DE102017120594A1 - Measuring arrangement for determining at least one state variable in a rolling bearing - Google Patents
Measuring arrangement for determining at least one state variable in a rolling bearing Download PDFInfo
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Abstract
Wälzlager weisen üblicherweise einen Innenring, einen Außenring sowie dazwischen angeordnete Wälzkörpern auf, welche auf dem Innenring und dem Außenring abwälzen. Idealerweise sollten die Wälzkörper auf dem Innenring bzw. auf dem Außenring schlupffrei abrollen.Es wird eine Messanordnung 3 zur Ermittlung von mindestens einer Zustandsgröße v1, v2, v3, n bei einem Wälzlager, wobei die Zustandsgröße v1, v2, v3, n eine Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 von einer der Rollen 1 in dem Wälzlager umfasst, wobei die Rollen 1 um die Rollenachse RA rotierbar sind und/oder in Umlaufrichtung um eine Lagerachse des Wälzlagers bewegbar sind, vorgeschlagen mit einem ersten Sensor 4 zur Ausgabe von ersten Messdaten M1 und mit einem zweiten Sensoren 5 zur Ausgabe von zweiten Messdaten M2, wobei die Sensoren 4,5 in Umlaufrichtung um die Lagerachse um einen örtlichen Versatz nacheinander anordbar sind, und mit einer Auswerteeinrichtung 6, wobei die Auswerteeinrichtung 6 ausgebildet ist, durch Vergleich der ersten und der zweiten Messdaten M1, M2 einen zeitlichen Versatz delta_tw zwischen den ersten und den zweiten Messdaten M1, M2 zu bestimmen und auf Basis des zeitlichen Versatzes delta_tw und des örtlichen Versatzes die Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 zu bestimmen.Rolling bearings usually have an inner ring, an outer ring and arranged therebetween rolling elements, which roll on the inner ring and the outer ring. Ideally, the rolling elements should roll freely on the inner ring or on the outer ring. A measuring arrangement 3 for determining at least one state variable v1, v2, v3, n in a rolling bearing, wherein the state variable v1, v2, v3, n is an end surface velocity v1 of one of the rollers 1 in the rolling bearing, wherein the rollers 1 are rotatable about the roller axis RA and / or are movable in the circumferential direction about a bearing axis of the rolling bearing, proposed with a first sensor 4 for outputting first measurement data M1 and with a second sensors 5 for outputting second measured data M2, wherein the sensors 4, 5 can be arranged in the direction of rotation about the bearing axis one after the other by a local offset, and with an evaluation device 6, wherein the evaluation device 6 is formed by comparing the first and the second measured data M1, M2 to determine a time offset delta_tw between the first and second measurement data M1, M2 and Ba sis the temporal offset delta_tw and the local offset to determine the front surface velocity v1.
Description
Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Ermittlung von mindestens einer Zustandsgröße bei einem Wälzlager mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a measuring arrangement for determining at least one state variable in a rolling bearing having the features of the preamble of
Wälzlager weisen üblicherweise einen Innenring, einen Außenring sowie dazwischen angeordnete Wälzkörpern auf, welche auf dem Innenring und dem Außenring abwälzen. Idealerweise sollten die Wälzkörper auf dem Innenring bzw. auf dem Außenring schlupffrei abrollen. Aufgrund von geometrischen Gegebenheiten, wie zum Beispiel, dass der Laufbahndurchmesser am Außenring größer als der Laufbanddurchmesser Innenring ist, ergibt sich zwangsläufig ein gewisser Schlupf. In radial belasteten Wälzlager kommt es zudem in lastfreien Zonen, in denen die Wälzkörpern nur unzureichend belastet sind, zu einem Verlust der „Traktion“ und somit zu einem weiteren Aufbau von einem Wälzkörper-Schlupf. Der Wälzkörper-Schlupf hängt zudem von der Schmierungssituation (Schmierstoffmenge, Viskosität, usw.) als auch von der Belastungssituation (Dynamik, Vorspannung, usw.) ab. Der Wälzkörper-Schlupf kann verantwortlich für Verschleiß-, Anschmierungs- und WEC-Schäden an Wälzlager sein.Rolling bearings usually have an inner ring, an outer ring and arranged therebetween rolling elements, which roll on the inner ring and the outer ring. Ideally, the rolling elements should roll on the inner ring or on the outer ring without slip. Due to geometrical conditions, such as that the raceway diameter on the outer ring is greater than the inner diameter of the treadmill diameter, there is inevitably some slip. In radially loaded roller bearings, there is also a loss of "traction" in load-free zones, in which the rolling elements are loaded only insufficient, and thus to a further structure of a rolling element slippage. The rolling element slip also depends on the lubrication situation (lubricant quantity, viscosity, etc.) as well as on the load situation (dynamics, preload, etc.). The rolling element slip can be responsible for wear, lubrication and WEC damage to rolling bearings.
Zur Bestimmung des Wälzkörper-Schlupfs kann die Rollendrehzahl gemessen werden. Die Druckschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu Ermittlung zumindest der Rollendrehzahl vorzuschlagen, welche eine einfache Integration ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Meßanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie dem beigefügten Figuren.The invention has for its object to provide a measuring arrangement for determining at least the roller speed, which allows easy integration. This object is achieved by a measuring arrangement with the features of
Gegenstand der Erfindung ist eine Meßanordnung zur Ermittlung von mindestens einer Zustandsgröße bei einem Wälzlager. Das Wälzlager ist insbesondere als ein Rollenwälzlager ausgebildet und weist eine Mehrzahl von Rollen als Wälzkörper auf. Das Wälzlager definiert eine Lagerachse. Jede der Rollen definiert eine der jeweiligen Rolle zugeordnete Rollenachse, um die die jeweilige Rolle rotiert. Die Zustandsgröße ist insbesondere als eine Messgröße oder als eine abgeleitete Größe zur Beschreibung des Zustands, insbesondere des Bewegungszustands, des Wälzlagers ausgebildet. Die mindestens eine Zustandsgröße umfasst zumindest eine Stirnoberflächengeschwindigkeit von einer der Rollen in dem Wälzlager. Die Stirnoberflächengeschwindigkeit beschreibt die Geschwindigkeit eines Abschnitts auf der Stirnseite der Rolle. Die Stirnoberflächengeschwindigkeit kann in der Einheit Weg pro Zeit angegeben sein.The invention relates to a measuring arrangement for determining at least one state variable in a rolling bearing. The rolling bearing is designed in particular as a roller rolling bearing and has a plurality of rollers as rolling elements. The rolling bearing defines a bearing axis. Each of the rollers defines a roller axis associated with the respective roller around which the respective roller rotates. The state variable is designed, in particular, as a measured variable or as a derived variable for describing the state, in particular the state of motion, of the rolling bearing. The at least one state variable includes at least one end surface velocity of one of the rollers in the rolling bearing. The front surface speed describes the speed of a section on the face of the roller. The front surface speed may be given in units of travel per time.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Meßanordnung mindestens einen ersten Sensor zur Ausgabe von ersten Messdaten und einen zweiten Sensor zur Ausgabe von zweiten Messdaten aufweist. Die Sensoren sind in Umlaufrichtung um die Lagerachse um einen örtlichen Versatz nebeneinander anordbar. Somit wird eine Rolle, insbesondere eine Rollenstirn, im Speziellen ein Abschnitt der Rollenstirn, zunächst von dem ersten Sensor und zeitlich und/oder örtlich nachfolgend von dem zweiten Sensor erfasst.In the context of the invention, it is proposed that the measuring arrangement has at least one first sensor for outputting first measured data and a second sensor for outputting second measured data. The sensors can be arranged next to one another in the direction of rotation about the bearing axis by a local offset. Thus, a roller, in particular a roller end, in particular a section of the roller end, first of the first sensor and temporally and / or locally subsequently detected by the second sensor.
Die Meßanordnung weist eine Auswerteeinrichtung auf, wobei die Auswerteeinrichtung vorzugsweise als eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung, wie zum Beispiel ein Computer, ein Mikrocontroller etc. ausgebildet ist. Die Auswerteeinrichtung ist insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, durch Vergleich der ersten und der zweiten Messdaten, wobei die ersten und die zweiten Messdaten einer gemeinsamen Rolle des Wälzlagers zugeordnet werden können, einen zeitlichen Versatz zwischen den ersten und den zweiten Messdaten zu bestimmen. Es wird davon ausgegangen, dass der erste Sensor zu der gemeinsamen Rolle das gleiche Signal wie der zweite Sensor aufnimmt und somit der zeitliche Versatz bestimmt werden kann. Ferner ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, auf Basis des zeitlichen Versatzes und des örtlichen Versatzes, welcher durch die konstruktive Anordnung der Sensoren festgelegt ist, die Stirnoberflächengeschwindigkeit der gemeinsamen Rolle zu bestimmen.The measuring arrangement has an evaluation device, wherein the evaluation device is preferably designed as a digital data processing device, such as a computer, a microcontroller, etc. The evaluation device is designed, in particular, in terms of programming technology and / or circuitry, by comparing the first and the second measurement data, wherein the first and the second measurement data can be assigned to a common roller of the rolling bearing, to determine a time offset between the first and the second measurement data. It is assumed that the first sensor to the common role receives the same signal as the second sensor and thus the time lag can be determined. Furthermore, the evaluation device is designed based on the time offset and the local offset, which is determined by the structural arrangement of the sensors to determine the front surface speed of the common role.
Die Messsignale und somit die Messdaten von zwei in einem insbesondere kurzen örtlichen Abstand hintereinander angeordneten, auf die Rollenstirnseite messenden Sensoren hängen hauptsächlich von den Inhomogenitäten des Werkstoffelementes an der Messstelle ab. Aus der Zeit, die verstreicht, bis ein Signalpeak von dem ersten Sensor den zweiten Sensoren erreicht, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit insbesondere der gemeinsamen Rolle bestimmen. Die Meßsignale an den Sensoren schwanken hochfrequent aufgrund Material- oder Oberflächeninhomogenitäten der Rolle an der Rollenstirnseite. Aus dem zeitlichen Versatz mit dem solche Ausschläge bzw. Inhomogenitäten vom ersten Sensor auch den zweiten Sensor erreichen, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit der gemeinsamen Rolle bestimmen.The measurement signals, and thus the measurement data of two sensors arranged in succession in a particular short local distance, measured on the roller face side, mainly depend on the inhomogeneities of the material element at the measuring point. From the time that elapses until a signal peak from the first sensor reaches the second sensors, the front surface speed can be determined in particular determine the common role. The measuring signals at the sensors fluctuate high-frequency due to material or surface inhomogeneities of the roller on the roller end face. From the time lag with which such rashes or inhomogeneities from the first sensor also reach the second sensor, the front surface speed of the common roller can be determined.
Bei einer möglichen Umsetzung der Erfindung werden die ersten und zweiten Messdaten über eine Autokorrelationsfunktion miteinander verglichen. Die Autokorrelationsfunktion ermittelt den zeitlichen Abstand zwischen den ersten und zweiten Messdaten in Bezug auf die gemeinsame Rolle.In one possible implementation of the invention, the first and second measurement data are compared with each other via an autocorrelation function. The autocorrelation function determines the time interval between the first and second measurement data with respect to the common role.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Sensoren in dem gleichen radialen Abstand zu der Lagerachse angeordnet. Alternativ oder ergänzend weisen die Sensoren den gleichen Abstand zu der Rollenstirnseite auf. Dadurch, dass für jeden der Sensoren die Meßbedingungen in Bezug auf die gemeinsame Rolle gleich sind, wird die Messgenauigkeit der Meßanordnung verbessert.In a preferred embodiment of the invention, the sensors are arranged at the same radial distance from the bearing axis. Alternatively or additionally, the sensors are at the same distance from the roller end side. Characterized in that the measurement conditions are the same for each of the sensors with respect to the common role, the measurement accuracy of the measuring arrangement is improved.
Es ist besonders bevorzugt, dass eine Meßachse der Sensoren jeweils versetzt zu der Rollenachse angeordnet ist. Beispielsweise sind die Meßachsen der Sensoren in einem anderen radialen Abstand und/oder auf einem anderen Teilkreisdurchmesser als die Rollenachsen angeordnet.It is particularly preferred that a measuring axis of the sensors is arranged in each case offset relative to the roller axis. For example, the measuring axes of the sensors are arranged at a different radial distance and / or on a different pitch circle diameter than the roller axes.
Prinzipiell können die Sensoren beliebig ausgebildet sein und damit z.B. als optische Sensoren oder Magnetostriktive Sensoren realisiert sein. Besonders bevorzugt sind diese als Wirbelstromsensoren ausgebildet. Wirbelstromsensoren sind als die Sensoren besonders geeignet, da diese unempfindlich gegen Öl, Wasser, Staub etc. sind und somit unempfindlich gegen Stoffe sind, die zwischen den Wirbelstromsensoren und den Rollen vorhanden sind. Die Messsignale und somit die Messdaten von zwei in einem kurzen örtlichen Abstand hintereinander angeordneten, auf die Rollenstirnseite messenden Wirbelstromsensoren hängen hauptsächlich von den magnetischen Inhomogenitäten der Rolle bzw. der Rollenstirn an der Messstelle ab. Aus der Zeit, die verstreicht, bis ein Signalpeak von dem ersten Wirbelstromsensor den zweiten Wirbelstromsensoren erreicht, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit insbesondere der gemeinsamen Rolle bestimmen. Die Meßsignale an den Wirbelstromsensoren schwanken hochfrequent aufgrund Materialinhomogenitäten der Rolle an der Rollenstirnseite. Aus dem zeitlichen Versatz mit dem solche Ausschläge bzw. Inhomogenitäten vom ersten Wirbelstromsensor auch den zweiten Wirbelstromsensor erreichen, lässt sich die Stirnoberflächengeschwindigkeit der gemeinsamen Rolle bestimmen.In principle, the sensors can be of any desired design and thus, for example, be implemented as optical sensors or magnetostrictive sensors. These are particularly preferably designed as eddy-current sensors. Eddy current sensors are particularly suitable as the sensors, since they are insensitive to oil, water, dust, etc., and are thus insensitive to substances present between the eddy current sensors and the rollers. The measuring signals, and thus the measured data of two eddy current sensors arranged in a short local distance one behind the other, depend on the magnetic inhomogeneities of the roller or the roller end at the measuring point. From the time that elapses until a signal peak from the first eddy current sensor reaches the second eddy current sensors, the front surface speed, in particular of the common roller, can be determined. The measuring signals at the eddy current sensors fluctuate high frequency due to material inhomogeneities of the roller on the roller end side. From the time offset with which such deflections or inhomogeneities from the first eddy current sensor also reach the second eddy current sensor, the end surface velocity of the common roller can be determined.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, aus den ersten und/oder aus den zweiten Messdaten einen zeitlichen Versatz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rollen oder einen zeitlichen Versatz zwischen zwei Taschen von einem Käfig des Wälzlagers zu bestimmen. Während die Bestimmung der Stirnoberflächengeschwindigkeit auf die Inhomogenitäten der Rolle bzw. der Rollenstirn und daraus resultierenden Signalschwankungen in den ersten und/oder zweiten Messdaten beruht, kann der zeitliche Versatz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rollen und/oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fenstern sehr einfach und deutlich aus den ersten oder alternativ hierzu aus den zweiten oder aus den ersten und zweiten Messdaten abgeleitet werden.In a preferred embodiment of the invention, the evaluation device is designed in particular programmatically and / or circuitry to determine from the first and / or from the second measurement data a time offset between two consecutive roles or a time offset between two pockets of a cage of the bearing. While the determination of the front surface velocity is based on the inhomogeneities of the roll or the end of the roll and the resulting signal fluctuations in the first and / or second measurement data, the time offset between two consecutive rolls and / or between two successive windows can be very simple and clear from the first or alternatively derived from the second or from the first and second measurement data.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, auf Basis der geometrischen, insbesondere konstruktiven Größen des Wälzlagers sowie des zeitlichen Versatzes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Taschen und/oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rollen eine Umlaufgeschwindigkeit der Rollen und/oder des Käfigs (Käfigdrehzahl) um die Lagerachse als Zustandsgröße zu bestimmen.In a preferred embodiment of the invention, the evaluation device is designed in particular programmatically and / or circuitry, based on the geometric, in particular constructive sizes of the rolling bearing and the time offset between two consecutive pockets and / or between two consecutive roles a circulating speed of the rollers and / or Cage (cage speed) to determine the bearing axis as a state variable.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet, auf Basis der Stirnoberflächengeschwindigkeit und der Umlaufgeschwindigkeit eine Rollendrehzahl der insbesondere gemeinsamen Rolle in dem Wälzlager als Zustandsgröße zu bestimmen.In a preferred embodiment of the invention, the evaluation device is designed in particular programmatically and / or circuitry, based on the front surface speed and the rotational speed to determine a roller speed of the particular common role in the rolling bearing as a state variable.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Meßanordnung das Wälzlager, wobei die Sensoren in Umlaufrichtung um die Lagerachse um einen örtlichen Versatz nacheinander angeordnet sind, wie dies zuvor beschrieben wurde.In a preferred embodiment of the invention, the measuring arrangement comprises the rolling bearing, wherein the sensors are arranged in the direction of rotation about the bearing axis by a local offset successively, as previously described.
Besonders bevorzugt ist das Wälzlager als ein Wälzlager mit einem Teilkreisdurchmesser >500 mm, vorzugsweise >1000 mm ausgebildet. Besonders bevorzugt wird das Wälzlager als Rotorlagerung in einer Windkraftanlage verwendet.Particularly preferably, the rolling bearing is designed as a rolling bearing with a pitch circle diameter> 500 mm, preferably> 1000 mm. Particularly preferably, the rolling bearing is used as a rotor bearing in a wind turbine.
Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie Signaldiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Messanordnung.
-
1 a schematic representation of a measuring arrangement as an embodiment of the invention and signal diagrams for explaining the operation of the measuring arrangement.
Die
Zur Messung der Rollendrehzahl, also der Anzahl der Drehungen der Rolle
Bei einer Rotation der Rolle
Auf Basis des zeitlichen Versatzes delta_tw lässt sich eine Stirnoberflächengeschwindigkeit v1 berechnen. Die Stirnoberflächengeschwindigkeit
Um die Rollendrehzahl aus der Stirnoberflächengeschwindigkeit berechnen zu können ist es somit notwendig, die Umlaufgeschwindigkeit
Die Auswerteeinrichtung
Die Messsignale von den zwei kurz hintereinander angeordneten, auf die Rollenstirnseite 2 messenden Wirbelstromsensoren als Sensoren
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Rollerole
- 22
- Rollenstirnroller end
- 33
- Messanordnungmeasuring arrangement
- 44
- erster Sensorfirst sensor
- 55
- zweiter Sensorsecond sensor
- 66
- Auswerteeinrichtungevaluation
- RARA
- Rollenachseroller axis
- M1, M2M1, M2
- Messdatenmeasurement data
- P1, P2P1, P2
- Peakspeaks
- tt
- Zeit [s]Time
- v1v1
- Oberflächengeschwindigkeit der Rolle an SensorpositionSurface speed of the roll at sensor position
- v2v2
- Umlaufgeschwindigkeit der Rolle und/oder des Käfigs um die Lagerachse und/oder Oberflächengeschwindigkeit der Rolle an der LagerachseCirculation speed of the roller and / or the cage around the bearing axis and / or surface speed of the roller on the bearing axis
- v3v3
- Oberflächengeschwindigkeit der Rolle an Sensorposition in Umlaufrichtung um die RollenachseSurface speed of the roll at sensor position in the direction of rotation about the roll axis
- nn
- Rollendrehzahl um die RollenachseRoller speed around the roller axis
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |