CN107676389B - 具有污染物传感器的轴承组件 - Google Patents

具有污染物传感器的轴承组件 Download PDF

Info

Publication number
CN107676389B
CN107676389B CN201710611386.3A CN201710611386A CN107676389B CN 107676389 B CN107676389 B CN 107676389B CN 201710611386 A CN201710611386 A CN 201710611386A CN 107676389 B CN107676389 B CN 107676389B
Authority
CN
China
Prior art keywords
electromagnetic
bearing assembly
measured
lubricant
grease
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710611386.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107676389A (zh
Inventor
郎德峰
玛丽亚·曼苏洛娃
弗洛林·塔塔尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SKF AB
Original Assignee
SKF AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SKF AB filed Critical SKF AB
Publication of CN107676389A publication Critical patent/CN107676389A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107676389B publication Critical patent/CN107676389B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/66Special parts or details in view of lubrication
    • F16C33/6603Special parts or details in view of lubrication with grease as lubricant
    • F16C33/6633Grease properties or compositions, e.g. rheological properties
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/66Special parts or details in view of lubrication
    • F16C33/6603Special parts or details in view of lubrication with grease as lubricant
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/66Special parts or details in view of lubrication
    • F16C33/6603Special parts or details in view of lubrication with grease as lubricant
    • F16C33/6622Details of supply and/or removal of the grease, e.g. purging grease
    • F16C33/6625Controlling or conditioning the grease supply
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/52Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/008Identification means, e.g. markings, RFID-tags; Data transfer means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C43/00Assembling bearings
    • F16C43/04Assembling rolling-contact bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16NLUBRICATING
    • F16N29/00Special means in lubricating arrangements or systems providing for the indication or detection of undesired conditions; Use of devices responsive to conditions in lubricating arrangements or systems
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/22Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings
    • F16C19/34Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load
    • F16C19/38Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing rollers essentially of the same size in one or more circular rows, e.g. needle bearings for both radial and axial load with two or more rows of rollers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2210/00Fluids
    • F16C2210/02Fluids defined by their properties
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2233/00Monitoring condition, e.g. temperature, load, vibration
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C23/00Bearings for exclusively rotary movement adjustable for aligning or positioning
    • F16C23/06Ball or roller bearings
    • F16C23/08Ball or roller bearings self-adjusting
    • F16C23/082Ball or roller bearings self-adjusting by means of at least one substantially spherical surface
    • F16C23/086Ball or roller bearings self-adjusting by means of at least one substantially spherical surface forming a track for rolling elements

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Rolling Contact Bearings (AREA)

Abstract

本发明涉及一种组件(100),包括轴承、润滑剂和用于确定润滑剂中污染物的水平的污染物传感器(150)。污染物传感器包括:电磁波发生器,其用于产生频率高于1GHz的电磁信号;和电磁感测元件,其被布置成与润滑剂接触。电磁感测元件接收所产生的电磁信号并发送信号特性响应于润滑剂的复相对介电常数的实部和虚部的输出信号。输出信号被电磁测量设备接收,电磁测量设备测量分别表示润滑剂的复相对介电常数的实部和虚部的输出信号的第一参数和第二参数。根据本发明,电磁测量设备被配置成仅基于测量的第一参数确定润滑剂中的水污染物的水平,并且基于测量的第一参数和第二参数两者确定油脂中的金属颗粒污染物的水平。

Description

具有污染物传感器的轴承组件
技术领域
本发明涉及一种轴承组件,其设置有用于检测润滑轴承的油脂润滑剂中的污染物的传感器。
背景技术
润滑对于确保轴承的正常运行来说必不可少。因此,在许多应用中,期望监测轴承内的润滑剂,使得如果例如润滑剂含有不可接受的水或颗粒污染物的水平,则可以启动再润滑动作。
在WO2006/075049中公开了一种用于确定润滑油脂中的金属污染物颗粒的设备。首先从例如轴承中取出油脂样本,以允许进行确定。该设备包括:具有芯(core)的传感器,被测量的油脂样本放置在芯上;和绕着芯缠绕的传感器线圈。该设备还包括:交流电源,其用于供给工作电压;和电感测量桥,其用于在含有污染物颗粒的润滑油脂的样本被施加在传感器上时确定传感器线圈的阻抗变化并用于输出差动(differential)输出信号。
该解决方案的缺点是必须从轴承中取出油脂的样本。在许多应用中,由于轴承的难以接近性(inaccessibility),这是不方便的或者可能是无法实现的。
由US8624191已知用于分析轴承的润滑剂的测量装置的另一示例。该装置包括发送器、接收器和采样区域,采样区域布置在发送器和接收器的前面。采样区域至少部分地布置在填充有润滑剂的轴承内部。采样区域、发送器和接收器被构造成具有漫反射几何形状,使得发送器利用例如红外光(IR light)照射采样区域,接收器接收来自采样区域的红外光的漫反射,然后该漫反射被用于测量润滑剂的劣化。
存在改进的余地。
发明内容
本发明涉及一种组件,包括轴承、油脂润滑剂和用于确定油脂中污染物的水平的污染物传感器。污染物传感器包括:电磁波发生器,其用于产生频率大于1GHz的电磁信号;和电磁感测元件,其被布置成与油脂接触。电磁感测元件接收所产生的电磁信号并发送(transmits)信号特性响应于油脂的复相对介电常数的实部和虚部的输出信号。输出信号被电磁测量设备接收,电磁测量设备测量分别表示油脂的复相对介电常数的实部和虚部的输出信号的第一参数和第二参数。根据本发明,电磁测量设备被配置成仅基于测量的第一参数确定润滑剂中的水污染物的水平,并且基于测量的第一参数和第二参数两者确定油脂中的金属颗粒污染物的水平。
在频域中,材料对自由空间的复相对介电常数ε*可以被表示为:
ε*=ε’-jε”,其中
ε’是复相对介电常数的实部,其将被称为实介电常数;
ε”是复相对介电常数的虚部,其将被称为虚介电常数;并且
j=√-1
实介电常数(permittivity)通常被称为介电常量(dielectric constant),并且表示当材料暴露于电场时所存储的能量。虚介电常数表示介电损耗因数并影响能量吸收和衰减。发明人已经发现,在高于1GHz的频率下,存在于油脂润滑剂中的水污染物的水平强烈地影响实介电常数,而金属颗粒的存在具有微不足道的影响。因而,可以通过以下来确定润滑剂中水污染物的水平:通过测量表示实介电常数的第一参数并将测量值与对相同润滑剂在未受污染状况下的参考样本测量的参考值进行比较,或者与存储的参考值的查找表或对具有已知浓度水的相同油脂的参考样本测量的校准曲线进行比较。
本发明人已进一步发现,在高于1GHz的频率,金属颗粒的存在对虚介电常数具有可检测的影响。因此,测量表示虚介电常数的第二参数。存在于润滑剂中的水的浓度影响实介电常数和虚介电常数两者。两种污染物的存在将引起测量的第二参数的值相对于对在未受污染的状况下的油脂的参考样本测量的参考值偏移。因此,一旦已由测量的第一参数导出水浓度,就可以提取出水浓度对虚介电常数的偏移的贡献,以分离出来自金属颗粒的贡献。
在一个实施方式中,所述电磁(EM)测量设备还被配置为计算测量的第二参数值的可归因于确定的水污染物的水平而导致的部分,并且从测量的值减去该部分以得到第二参数的调整值。然后可以通过以下来导出润滑剂中存在的金属颗粒的浓度:通过将调整值与对未受污染状况下的油脂润滑剂测量的参考值进行比较,或者与参考值的查找表进行比较,或者与对含有已知浓度的金属颗粒的相同润滑剂的参考样本测量的校准曲线进行比较。
作为一种选择,可以将测量的第二参数与参考值的查找表进行比较,或者与含有已知浓度的水和已知浓度的金属颗粒的参考样本的校准曲线进行比较。
在另一实施方式中,EM测量设备被配置为使用测量的第一参数值来计算润滑剂的实介电常数,并使用测量的第二参数值计算虚介电常数。然后将计算值与对跟上述相同的润滑剂的参考样本计算的参考值进行比较。
在优选的示例中,EM感测元件包括输入端口(端口1)和输出端口(端口2)。感测元件上的润滑剂的存在会影响两端口之间的输入-输出关系。具体地说,润滑剂的实介电常数ε’影响EM信号的传播速度,而虚介电常数ε”影响信号振幅。在一个实施方式中,EM测量设备被配置成测量从端口1传输到端口2的能量,通常被称为S21参数。作为一种选择或另外地,EM测量设备可以被配置成测量从端口2反射到端口1的能量,通常被称为S11参数。
表示实介电常数的测量的第一参数可以是S21参数和/或S11参数的相位角。在这两种情况下,信号振幅是表示虚介电常数的测量的第二参数。在EM测量设备被配置为测量多个散射参数(即S21和S11以及还可能是S12和S22)的相位角和振幅的实施方式中,各散射参数的测量值可以被用于计算润滑剂的实介电常数和虚介电常数。
在另一示例中,污染物传感器被配置为测量作为频率的函数的S21参数和/或S11参数的振幅。然后可以由输出信号确定参数的谐振频率,由此谐振频率的值表示覆盖感测元件的油脂的实介电常数,并且确定的谐振频率的振幅表示虚介电常数。
在一个实施方式中,双端口的感测元件包括传输线。接地的共面波导(waveguide)是合适的传输线的一个示例。
在另一个实施方式中,双端口感测元件包括谐振器,优选地配备有场集中器(field concentrator),例如环谐振器、蝴蝶结谐振器、开口环谐振器或互补的开口环谐振器。
优选地,EM传感器被配置成在1至100GHz之间的频率范围内工作。EM波发生器可以是能够在1-100GHz范围内产生多频EM信号的信号发生器,由此EM测量设备被适当地配备成接收和测量多频输出信号。作为一种选择,EM波发生器可以包括以特定频率或几个不同频率产生EM信号的基本振荡电路。有利的是,频率被选择成与感测元件的谐振频率一致,这是因为已发现这增强了测量值的分辨率(resolution)。然后EM测量设备被配置成在包括谐振频率的窄频带内接收和测量输出信号。例如,如果EM波发生器发送频率为10.5GHz的输入信号,则EM测量设备可被配置成在10-11GHz的范围内接收和测量输出信号。如将理解的,EM波发生器和EM测量设备可以形成单个设备的一部分。
EM感应元件被布置成与油脂润滑剂接触。感测元件可以安装于轴承的固定圈,通常是外圈,或者安装于轴承密封件的轴向内表面。如果轴承安装在密封的座内,则EM感测元件可以安装于座,使得在轴向上位于轴承与座密封件之间。轴承还可以形成通过循环油脂供给件来润滑的系统的一部分。那么EM感测元件可以布置在油脂供应管线中。
在一些实施方式中,EM感测元件具有开口的几何形状(open geometry)并且设置在EM传感器的开放表面(open surface)上。优选的是,EM传感器具有平面几何形状。EM感测元件可以印刷在PCB上。平面或开口的几何形状是有利的,使得油脂润滑剂可以容易地与EM感测元件接触。
适当地,EM测量设备还被配置为将确定的水和金属颗粒污染物的水平与这些量的允许阈值进行比较,并且如果确定的污染物水平中的至少一者超出允许阈值,则发送报警信号。在轴承连接到润滑泵的应用中,有利的是,报警信号被传送到泵,以触发新鲜润滑剂的供应。作为一种选择或另外地,信号可以被发送到状况监视系统,以警告维护技术人员执行手动再润滑和检查轴承组件的密封件的状况。
如此,可以保护轴承免受由利用处于不可接受状况的润滑剂操作而造成的损坏。本发明的其它优点将从以下具体实施方式和附图中变得明显。
附图说明
图1a示出了根据本发明的组件的示例,其包括密封的滚动轴承和用于测量润滑剂污染物的EM介电常数传感器;
图1b、图1c分别示出了图1a的EM介电常数传感器的一部分的平面图和截面图;
图2示出了可以用于测量污染物的EM介电常数传感器的另一示例的平面图;
图3a示出了对包括不同量的水污染物的油脂样本测量的作为频率的函数的信号振幅的图;
图3b示出了由图3a所示的测量结果得到的谐振频率对水浓度的绘图;
图4a示出了对包括不同量的铁颗粒的油脂样本测量的作为频率的函数的信号振幅的图;
图4b示出了由图4a所示的测量结果得到的谐振频率振幅对铁颗粒浓度的绘图;
图5示出了对包括不同量的铁颗粒和不同浓度的水的油脂样本测量的作为频率的函数的信号振幅的图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的轴承组件的示例的局部径向截面。轴承组件100包括滚动轴承,滚动轴承具有内圈110、外圈115和保持在轴承保持架120内的第一滚子列和第二滚子列。轴承相对于座(housing)130支撑轴125,并且用油脂(grease)(未示出)润滑。为了将油脂保持在座130内并防止污染物进入,轴承组件在各轴向端部处被第一内密封元件141A和第二内密封元件141B以及第一外密封元件142A和第二外密封元件142B密封。密封元件安装于对应的第一密封承载件145A和第二密封承载件145B,第一密封承载件145A和第二密封承载件145B安装于轴125以使得与轴125一起转动。密封装置还包括在轴承的任一轴向侧固定于座130的第一遮蔽板147A和第二遮蔽板147B。各遮蔽板朝向对应的密封承载件145A、145B径向延伸,并在轴向上布置在对应的内密封件与外密封件之间。此外,第一内密封元件141A和第二内密封元件141B具有抵靠在对应的第一遮蔽板147A和第二遮蔽板147B的轴向内表面上的接触唇,而第一外密封元件142A和第二外密封元件142B具有抵靠在对应的第一遮蔽板和第二遮蔽板的轴向外表面上的接触唇。
轴承组件100被设计成使得能够利用油脂经由润滑端口而使轴承被再润滑,该润滑端口延伸穿过轴承外圈115并且在轴向上布置在第一滚子列与第二滚子列之间。在再润滑作用期间,新鲜的油脂进入轴承容腔,并且用过的油脂被压出。为了使用过的油脂能够离开轴承组件100,第一遮蔽板147A和第二遮蔽板147B设置有开口148,例如管道可以被联接到开口148。
在许多应用中,再润滑一个或多个轴承组件的润滑系统是基于时间的系统,由此在由油脂寿命实验导出的规定(时间)间隔之后触发再润滑作用。在所示的应用中,再润滑轴承组件100的润滑系统采用主动润滑(至少部分地基于测量的油脂状况)。具体地,轴承组件设置有污染物传感器150,以用于测量存在于轴承组件内的油脂中的水污染物的水平(level)和金属颗粒污染物的水平。油脂内存在水会不利地影响其润滑能力,并可能在轴承内导致腐蚀。金属颗粒(metal particles)的存在可能引起轴承的滚动接触面的疲劳寿命显著降低。如果测量到任一类型的污染物的不可接受的水平,则报警信号被传递到润滑系统,以启动新鲜油脂的供给。
污染物传感器是对与传感器的感测元件接触的油脂的复相对介电常数(complexrelative permittivity)的变化敏感的电磁传感器(EM sensor),由此EM传感器以高于1GHz的频率工作。发明人已经发现,复相对介电常数的实部ε’能够与油脂内的水含量相关,而金属颗粒的存在对实介电常数的影响微不足道或者没有影响。因此,水含量可以由实介电常数ε’导出。本发明人还已经发现,复相对介电常数的虚部ε”受水含量和金属颗粒的量这两者的影响。由于水含量已经由实介电常数测量(值)得出,因此可以消去水含量对测量的虚介电常数的贡献。然后剩下的贡献被用于导出油脂内金属颗粒的含量。
在所示的示例中,EM传感器的感测元件是印刷在印刷电路板(PCB)上的平面环谐振器(planar ring resonator)153。图1b和图1c示出了PCB的一部分。平面的谐振器153印刷在PCB的基板151上,并耦合(coupled)到输入端口156和输出端口157。基板151的下侧包括用作接地平面的导电层155。该传感器还包括振荡电路,振荡电路为谐振器的输入端口156供给频率为10GHz的EM信号,在本示例中这接近环谐振器153的无载荷(unloaded)谐振频率。在其它示例中,传感器的规格被设计为(dimensioned)具有更高的谐振频率,并且输入频率可以为20GHz或更高。输出端口157连接到处理器(未示出),处理器接收来自谐振器153的输出信号。处理器可以设置在PCB上,或者,可以是布置在轴承装置外部的设备的一部分。
EM传感器150安装于座130,并且感测元件153设置在面对径向内侧的平坦表面(planar surface)上,该平坦表面在一个轴向侧略微延伸到轴承圈之间的容腔内。在轴承运行期间,离心力作用在存在于转动的内圈110上的油脂上,使油脂被朝向外圈抛出(flung)。因此,如在图1c中示意性示出的,一些油脂170将被抛出到传感器150的感测元件153上。油脂在环谐振器上的存在影响了输出信号,并且已经发现油脂的复相对介电常数ε*的变化也会影响输出信号的相位角和振幅。具体地,实介电常数ε’影响EM信号通过油脂传播的速度,在所示的示例中,该速度通过测量作为从输入端口156传输到输出端口157的能量的S21散射参数的相位角而被量化。S21参数的振幅被测量以量化虚介电常数ε”。
处理器被配置为将测量的相位角与存储的校准曲线进行比较,并基于确定的相位偏移(phase shift)来计算油脂中存在的水的量。测量的振幅(相对于对未受污染的油脂得到的参考值)的变化受水和金属颗粒两者存在的影响。适当地,处理器被配置为计算可归因于确定的水含量而导致的振幅变化的部分,并且减去该部分以得到调整的振幅。处理器还被配置为将该调整值与存储的校准曲线进行比较,以确定金属颗粒的含量。
优选地,处理器具有存储器,存储器存储有使用具有已知浓度的水的相同油脂的多个参考样本由实验得到的参考数据。测量相同的信号参数(在本示例中为S21参数的相位角和振幅),以能够得到水含量与实介电常数和虚介电常数两者之间的相互关系。参考数据还包括对含有已知浓度的金属颗粒的多个参考样本执行的振幅测量(值),使得能够得到与虚介电常数的相互关系。
如果检测到不可接受的水或金属颗粒的水平,则处理器被配置为发送报警信号。在所示的示例中,污染物传感器150连接到控制器160。该连接可以是经由第二遮蔽板147B中的开口148离开轴承组件100的有线连接。传感器还可以是无线传感器。当控制器接收到报警信号时,触发再润滑动作。适当地,警报还被发送到维护计划系统,以触发(trigger)对密封件和/或轴承组件的检查。
在另一实施方式中,根据本发明的用于轴承组件的污染物传感器包括如图2所示的互补的开口环谐振器(complementary split ring resonator),并且被配置为由测量的S21传输参数的谐振频率来确定水含量。
传感器250包括由诸如铜的导电材料制成的顶层252,其用作接地平面(groundplane)。顶层252设置在电绝缘PCB材料的基板251上。去除顶层252的材料,以产生开口环谐振结构253,在所示的示例中开口环谐振结构253包括两个同心布置的方形开口环(squaresplit rings),由此各方形环在方形环的相对方向侧具有间隙g。PCB基板251的下侧设置有例如由铜制成的微带传输线255,微带传输线255在图2中通过虚线示出。
传输线255的第一端表示输入端口256(端口1),第二端表示输出端口257(端口2)。输入端口256和接地平面连接到信号发生器258,信号发生器258以在期望频率范围内的多个频率供给输入EM信号。输出端口和接地平面连接到信号分析仪259,例如矢量网络分析仪。
选择谐振结构253的规格(dimensions)(g、w、c、d),以得到在期望频率范围内的传感器250的无载荷谐振频率。在所示的示例中,传感器的无载荷谐振频率为大约3.6GHz。
信号分析仪259被配置为测量从输入端口传输到输出端口的能量,即S21参数,作为频率的函数。通过在空气和基板材料251是仅有的与接地平面255接触的介电材料时测量S21参数来校准传感器。当油脂覆盖了谐振结构253时,S21参数的谐振频率和振幅将会变化。介电材料的复介电常数的实部ε’可以由S21参数的谐振频率计算,而虚部ε”可以由谐振频率的振幅计算。
通过在谐振结构253被覆盖有处于未受污染状况的新鲜油脂的样本时以及在被覆盖有仅含有已知量的水污染物和仅含有已知量的金属颗粒污染物的油脂样本时执行测量来进一步校准传感器250。
实施例1
通过分别将1%、2%和4%重量的水添加到未受污染的油脂来制备三个油脂样本。第四个样本由未受污染的油脂构成,即,0%的水。将相同体积的各油脂样本放置在如图2所示的EM传感器250的谐振结构253的顶部。对于各个样本,通过矢量网络分析仪259来测量作为频率的函数的传输能量的振幅(S21参数)。在谐振器253上没有样本存在的情况下进一步执行测量。结果被绘制在图3a的曲线图中。
线301表示在无样本情况下的测量(值)(measurement)。线302、303、304和305分别表示含有0%、1%、2%和4%水的油脂样本的测量值。各线的峰值最小振幅表示发生谐振的频率。如可以看到的,当将未受污染的油脂样本放置在谐振器253上时,测量的S21参数的谐振频率降低,并随着各随后样本中的水含量上升而继续降低。在图3a的曲线图中,谐振频率被相对于水含量绘制,并且观察到几乎线性的关系。因而这种关系可以被用于(适当地,在曲线拟合工具的帮助下)校准传感器。
参照图3a,还可以看到,谐振频率的振幅随水含量增大而降低。适当地,在曲线拟合工具的帮助下,还可以导出振幅与水含量之间的关系,并且该关系被用于进一步校准传感器。
实施例2
通过分别将0.5%、1%、2%和4%重量的铁颗粒添加到未受污染的油脂来制备另外四个油脂样本。还制备了由未受污染的油脂构成的第五个样本。对于各个样本,使用与实施例1所述相同的传感器执行相同的测量。测量结果被绘制在图4a的曲线图中。线401表示对于含有4%铁的样本作为频率的函数而测量的S21参数的振幅。线402表示对含有2%铁的样本的测量结果。含有1%、0.5%和0%铁的样本的结果在所示的图中彼此无法区分,但能够看出,存在不同量的铁对谐振频率没有影响。因此,测量的谐振频率的偏移可以被与水的存在直接相关联。
如可以从图4a进一步看到的,测量的传输参数S21的振幅受铁颗粒的存在的影响。在图4b的曲线图中,测量的各样本在S21谐振频率处的振幅被对于铁含量绘制出。再次,(适当地,在曲线拟合工具的帮助下)得到几乎线性的关系,该关系可以被用于进一步校准传感器。
如果将含有未知量的水和铁的油脂样本放置在谐振结构253上,这些量可以被以如下方式确定:首先,使用如图3a所示的确定的关系,由测量的谐振频率导出水含量。如果水含量大于0,则可以使用确定的水含量与谐振频率振幅之间的关系来估计(与导出的水含量相关联的)相对于对未受污染的油脂测量的振幅的振幅偏移。然后可以从实际已经对未知样本测量的振幅中减去该振幅偏移的量,以得到调整振幅。最后,然后可以使用如图4b所示的振幅与铁颗粒含量之间的关系,以由调整振幅导出铁污染物。
作为一种选择,可以基于对含有不同量的水和不同量的铁颗粒的参考样本测量的参考曲线来导出铁颗粒污染物的量。
实施例3
通过将金属和水污染物两者添加到未受污染的油脂来制备另外三个油脂样本。S1:2%的水和2%的铁颗粒;S2:1%的水和1%的铁颗粒;S3:1%的水和2%的铁颗粒。还制备了两个参考样本。S4:含有1%的水和0%的铁;S5:含有2%的水和0%的铁。对于各个样本,使用与实施例1所述相同的传感器执行相同的测量。测量结果绘制在图5的曲线图中。
再次,可以看出,铁颗粒的存在不影响谐振频率。水含量为2%的样本S1和S5展现出相同的谐振频率,水含量为1%的另一批样本S2、S3、S4也是如此。还可以看出,谐振频率的振幅不仅受铁含量的影响,而且还受水含量的影响。如上所述,在已经由测量的谐振频率确定水含量之后,可以由这些参考曲线导出铁含量。

Claims (12)

1.一种轴承组件(100),包括轴承、油脂润滑剂(170)和用于测量所述油脂润滑剂中的污染物的水平的污染物传感器(150、250),其特征在于,所述污染物传感器为电磁传感器,包括:
电磁波发生器(258),其被配置成产生频率高于1.0GHz的电磁信号;
电磁感测元件(153、253),其被布置成与所述油脂润滑剂接触并且被配置成接收所产生的信号并发送信号特性响应于所述油脂润滑剂的复相对介电常数的实部ε’和虚部ε”的输出信号;和
电磁测量设备(259),其被配置成接收所述输出信号并且:
测量分别表示所述油脂润滑剂的复相对介电常数的实部ε’和虚部ε”的输出信号的第一参数和第二参数;
仅基于测量的第一参数,导出所述油脂润滑剂中的水污染物的水平;并且
基于测量的第一参数和第二参数两者,导出所述油脂润滑剂中的金属颗粒污染物的水平。
2.根据权利要求1所述的轴承组件,其特征在于,所述电磁测量设备包括存储有参考数据的存储器,所述参考数据包括:
对含有已知浓度的水的润滑剂的参考样本测量的第一参数和第二参数的参考值;和
对含有已知浓度的金属颗粒的润滑剂的参考样本测量的第二参数的参考值。
3.根据权利要求2所述的轴承组件,其特征在于,所述电磁测量设备(259)被配置为计算测量的第二参数值的可归因于确定的水污染物的水平而导致的部分,并且从测量的值减去该部分以得到第二参数的调整值,由此由该调整值确定金属颗粒污染物的水平。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的轴承组件,其特征在于,所述电磁波发生器被配置成产生频率在1.0与100GHz之间的电磁信号。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的轴承组件,其特征在于,所述电磁感测元件(153、253)布置在所述电磁传感器的开放表面上。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的轴承组件,其特征在于,所述电磁感测元件包括输入端口(156、256)和输出端口(157、258)。
7.根据权利要求6所述的轴承组件,其特征在于,所述输出信号包括从所述输入端口传输到所述输出端口的能量,由此测量的第一参数和第二参数分别是传输的能量的相位角和振幅。
8.根据权利要求6所述的轴承组件,其特征在于,所述输出信号包括从所述输出端口反射到所述输入端口的能量,由此测量的第一参数和第二参数分别是反射的能量的相位角和振幅。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的轴承组件,其特征在于,所述电磁感测元件包括具有场集中装置的谐振器(153)。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的轴承组件,其特征在于,还包括用于将润滑剂保持在所述轴承组件内的环形密封件,其中所述电磁感测元件布置在所述密封件的轴向内表面上。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的轴承组件,其特征在于,所述污染物传感器(150、250)安装于所述轴承的外圈(115),或者安装于安装了所述轴承的外圈的座(130),使得电磁感测元件(153)面向径向内侧方向。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的轴承组件,其特征在于,所述电磁波发生器(258)被配置成产生频率等于或近似等于确定的所述传感器(150、250)的谐振频率的电磁信号。
CN201710611386.3A 2016-08-02 2017-07-25 具有污染物传感器的轴承组件 Active CN107676389B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB1613312.6A GB201613312D0 (en) 2016-08-02 2016-08-02 Bearing assembly with contamination sensor
GB1613312.6 2016-08-02

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107676389A CN107676389A (zh) 2018-02-09
CN107676389B true CN107676389B (zh) 2020-09-04

Family

ID=56936572

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710611386.3A Active CN107676389B (zh) 2016-08-02 2017-07-25 具有污染物传感器的轴承组件

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10378585B2 (zh)
CN (1) CN107676389B (zh)
DE (1) DE102017211604A1 (zh)
GB (1) GB201613312D0 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014204062A1 (de) * 2014-03-06 2015-09-10 Aktiebolaget Skf Schmiersystem für ein Lager sowie Lager mit einem Schmiersystem und Verfahren zum Schmieren eines Lagers
JP7278826B2 (ja) * 2019-03-26 2023-05-22 東芝テック株式会社 検出センサ、測定装置、及び試料調製装置
TWI782577B (zh) * 2021-06-11 2022-11-01 簡芊羽 決定油箱內金屬雜質含量的油箱內部電性信號量測裝置
CN114810841B (zh) * 2022-04-02 2023-06-27 陕西理工大学 一种智能水润滑轴承

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6286363B1 (en) * 1998-04-02 2001-09-11 Reliance Electric Technologies, Llc Integrated multi-element lubrication sensor and health lubricant assessment system
CN1554023A (zh) * 2001-08-09 2004-12-08 �����ѧ�͹�ҵ�о���֯ 用于检测流体中杂质的方法和设备
US7442291B1 (en) * 2002-04-09 2008-10-28 Rockwell Automation Technologies, Inc. Filter integration for a lubrication analysis system
CN103430001A (zh) * 2011-03-14 2013-12-04 Skf公司 带有传感器的密封系统
CN103558255A (zh) * 2013-09-06 2014-02-05 中国人民解放军第二炮兵工程大学 一种润滑油中污染物含量的快速测定方法
CN104246247A (zh) * 2012-04-19 2014-12-24 西门子公司 用于监测滑动轴承的工作状态的方法和测量装置
CN104380072A (zh) * 2012-04-24 2015-02-25 Skf公司 轴承组件的声发射测量
CN104728588A (zh) * 2007-09-06 2015-06-24 舍弗勒技术有限两合公司 分析轴承润滑剂的测量装置和方法
CN105571994A (zh) * 2015-12-11 2016-05-11 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 一种动力传动系统滑油金属屑参数检测方法
CN105606696A (zh) * 2015-12-17 2016-05-25 北京至感传感器技术研究院有限公司 油液品质参数检测方法、传感器及在线检测装置

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9103066D0 (en) 1991-02-13 1991-03-27 Marconi Gec Ltd Fluid monitoring apparatus
GB9515506D0 (en) 1995-07-28 1995-09-27 Collister Christopher J Fluid permittivity measurement apparatus and method
US5754055A (en) 1996-01-04 1998-05-19 Mission Research Corporation Lubricating fluid condition monitor
US6617861B1 (en) 2000-11-22 2003-09-09 National Research Development Corporation Apparatus and method for measuring and monitoring complexpermittivity of materials
DE10131106A1 (de) * 2001-06-27 2003-01-23 Krones Ag Gefäßbehandlungsvorrichtung mit Sensor zur Ermittlung der Schmierölqualität
JP2003172494A (ja) 2001-12-04 2003-06-20 Nsk Ltd 潤滑剤劣化検出装置およびこれを備えた転動装置
JP2003232345A (ja) 2002-02-08 2003-08-22 Nsk Ltd 軸受装置
JP2005121428A (ja) * 2003-10-15 2005-05-12 Alps Electric Co Ltd 液体濃度センサ
FI20050044A (fi) 2005-01-14 2006-07-15 Valtion Teknillinen Laite voitelurasvan metallisten epäpuhtaushiukkasten määrittämiseksi
CN102257382A (zh) * 2008-10-27 2011-11-23 斯马特频率有限公司 能够感测污染物的电容性电极及传感器系统以及其方法
CN101435788B (zh) * 2008-12-17 2012-05-02 中国人民解放军国防科学技术大学 基于介电常数测量的在线油液监测传感器及其系统
CN102062746A (zh) * 2010-11-09 2011-05-18 西南交通大学 一种基于电介质响应的油纸绝缘微水含量测量方法
US20120256640A1 (en) * 2011-04-07 2012-10-11 Boris Leonid Sheikman Apparatus and methods for use in determining the presence of materials entrained within a medium
DE102013203263A1 (de) * 2013-02-27 2014-08-28 Skf Lubrication Systems Germany Ag Vorrichtung zur Schmierstoffzufuhr zu einer Schmierstelle in einer Maschine
GB2526860A (en) * 2014-06-05 2015-12-09 Skf Ab Rolling bearing and sensor assembly including the same
CN104458521B (zh) * 2014-11-21 2017-04-26 西安交通大学 一种在线监测油液的装置及方法
CN105806760A (zh) * 2016-05-19 2016-07-27 北京至感传感器技术研究院有限公司 在线油液品质传感器

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6286363B1 (en) * 1998-04-02 2001-09-11 Reliance Electric Technologies, Llc Integrated multi-element lubrication sensor and health lubricant assessment system
CN1554023A (zh) * 2001-08-09 2004-12-08 �����ѧ�͹�ҵ�о���֯ 用于检测流体中杂质的方法和设备
US7442291B1 (en) * 2002-04-09 2008-10-28 Rockwell Automation Technologies, Inc. Filter integration for a lubrication analysis system
CN104728588A (zh) * 2007-09-06 2015-06-24 舍弗勒技术有限两合公司 分析轴承润滑剂的测量装置和方法
CN103430001A (zh) * 2011-03-14 2013-12-04 Skf公司 带有传感器的密封系统
CN104246247A (zh) * 2012-04-19 2014-12-24 西门子公司 用于监测滑动轴承的工作状态的方法和测量装置
CN104380072A (zh) * 2012-04-24 2015-02-25 Skf公司 轴承组件的声发射测量
CN103558255A (zh) * 2013-09-06 2014-02-05 中国人民解放军第二炮兵工程大学 一种润滑油中污染物含量的快速测定方法
CN105571994A (zh) * 2015-12-11 2016-05-11 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 一种动力传动系统滑油金属屑参数检测方法
CN105606696A (zh) * 2015-12-17 2016-05-25 北京至感传感器技术研究院有限公司 油液品质参数检测方法、传感器及在线检测装置

Also Published As

Publication number Publication date
US10378585B2 (en) 2019-08-13
GB201613312D0 (en) 2016-09-14
US20180038417A1 (en) 2018-02-08
CN107676389A (zh) 2018-02-09
DE102017211604A1 (de) 2018-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107676389B (zh) 具有污染物传感器的轴承组件
EP1530719B1 (en) Method for analysing a working fluid using impedance spectroscopy
US8854058B2 (en) Measurement method of degradation/alteration degree of lubricant oil and measurement device thereof
US8624191B2 (en) Measuring device and method for analyzing the lubricant of a bearing
RU2483221C2 (ru) Магнитная пробка с функцией предварительной сигнализации
JP2007192769A (ja) 潤滑剤劣化検出装置および検出装置付き軸受
EP0922216B1 (en) Single electrode conductivity technique
EP2952759A1 (en) Rolling bearing and sensor assembly including the same
US20180238851A1 (en) Method and system of condition monitoring
JP2013536939A (ja) 潤滑油の劣化状態を判定するための方法および装置
EP2932248B1 (en) Lubricating grease condition monitoring
US20050097952A1 (en) Conductive sensor for fluid level sensing
US9644684B2 (en) Capacitance measurement in a bearing housing
EP2932240B1 (en) Optical sensor for oil saturation
JP2003172494A (ja) 潤滑剤劣化検出装置およびこれを備えた転動装置
US20180356455A1 (en) Capacitance sensor
JP2019203799A (ja) 水中ポンプ及びその監視システム
JP2000235006A (ja) 含水率測定方法及びその装置
JP3959730B2 (ja) 転がり軸受
US20090020969A1 (en) Wheeled moving body and grounding condition monitoring apparatus for the same
Jiang et al. Monitoring insulator contamination level under dry condition with a microwave reflectometer
CN113490848A (zh) 用于确定液体内部物质的浓度的泵装置和方法
EP0984274A3 (en) Characterization of heterogeneous catalysts by electrical measurements
JP2008249525A (ja) 碍子型避雷器の吸湿検出方法、碍子型避雷器の吸湿劣化検出方法、および碍子型避雷器の吸湿検出装置
EP2932247B1 (en) Matrix sensor for lubricating grease condition monitoring

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant