CN105547129B - 用于确定滚动元件的间距的方法和数据处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定具有至少一排滚筒(10)的滚筒轴承中的滚筒间距的方法，其中所述排中的滚筒(10)由至少一个保持器、优选由多个滚筒保持器(12)支承。提出的所述方法利用滚筒载荷感应应变信号来确定滚筒间距。

Description

用于确定滚动元件的间距的方法和数据处理设备

技术领域

本发明涉及用于确定滚动元件的间距的方法和数据处理设备。

背景技术

风涡轮机中例如用于支撑转子的大尺寸轴承对于单个保持器来说通常太大以致于难以支承滚筒。因此，轴承通常被设计为具有多个单滚筒保持器，每个保持器支承例如一个或两个滚筒，或者具有多个保持器段，每个保持器段支承四个滚筒。通过设计，存在可接受的标称间隙以允许热膨胀可以分布或可以累积在一个位置中。但是，如果任意保持器段破损，那么滚筒间距会超出设计的最小和最大公差。

评估滚筒间距或保持器完整性的已知方法是基于振动测量，无法证明非常可靠。

另一方面，已知提供具有传感器和微控制器的轴承，能够利用无线发射器发送关于轴承操作状态的数据到外部。

由于设计和标称间隙，内圈的基本群频率的一个周期(FTFi周期)与下一个周期之间的间距图案会轻微地改变。过了几个周期之后，图案看起来也会完全不同，即使围绕滚道圆周恰当且完全平均地加载。

即使具有良好的保持器完整性，间距图案也会从通过一个完整FTFi周期到多个较大累积间距的平均间距改变到一个较大累积间距。由于变化的间距图案的组合和外圈周围小载荷或无载荷的段的存在，任何过度小或过度大的间距会移入和移出可被检测到的区域，以致于单个测量不被认为足以来证实保持器的完整性。

发明内容

本发明试图提供一种监视滚筒间距和保持器完整性的可靠和简单方法。

本发明的方法试图根据在大尺寸轴承的一个圈上的优选无线节点测量得到的滚筒载荷感应应变(RLIS)信号来确定滚筒间距(间隙)。无线节点中的微控制器被配置为集成到或附接到轴承中，具有非常有限的可计算功率。因此，本发明的另一个目的在于提供一种在节点中而不是在远程服务器中实施的足够简单的方法，远程服务器接收来自节点的原始应变信号。

本发明涉及一种用于确定具有至少一排滚筒的滚筒轴承中的滚筒间距的方法，其中所述排中的滚筒由至少一个滚筒保持器、优选由多个滚筒保持器支承。相同的方法还可以应用来评估“单个保持器”和“单个滚筒保持器”轴承设计的完整性。

该方法打算使用滚筒载荷感应应变信号，用于确定滚筒间距。使用应变信号的思想可以以简单和低成本的方式实施，因为可以使用已有的传感器和数据处理设备。发明人还惊奇地发现应变信号可以是评估保持器完整性的可靠基础。

本发明可应用于具有任意类型滚动元件的轴承，包括圆柱形、截头圆锥形或螺旋形滚筒以及球。因此，术语“滚筒”在这里和在下面应该从广义上来理解并且包括任意类型的滚动元件。

在本发明的优选实施例中，该方法包括如下步骤：高带通滤波应变信号；确定高通滤波应变信号的零交叉；确定滚筒中心为信号相邻零交叉之间的中心点；确定滚筒间距为相邻滚筒中心之间的差值；以及输出滚筒间距。高通滤波应该去除DC偏量和远小于传感器滚道上的过球频率的低频率并且可以由低通滤波器补充，去除高频噪声。优选地，滤波器是窄带带通滤波器，仅通过包括进行测量时应该要的速度范围所期望的过球频率的频率范围。滤波器必须在拐角频率之间具有非常小的失真(相移)。

相比于选择应变信号中的波峰最大值作为滚筒中心的方法，可以避免或者至少大大减少由于通常甚至存在于高幅度过球波峰中的双倍最大值和偏量最大值导致的误差。发明人尝试的另一种方法是使用波峰任意一侧上的变形点以然后确定它的中心，但是噪声通常引起误差和错误的检测。结果，使用信号零交叉的方法已经变成为相当可靠。

提出的另一方法包括如下步骤：确定应变信号波峰的波峰高度和波峰位置；确定应变信号波谷的波谷深度和波谷位置；将波峰高度和波谷深度与相应预定阈值比较；以及仅在相邻波峰的波峰高度和波峰之间的波谷深度大于相应阈值的情况下，使用与确定滚筒间距的步骤中的相邻波峰相关的滚筒中心。换句话说，丢弃不足够高或没有被足够深波谷分隔的波峰，即，不用于确定滚筒间距。由于滤出了不可靠的数据，这样导致进一步改进了该方法的可靠性。

根据本发明的另一个方面，该方法还包括确定连接零交叉点与在零交叉点之后的波峰的波峰高度的线性函数的斜率，并且如果该斜率小于阈值最小斜率就丢弃该用于确定滚筒间距的波峰的步骤。由于滤出了不可靠的数据，这样导致进一步改进了该方法的可靠性。所需的最小斜率可以进一步应用到分隔波峰的波谷。

提出的另一方法包括通过比较成功确定的滚筒间距的数量与滚道中的滚筒的数量，来确定和输出测量值的置信度等级的步骤。置信度等级的输出能够改进数据的解释和后处理。

该方法可以返回所有滚筒间距或仅最小间距、最大间距、平均间距和/或置信度等级(有效滚筒间距的％)。

在本发明的优选实施例中，该方法还包括在确定滚筒间距之前映射滚筒载荷感应应变信号到角度相关信号的步骤，滚筒载荷感应应变信号来自时间相关信号和描述距离的信号，其中滚筒间距以度数单位或其他角度单位输出。可以认为对于相同间距，圆周上以mm为单位的滚筒间距值是不理想的，在锥形滚筒轴承的情况下该距离会从滚筒边缘到滚筒中部改变，并且因此会导致安装和嵌入到容许极限的表面上的不同类型无线传感器的混乱。传输的信号与直径和旋转速度相关并且能够实现测量间距与每一个FTFi周期的平均间距的比较，该平均间距等于每个滚道滚筒的数量除以360。后面的比较可以是测量质量检查的一部分。

此外，提出的该方法包括如果滚筒间距其中之一小于最小间距或大于最大间距就发出报警信号的步骤。每个后面的临界值表示存在破损保持器。

本发明的另一个方面涉及形成为例如微控制器的数据处理设备，包括配置为附接到滚筒轴承的无线发射器，该设备包括用于接收滚筒载荷感应应变信号的至少一个接口，其中数据处理设备实施如上所述的方法。

本发明的进一步方面涉及一种滚筒轴承，配备有用于捕捉滚筒载荷感应应变信号的至少一个应变传感器并且配备有如上所述的数据处理设备。

本发明的进一步方面涉及一种良好质量的应变信号，然后可以通过选通该信号用于可容许的速度变量，以及由波峰高度和波谷深度阈值以及平均斜率表示的最终结果和中间结果的质量检查。然后仅使用连续有效的滚筒中心之间的那些间距来确定滚筒间距。

该方法优选地在适用于无线节点中的具有低处理功率的固定点计算中实施。该方法还可以利用智能传感器在具有计算能力的采集系统中和在计算机中实施。与其他方法相比，由于实施简化，可以忽略精度的降低。

本发明实施例的下述非限定性描述以及附属权利要求和附图给出了本发明特定组合中的多个特性特征。本领域的技术人员将能够容易地考虑到这些特征的进一步组合或子组合以使如权利要求中限定的本发明适应他或她的特定需要。

附图说明

图1为滚筒轴承的示意图，包括根据本发明的应变传感器14和数据处理设备16，应变传感器用于测量穿过设置在保持器中的滚筒而产生的应变；

图2a-2b为根据本发明的方法解释的可能应变信号的示意图；

图3a-3b为示出了根据本发明的方法解释的可能应变信号的图表的另一个示意图；

图4a-4b为示出了根据本发明的方法解释的可能应变信号的图表的另一个示意图；

图5为示出了应变信号的图表的示意图，其中一些零点交叉和波峰高亮显示；

图6a和6b为示出了波峰中心幅度和根据波峰中心幅度获得的滚筒间距的图表；

图7图示用于丢弃不可靠波峰信号的另一种方法；

图8为根据本发明的方法的第一部分的流程图，其中决定是否实施确定滚筒间距；以及

图9为根据本发明的实际滚筒间距算法的流程图。

具体实施方式

图1为滚筒轴承的示意图，滚筒轴承包括24个滚筒10，设置在6个保持器12中，其中每个保持器12支承四个滚筒10。应变传感器14附接到或者嵌入到轴承的内圈并且连接到形成为微控制器的数据处理设备16的输入端。

本发明可应用于具有超过一个传感器的装置，尤其是具有三个或四个设置在内圈上的传感器的装置，或者可应用于传感器14安装在外圈上的场合。

微控制器被配置为驱动安装在相同电子包中的无线发射器。优选地，电子包包括动力收获部件(未示出)，用于根据轴承的旋转产生动力。

轴承的六个保持器12设计为这样布置，在每对相邻保持器12之间具有预定间距或间隙20。间隙20的分布根据摩擦力、载荷、振动或其他参数而受到动态变化。如果间隙20均等地分布，即当每对相邻保持器12之间的间隙具有相等宽度时，每对相邻滚筒10之间的间距同样也相等并且对应于标称间距，即滚筒10在内圈圆周上均等地分布。

在保持器12分布为仅具有一个大间隙20而其他间隙由于保持器12互相接触而闭合的情况下，根据大间隙20的左侧和右侧滚筒10之间的滚筒间距大于标称间距，而由互相接触的不同保持器12保持的相邻滚筒10之间的滚筒间距小于标称间距。在后一种极端情况中，这些间距是保持器12在未破损的良好情况时的最小和最大间距。存在大于或小于这些值的间距，表示保持器破损或滚筒破损或缺少。

根据本发明的一个方面，为了检查保持器12的完整性，检测相邻滚筒10的中心之间的间距，即距离。

然而，非常大或非常小的间距的产生是存在损坏保持器12的充分不必要条件。即使保持器12受到损坏，但是滚筒10也可以偶然以非常均等的方式分布。

应变传感器14被配置为测量穿过滚筒10而感应到的应变。应变传感器14产生的信号在这里和下面将称为滚筒载荷感应应变信号或RLIS信号。该信号基本上具有两个特征周期或频率，一个对应于滚筒10之间经过传感器时的延迟，而另一个周期对应于经过传感器14的时间间隔，在该时间间隔中所有滚筒成一排，即整串滚筒和保持器段。后面的时间间隔也称为基本序列周期。周期或相关频率都取决于传感器14是安装在外圈上或内圈上。

为了可靠地检测保持器完整性，必须具有信号，覆盖相对于内圈多个保持器12旋转周期。由于保持器12以大约一半的外圈速度旋转，这样意味着为了检测保持器完整性，在滚筒间距算法中使用的信号采样应该包括大约六个或更多的轴旋转。

图2a-2b为根据本发明的方法解释的可能应变信号的示意图。

在图2a中的图表主要表示信号的幅度可以根据显著载荷变化的结果而变化。

图2b描述了具有一个累积间距AC或间隙的示例，位于由箭头指示的位置处。信号的两个连续波峰之间的间距比其他波峰之间的间距宽。

在图2a-2b中以及下面的图表示出了传感器信号，利用带通或高通滤波器对信号预处理，滤掉DC偏移量和远小于过球频率的频率分量。带通滤波器应该尽可能地窄以避免失真，但是又要足够宽以包括过球频率及其中的至少部分谐波。这对于本发明很重要，因为它确保了信号以或多或少对称的方式绕着零点振荡。此外，图2a-2b以及下面附图中的水平轴线是旋转角，并且竖直轴线表示任意单位的信号强度。

图3a-3b为示出了由根据本发明的方法解释的可能应变信号的图表的另一个示意图。

图3a的信号示出了由于缺少滚筒导致的大间距LS1以及一些自然产生的较大间距LS2。

图3b示出了强噪声信号，其中超过良好保持器完整性的公差的大累积间距LS仍然可以观察到。

根据本发明的方法解释的可能应变信号的图表的另一示意图如图4a和4b中所示。如图4a所示，应变信号的最大值可以假设为包括双重最大值DM和偏差中心最大值OCM的各种形状，以便直接清楚地看到最大值的位置最终根据滚筒中心位置偏移。

此外，如图4b所示，属于一些波峰的信号不与零线交叉，而属于其他波峰的信号多次交叉零线。这可能发生在小滚筒载荷的情况下或具有高信噪比的其他情况下。

本发明的一个挑战是提供一种可靠地从图2-4所示的信号中抽取有价值信息的方法。

图5为示出了应变信号的图表的示意图，其中一些零交叉Z1-Z4和波峰P3、P4高亮显示。本发明打算通过选择在过球频率峰值任意一侧上的零交叉来减少误差量，并且打算将两个零交叉之间的中心点确定为滚筒中心。

然而，图5的右手侧上信噪比增加，并且为了确定滚筒中心的这些波峰将显然不会产生可靠结果。通常，在一半的基本过球频率与两倍的基本过球频率之间的范围中的信噪比应该大于60％。

因此，本发明打算应用如图5中的虚线所示的阈值T1到波峰高度，并且打算仅认为波峰高度大于阈值T1的那些波峰有效。

图6a示出了波峰中心幅度，其可以是波峰位置处的信号值或者可以基于之前计算的滚筒中心位置附近的某种移动平均来计算，并且图6b示出了基于这些波峰计算的滚筒间距。图表右手侧上的波峰小于阈值，并且在图6b中不使用波峰来计算滚筒间距。

图6b示出了滚筒间距，限定为如上所述根据图6a的数据获得的相邻有效波峰位置的差。

尽管未示出，可以进行与根据图6a的波峰高度评估相似的计算来计算波谷深度，即每对的两个正波峰之间的负波峰的深度。本发明也打算应用阈值到这些波谷深度并且打算仅使用这些波峰来评估由足够深度的波谷清晰分隔的滚筒间距。第二标准确保信号的斜率在零交叉足够陡峭以避免具有多个零交叉的波峰。

在大多数情况下，经过恰当选择的波峰高度和波谷深度的阈值能够丢弃根本不交叉零线的波峰或者在一侧处信号不下行到零以下的波峰。

为了更安全地避免遭遇到最后提及类型的波峰，本发明提出用于丢弃低信噪比滚筒应变的另一种方法，其可以作为替代实施例应用或者附加地应用到波峰高度或波谷深度的阈值。如图7所示，计算波峰最大值与波峰最大值之前的零交叉之间的绝对斜率，或者连接中心的线与之前的零交叉的斜率，并且与斜率阈值比较。如果斜率不超过阈值，丢弃与该斜率相关的波峰或波谷间距。

此外，本发明教导通过比较每个信号周期成功确定的间距的数量与每个滚道的滚筒10的数量，来计算每个滚筒载荷感应应变测量值的百分比置信度等级。其中α_s1和α_s2是第一和最后的成功的间距测量值的FTFi角度，n为测量的间距的数量，以及ZR为存在的滚筒10的数量，那么：

置信度％＝(100×360)/(α_s1-α_s2)*(S_M-1)/Z_R。

图8提供了是否执行RLIS读数上的滚筒间距评估的判定过程流程图。数据处理设备接收旋转速度和角度误差的阈值以及RLIS数据，包括它们的开始角度、结束角度、开始速度和结束速度。检查速度是否在某个带宽内，在开始采集和结束采集之间具有限定的速度变化，以及该速度变化在获得期间是线性的(即，不是急上和急下的情况)。

假设在开始角度测量与开始采集以及在结束角度测量与结束采集之间的任何反应时间已经在提供开始速度和结束速度的节点中得到补偿。数据处理设备利用开始角度、开始速度、结束速度以及假定线性速度变化时RLIS波形获得值的秒级时间间隔来计算理论结束角度，并且然后计算从该节点获得的结束角度的差值。如果角度误差，即理论结束角度与实际结束角度之间的差值，大于预先建立的阈值，那么不应该实施滚筒间距算法。原始的RLIS信号可以被丢弃或者存储在数据库中用于未来参考。

图9提供了“滚筒间距”算法的高级流程图。输入数据和阈值，并且数据映射到上述假定线性速度变化的FTFi周期。然后确定零交叉、波峰位置、波峰高度、波谷位置和波谷深度，并且分别存储在阵列中。

然后，开始循环检查每个波峰的有效性，并且检查波峰的中心高度以及波峰中心与相邻零交叉之间的直线的斜率是否大于相应的阈值，以及波峰是否由足够深的波谷分隔。如果判定两个相邻波峰有效，那么将滚筒间距计算为在波峰位置之间的差值并且存储滚筒间距。然后，检查下一个波峰。

最后，计算置信度等级，并且进行间距统计以确定最小间距、最大间距、平均间距等。

因此，根据本发明的滚筒间距算法能够实现下面的优点：该算法可以被配置为返回以度表示的任何滚筒间距值；它返回平均间距值，也可用作测量值证据，因为它应该在滚筒数量除以360的余数范围内，假设可忽略保持器12的跳跃和自由掉落；该算法可以被配置为返回最大间距值，其可以与滚筒10或保持器段之间的最大期望累积间距比较；可以在监视软件中设置相对于该值的“高警告”阈值；该算法可以被配置为返回最小间距值，其可以与保持器段被对接时的最小期望间距比较；可以在监视软件中设置相对于该值的“低警告”阈值。

该算法还能够应用线性速度到从测量的开始速度到结束速度映射的度数，并且检查它对应于相同测量的开始角度和结束角度，从而消除具有折衷速度波动的准确间距测量；可以避免误差在RLIS幅度足够低以至于被外部噪声或测量噪声折衷消除小于预定阈值的单个RLIS波峰值之间的所有间距值；该算法可以被配置为返回表示每个成功测量的FTFi的有效间距分数的百分比值，以提供返回间距值的置信度因子；使应用工程师能够在深度分析中执行全统计学研究，基于所有的测量间距执行间距分布和直方图，并且基于在该算法中计算的信息恰当地显示，但在它的某些实施例中不返回。

Claims (10)

1.一种用于确定具有至少一排滚筒(10)的滚筒轴承中的滚筒间距的方法，其中所述排中的滚筒(10)由至少一个滚筒保持器保持，

所述方法利用滚筒载荷感应应变信号来确定滚筒间距，

其特征在于

所述方法包括如下步骤：

a.高通或带通滤波应变信号；

b.确定高通或带通滤波应变信号的零交叉；

c.确定滚筒中心为信号相邻零交叉之间的中心点；

d.确定滚筒间距为相邻滚筒中心之间的差值；

e.输出滚筒间距。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于

所述方法还包括如下步骤：

a.确定应变信号波峰的波峰高度和波峰位置；

b.确定应变信号波谷的波谷深度和波谷位置；

c.将波峰高度和波谷深度分别与相应预定阈值比较；以及

d.仅在相邻波峰的波峰高度和波峰之间的波谷深度大于相应阈值的情况下，使用与确定滚筒间距的步骤中的相邻波峰相关的滚筒中心。

3.根据权利要求2所述的方法，

其特征在于

所述方法还包括确定连接零交叉点与在零交叉点之后的波峰的波峰高度的线性函数的斜率，并且如果该斜率小于阈值最小斜率就丢弃该用于确定滚筒间距的波峰的步骤。

4.根据权利要求2或3所述的方法，

其特征在于

所述方法还包括通过比较成功确定的滚筒间距的数量与滚道中的滚筒(10)的数量，来确定和输出测量值的置信度等级的步骤。

5.根据前述权利要求1-3其中一项所述的方法，

其特征在于

所述方法还包括在确定滚筒间距之前映射滚筒载荷感应应变信号和/或来自时间相关信号的滚筒载荷感应应变信号到角度相关信号的步骤，其中滚筒间距以角度单位输出。

6.根据前述权利要求1-3其中一项所述的方法，

其特征在于

所述方法还包括如果滚筒间距的其中之一小于最小间距或大于最大间距就发出报警信号的步骤。

7.一种数据处理设备(16)，包括配置为附接到滚筒轴承的无线发射器(18)，该设备包括用于接收来自应变传感器(14)的滚筒载荷感应应变信号的至少一个接口，其中该数据处理设备(16)执行根据前述权利要求其中一项所述的方法。

8.一种用于确定具有至少一排滚动元件的滚动轴承中的滚动元件的间距的系统，包括配备有用于捕捉滚筒载荷感应应变信号的至少一个应变传感器(14)并且配备有根据权利要求7所述的数据处理设备(16)的滚筒轴承。

9.一种滚筒轴承，配备有用于捕捉滚筒载荷感应应变信号的至少一个应变传感器(14)并且配备有根据权利要求7所述的数据处理设备(16)。

10.根据权利要求9所述的滚筒轴承，包括至少一排滚筒(10)，其中所述滚筒保持在多个保持器中。

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