CN107843369A - 轴承实时动态载荷的监测方法及装置、轴承寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

一种轴承实时动态载荷的监测方法及装置、轴承寿命评估方法，其中监测方法包括：确定所述轴承的传递函数，所述传递函数为反映所述轴承所受的载荷与响应信号之间关系的函数，所述响应信号反映所述轴承受到载荷时的运动情况；在运行工况下，实时获取所述轴承的响应信号；根据所述传递函数以及所述响应信号，获得所述轴承的实时动态载荷。相比于现有技术，本方案受安装条件的限制小，且得到的载荷更加准确、真实。

Description

轴承实时动态载荷的监测方法及装置、轴承寿命评估方法

技术领域

本发明涉及轴承领域，具体涉及一种轴承实时动态载荷的监测方法及装置、轴承寿命评估方法。

背景技术

轴承的寿命对其所在服役系统的健康运行起着决定性作用。一旦轴承发生疲劳失效，则轴承的寿命宣告终止。

在标准工况下，对于滚动轴承来说，轴承的疲劳失效产生的原因是轴承因为受到载荷的作用，而形成于滚动体和滚道之间的循环接触应力。其中循环接触应力是随时间呈周期性的变化的接触应力。一旦轴承的载荷特性确定，轴承内部的循环接触应力则随之确定。因此，跟轴承寿命直接相关的因素是轴承所受的载荷。

现有技术用于监测轴承所受载荷的方法为：在轴承内圈或外圈表面粘贴应变片，通过应变片直接测量得到轴承所受的载荷。但是，在一些工况下，受到安装空间的限制，应变片无法安装，导致该方法的通用性不足。

因此，亟需提出一种通用性较好的轴承载荷的监测方法。

发明内容

本发明提出一种改进的轴承动态载荷的监测方法，具有较好的通用性。

为解决上述问题，本发明提供一种实时轴承动态载荷的监测方法，包括：确定所述轴承的传递函数，所述传递函数为反映所述轴承所受的载荷与响应信号之间关系的函数，所述响应信号反映所述轴承受到载荷时的运动情况；在运行工况下，实时获取所述轴承的响应信号；根据所述传递函数以及所述响应信号，获得所述轴承的实时动态载荷。

可选的，所述确定轴承的传递函数包括：获取所述轴承在不同的设定激励下的响应信号；根据不同的所述设定激励以及该不同的设定激励分别对应的响应信号，获得所述传递函数。

可选的，在获取所述轴承在不同的设定激励下的响应信号之前，还包括：向所述轴承施加不同的设定激励。

可选的，在获取所述轴承在不同的设定激励下的响应信号之前，还包括：对所述响应信号进行检测。

可选的，所述响应信号包括振动加速度、速度、位移中的一个或多个。

本发明还提供一种轴承实时动态载荷的监测装置，包括：函数确定单元，用于确定所述轴承的传递函数，所述传递函数为反映所述轴承所受的载荷与响应信号之间关系的函数，所述响应信号反映所述轴承受到载荷时的运动情况；响应获取单元，用于在运行工况下，实时获取所述轴承的响应信号；计算单元，用于根据所述函数确定单元确定的所述传递函数，以及所述响应获取单元获取的所述响应信号，计算获得所述轴承的实时动态载荷。

可选的，所述函数确定单元包括：响应获取模块，用于获取所述轴承在不同的设定激励下的响应信号；函数模块，用于根据所述不同的设定激励以及该不同的设定激励分别对应的响应信号，获得所述传递函数。

可选的，还包括激励单元，用于在获取所述轴承在不同的设定激励下的响应信号之前，向所述轴承施加设定激励。

可选的，还包括检测单元，用于在获取所述轴承在不同的设定激励下的响应信号之前，对所述响应信号进行检测。

可选的，所述响应信号包括振动加速度、速度、位移中的一个或多个。

本发明还提供一种轴承寿命评估方法，包括：利用上述任一项所述的监测方法获得所述轴承的实时动态载荷；根据所述实时动态载荷，以及所述轴承的静载荷，得到所述轴承的实时载荷，所述静载荷为所述轴承在未受到激励时所受的载荷；根据所述实时载荷以及轴承寿命的通用公式，获得所述轴承寿命。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

首先确定轴承所受载荷关于响应信号的传递函数，然后在轴承运行时，实时获取响应信号，然后根据响应信号和传递函数来获得轴承的实时动态载荷，然后根据该实时动态载荷来获得轴承的实时载荷。一方面，该方法中，响应信号可以通过安装于响应部位的检测元件测得，而用于响应部位可以设置在容易安装检测元件的部位，安装灵活性较大，具有较好的通用性；另一方面，该方法中，轴承运行时，响应信号来源于轴承的真实工况，能够保证计算得到的实时载荷的准确性、真实性。

附图说明

图1是本发明实施例的监测方法的原理图；

图2是本发明实施例的监测方法中确定传递函数的流程图；

图3示出了利用本发明实施例的监测方法获取轴承实时载荷的流程图；

图4是本发明实施例的监测装置的原理图；

图5示出了本发明实施例的监测装置安装在轴承服役系统上的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本实施例提供一种轴承实时动态载荷的监测方法，用以监测轴承服役系统中轴承的实时载荷。

参照图1所示，该监测方法包括以下步骤：

T10：确定轴承的传递函数，传递函数为反映轴承所受的载荷与响应信号之间关系的函数，响应信号反映轴承受到载荷时的运动情况；

T20：在运行工况下，实时获取轴承的响应信号；

T30：根据传递函数以及在步骤T20中实时得到的响应信号，获得轴承的实时动态载荷。

其中，响应信号可以是振动加速度、速度、位移等，能够反映轴承的运动情况。响应信号可以在轴承服役系统的响应部位测得，响应部位可以根据轴承服役系统的安装条件来选取，一般选取在轴承服役系统中容易安装检测元件的部位。检测元件可以包括振动加速度传感器、速度传感器、位移传感器等能够检测轴承的运动情况的元件。

本方案的优点在于，一方面，响应信号可以通过安装于响应部位的检测元件测得，而用于响应部位可以设置在容易安装检测元件的部位；另一方面，由于响应信号来源于轴承运行时的真实工况，能够保证计算得到的实时动态载荷的准确性、真实性，从而保证获得的实时载荷的准确性和真实性。

下面对步骤T10～T30中的每个步骤进行详细说明。

(1)步骤T10：确定轴承的传递函数。

在步骤T10中，确定轴承的传递函数时，采用实测的方式。具体地，确定传递函数的步骤包括：

T11：获取轴承在不同的设定激励下的响应信号；

T12：根据步骤T11中不同的设定激励以及该不同的设定激励分别对应的响应信号，获得传递函数。

在步骤T11中，轴承因受到不同的设定激励的作用而发生运动时，所受的激励为输入量，响应信号为输出量。那么，轴承所受的设定激励对应的函数为输入函数Y(s)，响应信号对应的函数为输出函数U(s)，则激励与响应信号之间的函数关系可以表达为：G(s)＝Y(s)/U(s)，即输入函数的拉普拉斯变换和输出函数的拉普拉斯变换的商。由此，所述传递函数可以表达为Y(s)＝G(s)*U(s)。

在步骤T11～T12中，各个不同的设定激励是监测者预先设定好的，在每个时刻设定激励的大小都是预先设定的。也就是说，设定激励是可以根据需要给定的。当设定激励为动态激励时，作用至轴承的载荷相应为动态载荷。

其中设定激励可以通过现有的激励源来施加，激励类型不限，只要能产生施加至轴承的作用力、驱动轴承产生振动即可。本实施例中，设定激励可以通过激振器来施加。具体地，将激振器连接至轴承，以驱动轴承产生振动。

那么相应地，在步骤T11“实时获取轴承在设定激励下的响应信号”之前，还包括：向轴承施加不同的设定激励的步骤，以驱动轴承振动。

不同的设定激励下轴承受到的动态载荷的大小可以通过位于激振器和轴承服役系统之间的载荷传感器(例如力传感器)来测得。

其中，响应信号可以通过安装在响应部位的振动加速度传感器、速度传感器、位移传感器等检测元件直接测得。那么相应地，在获取轴承在不同的设定激励下的响应信号之前，还可以包括：对响应信号进行检测的步骤。

应当理解，各个设定激励与各个响应信号是一一对应的。

为了更便于理解，请参照图2，图2示出了采用实测方式确定传递函数的流程图。其中，根据一一对应的设定激励和动态载荷，得到传递函数。

(2)步骤T20：在运行工况下，实时获取所述轴承的响应信号。

在该步骤中，响应信号也可以通过安装在响应部位的振动加速度传感器、速度传感器、位移传感器等检测元件直接测得。

相应地，在步骤T20之前，也可以包括：对响应信号进行检测的步骤。

(3)步骤T30：根据传递函数以及步骤T20中实时得到的响应信号，获得轴承的实时动态载荷。

在该步骤中，在实际工况下，将实时得到的响应信号代入传递函数，就可以求得与实时响应信号对应的实时动态载荷。

应当理解，在步骤T10中，在各个不同的设定激励下，轴承受到的载荷为由激励源施加的载荷，并不包括轴承服役系统中轴承受到的静载荷。因此，根据传递函数计算得到的载荷为轴承在实际工况中受到的实时动态载荷(即驱动轴承发生振动的载荷)，不包括静载荷。因此，在轴承服役系统中，获得轴承的实时载荷时，还需要加上轴承的静载荷。也就是说，实时载荷包括：通过传递函数得到的实时动态载荷，以及静载荷。其中静载荷为：轴承在未受到激励时所受的载荷。

为了更便于理解，请参照图3，图3示出了利用本实施例的方法来获得轴承实时载荷的流程图。

从图3的流程图中可以看出，在轴承运行过程中，在确定实时载荷时，先获得轴承服役系统的实时响应信号，然后将实时响应信号代入传递函数，获得实时动态载荷，同时获得静载荷；最后，对实时动态载荷、静载荷求和，获得实时载荷。

本实施例还提供一种轴承实时动态载荷的监测装置，参照图4所示，该监测装置包括：

函数确定单元10，用于确定轴承的传递函数，传递函数为反映轴承所受的载荷与响应信号之间关系的函数，响应信号反映轴承受到载荷时的运动情况；

响应获取单元20，用于在运行工况下，实时获取轴承的响应信号；

计算单元30，用于根据函数确定单元10确定的传递函数，以及响应获取单元20获取的响应信号，计算获得轴承的实时动态载荷。

其中，计算单元30得到的实时动态载荷为根据实时获取的响应信号和传递函数得到的载荷，不包括轴承的静载荷。

其中，在确定传递函数时，函数确定单元10包括：

响应获取模块11，用于获取轴承在不同的设定激励下的响应信号；

函数模块12，用于根据不同的设定激励以及该不同的设定激励分别对应的响应信号，获得传递函数。

为了向轴承服役系统施加激励，本实施例的监测装置还可以包括激励单元M，用于在实时获取轴承在设定激励下的响应信号之前，向轴承施加设定激励。

为了检测轴承服役系统在设定激励以及实际运行工况下的响应信号，本实施例的监测装置还可以包括检测单元S，用于在实时获取轴承在设定激励下的响应信号之前，对响应信号进行检测。

其中，响应信号包括振动加速度、速度、位移中的一个或多个。相应地，检测单元S可以包括振动加速度传感器、速度传感器、位移传感器中的一个或多个。

为了更便于理解，请参照图5，图5以应用于铁路的轴承服役系统1为例，示出了本实施例的监测装置的结构。图5中，轴承服役系统1中包括轴承2，标号100表示监测装置，用于监测轴承2的实时载荷。

其中，激励单元M作用于轴承服役系统1上，用于对轴承服役系统施加不同的设定激励。激励单元M和轴承服役系统1之间设有载荷传感器L，对设定激励进行检测。

检测单元S安装在响应部位，用于检测轴承的响应信号，包括在设定激励下的响应信号，以及在实际运行工况中的实时响应信号。处理器P包括函数确定单元10、响应获取单元20、计算单元30。

本实施例还提供一种轴承寿命评估方法，该评估方法可用于评估轴承的疲劳寿命，该方法包括：

利用上述监测方法获得轴承的实时动态载荷；

根据所述实时动态载荷，以及所述轴承的静载荷，得到所述轴承的实时载荷，所述静载荷为所述轴承在未受到激励时所受的载荷；

根据实时载荷以及轴承寿命的通用公式，获得轴承寿命。

通用公式为行业内通用的用于计算轴承寿命的公式。本实施例中，通用公式为《ISO 281滚动轴承.额定动载荷和额定寿命》制定的轴承寿命的通用公式，该通用公式为：

其中

其中，L_nm为轴承的疲劳寿命，a₁为基于可靠度的寿命修正系数，a_ISO为基于润滑、环境、污染物颗粒以及安装等因素的寿命修正系数，C_u为疲劳载荷极限，e_C为污染系数，κ为润滑剂的粘度比，P为上述监测方法得到的实时载荷，ε为根据轴承的滚动体的类型确定的指数。根据《ISO 281滚动轴承.额定动载荷和额定寿命》，当滚动体为滚珠时，ε＝3，当滚动体为滚柱时，

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种轴承实时动态载荷的监测方法，其特征在于，包括：

确定所述轴承的传递函数，所述传递函数为反映所述轴承所受的载荷与响应信号之间关系的函数，所述响应信号反映所述轴承受到载荷时的运动情况；

在运行工况下，实时获取所述轴承的响应信号；

根据所述传递函数以及所述响应信号，获得所述轴承的实时动态载荷。

2.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述确定轴承的传递函数包括：

获取所述轴承在不同的设定激励下的响应信号；

根据不同的所述设定激励以及该不同的设定激励分别对应的响应信号，获得所述传递函数。

3.如权利要求2所述的监测方法，其特征在于，在获取所述轴承在不同的设定激励下的响应信号之前，还包括：向所述轴承施加不同的设定激励。

4.如权利要求2所述的监测方法，其特征在于，在获取所述轴承在不同的设定激励下的响应信号之前，还包括：对所述响应信号进行检测。

5.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述响应信号包括振动加速度、速度、位移中的一个或多个。

6.一种轴承实时动态载荷的监测装置，其特征在于，包括：

函数确定单元，用于确定所述轴承的传递函数，所述传递函数为反映所述轴承所受的载荷与响应信号之间关系的函数，所述响应信号反映所述轴承受到载荷时的运动情况；

响应获取单元，用于在运行工况下，实时获取所述轴承的响应信号；

计算单元，用于根据所述函数确定单元确定的所述传递函数，以及所述响应获取单元获取的所述响应信号，计算获得所述轴承的实时动态载荷。

7.如权利要求6所述的监测装置，其特征在于，所述函数确定单元包括：

响应获取模块，用于获取所述轴承在不同的设定激励下的响应信号；

函数模块，用于根据所述不同的设定激励以及该不同的设定激励分别对应的响应信号，获得所述传递函数。

8.如权利要求7所述的监测装置，其特征在于，还包括激励单元，用于在获取所述轴承在不同的设定激励下的响应信号之前，向所述轴承施加设定激励。

9.如权利要求7所述的监测装置，其特征在于，还包括检测单元，用于在获取所述轴承在不同的设定激励下的响应信号之前，对所述响应信号进行检测。

10.如权利要求6所述的监测装置，其特征在于，所述响应信号包括振动加速度、速度、位移中的一个或多个。

11.一种轴承寿命评估方法，其特征在于，包括：

利用权利要求1-5中任一项所述的监测方法获得所述轴承的实时动态载荷；

根据所述实时动态载荷，以及所述轴承的静载荷，得到所述轴承的实时载荷，所述静载荷为所述轴承在未受到激励时所受的载荷；

根据所述实时载荷以及轴承寿命的通用公式，获得所述轴承寿命。