CN113227748A

CN113227748A - 用于监视已安装滚动轴承的使用寿命的方法

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Publication number: CN113227748A
Application number: CN201980086651.8A
Authority: CN
Inventors: G·扎拉尔; J·施密特; S-L·科伊瑟
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2021-08-06
Also published as: US20220065747A1; WO2020132708A1; AT522036A1; AT522036B1; DE112019006465A5

Abstract

本发明涉及一种用于监视已安装滚动轴承的使用寿命的方法，在该方法中，在第一步骤中，借助于至少两个传感器在围绕轴承的区域中进行测量，并且在随后的步骤中，计算剩余使用寿命。本发明的目的是提供一种用于监视使用寿命的方法，该方法能够更好地预测剩余使用寿命。根据本发明，这通过以下来实现：确定传递函数并使用该传递函数根据传感器的测量结果确定滚动轴承上的至少动态载荷——优选地确定所有载荷，以便计算剩余使用寿命。

Description

用于监视已安装滚动轴承的使用寿命的方法

本发明涉及一种用于监视已安装滚动轴承的使用寿命的方法，其中，在第一步骤中，使用至少两个传感器在围绕轴承的区域中记录测量结果，并且在随后的步骤中，计算剩余使用寿命。

目前常见的做法是基于根据传感器的测量结果来预测滚动轴承的剩余使用寿命或损坏情况。滚动元件的状况可基于发生的声音发射来评估，并且例如在某些事件发生的情况下发起维护或更换。

此处的缺点在于无法准确预测剩余使用寿命。相比而言，对过早失效的指示仅从可被注意到的早期损坏的发生中给出。作为结果，设备经常会意外停机。

此外，遗憾的是，直接在滚动轴承上进行测量通常只能通过成本巨大的重大修改来实现。

本发明的目的是提供一种用于监视使用寿命的方法，该方法能够更好地预测剩余使用寿命。

根据本发明，该目的通过藉由以下操作的用于监视已安装滚动轴承的使用寿命的上述方法来解决：确定传递函数并使用该传递函数来从用于计算剩余使用寿命的至少一个传感器的测量结果中确定滚动轴承上的至少动态载荷——优选地确定所有载荷。

此外，该目的通过一种用于监视已安装滚动轴承的使用寿命以执行该监视方法的设备来解决，该设备具有用于测量的至少两个传感器，其中诸传感器被布置在轴承的区域中并且剩余使用寿命在后续步骤中被计算。

在计算剩余使用寿命之后，剩余使用寿命是输出。输出发生在技术输出设备上，在屏幕上可视化地发生或在存储器中以电子形式发生，或者经由打印机以打印形式输出。输出设备可通过屏幕、打印机或类似设备来实现。

使用传递函数，无需诸传感器与滚动轴承直接接触便可获得滚动轴承上的载荷的准确结果。可远离轴承套圈放置诸传感器。

该传递函数提高了所确定的值的准确度，因为影响测量的材料的刚度和可缩性被纳入考虑。

该传递函数允许以简单的方式确定剩余使用寿命。不需要对滚动轴承的修改，并且仍然获得良好的测量结果。

在该方法的有利变体中，诸传感器被布置在内轴承套圈的外侧和外轴承套圈的外侧并且轴承套圈的动态属性与传递函数一起被记录。

归因于将诸传感器布置在负载区域之外，诸传感器的耐用性以及随之而来的准确度的一致性在更长时间段内增大。归因于滚动元件的不断滚转，诸传感器可能会随着时间的推移而损坏，并且测量结果因而变得无用。这是通过将诸传感器放置在不会被滚动元件覆盖的区域中来实现的。

如果诸传感器被布置在轴承罩上并且轴承罩的动态属性与传递函数一起被记录，则这是尤其有利的。轴承罩是在轴向方向上从外侧覆盖滚动轴承并保护其免受环境影响(诸如灰尘的引入)的组件。润滑剂的老化和污染因而被减小到最低程度，例如通过无法被阻止的磨损。当所有传感器被布置在内轴承套圈和外轴承套圈外侧(例如，被布置在轴承罩上)时，对这些优点的理想利用发生。

对于尤其容易且准确以及便宜的确定，传递函数使用脉冲锤来确定，该脉冲锤具有用于记录信号的力传感器并确定诸传感器。脉冲锤是一种易于获得、便宜且准确的常见设备。

替换地，传递函数使用振动激励器来确定，该振动激励器具有用于拾取信号的力传感器和诸传感器。

如果根据脉冲锤或振动激励器的力传感器的信号来确定激励频谱——优选地利用快速傅立叶变换(FFT)，则以这种方式处理所确定的信号是尤其容易的。这可利用FFT来尤其容易地完成。

当从每个传感器的信号确定响应频谱(优选地利用FFT)时导致相同的优势。

在有利的替代方案中规定：用于测量的诸传感器是加速度传感器并且加速度传感器优选以至少2.56kHz的记录速率测量滚动轴承的区域中的加速度和/或在每种情形中确定加速度信号的频谱——优选地利用FFT。借助于加速度传感器，滚动轴承上的动态载荷可被非常容易且准确地确定。现在可按低成本和用于广泛的应用的多种不同版本来获得加速度传感器。

根据本发明的方法尤其是计算机辅助的或者尤其是以计算机辅助的方式执行的。

为了减小要存储的数据量，该方法的一种替代方案规定以固定间隔确定加速度信号的频谱——优选地利用FFT。

滚动轴承上的载荷可通过从力谱确定求和水平而被尤其容易并且不费力地确定，其中该力谱被确定为加速度信号的频谱与传递函数的商。

加速度传感器的有利替代方案是使用应变仪的可能性。在该情形中，用于测量的诸传感器各自是带有若干应变仪的测量装置，每个测量装置测量滚动轴承的区域中的力。

如果测量装置具有用于每个空间方向的惠斯通电桥并吸收所有三个空间方向上的力，则温度效应可被有利地补偿。这允许测量准确度被极大地提高。

为了还能够将静态载荷纳入考虑，一种替代方案提供了用于校准静态载荷——以及优选地直至极限频率的动态载荷的张紧设备。

如果力信号的频谱被确定——优选地利用FFT，则信号可被良好地处理。

如果力信号的频谱是以固定间隔被确定的——优选地利用FFT，则数据量可被减小。

如果从力谱确定求和水平，其中该力谱被确定为力信号的频谱与传递函数的商和/或如果载荷是从静态载荷和力谱的求和水平求和得到的，则尤其容易确定轴承载荷。

为了提高整个系统的安全性和使用寿命，在有利变型中规定：剩余使用寿命的计算是持续地被执行的——优选地被间隔地执行。

如果在达到剩余使用寿命的下限值时发出警告和/或如果维护被发起，则这可被进一步增加。

利用根据本发明的方法，可测量作用在滚动轴承中的力而无需对机器做出任何设计改变。

在操作期间测得的力用作用于剩余使用寿命的自适应计算的基础。取决于所施加的载荷，预期的使用寿命被缩短或延长。

该方法尤其适用于试验台测功机，但也可被用于具有已安装滚动轴承的其他装置。原则上，其可被用于配备有由滚动轴承支撑的轴杆或元件的所有机器。

对作用在操作期间的力的测量可按两种不同方式来执行：一方面，通过使用加速度传感器测量振动，并使用传递函数将振动的加速度转换成力。必须预先为其上布置诸传感器的轴承罩或相应组件确定一次传递函数。

另一方面，可通过将应变仪(DMS)应用于轴承罩或其他组件并利用借助于校准设备的校准来执行该确定。此外，传递函数必须被计算和实现以将轴承罩或相应组件的动态属性纳入考虑。

加速度传感器所进行的测量是按以下方式执行的：传递函数借助于脉冲锤和加速度传感器来被确定。脉冲锤(其在尖端处具有力传感器)被用来撞击轴杆，并且同时在加速度传感器处测量响应。使用FFT从这些信号计算频谱，并且随后为每个加速度传感器确定传递函数H(f)。这里，来自加速度传感器的频谱被称为响应频谱V(f)，并且来自力传感器信号的频谱被称为激励频谱U(f)。传递函数H(f)被获得为如下：

可以看出，传递函数具有单位

操作中的测量随后按以下方式来执行：加速度传感器尽可能靠近滚动轴承被安装在机器的轴承罩上或安装在为此目的而提供的测量点处。为确保直至1kHz的信号能够被评估，以超过2.56kHz的足够高的记录速率来执行测量。频谱是借助于FFT以规律的间隔从持续记录的加速度信号中计算的，该规律的间隔在时间上可以是固定的。随后在频谱上将这些除以先前确定的传递函数H(f)。结果是根据以下公式的力谱F(f)：

该力谱F(f)的求和水平反映了作用在滚动轴承中的合力。

当使用应变仪时，这些应变仪按力能够在所有三个空间方向上被测量的方式被布置在轴承罩上。为了找到理想位置，结构的有限元计算被执行。理想位置意味着以最高测量灵敏度对所测量的空间方向而言可能的最准确分离。对于每个空间方向，惠斯通测量电桥是必需的，即为每个方向提供四个应变仪。

通过将应变仪放置在轴承罩的内侧和外侧并将它们布置在惠斯通测量电桥中，有可能以最小的串扰将测量方向(轴向、水平、垂直)分开。串扰取决于轴承罩的质量(壁厚的准确度、铸件的均匀性)。如果需要高准确度，则轴承罩最好被设计为钢车削部件。

应变仪使用专门制造的夹紧设备来校准，该夹紧设备能够在所有三个空间方向上对轴杆施加张力。力传感器被安装在轴杆和夹紧设备之间，其测量所施加的拉力。同时，全部桥的电压被测量和记录。校准因子f从以下得到：

一旦机器旋转，滚动轴承中归因于各种影响(诸如失衡)而生成力。这些力导致轴承罩的变形，并因而导致应变仪处的力的吸收。作为结果，作用力可被测量。

在特定频率范围之上，静态校准导致较大偏差，并且与首先阐述的利用加速度传感器的变体一样，必须引入传递函数H(f)来校正轴承罩的动态属性。

原则上，可按与上述相同的方式执行测量，不同之处在于响应是来自应变仪测量的力信号。

也可通过脉冲锤或借助于振动激励器来提供激励，该振动激励器也可利用力传感器来测量所施加的力。

ISO 281标准通常用于滚动轴承的使用寿命计算。在该标准中，滚动轴承的机械规格和操作条件用作用于计算的基础。

为了计算剩余使用寿命，使用动态等效轴承载荷P。另外，使用因滚动轴承而异的额定动态载荷C。基本额定寿命L_10h的等式中还使用操作速度n和使用寿命指数。L_10h指示以操作小时h为单位的90％发生概率的基本额定寿命。因此，以工作时间h为单位的基本额定寿命L_10h被计算为如下：

C...额定动态载荷

P...用于径向轴承和轴向轴承的动态等效轴承载荷

p...使用寿命指数；对于滚动轴承：p＝10/3；对于球轴承：p＝3

n...操作速度

由于输入变量操作速度n和动态等效轴承载荷P是持续地被测量的，因此使用寿命计算被持续地执行和调整。这是基于损坏总和的假设，其相继地减少机器的剩余使用寿命。

剩余使用寿命以剩余工作时间h为单位被方便地显示。例如，这意味着可在损坏与停机发生之前及时地发起服务，或者可发出警报。

动态等效轴承载荷P是计算得到的值。该值对径向轴承而言是在量值和方向上恒定的径向载荷或者对轴向轴承而言是轴向载荷。具有动态等效轴承载荷P的载荷导致与轴向方向F_a和径向方向F_r上的实际作用的经组合载荷相同的使用寿命。

P＝X·F_r+Y·F_a

在两个方向上测量力。等效动态轴承载荷P是借助于因轴承而异的因子X和Y以及在轴向方向和径向方向上的所测量的力来获得的。因子X和Y通常由轴承制造商在产品目录中提供。

然后使用额定基本动态载荷C与上面给出的用于径向轴承和轴向轴承的动态等效轴承载荷P来执行自适应使用寿命计算。滚动轴承的使用寿命指数p使用的是p＝10/3，而球轴承使用的是p＝3。

参考滚动轴承的设计，在假设载荷和速度谱的情况下，在基于当前速度和当前作用力的每次计算之后，使用寿命减少得更快或更慢。这意味着使用寿命曲线的梯度(如图1所示)更大或更小。梯度被用来计算直至下一个计算间隔的使用寿命的减少。

当将使用寿命计算L_10h用于确定

曲线时获得相同的结果，

曲线表明滚动轴承在从0牛顿至额定载荷C的载荷下能够承受多少百万转。在随后确定比率D_i＝n_i/N_i时，每计算循环的部分损坏被确定。

D_i...部分损坏

n_i...计算循环中当前载荷下的转数

N_i...当前载荷处的容许转数

所有部分损坏的求和给出总损坏D：

当总损坏达到D一时，达到100％损坏。

在下文中，参考以下附图更详细地解释本发明，其中：

图1示出了使用寿命和损坏储备随工作时间h的进展；

图2示出了使用根据本发明的方法的使用寿命计算；以及

图3示出了示例性

线。

图1示出了自适应使用寿命计算和损坏累积。在此，在工作时间h上绘制剩余损坏储备S。第一条线1示出在预定速度n处的预计使用寿命L。这里的假设是负载和速度n在工作时间h内是恒定的。这里的假设是负载和速度n在整个使用寿命L内保持恒定。在所示情形中，使用寿命L约为85,000小时。

第二条线2以％指示使用寿命，其中该使用寿命借助于梯度来确定。

第三条线3指示借助于

线确定的以％为单位的损伤累积。

图2示出了使用根据本发明的使用寿命计算方法的自适应使用寿命计算的示例。示出了该方法的规程的示意图。使用寿命计算在S处开始。然后，将所测量的数据输入I1、I2和I3。在I1中，径向方向上的力F_r、轴向方向上的力F_a和所流逝的时间Δt被输入计算中。在I2中，常数被纳入考虑，诸如额定基本动态载荷C、额定基本静态载荷C₀、根据滚动轴承目录的深沟球轴承的因子f₀、以小时为单位的标称使用寿命L_10h,nom和使用寿命系数a₁。可任选地，进一步的值可被输入。在I3中，来自表格的值被输入，诸如供包含因轴承而异的因子X和Y以及计算因子e的值的ISO 281的表3。

在方法步骤一V1中，假设当前使用寿命的百分比为100％。此外，第一次使用寿命确定在方法步骤二V2中通过计算比率f₀*F_a/C₀开始。例如，借助于该比率，在方法步骤三V3中可从ISO 281的表3(这里标记为I3)中读出计算因子e。然而，作为ISO 281的表3的替代，另一表格来源可被用于读出因子。该规程对应于滚动轴承的使用寿命计算的当前常见做法。

在方法步骤四V4中，计算轴向方向上的动态力F_a与径向方向上的动态力F_r之间的比率F_a/F_r。

然后，在方法步骤五V5中确定因子X和Y。为此，进行判定E1，藉此确定比率F_a/F_r是否大于e。如果是，则从I3中输入的表中输入X和Y的因子。如果比率F_a/F_r小于计算因子e，则值1被用于因子X且值0被用于因子Y。

在方法步骤六V6中，等效动态轴承载荷P使用上面给出的公式来计算。随后，使用寿命L_10h,current被计算为a₁*(C/P)^3*10^6/60/n并且梯度k在方法步骤七V7中用k＝100％/L_10h*(-1)来计算。在方法步骤八中执行以百分比为单位的新使用寿命L_{10％,current}的计算，并且L_10％,new＝k*Δt+L_{10％,current}并且新值的设置L_{10％,current}＝L_10％,new。在方法步骤九V9中，使用寿命被显示为L_10h,nom/100*L_10％current(以小时为单位)。

由于在方法步骤九V9之后在方法步骤二V2之前的反馈，计算再次发生。直至达到使用寿命E的结束，可重复此方法。在结束E时，可发出警告和/或可发起轴承的维护或更换。

图3示出了经过数百万转的最大可能载荷的

曲线。使用公式L₁₀＝(C/P)^p计算

曲线。其指示在以kN为单位的给定载荷P下，轴承能够承受多少百万转U。

Claims

1.一种用于监视已安装滚动轴承的使用寿命的方法，其中，在第一步骤中，使用至少两个传感器记录围绕所述轴承的区域中的测量结果，并在随后的步骤中计算剩余使用寿命，其特征在于，确定至少一个传递函数，并且使用该传递函数来从所述传感器的测量结果中确定所述滚动轴承上的至少动态载荷，优选地确定所有载荷，以便计算所述剩余使用寿命。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器被布置在内轴承套圈的外侧和外轴承套圈的外侧并且所述轴承套圈的动态属性与所述传递函数一起被记录。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述传感器被布置在轴承罩上并且所述轴承罩的动态属性与所述传递函数一起被记录。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有用于记录信号的力传感器和所述传感器的脉冲锤来确定所述传递函数。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有用于记录信号的力传感器和所述传感器的振动激励器来确定所述传递函数。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，根据所述脉冲锤或所述振动激励器的力传感器的信号确定激励频谱，优选地利用快速傅立叶变换(FFT)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述传感器的每一个信号确定响应谱，优选地利用FFT。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，用于测量的所述传感器是加速度传感器并且所述加速度传感器优选以至少2.56kHz的记录速率测量所述滚动轴承的区域中的加速度信号形式的加速度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定所述加速度信号的频谱，优选地利用FFT。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，以固定间隔确定所述加速度信号的频谱，优选地利用FFT。

11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，根据力谱确定求和水平，其中所述力谱被确定为所述加速度信号的频谱与所述传递函数的商。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，用于测量的所述传感器各自具有带有若干应变仪(DMS)的测量装置并且每个测量装置测量所述滚动轴承的区域中的力。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，每个测量装置具有用于每个空间方向的惠斯通测量电桥并且吸收所有三个空间方向上的力。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，利用夹紧设备针对静态载荷，优选地针对直至极限频率的动态载荷，执行校准。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，确定力信号的频谱，优选地利用FFT。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，以固定间隔确定所述力信号的频谱，优选地利用FFT。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，从力谱确定求和水平，其中所述力谱被确定为所述力信号的频谱与所述传递函数的商。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，载荷是从所述静态载荷和所述力谱的求和水平求和得到的。

19.根据权利要求11、17或18所述的方法，其特征在于，所述剩余使用寿命的计算被持续地、优选地间隔地执行。

20.根据权利要求11或17至19所述的方法，其特征在于，当达到所述剩余使用寿命的下限值时输出警告。

21.一种用于根据权利要求1至20之一的监视已安装滚动轴承的使用寿命的设备，所述设备具有用于测量的至少两个传感器，其中所述传感器被布置在所述轴承的区域中并且剩余使用寿命在后续步骤中被计算。