DE102017123474A1 - Method for detecting bearing damage and bearing arrangement - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Schäden an einem Lager, welches einen ersten Lagerring (02) und einen gegenüber dem ersten Lagerring (02) um eine Achse (04) rotierbaren zweiten Lagerring (03) umfasst, wobei der erste Lagerring (03) mindestens einen die Achse (04) vollständig umlaufenden Permanentmagnetisierungsbereich aufweist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Erfassen eines zeitabhängigen Magnetfeldsensorsignals an dem ersten Lagerring (02), welches durch den Permanentmagnetisierungsbereich und durch eine auf den ersten Lagerring (02) wirkende Kraft entsteht; in einem Referenzzustand des Lagers Aufzeichnen des Magnetfeldsensorsignals als Referenz; in einem Betriebszustand des Lagers Ermitteln der Abweichung zwischen dem aktuellen Magnetfeldsensorsignal und der aufgezeichneten Referenz; Generieren eines Fehlersignals, wenn die ermittelte Abweichung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.Die Erfindung betrifft außerdem eine Lageranordnung mit einer Messanordnung, die sich zur Ausführung des genannten Verfahrens eignet.The present invention relates to a method for detecting damage to a bearing which comprises a first bearing ring (02) and a second bearing ring (03) rotatable about an axis (04) relative to the first bearing ring (02), wherein the first bearing ring (03 ) Has at least one axis (04) completely circumferential permanent magnetization region. The method comprises the following steps: detecting a time-dependent magnetic field sensor signal at the first bearing ring (02), which is produced by the permanent magnetization region and by a force acting on the first bearing ring (02); in a reference state of the bearing, recording the magnetic field sensor signal as a reference; in an operating condition of the bearing, determining the deviation between the current magnetic field sensor signal and the recorded reference; Generating an error signal if the determined deviation exceeds a predetermined threshold value. The invention also relates to a bearing arrangement with a measuring arrangement which is suitable for carrying out said method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung und ein Verfahren zur Detektion von Schäden an einem Lager.The present invention relates to a bearing assembly and a method for detecting damage to a bearing.

Derzeit werden Lagerschäden in der Regel indirekt über die Messung der im Lager auftretenden Vibrationen und Schwingungen, der Temperatur bzw. über Körperschallmessungen erkannt.Currently, bearing damage is usually detected indirectly via the measurement of vibrations and vibrations occurring in the bearing, the temperature or structure-borne sound measurements.

Die DE 103 04 592 A1 zeigt ein Messlager mit Sensoren zur Erfassung von auf das Lager einwirkenden physikalischen Größen. Das Messlager weist eine Aussparung am Umfang von mindestens einem seiner Lagerringe auf. In der Aussparung befinden sich Dehnungsmessstreifen. An einem Trägermaterial sind Leiterbahnen und elektronische Bausteine angeordnet, welche zur Auswertung und Übertragung der Ausgangssignale der Dehnungsmessstreifen dienen. Die Dehnungsmessstreifen sind mit den zu den elektronischen Bausteinen führenden elektrischen Leiterbahnen elektrisch verbunden. Die elektronischen Bausteine können zur Ermittlung der Drehzahl bzw. der Drehrichtung eines im Lager gelagerten Körpers, der auf das Lager wirkenden Radial- und Axialkraft, der Kraftrichtung, des Lagergeräusches, der Lagertemperatur und einer auftretenden Unwucht ausgebildet sein.The DE 103 04 592 A1 shows a measuring bearing with sensors for detecting physical quantities acting on the bearing. The measuring bearing has a recess on the circumference of at least one of its bearing rings. There are strain gauges in the recess. On a substrate conductor tracks and electronic components are arranged, which serve for the evaluation and transmission of the output signals of the strain gauges. The strain gauges are electrically connected to the leading to the electronic components electrical conductor tracks. The electronic components can be designed to determine the rotational speed or the direction of rotation of a bearing in the bearing body, acting on the bearing radial and axial force, the direction of force, the bearing noise, the bearing temperature and an occurring unbalance.

In der DE 103 03 877 A1 ist ein Verfahren zur Feststellung von Körperschallereignissen in einem Wälzlager beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein Messsignal eines an dem Wälzlager angeordneten druck- oder dehnungsempfindlichen Sensors einem Frequenzfilter zum Herausfiltern von unerwünschten Signalen zugeführt. Aus Digitalwerten des Frequenzfilterausgangssignals werden mindestens ein erster und ein zweiter Varianzwert errechnet. Aus den Varianzwerten wird mittels entsprechender Algorithmen ein durch einen mechanischen Schaden an dem Wälzlager verursachtes Körperschallereignis berechnet.In the DE 103 03 877 A1 a method for determining structure-borne noise events in a rolling bearing is described. In this method, a measurement signal of a arranged on the rolling bearing pressure or strain-sensitive sensor is fed to a frequency filter for filtering out unwanted signals. From digital values of the frequency filter output signal, at least a first and a second variance value are calculated. From the variance values, a structure-borne sound event caused by mechanical damage to the rolling bearing is calculated by means of appropriate algorithms.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Detektion von Lagerschäden bereitzustellen, welches eine aufwandsarme und detaillierte Detektion von Lagerschäden ermöglicht, wobei insbesondere Informationen zu der Art des Schadens und der Schwere des Schadens verfügbar gemacht werden sollen. Weiterhin soll eine Lageranordnung mit einer Messanordnung zur Detektion von Lagerschäden bereitgestellt werden.The object of the present invention is to provide an improved method for the detection of bearing damage, which allows a low-cost and detailed detection of bearing damage, in particular information about the nature of the damage and the severity of the damage to be made available. Furthermore, a bearing arrangement with a measuring arrangement for the detection of bearing damage is to be provided.

Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dienen ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie eine Lageranordnung gemäß Anspruch 3.To achieve the object of the invention, a method according to the appended claim 1 and a bearing arrangement according to claim 3 are used.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Detektion von Schäden an einem Lager. Das Lager umfasst einen ersten Lagerring und einen gegenüber dem ersten Lagerring um eine Achse rotierbaren zweiten Lagerring. Der erste Lagerring weist mindestens einen Permanentmagnetisierungsbereich auf. Der Permanentmagnetisierungsbereich erstreckt sich vollständig umlaufend um die Achse, so dass der erste Lagerring eine ringförmige Permanentmagnetisierung aufweist. Das Verfahren beinhaltet die nachfolgenden Schritte. Zunächst wird ein zeitabhängiges Magnetfeldsensorsignal an dem ersten Lagerring erfasst. Das Magnetfeld entsteht durch den Permanentmagnetisierungsbereich des ersten Lagerrings und durch eine auf den ersten Lagerring wirkende Kraft. Diese Kraft wird beispielsweise bei Wälzlagern durch Wälzkörper eingebracht. Durch die Kraft entstehen Spannungen in dem Material des ersten Lagerrings, die zu einem Austritt des Magnetfeldes aus dem Inneren des ersten Lagerrings nach Außen führen. Dieses Magnetfeld kann gemessen werden und somit als Maß für die anliegende Kraft dienen.The method according to the invention serves to detect damage to a bearing. The bearing comprises a first bearing ring and a second bearing ring rotatable about an axis relative to the first bearing ring. The first bearing ring has at least one permanent magnetization region. The permanent magnetization region extends completely circumferentially about the axis, so that the first bearing ring has an annular permanent magnetization. The method includes the following steps. First, a time-dependent magnetic field sensor signal is detected on the first bearing ring. The magnetic field is created by the permanent magnetization region of the first bearing ring and by a force acting on the first bearing ring. This force is introduced, for example in rolling bearings by rolling elements. The force creates stresses in the material of the first bearing ring, which lead to an exit of the magnetic field from the interior of the first bearing ring to the outside. This magnetic field can be measured and thus serve as a measure of the applied force.

In einem Referenzzustand des Lagers wird das Magnetfeldsensorsignal als Referenz aufgezeichnet. Der Referenzzustand ist vorzugsweise der Zustand, in dem das Lager keinerlei Beschädigungen aufweist. Die Aufzeichnung des Referenzzustandes erfolgt vorzugsweise unmittelbar nach der ersten Inbetriebnahme des Lagers. In einem Betriebszustand des Lagers wird die Abweichung zwischen dem aktuellen Magnetfeldsensorsignal und der aufgezeichneten Referenz ermittelt. In dem Fall, dass die ermittelte Abweichung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, wird ein Fehlersignal generiert.In a reference state of the bearing, the magnetic field sensor signal is recorded as a reference. The reference state is preferably the state in which the bearing has no damage. The recording of the reference state is preferably carried out immediately after the first commissioning of the warehouse. In an operating state of the bearing, the deviation between the current magnetic field sensor signal and the recorded reference is determined. In the event that the determined deviation exceeds a predetermined threshold, an error signal is generated.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass dieses eine einfache und direkte Erkennung von Lagerschäden durch Auswertung des Kraftverlaufs an dem ersten Lagerring über der Zeit bzw. der Umdrehung des Lagers ermöglicht. Das Verfahren gestattet auch bei mehreren in einem System vorhandenen Lagern eine aufwandsarme Detektion des tatsächlich durch ein Schadensereignis betroffenen Lagers. Bei Wälzlagern kann die Anzahl der beschädigten Wälzkörper, die Art des Schadens (Wälzkörperschaden, Verschmutzung bzw. Pitting in der Laufbahn) und die Schwere des Schadens ermittelt werden. Durch den kontinuierlichen Vergleich des aktuellen Magnetfeldsensorsignals mit der aufgezeichneten Referenz können Veränderungen zeitnah erkannt werden und entsprechende Wartungsmaßnahmen durchgeführt werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere für Nadellager, Rollenlager, Tonnenrollenlager o. ä. Lager. Bei diesen Lagertypen wälzen die Wälzkörper ausschließlich in Lagerdrehrichtung ab. Dadurch ist die Charakteristik bei einem Wälzkörperschaden konstanter und damit die Sicherheit bei der Erkennung von Lagerschäden größer. Im Gegensatz dazu können sich die bei Kugellagern eingesetzten Kugeln auch beliebig anders verdrehen, wodurch Lagerschäden unter Umständen schwieriger zu erkennen sind.An essential advantage of the method according to the invention is that it allows a simple and direct detection of bearing damage by evaluating the force curve on the first bearing ring over the time or the rotation of the bearing. The method also permits a low-cost detection of the warehouse actually affected by a damage event, even if several stores are present in one system. Rolling bearings can determine the number of damaged rolling elements, the type of damage (rolling element damage, raceway pitting) and the severity of the damage. By continuously comparing the current magnetic field sensor signal with the recorded reference changes can be detected promptly and appropriate maintenance actions are performed. The method is particularly suitable for needle roller bearings, roller bearings, roller bearings o. Ä. Bearings. In these types of bearings, the rolling elements roll only in the direction of bearing rotation. As a result, the characteristic is more constant with a Wälzkörperschaden and thus the safety the detection of bearing damage greater. In contrast, the balls used in ball bearings can also rotate any other way, whereby bearing damage may be more difficult to detect.

Das Magnetfeldsensorsignal wird vorzugsweise mittels Frequenzanalyse, beispielsweise auf Basis einer Fourier-Transformation, ausgewertet. Es soll jedoch keine Einschränkung auf die genannte Signalanalyse erfolgen, andere geeignete Signalanalysen sind durchaus möglich.The magnetic field sensor signal is preferably evaluated by means of frequency analysis, for example based on a Fourier transformation. However, it should not be limited to the mentioned signal analysis, other suitable signal analyzes are quite possible.

Das generierte Fehlersignal ist vorzugsweise als akustisches oder visuelles Fehlersignal ausgebildet.The generated error signal is preferably designed as an acoustic or visual error signal.

Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst einen ersten Lagerring, einen gegenüber dem ersten Lagerring um eine Achse rotierbaren zweiten Lagerring und eine Messanordnung zur Messung einer auf den ersten Lagerring wirkenden Kraft. Die Messanordnung beinhaltet mindestens einen die Achse vollständig umlaufenden Permanentmagnetisierungsbereich auf dem ersten Lagerring und eine Magnetfeldsensoreinrichtung zur Messung eines durch den umlaufenden Permanentmagnetisierungsbereich und durch die Kraft bewirkten Magnetfeldes.The bearing arrangement according to the invention comprises a first bearing ring, a second bearing ring rotatable about an axis relative to the first bearing ring, and a measuring arrangement for measuring a force acting on the first bearing ring. The measuring arrangement includes at least one permanent magnetization area completely revolving around the axis on the first bearing ring and a magnetic field sensor device for measuring a magnetic field caused by the rotating permanent magnetization area and by the force.

Der Permanentmagnetisierungsbereich ist vorzugsweise als Beschichtung auf dem ersten Lagerring ausgebildet.The permanent magnetization region is preferably formed as a coating on the first bearing ring.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Lagerring durch einen Außenring und der zweite Lagerring durch einen Innenring eines Wälzlagers gebildet. Es soll jedoch keine Einschränkung auf Wälzlager erfolgen. Das Lager kann beispielsweise auch als Gleitlager ausgebildet sein.According to an advantageous embodiment, the first bearing ring are formed by an outer ring and the second bearing ring by an inner ring of a roller bearing. However, it should not be limited to rolling bearings. The bearing may for example also be designed as a sliding bearing.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine erfindungsgemäße Lageranordnung in einem Referenzzustand;
  • 2 ein Diagramm eines erfassten Sensorsignals in dem Referenzzustand der Lageranordnung;
  • 3 die Lageranordnung in einem Betriebszustand;
  • 4 ein Diagramm des erfassten Sensorsignals in dem Betriebszustand der Lageranordnung;
  • 5 eine Schnittansicht der Lageranordnung in dem Betriebszustand.
Preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying figures. Show it:
  • 1 a bearing assembly according to the invention in a reference state;
  • 2 a diagram of a detected sensor signal in the reference state of the bearing assembly;
  • 3 the bearing assembly in an operating condition;
  • 4 a diagram of the detected sensor signal in the operating condition of the bearing assembly;
  • 5 a sectional view of the bearing assembly in the operating condition.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Lageranordnung in einem Referenzzustand. Die Lageranordnung 01 umfasst zunächst ein Wälzlager mit einem als Außenring ausgebildeten ersten Lagerring 02 und einem als Innenring ausgebildeten zweiten Lagerring 03. Der zweite Lagerring 03 ist gegenüber dem ersten Lagerring 02 um eine Achse 04 rotierbar. Zwischen dem ersten Lagerring 02 und dem zweiten Lagerring 03 befinden sich Wälzkörper 05, welche in einem Wälzkörperraum 07 angeordnet sind. In dem Referenzzustand weist das Wälzlager vorzugsweise keinerlei Beschädigungen auf. Der Referenzzustand ist vorzugsweise der Zustand des Wälzlagers bei bzw. kurz nach seiner ersten Inbetriebnahme. 1 shows a bearing assembly according to the invention in a reference state. The bearing arrangement 01 initially comprises a rolling bearing with a formed as an outer ring first bearing ring 02 and a second bearing ring designed as an inner ring 03 , The second bearing ring 03 is opposite the first bearing ring 02 around an axis 04 rotatable. Between the first bearing ring 02 and the second bearing ring 03 are rolling elements 05 , which in a Wälzkörperraum 07 are arranged. In the reference state, the rolling bearing preferably has no damage. The reference state is preferably the state of the rolling bearing at or shortly after its first startup.

Ein weiterer Bestandteil der Lageranordnung 01 ist eine Messanordnung zur Messung einer auf den ersten Lagerring 02 wirkenden Kraft. Die Messanordnung beinhaltet mindestens einen die Achse 04 vollständig umlaufenden Permanentmagnetisierungsbereich (nicht dargestellt) auf dem ersten Lagerring 02, welcher beispielsweise als Oberflächenbeschichtung auf dem ersten Lagerring 02 ausgebildet ist. Der erste Lagerring 02 kann jedoch auch komplett aus einem magnetisierbaren Material bestehen. Die Messanordnung umfasst weiterhin eine Magnetfeldsensoreinrichtung 08, welche dem Permanentmagnetisierungsbereich gegenüberliegend angeordnet ist. Die Magnetfeldsensoreinrichtung 08 dient zur Messung eines durch den Permanentmagnetisierungsbereich und durch die auf den ersten Lagerring 02 wirkende Kraft bewirkten Magnetfeldes.Another part of the bearing assembly 01 is a measuring arrangement for measuring one on the first bearing ring 02 acting force. The measuring arrangement includes at least one axis 04 completely circumferential permanent magnetization region (not shown) on the first bearing ring 02 , which, for example, as a surface coating on the first bearing ring 02 is trained. The first bearing ring 02 However, it can also consist entirely of a magnetizable material. The measuring arrangement further comprises a magnetic field sensor device 08 which is disposed opposite to the permanent magnetization region. The magnetic field sensor device 08 is used to measure one through the permanent magnetization area and through the on the first bearing ring 02 acting force caused magnetic field.

2 zeigt ein Diagramm eines mit der Magnetfeldsensoreinrichtung 08 erfassten Sensorsignals in dem Referenzzustand der Lageranordnung 01. Das Sensorsignal weist einen sinusförmigen Verlauf auf. 2 shows a diagram of one with the magnetic field sensor device 08 detected sensor signal in the reference state of the bearing assembly 01 , The sensor signal has a sinusoidal course.

3 zeigt die erfindungsgemäße Lageranordnung 01 in einem Betriebszustand. In diesem Betriebszustand ist das Wälzlager bereits seit geraumer Zeit im Einsatz und weist Beschädigungen an einem der Wälzkörper 05 auf. Infolge der Beschädigungen verändert sich die durch den beschädigten Wälzkörper 05 auf den ersten Lagerring 02 ausgeübte Kraft. Das mittels Magnetfeldsensoreinrichtung 08 erfasste Sensorsignal verändert sich. Der geänderte Signalverlauf ist als gebrochene Linie in 4 angedeutet. Der in dem Betriebszustand aufgenommene Signalverlauf wird mit dem Signalverlauf im Referenzzustand verglichen, um Abweichungen zwischen dem aktuellen Sensorsignal und der aufgezeichneten Referenz zu ermitteln. Falls die ermittelte Abweichung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, wird ein Fehlersignal generiert. 3 shows the bearing assembly according to the invention 01 in an operating state. In this operating condition, the rolling bearing has been in use for some time and has damage to one of the rolling elements 05 on. As a result of the damage changes due to the damaged rolling elements 05 on the first bearing ring 02 applied force. The means of magnetic field sensor device 08 detected sensor signal changes. The changed waveform is as a broken line in 4 indicated. The signal waveform recorded in the operating state is compared with the signal waveform in the reference state in order to determine deviations between the current sensor signal and the recorded reference. If the determined deviation exceeds a predetermined threshold value, an error signal is generated.

5 zeigt eine Schnittansicht der Lageranordnung 01 in dem Betriebszustand. Die durch den beschädigten Wälzkörper 05 auf den ersten Lagerring 02 wirkende Kraft ist mit Hilfe eines Pfeils angedeutet. Die ringförmige Permanentmagnetisierung des ersten Lagerrings 02 ist ebenso in 5 dargestellt. 5 shows a sectional view of the bearing assembly 01 in the operating state. The damage caused by the rolling element 05 on the first bearing ring 02 acting force is indicated by means of an arrow. The annular permanent magnetization of the first bearing ring 02 is in as well 5 shown.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101
Lageranordnungbearing arrangement
0202
erster Lagerringfirst bearing ring
0303
zweiter Lagerringsecond bearing ring
0404
Achseaxis
0505
Wälzkörperrolling elements
0606
--
0707
Wälzkörperraumanti-friction
0808
MagnetfeldsensoreinrichtungMagnetic field sensor means

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10304592 A1 [0003]DE 10304592 A1 [0003]
  • DE 10303877 A1 [0004]DE 10303877 A1 [0004]

Claims (4)

Verfahren zur Detektion von Schäden an einem Lager, welches einen ersten Lagerring (02) und einen gegenüber dem ersten Lagerring (02) um eine Achse (04) rotierbaren zweiten Lagerring (03) umfasst, wobei der erste Lagerring (03) mindestens einen die Achse (04) vollständig umlaufenden Permanentmagnetisierungsbereich aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: • Erfassen eines zeitabhängigen Magnetfeldsensorsignals an dem ersten Lagerring (02), welches durch den Permanentmagnetisierungsbereich und durch eine auf den ersten Lagerring (02) wirkende Kraft entsteht; • in einem Referenzzustand des Lagers Aufzeichnen des Magnetfeldsensorsignals als Referenz; • in einem Betriebszustand des Lagers Ermitteln der Abweichung zwischen dem aktuellen Magnetfeldsensorsignal und der aufgezeichneten Referenz; • Generieren eines Fehlersignals, wenn die ermittelte Abweichung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.Method for detecting damage to a bearing, which comprises a first bearing ring (02) and a second bearing ring (03) rotatable relative to the first bearing ring (02) about an axis (04), wherein the first bearing ring (03) at least one axis (04) has a completely circumferential permanent magnetization region, the method comprising the following steps: Detecting a time-dependent magnetic field sensor signal at the first bearing ring (02), which arises through the permanent magnetization region and by a force acting on the first bearing ring (02); In a reference state of the bearing, recording the magnetic field sensor signal as a reference; In an operating condition of the bearing, determining the deviation between the current magnetic field sensor signal and the recorded reference; Generating an error signal if the determined deviation exceeds a predetermined threshold. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldsensorsignal mittels Frequenzanalyse ausgewertet wird.Method according to Claim 1 , characterized in that the magnetic field sensor signal is evaluated by means of frequency analysis. Lageranordnung (01) mit einem ersten Lagerring (02), einem gegenüber dem ersten Lagerring (02) um eine Achse (04) rotierbaren zweiten Lagerring (03) und einer Messanordnung zur Messung einer auf den ersten Lagerring (02) wirkenden Kraft, wobei die Messanordnung mindestens einen die Achse (04) vollständig umlaufenden Permanentmagnetisierungsbereich auf dem ersten Lagerring (02) und eine Magnetfeldsensoreinrichtung (08) zur Messung eines durch den Permanentmagnetisierungsbereich und durch die Kraft bewirkten Magnetfeldes aufweist.Bearing arrangement (01) with a first bearing ring (02), a relative to the first bearing ring (02) about an axis (04) rotatable second bearing ring (03) and a measuring arrangement for measuring a force acting on the first bearing ring (02) force, said Measuring arrangement at least one permanent magnetization area on the first bearing ring (02) completely surrounding the axis (04) and a magnetic field sensor device (08) for measuring a magnetic field caused by the permanent magnetization region and by the force. Lageranordnung (01) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerring (02) durch einen Außenring und der zweite Lagerring (03) durch einen Innenring eines Wälzlagers gebildet sind.Bearing arrangement (01) after Claim 3 , characterized in that the first bearing ring (02) by an outer ring and the second bearing ring (03) are formed by an inner ring of a rolling bearing.
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