊在零度的偏转大于在180度的偏转。振动将额外地导致纸张所历经的压力变化。

对过度振动水平的常见反应包括调整操作速度，对辊进行表面重整(resurfacing)，以及改变辊覆盖材料。改变操作速度通常是不希望的，因为针对不同速度优化过了造纸机的其它部分；而且，更慢的速度会降低生产率且更高的速度可能会降低品质。通过重新研磨涂覆层(finish)和最终直径来对辊进行表面重整通常会占用较长的停机时间和较大的表面重整成本。也已开发了阻尼性能有所增加的的辊覆盖物来降低振动水平；但是，变成不同覆盖物材料会占用较长的停机时间来替换辊，以及会占用显著的时间和财务成本来替换该覆盖物。

本监视技术通常涉及将振动传感器置于轴承座上并靠近辊的端部。这些传感器可采集到振动的主要影响，但并非总能查明该源。可希望提供一种振动检测系统，其可生成关于辊振动的更多且更好的信息。

发明内容

作为第一方面，本发明的实施例是针对用于确定压辊组件的振动源的一种系统。该系统包括：基本上圆柱形的第一辊；配合结构，其相对于第一辊定位以与之形成压区；安装于第一辊上的多个环形压区状况传感器单元，环形压区状况传感器单元中的每一个定位于沿着第一辊的不同轴向位置处并被配置成提供来自压区的压区状况信号，该信号指示在多个周向位置处的压区状况；以及，与传感器单元相关联的处理器，其从传感器单元接收信号。处理器被配置成将来自传感器单元的信号转换成在每个轴向位置处对于多个周向位置的压区状况读数。在某实施例中，压区状况传感器单元是压力传感器。这种系统可检测辊或配合结构中的不规则性，这种不规则性可能会造成不希望的振动。

作为第二方面，本发明的实施例是针对评估工业辊中的振动的方法，其包括以下步骤：提供辊，辊包括安装于辊上的多个环形压区状况传感器单元，环形压区状况传感器单元中的每一个定位于沿着辊的不同轴向位置处、并被配置成从由辊和配合结构所形成的压区提供压区状况信号，使辊旋转；测量在每个传感器单元处的多个周向位置处的压区状况；以及，基于对压区状况的测量来确定辊中的振动源。

附图说明

图1是根据本发明实施例的带有振动检测系统的辊的示意正视图；

图2是图1的辊的透视图，其中覆盖物的部分被移除以示出振动检测系统的传感器；

图3是沿着图1中的线3-3所截取的图1的辊的截面图；

图4是涂覆于内基层上的外基层以及图1的辊的传感器的透视图；

图5是涂覆于图4的外基层上的顶部料层的透视图；

图6是图1的辊的电子单元的示意图；

图7是作为压区角度的函数的、绘制出压区压力的曲线图，其展示了如何可以检测到会造成振动的辊表面凸块；

图8是作为压区角度的函数的、绘制出压区压力的曲线图，其展示了如何可以检测到会造成振动的非同心辊覆盖物；

图9是根据本发明的额外实施例带有振动检测系统的辊的示意透视图。

具体实施方式

现将参看附图在下文中更具体地描述本发明。本发明并非旨在限于所图示的实施例；而是这些实施例旨在向本领域技术人员完全且完整地披露本发明。在所有附图中，相类同的附图标记指代相似的元件。为了清楚起见，可能会夸大某些部件的厚度和尺寸。

为了简要和/或清楚起见，可能未详细描述熟知的功能或构造。

除非另外定义，本文所用的所有科技术语的意义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意义相同。在本文中，本发明的说明中所用的术语仅是出于描述特定实施例的目的且并非旨在限制本发明。除非语境清楚地表示为其它情况，如在本发明的说明和所附权利要求书中所用的单数形式“一”、“该”或“所述”预期也包括复数形式。如本文所用的，术语“和/或”包括相关联的列出条目中的一个或多个的任何及所有组合。除非另外陈述为其它情况，当使用术语“附连”、“连接”、“互连”、“接触”、“耦接”、“安装”、“覆盖”等时可表示元件之间的直接或间接附连或接触。

现参看附图，概括地标注为20的辊在图1至图3中示出。辊20通常邻近配合结构(诸如配合辊、或靴型压机(shoe press)的靴形件)而定位，以形成压区，幅面可通过该压区。

辊20包括中空圆柱形壳体或芯部22(参看图3)和环绕着芯部22的覆盖物24(通常由一种或多种聚合材料形成)。芯部22通常由耐腐蚀金属材料形成，诸如钢或铸铁。芯部22可为实心的或中空的，且如果是中空的，则其可包括能改变压力或辊型的装置。

覆盖物24可呈任何形式且可由本领域技术人员认为适用于辊的任何聚合和/或弹性材料形成。示范性材料包括天然橡胶、合成橡胶、以及环氧树脂和聚氨酯，所述合成橡胶诸如氯丁橡胶、丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶、氯磺化聚乙烯(“CSPE”也被称作商品名称HYPALON)、EDPM(给予由乙烯-丙烯二烯单体形成的乙烯-丙烯三元共聚物的名称)。覆盖物24还可包括加强和填充填料、添加剂等。示范性的另外材料在授予Stephens的美国专利第6,328,681号、授予Jones的美国专利第6,375,602号以及授予Gustafson的美国专利第6,981,935号中讨论，这些专利中每一个的公开内容以其全文引用的方式结合到本文中。

在许多情形下，覆盖物24将包括多个层。图4和图5示出了内基层42a、外基层42b和顶部料层70的涂覆；图3以截面图示出这些层。还可包括额外层，诸如在外基层42b与顶部料层70之间的“联结(tie-in)”层和在壳体22与内基层42a之间的粘合剂层。

可以用本领域技术人员已知的适合于涂覆辊覆盖物的任何方式来进行覆盖物24的构造。示范性方法在美国专利公告第2005/0261115号中加以讨论，该公开内容以其全文引用的方式结合到本文中。

现参看图1和图2，用于感测所述辊20中振动的振动感测系统26包括多个压区状况传感器30，其中的每个压区状况传感器30嵌入于覆盖物24中。如本文所用，传感器“嵌入”于覆盖物中是表示传感器完全包含于覆盖物中，且特定层或若干层的组内的传感器“嵌入”于覆盖物中是表示完全包含于该层或该层组内。振动感测系统26还包括处理器32；并且，在图示实施例中，传感器30经由电引线(未图示)连接到电子单元31，所述电子单元被安装至辊20一端。包括有电子单元31，以将传感器30所产生的信号转换成易于处理的数据；在某些实施例中，传感器30中的每一个包括收发器，其能将信号无线地发送至电子单元31、或者发送至远程接收器以进行处理(参看，例如美国专利第7,392,715号)。电子单元31将信号发送(通常为无线地发送)至处理器32以在随后进行处理和显示。

仍参看图2，在其中示出感测系统26的传感器30的布置。在图示实施例中，系统26包括沿着辊20的长度而彼此大体上等距间隔开的七个压区状况传感器30，但在不同轴向位置处通常将会包括更多的传感器30以提供额外数据。每个传感器30是环形的且基本上在一个轴向位置处环绕该辊20。对于几乎360度包围着辊的连续传感器30的情况，可完全绕辊20的圆周来测量压力分布。或者，且如图9所示，每个连续传感器30可由离散的、相对紧密地间隔开的传感器30′的圆环替代。

传感器30直接或间接测量压区状况(通常为压力)。可使用能测量压力或另一压区状况的任何传感器。举例而言，传感器30可直接测量压力、位移、接近性、应变、电荷、电压、电阻、衰减、电容或电感，且这种测量可与压区压力和/或压区宽度相关。典型传感器包括压电传感器、压电陶瓷传感器、力敏感电阻器(FSR)传感器、电阻传感器、量子穿隧复合物(QTC)传感器、压电电阻传感器、电容传感器、电感传感器、光纤传感器和EMFi薄膜传感器。这些传感器类型在下文讨论。

压电传感器产生与动态压力成比例的电荷或电压。可从Measurement Specialties，Inc(宾夕法尼亚州(Pennsylvania)的ValleyForge)购买到呈电缆形式的合适的压电传感器。Kynar^TM PVDF薄膜可用作压电传感器且也可从Measurement Specialties，Inc获得。

压电陶瓷材料可在比PDVF薄膜更高的温度下使用。材料PSI-5A4E具有350℃居里温度。在许多实施例中，这些传感器将以离散阵列布置，如图9所示。示范性传感器可购自马萨诸塞州(Massachusetts)Cambridge的Piezo Systems，Inc.。

FSR传感器具有与压力几乎成反比的电阻。FSR传感器可从Interlink Electronics，Inc.(加利福尼亚州(California)的Camarillo)或者从Tekscan，Inc.(马萨诸塞州(Massachusetts)的South Boston)获得。

电阻传感器包括所有那些其电阻受压区状况影响的传感器。很短的应变计可在径向定向并且将会测量与径向压力密切相关的径向应变。应变计可用于测量压区中的周向应变。在远离辊端部处，轴向应变可接近为零；但如果被包装成解耦(decouple)几乎平面的应变条件，则轴向应变可以为非零的。这些应变与压力水平相关，因此应变计大体上被认为是间接测量方法。合适的应变计可从VishayMeasurements Group(www.vishaymg.com)获得。QTC材料是一种电阻随着压力增加而减小的材料。QTC丸可从英国(United Kingdom)Durham的Peratech Ltd.，获得。

压电电阻传感器也展示出在电阻与所施加的应力或应变之间的耦合。这些传感器可在径向定向以测量径向压力。示范性压电电阻传感器是HSPPAR，其可购自的加利福尼亚州(California)Campbell的Alps Electric Co.，Ltd.。

电容传感器通过测量两个板或两个物体之间的电容变化来测量压力。电容压力传感器可从加利福尼亚州(California)Sunnyvale的Loadstar Sensors Inc.，获得。

电感传感器通常用于位移测量，其将被认为是间接测量。示范性电感传感器是2402传感器，其可购自Micro-Epsilon，Raleigh，NC。

光纤传感器具有一定数目的可用配置。微弯光纤可包裹于辊的圆周周围。这种传感器对径向应变敏感。光强度/亮度的变化指示着施加到传感器上的压力或应变。示范性装置在美国专利第6,429,421号中示出。EFPI(非本征法布里-珀罗干涉)传感器是点传感器且充当高度敏感的位移计。在这种情况下将会使用若干离散的EFPI传感器。光纤布拉格光栅传感器具有在光纤内蚀刻的光栅，其用于使穿过传感器的光的波长偏移。在典型应用中，在辊覆盖物内，偏移将会指示出覆盖物材料中的周向应变水平。多模式且椭圆形芯部(e-芯部)光纤将在光纤被压缩时经历频率偏移和亮度变化。

EMFi薄膜类似有源电容器般对压力做出响应。它们可适用于低温和低压应用。传感器材料可从Emfit Ltd，Vaajakoski，Finland获得。

对于许多应用，温度补偿可改进传感器读数的准确度。温度补偿可建置于这些传感器类型中的某些类型中。单独的温度测量传感器将用于其它传感器。常用温度传感器包括热电偶、RTD和热敏电阻。示范性温度补偿技术在美国专利公告第2005/0278135号中加以讨论，该专利公告的公开内容以其全文引用的方式结合到本文中。

如上文所讨论，传感器为环形的且可被配置为基本上连续的(如对于传感器30的情况)或离散的(如对于传感器30′的情况)。基本上连续的环在开始位置与终止位置之间可具有间隙，其中该环仅跨越圆周的大部分，例如355度。这种间隙可用于帮助利用角位置来确定读数位置。或者，可使用单独的编码器或触发器来保持读数与绝对位置同步。对于纯振动测量，可无需同步。间隙也可帮助压电传感器移除信号中的DC分量。

可使用图9所示的离散传感器30′，其中就传感器的可用性或制造而言是方便的。举例而言，陶瓷压电传感器可能不易于以预制环的形式得到，因此可以使用传感器30′序列来替代。传感器30′可并联。

尽管传感器30、30′被图示为位于嵌入在基层42中的辊20表面下方，但在其它实施例中，传感器可位于辊外表面处、或者在该表面下方的其它深度处，诸如在金属芯部顶部上，在基层上，或在中间层上。

现参看图6，电子单元31可包括信号调节模块52。不同传感器需要不同信号调节系统。举例而言，电阻传感器常常具有惠斯通电桥电路。其它基于电阻的电路使用精确的电压或电流源并且测量已知电阻元件上的电压。压电传感器通常使用电荷放大器。电容传感器测量谐振频率，或者使用电容至电压转换器。光纤传感器测量光信号强度或者频率偏移。因此，信号调节模块52将传感器输出转换成可由数据采集系统54(下方)或数据记录系统加以读取的形式。

电子单元31还可包括数据采集模块54。数据采集模块54将传感器信号转换成数字测量。在许多情况下，系统使用模拟电压至数字(A/D)转换器。

控制器56驱动所述传感器30、信号调节模块52和数据采集模块54和任何其它电子器件，并与处理器32无线通信。嵌入式控制器56可有时关闭该系统的部分以节省电力。嵌入式控制器56也可在许多可用的传感器30之中进行多路复用。

传感器测量由电子单元31传输到位于远离所述辊20的位置处的处理器32。处理器32将压力信号转换成对于每个轴向定位的传感器的多个周向位置的压力读数。在许多情况下，这个离辊位点(off-rollsite)处于操作者控制室中。信号通常使用RF通信来传送。示范性RF收发器可购自德克萨斯州Dallas的RF Monolithics，Inc.。

其它通信技术也是可用的。举例而言，辊通信可为单向的，其中信号从辊20发送，但并无通信发送至辊20。因此，基于辊的系统将具有发射器，且离辊位点将使用接收器。

在某些实施例中，IR通信和滑环也可用于向辊20通信和从辊20通信。除了下文所讨论的网格状配置之外，大多数电子器件将安装于辊的头部上。

用于通信的另一实施例是无线网格状配置，其中，每个传感器具有靠近其位点的收发器并且许多传感器形成用于通信的网格状配置。这个办法是可靠的，因为一个弱位点可到达附近位点且由更强的无线位点来发送其信息。这种可靠性也表现于当一个位点出现故障且该网格自动地重新配置以维持其余位点之间的通信时。无线网格状产品可购自加利福尼亚州San Jose的Crossbow Technology，Inc.。

诸如上文所讨论的压区状况传感器的布置将尤其有助于查明特定振动问题，如由下文的实例所讨论。

在某些情形下，压辊对中的一个辊在其表面处具有平点或凸块。在取得传感器读数时，压力分布将相当平稳直至靠近凸块的区域穿过该压区，如图7所示。在有缺陷的辊每次绕转期间，将存在一个这样的凸块；并且配合辊在一个与辊直径比例相关的旋转周期将会遭遇一次凸块。因此，可识别出不当的凸块/平点并对其加以校正。

在其它情形下，覆盖物可以是相对于其旋转轴线偏心的。外径可能会不圆，或者覆盖物厚度可不同。在取得压力读数后，对于这种情况，可看到缓和变化的压力分布，如在图8中所示。如之前那样，如果是配合辊安装了传感器，而不是偏心辊，则辊的比例决定角度周期。与较薄区域相比，具有更厚覆盖层的区域将表现更软且具有更低的压区压力。

在任一情形下，可基于压力测量来调整(通过研磨或类似方法)辊20的结构以减小振动。

上述实例展示出，机器方向压区压力是与振动一起加以测量的。加速度计将振动水平输出为频率的函数，并且不能区分图7所示和图8所示的两种情况。因此，所提出的感测系统能够以更加高准确度来查明问题来源。系统也可测量振动对纸张产品的直接影响的量值。即，加速度计可检测到存在着显著振动，而所提出的测量系统测量出这些振动对纸张所经历的压区压力造成的直接影响。这种直接办法可在覆盖物磨损之前或者在形成损毁或过度振动之前测量操作问题。

前文说明了本发明且不应被理解为限制本发明。尽管描述了本发明的示范性实施例，但本领域技术人员易于了解到在不实质上偏离本发明的新颖教导内容和优点的情况下能对示范性实施例做出许多修改。因此，所有这些修改预期包括于如权利要求书所限定的本发明的范畴内。本发明由下文的权利要求书限定，且权利要求书的等同物包括在内。

Claims (17)

1.一种用于确定压辊组件的振动源的系统，包括：

基本上圆柱形的第一辊；

配合结构，其相对于所述第一辊定位以与之形成压区；

安装于所述第一辊上的多个环形压区状况传感器单元；所述环形传感器单元中的每一个沿着所述第一辊定位于不同的轴向位置处并且被配置成提供来自所述压区的压区状况信号，所述信号指示出在多个周向位置处的压区状况；以及

与所述传感器单元相关联的处理器，其从所述传感器单元接收信号；

其中所述处理器被配置成将来自所述传感器单元的信号转换成在每个轴向位置处对于多个周向位置的压区状况读数。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述配合结构是基本上圆柱形的第二辊。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述压力传感器单元包括基本上连续的环形传感器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述压力传感器单元是以角度图案布置的多个离散传感器。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一辊包括聚合覆盖物，且其中所述传感器单元至少部分地嵌入于所述覆盖物中。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述聚合覆盖物由选自包括下列材料的组中的材料形成：天然橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯磺化聚乙烯、EDPM、环氧树脂和聚氨酯。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述压区状况传感器检测选自包括下列状况的组中的状况：压力、位移、接近性、应变、电荷、电压、电阻、衰减、电容和电感。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述检测的状况是压力。

9.一种用于评估工业辊中振动的方法，其包括以下步骤：

提供辊，所述辊包括安装于所述辊上的多个环形压区状况传感器单元，所述环形压区状况传感器单元中的每一个沿着所述辊定位于不同的轴向位置处且被配置成从由所述辊和配合结构所形成的压区提供压区状况信号，使所述辊旋转；

测量在每个压区状况传感器单元上的多个周向位置处的压区状况；以及

基于对压区状况的测量来确定辊中的振动源。

10.根据权利要求9所述的方法，其还包括以下步骤：基于所述确定步骤来调整所述辊的结构。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述配合结构是基本上圆柱形的第二辊。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述压力传感器单元基本上是连续环形传感器。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述压力传感器单元是以环形图案布置的多个离散传感器。

14.根据权利要求9所述的方法，其中所述辊包括聚合覆盖物，且其中所述传感器单元至少部分地嵌于所述覆盖物中。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述聚合覆盖物由选自包括以下材料的组中的材料形成：天然橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯磺化聚乙烯、EDPM、环氧树脂和聚氨酯。

16.根据权利要求9所述的方法，其中所述压区状况传感器检测选自包括以下状况的组中的状况：压力、位移、接近性、应变、电荷、电压、电阻、衰减、电容和电感。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述压区状况传感器是压力传感器。

Images