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Die Erfindung betrifft das Gebiet des Lastdetektierens in Lagern und ist genauer auf eine Lageranordnung mit einem Schwingungssensor und Einrichtungen zum Bestimmen einer radialen auf das Lager wirkenden Last gerichtet, und auf ein Verfahren zum Bestimmen der radialen Last.
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Hintergrund der Erfindung
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Es ist bekannt, Lager mit Schwingungssensoren auszustatten, um Schäden an den Rollen oder Laufringen oder Betriebsparameter einer Maschine, die das Lager verwendet, zu detektieren.
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Schwingungssensoren werden verwendet, um Lagerschäden oder die Rotationsfrequenz zu detektieren, indem die Signale in einer Datenverarbeitungseinheit verarbeitet werden. Es ist bekannt, einen Anteil einer Kugeldurchlauffrequenz, die als eine scharfe Spitze in dem Frequenzspektrum erscheint, aus dem Sensorsignal zu extrahieren, um die Rotationsfrequenz des Lagers zu bestimmen, die direkt proportional zu der Kugeldurchlauffrequenz ist.
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Diese Schwingungssensoren können in ein Schwingungssensormodul mit einem Gehäuse integriert sein, das an einem Lagerring, einer Abdeckung oder einer Dichtung angebracht ist.
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Eine moderne Lagerüberwachungstechnologie umfasst viele Detektionseinrichtungen, die in einer Sensorabdeckung zusammengefasst sind, die an der axialen Fläche des Außenrings angebracht ist. In der Regel sind die Schwingungssensoren direkt an einem der Lagerringe oder an einem massiven einen der Lagerringe aufnehmenden Metallgehäuse angebracht, um eine gute Signalübermittlung sicherzustellen.
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Die Standardlager sind jedoch dazu ausgebildet, in einem breiten Anwendungsbereich verwendet zu werden und müssen die relevanten ISO Abmessungen exakt berücksichtigen. Sensoreinheiten, die an der Außenseite der Lagerringe angebracht sind, z. B. an einer Seitenfläche davon, haben sich in einigen bestimmten Anwendungsgebieten als nützlich erwiesen, eignen sich aber nicht zum standardisierten Gebrauch, da die ISO Abmessungen von einem mit solch einer Sensoreinheit ausgestatteten Lager überschritten werden.
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Es ist weiterhin bekannt, Lagerringe mit Dehnungssensoren zum Detektieren einer auf das Lager wirkenden Last auszustatten. Die Dehnungssensoren können Dehnungsmessstreifen zusammen mit der erforderlichen Schaltung oder ein Faser Bragg Gitter zusammen mit einer externen Abfrageeinrichtung sein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung strebt danach, eine verbesserte Lageranordnung bereitzustellen, die sich für eine neue und kostengünstige Art des Detektierens einer radialen auf das Lager wirkenden Last eignet.
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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit einem Lager und einer Datenverarbeitungseinheit, wobei das Lager einen ersten Lagerring, einen zweiten Lagerring, mindestens eine Reihe von Wälzkörpern, die in einer Wälzkammer zwischen dem ersten und zweiten Lagerring angeordnet sind, und mindestens einen Schwingungssensor, der an einer Seitenfläche des ersten Lagerrings angebracht ist, aufweist, wobei die Datenverarbeitungseinheit dazu ausgelegt ist, Schwingungssignale, die von dem Schwingungssensor erhalten werden, zu empfangen und zu verarbeiten.
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Geeigneter Weise ist der erste Lagerring, an dem der Schwingungssensor angebracht ist, nicht rotierend, weshalb der zweite Lagerring um die Lagerdrehachse rotierend ist. Wie verstanden wird, kann der erste Lagerring, abhängig von der Anwendung, ein Außenring des Lagers oder ein Innenring des Lagers sein.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Datenverarbeitungseinheit dazu ausgelegt ist, eine Amplitude eines Kugeldurchlaufanteils der Schwingungssignale zu bestimmen, und eine radiale auf das Lager wirkende Last zu bestimmen, indem diese Amplitude verwendet wird. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Amplitude eines Kugeldurchlaufanteils der Schwingungssignale eine überraschend zuverlässige Messgröße für die Lagerlast ist, sodass auf Dehnungssensoren zum Messen der Lagerlast verzichtet werden kann. Die Erfinder haben beobachtet und experimentell bestätigt, dass ein geschwindigkeitsunabhängiges lineares Verhältnis zwischen der Last und dem Kugeldurchlauffrequenzanteil des rohen Beschleunigungssignals existiert, das ausgewertet werden kann, um die Last abzuschätzen. Dieses reduziert die Kosten und vereinfacht die Integration der Lastsensoren in das Lager. Piezo-basierte Schwingungssensoren sind als hoch miniaturisierte und kostengünstige Produkte, wie sie in der Smartphone-Technologie weitverbreitet sind, verfügbar.
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Die Extraktion des Kugeldurchlaufanteils kann durch ein Filtern mit einem Filter vorgenommen werden, der nur ein Frequenzband um die Kugeldurchlauffrequenz herum durchlässt, indem eine Fourier-Transformation an dem Signal angewandt, die Kugeldurchlauffrequenzspitze in dem Frequenzspektrum identifiziert und die Amplitude des Maximums der Frequenzspitze als die Amplitude eines Kugeldurchlaufanteils genommen, und/oder ein rekursiver Algorithmus der kleinsten Quadrate angewandt wird, um die Amplitude, die durch den Kugeldurchlauf verursacht wird, in Echtzeit nachzuverfolgen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Schwingungssensor an dem ersten Lagerring in einer Lastzone des Lagers angebracht. Dieses gilt insbesondere für Anwendungen mit einer vorbestimmten oder bevorzugten Lastrichtung. In diesem Fall kann das Lager eine zugehörige Lastzone haben, die, z. B. durch ein Markieren, sichtbar gemacht ist, und das Lager kann derart angebracht sein, dass die Lastzone in die Lastrichtung orientiert ist.
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Die Lastzone des Lagers ist eine Zone in Umfangsrichtung, in der die Last, die zwischen den Lagerringen über die Wälzkörper übermittelt wird, maximal ist, üblicherweise ein oberer Totpunkt oder ein unterer Totpunkt des stationären Rings in seiner Orientierung in der endgültig montierten Anwendung. In dem Zusammenhang der Erfindung wird der Schwingungssensor als in der Lastzone angebracht angesehen, solange die Mittelposition des Sensors weniger als ±30°, vorzugsweise weniger als ±20°, von der tatsächlichen Maximalposition abweicht.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Datenverarbeitungseinheit dazu ausgelegt ist, die radiale Last als eine Funktion der Amplitude zu bestimmen, indem eine vorbestimmte Charakteristik verwendet wird, wobei die Charakteristik unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des Lagers ist. Die Erfinder haben überraschenderweise herausgefunden, dass eine funktionale Abhängigkeit der zu der Kugeldurchlauffrequenz gehörenden Beschleunigungssignalamplitude von der Last so gut wie frequenzunabhängig ist, d. h. dass sich die Charakteristik nicht ändert, wenn sich die Frequenz oder die Rotationsgeschwindigkeit ändert. Dieses scheint das Ergebnis einer frequenzabhängigen Dämpfung der Schwingungen zu sein, die die Zunahme in dem Beschleunigungssignal proportional zu dem Quadrat der Frequenz, die man erwarten würde, kompensiert. Dieses überraschende Ergebnis führt zu einer großen Vereinfachung der Signalverarbeitung.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Lager eine Abdeckung, die an dem ersten Lagerring angebracht ist, um die Wälzkammer zu schließen, wobei der zumindest eine Schwingungssensor an der Abdeckung angebracht ist. Vorzugsweise ist die Abdeckung an dem ersten Lagerring durch eine materialverbindende Verbindung, vorzugsweise durch Löten, angebracht. Diese starre Verbindung führt zu einer guten Übertragung der Schwingungen und reduziert die Eigenmode-Schwingungen der Abdeckung. In Ausführungsbeispielen, in denen die Sensorabdeckung selbst an die Lagerseitenfläche angelötet ist, können jegliche Lücken vermieden werden und die starrste mögliche Verbindung kann hergestellt werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Abdeckung mindestens eine axiale Endfläche, wobei der Schwingungssensor an der axialen Endfläche angebracht ist. Die axiale Endfläche ist normalerweise die größte Endfläche der Abdeckung und hat einigen Platz zum Anbringen des Sensors. In diesem Zusammenhang beziehen sich die Ausdrücke „axial” und „radial” auf die Rotationsachse und die Symmetrieachse der Lagerringe.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Abdeckung zumindest eine radiale Endfläche und eine axiale Endfläche aufweist, wobei der Schwingungssensor an der radialen Endfläche angebracht ist. Vorzugsweise ist die radiale Endfläche derart in direktem Kontakt mit dem Lagerring, dass diese Stelle mit sich bringt, dass der Sensor sehr dicht an dem Lagerring ist. Demzufolge ist die Dämpfung der Schwingungen auf dem Weg zwischen dem Lagerring und dem Sensor gering. Weiterhin ist dieser Teil der Abdeckung starr und von dem Lagerring derart stabilisiert, dass der Einfluss der Eigenmode-Schwingungen im Vergleich zu anderen Stellen reduziert ist. Durch ein Messen näher an potenziellen Beschädigungen des Lagers können die Schäden in einer früheren Phase detektiert werden.
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Der Einfluss der Eigenmode-Schwingungen kann weiterhin reduziert werden, indem Einrichtungen zum Dämpfen der Schwingungen der Abdeckung hinzugefügt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Schwingungssensor in einer Einkapselung innerhalb der Abdeckung angeordnet. Die Einkapselung dient als eine Einrichtung zum Dämpfen der Schwingungen und zum Schützen des Schwingungssensors. Vorzugsweise ist die Einkapselung durch Spritzguss direkt in der Abdeckung ausgebildet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Schwingungssensor in einem mit der Abdeckung verbundenen Metallblock angebracht. Der Metallblock ist vorzugsweise ein Aluminiumblock. Der Metallblock oder die Halterung kann eine Kammer bereitstellen, um einen luftgefüllten Bereich zu umfassen, der zum Funktionieren des Sensors gebraucht wird. Ein Piezo-basierter Schwingungssensor kann nicht mit einem anderen Kontakt zurechtkommen als dem, der für eine bestimmte Stelle definiert ist. Zusätzlich ist der Piezosensor vor Einflüssen von außen, wie beispielsweise Schmiermittel, Feuchtigkeit und Partikel, geschützt.
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In einem kostensparenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Abdeckung ein gestanztes Blechteil.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren einer Last auf ein Lager mit einem Außenring, einem Innenring, mindestens einer Reihe von Wälzkörpern, die in einer Wälzkammer zwischen dem Außenring und dem Innenring angeordnet ist, und mindestens einem Schwingungssensor, der an einer Seitenfläche eines der Lagerringe angebracht ist.
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Wie oben erwähnt, ist der mindestens eine Schwingungssensor in geeigneter Weise an dem Lagerring angebracht, der während des Lagerbetriebs nicht rotierend ist.
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Es wird vorgeschlagen, dass das Verfahren umfasst: das Bestimmen einer Amplitude eines Kugeldurchlaufanteils der Schwingungssignale, die von dem Schwingungssensor erhalten werden, und das Bestimmen einer radialen auf das Lager wirkenden Last, indem diese Amplitude verwendet wird.
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Die Erfindung beschreibt eine kompakte integrierte Lösung, um eine Last mit einer guten Sensitivität und einem guten Signal-zu-Rauschen-Verhältnis zu messen.
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Die ausgewählte Lösung umfasst vorzugsweise eine Sensoreinheit, die dazu ausgelegt ist, aus der Abdeckung in axialer Richtung an einem Dichtbereich herauszuragen, und die Elektronik in einem Sensorkörper aus Stahl zu halten. Der Nachteil dieser Lösung im Vergleich zu einem Anbringen der Sensoreinheit an dem Lagerring oder an einem Lagergehäuse ist die eingeschränkte Steifigkeit der Abdeckung im Vergleich zu dem Lager oder dem Gehäuse. Dieses resultiert in relativ niedrigen Eigenfrequenzen und zahlreichen Mode-Formen in dem interessanten Frequenzbereich. Die begleitenden Resonanzen sind in Bezug auf die interessanten Signale groß, sind aber, überraschender Weise, noch handhabbar.
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Die obigen Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die anhängigen Ansprüche und Figuren zeigen viele kennzeichnende Merkmale der Erfindung in speziellen Kombinationen. Der Fachmann wird leicht in der Lage sein, sich weitere Kombinationen oder Unterkombinationen dieser Merkmale zu überlegen, um die Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, an seine speziellen Bedürfnisse anzupassen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lagers;
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2 ist eine Schnittansicht eines Lageraußenrings mit einer Abdeckung, die gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung angebracht ist;
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3 ist eine Ansicht einer Abdeckung, die mit einem erfindungsgemäßen Schwingungssensor ausgestattet ist;
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4 ist eine Schnittansicht der Abdeckung gemäß Anspruch 3;
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5 ist eine Metallhalterung, die mit einem Schwingungssensor ausgestattet ist, der von der Abdeckung losgelöst ist;
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6 ist ein Diagramm, das ein typisches Frequenzspektrum eines radialen Beschleunigungssignals darstellt, das von einem Sensor in einer erfindungsgemäßen Lageranordnung erhalten wird;
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7 ist ein Diagramm, das gemessene Werte für die Amplitude der Kugeldurchlauffrequenz für verschiedene Lasten und für mehrere Wellengeschwindigkeiten darstellt; und
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8 ist ein Flussdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren darstellt.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lagers. Die äußeren Abmessungen sind die von einem beliebigen ISO Standardlager. Das Lager ist ein abgedecktes Lager und umfasst einen Außenring als einen ersten Ring 10, einen Innenring als einen zweiten Ring 12, mindestens eine Reihe von Wälzkörpern 14, die in einer Wälzkammer zwischen dem ersten Ring 10 und dem zweiten Ring 12 angeordnet sind und eine Abdeckung 16, die als ein gestanztes Blechstück ausgebildet ist, das an dem ersten Ring 16 angebracht ist, um die Wälzkammer zu umschließen.
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2 ist eine Schnittansicht des ersten Rings 10 mit der angebrachten Abdeckung 16. Ein Schwingungssensor 18 ist an einer Innenfläche der Abdeckung 16 angebracht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schwingungssensor ein Piezo-basierter Sensor. Weiterhin kann eine Datenverarbeitungseinheit 19 zum Verarbeiten der Sensordaten und eine kabellose Übertragungseinheit oder eine andere Art einer Kommunikationsschnittstelle in einer elektronischen Einheit bereitgestellt sein, die an der gleichen Innenfläche der Abdeckung 16 (nicht gezeigt) angebracht ist.
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Wie in weiterem Detail unten beschrieben wird, ist die Datenverarbeitungseinheit 19 dazu ausgelegt, eine Amplitude eines Kugeldurchlaufanteils der Schwingungssignale zu bestimmen und eine radiale auf das Lager wirkende Last zu bestimmen, indem die Amplitude verwendet wird.
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Die Abdeckung 16 ist durch Löten an dem ersten Ring 10 angebracht. Diese starre Verbindung führt zu einer guten Übertragung von Schwingungen und reduziert die Eigenmode-Schwingungen der Abdeckung. Lücken können vermieden werden und die starrste mögliche Verbindung kann hergestellt werden.
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In dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 umfasst die Abdeckung 16 eine axiale Endfläche 16a und eine radiale Endfläche 16b, wobei der Schwingungssensor 18 an der radialen Endfläche 16b in einer Lastzone des Lagers angebracht ist. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Sensor 18 an der axialen Endfläche 16a oder an beiden, der radialen Endfläche 16b und der axialen Endfläche 16a, angebracht sein. Der Schwingungssensor 18 ist in einem Block 22 angebracht, der in einer Einkapselung 20 aufgenommen ist, was unten in weiterem Detail beschrieben werden wird.
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Die folgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung konzentriert sich auf Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Beschreibung identischer Merkmale im Interesse der Kürze weggelassen ist. Der Leser wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung verwiesen. Merkmale mit gleichbedeutenden oder ähnlichen Funktionen sind mit den gleichen Bezugszeichen ausgestattet, um die Gemeinsamkeiten hervorzuheben.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht der mit dem Sensor 18 ausgestatteten Abdeckung 16 von der Innenseite der Abdeckung her, die der Wälzkammer zugewandt ist. Der Schwingungssensor 18 ist in einer Einkapselung 20 innerhalb der Abdeckung angeordnet. Die Einkapselung 20 ist durch Spritzguss oder maschinelle Bearbeitung ausgebildet und an der Abdeckung 16 mittels Schrauben angebracht. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Sensor 18 mit einen Kunststoff umspritzt sein, vorzugsweise direkt in der Abdeckung 16.
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4 ist eine Schnittansicht der mit dem Sensor 18 ausgestatteten Abdeckung 16 in dem Block 22 mit der Einkapselung 20, und 5 zeigt den Sensor 18 und den Block losgelöst von der Abdeckung 16 und der Einkapselung 20.
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Der Schwingungssensor ist in einem Metallblock 22 aus Aluminium oder einer Halterung angebracht, der/die mit der Abdeckung 18 verbunden ist. Der Metallblock 22 hat eine Kammer 22a, um einen luftgefüllten Bereich zu umfassen, der frei von dem Einkapselungsmaterial gehalten wird, was zum Funktionieren des Sensors 18 nötig ist. Zusätzlich ist das Piezoelement des Sensors vor Einflüssen von außen, wie beispielsweise Schmiermittel, Feuchtigkeit und Partikel, geschützt.
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6 ist ein Diagramm, das ein typisches Frequenzspektrum einer Fast-Fourier-Transformations-(FFT) eines radialen Beschleunigungssignals darstellt, das von einem Sensor in einer erfindungsgemäßen Lageranordnung für eine Wellengeschwindigkeit von 1000 rpm und eine Last von 20 kN erhalten wird. Die Kugeldurchlauffrequenzspitze ist mit einem Pfeil gekennzeichnet und klar erkennbar. Die Spitze bewegt sich mit einer wechselnden Wellenrotationsfrequenz des Lagers, und die Signalverarbeitungseinheit könnte die Position der Spitze nutzen, um die Wellenrotationsfrequenz oder andere interessante Parameter zu bestimmen.
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7 ist ein Diagramm, das gemessene Werte für die Amplitude der Kugeldurchlauffrequenz für unterschiedliche Lasten und für mehrere Wellengeschwindigkeiten darstellt. Innerhalb der Genauigkeit der Messung (+/–0.1 g) ist die Amplitude der Kugeldurchlauffrequenz unabhängig von der Wellengeschwindigkeit. Die Erfinder haben daher die Software in der Datenverarbeitungseinheit 19 derart konfiguriert, dass eine einzelne vorbestimmte Charakteristik zum Bestimmen der Last als eine Funktion der Amplitude des Kugeldurchlauffrequenzanteils des Beschleunigungssignals verwendet wird.
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8 ist ein Flussdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren darstellt, das in eine Software der Datenverarbeitungseinheit 19 implementiert ist. Gemäß der Erfindung umfasst das Verfahren das Bestimmen einer Amplitude eines Kugeldurchlaufanteils von Schwingungssignalen, die von dem Schwingungssensor 18 erhalten werden, und das Bestimmen einer radialen Last, die auf das Lager wirkt, indem die Amplitude in Verbindung mit der Charakteristik von 7 verwendet wird.
