CN110361174A - 状况监测 - Google Patents

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Abstract

通过判断贴附于保持架的导电材料是未损坏还是损坏来对保持架进行用于检测保持架毁坏的状况监测。本发明的基本原理在于，在保持架上集成包括导电材料的完全无源LC电路。LC电路被磁地激活，并且当导电材料未损坏或损坏时，能够在外部检测。无源LC电路的导电材料容易损坏或磨损，比保持架材料弱。保持架材料是诸如聚合物材料或其它适当的合成材料等的非金属。

Description

状况监测
技术领域
本发明关于诸如滚动轴承等转动设备的状况监测，更特别的是，涉及具有保持架的滚动轴承和保持架自身的状况监测。
背景技术
一般利用一个或多个传感器测量一个或多个物理参数，并且将这些物理参数转换成随后能够被处理以试图判断诸如轴、滚子轴承、滑动轴承和齿轮等的转动设备/机器整体和/或各个部件的状况的电信号，来进行设备/机器的状况监测。一个或多个物理参数通常包括温度。提供具有温度传感器的诸如滚珠轴承或滚子轴承等的轴承是已知的。为了监测轴承的状况，通过尽可能靠近滚珠/滚子与滚道的界面定位的温度传感器适当地检测该界面处生成的热。这使得轴承的传统金属保持架位于针对温度测量而言期望的位置。然而，出于诸如成本、重量和可靠性等的多个原因，存在朝向使用非金属保持架的转变。非金属保持架具有与金属保持架不同的破裂过程。可能导致严重磨损的摩擦问题不会像在金属轴承中那样在非金属轴承中导致总体保持架温度升高，从而难以使用温度传感器监测保持架的状况，进而也难以监测轴承的状况。高速列车的列车轴承单元或列车轴箱配备有聚酰胺保持架。有时使用配置在轨道侧方的热箱红外扫描器来监测这些列车轴承单元。这些红外扫描器检测轴承组件中的温度升高，以检测有缺陷的轴承。虽然已经证明聚酰胺保持架比在先使用的钢保持架安全，但是使用热箱红外扫描器将不能检测聚酰胺保持架的缺陷和/或毁坏。如果毁坏的保持架裂开，则可能会使整个轴承破裂，而这通过例如热箱红外扫描器检测不到任何温度升高。在航空航天和许多其它应用，特别是在高速轴承应用中，保持架破裂的检测也是有益的。
在将一个或多个传感器添加到轴承保持架方面，存在许多困难。正在旋转着的轴承保持架不容易访问，并且可用的空间非常小。特别是针对较小的轴承，难以或不可能将电池或生成器集成到轴承保持架中或集成到轴承保持架上。如果对于至少间接地监测非金属保持架的状况、完整性(integrity)而言，现场或远程地进行温度测量不是好的选择，那么什么才是？针对改进似乎存在空间。
发明内容
本发明的目的是限定以简化的可能性检测保持架毁坏的非金属保持架状况监测方法、装置和其保持架。
前述目的通过如下状况监测实现：通过判断贴附于保持架的导电材料是未损坏还是损坏来对保持架进行用于检测保持架毁坏的状况监测。本发明的基本原理在于，在保持架上集成包括导电材料的完全无源LC电路。LC电路被磁地激活(magneticallyactivated)，并且当导电材料未损坏或损坏时，能够在外部检测。无源LC电路的导电材料容易损坏或磨损，比保持架材料弱。保持架材料是诸如聚合物材料或其它适当的合成材料等的非金属。
前述目的还通过如下状况监测的方法实现：通过判断(/确定)(determining)轴承保持架是具有积极(positive)状态还是消极(negative)状态来监测保持架的状况。保持架具有保持架主体，保持架主体具有用于滚动元件的兜孔。根据本发明，方法还包括多个步骤。在第一步骤中，为保持架设置韦根线。在第二步骤中，进一步为保持架设置电气回路，电气回路包括脉冲线圈、电容器和导电迹线。在第三步骤中，通过使韦根线受到极性相反的两个磁场来磁化和触发韦根线，在脉冲线圈中产生电压脉冲。在第四步骤中，测量和判断是否存在由通过电气回路产生的LC谐振电路发出的电磁辐射的发射。在第五步骤中，判断电气回路是完好(/未损坏)(intact)还是断开(/损坏)(broken)。在第六步骤中，如果判断出电气回路完好，则提供保持架的积极状态，如果判断出回路断开，则提供保持架的消极状态。
优选的是，保持架主体由非金属材料制成。有利的是，方法还包括将导电迹线至少部分地埋设在保持架主体中和/或至少部分地埋设在保持架主体上的步骤。在方法的一些版本中，方法还包括将导电迹线至少部分地埋设在保持架的待受到磨损的表面下方的步骤，在方法的这些版本的一些版本中，步骤还包括将导电迹线至少部分地埋设在待受到磨损的表面下方的步骤还包括将导电迹线埋设到等于能够接受的磨损的临界深度(depthbordering on an acceptable wear)的深度。本发明在于，当磨损到达被认为是保持架的可接受磨损的限度时，导电迹线将损坏。
根据本发明的状况监测方法的不同额外增强能够以任意期望的方式组合，只要无相矛盾的特征被组合即可。
前述目的还通过被配置成能够进行轴承保持架的状况监测的轴承保持架实现。轴承保持架包括保持架主体，保持架主体具有用于轴承的滚动元件的多个兜孔。根据本发明，保持架还包括韦根线、脉冲线圈和电气回路。脉冲线圈被配置成当韦根线的磁场改变时生成电压脉冲。电气回路包括适当地串联连接的脉冲线圈、电容器和导电迹线。电气回路被配置成产生LC谐振电路，在LC谐振电路中，脉冲线圈和导电迹线产生提供电感L，电容器产生提供电容C。
适当的是，对于期望的谐振频率，电容是可改变/可调整的。有利的是，保持架主体由非金属材料制成。在保持架的一些实施方式中，导电迹线至少部分地埋设在保持架主体中。在其它实施方式中，导电迹线至少部分地埋设在保持架主体的待受到磨损的表面下方、埋设到等于能够接受的磨损水平的临界深度的深度。
根据本发明的保持架的不同额外增强能够以任意期望的方式组合，只要无相矛盾的特征被组合即可。
前述目的还通过如下状况监测装置实现：该状况监测装置被配置成通过判断轴承保持架是具有积极状态还是消极状态来监测保持架的状况。装置包括根据上述任一实施方式的轴承保持架。根据本发明，装置还包括处理单元、接收线圈和至少两个永磁体。接收线圈连接到处理单元。当使用时，接收线圈配置在保持架附近，适当地配置在轴承的保持架的密封件上或埋设在该密封件中。两个永磁体被配置成当使用装置，并且保持架旋转时，韦根线交替地受到负磁场和正磁场。适当的是，磁体附装于或埋设在轴承的安装有保持架密封件中。只要处理单元判断出当保持架正在旋转时，接收线圈捕获到由LC谐振电路发出的电磁辐射，处理单元就判断出保持架具有积极状态。只要电气回路未损坏，从而指示保持架未失去完整性，LC谐振电路将工作。只要处理单元判断出当保持架正在旋转时，接收线圈未捕获到由LC谐振电路发出的电磁辐射，处理单元就判断出保持架具有消极状态。这指示出电气回路损坏了，也就是导电迹线并非未损坏，这指示出保持架损坏或不能再用。
根据本发明的状况监测装置的不同额外增强能够以任意期望的方式组合，只要无相矛盾的特征被组合即可。
通过详细描述，本发明的其它优点将变得明显。
附图说明
现在将参照以下附图，出于解释性而非限制性的目的更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了本发明的示意图；
图2示出了根据本发明的一个实施方式的保持架。
附图标记说明
在示出了本发明的示意图的图1中：
100 根据本发明的保持架的示意性配线
110 保持架监测配线
112 韦根线
114 围绕韦根线的电感线圈
116 LC电路的电容器
120 安装于密封件、外圈、内圈或其它部件的接收/接受线圈
122 用于通过接收线圈接收到的任意信号的处理单元
124 保持架的状况监测状态的通信部
130 生成第一磁场的第一磁体
132 生成极性与第一磁场相反的第二磁场的第二磁体
140 用于检查韦根线的压力和功能的可选线圈
142 用于从可选线圈接收到的信号的可选处理单元，其可以是处理单元的一部分
在示出了根据本发明的一个实施方式的保持架的图2中：
200 根据本发明的一个实施方式的保持架
211 围绕一个或多个、适当的是所有兜孔的第一监测线/导体/导电迹线
212 围绕保持架的一个边缘的第二监测线/导体/导电迹线
217 第一监测线的韦根线、线圈和电容器
218 第二监测线的韦根线、线圈和电容器
250 用于滚动轴承的滚子的保持架兜孔
具体实施方式
为了使根据本发明的方法和装置清楚，现在将结合图1至图2描述其应用的一些示例。
图1示出了本发明的示意图。其包括：韦根线(Wiegand wire)112，其由电感线圈114适当地围绕或至少靠近电感线圈114；电容器116，其是LC谐振电路中的C；以及监测配线/导电迹线110，其位于待监测的保持架上。在大多数应用中，与导电迹线110一起环绕保持架的电感线圈114对于LC电路中的电感L而言是足够的。对于彼此靠近的轴承而言，不同的保持架具有不同的谐振频率是适当的，以便能够识别哪个是哪个。电容器116的电容可以是变化的，LC电路中的C或LC电路中的L可以是变化的。
大致在保持架附近，而非在保持架上，存在：至少两个磁体130、132，其用于韦根线的激活；接收线圈120，其用于检测LC电路活性；处理单元122，其用于判断保持架的状态；以及通信部124，其用于指示保持架的状态。至少两个永磁体130、132可以适当地安装在轴承的安装有保持架的密封件内或该密封件上。在一些实施方式中，接收线圈120也是这样，并且适当的是，处理单元122的至少一部分也是这样。如果使用永磁体，则对于各完整的触发点而言均需要两个，并且可以存在较多触发点。另外，在至少两个永磁体130、132的附近，布置有可选线圈140，并且可选处理单元142可以判断韦根线112的存在并可能对处理单元122提供参考。每当通过永磁体130、132触发韦根线112时，韦根线均产生能够由可选线圈140捕获的磁场脉冲。
根据本发明，使用韦根效应来产生电压脉冲，由此能够使LC电路谐振。存在两种模式的韦根效应的磁激励，即对称切换和非对称切换。在对称切换中，使用等强度的交变正负磁场来磁化和触发韦根线。在非对称切换中，通过非等强度的极性相反的磁场磁化和触发韦根线。适当的是，使用对称切换。例如，磁体可以是永磁体或者一个或多个电磁体。如果使用电磁体，则可以存在两个电磁体，每个极性一个电磁体，或者可以存在具有变化极性(脉冲的或连续)的仅一个电磁体。对于根据本发明的大多数实施方式而言，使用永磁体是有利的。使用永磁体，两个磁体130、132必须附装于当轴承正在旋转时能够相对于保持架相对移动的部件，诸如密封件(如果可用/存在的话)等，使得韦根线112先经过磁体中的第一磁体，然后经过另一磁体。每当韦根线112经过两个磁体130、132时，将通过韦根线112产生两个磁场脉冲，进而在布置于韦根线112周围或附近的电感线圈114中产生两个电压脉冲。
只要完整的电路114、110、116未损坏，电压脉冲将使LC电路谐振。如果电路因导电迹线的磨损而损坏，则LC电路将不谐振。于是，通过接收线圈120和处理单元122能够检测谐振着的LC电路的有无。如果检测到LC电路未对接收线圈124发出任何磁场，则处理单元122将通过通信部124对此进行指示。通信部124可以通过用于指示肯定状态或否定状态的绿/红光来指示保持架的状态，和/或通信部124可以通过有线或无线通信将此通信给用于进一步处理的其它状况监测设备。
图2示出了根据本发明的一个实施方式的保持架200。所示的保持架200是用于滚动轴承的保持架，并且具有用于滚子的兜孔(/腔格)(pocket)250。保持架在其径向指向的表面包括第一导电迹线211，第一导电迹线211绕着兜孔250的三条边行进。保持架在其轴向指向的侧面还包括第二导电迹线212。在本实施方式中，两个导电迹线211、212形成两个分离的回路，因此分别具有各自的韦根线、线圈和电容器217、218。其优点在于，能够较接近地判断故障所在的位置，由此能够较精确地判断必须装配更换保持架有多紧急。回路的数量还取决于保持架的尺寸、待监测的关键部位的几何定位以及成本(因为回路越多，将需要额外的组件)。一个或多个导电迹线211、212的宽度应当优选不是宽而是窄的且适当地长，并且应当通过来回缠绕而覆盖保持架的尽可能多的表面。如果迹线是宽的，则迹线将较难以损坏，并且与使用将因失去保持架完整性和/或磨损而较容易损坏的薄/窄迹线相比，当警告来到时保持架已经毁坏得相当多。
导电迹线211、212适当地直接附装于保持架200的材料，并且被设计成具有等于或小于保持架材料的断裂点(breaking point)的断裂点。保持架材料可以是聚酰胺、聚合物材料或其它适当的合成材料。在本文中，断裂点特别是指材料破断时的伸长率。选择保持架材料和导电迹线，使得当保持架材料如此时，导电迹线也是那样(/使得当保持架材料破裂时，导电迹线也破裂)。特别的是，这可以通过使用薄的导电层作为导电迹线而实现。同时，导电迹线对保持架的表面的附接将足够地强，以确保当应变变得过大时，导电层破裂而非剥离。特别的是在如下实施方式中，能够实现保持架和导电迹线层的抗裂强度之间的该具体关系：将导电迹线印刷在保持架材料上，或者将导电迹线形成为保持架材料上的镀层。如所示的，导电迹线的设计是这样的：保持架的任意相关部分处的破裂完全地中断裂开点处的导电迹线连接，使得导电迹线回路开放。导电迹线在任意位置处的破裂均致使无源LC谐振线路(passive LC resonant circuit)失去其谐振的能力。这能够被容易且可靠地检测，以便检测到保持架故障已经发生。
可以将导电迹线布置在保持架主体的表面上的适当部位(平坦部或槽)，和/或埋设在保持架材料中。仅在表面，至少部分地在表面，至少部分地埋设和仅埋设。可以通过非常薄且脆的金属片，或者通过将形成导电迹线的导电层印刷(printing)、电镀(plating)、喷涂(painting)或涂覆(coating)到保持架的第一部分的表面，来添加导电迹线的位于表面的部分。导电迹线的构建还可以包括蚀刻。可以添加保护涂层，如果期望/需要的话。当将导电迹线埋设在保持架材料中时，通过包覆成型非常薄且脆的金属片，或者通过将形成导电迹线的导电层印刷、喷涂、电镀或涂覆到保持架的第一部分的表面，然后在第二成型步骤中将其包覆成型。导电迹线的构建还可以包括蚀刻。
有利的是，将导电迹线埋设到浅的深度，该深度代表保持架磨损的可接受的量。将导电迹线适当地埋设在保持架的如下磨损面：在操作使用时，该磨损面与包括该保持架的轴承的另一表面移动接触。因而，能够检测因磨损而导致的保持架故障。
本发明不限于上述实施方式，而是可以在以上权利要求书的范围内改变。

Claims (10)

1.一种状况监测的方法，通过判断轴承保持架是具有积极状态还是消极状态来监测所述保持架的状况，所述保持架具有保持架主体，所述保持架主体具有用于滚动元件的兜孔，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
-为所述保持架设置韦根线，
-进一步为所述保持架设置电气回路，所述电气回路包括脉冲线圈、电容器和导电迹线，
-通过使所述韦根线受到极性相反的两个磁场来磁化和触发所述韦根线，在所述脉冲线圈中产生电压脉冲，
-测量和判断是否存在由通过所述电气回路产生的LC谐振电路发出的电磁辐射的发射，
-判断所述电气回路是完好还是断开，
-如果判断出所述电气回路完好，则提供所述保持架的积极状态，如果判断出所述回路断开，则提供所述保持架的消极状态。
2.根据权利要求1所述的状况监测的方法，其特征在于，所述保持架主体由非金属材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的状况监测的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述导电迹线至少部分地埋设在所述保持架主体中和/或至少部分地埋设在所述保持架主体上的步骤。
4.根据前述权利要求中任一项所述的状况监测的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述导电迹线至少部分地埋设在待受到磨损的表面下方的步骤。
5.根据权利要求4所述的状况监测的方法，其特征在于，将所述导电迹线至少部分地埋设在待受到磨损的表面下方的步骤还包括将所述导电迹线埋设到等于能够接受的磨损的临界深度的深度。
6.一种轴承保持架，其被配置成能够进行所述轴承保持架的状况监测，所述轴承保持架包括保持架主体，所述保持架主体具有用于轴承的滚动元件的多个兜孔，其特征在于，所述保持架还包括：
-韦根线，
-脉冲线圈，其被配置成使得当所述韦根线的磁场改变时产生电压脉冲，
-电气回路，其包括所述脉冲线圈、电容器和导电迹线，所述电气回路被配置成产生LC谐振电路，在所述LC谐振电路中，所述脉冲线圈和所述导电迹线产生提供电感L，所述电容器产生提供电容C。
7.根据权利要求6所述的轴承保持架，其特征在于，所述保持架主体由非金属材料制成。
8.根据权利要求6或7所述的轴承保持架，其特征在于，所述导电迹线至少部分地埋设在所述保持架主体中和/或所述导电迹线至少部分地载置在所述保持架主体上。
9.根据权利要求8所述的轴承保持架，其特征在于，所述导电迹线至少部分地埋设在所述保持架的待受到磨损的表面下方、埋设到等于能够接受的磨损水平的临界深度的深度。
10.一种状况监测装置，其被配置成通过判断轴承保持架是具有积极状态还是消极状态来监测所述保持架的状况，所述装置包括根据权利要求6至9中任一项所述的轴承保持架，其特征在于，所述装置还包括：
-处理单元，
-接收线圈，其连接到所述处理单元，当使用时，所述接收线圈配置在所述保持架附近，
-两个永磁体，其被配置成使得当使用所述装置并且所述保持架旋转时，所述韦根线交替地受到负磁场和正磁场，
其中，只要所述处理单元判断出当所述保持架正在旋转时，所述接收线圈捕获到由所述LC谐振电路发出的电磁辐射，所述处理单元就判断出所述保持架具有积极状态，并且只要所述处理单元判断出当所述保持架正在旋转时，所述接收线圈未捕获到由所述LC谐振电路发出的电磁辐射，所述处理单元就判断出所述保持架具有消极状态。
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