CN107110221A - 密封组件及监测密封组件的动态性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种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)配置成附接到机器的第一部分并且与机器的第二部分(18)滑动接触。提出了至少一个振动传感器(14)固定到密封唇(10)的可移动部分(12)。

Description

密封组件及监测密封组件的动态性能的方法
技术领域
本公开内容涉及密封组件及监测密封组件的动态性能的方法。
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导致停机。轴承寿命在很大程度上取决于润滑及密封件的质量。因此，非常需要监测密封件及润滑的质量。
此外，建议使用附接到刚性金属机器部件的振动传感器，以便监测机器，并且如果检测到意外的振动，则能够停止机器进行维护。
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密封组件，具有以可靠方式监测其功能的装置。
本发明涉及一种包括密封体和具有附接到密封体的可移动部分的弹性密封唇的密封组件，其中所述密封体配置成附接到机器的第一部分，并且可移动部分配置成与机器的第二部分滑动接触。
提出了将至少一个振动传感器固定到密封唇的可动部分。本发明人已经发现，弹性密封件的振动传递关于密封性能的有价值的信息。本发明能够将该信息用于监测目的、触发维护或紧急停止或用于获得有关机器使用的信息。密封唇可由橡胶或其他类型的弹性体或聚合物材料制成。
此外，提出了密封组件包括数据处理装置，用于处理从振动传感器获得的数据并且用于监测由传感器获得的振动信号。可以立即评估信号，并用于为机器的用户生成信号。
优选地，数据处理装置配置为在包括密封组件的机器的常规操作中识别预定的操作事件，并且响应于该操作事件来监测由传感器获得的振动信号。在本发明的优选实施例中，预定的操作事件是机器速度的上升。其他合适的事件是冲击载荷等。优选地，选择预定事件使得期望用于完全弹性和润滑的密封系统的系统响应将总是相同的。因此，响应的差异将表明密封性能有改善的空间，即密封已经磨损或老化。可以通过将信号与在相同外部条件下操作的其它密封系统的信号或先前获得的信号进行比较来确定差异。
通过利用周期性地发生的应用的脉冲或其他重复出现的特征事件，可以计算频率响应函数。一个例子是海洋内燃机的曲轴密封件。
该信号也可用于应用的其他参数检查。从耦合到温度的传感器信号导出的频率响应函数可用于计算阻尼(与润滑有关)、变硬(与老化有关)。
因此，数据处理装置可以配置为评估响应于针对新密封组件获得的信号的操作事件而由振动传感器获得的振动信号的变化，以便确定指示所述密封组件劣化的参数，并且如果劣化超过阈值则发出警告信号。
在本发明的一个实施例中，数据处理装置配置为提取振动传感器的信号的高频部分并且从信号的高频部分导出密封唇的弹性特性。
优选地，数据处理装置配置为基于由传感器获得的信号的高频分量来确定指示润滑质量的参数。本发明人已经发现可以通过信号幅度来检测润滑状况。缺少润滑导致在很短时间内微机械接触。这将在密封唇产生高频信号，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，数据处理装置可以配置为计算表示密封唇老化的参数。随着弹性元件的橡胶或其它类型的弹性体或聚合物的弹性由于老化而降低，弹性元件趋于变硬。
进一步提出，振动传感器形成为重力传感器，特别是作为3D加速度计：还可以使用3D陀螺传感器或包括3D加速度计和3D陀螺传感器的组合单元，前提是只要响应足够快。这种传感器可以在市场上以低价格、高品质获得。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的技术偏见，但是本发明人惊奇地发现，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。
优选地，加速度传感器形成为3轴重力传感器半导体芯片。相关数据处理装置可以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，所述加速度传感器附接到轴承的环或位于包括轴承的机器的远程控制单元中。
在密封唇上包括三维加速度传感器，用于测量轴振动、动态跳动等，具有令人愉快的副作用，即因为DC传感器可以测量地球的重力场。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的变化(通过传感器和重力矢量之间的角度的反正弦)。
优选实施例工作于在重力矢量作用于3D加速度芯片的纳米尺度结构上时对其的测量。当密封唇磨损时，其对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，并与其一起旋转敏感表面。根据传感器取向，没有、一个或多个表面经历旋转，并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，可以计算出这种变化，返回到密封唇磨损。本发明适用于旋转应用和线性运动应用。
在本发明的优选实施例中，密封组件包括数据处理装置和温度传感器，其中所述数据处理装置配置为基于来自振动传感器和来自温度传感器的信号的组合来确定密封唇的劣化。温度传感器的信号可用于折扣温度依赖性影响，特别是温度对润滑的影响。
本发明特别适用于监测轴承的密封件。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直线运动的应用，但优选的是机器的第一部分和机器的第二部分是轴承环。然而，本发明同样适用于与旋转轴滑动接触的密封件。
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和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，所述密封组件包括密封体和具有附接到所述密封体的可移动部分的弹性密封唇，其中所述密封体配置成附接到机器的第一部分且可移动部分配置成与机器的第二部分滑动接触。
该方法包括评估固定到密封唇的可移动部分的至少一个振动传感器的信号。
在本发明的另一实施例中，数据处理装置配置为根据加速度传感器的取向和/或机器启动时获得的振动传感器的频谱计算指示密封唇的粘度的参数。
本发明的实施例的以下非限制性描述以及所附权利要求书和附图以特定组合示出了本发明的多个特性特征。本领域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限定的本发明适应其具体需要。
附图说明
图1以剖视图示出了根据本发明的密封组件；
图2以轴向视图示出了根据本发明的密封组件；
图3是表示第一测量行程的密封件的径向方向振动水平的示意图；
图4a-4d是在测量行程的不同阶段的根据图3的信号的频谱；以及
图5是示出另一测量行程的密封件的切向方向、径向方向和轴向方向的振动水平的示意图。
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配置成附接到形成为轴承的非旋转环(未示出)的机器的第一部分，并且配置成与形成为轴承的旋转环的机器的第二部分18滑动接触。在本发明的其它实施例中，第二部分18是轴。
密封组件包括具有如图1所示的轮廓的橡胶或聚合物环。该环包括密封体20和从密封体20朝向旋转环18径向突出的密封唇10。如果需要，密封唇10被预加载有夹紧弹簧21。密封唇10具有径向部分以及通过旋转铰链连接到径向部分的倾斜部分。
形成为加速度传感器特别是3轴基于半导体的重力传感器14的振动传感器14固定到倾斜部分，其在面向密封体20的一侧上构成密封唇10的可移动部分12。数据处理装置16读出加速度传感器14的信号并评估信号，如下面进一步详细描述。重力方向G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，并且传感器14的敏感表面与之一起旋转。取决于传感器14的取向，没有、一个或多个表面经历旋转，并且该旋转导致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，当密封唇10磨损时，可以测量矢量的变化。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，数据处理装置16可以输出或存储磨损的值和/或在磨损达到临界阈值时发出警告信号。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的参数。
该静摩擦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的密封唇10的一部分的构造，虚线示出了用于更高摩擦的静态变形。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(DC)的振动(AC)和旋转。旋转角θ将在测量的切向和径向分量的信号中。已经证明校准的x、y、z到极转化(polartranslation)能够将传感器14信号转换成可用的轴承轴坐标。旋转部件告诉我们关于密封件对轴的静摩擦量。扭矩和/或载荷感测中也可以使用相同的原理。当然，在这种情况下，不会是轴/密封件组合而是如臂那样的静止的东西是弯曲的，并且因此相对于地球的重力矢量改变其角度。
此外，温度传感器22安装在包括密封唇的轴承中。
虽然上述功能集中在传感器14信号的DC部分上，但是可以通过使用如下面进一步详细描述的信号的AC分量来获取作用在密封件上的动态力的信息。
本发明的可能的实施例包括这样的实施例，其中数据处理装置16配置为通过考虑由温度传感器22测量的温度，根据从加速度传感器14获得的数据导出描述密封组件的动态特性及其润滑的至少一个参数。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件的老化。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如何响应于在预定操作事件发生的冲击或脉冲而移动，例如每次当机器启动或提高速度时。
在本发明的一个实施例中，数据处理装置16配置为检查密封状况和与限定的冲击波输入的唇接触，例如通过在每个行程或其他限定的输入处燃烧发动机的点火。脉冲响应函数的测量可以用人为的脉冲进行。为此，脉冲发生器可以附接到密封唇10。通常，数据处理装置16可以配置为在包括密封组件的机器的常规操作中识别预定的操作事件，并且响应于操作事件来监测由传感器14获得的振动信号。
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上升。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(在相同的启动事件期间)的测量值的比较，即与理想或新的密封系统测量或预期的响应信号的比较，可以给出老化或磨损的指示。数据处理装置16配置为评估响应于针对新密封组件获得的信号的操作事件而由振动传感器14获得的振动信号的变化，以便确定指示密封组件劣化的参数，并且如果劣化超过阈值则发出警告信号。
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的润滑状况。本发明人已经发现，这种润滑状况可以通过信号幅度来检测。在很短的时间内缺少润滑导致微机械接触。这将在密封唇10中产生可用加速度计测量的高频信号。频率偏移(在一段时间间隔内测量)可能会给出润滑状况不良的指示。
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，然后由传感器14测量。这提供了关于密封唇10润滑且特别是关于磨损的信息。当唇不再接触时，该信号将会丢失，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，该编码传感器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若干个加速度计，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。该代码可以是例如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况。当摩擦上升时，温度升高，使得信号中存在更多的阻尼和较低的高频分量。
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状况进行比较。当在预定的时间间隔内测量此图时，在已知的应用状况下，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配置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，并计算实际的运行时间。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，可以记录启动状况。本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。这可被测量为趋势的突破。预载荷的损失使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，该加速度将立即传递到传感器14。
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，必须避免迷宫壁与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于该力产生加速。由于静密封壁用作制动器，可以用传感器14直接测量旋转壁上的减速。鉴于短时间，这与趋势是明显的突破。对于该实施例，加速度传感器14可被固定到密封唇10，密封唇10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，并且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的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，但金属质量相当僵硬。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，该模式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配置成附接到机器的第一部分并且与机器的第二部分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，其固定到密封唇10的可移动部分12。
图3是示出第一测量行程的密封件的径向方向上振动水平的示意图。由轴承支撑的轴的转速在载荷下以100rpm至600rpm的步长增加，然后返回到如图所示的空转模式。切向方向上的振动幅度随着转速的增加而增加。
图4a-4d是在测量行程的不同阶段根据图3的信号的频谱。图4a是具有广谱切向密封振动的100rpm的低速范围的典型频谱。图4b和4b是400rpm和600rpm的高速范围的典型频谱，其中与轴旋转有关的频率峰值清晰可辨。图4c是空转模式的典型频谱。
图5是从顶部到底部示出了另一测量行程的密封件的切向方向、径向方向和轴向方向上的振动水平的实际测量的曲线图。在径向振动中心的曲线图的包络线的阶梯状形状反映了轴的转速的逐步增加和随后的减小。测量结果显示出随着转速增加在切向方向上的振动水平的幅度的增加。
图3-5中所示的信号可用于通过对信号进行一次或两次积分来计算参数比如动态耗尽量。切向水平振动的振幅取决于密封唇在其滑动的接触表面上的摩擦。摩擦越高，切向振动的幅度越大。摩擦又取决于接触面积的大小和润滑。根据本发明，可以从如上参照图1所述的信号的DC部分确定接触面积的大小。因此，可以分离润滑对幅度的影响。

Claims (15)

1.一种密封组件，包括密封体(20)和弹性密封唇(10)，弹性密封唇缘(10)具有附接到密封体(20)的可移动部分(12)，其中，所述密封体(20)配置成附接到机器的第一部分，所述可移动部分(12)配置成与机器的第二部分(18)滑动接触，
其特征在于，
至少一个振动传感器(14)固定到密封唇(10)的可移动部分(12)。
2.根据权利要求1所述的密封组件，
其特征在于，
还包括用于处理从所述振动传感器(14)获得的数据并监测由传感器(14)获得的振动信号的数据处理装置(16)。
3.根据权利要求2所述的密封组件，
其特征在于，
所述数据处理装置(16)配置为在包括所述密封组件的机器的常规操作中识别预定的操作事件，并且响应于该操作事件来监测由传感器(14)获得的振动信号。
4.根据权利要求3所述的密封组件，
其特征在于，
所述预定的操作事件是机器速度的上升。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的密封组件，
其特征在于，
所述数据处理装置(16)配置为评估响应于针对新密封组件获得的信号的操作事件而由所述振动传感器(14)获得的振动信号的变化，以便确定指示所述密封组件劣化的参数，并且如果劣化超过阈值则发出警告信号。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的密封组件，
其特征在于，
所述数据处理装置(16)配置为提取所述振动传感器(14)的信号的高频部分，并且从信号的高频部分导出密封唇的弹性性能。
7.根据权利要求2至5中任一项所述的密封组件，
其特征在于，
所述数据处理装置(16)配置为基于由传感器获得的信号的高频分量来确定表示润滑质量的参数。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的密封组件，
其特征在于，
所述数据处理装置(16)配置为计算表示密封唇的老化的参数。
9.根据前述权利要求中任一项所述的密封组件，
其特征在于，
所述振动传感器(14)形成为三轴重力传感器(14)半导体芯片。
10.根据权利要求9所述的密封组件，
其特征在于，
所述数据处理装置(16)配置为从加速度传感器(14)的取向计算指示密封唇的磨损的参数。
11.根据前述权利要求中任一项所述的密封组件，
其特征在于，
还包括数据处理装置(16)和温度传感器(22)，其中，所述数据处理装置(16)配置为基于来自所述振动传感器(14)和来自所述温度传感器(2)的信号的组合来确定密封唇的劣化。
12.根据前述权利要求中任一项所述的密封组件，
其特征在于，
机器的第一部分和机器的第二部分(18)是轴承环。
13.一种轴承，包括根据前述权利要求中任一项所述的密封组件。
14.一种机器，包括根据权利要求(10)所述的密封。
15.一种用于监测密封组件的方法，所述密封组件包括密封体(20)和弹性密封唇(10)，所述密封唇具有附接到所述密封体(20)的可移动部分(12)，其中，所述密封体(20)配置成附接到机器的第一部分，并且所述可移动部分(12)配置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)的至少一个振动传感器(14)的信号。
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