CN110959108A - 用于确定机械构件状态的装置、测量设备的应用、用于确定机械构件状态的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种借助测量设备确定机械构件、尤其是驱动机构或轴承或变速器的状态的装置，其中，在使用构件时构件的至少一部分相对于另一构件运动，该测量设备能够确定电变量或电变量的变化。

Description

用于确定机械构件状态的装置、测量设备的应用、用于确定机 械构件状态的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定机械构件的状态的装置，其中在使用构件时构件的至少一部分相对于另一构件运动，本发明还涉及测量设备的应用，该测量设备能够确定电变量或电变量的变化。本发明还涉及一种用于确定机械构件的状态的系统和方法。

背景技术

在制造机械构件和运行机械构件时都关注关于机械构件状态的信息，这些机器构件尤其是如驱动机构或轴承，在使用这些构件时构件的至少一部分相对于另一构件运动。在制造机械构件时尤其需要确定，机械构件是否相应于在其设计和构造中确定的质量标准以及尤其是否包括在构造方面设置的具有期望形状的所有构件，构件是否为期望的质量(例如无裂纹并且无缩孔)以及机械构件的部分是否保持了在构件的设计和构造中确定的各构件彼此间的距离，尤其是确定的公差。此外，在制造新的机械构件时需要关注，机械构件是否具有在其设计和构造时确定的润滑、尤其是在应有润滑的部位处以及使用的润滑剂的质量，以及所设置的润滑剂的量。

在机械构件运行时尤其需要确定，机械构件是否仍然相应于在其设计和构造时确定的质量标准或在设计和构造时考虑的老化过程出现的程度是否如计划一样以及尤其是在构造时设置的所有构件是否还存在，这些构件是否还具有期望的或相应于预期老化过程的形状，这些构件是否还处于期望的质量(例如无裂纹并且无缩孔)以及机械构件的部分是否维持在构件的设计和构造中确定的各构件彼此的状态，尤其是确定的公差中，在机械构件中在使用构件时构件的至少一部分相对于另一构件运动。此外，在机械构件运行时关注，机械构件是否具有在其设计和构造时确定的润滑、尤其是在应有润滑的部位处以及使用润滑剂的质量，以及需要提供润滑剂的量。

在现有技术中已知，借助机械测量方法可得到机械构件的状态，在该机械构件中在使用构件时构件的至少一部分相对于另一构件运动。因此，通常借助相应的测量方法、但是首先是游标卡尺检查彼此尺寸和间距。关于润滑通常设置成，提取样品并且对样品检查润滑剂的质量、尤其是可能的老化。此外，在机械构件运行时已知以维护计划来工作，维护计划通常基于运行小时或例如行驶的公里数(在机动车辆的情况下)。

发明内容

在此基础上，本发明的目的是提出尤其可简单实施的用于确定机械构件的状态的装置以及系统和方法，其中在使用构件时构件的至少一部分相对于另一构件运动。

该目的通过根据权利要求1的装置、根据权利要求6的应用、根据权利要求7的系统和根据权利要求9的方法实现。有利的实施方式在从属权利要求以及下面的描述中给出。

本发明所基于的基本思想是，不是借助机械的测量方法得出机械构件的状态，而是通过确定电变量或通过确定电变量的变化来得出机械构件的状态，对于机械构件，在使用构件时构件的至少一部分相对于另一构件运动。本发明已经认识到，在机械构件上确定的电变量可提供关于机械构件的状态的结论。可以简单的方式测量多个电变量，从而借助本发明的基本思想可以提供确定机械构件状态的简单方式。

根据本发明已经认识到，电变量的绝对值就可给出关于机械构件的状态的结论，例如测量的单位为欧姆的电阻值或测量的单位为法拉的电容。但是根据本发明也认识到，对电变量在一时间段上变化的观察能得出关于机械构件的状态的结论，例如以单位欧姆测量的电阻在观察时间段中的变化或以单位法拉测量的电容在观察时间段中的变化。

对变化率的观察也可提供关于机械构件的状态的结论，即，关于例如阻抗在第一观察时间段中以第一比率变化而在第二观察时间段中以第二比率变化的认识。

也可观察在构件上引入的电压或电流信号，因为可测量的电信号的传输性能取决于可运动的构件的状态。也可附加地或替代地涉及寄生的电压或电流信号，从而无需从外部引入电压或电流信号。无需设置特殊的传感器。可在构件上获取信号。

借助提及的方法可对已安装的、新的轴承，变速器或驱动机构进行详细的特性检验并因此还可监控总系统的尺寸稳定性。

借助本发明，尤其是作为机械构件的状态可确定构件是否被润滑以及润滑程度如何(尤其是润滑膜的厚度变化)以及润滑剂的质量(尤其是哪些老化状态)，在此在使用构件时构件的至少一部分相对于另一构件运行。本发明例如提供对在轴承中或在驱动系中润滑剂质量的提前评价的可能性。这是重要的，因为非常多的轴承缺陷源于润滑不足。本发明还能够分析旋转非常慢的轴承，其例如借助振动分析几乎不可分析。本发明能够提前识别轴承或变速器或传动系(Antriebsstrang)的状态或它们的机械损坏。借助本发明，作为可运动的机械构件的状态可确定在构件上或在构件中是否有机械损伤，即与在设计和构造机械构件时确定的构件部分形状是否有偏差。也可检查机械构件部分的尺寸稳定性。同样可探测材料质量的偏差，即材料质量对导电性的影响。

作为要确定的电变量或作为电变量，根据本发明确定电变量的变化，尤其适合的是施加在构件上或在构件上流过的电压和/或电流的变化。例如可测量轴承的内环和/或外环上或转子上和/或定子上的电流和/或电压。可观察导入或存在(例如寄生的)电压或电流信号，因为可测量的电信号传输性能取决于可运动的构件的状态。待确定的电变量也可为在机械构件的第一部分和该构件的与第一部分间隔开的第二部分之间的电阻抗。

根据本发明的用于确定机械构件、尤其是驱动机构或轴承的状态的装置具有测量设备，测量设备能够确定电变量或电变量的变化，尤其是可将测量设备设计为电压表。

为此信号发生器、非常快的信号采集卡(在百万样品范围中)和用于检测电流和电压的敏感式传感器是有帮助的。通常借助微处理器分析测量信号。

在优选的实施方式中，根据本发明的装置具有分析单元，分析单元基于测量设备产生的测量结果给出关于机械构件的状态的状态信息，其中在使用构件时构件的至少一部分相对于另一构件运动。尤其优选地，在测量设备和分析单元之间有信号线路，沿着线路尤其优选可在测量设备和分析单元之间交换电信号或光学信号。在此尤其优选信号变量、例如其强度或其随时间的变化取决于测量设备确定的电变量或电变量的变化的特征值。状态信息的输出可为非常简单的，由此例如分析单元可在达到特定的不期望的状态时发出视觉刺激(例如亮红灯)或声音，而没有视觉刺激或声音是关于机械构件的状态还未达到不期望的状态，在此在使用构件时构件的至少一部分相对于另一构件运动。也可想到状态信息逐步地、例如根据信号灯系统那样发出。也可想到，借助本发明可得出关于机械构件的状态的具体结论，其中在使用构件时构件的至少一部分相对于另一构件运动，例如预计在多少机械构件运行小时之后特定构件失效，在此在使用构件时构件的至少一部分相对于另一构件运动。

在优选的实施方式中，在分析单元中设有存储表格，在表格中关于机械构件的状态的状态信息分别对应于测量设备的相应测量结果。因此在该实施方式中，分析单元以“查阅表”来工作。在该表格中可填入经验值，经验值可借助简单的检验台试验获得。

在优选的实施方式中，根据本发明的装置具有电流源和/或电压源，借助电流源可将电流导入机械构件中，借助电压源可在机械构件上施加电压。为了确定特定的电变量或为了确定特定的电变量的变化需要将电流导入机械构件中或在机械构件上施加电压。由于根据优选的实施方式该装置设有电流源或电压源，根据本发明的装置是自供给的。根据本发明的装置可在没有额外的电流源或没有额外的电压源的情况下自主地获取机械构件的状态。

根据本发明的装置尤其可构造成，在机械构件的一个或多个接触部位处将输入信号引入机械构件中。

根据本发明的装置尤其实施成，使得其可在机械构件的一个或多个接触部位处获取至少一个电输出信号。这例如可通过轴上的滑环和固定在壳体上的线缆来实现。然后两个信号线路可被引至快速测量值采集卡。微处理器可进行信号分析。

根据本发明，提出能够确定电变量或电变量的变化的测量设备用于确定机械构件、尤其是驱动机构或轴承的状态的应用。

电变量尤其可以是电流强度和/或电压。

在优选的实施方式中测量设备实施成，测量设备可在预定的测量周期上测量施加在机械构件上的电压。尤其优选地，在该实施方式中设有分析单元，分析单元具有用于在测量周期期间借助多元统计方法分析测量的电压的变化的模块，在此，从分析中给出关于可运动的机械构件的状态的状态信息。

被观察的机械构件尤其优选是驱动机构或轴承或变速器。本发明例如也可应用在确定轧机中的驱动机构的状态、风力发电设备中的轴承、发电机的轴承、车辆中的涡轮轴承、工业设备中的昂贵轴承中、监控轴承中或变速器中的润滑剂质量。借助本发明可详细检查已安装的、新的轴承、变速器或驱动机构的性能并因此监控总系统的尺寸稳定性。也可以这种方式检查内燃机中的活塞环的状态(将线路暂时连接在工厂中的曲轴处以及气缸体处并且测量状态)。

根据本发明的系统具有机械构件和根据本发明的装置，其中在使用构件时构件的至少一部分相对于另一构件运动。根据本发明的系统一方面描述例如在对于个别测量机械构件的状态的情况下根据本发明的装置以如下方式与机械构件连接时的状态，使得根据本发明的装置的测量设备可确定机械构件处的电变量或电变量变化。这不排除根据本发明的系统允许根据本发明的装置与机械构件分离，因此根据本发明的系统仅暂时地(在测量期间)存在。同时，根据本发明的系统权利要求包括由机械构件和根据本发明的装置构成的一体单元。由此，本发明例如可非常良好地用于例如在车辆中、尤其在轨道车辆中或道路车辆中、尤其是机动车辆中或例如生产设备、例如轧机中的车载诊断系统。

在优选的实施方式中，根据本发明的系统具有电动马达，电动马达产生轴承电流，轴承电流至少流过机械构件的部分。已知电动马达通常产生轴承电流并且轴承电流可用于在轴承电流流过机械构件的部分时确定机械构件的状态。因此在这种实施方式中取消了提供在装置侧的电流源或电压源的必要性，因为在这种实施方式中电流或电压可由电动马达的轴承电流提供。但是这不排除，在这种实施方式中装置也配置有电流源和/或电压源。

根据本发明的方法规定，借助测量设备确定在机械构件上的电变量或电变量的变化。

在优选的实施方式中，借助电压源在机械构件上施加电压并且借助测量设备测量在预定测量周期中施加在机械构件上的电压。在该实施方式中借助分析单元在测量周期期间借助多元统计方法分析测量电压的变化，其中，分析单元从分析中给出关于可运动的机械构件的状态的状态信息。该实施方式基于以下认识，不仅可从在特定时间点测量的电压大小中获得关于可运动的机械构件的状态的状态信息，而且例如也可从借助多元统计方法在预定测量周期中的电压变化的分析中获得关于可运动的机械构件的状态的状态信息。

在优选的实施方式中，统计分析包含确定在预定测量周期中各个电压的频度

分布。例如作为统计分析的结果生成直方图，直方图显示出，在预定的测量周期之内哪个电压频繁出现。为了简化且为了清楚，可将直方图显示的板条形式的电压组合成电压范围；直方图的板条此时指示，该电压范围中的电压出现的频率。

在优选的实施方式中，分析单元比较在预定测量周期中电压变化的借助多元统计方法的分析结果与在相同长的、但是先前的测量周期中电压走向的借助多元统计方法的分析结构。该实施方式基于的思想是，在具有预定长度的测量周期中的电压走向根据构件的状态变化。因此可根据在第一测量周期中电压走向的借助多元统计方法的分析结果与在第二测量周期中电压走向的借助多元统计方法的分析结果的比较提供构件的状态变化，第二测量周期与第一测量周期相同长。

多元统计方法尤其是一种统计方法。

在优选的实施方式中，在实施根据本发明的方法期间待试验的机械构件的一部分相对于待试验的机械构件的另一部分运动。但是也可想到，根据本发明的方法可在静止的构件上成功实施。

在优选的实施方式中输入信号为恒定的。但是也可想到输入信号随时间变化、尤其是具有正弦形状或脉冲形状的实施方式。在优选的实施方式中输入信号是脉冲、尤其是用于确定构件的电性能的Delta脉冲。输入信号可为脉冲形式的电压函数，例如矩形脉冲、三角形脉冲或锯齿形脉冲。可借助包括至少一个陡的信号边缘、优选陡的输入侧和陡的输出侧的脉冲形式的电压函数实现好的结果。信号的基础频率同样可用于实现好的结果。根据待试验的构件的运动状态，两个参数可通过其与参考信号的偏差得到有用信息并由此确定机械构件的状态。

在优选的实施方式中确定阻抗的变化、尤其是引起的相移和/或构件的振幅衰减和/或电容变化。

在优选的实施方式中通过在输入信号的接触部位中的反馈确定构件的电性能。因此输入信号的至少一个接触部位等同于输出信号的接触部位。

在优选的实施方式中在执行参考测量的方法中从得出的电变量中确定构件的机械特性，然后进行实际测量。

附图说明

下面根据仅示出实施方式的附图详细阐述本发明。

其中示出：

图1示出了球轴承的一部分的示意性截面图，

图2a示出了具有呈球轴承形式的机械构件和测量设备的试验结构的示意图，

图2b示出了图2a中示出的试验结构的一部分的示意图，即观察的轴承以及其他细节的示意图，

图3示出在功能正常的以及未经润滑的轴承上在静止状态下的参考电压的图，

图4示出在功能正常的以及未经润滑的轴承上在运行状态下的电压走向的图，其在制动阶段中的两毫秒的区段中具有10％的额定频率，

图5示出用于比较在功能正常的轴承中和在未经润滑的轴承中在静止状态下的参考电压的直方图，以及

图6示出了用于比较在功能正常的轴承中和在未经润滑的轴承中在具有10％额定频率的制动阶段中电压范围的频率的直方图。

具体实施方式

图1示出了球轴承的一部分的截面。可看出球轴承的外环1、内环2以及球3。此外可看出安装在侧面的密封件4。同样示出了在外环1和球3之间的润滑剂14以及在内环2和球3之间的润滑剂14。为清楚起见，还示出了不期望的干扰电流15，干扰电流15从内环2经由润滑剂流至球3并且从球3经由润滑剂14流至外环1。这种不期望的电流15通常称为轴承电流。图1还示出了在虚线圆中着重标出的球轴承的构件的电等效图。

图2示出了一种试验结构，该试验结构用于说明本发明的效用。图2a示意性地示出了作为实施方式的轴承检验台(Lagerprüfstand)的结构。其中，机械构件5为球轴承，该球轴承在定子12中支承通过马达轴6驱动的转子7。马达轴6与马达8连接，马达8借助电源9和连接在电源9之后的变流器10供电。借助信号发生器17将电压信号耦合在马达轴6上。使用电压表作为测量设备11，该电压表联接在定子12上并且提供定子12和例如大地(接地)之间的电压差。对所确定的电压在分析单元13中在时间范围中进行检测。分析单元13由与时间相关的电压变化计算出直方图(参见图5、图6)。从直方图的分布中确定出轴承状态。从图2b中可看出，两个球轴承被用作机械构件5，以支承转子。通过确定作为电变量的马达轴(定子12)和大地(接地)之间的电压差，可由球轴承来确定状态。如在图2a中所示，所得出的电压通过分析单元13在时间范围中进行检测。分析单元13由与时间相关的电压变化计算出直方图(参见图5、图6)。从直方图的分布中确定出轴承状态。

为了及早识别出轴承损伤使用两个相同类型的轴承作为样品(一个为功能正常的轴承，一个为有缺陷的、即未经润滑的轴承)。使用基础频率为3kHz并且振幅为2V(2V、-2V)的矩形信号作为参考信号。

观察两个运行状态，即球轴承的静止状态作为参考，以及在马达/轴承的最大转速的10％时的制动阶段(降低转速)中的短时间段。

在图3和图4中Y轴表示电压、X轴表示时间。在图5和图6中，Y轴表示电压范围的频率而X轴表示现有的电压范围。

图3示出了在静止状态下在两个轴承上的参考电压随时间的电压变化。在此相移不重要，因为试验是依次进行的。但是为了识别，在静止状态下在两个轴承之间没有振幅差。这在静止状态下也可预期，因为在静止状态下在轴承中没有显著的润滑膜。在静止状态下在参考电压之间的直流电压差为8.9mV。

图4示出了在最大转速的10％时的制动阶段期间两个轴承的电压随时间的变化。两个曲线的电压走向示出了由于轴承的转动运动而引起的瞬时过程。而对于未经润滑的轴承该电压变化近似地保持对称，功能正常的轴承的电压振幅向下移动大于800mV。在制动阶段的该区段中轴承之间的直流电压差为932mV。

图5示出了在静止状态下两个轴承上的电压范围的频率。可以看出，所有现有的电压范围都集中在参考电压的最大振幅处并且在其他区域中没有显著的电压散逸。

图6示出了在最大转速的10％时的运行状态(在制动阶段中的短的区段)中在两个轴承上的电压范围的频率的直方图。对于未经润滑的轴承可看到如在图5中也可看出的电压移位。此外可看出两条曲线之间(在功能完好的轴承之间和在未经润滑的轴承之间)的明显差异。电压频率的分布方式使得能够将轴承状态相对应。

在图6中示出的竖向虚线表示参考电压的振幅。竖向实线或点划线表示两个轴承的电压分布中点。黑色箭头和白色箭头示出了参考电压的振幅的移动大小和移动方向。

因此研究指出，通过观察电变量(在此为电压)可得出机械构件的状态。

Claims (11)

1.一种用于确定机械构件(5)的状态的装置，其中在使用构件时所述构件的至少一部分相对于另一构件运动，所述构件尤其是驱动机构或轴承或变速器，其特征在于，具有测量设备(11)，所述测量设备能确定所述机械构件(5)的电变量或电变量的变化。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，具有分析单元(13)，所述分析单元基于所述测量设备(11)产生的测量结果输出关于能运动的机械构件(5)的状态的状态信息。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述分析单元(13)中设有存储的表格，在所述存储的表格中关于能运动的机械构件(5)的状态的状态信息分别与所述测量设备(11)的相应测量结果相对应。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，具有电流源(9)和/或电压源，借助所述电流源能将电流导入机械构件(5)中，借助所述电压源能在机械构件(5)上施加电压。

5.根据权利要求4所述的装置，在其具有能在机械构件(5)上施加电压的电压源时以及引用权利要求2时，其特征在于，所述测量设备(11)能在预定的测量周期上测量施加在所述机械构件上的电压，并且所述分析单元(13)具有用于分析在所述测量周期期间借助多元统计方法测量的电压的变化的模块，以及所述分析单元(13)从借助多元统计方法的分析中给出关于能运动的机械构件(5)的状态的状态信息。

6.一种测量设备(11)的应用，该测量设备(11)能够确定电变量或电变量的变化，以确定机械构件(5)、尤其是驱动机构或轴承或变速器的状态。

7.一种系统，由机械构件(5)和根据权利要求1至5中任一项所述的装置构成。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，具有电动马达或电压信号发生器，该电动马达或电压信号发生器产生轴承电流或电压信号，所述轴承电流或电压信号至少流过能运动的机械构件(5)的部分或至少耦合在能运动的机械构件的部分上。

9.一种用于确定机械构件(5)、尤其是驱动机构或轴承的状态的方法，其特征在于，借助测量设备(11)确定所述机械构件(5)上的电变量或电变量的变化。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，借助电压源在所述机械构件(5)上施加电压并且借助所述测量设备(11)测量在预定的测量周期中在所述机械构件上施加的电压，以及分析单元(13)借助多元统计方法分析在所述测量周期期间所测量的电压的变化，所述分析单元(13)从借助多元统计方法的分析中给出关于能运动的机械构件(5)的状态的状态信息。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述借助多元统计方法的分析包含确定在预定的测量周期中各个电压的频率分布。

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