CN113165035A

CN113165035A - 捕获和传输轧钢机或轧机的轴承的数据

Info

Publication number: CN113165035A
Application number: CN201980080498.8A
Authority: CN
Inventors: G·霍恩比希勒; A·罗霍费尔
Original assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Current assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2039-12-03
Also published as: WO2020115054A1; BR112021010099A2; FI3890899T3; JP7378476B2; JP2022510461A; EP3663011A1; EP3890899B1; US20210362205A1; SI3890899T1; KR20210098462A; EP3890899A1; JP2023159057A; US11346395B2; PL3890899T3; ES2936219T3; TW202033288A; CN113165035B

Abstract

示出一种用于捕获和传输轧钢机或轧机的轴承的数据的设备，所述设备至少包括：•‑用于可旋转构件的轴承的轴承箱（14），•‑具有数据处理单元的传感器，所述传感器与数据处理单元两者布置在轴承箱（14）中并且被构造用于捕获和存储轴承的数据，•‑数据传输单元，所述数据传输单元布置在轴承箱（14）中并且被构造用于将传感器的数据无线地传输给远程接收器，•‑能量接收单元，所述能量接收单元布置在轴承箱（14）中并且所述能量接收单元被构造用于无线地接收能量并且转发给数据传输单元和数据处理单元，•‑具有能量发送单元（22）的能量源（25），所述能量源被构造用于无线地给能量接收单元供应能量，其中规定•‑能量源（25）和能量发送单元（22）布置在轴承箱（14）之外，•‑由轴承箱（14）覆盖的能量发送单元（22）布置在结构部件（20）处或布置在结构部件（20）中，所述结构部件与轴承箱（14）邻接并且是轧钢机或轧机的支承结构（21）的一部分，并且所述结构部件在出于维护目的而拆卸轴承箱（14）时，保留在轧钢机或轧机的支承结构（21）处。

Description

捕获和传输轧钢机或轧机的轴承的数据

技术领域

本发明涉及一种用于捕获和传输轧钢机或轧机的轴承的数据的设备，所述设备至少包括：

- 用于可旋转构件的轴承的轴承箱，

- 具有数据处理单元的传感器，所述传感器与数据处理单元两者布置在轴承箱中并且被构造用于捕获和存储轴承的数据，

- 数据传输单元，所述数据传输单元布置在轴承箱中并且被构造用于将传感器的数据无线地传输给远程接收器，

- 能量接收单元，所述能量接收单元布置在轴承箱中并且所述能量接收单元被构造用于无线地接收能量，并且通常以有线方式转发给数据传输单元和数据处理单元，以及

-具有能量发送单元的能量源，所述能量源被构造用于无线地给能量接收单元供应能量，

- 轧钢机或轧机的支承结构。

可旋转构件可以是轧机的轧辊或连铸设备的连铸坯导向装置的辊或带铸设备的带式导向装置的辊或者是因此应该在线地被监控的其他运行关键构件、诸如卷轴芯轴、万向轴、平整度测量辊、用于除鳞的旋转式喷管体（英语：rotary descaler（旋转式除磷机））、剪式滚筒。轴承箱容纳实际轴承并且通常可拆卸地与例如轧钢机或轧机的支承结构连接，以便轴承箱可以为了维护轴承或轴承箱而从支承结构被拆卸并且被安置到其他地点处。轴承可以是滚动轴承、滚子轴承、滑动轴承或铰链（Gelenk）。

背景技术

为了捕获尤其是在轧钢机或轧机中的轴承随时间的载荷，要么给轴承从一开始配备相应的传感器，要么暂时装入传感器，所述传感器经由电缆和集电环被供应能量，其中也经由电缆和集电环从轴承中的传感器传输数据。电缆线路不适用于持续运行，因为所述电缆线路在运行中和在维护时可能干扰或被损坏。

从US 7394395 B2中已知铸造设备或轧制设备的轴承箱中的传感器，所述传感器无线地传输轴承的状态数据。为了对传感器进行能量供应，要么在轴承箱中设置电池（图4A、4B、16），要么在轴承箱中设置发电机（图 17），要么设置数据传输单元的能量源，所述能量源布置在轴承箱处或布置在轴承箱中（图 17）。

轴承箱中的电池是不利的，因为所述电池可能由于如这在轧钢机或轧机中发生的短暂过热而被损坏。此外，轴承箱鉴于可旋转构件的载荷被设计，并且因此仅非常受限制地为电池或发电机提供例如空腔形式的空间。在轴承箱之外的任意位置处布置能量源同样带来由于过程热引起的损害的风险。

DE 11 2004 001 448 T5 示出一种具有无线传感器的机器构造、例如车辆的车轮轴承，所述传感器可以读出轴承组件的数据。与车轮轴承相距一距离地布置的传感器信号接收单元具有馈电电流发送部件和传感器信号接收部件。传感器信号接收部件从无线传感器单元接收传感器信号，馈电电流发送部件借助于电磁波向无线传感器单元发送电工作功率。未公开轴承箱，使得不能确定馈电电流发送部件相对于可能的轴承箱的位置。根据DE11 2004 001 448 T5，具有馈电电流发送部件的传感器信号接收单元可以布置在任意的合适的位置处。但是任意的布置对于在轧钢机或轧机中的使用由于在那里出现的热载荷而长时间地是不可能的。

发明任务

因此，本发明的任务是克服现有技术的缺点并且提出一种用于捕获和传输轧钢机或轧机的轴承的数据的设备，所述设备在轴承箱之内不具有能量源，然而确保数据处理单元和数据传输单元的持久能量供应，并且优选地使轴承或轴承箱的维护变得容易。

发明内容

根据本发明，该任务通过根据权利要求 1 的设备解决。权利要求 1 基于一种设备，所述设备至少包括

- 用于可旋转构件的轴承的轴承箱，

- 能量接收单元，所述能量接收单元布置在轴承箱中并且所述能量接收单元被构造用于无线地接收能量，并且（通常以有线方式）转发给数据传输单元和数据处理单元，

- 轧钢机或轧机的支承结构。

在此规定，

- 能量源和能量发送单元布置在轴承箱之外，

- 能量发送单元布置在结构部件处或布置在结构部件中，所述结构部件与轴承箱邻接并且是轧钢机或轧机的支承结构的一部分，

- 结构部件被构造用于在为了维护目的而拆卸轴承箱时保留在轧钢机或轧机的支承结构处，并且

- 能量发送单元由轴承箱覆盖。

能量源和能量发送单元布置在轴承箱之外，其中能量发送单元被安装为使得所述能量发送单元在拆卸轴承箱时现场保留在轧钢机或轧机的支承结构处，并且不必设置用于从轴承箱拆除能量发送单元的特有步骤。通常比能量发送单元更加远离轴承箱的能量源因此在拆卸轴承箱时同样将现场保留，例如保留在轧钢机或轧机的支承结构中。如果能量源比能量发送单元更加远离轴承箱，则确保能量源无论如何都遭受较小的热载荷，由此确保持久的能量供应。

轴承箱可以由钢制成。轴承箱可以围绕大钢坯或板坯连铸设备的连铸坯导向轴承。就此而论，轴承箱可以是大钢坯或板坯连铸设备的连铸坯导向装置的一部分。

作为传感器例如考虑用于测量温度、压力、加速度（例如三轴加速度计）和力的传感器。例如，力传感器可以基于压电原理或基于电容性（介电）测量技术的原理。如果设置轴承或可旋转构件的润滑或冷却，则也可以设置用于监控润滑或用于测量冷却剂流量的传感器。原则上，考虑提供电子可处理信号的所有传感器。

数据处理单元通常包括至少一个处理器 (CPU) 和存储器、例如存储器芯片，并且通常经由电缆和/或印刷电路板的印制导线与所述一个或多个传感器连接。在数据处理单元中，测量数据可以被预处理、数字化和中间存储。

数据传输单元通常包括天线，所述天线例如经由电缆或印刷电路板的印制导线与数据处理单元连接。数据传输单元例如将诸如过载、时间平均值、标准偏差、峰峰值之类的数据连同唯一标识 (ID) 和必要时时间戳一起传输给远程接收器、例如具有相应天线的读取设备。例如，接收器可以距轴承箱一至五米、优选地小于三十米、特别优选地小于十米。数据传输单元可以例如以超过800MHz、尤其是超过2.4GHz的频率向接收器发送信号。高传输频率是必要的，以便获得安全的数据信道并且避免错误的信号分配或干涉误差。从数据传输单元向接收器的数据传输可以以预给定的时间间隔、例如每秒或每隔 5、10 或 30 秒、或每隔 60 或更多秒或根据接收器的请求进行。接收器可以处理多个数据传输单元的数据。随后，接收器或与该接收器连接的发送器可以将数据继续发送到数据云（Datencloud（数据点云））中，在那里于是可以存储、进一步处理所述数据并且使用所述数据用于监控和控制可旋转构件。

能量接收单元通常将经由电缆或印刷电路板的印制导线把无线地接收的能量转发给数据传输单元、存储器和数据处理单元。

数据处理单元（也即例如CPU和存储器）以及数据传输单元（也即例如天线）以及能量接收单元可以在共同的印刷电路板上实现。这种共同的印刷电路板可以物理地由多个相互机械连接的子单元构建。共同的印刷电路板优选地具有小于4000 mm²的面积，也即例如小于50×80mm大小。印刷电路板更加优选地具有小于3000 mm²的面积、也即例如小于40×75mm，还更加优选地小于1800 mm²、也即例如小于30×60mm大小。以这种方式，印刷电路板可以放进轴承箱的非常小的凹部中。在这方面，如果印刷电路板连同位于其上的电子构件小于18mm高、尤其是小于13mm高、特别优选地小于9mm高，则也是有利的。

相应地，可以规定，共同的印刷电路板布置在轴承箱的凹部中，所述凹部具有小于4000 mm²、优选地小于3000 mm²、特别优选小于1800 mm²的最大横截面。

能量源可以经由电缆、例如经由双芯或三芯电缆与能量发送单元连接。能量源可以是具有在 5 和 48 V 之间的电压、例如具有 5 V、9 V、12 V、24 V 或 48 V的电池。能量源和/或能量发送单元通常拥有 DC-AC转换器。

根据本发明规定，能量发送单元由轴承箱覆盖。这意味着轴承箱将能量发送单元从（安放在轴承箱的轴承中的）可旋转构件屏蔽开，所述构件在轧机或轧钢机中经常遭受大的热载荷。换句话说，在根据本发明的设备运行中，从法向于可旋转构件的旋转轴的方向看，轴承箱布置在能量发送单元和可旋转构件之间。

为了实现轴承箱中的能量接收单元和结构部件中的能量发送单元之间的短传输路径，可以规定，轴承箱中的能量接收单元和结构部件中的能量发送单元分别靠近表面地并且彼此靠近地布置。因此，能量接收单元靠近轴承箱的朝向结构部件的那个表面地布置，而能量发送单元靠近结构部件的朝向轴承箱的那个表面地布置。能量接收单元和能量发送单元的相互间距应该尽可能小，例如在0至100 mm之间、尤其是在0.1至8 mm之间、特别优选地在0.2至3 mm之间。在此，在可旋转构件的旋转轴方向上，能量接收单元和能量发送单元应该重叠、优选地重合。但是，不排除能量接收单元和能量发送单元不重叠，也即能量发送单元例如布置在轴承箱旁。

本发明的一个扩展方案在于，能量发送单元布置在结构部件的凹部中，所述凹部在设备的运行状态下朝向轴承箱定向。在这种情况下，因此在能量发送单元和轴承箱之间不设置结构部件的材料；经由空气进行直至轴承箱的能量传输。然而，能量发送单元可以注入到塑料或树脂中，用于保护免受环境影响。在所注入的能量发送单元可以要么以小的间隙（Spaltmaßen）或完全一致地形状配合地被插入到凹部中，要么通过访问开口被塞进凹部中的程度上，所注入的能量发送单元的尺寸优选地对应于凹部的尺寸。

相应地，也可以规定，能量接收单元布置在轴承箱的凹部中，所述凹部在设备的运行状态下朝向结构部件定向。以这种方式确保在能量接收单元和结构部件之间没有轴承箱的材料并且因此可以不受干扰地以电磁方式进行直至结构部件的能量传输。

如果不仅能量发送单元而且能量接收单元分别布置在的相应的凹部中（也即朝向其他凹部开放和定向），因为能量传输于是完全不受干扰地进行并且不通过轴承箱或结构部件的部件被衰减。

在连铸设备的情况下，可以规定，能量源是连铸设备的分段的电池或连铸设备的分段的交流电压供应装置（例如具有230或400 V），所述分段包括一个或多个连铸坯导向辊，并且借助于电线路与能量发送单元连接。

本发明的一种实施方式在于，能量发送单元和能量接收单元被构造用于通过感应耦合、尤其是谐振感应耦合来发送或接收能量。

在感应式能量传输情况下，在发送器中借助于振荡器产生交变磁场。借助于两个线圈、即发送器中的一个线圈和接收器中的一个线圈之间的互感进行传输。在接收线圈中，通过交变电流在发送线圈中感生交流电压，所述交流电压在应用中、例如对蓄电池的充电中被整流并且作为直流电压被输送给消耗器。两个线圈之间的间距表示无线传输路径，并且应该尽可能小——典型地为少数几个毫米直至几十mm的间距。随着两个线圈的间距变得越大，漏磁强烈增加，由此感应耦合降低，并且效率恶化。可以利用这种方法桥接的典型间距大约是线圈直径直至两倍线圈直径，所使用的频率从几十 kHz达至MHz范围中。

谐振感应耦合表示感应耦合的扩展，用以增大仅小的有效距离。为此，在发送线圈和接收线圈之间的自由空间路径中安置一个或多个自由振荡回路。这些振荡回路中的每一个都由电容器和线圈组成，其谐振频率调准到传输频率。振荡回路之间的谐振导致在发送线圈和接收线圈之间在传输频率下的经改善的磁耦合，这引起更大的有效距离和更好的效率。因此，无线能量传输可以在 4 至 10 倍线圈直径的数量级的距离上是可能的。

可以被用于本发明的标准化传输技术作为Qi是已知的。Qi 是无线电力联盟（Wireless Power Consortiums）的专有标准，用于在短距离上借助于电磁感应进行无线能量传输。

本发明的一种实施方式在于，能量发送单元和能量接收单元被构造为使得以大于等于100 kHz、尤其是大于300 kHz的频率进行能量传输。

本发明还包括用于捕获和传输轧钢机或轧机的轴承的数据的根据本发明的设备的用途。因此，所述用途包括

-具有用于可旋转构件的轴承的轴承箱，

- 具有数据处理单元的至少一个传感器，所述传感器与数据处理单元两者布置在轴承箱中并且捕获和存储轴承的数据，

- 数据传输单元，所述数据传输单元布置在轴承箱中并且将传感器的数据无线地传输给远程接收器，

- 能量接收单元，所述能量接收单元布置在轴承箱中并且无线地接收能量，并且（通常以有线方式）转发给数据传输单元和数据处理单元，以及

-具有能量发送单元的能量源，所述能量源给能量接收单元无线地供应能量，

- 轧钢机或轧机的支承结构。在此规定，

- 能量源和能量发送单元布置在轴承箱之外，以及

- 能量发送单元布置在结构部件处或布置在结构部件中，所述结构部件与轴承箱邻接并且是轧钢机或轧机的支承结构的一部分，所述结构部件被构造用于在为了维护目的而拆卸轴承箱时保留在轧钢机或轧机的支承结构处，并且

- 能量发送单元由轴承箱（14）覆盖。

利用本发明，可以持续地将任意连铸坯导向装置的轴承箱中的传感器的测量值发送给接收器，这使得能够持续地监控许多连铸坯导向装置的轴承或轴承箱的状态，使得测量值和从中导出的参量实时地可用于轧钢机或轧机的自动化系统（级别1 和级别2 ），也可用于监控生产中的偏差。由此可以例如对未来的故障进行预测或规划维护工作。

通常在数据点云中进行测量值的处理，其中关于合适的软件应用程序的信息被传送给轧钢机或轧机的控制设备和/或传送给操作人员或企业或公司负责人。

附图说明

现在根据实施例更详细地阐述本发明。附图是示例性的，并且虽然应该说明发明思想，但决不限制发明构思或甚至最终再现发明构思。

在此：

图1以纵断面示出连铸坯导向辊的示意性视图，

图2示出穿过连铸坯导向辊的轴承箱的横截面，

图 3 示出轴承箱中的传感器的布置。

具体实施方式

连铸坯导向辊（Strangführungsrollen）19在连铸设备中被用于引导和支承从连铸结晶器中出来的至少部分凝固的金属连铸坯，并且本身以许多不同的结构类型已知。根据所浇铸的金属连铸坯的宽度，连铸坯导向辊19被双重（zweifach）或者也多重安放。在热的和重的金属连铸坯的作用下，连铸坯导向辊19遭受高的热和机械载荷，所述高的热和机械载荷需要持续保养并且从而需要连铸设备处的更换工作。图1以示意图示出三重安放的连铸坯导向辊19，如所述连铸坯导向辊在连铸设备的连铸坯导向装置（Strangführung）中使用并且通常由标准构件、预制构件和由部分加工构件制造和装配的那样。在这里，连铸坯导向辊包括两个辊套 1、2，所述辊套支承在支承轴 3、4、5 上。支承轴通向支承轴轴颈6、7、8、9，所述支承轴轴颈凸出到辊套1、2的凹部中并且与所述凹部构成抗扭连接。支承轴3、4、5支承在轴承单元10、11、12中，所述轴承单元分别由滚动轴承13和轴承箱14组成，所述轴承箱14也被称为轴承座。连铸坯导向辊由中央贯穿的冷却剂通道15通过并且在端部与用于输送和排放冷却剂的回转接头16、17连接。辊套1、2具有耐磨的表面层18，所述表面层提高连铸坯导向辊的寿命。

连铸坯导向辊19的构造对于本发明来说是不重要的，也不必存在冷却。

在图2中示出了穿过轴承箱14的横截面。轴承13未示出。轴承箱14放置在结构部件20上，所述结构部件在这里是中间板。中间板20固定在支承结构21处。支承结构21可以是连铸设备的分段，所述连铸设备承载多个连铸坯导向辊19。轴承箱 14 覆盖中间板 20，使得所述中间板从连铸坯导向辊 19 的旋转轴基本上是不可见的。在图2的情况下，轴承箱14也部分地侧向包围中间板20。

在轴承箱14中，靠近其下侧设置凹部23，印刷电路板可以被放入到所述凹部中，数据处理单元（也即例如CPU和存储器）、数据传输单元（也即例如天线）以及能量接收单元安装在所述印刷电路板上。印刷电路板具有小于4000 mm²、优选地小于3000 mm²、特别优选地小于1800 mm²的面积，并且包括位于其上的电子构件在内小于18 mm高、尤其是小于13mm高、特别优选小于9mm高。印刷电路板借助于导线形式的电线路与相应的传感器连接，所述传感器布置在轴承箱14中的其他位置处，例如更靠近轴承。布置在印刷电路板上的传感器相应地经由印刷电路板的印制导线与数据处理单元连接。

能量接收单元尤其是在印刷电路板上布置为使得所述能量接收单元靠近中间板20，尤其是能量接收单元布置在凹部23的表示通向中间板20的缺口的那部分中。凹部 23否则侧向开放，以便能够将印刷电路板放入到轴承箱 14 中。

能量发送单元22布置在中间板20中的凹部中，所述凹部朝向轴承箱14开放。能量发送单元22借助于电线路24连接到用作能量源的电池25上，所述电池分配给连铸设备的分段。

如果为了维护目的而拆卸轴承箱14，则能量发送单元22保留在中间板20中并且因此保留在支承结构21处，用于驱动和调整连铸坯导向辊19的电池25原本保留在支承结构21 或分配给连铸设备的分段的其他空间处。

在图3中示出穿过轴承箱14的截面。在剖面图中示出用于第一传感器26的空间以及所属的导体槽27，在所述导体槽中可以敷设相应的导体，用于将第一传感器26与在这里未示出的布置在凹部23中的印刷电路板连接用以传输信号。对于第二传感器28同样设置所属的导体槽29，用于为了传输信号的目的将第二传感器28与凹部23中的在这里未示出的印刷电路板连接。

凹部23向下开放，使得可以在能量发送单元22（参见图2）和布置在凹部23中的能量接收单元之间进行感应耦合。数据处理单元、数据传输单元和能量接收单元布置在共同的印刷电路板上，所述印刷电路板在这里可以从下方被插入到凹部23中。

如果图3中的印刷电路板水平地放入到凹部23中，则能量接收单元被布置在印刷电路板的下侧，使得所述能量接收单元靠近在图2中所示的中间板20。

附图标记列表：

1、2 辊套

3、4、5 支承轴

10、11、12 轴承单元

13 轴承（滚动轴承）

14 轴承箱

15 冷却剂通道

16、17 回转接头

18 耐磨的表面层

19 连铸坯导向辊（可旋转构件）

20 中间板（结构部件）

21 支承结构

22 能量发送单元

23 轴承箱14中的凹部

24 电线路

25 电池（能量源）

26 第一传感器

27 导体槽

28 第二传感器

29 导体槽。

Claims

1.一种用于捕获和传输轧钢机或轧机的轴承（13）的数据的设备，所述设备至少包括：

- 用于可旋转构件（19）的轴承（13）的轴承箱（14），

- 具有数据处理单元的传感器，所述传感器与数据处理单元两者布置在所述轴承箱（14）中并且被构造用于捕获和存储所述轴承（13）的数据，

- 数据传输单元，所述数据传输单元布置在所述轴承箱（14）中并且被构造用于将所述传感器的数据无线地传输给远程接收器，

- 能量接收单元，所述能量接收单元布置在所述轴承箱（14）中并且所述能量接收单元被构造用于无线地接收能量，并且转发给所述数据传输单元和所述数据处理单元，

-具有能量发送单元（22）的能量源（25），所述能量源被构造用于无线地给所述能量接收单元供应能量，

- 轧钢机或轧机的支承结构（21），其特征在于，

- 能量源（25）和能量发送单元（22）布置在轴承箱（14）之外，

- 所述能量发送单元（22）布置在结构部件（20）处或布置在结构部件（20）中，所述结构部件与所述轴承箱（14）邻接并且是所述轧钢机或轧机的支承结构的一部分，

- 所述结构部件（20）被构造用于在为了维护目的而拆卸所述轴承箱（14）时保留在所述轧钢机或轧机的支承结构（21）处，并且

- 所述能量发送单元（22）由所述轴承箱（14）覆盖。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述轴承箱（14）中的能量接收单元和所述结构部件（20）中的能量发送单元（22）分别靠近表面地并且彼此靠近地布置。

3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述能量发送单元（22）布置在所述结构部件（20）的凹部中，所述凹部在所述设备的运行状态下朝向所述轴承箱（14）定向。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括连铸设备的至少一个分段，所述分段具有电池或交流电压供应装置，所述能量源（25）是连铸设备的分段的电池或连铸设备的分段的交流电压供应装置，所述分段包括一个或多个连铸坯导向辊（19），并且所述能量源（25）借助于电线路（24）与所述能量发送单元（22）连接。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，能量发送单元（22）和能量接收单元被构造用于通过感应耦合、尤其是谐振感应耦合发送或接收能量。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，能量发送单元（22）和能量接收单元被构造为使得以大于等于100 kHz、尤其是大于300 kHz的频率进行能量传输。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述数据处理单元、所述数据传输单元和所述能量接收单元布置在共同的印刷电路板上。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述共同的印刷电路板布置在所述轴承箱（14）的凹部中，所述凹部具有小于4000 mm²、优选地小于3000 mm²、特别优选地小于1800mm²的最大横截面。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述数据传输单元被构造用于以大于等于800 MHz、尤其是大于等于2.4 GHz的频率向远程接收器发送数据。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述轴承箱（14）是大钢坯或板坯连铸设备的连铸坯导向装置的一部分。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的用于捕获和传输轧钢机或轧机的轴承（13）的数据的设备的用途。