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Hintergrund der Erfindung
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Lager werden oft als kritische Teile in komplexen Maschinen verwendet und ein Lagerausfall kann zu großen Schäden führen. Das Ersetzen von Lagern kann kompliziert sein und in einer Stillstandzeit resultieren. Die Lagerlebensdauer hängt stark von der Qualität der Schmierung und von den Dichtungen ab. Das Überwachen der Qualität der Dichtungen und der Schmierung ist deshalb sehr erstrebenswert.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, Schwingungssensoren zu verwenden, die an starren metallischen Maschinenteilen angebracht sind, um die Maschine zu überwachen, und um fähig zu sein, die Maschine für eine Wartung zu stoppen, wenn unerwartete Schwingungen detektiert werden.
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Der Fortschritt in der mobilen Telekommunikationstechnologie hat eine neue Generation von halbleiterbasierten Beschleunigungsmessern für eine Verwendung in Smartphones hervorgebracht, die hochgradig miniaturisiert sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung strebt danach, eine Lageranordnung bereitzustellen, mit Mitteln zum Überwachen ihrer Funktion in einer zuverlässigen Weise.
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Die Erfindung beginnt bei einer Lageranordnung mit einem Dichtungskörper und einer elastischen Lippe, die einen beweglichen Teil hat, der an dem Dichtungskörper befestigt ist, wobei der Dichtungskörper dazu ausgelegt ist, an einem ersten Teil einer Maschine angebracht zu sein, und der bewegliche Teil ist dazu ausgelegt, in Gleitkontakt mit einem zweiten Teil der Maschine zu sein.
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Es wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Schwingungssensor an dem beweglichen Teil der Dichtlippe befestigt ist. Die Erfinder haben herausgefunden, dass Schwingungen der elastischen Dichtungsteile wertvolle Informationen über die Dichtleistung transportieren. Die Erfindung ermöglicht es, diese Informationen für Überwachungszwecke zu verwenden, eine Wartung oder Notfallstopps zu veranlassen oder Informationen über die Verwendung der Maschine zu erhalten. Die Dichtlippe kann aus einem Gummi oder einer anderen Art von Elastomer- oder Polymer-Material hergestellt sein.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Dichtungsanordnung eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweist zum Verarbeiten von Daten, die von dem Schwingungssensor erhalten werden, und zum Überwachen der Schwingungssignale, die von dem Sensor erhalten werden. Die Signale können unmittelbar ausgewertet und verwendet werden, um Signale für den Nutzer der Maschine zu erzeugen.
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Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungsvorrichtung dazu ausgelegt, ein vorgegebenes Betriebsereignis in dem regulären Betrieb der Maschine mit der Dichtungsanordnung zu identifizieren, und die Schwingungssignale, die von dem Sensor in Reaktion auf das Betriebsereignis erhalten werden, zu überwachen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das vorgegebene Betriebsereignis ein Beschleunigen einer Geschwindigkeit der Maschine. Andere geeignete Ereignisse sind eine Stoßbelastung oder Ähnliches. Vorzugsweise werden die vorgegebenen Ereignisse derart gewählt, dass die Reaktion des Systems, die für ein perfekt elastisches und perfekt geschmiertes Dichtungssystem zu erwarten ist, immer die gleiche sein würde. Unterschiede in der Reaktion würden deshalb anzeigen, dass es einen Raum für Verbesserungen in der Dichtleistung gibt, dass die Dichtung verschlissen oder gealtert ist. Die Unterschiede können durch ein Vergleichen der Signale mit den Signalen anderer Dichtungssysteme, die unter den gleichen externen Bedingungen arbeiten, oder mit Signalen, die früher erhalten wurden, verglichen werden.
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Durch die Verwendung von Impulsen oder andere wiederholend auftretenden charakteristische Ereignisse der Anwendung, die periodisch auftreten, kann eine Frequenzreaktionsfunktion berechnet werden. Ein Beispiel ist eine Kurbelwellendichtung einer Schiffsverbrennungsmaschine.
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Das Signal kann auch für die Überprüfung anderer Parameter der Anwendung verwendet werden. Eine Frequenzreaktionsfunktion, die von den Sensorsignalen abgeleitet ist, die mit der Temperatur gekoppelt sind, können verwendet werden, um eine Dämpfung (mit der Schmierung zusammenhängend), ein Versteifen (mit dem Altern zusammenhängend) zu berechnen.
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Dementsprechend kann die Datenverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt sein, eine Veränderung in den Schwingungssignalen, die von dem Schwingungssensor als Reaktion auf ein Betriebsereignis erhalten werden, bezüglich eines Signals, das von einer neuen Dichtungsanordnung erhalten wird, auszuwerten, um einen Parameter zu bestimmen, der eine Verschlechterung der Dichtungsanordnung anzeigt, und um ein Warnsignal auszugeben, wenn die Verschlechterung einen Schwellenwert übersteigt.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, einen hochfrequenten Teil des Signals des Schwingungssensors zu extrahieren und elastische Eigenschaften der Dichtlippe aus dem hochfrequenten Teil des Signals abzuleiten.
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Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, einen Parameter, der die Schmierqualität anzeigt, basierend auf hochfrequenten Komponenten des Signals, das von dem Sensor erhalten ist, zu bestimmen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Schmierbedingung durch die Signalamplitude detektiert werden kann. Eine fehlende Schmierung resultiert in einem mikromechanischen Kontakt während einer sehr kurzen Zeit. Dies erzeugt ein hochfrequentes Signal in der Dichtlippe, das mit dem Beschleunigungsmesser zu messen ist. Eine Frequenzverschiebung (gemessen über ein Zeitintervall) kann eine Anzeige einer schlechten Schmierbedingung geben.
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Zusätzlich kann die Datenverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt sein, einen Parameter zu berechnen, der ein Altern der Dichtlippe anzeigt. Da die Elastizität des Gummis oder einer anderen Art von Elastomer oder Polymer des elastischen Elements sich aufgrund von Alterung verringern, tendiert das elastische Element dazu, steifer zu werden.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass der Schwingungssensor als ein Gravitationssensor, insbesondere als ein 3D-Beschleunigungsmesser ausgebildet ist: ein 3D-Gyrosensor oder eine kombinierte Einheit mit sowohl einem 3D-Beschleunigungsmesser als auch einem 3D-Gyrosensor könnte genauso gut verwendet werden, vorausgesetzt dass die Reaktion schnell genug ist. Sensoren dieser Art sind in hoher Qualität zu einem geringen Preis auf dem Markt erhältlich. Während das technische Vorurteil, dass die Integration von Sensoren in Dichtlippen schwer sei, noch in dem Umfeld der Dichtlippen und anderer Dichtungsanordnungen existiert, haben die Erfinder überraschenderweise herausgefunden, dass die Miniaturisierung und die Robustheit dieser Klasse von Sensoren ausreichend fortgeschritten ist, um dieses neue Feld von Anwendungen zu eröffnen.
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Vorzugsweise ist der Beschleunigungssensor als ein 3-Achsen-Gravitationssensor-Halbleiterchip ausgebildet. Eine passende Datenverarbeitungseinrichtung kann dazu ausgelegt sein, die Orientierung des Beschleunigungssensors in Relation zu der Richtung der Gravitation zu bestimmen. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann in einem Sensorpaket inkludiert sein, das den Beschleunigungssensor für großformatige Dichtlippen beinhaltet, an einem Ring des Lagers befestigt sein, oder in einer entfernten Steuereinheit einer Maschine, die das Lager aufweist, angeordnet sein.
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Die Inklusion eines 3D-Beschleunigungssensors an der Dichtlippe zum Messen einer Wellenschwingung, einer dynamischen Unwucht etc., hat einen angenehmen Seiteneffekt, nämlich, da er ein DC-Sensor ist, kann er das Gravitationsfeld der Erde messen. Wenn die Dichtlippe in einer Position ist, an der ein Dichtlippenverschleiß eine Änderung des Winkels des Sensors verursacht (was wahrscheinlich ist bei den meisten Maschinen), verursacht dies eine Änderung (über den arcsin des Winkels zwischen Sensor und Gravitationsvektor) in dem Sensor-Offset, die gemessen werden kann.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel funktioniert bei der Messung des Schwerkraftvektors, da es auf die nanogroßen Strukturen eines 3D-Beschleunigungschips wirkt. Wenn die Dichtlippe verschleißt, ändert sich ihr Winkel bezüglich des Körpermaterials. Die Verbindung zwischen Dichtlippe und Dichtungskörper wirkt als Drehpunkt. Der Sensor wird ebenfalls gedreht und zusammen mit ihm die sensitive Fläche. Abhängig von der Sensororientierung erlebt/en keine, eine oder mehrere Flächen eine Rotation und die Rotation führt zu einem unterschiedlichen Offset für die Fläche. In Anbetracht des Satzes von Offsets, die der Originalorientierung entsprechen, und in Anbetracht des üblichen Fehlens einer Verschiebung des Sensors selbst, kann über die Zeit eine Änderung in den Vektoren gemessen werden, da die Dichtlippe verschleißt. In Anbetracht der Dichtungsgeometrie kann diese Änderung auf einen Dichtlippenverschleiß rückgerechnet werden. Die Erfindung funktioniert sowohl für Rotationsanwendungen als auch lineare Bewegungsanwendungen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Dichtungsanordnung eine Datenverarbeitungseinrichtung und einen Temperatursensor auf, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, eine Verschlechterung der Dichtlippe basierend auf einer Kombination der Signale von dem Schwingungssensor und von dem Temperatursensor zu bestimmen. Die Signale des Temperatursensors können verwendet werden, um temperaturabhängige Effekte, insbesondere Effekte der Temperatur auf die Schmierung, herauszurechnen.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Überwachen von Dichtungen eines Lagers. Auch wenn die Erfindung genauso auf Anwendungen mit einer linearen Bewegung zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil angewandt werden kann, ist es bevorzugt, dass das erste Teil einer Maschine und das zweite Teil der Maschine Lagerringe sind. Dennoch ist die Erfindung gleichermaßen auf Dichtungen mit einem Gleitkontakt an einer sich drehenden Welle anwendbar.
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Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Lager mit einer Dichtungsanordnung, wie oben beschrieben, und eine Maschine mit einem derartigen Lager.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Dichtungsanordnung mit einem Dichtungskörper und einer elastischen Dichtlippe mit einem beweglichen Teil, der an dem Dichtungskörper angebracht ist, wobei der Dichtungskörper dazu ausgelegt ist, an einem ersten Teil einer Maschine befestigt zu sein, und der bewegliche Teil dazu ausgelegt ist, in Gleitkontakt mit einem zweiten Teil der Maschine zu sein.
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Das Verfahren umfasst das Auswerten der Signale von zumindest einem Schwingungssensor, der an einem beweglichen Teil der Dichtlippe befestigt ist.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt, einen Parameter zu berechnen, der eine Haftreibung der Dichtlippe aus der Orientierung des Beschleunigungssensors und/oder aus einem Frequenzspektrum des Schwingungssensors, die erhalten werden, wenn die Maschine startet, anzeigt.
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Die folgende nicht begrenzende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung genauso wie die angehängten Ansprüche und Figuren zeigen mehrere charakteristische Eigenschaften der Erfindung in spezifischen Kombinationen. Der Fachmann wird leicht fähig sein, sich weitere Kombinationen oder Unterkombinationen dieser Eigenschaften auszudenken, um die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, an seine oder ihre spezifischen Bedürfnisse anzupassen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Dichtungsanordnung gemäß der Erfindung in einer Schnittansicht;
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2 zeigt eine Dichtungsanordnung gemäß der Erfindung in einer axialen Ansicht;
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3 ist ein schematischer Graph, der ein Schwingungsausmaß in einer radialen Richtung der Dichtung bei einem ersten Messlauf zeigt;
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4a–4d sind Frequenzspektren der Signale gemäß 3 in verschiedenen Phasen des Messlaufs; und
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5 ist ein schematischer Graph, der ein Schwingungsausmaß in einer tangentialen Richtung, in einer radialen Richtung und in einer axialen Richtung der Dichtung während eines weiteren Messlaufs zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Dichtungsanordnung mit einer elastischen Dichtlippe 10 mit einem beweglichen Teil 12, wobei die Dichtlippe 10 dazu ausgelegt ist, an einem ersten Teil einer Maschine, der als ein nicht rotierender Ring (nicht dargestellt) eines Lagers ausgebildet ist, befestigt zu sein, und in Gleitkontakt mit einem zweiten Teil 18 der Maschine, der als ein sich drehender Ring des Lagers ausgebildet ist, zu sein. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der zweite Teil 18 eine Welle.
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Die Dichtungsanordnung weist einen Gummi- oder Polymerring mit einem Profil, wie in 1 illustriert, auf. Der Ring umfasst einen Dichtungskörper 20 und eine Dichtlippe 10, die radial von dem Dichtungskörper 20 in Richtung des sich drehenden Rings 18 auskragt. Wenn nötig, wird die Dichtlippe 10 mit einer Spiralfeder 21 vorgespannt. Die Dichtlippe 10 hat einen radialen Teil und einen schrägen Teil, der mit dem radialen Teil über einen Drehpunkt verbunden ist.
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Ein Schwingungssensor 14, der als ein Beschleunigungssensor ausgebildet ist, speziell als ein halbleiterbasierter 3-Achsen-Gravitationssensor 14, ist an dem schrägen Abschnitt befestigt, der den beweglichen Teil 12 der Dichtlippe 10 an einer Seite, die dem Dichtungskörper 20 zugewandt ist, ausbildet. Eine Datenverarbeitungsvorrichtung 16 liest die Daten des Beschleunigungssensors 14 aus und wertet die Signale, wie weiter unten im Detail beschrieben werden wird, aus. Die Richtung der Schwerkraft G ist mit einem Pfeil angezeigt, und der Sensor ist dazu ausgelegt, die Komponenten der Schwerkraftbeschleunigung als den DC-Teil des Signals auszugeben.
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Der schräge Abschnitt erstreckt sich von dem Dichtkörper 20 in Richtung einer Gleitkontaktfläche des sich drehenden Rings. Die Dichtlippe 10 ist auf die Gleitkontaktfläche durch einen Ring gepresst.
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Die gestrichelten Linien in 1 zeigen die Konfiguration der Dichtlippe 10, wenn letztere verschlissen ist. Die Anstellung des schrägen Teils ändert sich als eine Folge des Verschleißes. Der Sensor 14 wird demnach gedreht und zusammen mit ihm die sensitiven Flächen des Sensors. Abhängig von der Orientierung des Sensors 14 erfahren keine, eine oder mehrere der Flächen eine Rotation und diese Rotation führt zu einem Unterschied in dem Offset-Signal für die Fläche, die der sich ändernden Komponente der Gravitationsbeschleunigung entspricht. Über die Zeit kann eine Änderung in den Vektoren gemessen werden, da die Dichtlippe verschleißt. In Anbetracht der Dichtungsgeometrie kann diese Änderung auf einen Verschleiß der Dichtlippe 10 durch die Datenverarbeitungseinrichtung 16 rückgerechnet werden, die die Werte des Verschleißes ausgeben oder speichern kann und/oder Warnsignale ausgeben kann, wenn der Verschleiß einen kritischen Schwellenwert erreicht. In Ausführungsbeispielen, bei denen ein weiterer Gravitationssensor 14 an einem sich nicht bewegenden Teil der Maschine oder des Lagers befestigt ist, ist es möglich, die relative Änderung der Orientierung der Dichtlippe 10 zu überwachen. In beiden Fällen ist die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt, die Orientierung des Beschleunigungssensors 14 in Relation zu der Richtung der Schwerkraft zu bestimmen, und aus der Orientierung des Beschleunigungssensors 14 einen Parameter zu berechnen, der einen Verschleiß der Dichtlippe anzeigt.
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2 illustriert ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt ist, einen Parameter zu berechnen, der eine Haftreibung der Dichtlippe aus einer Orientierung des Beschleunigungssensors 14 anzeigt.
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Diese Haftreibung verursacht eine Deformation der Dichtung in Richtung der Rotation. Die durchgängigen Linien in 2 zeigen eine Konfiguration eines Teils der Dichtlippe 10 mit einer geringen Haftreibung, und die gestrichelten Linien zeigen die Haftreibungsdeformation bei höherer Reibung. Die Deformation ist eine Drehdehndeformation, wobei der radial innere Teil der Dichtlippe 10 in Bezug auf seinen radial äußeren Teil drehverbogen wird.
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Der Beschleunigungssensor 14 ist derart an der Dichtung angebracht, dass er eine Schwingung (AC) und eine Drehung (DC) der Welle detektieren kann. Der Drehwinkel θ wird in dem Signal der gemessenen tangentialen und radialen Komponenten vorhanden sein. Es wird eine kalibrierte x, y, z zu polar Transformation wurde gezeigt, um fähig zu sein, die Sensorsignale 14 in verwendbare Lager-Wellen-Koordinaten zu konvertieren. Die Drehkomponente macht Aussagen über den Betrag der Haftreibung der Dichtung an der Welle. Das gleiche Prinzip kann verwendet werden bei der Detektion einer Drehkraft und/oder einer Last. Natürlich würde es in diesem Fall nicht eine Wellen-/Dichtungskombination, sondern irgendetwas Statisches sein, wie beispielsweise ein Arm, der gebogen wird, und als solches ändert er seinen Winkel hinsichtlich des Gravitationsvektors der Erde.
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Weiterhin ist ein Temperatursensor 22 an dem Lager mit der Dichtlippe angebracht.
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Während die oberen erläuterten Funktionen sich auf den DC-Teil des Sensorsignals fokussieren, ist es möglich, Informationen über dynamische Kräfte, die auf der Dichtung wirken, zu erhalten, indem die AC-Komponente des Signals verwendet wird, wie unten genauer beschrieben wird.
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Mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung weisen Ausführungsbeispiele auf, bei denen die Datenverarbeitungsvorrichtung 16 dazu ausgelegt ist, zumindest einen Parameter, der ein dynamisches Verhalten der Dichtungsanordnung und deren Schmierung beschreibt, aus den Daten, die von dem Beschleunigungssensor 14 erhalten werden, abzuleiten, indem die Temperatur, die von dem Temperatursensor 22 gemessen wird, berücksichtigt wird. Insbesondere kann die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt sein, eine Amplitude und/oder ein Spektrum der Schwingungen der Dichtlippe 10 aus den Daten, die von dem Beschleunigungssensor 14 erhalten werden, zu berechnen, und ein Warnsignal auszugeben, wenn die Amplitude und/oder das Spektrum der Schwingungen einen vorgegebenen Satz von Kriterien genügt.
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Ausführungsbeispiele der letztgenannten Art werden im Folgenden beschrieben. Die Eigenschaften all dieser Ausführungsbeispiele können leicht in dem Sinne kombiniert werden, dass die Datenverarbeitungseinrichtung 16 mehrere Parameter, die zu verschiedenen Aspekten des statischen und dynamischen Verhaltens der Dichtung gehören, bestimmt.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt, das Altern der Dichtung über die Zeit zu messen. Eine Alterung ändert die Dämpfung und Resonanzfrequenz. Die Datenverarbeitungseinrichtung 16 kann feststellen, wie sich die Dichtlippe 10 in Reaktion auf einen Stoß oder Impuls, der bei bestimmten Betriebsereignissen auftritt, bewegt, das heißt jedes Mal, wenn die Maschine gestartet wird oder ihre Geschwindigkeit beschleunigt.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt, den Dichtungszustand und den Lippenkontakt mit einer definierten Stoßwelleneingabe zu überprüfen, zum Beispiel durch das Zünden der Verbrennungsmaschine bei jedem Hub, oder durch eine andere definierte Eingabe. Das Messen einer Impulsreaktionsfunktion kann durch einen künstlichen Impuls erzeugt werden. Ein Impulsgenerator kann an der Dichtlippe 10 zu diesem Zweck angebracht sein. Im Allgemeinen kann die Datenverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt sein, ein vorgegebenes Betriebsereignis in dem regulären Betrieb der Maschine mit der Dichtungsanordnung zu identifizieren und die Schwingungssignale, die von dem Sensor als Reaktion auf das Betriebsereignis erhalten werden, zu überwachen.
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Bestimmte Anwendungen haben Ereignisse, die mehrere Male während einer bestimmten Zeitdauer auftreten; beispielsweise das Beschleunigen der Geschwindigkeit während eines Anlaufs. Dieses Ereignis kann durch den Beschleunigungssensor 14 überwacht werden. Das Anlaufen kann als eine Geschwindigkeitsbeschleunigung betrachtet werden. Das Messen der Beschleunigung (3DOF) während des Beschleunigens gibt Informationen über die Dämpfung und die Dichtungsresonanz (und vielleicht auch über das System). Ein Vergleich der Messungen über die Zeit (während der gleichen Anlaufereignisse), das heißt ein Vergleich mit den Reaktionssignalen, die gemessen werden oder die für ein ideales oder neues Dichtungssystem erwartet werden, können eine Anzeige für ein Altern oder einen Verschleiß geben. Die Datenverarbeitungseinrichtung 16 ist dazu ausgelegt, eine Änderung in den Schwingungssignalen, die von dem Schwingungssensor 14 in Reaktion auf das Betriebsereignis erhalten werden, hinsichtlich eines Signals, das für eine neue Dichtungsanordnung erhalten wird, auszuwerten, um einen Parameter, der eine Verschlechterung der Dichtungsanordnung anzeigt, zu bestimmen, und um ein Warnsignal auszugeben, wenn die Verschlechterung einen Schwellenwert übersteigt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt, den Schmierzustand der Dichtlippe 10 durch die hohe Frequenzkomponenten in dem Signal zu bestimmen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass dieser Schmierzustand durch die Signalamplitude detektiert werden kann. Ein Fehlen von Schmierung resultiert in einem mikromechanischen Kontakt während einer sehr kurzen Zeit. Dies erzeugt hochfrequente Signale in der Dichtlippe 10, die mit dem Beschleunigungsmesser zu messen sind. Eine Frequenzverschiebung (gemessen über ein Zeitintervall) kann eine Anzeige für einen schlechten Schmierzustand geben.
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Weiterhin initiiert der Haft-Gleit-Effekt einer Dichtung beim Anlaufen oder beim Stoppen tangentiale Kräfte in der Dichtlippe 10. Die Kräfte resultieren in einer Beschleunigung und können dann durch den Sensor 14 gemessen werden. Dieses stellt Informationen über die Schmierung der Dichtlippe 10 bereit und insbesondere auch über einen Verschleiß. Wenn die Dichtlippe nicht länger in Kontakt ist, wird dieses Signal verloren sein, was detektiert werden kann.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird vorgeschlagen, einen speziell codierten Sensor zu verwenden, der neben den Daten zusätzliche Informationen oder spezifische charakteristische Zeitunterschiede zwischen den Datenpaketen sendet, um beispielsweise das Lager zu identifizieren. Heutzutage werden die Art und Größe des Lagers oft an der Dichtungsaußenseite gezeigt. Indem mehrere Beschleunigungsmesser an der Dichtung verwendet werden, ist es möglich, die Sensoren 14 digital mit einem Code zu codieren, der einzigartig für eine bestimmte Lagerart ist. Dieser Code kann beispielsweise ein digitaler Code sein, um auf den Sensor 14 zuzugreifen, bevor er verwendet werden kann. In dem Konditionierer kann ein Code erzeugt werden, der zu einer Lager-ID und zu dem Hersteller gehört. Das Format des Datentransfers kann also auch einen Code herstellen, der einzigartig ist für eine bestimmte Lagerart.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt, die Frequenzdaten zu verwenden, um den Verschleiß und die Reibbedingungen zu detektieren. Wenn sich die Reibung erhöht, erhöht sich die Temperatur, so dass eine größere Dämpfung und weniger hochfrequente Komponenten in dem Signal existieren.
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Es wird weiter vorgeschlagen, eine 3D-Matrixkarte für einen bestimmten Momente in der Zeit durch die Analyse der Rotationsgeschwindigkeit und Temperatur in Kombination mit der Frequenzantwort der Beschleunigungsmesser zu erzeugen. Diese Karte kann mit verschiedenen Anwendungszuständen verglichen werden. Wenn diese Karte innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls während bekannter Anwendungszustände gemessen wird, kann man der Tendenz zu Verschleiß, Reibung und Alterung nachfolgen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt, eine Messung der Rotationsgeschwindigkeit der Dichtung in einer rotierenden Dichtungsanwendung zu bestimmen. In einer rotierenden Dichtungsanwendung kann der Sensor 14 die Rotationsgeschwindigkeit messen, indem der Gravitationsvektor als eine Referenz verwendet wird, da das Signal mit der Rotationsfrequenz oszilliert.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt, die Start- und Stoppzeitstempel, die Frequenz aufzunehmen, und die tatsächliche Laufzeit zu berechnen. Über einen Schwellenwert oder eine Mustererkennungsfunktion kann detektiert werden, dass das Lager läuft. Diese Information informiert, wenn sie integriert ist, über die totale Laufzeit der Dichtung, und kann, wenn sie mit einem Zeitstempel gekoppelt ist, mit der Information von anderen Sensoren 14 in dem Gesamtsystem kombiniert werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt, den Missbrauch der Dichtung aufzunehmen, beispielsweise große dynamische Unwucht; oder, in Kombination mit einem Temperatursensor 14, kann die Startbedingung aufgenommen werden. Die Erfinder schlagen vor, diese Funktion auf dem Beschleunigungschip selbst zu integrieren, um eine Sabotage zu verhindern. Eine große Schwingung, die über mehr als eine bestimmte Zeitdauer dauert, wird einen Zerstörungsschreibprozess in einer Speicherzelle, veranlassen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt, einen Verlust der Vorspannung des Lagers zu detektieren, der in einer vergrößerten axialen Schwingung resultiert. Dies kann als eine Lücke in einer Grundbewegung gemessen werden. Der Verlust der Vorspannung verursacht, dass die axialen Kräfte auf der Welle eine direkte 1:1-Kopplung mit der Wellenmasse haben. Es gibt die Steifheit des Lagers nicht länger, um die Bewegung zu dämpfen. Durch die Reibung der Dichtlippe 10 wird diese Beschleunigung unmittelbar an den Sensor 14 transferiert.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt, einen Schaden an einer Labyrinthdichtung zu detektieren, indem eine Kontaktschwingung einer Dichtung detektiert wird, die normalerweise nicht in Kontakt mit der Welle sein sollte. In einer Labyrinthdichtung muss der Kontakt der Labyrinthwandungen zwischen dem statischen Teil und einem rotierenden Teil vermieden werden, da dieses zu einem exzessiven Verschleiß führt. Das Kontaktieren induziert Kräfte und aus den Kräften folgt eine Beschleunigung. Da die statische Dichtungswandung als eine Bremse wirkt, kann die Verlangsamung der sich drehenden Wandung direkt mit dem Sensor 14 gemessen werden. In Anbetracht der kurzen Dauer ist dies ein klarer Bruch mit der Grundbewegung. Für dieses Ausführungsbeispiel kann der Beschleunigungssensor 14 an einer Dichtlippe 10 befestigt sein, die nicht dazu ausgelegt ist, in Gleitkontakt mit einem zweiten Teil 18 der Maschine zu sein, sondern zufällig einen Gleitkontakt als ein Resultat einer Beschädigung oder eines Verschleißes etabliert.
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Die Erfindung ist nicht auf Dichtungen mit radialem Kontakt limitiert, sondern kann auch bei Gleitdichtungen angewandt werden, um die axiale Bewegung zu messen. Eine Gleitdichtung stellt eine Dichtung in axialer Richtung bereit.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinheit 16 dazu ausgelegt, einen Pumpeffekt der Dichtung zu detektieren, indem bestimmte axiale und radiale Schwingungsmuster detektiert werden. Die Pumpwirkung der Dichtung resultiert in einer charakteristischen sinusoidalen Bewegung, die relativ schnell und an die Rotationsgeschwindigkeit gekoppelt ist, und demnach in einem detektierbaren spezifischen Beschleunigungssignalmuster.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung 16 dazu ausgelegt, eine Flachstelle oder Fehlstelle einer Bereifung in einem Lastwagen oder in einer Automobilanwendung zu messen. Eine Flachstelle an einer Bereifung resultiert in zwei Stößen, die durch den Reifen an die Felge und dann an die Nabe transferiert werden. Von der Nabe bewegt er sich zu der Achse und dann zu dem Lager. Es gibt eine gewisse Dämpfung durch den Reifen, aber die Metallmassen sind relativ steif. Das Signal kommt an der Achse an und erzeugt zwei aufeinanderfolgende eineindeutige Radialkraftpulse, die in die Dichtlippe 10 eingeleitet werden. Dieses Muster wiederum unterscheidet sich von der Grundbewegung und kann detektiert werden.
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Die Datenverarbeitungseinrichtung 16 implementiert ein Verfahren zum Überwachen einer Dichtungsanordnung mit einer elastischen Dichtlippe 10 mit einem beweglichen Teil 12, wobei die Dichtlippe 10 dazu ausgelegt ist, an einem ersten Teil einer Maschine angebracht zu sein und in Gleitkontakt mit einem zweiten Teil 18 der Maschine zu sein. Das Verfahren umfasst die Auswertung der Signale von zumindest einem Beschleunigungssensor 14, der an dem beweglichen Teil 12 der Dichtlippe 10 befestigt ist.
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3 ist ein schematischer Graph, der ein Schwingungsausmaß in einer radialen Richtung der Dichtung für einen ersten Messlauf zeigt. Die Geschwindigkeit der Welle, die von dem Lager abgestützt ist, wird unter Last in Schritten von 100 rpm bis zu 600 rpm vergrößert und wird dann in den Leerlaufmodus zurückgeführt, wie in dem Graph gezeigt. Die Schwingungsamplitude in der tangentialen Richtung vergrößert sich mit der vergrößernder Rotationsgeschwindigkeit.
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4a bis 4d sind Frequenzspektren von Signalen gemäß 3 in verschiedenen Phasen des Messlaufs. 4a ist ein typisches Frequenzspektrum für den geringen Geschwindigkeitsbereich bei 100 rpm mit einem breiten Spektrum an tangentialen Dichtungsschwingungen. 4b und 4b sind typische Spektren für den hohen Geschwindigkeitsbereich bei 400 rpm und 600 rpm, wobei Frequenzspitzen, die zu der Wellenrotation gehören, klar unterscheidbar sind. 4c ist ein typisches Spektrum für den Leerlauf.
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5 ist ein Graph, der, von oben nach unten, tatsächliche Messungen eines Schwingungsausmaß in einer tangentialen Richtung, in einer radialen Richtung und in einer axialen Richtung der Dichtung für einen weiteren Messlauf zeigt. Die stufenartige Form der Umhüllung des Graphs in der Mitte, die zu den radialen Schwingungen gehört, reflektiert eine schrittweise Vergrößerung und nachfolgend Verkleinerung der Drehgeschwindigkeit der Welle. Die Messungen zeigen, dass sich die Amplitude des Schwingungsausmaßes in der tangentialen Richtung mit einer vergrößerten Rotationsgeschwindigkeit vergrößert.
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Die Signale, die in den 3 bis 5 illustriert sind, können verwendet werden, um Parameter, wie beispielsweise die dynamische Unwucht, zu berechnen, indem die Signale ein- oder zweimal integriert werden. Die Amplitude der Schwingung in dem tangentialen Ausmaß hängt von der Reibung der Dichtlippe an der Kontaktfläche, an der sie gleitet, ab. Je höher die Reibung, desto größer ist die Amplitude der tangentialen Schwingungen. Die Reibung dagegen hängt sowohl von der Größe des Kontaktbereichs als auch von der Schmierung ab. Gemäß der Erfindung kann die Größe des Kontaktbereichs aus dem DC-Teil des Signals bestimmt werden, wie oben mit Referenz auf 1 beschrieben wurde. Dementsprechend ist es möglich, den Effekt der Schmierung auf die Amplitude zu isolieren.
