CN107002882B - 密封组件及监测密封组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种密封组件，包括具有可移动部分(12)的弹性密封唇(10)，其中，所述密封唇(10)构造成附接到机器的第一部分，并且构造成与机器的第二部分(18)接触。提出至少一个加速度传感器(14)固定到密封唇(10)的可移动部分(12)，并且所述密封组件还包括用于处理从加速度传感器(14)获得的数据的数据处理装置(16)。所述数据处理装置(16)配置为确定加速度传感器(14)相对于重力方向的取向。

Description

密封组件及监测密封组件的方法
背景技术
轴承经常用作复杂机器的关键部件，轴承故障可能会导致重大损坏。更换轴承可能很复杂，并且导致停机。轴承寿命很大程度上取决于润滑和密封件的质量。因此，非常需要监测密封件及润滑的质量。
移动电信技术的进步带来了新一代基于半导体的加速度计，用于高度小型化的智能手机。
发明内容
本发明寻求提供一种具有用于以可靠方式监测其功能的装置的密封组件。
本发明涉及一种包括具有可移动部分的弹性密封唇的密封组件，其中所述密封唇构造成附接到机器的第一部分，并且构造成与机器的第二部分滑动接触。
提出将至少一个加速度传感器固定到密封唇的可移动部分。可在市场上以低廉的价格获得高质量的加速度计或加速度传感器。虽然在轴承密封件或其他密封组件领域中仍然存在将传感器集成到密封唇中很困难的技术偏见，但是发明人惊奇地发现，这种类型的传感器的小型化和鲁棒性足以推进开放这个新领域的应用。
虽然本发明也可以应用于在第一部分和第二部分之间具有线性运动的应用，但优选的是机器的第一部分和机器的第二部分是轴承环。在替代实施例中，旋转部分可以是轴。
根据本发明的另一方面，密封唇的可移动部分具有从密封体朝向机器的第二部分的滑动接触表面延伸的倾斜部分，其中加速度传感器附接到倾斜部分。倾斜部分的倾斜度可能由于作用在密封件上的磨损或动态力而改变，使得该位置适于测量密封唇的特征运动。此外，倾斜部分通常足够大以能够可靠地固定传感器。
在本发明的优选实施例中，加速度传感器形成为3轴重力传感器半导体芯片。
所述组件还包括用于处理从加速度传感器获得的数据的数据处理装置，其中数据处理装置配置为确定加速度传感器相对于重力方向的取向。数据处理装置可以包括在包含用于大尺寸密封唇的加速度传感器的传感器组件中，加速度传感器附接到轴承的环或位于包括轴承的机器的遥控单元中。
在本发明的优选实施例中，数据处理装置进一步配置为根据加速度传感器的取向计算表示密封唇的磨损的参数。在具有滑动接触的大多数密封件几何形状中，密封件的倾斜角随着磨损的增加而增加。因此，密封唇的可移动部分的取向是用于磨损的可靠指示器。数据处理装置优选地存储新密封唇的原始取向，并将测量的取向与原始取向进行比较。
在另一实施例中，数据处理装置可以附加地配置成根据加速度传感器的取向计算表示密封唇的静摩擦力的参数。
进一步提出，数据处理装置配置为根据从加速度传感器获得的数据导出描述密封组件及其润滑的动态特性的至少一个参数。特别地，数据处理装置可以配置为根据从加速度传感器获得的数据来评估密封唇的振动的幅度和/或频谱，并且如果振动的幅度和/或频谱满足一组预定标准，则发出警告信号。
本发明的其它方面涉及一种包括如上所述的密封组件的轴承以及一种包括这种轴承的机器。
本发明的另一方面涉及一种用于监测密封组件的方法，所述密封组件包括具有可移动部分的弹性密封唇，其中所述密封唇构造成附接到机器的第一部分，并且构造成与机器的第二部分滑动接触。
提出该方法包括评估固定到密封唇的可移动部分的至少一个加速度传感器的信号。
在密封唇上包含3D加速度传感器用于测量轴的振动、跳动等具有令人愉快的副作用，即它是可以测量地球重力场的DC传感器。如果密封唇处于密封唇磨损导致传感器的角度变化(这在大多数机器中是可能的)的位置，则这会导致可被测量的传感器偏移量发生变化(通过传感器和重力矢量之间的角度的反正弦值)。
优选实施例在对3D加速芯片的纳米尺度结构作用时对重力矢量的测量起作用。当密封唇磨损时，其对本体材料的角度发生变化。密封唇和密封体之间的连接用作铰链。传感器也旋转并且与其敏感表面一起。根据传感器取向，没有表面、一个或多个表面经历旋转，且旋转导致表面的不同偏移。给定对应于原始取向的偏移量组和传感器本身的典型缺乏漂移，随着时间的推移，可以在密封唇磨损时测量矢量的变化。给定密封件几何形状，可以将该变化计算回到密封唇磨损。本发明适用于旋转应用和线性运动应用。
本发明的实施例以及所附权利要求书和附图的以下非限制性描述以特定组合示出了本发明的多个特性特征。技术人员将容易地能够考虑这些特征的进一步组合或子组合，以便使根据权利要求书所定义的本发明适应他或她的具体需要。
附图说明
图1以剖视图示出了根据本发明的密封组件；和
图2以轴向视图示出了根据本发明的密封组件。
具体实施方式
图1示出了包括具有可移动部分12的弹性密封唇10的密封组件，其中所述密封唇10构造成附接到机器的第一部分，其形成为轴承或壳体(未示出)的非旋转环，并且构造成与形成为旋转轴或轴承的旋转环的机器的第二部分18滑动接触。
密封组件包括具有如图1所示的轮廓的橡胶环。该环包括密封体20和从密封体20径向突出的密封唇10。密封唇10具有径向部分和通过旋转铰链连接到该径向部分的倾斜部分。密封唇10可以可选地通过卡箍弹簧21被预加载到内圈的表面上。
形成为3轴基于半导体的重力传感器14的加速度传感器14固定到在面向密封体20的一侧上构成密封唇10的可动部分12的倾斜部分。数据处理装置16读出加速度传感器14的信号，并且如下面进一步详细描述的那样评估信号。重力G的方向用箭头表示，传感器配置为输出重力加速度的分量作为其信号的DC部分。
倾斜部分从密封体20向旋转环的滑动接触表面延伸。密封唇10通过环被压到滑动接触表面上。
图1中的虚线示出了当密封唇10磨损时它的构造。倾斜部分的倾斜度由于磨损而改变。传感器14也旋转，并且与传感器的敏感表面一起。根据传感器14的取向，没有表面、一个或多个表面经历旋转，并且该旋转导致用于对应于重力加速度的变化分量的表面的偏移信号的差异。随着时间的推移，可以在密封唇10磨损时测量矢量的变化。考虑到密封件几何形状，可以由数据处理装置16将该变化计算回密封唇10磨损，其可以在磨损达到临界阈值时输出或存储磨损的值和/或发出警告信号。在将另一重力传感器14安装在机器或轴承的不移动部分上的实施例中，可以监测密封唇10的取向的相对变化。在这两种情况下，数据处理装置16配置为确定加速度传感器14相对于重力方向的取向，并且根据加速度传感器14的取向计算表示密封唇的磨损的参数。
在图2示出的实施例中，数据处理装置16配置为根据加速度传感器14的取向计算表示密封唇的静摩擦力的参数。
该静摩擦力引起密封件沿旋转方向的变形。图2中的实线示出了具有低静摩擦力的密封唇10的一部分的构造，虚线示出了用于更高摩擦力的静态变形。变形是扭转应变变形，其中密封唇10的径向内部部分相对于其径向外部部分旋转地偏转。
加速度传感器14安装在密封件上，使得其可感测轴的振动(AC)和旋转(DC)。旋转角θ将在测量的切向和径向分量的信号中。已经证明对极化平移的校准的x、y、z能够将传感器14的信号转换成可用的轴承轴坐标。旋转分量告诉我们关于密封件对轴的静摩擦量。扭矩和/或负载感测中也可以使用相同的原理。当然，在这种情况下，它不会是轴/密封件组合，而是一些像弯曲的手臂一样静止的东西，因此相对于地球的重力矢量改变其角度。
虽然上述实施例集中在传感器14信号的DC部分上，但是可以通过使用信号的AC分量来获取关于作用在密封件上的动态力的信息。
本发明的可能实施例包括这样的实施例，其中数据处理装置16配置为根据从加速度传感器14获得的数据中导出描述密封组件及其润滑的动态特性的至少一个参数。特别地，数据处理装置16可以配置为根据从加速度传感器14获得的数据来评估密封唇10的振动的幅度和/或频谱，并且如果振动的幅度和/或频谱满足一组预定标准，则发出警告信号。
下面将描述最后提到的类型的实施例。在数据处理装置16确定与密封的静态和动态行为的不同方面相关的多个参数的意义上，所有实施例的特征可以容易地组合。
在本发明的一个实施例中，数据处理装置16配置成随着时间的推移来测量密封的老化。老化改变阻尼和谐振频率。数据处理装置16可以确定密封唇10如何响应于例如每次机器起动时的冲击或脉冲而移动。在本发明的一个实施例中，数据处理装置16配置为采用限定的冲击波输入来检查密封状况和唇接触，例如通过在每个行程或其他限定的输入对燃烧发动机点火。脉冲响应函数的测量通常采用人工脉冲进行。利用周期性发生的应用脉冲(在一定时间内)，可以计算频率响应函数。例如在内燃机(海船)的曲轴密封件中。该信号还可用于应用的其他参数检查。可以使用耦合到温度的频率响应函数来计算阻尼(与润滑相关)、变硬(与老化相关)。
某些应用在特定时间段内发生多次事件；例如在启动期间的速度上升。该事件可以由加速度传感器14监测。启动可被认为是速度斜坡。在此加速期间测量加速度(3DOF)可以提供有关阻尼和密封件(也可能是系统)共振的信息。随着时间的推移(在相同的启动事件期间)的测量结果的比较可能表明老化或磨损。
在本发明的另一实施例中，数据处理装置16配置为通过信号中的高频分量来确定密封唇10的润滑状态。发明人已经发现，这种润滑状态可以通过信号幅度来检测。缺少润滑会在很短的时间内导致微机械接触。这将在密封唇10中产生高频信号，要用加速度计测量。频率偏移(在一段时间间隔内测量)可能会导致润滑状况不良。
此外，当运行或停止时，密封件的粘滑效应将在密封唇10中开始切向力。该力导致加速度，然后可由传感器14测量。这提供了关于密封唇10的润滑的信息，尤其是关于磨损。当唇不再接触时，该信号将丢失，这可被检测到。
在本发明的又一实施例中，提出了使用特殊的编码传感器14，其除了数据之外还发送额外信息，或者数据包之间的特定时间差，例如为了识别轴承。今天，轴承的类型和尺寸通常显示在外部的密封件上。通过在密封件上使用几个加速度计，可以对传感器14进行数字编码，其中代码对于某种轴承类型是唯一的。例如，该代码可以是在可以使用之前访问传感器14的数字代码。在调节器中，可以生成与轴承ID和制造商有关的代码。数据传输的格式也可以使特定轴承类型的代码是唯一的。
在本发明的一个实施例中，数据处理装置16配置为使用频率数据来感测磨损和摩擦状态。当摩擦上升时，温度升高，使得信号中存在更多的阻尼和较少的高频分量。
进一步提出，结合加速度计的频率响应，通过分析转速和温度来生成一定时间的3D矩阵图。该图可以与不同的应用条件进行比较。当在预定的时间间隔内测量此图时，在已知的应用条件下，可以遵循磨损、摩擦和老化的趋势。
在本发明的另一实施例中，数据处理装置16构造成确定在旋转密封应用中测量密封件的转速。在旋转密封应用中，传感器14可以通过使用重力矢量作为参考来测量转速，因为信号将以旋转频率振荡。
在本发明的另一实施例中，数据处理装置16配置为记录起始和停止时间戳、频率，并计算实际运行时间。通过阈值或模式识别功能，可以检测到轴承正在运行。当这些信息被集成时，将会告诉关于密封件的总运行时间，并且当耦合到时间戳时，可以将这些信息与来自总系统上的其他传感器14的信息组合。
在本发明的另一实施例中，数据处理装置16配置为记录密封件的滥用，例如大的动态耗尽；或者与温度传感器14组合，可以记录启动条件。发明人提出将该功能包括在加速芯片本身上以防止篡改。持续超过一定时间的大振动将触发对存储单元的破坏性写入过程。
在本发明的另一实施例中，数据处理装置16配置为检测轴承的预载荷损失，这导致增加的轴向振动。这可被测量作为趋势的突破。预载荷的损失使得轴上的轴向力与轴质量直接进行1:1的耦合。不再有轴承的刚度来抑制运动。通过密封唇10的摩擦，该加速度将立即转移到传感器14。
在进一步的发展中，数据处理装置16可以配置为通过检测不应该正常接触轴的密封件的接触振动来检测迷宫式密封件的损坏。在迷宫式密封件中，必须避免迷宫壁从静止部件到旋转部件的接触，否则会导致过度磨损。接触引入力，并且来自力的地方随之加速。由于静密封壁用作制动器，所以可以用传感器14直接测量旋转壁上的减速度。由于时间短，这与趋势是明显的突破。为了进一步的发展，加速度传感器14可被固定到密封唇10，其不被设计成与机器的第二部分18滑动接触，而是由于损坏或磨损而发生建立滑动接触。
本发明不限于具有径向接触的密封件，而是可以应用于面密封件以测量轴向运动。面密封件在轴向方向上提供密封。
在本发明的另一实施例中，数据处理装置16配置为通过检测某些轴向和径向振动模式来检测密封件的泵送效果。密封件的泵送动作导致重复的特征正弦运动，其相对快速并且耦合到转速，因此在可检测的特定加速度信号模式中。
在本发明的另一实施例中，数据处理装置16配置成测量在卡车或汽车应用中轮胎的平坦点或瑕疵。轮胎上的平坦点导致两次冲击，其通过轮胎传递到轮辋，然后传递到轮毂。从轮毂，它移动到轴，然后移动到轴承。轮胎会有一些阻尼，但金属质量相当坚硬。该信号将到达轴并引起传递到密封唇10中的两个连续的唯一的径向力脉冲。此外，该图案偏离趋势并且可被检测到。
数据处理装置16实施用于监测包括具有可移动部分12的弹性密封唇10的密封组件的方法，其中所述密封唇10构造成附接到机器的第一部分并且构造成与机器的第二部分18滑动接触。该方法包括评估至少一个加速度传感器14的信号，该加速度传感器固定到密封唇10的可移动部分12。

Claims (11)

1.一种密封组件，包括具有可移动部分(12)的弹性密封唇(10)，其中，所述密封唇(10)构造成附接到机器的第一部分，并且构造成与机器的第二部分(18)接触，
其特征在于，
至少一个加速度传感器(14)固定到所述密封唇(10)的可移动部分(12)，并且所述密封组件还包括用于处理从加速度传感器(14)获得的数据的数据处理装置(16)，其中，所述数据处理装置(16)配置为确定加速度传感器(14)相对于重力方向的取向。
2.根据权利要求1所述的密封组件，
其特征在于，
所述机器的第一部分和所述机器的第二部分(18)是轴承环。
3.根据权利要求1或2所述的密封组件，
其特征在于，
所述密封唇(10)的可移动部分(12)具有从密封体(20)朝向机器的第二部分(18)的滑动接触表面延伸的倾斜部分，其中，加速度传感器(14)附接到所述倾斜部分。
4.根据前述权利要求1或2所述的密封组件，
其特征在于，
所述加速度传感器(14)形成为三轴重力传感器(14)半导体芯片。
5.根据前述权利要求1或2所述的密封组件，
其特征在于，
所述数据处理装置(16)还配置为根据所述加速度传感器(14)的取向计算表示所述密封唇的磨损的参数。
6.根据前述权利要求1或2所述的密封组件，
其特征在于，
所述数据处理装置(16)还配置为根据所述加速度传感器(14)的取向计算表示所述密封唇的静摩擦力的参数。
7.根据前述权利要求1或2所述的密封组件，
其特征在于，
所述数据处理装置(16)配置为根据从所述加速度传感器(14)获得的数据导出描述所述密封组件及其润滑的动态特性的至少一个参数。
8.根据权利要求7所述的密封组件，
其特征在于，
所述数据处理装置(16)配置为根据从加速度传感器(14)获得的数据来评估密封唇(10)的振动的幅度和/或频谱，并且如果振动的幅度和/或频谱满足一组预定标准，则发出警告信号。
9.一种轴承，包括根据前述权利要求中任一项所述的密封组件。
10.一种机器，包括根据权利要求1至8中任一项所述的密封组件。
11.一种用于监测密封组件的方法，所述密封组件包括具有可移动部分(12)的弹性密封唇(10)，其中，所述密封唇(10)构造成附接到机器的第一部分，并且构造成与机器的第二部分(18)滑动接触，
其特征在于，
所述方法包括评估固定到密封唇(10)的可移动部分(12)的至少一个加速度传感器(14)的信号，以便确定加速度传感器(14)相对于重力方向的取向。
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