CN104412091A - 轴承监控方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于预测轴承(12)的剩余寿命的方法包括以下步骤：测量导致通过所述轴承(12)的滚动接触发出的高频率应力波的事件的出现频率，将所述测量数据记录为已记录的数据，以及使用所述已记录的数据和数学的剩余寿命预测模型预测所述轴承(12)的剩余寿命，其中，累积的疲劳损坏从导致通过所述轴承(12)的滚动接触所发出的高频率应力波的事件出现频率的测量值来确定。

Description

轴承监控方法和系统
技术领域
本发明涉及用于预测轴承的剩余寿命、即用于预测其何时必需或期望维修、替换或翻新(重新制造)轴承的方法、系统和计算机程序产品。
背景技术
滚动元件轴承经常用在关键性的应用中，它们在使用中的故障会对于最终用户造成重大的商业损失。因此，能够预测轴承的剩余寿命是很重要的，从而计划干预、在某种程度上避免使用中的故障，同时使得出问题的机械停止工作以替换轴承所带来的损失最小化。
滚动元件轴承的剩余寿命通常由运作使用中的交变应力造成的运作表面的疲劳决定。滚动元件轴承的疲劳失效由滚动元件表面和相应的轴承座圈表面的累计的剥落或点蚀引起。剥落和点蚀可导致一个或更多个滚动元件的咬死，这会依次产生过多的热量、压力和摩擦。
按照与它们所应用到的应用中的预期工作类型一致的计算出或预测出的剩余平均寿命，轴承被选择用于特殊的应用。轴承剩余寿命长度可以通过考虑速度、载荷、润滑条件等标称运行条件预测出。例如，所谓的“L-10寿命”是平均寿命时长，在这段时长内至少90％的特定组的轴承在特定载荷条件下仍将工作。但是，由于若干原因，这种寿命预测对于维护计划来说被认为是不足的。
一个原因在于实际运作条件可能与标称条件完全不同。另一个原因在于，轴承的剩余寿命可能在根本上被短期事件或未计划事件、例如过载、润滑失效、安装误差等危及。而另一个原因在于，即使在使用中精确复制了标称运作条件，疲劳过程固有的随机特性也会在大致上相同的轴承的实际剩余寿命方面引起的大的统计学变化。
为了改进维护计划，常见做法是监控与运作使用中轴承所受到的振动和温度相关的物理量的值，从而能够检测即将发生的失效的最初迹象。这种监控通常被称作“状态监控”。
状态监控带来多方面的益处。第一个益处是用户以受控的方式被警告轴承状态上的恶化，由此使得商业影响最小化。第二个益处是状态监控帮助识别不好的安装或不好的操作实践，例如未对准、不平衡、高振动等，如果不做校正将减少轴承的剩余寿命。
欧洲专利申请公开EP 1164550描述了状态监控系统的实例，该系统用于监控情况，例如在机器部件、例如轴承中是否存在反常。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于预测轴承剩余寿命的改进的方法。
该目的通过一种包括以下步骤的方法实现：测量导致通过轴承的滚动接触所发出的高频率应力波(即，20kHz-3Mz，优选地100-500kHz或更高)的事件的出现频率，将所述测量数据记录为已记录的数据，以及使用所述已记录的数据和数学的剩余寿命预测模型预测所述轴承的剩余寿命，其中，累积的疲劳损坏从导致通过所述轴承的滚动接触所发出的高频率应力波的事件出现频率的测量值来确定。因此，所发出的高频率应力波的周期性或重复的模式被监控，从而能够确定累积的疲劳损坏。也就是说，高频率应力波可以受到监控，以观察它们是否周期性地发生并且来源于轴承同一位置，或者它们是否是在时间或位置方面随机地布置从而指示它们并不来源于轴承同一位置。
当滚动元件轴承在一段长时间内被使用，疲劳被累积在其滚道区域中。疲劳导致在滚道区域中的损坏，例如剥落。使用ISO 281中提供的、基于Lundberg和Palmgren的疲劳理论的剩余寿命评估公式可估算滚动轴承的标称剩余寿命。从该公式得到的计算值对于成组的轴承有效并且是设计阶段中的重要标准。但是，当该公式应用于单个轴承评估时，由于轴承运作状态影响，从ISO 281滚动元件轴承寿命模型得到的剩余寿命计算值可能是错的。也就是，在有利的运作状态下，现代的、高质量的轴承可超过剩余寿命计算值相当大的余量。
在根据本发明所述的方法中，使用指示疲劳损坏的测量值而不是ISO 281的假设或预测的累积疲劳损坏值、以及预期的未来操作状况来进行剩余寿命预测，从而预测故障的可能性。因此，可以实现比通过ISO281计算更加准确的剩余寿命预测。
高频率应力波伴随着少量材料在非常短时期内的突然移位。当发生碰撞、疲劳裂纹、擦伤或磨损时，可在轴承中产生高频率应力波。应力波的频率取决于源头的种类和材料特性。绝对运动传感器，例如加速计、声发射传感器或超声波传感器，可以被用来检测这样的高频率应力波并且由此提供重要的信息，协助故障检测和严重性估计。由于高应力波包的离散和衰减，理想的是将传感器尽量地靠近起始点放置。因此，传感器可放在靠近轴承壳体的位置或是放在轴承壳体上，优选地放在负载区域。
此外，润滑油膜可能受到过量载荷、润滑剂的低粘度或带有微粒材料的润滑剂的污染、或者缺乏润滑剂危害。如果润滑油膜这样受到危害，高频率波将通过轴承的滚动接触发出。因此，在润滑油膜不起作用的情况下，通过检测传播通过轴承环和周围结构的高频率应力波，可以评估出润滑油膜的状态。这样，根据本发明所述的系统允许表示润滑剂质量的测量值作出剩余寿命预测，而不是假设或预测的润滑剂质量值。
根据本发明的实施方式，所述方法包括以下步骤：确定通过轴承的滚动接触所发出的所述高频率应力波是否起因于单一位置的多个疲劳循环，或者由来自所述轴承的运作表面上的不同源头的连续事件引起。这可以通过分析来自位于轴承周围的多个传感器的数据实现。
根据本发明的另一实施方式，所述方法包括以下步骤：获得唯一地识别所述滚动元件轴承的识别数据以及连同所述已记录的数据一起记录所述识别数据。这样的方法允许基于提供滚动元件轴承的历史和使用的全面概况的信息做出滚动元件轴承剩余寿命的定量预测。
根据本发明的又一实施方式，电子装置被用在所述的将所述数据记录在数据库中的步骤里。
根据本发明的实施方式，所述包括使用有关一个或更多个相似或大致上相同的轴承的数据改进所述数学的剩余寿命预测模型的步骤，例如使用从多个轴承收集的数据，例如长期的和/或基于相似或大致上相同轴承的测试的记录。
根据本发明的另一实施方式，轴承是滚动元件轴承。滚动轴承可以是圆柱滚子轴承、球形滚子轴承、圆环滚子轴承、锥形滚子轴承、圆锥滚子轴承或滚针轴承中的任一种。
根据本发明的又一实施方式，所述方法包括在获得和/或记录所述新数据时更新所述剩余寿命预测的步骤。
本发明还涉及一种计算机程序产品，它包括计算机程序，所述计算机程序包含计算机程序编码装置，用于使计算机或处理器执行存储在计算机可读媒介或载波上的根据本发明实施例的任一项所述的方法的步骤。
本发明还涉及一种用于预测轴承的剩余寿命的系统，其包括：至少一个传感器，其配置用于测量源自所述轴承的滚动接触所发出的高频率应力波的事件的出现频率。该系统还包括数据处理单元，其配置用于将所述测量数据记录为已记录的数据，以及预测单元，其配置用于使用所述已记录的数据和数学的剩余寿命预测模型预测所述轴承的剩余寿命，其中累积的疲劳损坏从所述轴承的滚动接触所发出的高频率应力波的事件出现频率的的测量值来确定。
根据本发明的实施方式，所述预测单元还配置用于确定由所述轴承的滚动接触所发出的高频率应力波是否起因于单一位置的多个疲劳循环，或者由于来自所述轴承的运作表面上的不同源头的连续事件引起。
根据本发明的另一实施方式，所述系统包括识别传感器，其配置用于获得唯一地识别所述轴承的识别数据并且连同所述已记录的数据一起记录所述识别数据。
根据本发明的又一实施方式，所述数据处理单元配置用于将所述测量数据电子地记录为已记录的数据。
根据本发明的实施方式，预测单元配置成使用涉及一个或更多个相似或大致上相同的轴承的已记录的数据预测轴承的剩余寿命
根据本发明的另一实施方式，所述预测单元配置成在获得和/或记录所述新数据时更新所述剩余寿命预测。
根据本发明的又一实施方式，所述轴承是滚动元件轴承。所述滚动轴承可以是圆柱滚子轴承、球形滚子轴承、圆环滚子轴承、锥形滚子轴承、圆锥滚子轴承或滚针轴承中的任一种。
根据本发明所述的方法、系统和计算机程序产品可被用来预测用在机动车、航空、铁路、采矿业、风力、海洋、金属制造和其它机械应用中的至少一个轴承的剩余寿命，这些应用要求高耐磨性和/或增加的疲劳和抗张强度。
附图说明
参考附图，通过非限制性的实例，将进一步解释本发明，其中：
图1表示根据本发明实施方式所述的系统，
图2是表示根据本发明实施方式的方法的步骤的流程图，以及
图3表示滚动元件轴承，其剩余寿命可使用根据本发明的实施方式所述的系统或方法预测。
应当指出的是，附图不是按比例绘制，并且出于清楚起见，某些特征的尺寸被夸大了。
此外，只要没有冲突存在，本发明的一个实施方式的任何特征可与本发明的任何其它实施方式的任何其它特征组合。
具体实施方式
图1表示在使用期间的用于预测多个滚动元件轴承12的剩余寿命的系统10。图示实施方式表示两个滚动元件轴承12，但是，根据本发明所述的系统10可用于预测任何类型的、并且不需要具有相同类型或大小的一个或更多个滚动元件轴承12的剩余寿命。系统10包括多个传感器14，配置用于测量通过滚动元件轴承12的滚动接触所发出的高频率应力波(即20kHz-3Mz，优选地100-500kHz或更高)。一个或更多个传感器14，例如加速计、声发射传感器或超声波传感器，优选地与高频率应力波开始点尽可能地近的放置。一个或更多个传感器14可与滚动元件轴承12结合，例如被嵌入轴承环中，或是被放置在滚动元件轴承12附近、例如在轴承壳体上或靠近轴承壳体，优选地在负载区域中。优选地，多个传感器14设在每个轴承12中和/或周围。
系统10可选地还包括至少一个识别传感器，配置用于获得唯一地识别每个滚动元件轴承12的识别数据16。识别数据16可从与滚动元件轴承12相关联的可机读识别器获得，并且优选地设置在轴承12本身上从而使其与滚动元件轴承12一起保持，即使轴承12被移动到不同的位置或滚动元件轴承12被翻新。这样的可机读识别器的实例是被雕刻、粘合、物理结合、或其它地固定到滚动元件轴承的标记，或是位于滚动元件轴承上的凸起或其它变形的样式。这样的识别器可机械地、光学地、电子地或其它方式地通过机器可读。识别数据16例如可以是序列号或牢固地附连于滚动元件轴承12的电子设备、例如射频识别(RFID)标签。RFID标签的电路可接收它的来自入射的电磁辐射的动力，所述入射的电磁辐射由外部源产生，例如数据处理单元18或由数据处理单元18控制的另外的设备(未示出)。
如果采用合适的无线通信协议，例如IEEE802.15.4中所描述的，那么安装在点上的新轴承将宣告其存在并且出于该目的而开发的软件将传达其唯一的数字身份。然后合适的数据库功能使该身份和位置与轴承先前的历史联系起来。
这样的识别数据16使得轴承12的最终用户或供应者能够验证特定的轴承是真实商品还是伪造产品。非法的轴承制造商例如可能试图通过提供以虚假商标包装的、次等的轴承欺骗最终用户或原始设备制造商(OEM)，从而给出一种轴承是来自可靠来源的正品的印象。用旧的轴承可能被翻新然后贩卖并且没有它们已被翻新的提示，并且旧的轴承可能被清理、抛光并且贩卖，而买家无法得知轴承的实际使用时间。然而，假如给予轴承虚假的身份，根据本发明所述的系统数据库的检查可显露出差异。例如，伪造产品的身份将不会出现在数据库中，或者在其识别数据名义下获得的剩余寿命数据将与被检查的虚假的轴承不一致。根据本发明这样的实施方式所述的从中获得识别数据的数据库，指示出每个合法轴承的使用时间以及该轴承是否被翻新过。由此，根据本发明所述的系统可帮助轴承的鉴定。
数据库20可由滚动元件轴承12的制造商维护。因此，成批的相似或大致上相同的滚动元件轴承12的每一个轴承12可被追踪到。在数据库20中收集的整批滚动元件轴承12的剩余寿命数据使得制造商能够推断出进一步的信息，例如关于使用类型或环境相对剩余声明变化率之间的关系，从而进一步改进对于最终用户的服务。
该系统还包括预测单元22，配置用于使用已记录的数据和数学的剩余寿命预测模型预测每个滚动元件轴承12的剩余寿命，其中累积的疲劳损坏从导致通过每个滚动元件轴承的滚动接触所发出的高频率应力波的事件出现频率的测量值确定。
应当指出的是，不是所有的系统10的部件都必须要位于滚动元件轴承12附近。系统10的部件可通过有线或无线的方式、或者两者结合的方式通信，并且位于任何合适的位置。例如，包含已记录的数据20的数据库可位于偏远位置并且通过例如服务器24与至少一个数据处理单元18通信，所述数据处理单元18与滚动元件轴承12位于相同或不同的地方。
至少一个数据处理单元18可选地预处理来自传感器14的识别数据16和信号。信号可以被变换、重定格式或另外地被处理从而产生代表检测到的量级的使用寿命数据。至少一个数据处理单元18例如可被配置成使用数据简化方法论。例如，数字时域波形可由每个传感器捕获并且通过快速傅里叶变换(FFT)分析转换成频域。除了光谱分析，时域波形转换到自相关函数可在诊断方面提供很大的协助。自相关允许分析者确定在应力波分析波形内的占优势的周期性事件。这样做使得波形可被整理，从而允许分析者了解对于所述波形来说哪个源头是主要影响因素。
至少一个数据处理单元18可安排用于通过通信网络传送识别数据16和高频率应力波数据，例如电信网络或因特网。服务器24可将数据记入数据库20中并与识别数据16相关联，由此久而久之通过累积使用寿命数据建立滚动元件轴承12的历史记录。
应当指出的是，至少一个数据处理单元18、预测单元22和/或数据库20不必需是分开的单元，而是可以任何合适的方式组合。例如，个人电脑可被用于执行涉及本发明的方法。
根据本发明的实施方式，预测单元22可配置成使用涉及一个或更多个相似或大致上相同的滚动元件轴承12的已记录的数据预测滚动元件轴承12的剩余寿命或滚动元件轴承的类型。由此可得到滚动元件轴承12的平均剩余寿命或滚动元件轴承的类型。
预测单元22可被配置用于使用新数据更新剩余寿命预测，新数据涉及轴承12的滚动接触所发出的高频率应力波的测量值。这样的更新可周期性地、大致上连续地、随意地应要求地进行或者在任何合适的时候进行。
一旦已经进行了滚动元件轴承12的剩余寿命的预测26，它可能在用户界面上显示，并且/或者发送给用户、轴承制造商、数据库和/或另外的预测单元22。关于通过系统10建议何时维护、更换或翻新一个或更多个被监控的滚动元件轴承12的通知可以任何合适方式进行，例如通过通信网络、邮件或电话、信件、传真、警报信号或者拜访制造商代表。
滚动元件轴承12的剩余寿命的预测26可用于告知用户他/她何时应该更换滚动元件轴承12。当干涉成本(包括劳力、材料以及例如设备产出的损失)通过暗含在继续运行的风险成本方面的减少而被证明是正确的，对更换滚动元件轴承12的干涉被证明是正确的。风险成本可计算为一方面在使用中故障的概率以及另一方面由于这种使用中的故障引起的财务损失的乘积。
图2表示根据本发明实施方式的方法的步骤。所述方法包括以下步骤：测量导致通过轴承的滚动接触发出的高频率应力波的事件的出现频率、可选地获得唯一识别滚动元件轴承的数据、将测量数据(以及可选地识别数据)记录作为已记录的数据、以及使用已记录的数据和数学的剩余寿命预测模型预测轴承的剩余寿命，其中累积的疲劳损坏从导致通过轴承的滚动接触发出的高频率应力波的事件出现频率的测量值确定。
图3示意性地表示滚动元件轴承12的实例，其剩余寿命可使用根据本发明实施方式所述的系统或方法预测。图3表示包括内环28、外环30和成组的滚动元件32的滚动元件轴承12。轴承12的内环28和/或外环30可以具有任何大小并且具有任何承载能力，它们的剩余寿命可使用根据本发明实施方式的系统或方法预测。内环28和/或外环30例如可具有直至几米的直径以及直至数千吨的承载能力。
在权利要求范围内的本发明的进一步的更新对于技术人员来说是明显的。即使权利要求指向用于预测轴承剩余寿命的方法、系统和计算机程序产品，这样的方法、系统和计算机程序产品可被用于预测旋转机械的一些其它部件的剩余寿命，例如齿轮。

Claims (15)

1.一种用于预测轴承(12)的剩余寿命的方法，包括以下步骤：
测量导致通过所述轴承(12)的滚动接触发出的高频率应力波的事件的出现频率，
其特征在于，它还包括以下步骤：
将所述测量数据记录为已记录的数据，以及
使用所述已记录的数据和数学的剩余寿命预测模型预测所述轴承(12)的剩余寿命，其中，累积的疲劳损坏从导致通过所述轴承(12)的滚动接触所发出的高频率应力波的事件出现频率的测量值来确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，它包括以下步骤：确定通过所述轴承(12)的滚动接触所发出的所述高频率应力波否起因于单一位置的多个疲劳循环，或者由于来自所述轴承的运作表面上的不同源头的连续事件引起。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，它包括以下步骤：获得唯一地识别所述滚动元件轴承(12)的识别数据(16)以及连同所述已记录的数据一起记录所述识别数据(16)。
4.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，电子装置被用在所述的将所述数据记录在数据库(20)中的步骤里。
5.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述的预测所述滚动元件轴承(12)的剩余寿命的步骤还包括使用有关一个或更多个相似或大致上相同的滚动元件轴承的数据，例如，使用从多个轴承收集的数据，例如长期的和/或基于相似或大致上相同轴承的测试所进行的记录。
6.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，它包括在获得和/或记录所述新数据时更新所述剩余寿命预测的步骤。
7.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述轴承(12)是滚动元件轴承。
8.一种计算机程序产品，其特征在于，它包括计算机程序，所述计算机程序包含计算机程序编码装置，配置用于使计算机或处理器执行存储在计算机可读媒介或载波上的根据前述权利要求中的任一项所述的方法的步骤。
9.一种用于预测轴承(12)的剩余寿命的系统(10)，其包括：
至少一个传感器(14)，其配置用于测量导致通过所述轴承(12)的滚动接触发出的高频率应力波的事件的出现频率，
其特征在于，它还包括：
数据处理单元(18)，其配置用于将所述测量数据记录为已记录的数据，以及
预测单元(22)，其配置用于使用所述已记录的数据和数学的剩余寿命预测模型预测所述轴承(12)的剩余寿命，其中，累积的疲劳损坏从导致通过所述轴承(12)的滚动接触所发出的高频率应力波的事件出现频率的测量值来确定。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述预测单元(22)还配置用于确定通过所述轴承(12)的滚动接触所发出的所述高频率应力波是否起因于单一位置的多个疲劳循环，或者由于来自所述轴承的运作表面上的不同源头的连续事件引起。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，它包括识别传感器，其配置用于获得唯一地识别所述轴承(12)的识别数据(16)并且连同所述已记录的数据一起记录所述识别数据(16)。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的系统，其特征在于，所述数据处理单元(18)配置用于将所述测量数据电子地记录为已记录的数据。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的系统，其特征在于，所述预测单元(22)配置成使用涉及一个或更多个相似或大致上相同的轴承的已记录的数据预测所述轴承(12)的剩余寿命。
14.根据权利要求9至13中的任一项所述的系统，其特征在于，所述预测单元(22)配置成在获得和/或记录所述新数据时更新所述剩余寿命预测。
15.根据权利要求9至14中的任一项所述的系统，其特征在于，所述轴承(12)是滚动元件轴承。
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