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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Zustandsüberwachung mechanischer Komponenten für die Kontrollverarbeitung durch aktive Erfassung von Lasten, insbesondere von axialen Lasten.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, die mit einem optischen Sensorelement, wie einer optischen Faser, ausgestattet ist.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Wälzlager, die mit einer solchen Vorrichtung ausgestattet sind.
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Eine optische Faser umfasst im Allgemeinen mehrere Faser-Bragg-Gitter, FBG genannt, zum Erfassen von gleichmäßig über den Umfang eines Rings verteilten Positionen, beispielsweise zum Erfassen zumindest einer Position zusätzlich zu den Wälzkörpern.
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Faseroptisches Erfassen kann bei der Überwachung von Pumpen, Kompressoren und anderen rotierenden Maschinen eingesetzt werden, aber auch bei Öl und Gas, Bergwerken, in der Schifffahrt, bei der Papierherstellung (Zellstoff und Papier), in der Luft- und Raumfahrt usw. sowie in allen Anlagen, in denen Langstreckensignale benötigt werden.
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Um axiale Lasten zwischen zwei mechanischen Komponenten zu messen, ist es bekannt, eine optische Faser direkt auf einer äußeren umfänglichen Fläche einer der Komponenten anzubringen.
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Da die mechanischen Komponenten jedoch in der Regel aus hartem, wärmebehandeltem Material hergestellt sind, erhöht das maschinelle Bearbeiten einer Nut direkt auf der Fläche einer der mechanischen Komponenten die maschinellen Bearbeitungskosten und begrenzt die Messfläche.
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Es besteht die Notwendigkeit, die Herstellungskosten zu senken.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung bereitzustellen, die dazu ausgebildet ist, eine einzelne axiale Dehnung zu messen, unabhängig von den mechanischen Komponenten.
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Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die dazu ausgebildet ist, an einer mechanischen Komponente befestigt zu werden und eine axiale Last zu messen, die auf die mechanische Komponente ausgeübt wird. Die Vorrichtung umfasst einen Ring oder eine Scheibe, der/die axial mit einer inneren zylindrischen Fläche und einer äußeren gegenüberliegenden zylindrischen Fläche versehen ist, wobei die innere und die äußere zylindrische Fläche die radiale Dicke des Rings begrenzen.
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Die Vorrichtung umfasst des Weiteren zumindest eine optische Sensorfaser, die in einer ersten umfänglichen Nut angeordnet ist, die auf einer der äußeren und der inneren zylindrischen Fläche des Rings vorgesehen ist.
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Das maschinelle Bearbeiten der Nut auf der Fläche eines Rings, der nicht aus hartem, wärmebehandeltem Material hergestellt sein muss, reduziert die ausgelegt maschinellen Bearbeitungskosten.
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Darüber hinaus kann die optische Sensorfaser im Falle einer Beschädigung leicht ausgetauscht werden, indem die Vorrichtung entfernt wird, ohne dass die mechanischen Komponenten entfernt werden müssen.
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Zum Beispiel erstreckt sich der Ring axial entlang einer Achse.
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Der Ring hat zum Beispiel eine allgemeine ringförmige Ringform.
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Vorteilhafterweise ist die erste umfängliche Nut des Rings in einer mittleren Symmetrieebene des Rings angeordnet.
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Zum Beispiel umfasst der Ring zumindest eine zweite umfängliche Nut, die auf der einen der äußeren und inneren zylindrischen Fläche vorgesehen ist und parallel zur ersten umfänglichen Nut entlang der Achse verläuft.
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Eine solche zweite umfängliche Nut verringert das Gesamtgewicht der Vorrichtung.
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In einer Ausführungsform umfasst die andere der Innen- und Außenfläche des Rings eine zentrale umfängliche Nut parallel zur ersten Nut entlang einer Richtung senkrecht zu der Achse.
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Mit anderen Worten ist die zentrale umfängliche Nut des Rings radial von der ersten Nut des Rings umgeben oder die erste Nut ist radial von der zentralen umfänglichen Nut umgeben. Eine solche zentrale umfängliche Nut vergrößert die umfängliche Dehnung, wenn die axiale Kraft aufgebracht wird.
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Zum Beispiel kann die axiale Länge der zentralen Nut des Rings größer als die axiale Länge der ersten Nut des Rings sein.
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Alternativ kann die andere Fläche des Rings frei von der zentralen umfänglichen Nut sein.
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Vorteilhafterweise ist der Ring weiter mit zwei gegenüberliegenden stirnseitigen Flächen versehen, die die axiale Dicke des Rings begrenzen, und wobei zumindest eine der stirnseitigen Flächen eine radiale Fläche und eine geneigte Fläche umfasst, die mit der anderen der inneren und äußeren zylindrischen Fläche des Rings verbunden ist.
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Die geneigte Fläche des Rings kann durch Entfernen von Material von der stirnseitigen Fläche hergestellt sein. Eine solche Materialentfernung erhöht die Empfindlichkeit der optischen Faser, um die axialen Lasten zu messen.
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In einer Ausführungsform umfassen beide stirnseitigen Flächen des Rings eine radiale Fläche und eine geneigte Fläche, die mit der anderen der inneren und äußeren zylindrischen Fläche des Rings verbunden ist.
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Beispielsweise ist die erste Nut auf der äußeren zylindrischen Fläche des Rings vorgesehen und die zentrale Nut ist auf der inneren zylindrischen Fläche des Rings vorgesehen.
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In einer Alternative könnte die erste Nut jedoch auf der inneren zylindrischen Fläche des Rings vorgesehen sein und die zentrale Nut könnte auf der äußeren zylindrischen Fläche des Rings vorgesehen sein.
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Die optische Faser kann mehrere Faser-Bragg-Gitter (FBG) zum Erfassen von Positionen, die gleichmäßig über den Umfang des ersten Rings des Lagers verteilt sind, umfassen. Die Faser-Bragg-Gitter werden zum Beispiel verwendet, um die lokale Dehnung in der umfänglichen Nut zu messen.
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Die optische Faser umfasst beispielsweise drei oder mehr Faser-Bragg-Gitter zum Erfassen von gleichmäßig über den Umfang der mechanischen Komponente verteilten Stellen.
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Die Verwendung von zumindest drei FBGs ermöglicht es der optischen Faser, eine nicht zentrierte axiale Last zu detektieren und damit die Messgenauigkeit zu verbessern.
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Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine Lageranordnung, die mit einem Lager, das einen ersten Ring und einen zweiten Ring umfasst, die geeignet sind, sich konzentrisch relativ zueinander zu drehen, und einer wie oben beschriebene Vorrichtung ausgestattet ist, die axial an einer stirnseitigen Fläche des ersten Rings befestigt ist.
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Das Lager kann beispielsweise ein Wälzlager sein, das zumindest eine Reihe von Wälzkörpern, wie beispielsweise Kugeln und/oder Rollen, umfasst, die zwischen Laufbahnen angeordnet sind, die an dem ersten und dem zweiten Ring vorgesehen sind. Alternativ kann das Lager ein Gleitlager ohne Wälzkörper sein.
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In einer Ausführungsform ist der erste Ring des Lagers der Außenring, während der zweite Ring der Innenring ist. Alternativ ist es möglich, eine umgekehrte Anordnung vorzusehen, wobei der erste Ring den Innenring bildet und der zweite Ring den Außenring bildet.
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Gemäß einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auch auf eine Maschine, die eine rotierende Welle, ein Gehäuse und eine Lageranordnung, wie zuvor erwähnt, umfasst, wobei das Lager radial zwischen dem Gehäuse und der Welle angeordnet ist. Die Vorrichtung ist axial zwischen der stirnseitigen Fläche des ersten Rings und einer Schulter des Gehäuses angeordnet. Alternativ ist die Vorrichtung axial zwischen der stirnseitigen Fläche des ersten Rings und einer Schulter der Welle angeordnet.
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Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden besser verstanden, wenn man die ausführliche Beschreibung spezifischer Ausführungsformen studiert, die in Form von nicht einschränkenden Beispielen gegeben und durch die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht werden, in denen:
- 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
- 2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Maschine, die mit einem Wälzlager und mit der Vorrichtung aus 1 versehen ist, die in dem Wälzlager implementiert ist.
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Die Ausdrücke „außen“ und „innen“ beziehen sich auf die Achse X-X der Vorrichtung, wobei die inneren Teile näher an dieser Achse liegen als die äußeren Teile.
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Es wird Bezug auf 1 genommen, die eine Ausführungsform einer Vorrichtung zeigt, die zum Messen einer einzelnen axialen Dehnung ausgebildet ist.
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Die Vorrichtung umfasst einen Ring 10 oder eine Scheibe, der/die eine im Allgemeinen ringförmige Ringform hat und axial durch zwei stirnseitige Flächen 11, 12 und radial durch eine innere zylindrische Fläche 13 und eine äußere zylindrische Fläche 14 begrenzt ist. Die Flächen 11, 12 begrenzen die axiale Dicke des Rings 10. Die innere und äußere Fläche 13, 14 begrenzen die radiale Dicke des Rings 10.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst die äußere zylindrische Fläche 14 des Rings 10 drei parallele, umfängliche äußere Nuten 14a, 14b, 14c entlang der Achse X-X. Die äußeren Nuten 14a, 14b, 14c sind entlang der Achse X-X gleichmäßig voneinander beabstandet.
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Alternativ könnte die äußere zylindrische Fläche 14 des Rings 10 eine einzige äußere umfängliche Nut 14a umfassen.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen optischen Dehnungsmessstreifen, typischerweise eine optische Sensorfaser 20, die in einer der äußeren umfänglichen Nuten des Rings 10, hier der zentralen Nut 14a, befestigt ist. Wie dargestellt, ist die optische Sensorfaser 20 am Boden der zentralen Nut 14a befestigt. Die optische Sensorfaser 20 ist radial nach innen in Bezug auf die äußere zylindrische Fläche 14 versetzt.
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Die zentrale Nut 14a befindet sich in einer mittleren Symmetrieebene (nicht dargestellt) des Rings 10.
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Die optische Faser 20 kann mehrere Faser-Bragg-Gitter (FBG) zum Erfassen von Stellen umfassen, die gleichmäßig über den Umfang einer der mechanischen Komponenten verteilt sind.
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Vorteilhafterweise umfasst die optische Faser 20 zumindest drei FBGs, um eine nicht zentrierte axiale Last zu detektieren und damit die Messgenauigkeit zu verbessern.
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Die optische Faser 20 umfasst ein Sensorteil (nicht dargestellt), das sich an einem Ende der optischen Faser 20 befindet. Ein optisches Signal der Sensorfaser wird weiter durch ein optisches Abfragegerät (nicht dargestellt) analysiert.
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In dem dargestellten Beispiel umfasst die Innenfläche 13 des Rings 10 eine innere zentrale umfängliche Nut 13a, die parallel zur äußeren zentralen Nut 14a entlang einer Richtung senkrecht zu der Achse X-X verläuft. Mit anderen Worten ist die innere zentrale umfängliche Nut 13a des Rings 10 radial von der äußeren zentralen Nut 14a umgeben. Eine solche innere zentrale umfängliche Nut 13a vergrößert die umfängliche Dehnung, wenn die axiale Kraft aufgebracht wird.
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Die innere Nut 13a befindet sich in einer mittleren Symmetrieebene (nicht dargestellt) des Rings 10.
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Die axiale Länge L1 der inneren umfängliche Nut 13a ist größer als die axiale Länge L2 der ersten äußeren Nut 14a.
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Die axialen Längen sind entlang der Achse X-X gemessen.
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Wie dargestellt, umfassen die stirnseitigen Flächen 11, 12 des Rings 10 sowohl eine radiale Fläche 11a, 12a als auch eine geneigte Fläche 11b, 12b, die mit der Innenfläche 13 verbunden ist.
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Die geneigte Fläche 11b, 12b kann durch Abtragen von Material von beiden stirnseitigen Flächen 11, 12 hergestellt sein. Eine solche Materialentfernung erhöht die Empfindlichkeit der optischen Faser 20 zum Messung der axialen Lasten.
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Als eine Alternative kann nur eine der stirnseitigen Flächen 11, 12 mit einem solchen Materialabtrag versehen sein.
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Alternativ kann der Ring 10 durch Formen von Kunststoffmaterial hergestellt sein. Die auf einer oder beiden stirnseitigen Flächen 11, 12 hergestellte schräge Fläche 11b, 12b kann somit beim Formen des Rings hergestellt werden.
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Die Ausführungsform der 2, in der dieselben Elemente dasselbe Bezugszeichen tragen, stellt schematisch und teilweise eine Maschine dar, die ein festes Gehäuse 22, eine sich entlang der Achse X-X erstreckende, rotierende Welle 24 umfasst, die von einem Lager 30 getragen wird. Das Lager 30 ist radial zwischen dem Gehäuse 22 und der rotierenden Welle 24 angeordnet.
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Das Lager 30 umfasst einen Außenring 32 als ersten Ring und einen rotierenden Innenring 34 als zweiten Ring, die geeignet sind, sich konzentrisch relativ zueinander zu drehen.
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Das Lager 30 umfasst hier weiter eine Reihe von Wälzkörpern 36, wie z. B. Kugeln, die dazwischen angeordnet sind, und einen Käfig (nicht dargestellt).
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Das Lager 30 ist hier vom Typ Kugellager. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Kugellager beschränkt und kann auf Kegelrollenlager, Pendelrollenaxiallager, Vierpunkt-Schrägkugellager, Axialkugellager, Gleitlager und irgendwelche anderen Lager angewendet werden, die kombinierte axiale und radiale Lasten aufnehmen.
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Wie dargestellt, hat der Außenring 32 des Lagers 30 auf seiner inneren zylindrischen Fläche 32a eine toroidale Nut 32b, die eine Laufbahn für die Wälzkörper 36 bildet.
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Der Außenring 32 umfasst ferner eine äußere zylindrische Fläche 32c, die der inneren zylindrischen Fläche 32a radial gegenüberliegt. Die äußere Fläche 32c des Außenrings ist in radialem Kontakt mit der Bohrung des Gehäuses.
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Der Außenring 12 des Lagers 30 umfasst auch zwei radiale stirnseitige Flächen 32d, 32e, die die innere zylindrische Fläche 32a und die äußere zylindrische Fläche 32c axial begrenzen. Die stirnseitigen Flächen 32d, 32e begrenzen die axiale Dicke des Außenrings.
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Der Innenring 34 des Lagers 30 hat auf seiner äußeren zylindrischen Fläche 34a eine toroidale Nut 34b, die eine Laufbahn für die Wälzkörper 36 bildet.
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Der Innenring 34 umfasst ferner eine innere zylindrische Fläche 34c, die der äußeren zylindrischen Fläche 34a radial gegenüberliegt und auf der Welle 24 befestigt ist. Der Innenring 34 umfasst auch zwei radiale stirnseitige Flächen 34d, 34e, die die innere zylindrische Fläche 34c und die äußere zylindrische Fläche 34a axial begrenzen. Die stirnseitigen Flächen 34d, 34e begrenzen die axiale Dicke des Innenrings.
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Um die axialen Lasten, die auf das Lager 30 ausgeübt werden, zu überwachen, ist das Lager 30 mit der Vorrichtung der 1 ausgestattet. Das Lager 30 und die Vorrichtung bilden eine Lageranordnung.
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Wie dargestellt, ist der Ring 10 der Vorrichtung axial zwischen der stirnseitigen Fläche 32e des Außenrings des Lagers und einer radialen Schulter 38 des Gehäuses angeordnet. Der Ring 10 ist axial zwischen der stirnseitigen Fläche 32e des Außenrings und der radialen Schulter 38 des Gehäuses angeordnet. Die stirnseitige Fläche 11 des Rings liegt axial an der radialen Schulter 38 des Gehäuses an, während die stirnseitige Fläche 12 axial an der stirnseitigen Fläche 32e des Außenrings anliegt. Die äußere Fläche 14 des Rings kommt radial mit der Bohrung des Gehäuses 22 in Kontakt. Die optische Sensorfaser 20 bleibt radial von der Bohrung des Gehäuses 22 beabstandet. Im dargestellten Beispiel ist die innere Fläche 13 des Rings radial nach außen in Bezug auf die Bohrung 32a des Außenrings des Lagers versetzt.
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Wie vorher erwähnt, ist der Ring 10 hier axial zwischen dem Außenring des Lagers und einer radialen Schulter 38 des Gehäuses angeordnet. Alternativ kann der Ring 10 auch axial zwischen dem Innenring des Lagers und einer radialen Schulter der Welle angeordnet sein.
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In einer allgemeinen Weise kann die Vorrichtung zum Messen axialer Lasten für beliebige mechanische Komponenten verwendet werden.
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Dank der Erfindung ist es möglich, eine einzige axiale Dehnung zu messen, unabhängig von den mechanischen Komponenten, und gleichzeitig die Herstellungskosten zu reduzieren.
