CN113825920A - 用于监测滚动轴承的退化的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监测旋转机械(10)中滚动轴承(15a，15b)的退化的装置(1)，旋转机械包括至少两个滚动轴承(15a，15b)，每个滚动轴承具有相对于彼此旋转的两个同心环(16‑18)，每个轴承(15a)的至少一个环(17，18)可旋转地连接到另一轴承(15b)的环(17，18)。装置(1)包括用于测量可旋转连接的环(17，18)的旋转速度(ω1)的测量构件(30)和数据处理装置，数据处理装置适合于检测可旋转连接的环(17，18)的旋转速度(ω1)的变化，该变化代表轴承(15)的退化。

Description

用于监测滚动轴承的退化的装置
技术领域
本发明涉及监测旋转机械中滚动轴承的退化的领域。
背景技术
在旋转机械的领域中，转子和定子之间的旋转导向有多个功能：以电机为例，在转子和定子之间保持恒定的气隙，以减小不平衡磁吸引力产生的力，从而避免转子和定子之间任何不希望的接触，保持转子相对于定子的轴向位置，使得转子能够以低机械损耗的方式旋转，并且承受机械内部(磁性或机械原点的)和外部的负载。传统地，已知有多种技术用于确保旋转导向。特别是，“滑动”型轴承是非常简单的机械部件，但“滑动”型轴承经由牺牲部件进行导向是已知的。换句话说，滑动轴承变形和磨损非常快。此外，滑动轴承通常具有较低的热传导系数。换句话说，滑动轴承通常不容许良好的热量排出。
静压型轴承也是已知的，静压型轴承通过保持气隙中的流体压力来进行导向，这需要液压回路，根据旋转机械的配置，液压回路可能是复杂的。
同样，还有流体动力型轴承，流体动力型轴承通过旋转产生的流体压力产生导向。同样，这些轴承的实施可能是复杂的。
最后，更普遍地被称为轴承的滚动元件轴承是已知的。滚动元件轴承是一种简单而廉价的机械解决方案，使得能够旋转导向并且吸收轴向和/或径向载荷。传统地，滚动元件可以是滚珠、滚子或滚针。材料可以是钢、塑料或陶瓷。然而，滚动元件轴承对缺乏润滑、污染和温度的问题非常敏感。
然而，轴承的退化会在旋转机械中产生性能损失，由于轴承的抗转矩的增加和/或旋转机械的转子和定子之间的接触而导致发热的增加。最终，轴承的退化甚至会引起旋转机械的一部分损坏。
为了避免这些问题，存在以下不同的检测技术来检测轴承中的异常：通过温度监测、或通过振动特征的监测、或通过滚动元件的运动质量的监测。该监测的问题在于，在高能机械上(转子质量大并且高速旋转)会导致被监测参数快速变化的现象可能是短期现象，并且会导致设备在不够长的时间段内无法使用，从而不能够进行故障检修。
在这种情况下，有必要提供一种用于监测滚动轴承退化的装置，该装置使得能够足够简单并且快速地检测退化以便能够启动维护工作。
发明内容
根据第一方面，本发明提出了一种用于监测旋转机械中滚动轴承的退化的装置，旋转机械包括至少两个滚动轴承，每个滚动轴承具有相对于彼此旋转的两个同心环，每个轴承的至少一个环能旋转地连接到另一轴承的环。该装置包括用于测量能旋转连接的环的旋转速度的测量构件和数据处理装置，数据处理装置适合于检测能旋转连接的环的所述旋转速度的变化，该能旋转连接的环的所述旋转速度的变化代表轴承的退化。
以特别有利的方式，对能旋转连接的环的旋转速度的变化进行监测，使得能够及早检测到轴承的退化。实际上，一旦出现退化，滚动轴承的抗转矩将立即增加，这将立即影响旋转速度。因此，早在可能的发热或振动发生之前，从退化的最初迹象开始，抗转矩将增加，这将降低速度。
所述至少两个轴承可以相对于旋转轴线轴向串联设置。
每个轴承可以具有内环和外环，能旋转连接的环是外环。
单个外环可以是多个轴承共用的外环。
所述至少两个轴承可以相对于旋转轴线径向串联设置。
每个轴承可以具有外环和内环，轴承的外环能旋转地连接到另一轴承的内环。
单个环既可以是一个轴承的外环，也可以是另一轴承的内环。
测量构件可以选自霍尔效应传感器、声轮式传感器、直流发生器或旋转变压器。
轴承可以选自单列或多列滚珠轴承、滚针轴承、滚针和滚珠组合轴承、单列或多列圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承或径向滚珠接头。
根据第二方面，本发明涉及一种用于监测旋转机械中滚动轴承的退化的方法，旋转机械包括至少两个滚动轴承，每个滚动轴承具有相对于彼此旋转的两个同心环，每个轴承的至少一个环能旋转地连接到另一轴承的环，该方法的特征在于，当所述旋转机械旋转时，该方法包括以下步骤：
-通过测量构件测量能旋转连接的环的旋转速度；
-检测能旋转连接的环的旋转速度的变化，该能旋转连接的环的旋转速度的变化代表轴承的退化；
-报告轴承的退化。
附图说明
通过以下描述，本发明的其他特征、目的和优点将显现，该描述仅是示例性的而非限制性的，并且该描述应该参照附图进行阅读，在附图中：
图1是根据本发明的第一实施例的包括监测装置的旋转机械的一部分的示意图。
图2是根据本发明的第二实施例的包括监测装置的旋转机械的一部分的示意图。
图3是根据本发明的第二实施例的包括两个监测装置的旋转机械的一部分的示意图。
图4是根据本发明的第三实施例的包括监测装置的旋转机械的一部分的示意图。
图5是根据本发明的第二实施例的监测装置的运行的示意图。
在所有附图中，相似的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
根据第一方面，本发明涉及一种用于监测旋转机械10中滚动轴承退化的装置1。
旋转机械
参照图1到图4，根据在此呈现的示例，旋转机械10包括在孔12中围绕轴线A旋转的轴11。根据其他实施例，旋转机械10可以具有围绕固定轴11旋转的孔12。此外，旋转机械包括至少两个滚动轴承15a、15b，每个滚动轴承具有围绕轴线A彼此旋转的两个同心环16-18。根据在此呈现的示例，滚动轴承15a、15b是单列滚珠轴承19。然而，根据其他示例，滚动轴承15a、15b可以是多列滚珠轴承、滚针轴承、滚针和滚珠组合轴承、单列或多列圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承或径向滚珠接头。
轴承的布置
根据第一实施例和第二实施例(图1到图3)，轴承15a、15b相对于旋转轴线A轴向串联。这意味着轴承15a、15b纵向分布在轴11上。
根据图4所示的第三实施例，轴承15a、15b相对于旋转轴线A径向串联设置。
根据其他实施例，在适当情况下数量大于两个的轴承15a、15b可以更复杂地串联设置，包括轴向串联和径向串联。换句话说，轴承15a、15b可以纵向设置在轴11上以及径向设置在轴11上。本发明将不限于轴承的任何配置。
环的布置
传统地，每个轴承15a、15b具有两个环16-18：内环16、18和外环17-18。
优选地，如图1到图3所示，每个轴承15a的至少一个环17、18可旋转地连接到另一轴承15b的环17、18。
规定的“可旋转连接”是指两个环彼此固定，使得一个环的旋转引起另一个环围绕同一旋转轴线A旋转。更具体地，两个可旋转连接的环具有相同的旋转速度，表示为ω1。
以特别优选的方式，如图1所示，两个环16、17、18的旋转连接通过中间部件20实现。中间部件20连接两个环16、17、18并且确保围绕轴线A的旋转连接。因此，中间部件20连接两个不同轴承15a、15b的两个外环17。
以更优选地方式，对应于图2到图4所示的第二实施例和第三实施例，相同的部件是用于两个轴承15a、15b的环18。换句话说，两个分开的轴承15a、15b共用同一个环18。
根据第二实施例，轴承15是轴向串联的，环18对应于其连接的两个轴承15的外环。
根据第三实施例，轴承15a、15b是径向串联的，环18是轴承15a的外环和另一轴承15b的内环。换句话说，根据该实施例，轴承15a、15b从轴11开始朝向孔12的布置如下：第一轴承15a的内环16、第一轴承15a的滚珠19、由两个轴承15a、15b共用的环18、第二轴承15b的滚珠19和第二轴承15b的外环17。以更一般的方式(未示出)，轴承15a的外环可旋转地连接到轴承15b的内环(以便形成单个运动实体)。
根据一个未示出的实施例，轴承15a、15b可以是轴向和径向串联的，使得环16-18的布置将是第三实施例与第一实施例和/或第二实施例的组合。
应当注意，可以使用用于安装轴承15a、15b的常用技术(夹紧和锁定状态)。同样，如图3所示，可以通过弹簧25在轴承的环16-18上施加预应力。在这种情况下，在图3所示的示例的情况下，预应力被施加到轴承15中的一个轴承的内环16上。
监测装置
在旋转机械10中实施监测装置1，监测装置包括用于测量可旋转连接的环的旋转速度的测量构件30和数据处理装置，数据处理装置适合于检测可旋转连接的环的所述旋转速度的变化，可旋转连接的环的所述旋转速度的变化代表轴承的退化。
通常，测量构件30可以选自霍尔效应传感器、声轮式传感器、直流发生器或旋转变压器。
数据处理装置可以是专用系统中、或旋转机械10中、或连接到旋转机械10的计算机中的机载微控制器。
在运行中，测量构件30记录环17、18的旋转速度ω1，并且将这些数据传输到数据处理装置。数据处理装置被配置为分析随时间变化的该旋转速度并且检测旋转速度的变化。此外，数据处理装置被配置为确定检测到的变化(例如：旋转机械10的转速的变化、外部温度或湿度的变化)是正常的还是异常的。因此，数据处理装置可以进一步具有适当的参数，例如，转速、外部物理量等。在异常变化的情况下(即，与旋转机械的转速无关或与环境条件无关，即，意外)，处理装置发出警告。
该警告可以例如是视觉警报或听觉警报，或者是计算机或移动终端上的通知。还可以设想，处理装置可以使旋转机械10停止。
实际上，意外的速度变化代表轴承15a、15b的退化。原理如下：
在标称运行中，轴以旋转速度ω旋转。当轴承15a、15b处于良好状态时，可旋转连接的环17、18以大约等于轴的旋转速度的一半(即ω/2)的速度ω1旋转。
在第一轴承15a(即，安装在轴11上的轴承)退化的情况下，第一轴承的抗转矩将增加，这将使外环17、18的旋转速度更接近轴的旋转速度，即，旋转速度ω1增加。在这种情况下，给出了以下方程式：ω/2<ω1<ω。
在第二轴承15b(即，安装在孔12上的轴承)退化的情况下，第二轴承的抗转矩将增加，这将使外环17、18的旋转速度更接近孔12的旋转速度(孔12的旋转速度被限定为零)，即，旋转速度ω1减小。在这种情况下，给出了以下方程式：0<ω1<ω/2。
规定用于第三实施例的运行原理是相同的，唯一的区别是，在标称运行中，环18的旋转速度不一定对应于轴11的旋转速度的一半(这取决于轴承15a、15b的尺寸和质量)，但变化将是相同的。
无论实施例如何，对可旋转连接的环17、18的旋转速度进行测量使得能够特别早地检测到轴承15a、15b的故障。
根据测量的旋转速度，处理装置可以由此推断出轴承15a或15b的损坏。可以通过了解旋转机械10的旋转速度和每个轴承15a、15b的具体参数(摩擦系数、所用润滑剂的粘度指数、滚珠的刚度等)来进行该确定。
监测方法及装置的运行
根据第二方面，本发明涉及一种用于监测旋转机械10中滚动轴承15a、15b的退化的方法，旋转机械包括至少两个滚动轴承15a、15b，每个滚动轴承具有两个相对于彼此旋转的同心环16-18。每个轴承15a的至少一个环17、18可旋转地连接到另一轴承15b的环16、17、18。
当所述旋转机械10旋转时，该方法包括以下步骤：
-通过测量构件30测量可旋转连接的环17、18的旋转速度ω1；
-检测可旋转连接的环17、18的旋转速度ω1的变化，该旋转速度的变化代表轴承15a、15b的退化；
-报告轴承15a、15b的退化。
参照图5和图6，在第一实施例和第二实施例的情况下，可以将运行示意如下：
在标称运行中，轴以旋转速度ω旋转。当轴承15a、15b处于良好状态时，可旋转连接的环17以大约等于轴的旋转速度的一半(即ω/2)的速度ω1旋转。
在第一轴承15a(即，安装在轴11上的轴承)退化的情况下，第一轴承的抗转矩将增加，这将使外环18的旋转速度更接近轴的旋转速度，即，旋转速度ω1增加。在这种情况下，给出了以下方程式：ω/2<ω1<ω。
在第二轴承15b(即，安装在孔12上的轴承)退化的情况下，第二轴承的抗转矩将增加，这将使外环18的旋转速度更接近孔的旋转速度(孔的旋转速度被限定为零)，即，旋转速度ω1减小。在这种情况下，给出了以下方程式：0<ω1<ω/2。
规定用于第三实施例的运行原理是相同的，唯一的区别是，在标称运行中，环18的旋转速度不是对应于轴11的旋转速度的一半。
无论实施例如何，对可旋转连接的环17、18的旋转速度进行测量使得能够特别早地检测到轴承15a、15b的故障。

Claims (10)

1.一种用于监测旋转机械(10)中滚动轴承(15a，15b)的退化的装置(1)，所述旋转机械包括至少两个滚动轴承(15a，15b)，每个滚动轴承具有相对于彼此旋转的两个同心环(16-18)，每个轴承(15a)的至少一个环(17，18)能旋转地连接到另一轴承(15b)的环(17，18)，所述装置(1)的特征在于，所述装置包括用于测量能旋转连接的环(17，18)的旋转速度(ω1)的测量构件(30)和数据处理装置，所述数据处理装置适合于检测能旋转连接的环(17，18)的所述旋转速度(ω1)的变化，所述能旋转连接的环的所述旋转速度的变化代表轴承(15)的退化。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述至少两个轴承(15a，15b)相对于旋转轴线(A)轴向串联设置。
3.根据权利要求2所述的装置(1)，每个轴承(15a，15b)具有内环(16)和外环(17)，所述能旋转连接的环(17)是所述外环(17)。
4.根据权利要求3所述的装置(1)，其中，单个外环(18)是多个轴承(15a，15b)共用的外环。
5.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，所述至少两个轴承(15a，15b)相对于旋转轴线(A)径向串联设置。
6.根据权利要求5所述的装置(1)，其中，每个轴承(15a，15b)具有外环(17，18)和内环(16，18)，轴承(15a)的外环(17，18)能旋转地连接到另一轴承(15b)的内环(16，18)。
7.根据权利要求6所述的装置(1)，其中，单个环(18)既是一个轴承(15a)的所述外环又是另一轴承(15b)的所述内环。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述测量构件(30)选自霍尔效应传感器、声轮式传感器、直流发生器或旋转变压器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述轴承(15a，15b)选自单列或多列滚珠轴承(19)、滚针轴承、滚针和滚珠组合轴承、单列或多列圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承或径向滚珠接头。
10.一种用于监测旋转机械(10)中滚动轴承(15a，15b)的退化的方法，所述旋转机械包括至少两个滚动轴承(15a，15b)，每个滚动轴承具有相对于彼此旋转的两个同心环(16-18)，每个轴承(15a)的至少一个环(17，18)能旋转地连接到另一轴承(15b)的环(16，17，18)，所述方法的特征在于，当所述旋转机械(10)旋转时，所述方法包括以下步骤：
-通过测量构件(30)测量能旋转连接的环(16，17，18)的旋转速度(ω1)；
-检测能旋转连接的环(17，18)的旋转速度(ω1)的变化，所述能旋转连接的环的旋转速度的变化代表轴承(15a，15b)的退化；
-报告轴承(15a，15b)的退化。
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