CN102639886A

CN102639886A - 具有用于测量转动的轴的轴承支承力的传感器的支承装置

Info

Publication number: CN102639886A
Application number: CN2010800537774A
Authority: CN
Inventors: 贝恩德·吕内堡; 萨斯基亚·比尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: EP2327895A1; EP2504590B1; CN102639886B; US8869633B2; PL2504590T3; EP2504590A1; US20120318071A1; WO2011064144A1; JP2013512420A

Abstract

本发明提出一种用于对轴进行支承的支承装置（10），所述支承装置具有支承件（15）、用于支撑所述支撑件（15）的支撑结构（16），和以集成的方式装入在所述支撑结构（16）中的至少一个压阻式传感器（24、30、50），压阻式传感器设置在所述支承装置（10）的力线区域中，其中，借助所述支承件（15）的作用在所述传感器（24、30、50）上的支承力影响所述传感器（24、30、50）的电阻，使得能够借助所述传感器（24、30、50）电测取所述支承件（15）的支承力。此外，提出一种用于测定轴的轴承的静态轴承支承力和/或动态轴承支承力的相应的方法、一种控制系统以及压阻式传感器的用于确定轴承的轴承支承力的应用。

Description

具有用于测量转动的轴的轴承支承力的传感器的支承装置

技术领域

本发明涉及一种支承装置，其具有用于测量转动的轴的轴承支承力的传感器。本发明特别是涉及一种具有传感器的支承装置，借助所述传感器可电测取支承件的支承力。本发明还涉及一种具有支承装置的转子系统，所述支承装置具有传感器。此外，本发明涉及一种用于测定轴的静态和/或动态的轴承支承力的相应的方法、一种相应的控制系统、以及传感器的用于确定轴承的轴承支承力的应用。

背景技术

多重支承的转子系统被一次或多次超静定。这意味着，支承件相对于轴（或者反之）的几何位置——在下面称为定向——的改变导致轴承支承力的变化。根据轴-支承件-系统的几何布局，小的定向改变已经引起在支承件上大的力的改变，并且因此在轴身系统中也导致弯曲应力的大的改变。由于滑动轴承的与载荷有关的动态特性，这种转子系统的动态特性同样随着支承力的分布而改变。

反之，多重支承的转子系统的静态支承力的识别可实现评估支承件相对于轴系统的定向。动态的支承力的识别可实现多重支承的转子系统的振荡状态的评估。

定向误差能够导致轴的弯曲应力负荷升高以及过度的振荡和支承件损坏。高的动态支承力同样能够导致支承件损坏或间接损坏相邻的或连接的组件，例如油管。允许的最大振荡强度常常由操作者确定。静态的和动态的支承力的特征是，所述支承力在工作时既能够短时间地改变，也能够长时间地改变。短时间的改变例如能够通过加热过程和载荷变化引起。长时间的改变例如通过蠕变和沉积现象导致。此外，不能毫无问题地识别静态支承力的变化，因为通过工作特性的不同的、常常不明确的改变可察觉出所述静态支承力的变化。动态支承力通常通过振荡测量测定，然而所述动态支承力的定量评估仅在同时了解系统刚性的情况下是可能的，并且因此带有显著的不安全性。

至今为止，确定静态的轴承支承力或轴身相对于支承件的定向如下实现，即，将不具有或仅具有有限的错误位置的耦联件相互耦联。但是在此，不直接检测工作时的改变。更确切地说，间接测量，例如支承件温度测量，测量升高的油压和振荡，所述间接测量能够间接地推论出关于轴身相对于支承件的定向的在工作时的可能的变化。在停工状态的情况下，耦联件“被中断”，并且，通过测量耦联错误位置测定所述定向。在机械基座上或在静止的组件上在工作时实施的位移测量同样得出轴承支承力的长时间出现或短时间出现的不允许的大的变化。

动态轴承支承力通过振荡测量测定，为此，既实施相对振荡测量，也实施绝对振荡测量。在相对振荡测量中，通常测量轴相对于接收器的运动的振荡。接收器固定在支承件上或者固定在支承件壳体上。在绝对振荡测量时，测量在空间中的绝对运动。在此，探测器，也就是说用于确定绝对运动的传感器或测量探针通常固定在支承件上或固定在支承件壳体上。借助于所述测量和关于支撑刚性的其他假设能够在支承评估方面进行评估。

但是，上述方法是常见的，所述方法带有部分显著的不安全性，并且仅提供评估待确定的轴承支承力。

在FR 2852089A1中说明了一种具有传感器的支承件。

发明内容

本发明的目的是，提供一种支承装置、一种具有支承装置的转子系统、以及一种用于测量在支承装置中的静态轴承支承力和动态轴承支承力的方法，其中，可实现精确地确定静态的轴承支承力和动态的轴承支承力。

所述目的通过如在独立权利要求1中所述的支承装置，以及通过根据并列权利要求6、8和10所述的一种转子系统、一种用于确定轴承支承力的方法，和传感器的应用得以实现。

根据独立权利要求1，提出一种用于对轴进行支承的支承装置，其中，所述支承装置具有支承件、用于支承支承件的支撑结构、和以集成的方式安装在支撑结构中的至少一个压阻式传感器，所述压阻式传感器设置在支承装置的力线区域中。借助支承件的作用在传感器上的支承力影响传感器的电阻，使得在传感器上可电测取支承件的支承力。

根据本发明的支承装置具有优点，即，支承件的支承力能够通过直接测量确定。这特别取决于此，即传感器在力线中以集成的方式安装在支撑结构中并且因此待测量的支承力直接作用在传感器上，所述传感器又基于它的与压力有关的电阻特性能够电测取根据它的与压力有关的阻抗特征作用在所述传感器上的力。

在压阻式传感器中，也就是说，在具有与压力有关的电阻特性的传感器中，在力作用到传感器上时，不发生或仅发生小的变形例如在纳米范围中。同时，在力作用到传感器上时，通过改变在传感器材料中的压力已经产生电阻的可测量到的变化。

此外，这意味着，作为本发明的优点，在支承装置中的传感器在支撑结构内在力线区域中执行支承的部件的功能。传感器设置在力线区域中。在根据本发明的支承装置中，不会由于设置传感器而发生结构上的损坏，因为传感器以集成的方式设置在支撑结构中。

在根据本发明的支承装置中，既能够有利地直接确定静态轴承支承力，也能够有利地直接确定动态轴承支承力。与间接测量相比，由此实现减少不安全性和错误估计，特别是也在振荡诊断的范围内。因此，与直接测量不同，间接测量通常仅提供用于确定轴承支承力的依据或仅能够不准确地作出结论，因为在实际的轴承支承力和通过间接测量提供的测量值之间的相互关系通常是仅不完全已知的。

测量既能够在具有支承装置的机器工作时也能够在具有支承装置的机器停机时进行。相比于借助于应变仪的测量，这特别是有利的，因为在使用应变仪时需要所述测量位置的变形，如果机器在工作状态下，这不适用或不能实施。

因为本发明基于电测量原理，所以可应用标准评估方法或诊断方法。测量值能够与报警值和警告值相结合，这可实现自动化监控。静态部分的长时间的评估也可实现长时间的定向变化的识别。此外，根据本发明的解决方案可用于所有机器类型，并且能够简单地转换，因为仅涉及静止的、不转动的组件。相对于所有已知的实时方法，该分析的精确度得以明显提高。

根据本发明的一个改进构型，传感器具有一个或多个压阻式薄层。在传感器中的薄层的优点是：支承装置在材料耗费少和体积小时设有大面积的传感器，其中相对大的面积垂直于力线设置，使得提供尽可能敏感的和精确的压力测量或支承力测量。但是，本发明不局限于具有薄层的传感器，也就是说，不局限于所谓的薄膜式传感器，在必要时也可使用更厚的层，这特别也能取决于所使用的传感器材料的类型。

一个或多个压阻式薄层优选具有由类金刚石镀膜（DiamondLikeCarbon，DLC）制成的层，所述类金刚镀膜具有非晶碳。因此实现传感器的高敏感度。但是，本发明不局限于DLC作为传感器材料，并且特别是不局限于DLC薄层式传感器。可替代地，也能够使用其它压阻材料。例如也能够使用硅。

传感器优选具有一个或多个传感器板或传感器盘，其中，压阻式薄层被施加到传感器板或传感器盘上。传感器盘或传感器板的优点是，能够以小的公差制造压阻式传感器。首先，例如能够制造由传感器盘和施加在所述传感器盘上的压阻层组成的单元，其中，能够再加工压阻层的表面，以便提供光滑的接触面。由传感器盘和压阻层组成的单元被装入到支承装置的支撑结构的为该单元设置的留空部中。此外，根据本发明，传感器盘的厚度能够选择为，使得在支承装置中获得机械预紧压阻式传感器。通过设置机械预紧能够改进传感器的测量特征，例如能够实现内置的传感器的线性测量特征。

优选的是，借助于贴靠在压阻式薄层上的至少一个接触电极能测取支承力。通过接触电极测取的优点是，能够更精确地确定在压阻式传感器中进行的阻抗测量或阻抗变化的评估，因为不穿流过传感器的压阻层的电流的影响和环绕压阻层的电流的影响被降到最低。但是，本发明不局限于这样的直接贴靠的接触电极。可替代地，传感器的阻抗变化也可以仅通过不直接贴靠在压阻层上的电极确定，例如通过仅在背侧上，也就是说，在传感器盘的未镀层的表面上设有电连接端。但是，在这样的可替代的实施形式中，如已经提及的，存在在电连接端之间产生导电连接的升高的风险，由于所述导电连接，压阻层的有目的的电阻测量失真。在一个实施例中，所述问题如下解决：代替设置直接贴靠的接触电极，将传感器集成在具有不导电的表面的留空部中。

优选的是，压阻式传感器的温度被监控。温度被监控的传感器具有优点：由于支承装置的温度的改变造成的传感器的阻抗变化在评估传感器信号时可更好地补偿。为了所述目的，例如可以使用用于传感器的校准曲线，所述校准曲线对于轴承支承力的固定的值给出传感器的依据传感器温度的阻抗值。

根据本发明，也提出一种具有转子和用于支承转子的转子轴的多个支承装置的转子系统，其中，转子轴超静定地支承，并且支承装置中的至少一个是根据本发明的上述支承装置中的一个。

此外，提出一种用于测定超静定地支承的轴的轴承的静态轴承支承力和/或动态轴承支承力的方法，所述轴借助于根据本发明的支承装置中的一个或多个来支承，其中，在所述方法中，轴承支承力借助于压阻式传感器中的至少一个被电测取，所述压阻式传感器在力线区域中以集成的方式装入到轴承中的一个的支撑结构中。根据本发明的一个实施例，所述方法应用在多重支承的转子系统中，所述转子系统具有转子和用于驱动转子的转子轴。

此外，提出一种用于监控一次或多次超静定地支承的轴的轴承的静态轴承支承力和/或动态轴承支承力的控制系统，其中，所述轴借助于根据本发明的支承装置中的一个或多个来支承。所述控制系统具有：用于从至少一个压阻式传感器中读出信号的读取单元，所述压阻式传感器在力线区域中以集成的方式装入在轴承中的一个的支撑结构中；和用于从由至少一个压阻式传感器获得的信号中算出轴承支承力的电子再处理单元。根据本发明的一个改进构型，该控制系统具有用于为用户示出所算出的轴承支承力的输出单元。根据本发明的控制系统优选能够与多重支承的转子系统耦联，并且此外被设置用于响应从传感器信号中算出的轴承支承力地对转子系统的转子的转速进行控制。根据本发明的一个改进构型，根据本发明的控制系统具有报警单元用于对用户报警并且用于借助从传感器信号中算出的轴承支承力而确定是否超出轴承支承力的临界极值。

此外，根据本发明，提出压阻式传感器的用于确定轴承的轴承支承力的应用，其中，所述传感器以集成的方式装入到支承装置的轴承的支撑结构中，如其在上面已说明的。所使用的传感器优选具有多个传感器板或传感器盘，以及用于电接触由非晶碳制成的至少一个层的、在传感器板或传感器盘之间的接触电极，所述多个传感器板或传感器盘具有由非晶碳（DLC）制成的施加在传感器板或传感器盘上的至少一个层。

附图说明

下面借助于所附示意图阐述本发明的优选的实施例。附图示出：

图1示出根据本发明的实施例的支承装置的立体视图；

图2示出本发明的在图1中的实施例中的支承装置的组件的细节视图；

图3示出图2中的压阻式传感器的组件的示意图；

图4示出图2中的压阻式传感器的结构的示意的剖视图；

图5示出图2中的压阻式传感器的组件的示意图；

图6示出图2中的压阻式传感器的结构的示意的剖视图；以及

图7示出根据本发明的实施例的压阻式传感器的电路连接的电路图。

具体实施方式

在下面的附图说明中，相同的附图标记代表相同的元件。在图1和2中示例地示出三个传感器装入在应用在发电站中的高压部分涡轮机中的支撑结构中。在图1中示出根据本发明的一个实施例的支承装置10的立体视图。轴承结构11具有支承件15，所述支承件被保持在轴承容纳部14中。轴承容纳部14安置在保持装置上或轴承座12上，所述轴承座固定在座板13上。轴承容纳部14、轴承座12和座板13形成用于支承装置10的支承件15的支撑结构16。如在图1中示出的，座板13包含穿孔17，其中，这些穿孔17设置用于压阻式传感器24，以便使这些传感器24集成地装入到支撑结构16中，在这里装入到座板13中。

但是，本发明不局限于在图1中示出的轴承结构11或不局限于具有滑动轴承的轴承结构，而是也可以应用在适于支承转动的轴的任意的其它轴承类型和轴承结构上。

在图2中示出本发明的在图1中说明的实施例的支承装置的组件的细节视图。根据在图2中和在图1中示出的实施例，压阻式传感器24具有圆柱形状，并且配合精确地插入到存在于座板13中的穿孔17中。在此，与穿孔17的深度相比，压阻传感器24的高度应选择为，使得在支撑结构被组装时，在传感器材料中形成足够高的稳定的压力。作用在传感器上的、在工作时作用在支承装置上的力优选设定为，使得产生足够高的机械预紧。如在图2中示出的，轴承座26具有槽26用于将用于电连接的导线25引向压阻式传感器24。导线25用作阻抗测量。附加地，能够设有用于温度测量的引线（未示出）。

因为压阻式传感器24集成地装入到座板13中，所以这些压阻式传感器在支撑结构16内执行支承功能。因此，相对于不具有集成的传感器的传统的支撑结构，根据本发明的支撑结构16基本上不具有结构上的变化或在静态和动态方面的损失，因为例如在已组装的支承装置10的支撑结构16中也不产生附加的未填满的空腔。

传感器24的形状不局限于在图2中示出的圆柱形状。例如根据另一实施例，设有稍带长形的矩形的或带形的传感器，所述传感器在支承装置的力线区域中垂直于力线方向集成地装入在支撑结构中。

根据在图1和2中的实施例，这些传感器在已装入的状态下被座板13的材料全面包围，这赋予传感器的布置良好的稳定性。但是，根据另一实施例，用于确定在座板的边缘区域中的支承力的、矩形的压阻式传感器插入到座板的穿孔或留空部中，其中，传感器的边缘和座板的边缘相互对齐地定向。

根据又一实施例，传感器构成为不具有传感器盘的，并且压阻式薄层直接安装在座板上，使得不需要能够引入传感器盘的、深的穿孔，而是至多设有平坦的凹部，薄层设置在所述凹部中。在此，薄层垂直于力线方向设置。

虽然在图1和2中示出的实施例中使用三个传感器24，但也可以使用更多或更少的传感器。在另一实施例中，仅使用唯一的传感器来探测是否临界超出力线极值。此外，在又一实施例中，为了提高探测精度设有多于三个传感器。

在图3中示例地示出压阻式传感器30的组件的示意图。在图3中示出的传感器30相应于图2中的传感器24，并且具有圆形的传感器盘32、33。如通过传感器盘32、33的示图的阴影面所说明一样，传感器盘32、33借助压阻材料例如借助类金刚石镀膜（DLC）被涂覆。压阻材料与置于两个传感器盘32、33之间的接触电极31电接触，使得接触电极接触在传感器盘32、33上的压阻材料。

在图4中示出根据图3的压阻式传感器的结构的示意的剖视图。如在图4中示出的，接触电极31以夹层的方式位于传感器盘32、33之间。施加在传感器盘32、33上的压阻层44接触所述接触电极31。接触电极31具有薄膜状结构。根据优选的实施例，接触电极31是钢箔。借助电连接端45和46可以测量传感器30的电阻。

在此，在图4中示出的配置中，测量施加在传感器盘33上的、下方的压阻层44的阻抗。如果代替在下方的传感器盘33上，如在图4中示出的，连接端45被安装在上方的传感器盘32上，那么能够测量在两个层44中的上方的层上的阻抗。

根据又一实施例，放弃接触电极31，并且电连接端被安装在上方的和下方的传感器盘32、33上。

在图5中示例地示出压阻式传感器50的组件的示意图。在图5中示出的传感器50相应于图2中的传感器24，然而其中，与在图3中示例地示出的传感器30不同，传感器50仅在一个传感器盘51上涂覆具有依据压力的电阻的材料，相反第二传感器盘52不设有这样的压阻层。为了电接触压阻层，设有电极53和54，所述电极安装在电极载体55上。与根据图3和4的实施例中的电极31不同，电极载体55不由导电的材料制成，而是由电绝缘的材料制成。电极载体55例如是聚酰胺薄膜。但是，根据本发明的支承装置的传感器的电极结构不局限于在图5中示出的、具有电极53和54的电极结构。代替于此，根据要求，也能够使用其它电极几何结构例如来进一步优化在位置相关性方面的测量的精确性。

在图6中示出图5中的压阻式传感器结构的示意的剖视图。如在图6中示出的，施加在传感器盘51上的压阻层60，在所述实施例中是DCL层，与电极载体55接触。在此，电极53、54朝向压阻层60，如在图6中示出的布置中可见，其中电连接端62、63从电极载体的底侧或从电极引出去。传感器盘51设有电连接端61，以便可实现压阻层60的阻抗测量。

在图7中示出根据本发明的一个实施例的压阻式传感器70的电路连接。传感器70具有借助压阻层涂覆的两个传感器板74、75。传感器板74、75或所述传感器板的压阻层与电极76电连接。根据在图7中示出的布置，电极76和传感器板74和75相互电连接。根据图7的电路连接允许两种替代的阻抗测量。

以实线示出的第一电路包括电源U、串联电阻或基准电阻71和电压测量仪72。当第一电路闭合时，借助电压测量仪72确定在传感器板74上的压阻层的电阻R_Sensor或确定在传感器板74上的包括施加在所述传感器板上的层的电阻，按照下述公式：

R_Sensor=（U_Sensor*R_Ref）/（U_SQ-U_Sensor）,

其中，U_Sensor是在上方的传感器盘74的阻抗层上的电压降，R_Ref是基准电阻71的电阻，并且U_SQ是由电源76提供的电压。

在第二电路中，至上方的传感器盘74的电接触中断（在图7中未示出），其中，电路通过在图7中虚线示出的电路部分闭合。现在，在类似地应用上述公式的情况下，能够借助于电压测量仪73确定下方的传感器盘75的压阻层的电阻。通过测量既在上方的层上也在下方的层上的电压降，也能够提高测量的精确度。

Claims

1.用于对轴进行支承的支承装置（10），具有支承件（15），并且特征在于具有：支撑结构（16），所述支撑结构具有用于支撑所述支承件（15）的座板（13）；和以集成的方式装入到所述座板（13）中的至少一个压阻式传感器（24、30、50），所述压阻式传感器设置在所述支承装置（10）的力线区域中，其中，借助所述支承件（15）的作用在所述传感器（24、30、50）上的支承力影响所述传感器（24、30、50）的电阻，使得能够借助所述传感器（24、30、50）电测取所述支承件（15）的支承力。

2.如权利要求1所述的支承装置（10），其中，所述传感器（24、30、50）具有一个或多个压阻式薄层（44、60）。

3.如权利要求2所述的支承装置（10），其中，一个或多个所述压阻式薄层（44、60）具有由非晶碳（DLC，“Diamond Like Carbon”）制成的层。

4.如权利要求2或3所述的支承装置（10），其中，所述传感器（24、30、50）具有一个或多个传感器板（32、33、51、52、74、75）或传感器盘，并且所述压阻式薄层（44、60）施加在所述传感器板（32、33、51、52、74、75）上或施加在所述传感器盘上。

5.如权利要求2至4之一所述的支承装置（10），其中，支承力能够借助于贴靠在所述压阻式薄层（44、60）上的至少一个接触电极（55、76）被测取。

6.如权利要求1至5之一所述的支承装置（10），其中，所述压阻式传感器（24、30、50）的温度被监控。

7.转子系统，具有转子和用于支承所述转子的转子轴的多个支承装置（10），其中，所述转子轴以超静定的方式支承，并且所述支承装置（10）中的至少一个是根据权利要求1至6之一所述的支承装置（10）。

8.用于测定以超静定的方式支承的轴的轴承的静态轴承支承力和/或动态轴承支承力的方法，所述轴借助于根据权利要求1至6之一所述的一个或多个支承装置（10）支承，其中，在所述方法中，轴承支承力利用根据权利要求10所述的至少一个压阻式传感器（24、30、50）来电测取，其中，将所述传感器（24、30、50）在力线区域中以集成的方式安装在所述座板（13）中。

9.如权利要求8所述的方法，所述方法应用在多重支承的转子系统中，所述转子系统具有转子和用于驱动所述转子的转子轴。

10.压阻式传感器的用于确定轴承的轴承支承力的应用，其特征在于，所述传感器（24、30、50）以集成的方式装入在根据权利要求1至6之一所述的支承装置（10）的轴承（15）的所述座板（13）中。

11.根据权利要求10所述的压阻式传感器（24、30、50）的应用，其中，所述传感器（24、30、50）具有：多个传感器板或传感器盘，所述传感器板或传感器盘具有施加在所述传感器板或所述传感器盘上的、由非晶碳（DLC，“Diamond Like Carbon”）制成的至少一个层（44、60）；以及用于电接触由非晶碳制成的至少一个层（44、60）的、在所述传感器板或所述传感器盘（32、33、51、52、74、75）之间的接触电极（55、76）。