CN105518429A - 装置、方法及计算机程序产品 - Google Patents

Abstract

一种用于监测轴承(12)的装置(10)，该装置(10)包括至少一个传感器(14)，其配置成获得关于影响所述轴承(12)的剩余寿命的一个或多个因素的数据。所述装置(10)是便携式装置(10)，并且包括非永久连接装置(16)，所述非永久连接装置配置成将所述装置(10)非永久地连接到所述轴承(12)的表面，使得所述至少一个传感器(14)的至少一部分压靠着所述轴承(12)的所述表面。

Description

装置、方法及计算机程序产品

技术领域

本发明涉及用于监测轴承的装置、方法及计算机程序产品。

背景技术

滚动元件轴承常常用于关键应用，其中它们在使用中出现故障会给最终用户带来显著的商业损失。因此，能够监测轴承非常重要，使得轴承的剩余寿命可被预测，从而以避免在使用中出现故障的方式来规划干预，同时尽量减少因机械出现问题不能使用以更换轴承产生的损失。

滚动元件轴承的剩余寿命通常由操作表面因在操作使用中反复的应力而造成的疲劳来确定。滚动元件轴承的疲劳失效源于滚动元件表面以及相应轴承座圈表面的逐渐剥落或点蚀。剥落和点蚀可能导致一个或多个滚动元件的咬死，这又可能会产生过多的热量、压力和摩擦。

为了改善维护计划，通常的做法是，监测与轴承在操作使用中经受的振动和温度有关的物理量的值，以便能够检测即将发生的故障的第一迹象。这种监测通常被称为“状态监测”。

状态监测带来了各种好处。第一个好处在于，以受控的方式警告用户轴承的状态恶化，从而尽量减少商业影响。第二个好处是，状态监测有助于确定安装不良或不正确的操作手法，例如未对准、不平衡、高振动等，如果长此下去这将降低轴承的剩余寿命。

通常，各个传感器连接到轴承。然而，这样的各个传感器会占用相当大的空间，并且可能难以连接到固定的测量设备，因为传感器可能需要被安装到轴承的旋转表面，比如在旋转内圈上，以便测量其振动或温度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于监测轴承的改进装置。

这个目的是通过包括配置成获得关于影响轴承的剩余寿命的一个或多个因素的数据的至少一个传感器的装置来实现的。该装置是便携式装置，即该装置又小又轻，例如足以由人仅用一只手来携带。该装置包括非永久连接装置，其配置成件该装置非永久(即可移除)地连接到所述轴承的表面，即轴承的任何部分，比如旋转或不旋转的环，如内圈或外圈，或者轴承壳体的一部分，从而使所述至少一个传感器的至少一部分压靠着轴承的表面，即所述至少一个传感器的所述至少一部分与轴承的表面物理接触，以使得能够进行可靠的测量。该装置的用户因此不需要保持或按压该装置抵靠着轴承的表面，同时该装置处于使用中。该装置将保持在适当位置，直到一旦已经获得了所需的数据就由用户将其从轴承移除。所述装置不旨在在轴承的工作寿命期间保持连接到在相同位置上的轴承。

这种装置可用于监测多个不同的轴承和/或可安装在单个轴承上的多个不同位置。多个单独的传感器从而不必永久地安装在多个轴承上或者在单个轴承上的多个不同位置，从而节省组装时间和成本以及空间要求。此外，根据本发明的装置可用于监测现有的轴承，或者测试和/或校准来自正用于监测轴承的现有传感器获得的读数。该装置由此可以用于帮助预测或确定何时需要或期望维护、更换或整修(再制造)轴承或以简单方式监测轴承的传感器。

根据本发明的实施例，该装置包括配置成无线地发送所述数据至数据收集装置、数据库、实验室、系统监管、或预测单元的发射器，所述预测单元配置成通过使用获得的数据和数学剩余寿命预测模型来预测轴承的剩余寿命。

根据本发明的另一实施例，所述至少一个传感器配置成测量以下参数中的至少一个：应变、应力、声发射、振动、旋转速度、温度、旋转角度位置。根据本发明的装置可另外地或可替代地配置成测量其它参数。

根据本发明的进一步实施例，非永久连接装置是磁性连接装置，比如永磁体，其配置成将该装置磁性地连接到轴承。磁性连接装置可以配置成与装置的表面齐平，从而装置表面布置成在装置非永久地连接到轴承时压靠着轴承的表面。

根据本发明的实施例，该装置包括经配置成处理数据的数据处理单元。该装置可以配置成和/或放大由所述至少一个传感器获得的信号和/或执行任何其他的数据处理步骤。

根据本发明的另一实施例，该装置包括存储器装置，其配置成电地记录由至少一个传感器获得的数据。该装置的用户由此可以获得现场数据，然后将包含所记录的数据的装置带到另一个位置以供进一步分析，比如实验室、数据收集装置、系统监管、或预测单元，所述预测单元配置成通过使用获得的数据和数学剩余寿命预测模型来预测轴承的剩余寿命。

关于影响特定轴承的剩余寿命的一个或多个因素的数据可被积累，并且轴承的历史记录然后可以与数学剩余寿命预测模型一起用于在其生命周期的任何点预测其剩余寿命。随着更多的数据被积累，可以在其生命周期中的任何后续点更新剩余寿命预测。

可以在轴承的制造过程中、在轴承制造之后和在轴承使用用于进行测试之前、和/或在轴承的使用期间通过使用根据本发明的装置来获得数据。由此可以创建轴承的完整历史记录。因此，由于具有在轴承寿命上积累的剩余寿命数据，从其制造开始一直到当前，可以就各个轴承在其生命周期的任何点的剩余寿命做出更准确的预测。根据所施加的特定数学生命周期模型，最终用户可以被通知有关事实，包括适宜更换或整修轴承的时间。

根据本发明的进一步实施例，该装置包括显示装置，从而由至少一个传感器所获得和/或由该装置处理和/或记录的数据可以显示给该装置的用户。

根据本发明的实施例，该装置配置成由至少一个电池供电。

另外或可替代地，该装置可以配置成由包括所述轴承的机器的电源供电，比如在风力涡轮机的旋转轮毂中的电源。另外或可替代地，该装置可以配置成通过由轴承的运动所产生的电而被供电。使用这种电源装置或发电装置确保不需要线缆或电池对该装置供电。应当指出的是，术语“对所述装置供电”是指完全地或仅部分地对所述装置中的至少一个传感器和/或所述装置中的任何其它需要供电的部件供电。

根据本发明的另一实施例，所述装置包括以下中的至少一个：传感器摩擦应变计、压电位移光束传感器、压电膜传感器、能够测量应变信号的传感器，即任何合适的传感器技术可用于测量应变信号。

根据本发明的另一实施例，所述装置包括加压装置，比如至少一个弹簧，配置成当所述装置处于使用中时按压至少一个传感器的部分抵靠着轴承的表面。

根据本发明的实施例，所述轴承是滚动元件轴承。然而，滚动轴承可以是任何类型的轴承，比如圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、圆环滚子轴承、圆锥滚子轴承、锥形滚柱轴承或滚针轴承。

本发明还涉及一种用于监测轴承的方法，其包括以下步骤：a)将包括配置成获得关于影响轴承的剩余寿命的一个或多个因素的数据的至少一个传感器的便携式装置非永久地连接到轴承的表面，使得所述至少一个传感器的至少一部分压靠着所述轴承的表面，b)获得关于影响所述轴承的剩余寿命的一个或多个因素的数据，以及c)从所述轴承移除便携式装置。

根据本发明的任何实施例的装置可以用于这种方法。

根据本发明的实施例，所述方法还包括以下步骤中的至少一项：处理数据、无线地或非无线地发送数据、显示数据、预测/更新轴承的剩余寿命。这些任选的步骤可以以任何顺序进行。

本发明还涉及一种计算机程序产品，其包括存储在计算机可读介质或载波上的含有布置成使计算机或处理器执行根据本发明的方法的步骤b)和/或上述的任意可选步骤的计算机程序代码装置的计算机程序。

根据本发明的装置、方法及计算机程序产品可用于监测在汽车、航空、铁路、矿业、风力、船舶或金属制造应用或者在需要具有高耐磨性和/或增加的疲劳和拉伸强度的轴承的任何其它机器应用中使用的至少一个轴承。

附图说明

下面参照所附示意性附图，通过非限制性示例对本发明进一步说明，其中：

图1示出了根据本发明实施例的装置，

图2示出了根据本发明实施例的装置的底视图，

图3示出了根据本发明实施例的装置的顶视图，

图4是示出了根据本发明实施例的方法的步骤的流程图，以及

图5示出了可以使用根据本发明实施例的装置或方法而被监测的滚动元件轴承。

应当指出的是，附图不一定是按比例绘制的，并且为了清楚起见，可能夸大了某些特征的尺寸。

此外，本发明的一个实施例的任何特征可以与本发明的任何其他实施例的任何其他特征相结合，前提是只要没有冲突。

具体实施方式

图1示出了用于监测轴承12的装置10，例如在其使用过程中。所示的实施例示出了滚动元件轴承12，然而，根据本发明的装置10可用于监测任何类型的一个或多个轴承12，它们不一定都是相同类型或尺寸的。装置10具有至少一个传感器14，其配置成获得关于影响轴承12的剩余寿命的一个或多个因素的数据。例如，滚动接触力可以由应变传感器14记录，其位于轴承外圈的外表面或侧表面上或者在轴承内圈的内表面或内侧上。这样的应变传感器14可以是摩擦应变计。

另外或可替代地，装置10可以包括用于检测高频应力波(即频率为20kHz-3MZ、100-500kHz或更高的波)的传感器14。振动或高频应力波在非常短的时间段内伴有少量材料的突然位移。当出现撞击、疲劳开裂、划伤或磨损时，可能在轴承中产生振动或高频应力波。应力波的频率取决于源的性质和材料特性。绝对运动传感器比如加速计、声发射(AE)传感器或超声传感器可用于检测这样的振动或高频应力波，从而提供重要的信息，有助于故障检测和严重性评估。由于振动或高频应力波包的弥散和衰减，希望将传感器定位得尽可能靠近起始位点。因此，传感器14可被放置在轴承内圈或外圈上或者在其附近，最好是在负载区。

此外，润滑膜可能通过过大的负荷、润滑剂的低粘度或具有颗粒材料的润滑剂的污染、或者缺少润滑剂而受到损害。如果润滑膜以这种方式受到损害，则高频波将通过轴承12的滚动接触被发射。因此，可以通过检测在润滑膜击穿的情况下传播穿过轴承环及周围结构的振动或高频应力波对润滑膜的状态进行评估。

数据可以周期性地、基本上连续地、随机地、根据要求、或在任何合适的时间被获得。

装置10是便携式装置，并且包括非永久连接装置16(在图2中示出)，其配置成将装置10非永久地连接到轴承12的表面，使得至少一个传感器14的至少一部分压靠着轴承10的表面。在示出的实施例中，装置10非永久地连接到轴承12的旋转外圈。

装置10包括发射器，其配置经由通信网络来无线地发送数据，例如比如电信网络或因特网。还可以使用合适的无线通信协议，比如在IEEE802.15.4中所描述的。

数据可以被无线地或者非无线地发送到位于装置10内的数据处理单元18，或者被远程地发送到其上，如图1所示。处理单元18可以配置成处理或预处理从至少一个传感器14接收的信号。信号可被滤波、放大、变换、压缩、重新格式化或以其他方式处理，以便产生代表所感测的幅度的操作数据。

数据还可以无线地或非无线地发送到预测单元20，其配置成通过使用获得/记录的数据和数学剩余寿命预测模型来预测轴承12的剩余寿命。数据可被记录在数据库22中。预测单元20和数据库22可以位于装置10内或者在远程位置。根据本发明的实施例，获得的、处理的和/或记录的数据可被发送到最终用户和/或显示在装置10的显示装置和/或位于远程位置的显示装置上。装置10、数据处理单元18、预测单元20、数据库22和最终用户24可以通过有线或无线装置或它们的组合进行通信，并且可以位于任何合适的位置。

应当指出的是，数据处理单元18、预测单元20、数据库22和/或显示装置不一定是独立的单元，但可以以任何合适的方式组合。例如，个人计算机可以与装置10一起使用，以执行关于本发明的方法。

根据本发明的装置10还可以包括接收器，其配置成例如从另一装置10、数据处理单元18、预测单元20、数据库22或最终用户24接收数据或消息。

数据库22可以由轴承12的制造商保持。聚集在用于一整批轴承12的数据库22中的剩余寿命数据使得制造商能够提取更多的信息，例如关于使用的类型或环境与剩余寿命的变化速率之间的关系，从而进一步提高对最终用户24的服务。

图2示出了根据本发明实施例的装置10的底部。示出的装置10包括外壳10h和非永久连接装置16比如磁体，其从装置10的外壳10h伸出和/或其与装置10的外壳10h平齐。装置10包括多个传感器14，比如下面的任何组合：应变传感器、声发射(AE传感器)、温度传感器、振动传感器。传感器14至少包括的部件布置在装置10的外壳10h的外侧上或者在其附近，以便其可以压靠着轴承12的表面，装置10连接至该表面，以使得能够进行可靠的测量。至少一个传感器14的一部分可以在装置10已非永久地连接到轴承12的表面之前或之后或者在连接期间压靠着轴承的表面。

图3示出了根据本发明实施例的装置10的顶部。示出的装置10包括电源连接器26，其可以连接到外部电源，比如包括被监视的轴承12的机器的电源，以便向装置10提供电力。另外或可替代地，装置10可以配置成通过位于该装置内的至少一个电池供电。另外或可替代地，装置10可以配置成通过由轴承12的运动所产生的电而被供电。

根据本发明的实施例，装置10配置成当轴承在使用时，通过使用连接到轴承12的静止或旋转部件的至少一个电磁线圈并提供通过该至少一个电磁线圈的可变磁通，通过由其运动所产生的电而被供电。通过移动磁体进出线圈来改变其内部的磁通量或者通过在磁场内来回移动线圈，可以在电磁线圈中感应出电流。

根据本发明的另一实施例，装置10配置成当轴承在使用时，通过使用连接到轴承的随其变形而产生电的压电元件，通过由轴承12的运动所产生的电而被供电，变形由其所连接到的轴承12的部分变形引起。压电是响应于所施加的机械力而积聚在某些固体材料中的电荷。

根据本发明的装置10可以包括一个或多个视觉、听觉和/或触觉装置28，以指示装置10接收功率，装置10处于使用中，例如获取、处理、记录和/或传送数据。所示的装置示出了发光二极管、LED28。

所示的装置10还示出了机械加压装置30，即释放螺母或弹簧。包括摩擦应变计、压电位移光束传感器、压电膜传感器或任何其他类型的应变传感器的装置10例如可以包括这样的加压装置30，以在装置10处于使用中时按压应变计的一部分抵靠着轴承12的表面。

应当指出的是，根据本发明实施例的装置10的部件可以位于装置10的任何一侧或一部分上，并且装置10可以是任何合适的形状。关于尺寸，装置10可以具有100-200毫米的长度、30-70毫米的宽度和5-40毫米的高度，以便确保其可被很容易地握持在使用者的手中。

图4示出了根据本发明实施例的方法。该方法包括以下步骤：a)将包括配置成获得关于影响轴承12的剩余寿命的一个或多个因素的数据的至少一个传感器14的便携式装置10非永久地连接到轴承12的表面，使得至少一个传感器14的至少一部分压靠着轴承12的表面，b)获得关于影响轴承12的剩余寿命的一个或多个因素的数据，以及c)从轴承12移除便携式装置。装置12然后可用于监测另一轴承或同一轴承12的另一部分。

可选地，所述方法可以包括以下步骤中的至少一项：处理数据、发送数据、显示数据、预测/更新轴承的剩余寿命。

如果对轴承12的剩余寿命作出预测，则其可以在用户界面上显示，和/或被发送到轴承制造商和/或数据库22。可以以任何合适的方式，比如通过通信网络、通过电子邮件或电话呼叫、信件、传真、报警信号、或制造商的访问代表，通知何时适宜维护、更换或整修由装置10监测的一个或多个轴承12。

轴承12的剩余寿命的预测可以用来通知用户他/她应该何时更换轴承12。当干预的成本(例如，包括劳动力、工厂输出的原材料和损失)通过暗含在持续运行中的风险成本的降低被证明合理时，对更换轴承12的干预是有道理的。风险成本可被计算为一方面在维护中失败的概率与另一方面源于维护中这种失败的经济处罚的乘积。

图5示意性地示出了轴承12的示例，其可以通过使用根据本发明实施例的装置或方法来监测。图5示出的滚动元件轴承12包括内圈32、外圈34和一组滚动元件36。轴承12的内圈32和/或外圈34可以是任何大小的，并且具有任何承载能力。例如，内圈32和/或外圈34可以具有达数米的直径和达数千吨的承载能力。

对于本领域技术人员来说，在权利要求的范围内对本发明进行进一步的修改将是显而易见的。尽管权利要求书涉及用于监测轴承的装置、方法及计算机程序产品，但是这样的装置、方法及计算机程序产品可用于监测旋转机械的另一部件，比如齿轮。

Claims (15)

1.一种用于监测轴承(12)的装置(10)，该装置(10)包括至少一个传感器(14)，其配置成获得关于影响所述轴承(12)的剩余寿命的一个或多个因素的数据，其特征在于，所述装置(10)是便携式装置(10)，并且包括非永久连接装置(16)，所述非永久连接装置配置成将所述装置(10)非永久地连接到所述轴承(12)的表面，使得所述至少一个传感器(14)的至少一部分压靠着所述轴承(12)的所述表面。

2.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，其包括配置成无线地发送所述数据的发射器。

3.根据权利要求1或2所述的装置(10)，其特征在于，所述至少一个传感器(14)配置成测量以下参数中的至少一个：应变、应力、声发射、振动、旋转速度、温度、旋转角度位置。

4.根据权利要求1或2所述的装置(10)，其特征在于，所述非永久连接装置(16)是配置成将所述装置(10)磁性地连接到所述轴承(12)的磁性连接装置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，其包括配置成处理所述数据的数据处理单元(18)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，其包括配置成电力地记录所述数据的存储器装置(22)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，其包括显示装置。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，其配置成由至少一个电池供电。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，其配置成由包括所述轴承(12)的机器的电源供电。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，其配置成通过由所述轴承(12)的运动所产生的电而被供电。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，其包括以下中的至少一个：摩擦应变计、压电位移光束传感器、压电膜传感器、能够测量应变信号的传感器。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，其包括加压装置(30)，比如至少一个弹簧，配置成当所述装置(10)处于使用中时按压所述至少一个传感器(14)的所述部分抵靠着所述轴承(12)的所述表面。

13.一种用于监测轴承(12)的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

a)将包括配置成获得关于影响所述轴承(12)的剩余寿命的一个或多个因素的数据的至少一个传感器(14)的便携式装置(10)非永久地连接到所述轴承(12)的表面，使得所述至少一个传感器(14)的至少一部分压靠着所述轴承(12)的所述表面，

b)获得关于影响所述轴承(12)的剩余寿命的一个或多个因素的数据，以及

c)从所述轴承(12)移除所述便携式装置(10)。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤中的至少一项：处理所述数据、发送所述数据、显示所述数据、预测/更新所述轴承(12)的剩余寿命。

15.一种计算机程序产品，其特征在于，其包括存储在计算机可读介质或载波上的含有布置成使计算机或处理器执行根据权利要求13所述的方法的步骤b)和/或根据权利要求14所述的任一项步骤的计算机程序代码装置的计算机程序。