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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der mit Sensoren ausgestatteten Lager, die Dehnungsmessfühler aufweisen.
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Hintergrund der Erfindung
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Es ist bekannt, die auf ein statisches (nicht rotierendes) Lager wirkende Last mit einer Anordnung von Dehnungssensoren zu messen, die in dem feststehenden (stationären) Ring eines Lagers integriert sind.
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Die Druckschriften
US 2013211742 A1 ,
US 7,444,888 B2 und
WO 2011128047 A1 beschreiben Sensorlager, die mit Dehnungssensoren ausgestattet sind, zusammen mit Verfahren zum Feststellen eines Lastvektors, der auf ein Lager mit Wälzkörpern wirkt. Üblicherweise umfassen die für jeden Sensor gemessenen Dehnungssignale eine Reihe von scharfen Spitzen, die den vorüberlaufenden Wälzkörpern entsprechen. Die Detektion der Last erfordert ein Analysieren (z. B. ein Mittelwertbilden über einen bestimmten Zeitbereich) des Signals über zumindest einige Signalspitzen, um zuverlässige Informationen zu erhalten.
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Dieses Verfahren ist nicht für ein Detektieren der Last auf stationäre oder nahezu nicht rotierende Lager geeignet, da das kombinierte Muster aus Dehnungen aufgrund der Kontaktkräfte der Wälzkörper und aus globalen Verformungen bei statischer Betriebsweise, die z. B. aus einer thermischer Ausdehnung stammen, keine Zeitreihe ist, die gemittelt werden könnte. Die Dehnungen, die aus den beiden Gruppen von Zusammenhängen stammen, sind nicht getrennt, wenn das Lager still steht oder rotiert. Wenn das Lager still steht, hängt die gemessene Dehnung stark von dem Phasenwinkel der Wälzkörper in Relation zu den Sensorpositionen ab. Der Phasenwinkel wird in der Literatur auch als die relative Wälzkörperposition bezeichnet.
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Da sich die Rolle-zu-Rolle Variationen des Signals herausmitteln, kann der Phasenwinkel der Wälzkörper nicht mehr aus dem endgültigen Signal abgeleitet werden. Um die Last auf das Lager in einer statischen Situation abzuschätzen, kann der Phasenwinkel nicht abgeleitet werden, wenn die in der Durchschnittsberechnung verwendeten Zeitreihen fehlen.
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Andere existierende Lösungen sind Lastmesszellen oder Dehnungssensoren an Strukturen, die das Lager umgeben. Globale Eigenmode-Deformationen der Lagerringe können aus den Dehnungssignalen abgeleitet werden, aber nicht die individuellen Dehnungsspitzen der Wälzkörper. Diese Lösungen messen indirekt die in einem Lager vorliegende Dehnung, wenn es mit der Last beaufschlagt wird, und sind unfähig, zwischen thermisch induzierten Deformationen auf der einen Seite und lastinduzierten Deformationen auf der anderen Seite zu unterscheiden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit einem ersten Lagerring, einem zweiten Lagerring, mindestens einer Reihe von Wälzkörpern, die zwischen dem ersten und zweiten Lagerring mit einer vorbestimmten Winkelbeabstandung zwischen den benachbarten Wälzkörpern angeordnet sind, und mit mindestens zwei Dehnungsmessfühlern, die an dem ersten Lagerring angebracht sind. Vorzugsweise ist der erste Lagerring, der die Messfühler trägt, stationär, d. h. bezüglich einer Hauptlastrichtung des Lagers nicht rotierend.
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Eine Winkelbeabstandung zwischen benachbarten Dehnungsmessfühlern ist kleiner als die Winkelbeabstandung zwischen den benachbarten Wälzkörpern. Eine Beabstandung der Messfühler unterhalb der Winkelbeabstandung der Wälzkörper ermöglicht eine Dehnungsdetektion mit einer Winkelauflösung unterhalb des Teilungswinkels der Wälzkörper, und folglich wird eine Detektion und eine Berücksichtigung des Phasenwinkels der Wälzkörper möglich. Dieses ermöglicht eine zuverlässige Detektion der Lagerlast sogar bei Anwendungen, bei denen das Lager nicht rotierend ist.
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Hier und in dem Folgenden wird das Lager nicht nur in dem strikt stationären Fall als nicht rotierend, stationär oder stillstehend betrachtet, sondern auch, wenn das Lager mit einer Frequenz rotiert, die ausreichend langsam ist, um sicherzustellen, dass die Rollendurchlauffrequenz geringer ist als die Abtastfrequenz, vorzugsweise um mindestens einen Faktor zehn geringer ist.
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Die Lageranordnung umfasst weiterhin eine Datenverarbeitungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Signale, die von den Dehnungsmessfühlern erhalten werden, wenn das Lager still steht, zu verarbeiten, und basierend auf diesen Signalen eine statische auf das Lager wirkende Last abzuleiten. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann in das Lager oder in ein Lagergehäuse integriert sein, oder Teil einer Remote-Steuereinheit zum Steuern und Überwachen der mit dem Lager ausgestatteten Maschine sein.
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Gemäß der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, Schätzungen für die Signale zu erhalten, die von den Dehnungsmessfühlern erhalten werden, indem zumindest eine Parametergleichung verwendet wird, die Parameter der Parametergleichung, die eine Anpassungsfunktion minimieren, zu bestimmen, und die statische auf das Lager wirkende Last zu bestimmen, indem zumindest einer der Parameter verwendet wird.
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Die Erfinder schlagen vor, eine Reihe von Dehnungssensoren, die in den feststehenden Lagerring (meistens den Außenring) integriert sind, als Eingabe für einen Kurvenanpassungsalgorithmus zu verwenden, um eine Parameterabschätzung der Dehnung/Deformation des Lagermusters über den ganzen feststehenden (d. h. den äußeren) Ring hinweg zu bekommen. Das Dehnungsmuster gibt Informationen über die Größe und Form der Lastzone, sowie über die angelegte absolute und relative Last. Die Kurvenanpassung funktioniert sowohl für langsam laufende Lager als auch für stationäre Lager.
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Die Parameterkurve der Dehnungsverteilung kann unabhängig von den Rollenpositionen abgeschätzt werden, was eine Lastabschätzung in jeder Winkelposition des Lagers zulässt. Die Erfindung lässt eine statische Lastmessung in einem Wälzlager zu.
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Dieses ist hauptsächlich durch die Verwendung einer Reihe von mindestens 2 Dehnungssensoren möglich, die sequenziell in der Umfangsrichtung angeordnet sind, mit einer Beabstandung, die ausreichend kleiner ist als die Winkelbeabstandung zwischen den Wälzkörpern. Die Sensoren haben vorzugsweise ein relatives und absolutes Nachverfolgen (Position und Versatz) der Dehnungssensoren im Vergleich zueinander gewährleistet. Eine mögliche Wahl der Dehnungssensoren sind optische Faser Bragg Dehnungssensoren.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfassen die Parameter, die durch die Datenverarbeitungseinrichtung erhalten werden, mindestens einen Phasenwinkel der Wälzkörper.
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Weiterhin umfassen die Parameter, die durch die Datenverarbeitungseinrichtung erhalten werden, zumindest eine Breite einer Lastzone des Lagers. Die Breite der Lastzone kann als eine Funktion des Verschleißes und/oder einer thermisch induzierten Vorspannung und/oder, unter anderem, einer Einsatzvorspannung, eines Kugeldurchmessers und eines Lagerspiels variieren.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, Eichwerte, wie beispielsweise Versatzwerte, die einen Versatz zwischen einer theoretischen und einer tatsächlichen Einbauposition der Messfühler beschreiben, zu speichern und zu verwenden, und diese Versatzwerte zu berücksichtigen, wenn die statische Last bestimmt wird.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, ist das Lager dazu ausgelegt, derart in einer Anwendung angebracht zu werden, sodass eine Lastzone des ersten Rings in einer Lastrichtung der Anwendung orientiert ist. Bei Anwendungen, bei denen eine bevorzugte oder vorbestimmte Lastrichtung existiert, kann die Detektion der Last erleichtert sein. Der erste festehende Lagerring kann mit einem Marker in der bevorzugten Lastrichtung ausgestattet sein, um die Anbringung zu erleichtern.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Lager mindestens 3 Dehnungsmessfühler auf, die in der Lastzone des ersten Rings angebracht sind. Die Lastzone des Lagers ist ein Winkelbereich mit einer Breite von 50–80° (1–1,5 rad), der um die Lastrichtung zentriert ist, in dem die rolleninduzierte Dehnung konzentriert ist. Die Lastzone kann als die Zone definiert sein, in der die rolleninduzierten Spitzen in dem zeitabhängigen und zeitunabhängigen Dehnungssignal, das durch die Messfühler gemessen wird, 20% oder mehr der maximalen Spitzen betragen. Die Breite der Lastzone kann von einer Vorspannung, einer Passung und einem Spiel des Lagers abhängen. Vorzugsweise sind die mindestens 3 Dehnungsmessfühler in einer Zone einer Winkelbreite angebracht, die gleich oder kleiner ist als das doppelte der Winkelbeabstandung zwischen den benachbarten Wälzkörpern.
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In einem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Lager mindestens 5 Dehnungsmessfühler, die in der Lastzone des ersten Rings angebracht sind.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer statischen Last, die auf ein Lager wirkt, indem Signale von mindestens zwei Dehnungsmessfühlern verwendet werden, die an einem ersten Lagerring angebracht sind, wobei die Signale durch die Dehnungsmessfühler erhalten werden, wenn das Lager stillsteht und/oder mit geringer Geschwindigkeit rotiert. Eine Winkelbeabstandung zwischen benachbarten Dehnungsmessfühlern ist kleiner als die Winkelbeabstandung zwischen benachbarten Wälzkörpern. Das Verfahren umfasst die Schritte des:
- a. Erhaltens von Schätzungen für die Signale, die von den Dehnungsmessfühlern mittels mindestens einer Parametergleichung erhalten werden,
- b. Bestimmens der Parameter der Parametergleichung, die eine Anpassungsfunktion minimieren; und
- c. Bestimmens der statischen Last, die auf das Lager wirkt, indem zumindest einer der Parameter verwendet wird.
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Die oben erwähnten Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie die anhängigen Ansprüche und Figuren zeigen mehrere charakterisierende Merkmale der Erfindung in spezifischen Kombinationen. Der Fachmann wird leicht fähig sein, sich weitere Kombinationen oder Unterkombinationen dieser Merkmale zu überlegen, um die Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, seinen speziellen Bedürfnissen anzupassen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ist eine schematische Darstellung einer Lageranordnung mit einem erfindungsgemäßen Lager; und
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2 ist eine graphische Darstellung verschiedener theoretischer Kurven.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 ist eine schematische Darstellung einer Lageranordnung mit einem Lager 10, das einen stationären Außenring 14 als einen ersten Ring, einen rotierenden Innenring 12 als einen zweiten Ring umfasst, und mit einer Reihe von Wälzkörpern 16, die zwischen dem Innenring 12 und dem Außenring 14 angeordnet sind. Eine vorbestimmte Winkelbeabstandung zwischen den benachbarten Wälzkörpern 16 wird durch einen Käfig (nicht dargestellt) aufrechterhalten.
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Das Lager 10 ist ein Lagertyp 22220, der dazu ausgebildet ist, in einer Anwendung mit einer differenzierten vorbestimmten Lastrichtung L verwendet zu werden, z. B. in einem Rohrvortriebsantrieb einer Rohrvortriebsplattform, wobei es gewünscht ist, die auf das Lager 10 wirkende Last zu messen, auch wenn das Lager 10 still steht.
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Der Außenring des Lagers 10 ist mit fünf Dehnungsmessfühlern 18a, 18b, 18c, 18d, 18e in einer Lastzone 20 des Lagers 10 ausgestattet. Die Dehnungsmessfühler 18a–18e, wie in dem Ausführungsbeispiel dargestellt, sind Micromeasurement (MeM)-Dehnungsmessstreifen Typ EA-06-062AQ-350, die an der radial äußeren Fläche des Außenrings 14 an Winkelpositionen von 143°, 163°, 180°, 197° und 217° angebracht sind, wobei die Winkel derart definiert sind, dass bei 180° die Lastrichtung L des Lagers 10 liegt. In einem Ausführungsbeispiel mit der kleineren Lastzone 20 können die Messfühler 18a–18e z. B. bei 155°, 165°, 180°, 195° und 205° angebracht sein.
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Für ein Lager 10 mit 14 oder 19 Wälzkörpern 16 beträgt die Winkelbeabstandung φr zwischen den benachbarten Wälzkörpern 16 25,7° oder 18,9°, so dass die Winkelbeabstandung α1 zwischen mindestens zwei der Dehnungsmessfühler 18a–18e in beiden Fällen kleiner ist als die Winkelbeabstandung φr zwischen den benachbarten Wälzkörpern 16.
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Dieses ermöglicht eine Winkelauflösung unterhalb des Teilungswinkels φr der Wälzkörper 16, und folglich eine Detektion, die den Phasenwinkel τr der Wälzkörper 16 berücksichtigt.
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Der Winkelbereich zwischen 140° und 220° entspricht der Lastzone 20 des Lagers 10.
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Wie schematisch in 1 dargestellt, sind die Messfühler 18a–18e mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 22 verbunden, die dazu ausgelegt ist, Signale, die von den Dehnungsmessfühler 18a–18e erhalten werden, wenn das Lager 10 im Betrieb ist, sowie wenn das Lager 10 still steht, zu empfangen und zu verarbeiten, und eine statische auf das Lager 10 wirkende Last, basierend auf diesen Signalen, abzuleiten. Die Datenverarbeitungseinrichtung 22 kann in das Lager 10 oder in ein Lagergehäuse integriert sein oder Teil einer Remote-Steuereinheit zum Steuern und Überwachen der mit dem Lager 10 ausgestatteten Maschine, sein.
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Aufgrund seiner Software ist die Datenverarbeitungseinrichtung 22 dazu ausgelegt, Schätzungen für die von jedem der Dehnungsmessfühler 18a, 18b, 18c, 18d, 18e erhaltenen Signale zu erhalten, indem mindestens eine Parametergleichung verwendet wird, die Parameter der Parametergleichung, die eine Anpassungsfunktion minimieren, zu bestimmen, und die statische auf das Lager 10 wirkende Last zu bestimmen, indem zumindest einer der Parameter verwendet wird, wie weiter unten mit Bezug auf 2 detaillierter beschrieben wird.
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2 illustriert ein typisches gemessenes Dehnungssignalprofil P(t) als Funktion des Winkelunterschieds zu der Lastrichtung L (0 rad) im Bogenmaß, eine Wellenformfunktion W(t), die die Form der Spitzen annähert, und eine Gewichtsfunktion Z(t), die eine Gaussfunktion mit einer Breite ϕ ist, wobei ϕ die Breite der Lastzone ist. W(t) ist ein positiver polynomischer Ausdruck mit einer sinusförmigen Abhängigkeit von t, z. B. W(t) = α + (b + b·sin(2π(t – τr)/φr))4
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Andere Muster für die Wellenformfunktion, z. B. periodische Wiederholungen von Gaussfunktionen oder Lorentzfunktionen sind möglich.
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In dem oben Erwähnten ist a ein Versatzwert, b bestimmt die Amplitude des Signals, τr ist die Phase der Rollen und ϕr ist die Winkelbeabstandung zwischen den benachbarten Wälzkörpern 16 im Bogenmaß. Der Exponent 4 schärft die Spitzen.
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Die Abschätzung S(t) für das Gesamtsignal ist das Produkt dieser Funktionen: S(t) = W(t)·S(t)
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Die Parameter a, b, τr und ϕ der Parameterfunktion S(t) werden bestimmt, indem ein Kurvenanpassungsalgorithmus verwendet wird.
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Die schraffierten Punkte S1, ...S5 in 2 stellen die aktuellen Messwerte dar, die an den Stellen der Dehnungsmessfühler 18a, 18b, 18c, 18d, 18e aufgenommen werden. Indem ein bekannter Kurvenanpassungsalgorithmus verwendet wird, werden die Parameter solange variiert, bis der RMS Fehler zwischen den Messwerten und die Schätzung S(t), wie oben berechnet, minimiert werden.
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Seien t1, ...t5 die Winkeleinbaupositionen der Messfühler und S1, ...S5 die Messwerte, die von diesen Sensoren aufgenommen werden, dann minimiert der Algorithmus die Funktion L(a, b, τr, ϕ) = F 5 / i=0 (S(ti) – Si)2, indem ein geeigneter Suchalgorithmus verwendet wird.
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Die auf das Lager 10 wirkende Last kann dann von der Datenverarbeitungseinheit 20 berechnet werden, indem insbesondere der Parameters b und eine vorherbestimmte Charakteristik, die z. B. in Form von Parameter eines Anpassungspolynoms dritter Ordnung gespeichert werden kann, verwendet wird. Die Werte von τr, φ, die die Funktion L(a, b, τr, ϕ) minimieren, ergeben den Phasenwinkel der Rollen und die Breite der Lastzone 20. Folglich gibt das Dehnungsmuster Informationen über die Größe und Form der Lastzone 20 sowie über die angelegte absolute und relative Last auch bei stationären Lager. Die Erfindung ermöglicht deshalb eine statische Lastmessung, die in ein Wälzlager integriert ist.
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In dem oben Erwähnten hat die Lastendatenverarbeitungseinrichtung 22 einen Speicher zum Speichern der Eichwerte, wie beispielsweise von Versatzwerten, die einen Versatz Δti und den relativen Phasenwinkel der Wälzkörper, verglichen mit der Last (L) zwischen theoretischen Einbaupositionen ti,theor und tatsächlichen Einbaupositionen ti der Messfühler beschreiben, und um diese Versatzwerte zu berücksichtigen, wenn die statische Last bestimmt wird. t1, ...t5, so dass die Letzteren durch ti = ti,theor + Δti gegeben sind.
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Die Last kann detektiert werden, indem nicht nur der Parameter b, sondern auch weitere Parameter, wie oben beschrieben, verwendet werden und die Funktionen für die Parameternäherung kann unterschiedlich gewählt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013211742 A1 [0003]
- US 7444888 B2 [0003]
- WO 2011128047 A1 [0003]
