DE112020002417T5

DE112020002417T5 - Vorrichtung und Verfahren zum Überwachen der Integrität und Leistungsfähigkeit eines mechanischen Systems

Info

Publication number: DE112020002417T5
Application number: DE112020002417.2T
Authority: DE
Inventors: Erik Gest; Mikio Furokawa; Takayuki Hirano; Kamal Youcef-Toumi
Original assignee: Japan Steel Works Ltd; Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Japan Steel Works Ltd; Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2020-05-16
Publication date: 2022-02-24
Also published as: JP2022532253A; WO2020236671A1; US20220214238A1; CN114144646A

Abstract

Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Überwachen der Integrität eines mechanischen Systems, das eine Drehwelle umfasst, wie offenbart, können verschiedene Parameter der Drehwelle messen, um die Integrität und Leistungsfähigkeit des mechanischen Systems zu bewerten. Eine Messvorrichtung kann sich mit der Drehwelle drehen und kann ermöglichen, dass eine Belastung auf Zugspannung gemessen wird, was genaue Drehwellenparametermessungen mit geringen Kosten und einer einfachen Installation schaffen kann. Die Messvorrichtung kann ein Verbindungselement, das mit der Drehwelle koppeln kann, eine Brücke, die mit dem Verbindungselement koppeln kann, und einen Belastungsmesssensor, der der Brücke zugeordnet ist, umfassen, so dass der Belastungssensor die Verformung eines Abschnitts der Brücke messen kann, der sich mit der Drehung der Drehwelle verformen kann. Die Messvorrichtung kann dazu ausgelegt sein, die durch die Drehwelle erfahrene Belastung zu verstärken, was Rauschen bei der Belastungsmessung verringern kann.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität und den Vorteil der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/849 835 , eingereicht am 17. Mai 2019, mit dem Titel „Devices and Methods for Monitoring Health and Performance of a Mechanical System“, deren Inhalt hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Überwachen der Integrität und Leistungsfähigkeit eines mechanischen Systems und bezieht sich insbesondere auf Vorrichtungen zum Messen einer Belastung, die mit einer Drehwelle eines mechanischen Systems gekoppelt oder anderweitig dieser zugeordnet sein kann, um die Überwachung der Integrität und Leistungsfähigkeit des mechanischen Systems zu unterstützen.
HINTERGRUND
Die Integritätsüberwachung und Integritätsvorhersage von mechanischen Systemen kann beim Vermeiden von Systemausfällen, Alarmieren eines Benutzers über eine erforderliche Reparatur, Abschätzen und Minimieren von Verschleiß und/oder Erhöhen der Sicherheit des Systems durch Verhindern von gefährlichen Betriebsbedingungen, bevor sie passieren, helfen. In vielen mechanischen Systemen, z. B. auf dem Gebiet des Transports, der Leistungserzeugung, einer Industrieausrüstung, der Robotik usw., können eine oder mehrere Drehwellen ein Hauptmittel zur mechanischen Leistungsübertragung sein. An sich kann das Messen von Eigenschaften der Drehwelle(n), z. B. Drehmoment, Drehzahl, Vibration, Biegung usw., in vielen Fällen verwendet werden, um die Systemleistungsfähigkeit und Systemintegrität zu bewerten und in einigen Fällen Systemsteuerungen zu implementieren. Viele Probleme wie z. B. Langzeitermüdung, auf den Verschleiß bezogene Probleme und akute Ausfälle können Symptome im System verursachen, die an der Welle detektierbar sein können. Wenn jedes des Drehmoments, der Drehzahl, der Vibration und der Biegung gemessen werden kann, ist es daher wahrscheinlich, dass Probleme bei dem System detektiert werden können, bevor sie kritisch werden, was eine Beschädigung verringern und sowohl die Systemleistungsfähigkeit als auch die Systemsicherheit erhöhen kann.
Bekannte Drehmomentsensoren für Drehwellen weisen üblicherweise ihre eigene Achse auf, was eine Verbindung mit der Drehwelle an beiden Enden erfordern kann. Dies kann das Schneiden oder anderweitige Ändern der Welle erfordern, damit der Drehmomentsensor installiert wird, was den Installationsprozess langwierig machen kann und eine Möglichkeit einer Beschädigung am System erhöhen kann. Wenn eine spezielle Drehwelle oder ein spezielles System nicht für einen speziellen Drehmomentsensor entworfen wurde, kann überdies der Sensor mit dem System inkompatibel sein, z. B. kann die Welle keinen genügend langen freiliegenden Abschnitt aufweisen, damit der Sensor hinzugefügt wird.
Anklemmbare Oberflächenschallwellensensoren (SAW-Sensoren) und anklemmbare optische Sensoren sind andere bekannte Sensoren, die zum Messen des Drehmoments einer Drehwelle verwendet werden können. Obwohl diese Sensoren ohne Modifikation an der Welle installiert werden können, können sie eine sorgfältige Montage von Komponenten an einer Oberfläche der Welle erfordern und können somit zu einem langen Installationsprozess führen, der ein hohes Niveau an Präzision erfordern kann. Außerdem wird die Drehwelle häufig in einem Querschnitt verschmälert, an dem Messungen mit einem anklemmbaren SAW- oder optischen Sensor durchgeführt werden, was den Installationsprozess weiter verkomplizieren kann, die Welle schwächen kann und/oder die Welle in einer Weise beschädigen kann, die verhindert, dass der Sensor an der Welle für eine gewünschte, ausgedehnte Zeitdauer festklemmt bleibt.
Wie bei dem Drehmoment existieren Lösungen, die eine Drehzahl einer Drehwelle messen können. Magnete, Codierer, Photodrehzahlmesser und Motoren können beispielsweise verwendet werden, um die Drehzahl einer Drehwelle zu messen. Jeder von diesen kann jedoch erfordern, dass ein Teil des Sensors oder der Vorrichtung in einem nicht rotierenden Referenzrahmen stationär oder fest bleibt. In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, dass keine Teile am stationären Referenzrahmen fixiert sind.
Folglich besteht auf dem Fachgebiet ein Bedarf an einer Messvorrichtung, die einen oder mehrere Parameter einer Drehwelle genau detektieren kann, so dass die Integrität eines mechanischen Systems, das der Welle zugeordnet ist, in einer Weise bestimmt werden kann, die kostengünstig sein kann, eine einfache Installation beinhalten kann und nicht erfordert, dass irgendeine Komponente der Messvorrichtung in einem stationären Referenzrahmen bleibt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Anmeldung ist auf Vorrichtungen und Verfahren gerichtet, die verschiedene Parameter einer Drehwelle eines mechanischen Systems messen können. Das Messen dieser Parameter kann ermöglichen, dass die Integrität und Leistungsfähigkeit der Drehwelle und allgemeiner des mechanischen Systems überwacht werden. Die geschaffenen Vorrichtungen und Verfahren können ermöglichen, dass eine Belastung auf Zugspannung im Gegensatz zu Scherung gemessen wird. Folglich kann eine Vielfalt von verschiedenen Belastungsmesssensoren verwendet werden, einschließlich preiswerterer und üblicherer Zugbelastungsmessern.
Die Gestaltung von hier geschaffenen beispielhaften Vorrichtungen ist derart, dass sie die tatsächliche Belastung, die durch eine Drehwelle eines mechanischen Systems erfahren wird, wenn das System betrieben wird, mechanisch verstärken können. Insbesondere kann die Vorrichtung mit der Drehwelle in einer Weise gekoppelt werden, so dass sich die Vorrichtung mit der Welle drehen kann. In offenbarten beispielhaften Ausführungsformen können sich alle Teile von solchen Vorrichtungen relativ zu einem stationären Referenzrahmen bewegen, d. h. sie sind in keiner Weise fest. Dies kann eine einfache Installation der Vorrichtung an der Drehwelle ermöglichen. Die Gestaltung kann auch ermöglichen, dass die Vorrichtung mit relativ geringen Toleranzen aufgebaut wird, während die Genauigkeit bei der Messung beibehalten wird. Noch ferner können zusätzlich dazu, dass sie die Zugspannung messen können, die hier geschaffenen Vorrichtungen und Verfahren auch die Messung eines Drehmoments (auch als Verdrehung beschrieben, und umfasst sowohl das durch die Welle übertragene Drehmoment als auch die Torsion der Welle), einer Drehzahl, einer Beschleunigung (dadurch, dass sie die Drehzahl messen können), von Vibrationen und einer Biegung ermöglichen - alles ohne dass die Vorrichtung in irgendeiner Weise an einem stationären Referenzrahmen fixiert ist. Folglich können die geschaffenen Vorrichtungen und Verfahren die Messung dieser verschiedenen Parameter in einer einfachen und zugänglichen Weise ermöglichen, ohne die Welle in irgendeiner Weise modifizieren zu müssen.
In einer beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zum Überwachen eines mechanischen Systems, das eine Drehwelle umfasst, umfasst die Vorrichtung ein Verbindungselement, eine Brücke, die mit dem Verbindungselement gekoppelt ist, und einen Belastungsmesssensor, der der Brücke zugeordnet (z. B. daran angeordnet, darin angeordnet usw.) ist. Das Verbindungselement ist dazu konfiguriert, mit einer Drehwelle zu koppeln, wobei das Verbindungselement einen ersten Referenzort und einen zweiten Referenzort aufweist. Die Brücke erstreckt sich zwischen dem ersten und dem zweiten Referenzort und ist so konfiguriert, dass sie derart angeordnet ist, dass eine Längsachse davon von einer zentralen Längsachse der Drehwelle seitlich versetzt ist, wenn das Verbindungselement mit einer Drehwelle gekoppelt ist. Die Längsachse und die zentrale Längsachse sind im Wesentlichen zueinander parallel und die Brücke umfasst eine Biegezone, die dazu konfiguriert ist, sich als Reaktion darauf zu verformen, dass die Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle einer Torsionskraft unterzogen wird. Der Belastungsmesssensor ist zwischen dem ersten und dem zweiten Referenzort angeordnet und ist dazu konfiguriert, einen Betrag der Torsionskraft, die durch die Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle erfahren wird, auf der Basis einer durch den Belastungsmesssensor gemessenen Belastung zu bestimmen.
Jedes des Verbindungselements, der Brücke und des Belastungsmesssensors kann dazu konfiguriert sein, sich mit der Drehwelle zu drehen, so dass die Belastung durch den Belastungsmesssensor ohne stationären Referenzrahmen gemessen wird. In einigen Ausführungsformen dreht sich jede einzelne Komponente der Vorrichtung zum Überwachen eines mechanischen Systems, das eine Drehwelle umfasst, mit der Drehwelle.
Der Belastungsmesssensor kann dazu konfiguriert sein, eine Biegung der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle zu detektieren. Dies gilt zusätzlich dazu, dass der Sensor die Belastung misst. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung auch einen Beschleunigungsmesser umfassen. Der Beschleunigungsmesser kann dazu konfiguriert sein, eine Drehzahl der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle zu bestimmen. Dies gilt zusätzlich dazu, dass der Sensor die Belastung misst, und kann, muss jedoch nicht zusätzlich dazu gelten, dass der Sensor eine Biegung detektiert. In einigen Ausführungsformen kann der Beschleunigungsmesser auch dazu konfiguriert sein, eine Frequenz von Vibrationen, die an der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle vorhanden sind, und/oder eine Amplitude von Vibrationen, die an der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle vorhanden sind, zu detektieren. Dies gilt zusätzlich dazu, dass der Sensor die Belastung misst, und kann, muss jedoch nicht zusätzlich dazu gelten, dass der Sensor die Biegung detektiert und/oder der Beschleunigungsmesser eine Drehzahl der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle bestimmt.
Der Belastungsmesssensor kann dazu konfiguriert sein, eine Belastung auf Zugspannung zu messen. In einigen Ausführungsformen kann der Belastungsmesssensor einen Zugbelastungsmesser umfassen. In einigen Ausführungsformen kann der Belastungsmesssensor zwei mechanische Brücken umfassen, die in einer Wheatstone-Halbbrückenkonfiguration angeordnet sind. Alternativ kann der Belastungsmesssensor vier mechanische Brücken umfassen, die in einer Wheatstone-Vollbrückenkonfiguration angeordnet sind.
Die durch den Belastungsmesssensor gemessene Belastung kann größer sein als eine durch die Drehwelle erfahrene Belastung, wenn sie der Torsionskraft unterzogen wird. In zumindest einigen solchen Ausführungsformen kann die Brücke derart konfiguriert sein, dass ein Abstand des seitlichen Versatzes zwischen der Längsachse der Brücke und der zentralen Längsachse der Drehwelle einstellbar ist, um wiederum die Differenz zwischen der durch den Belastungsmesssensor gemessenen Belastung und der durch die Drehwelle erfahrenen Belastung, wenn sie der Torsionskraft unterzogen wird, einzustellen.
Die Brücke kann ein erstes Widerlager, ein zweites Widerlager und eine Spanne umfassen. Das erste Widerlager kann mit dem Verbindungselement näher am ersten Referenzort als am zweiten Referenzort gekoppelt sein und das zweite Widerlager kann mit dem Verbindungselement näher am zweiten Referenzort als am ersten Referenzort gekoppelt sein. Die Spanne kann sich zwischen dem ersten und dem zweiten Widerlager erstrecken, wobei der Belastungsmesssensor der Spanne zugeordnet (z. B. daran angeordnet, darin angeordnet usw.) ist. In einigen Ausführungsformen kann das Verbindungselement einen ersten Kranz und einen zweiten Kranz umfassen, wobei der erste Kranz den ersten Referenzort umfasst und der zweite Kranz den zweiten Referenzort umfasst. Das erste Widerlager kann mit dem ersten Kranz gekoppelt sein und das zweite Widerlager kann mit dem zweiten Kranz gekoppelt sein. In zumindest einigen Ausführungsformen kann die Brücke einen Schubmodul aufweisen, der geringer ist als der Schubmodul der Drehwelle. Als nicht begrenzendes Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Brücke einen Schubmodul aufweisen, der mindestens fünfmal geringer ist als ein Schubmodul der Drehwelle. Dies kann alternativ als Brücke mit einem Material (oder einer Kombination von Materialien) mit einem Schubmodul beschrieben werden, der mindestens fünfmal geringer ist als der eines Materials (oder einer Kombination von Materialien), aus dem die Drehwelle ausgebildet ist. Alternative Verhältnisse des Schubmoduls der Brücke (oder von Material(ien), das (die) verwendet wird (werden), um die Brücke auszubilden) im Vergleich zum Schubmodul der Drehwelle (oder von Material(ien), das (die) verwendet wird (werden), um die Drehwelle auszubilden) umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf 1:2, 1:4, 1:10, 1:20, :1:25, 1:50 und 1:100.
Eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Überwachen eines mechanischen Systems, das eine Drehwelle umfasst, umfasst das Messen einer mechanisch verstärkten Belastung einer Drehwelle eines mechanischen Systems unter Verwendung einer Belastungsmessvorrichtung, die mit der Drehwelle des mechanischen Systems gekoppelt ist. Diese Handlung wird derart durchgeführt, dass sich die Belastungsmessvorrichtung mit der Drehwelle dreht, wenn die Drehwelle betrieben wird. Die gemessene mechanisch verstärkte Belastung ist größer als eine durch die Drehwelle erfahrene Belastung, wenn sie betrieben wird.
Jede einzelne Komponente der Belastungsmessvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie mit der Drehwelle gekoppelt wird und/oder eine Belastung misst, die der Drehwelle zugeordnet ist, kann sich mit der Drehwelle drehen, wenn die Drehwelle betrieben wird. Jede einzelne Komponente der Belastungsmessvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie mit der Drehwelle gekoppelt wird und/oder eine Belastung misst, die der Drehwelle zugeordnet ist, kann Folgendes umfassen: (1) ein Verbindungselement, das mit der Drehwelle gekoppelt ist; (2) eine Brücke, die mit dem Verbindungselement gekoppelt ist; und (3) einen Belastungsmesssensor, der dem Sensor zugeordnet (z. B. daran angeordnet, darin angeordnet usw.) ist, der die Handlung der Messung der mechanisch verstärkten Belastung der Drehwelle durchführt. Wenn in einigen solchen Ausführungsformen die Brücke derart angeordnet sein kann, dass eine Längsachse der Brücke von einer zentralen Längsachse der Drehwelle seitlich versetzt ist, wobei die Längsachse und die zentrale Längsachse im Wesentlichen zueinander parallel sind.
Das Verfahren kann auch das Koppeln der Belastungsmessvorrichtung mit der Drehwelle umfassen. Beispielsweise kann dies das Koppeln eines ersten Kranzes der Belastungsmessvorrichtung mit einem ersten Ort an der Drehwelle und das Koppeln eines zweiten Kranzes der Belastungsmessvorrichtung mit einem zweiten Ort an der Drehwelle umfassen. In solchen Ausführungsformen kann die Belastungsmessvorrichtung eine Brücke umfassen, die sich zwischen zwei Kränzen erstreckt. Eine Längsachse der Brücke kann von einer zentralen Längsachse der Drehwelle seitlich versetzt sein, wobei die Längsachse und die zentrale Längsachse im Wesentlichen zueinander parallel sind. In einigen solchen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Einstellen eines Abstandes des seitlichen Versatzes zwischen der Längsachse der Brücke und der zentralen Längsachse der Drehwelle umfassen, um einen Wert der mechanisch verstärkten Belastung mit Bezug auf die durch die Drehwelle erfahrene Belastung, wenn sie betrieben wird, einzustellen.
Die Belastungsmessvorrichtung kann die mechanisch verstärkte Belastung der Drehwelle des mechanischen Systems auf Zugspannung messen. In einigen Ausführungsformen kann die Belastungsmessvorrichtung einen Belastungsmesssensor umfassen. Der Belastungsmesssensor kann in einem Abstand von der Drehwelle entfernt angeordnet sein, so dass der Belastungsmesssensor die Drehwelle nicht direkt kontaktiert und von einer zentralen Längsachse der Drehwelle seitlich versetzt ist.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren das Detektieren der Biegung der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle unter Verwendung der Belastungsmessvorrichtung umfassen. Diese Detektion kann zusätzlich zum Messen der mechanisch verstärkten Belastung sein. Das Verfahren kann auch das Bestimmen einer Drehzahl der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle unter Verwendung der Belastungsmessvorrichtung umfassen. Diese Bestimmung kann zusätzlich zum Messen der mechanisch verstärkten Belastung und/oder zum Detektieren der Biegung der Drehwelle sein. Noch ferner kann das Verfahren das Detektieren einer Frequenz von Vibrationen, die an der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle vorhanden sind, und/oder einer Amplitude von Vibrationen, die an der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle vorhanden sind, unter Verwendung der Belastungsmessvorrichtung umfassen. Diese Detektion kann zusätzlich zu irgendeiner oder allen der Messung der mechanisch verstärkten Belastung, der Detektion der Biegung der Drehwelle und/oder der Bestimmung einer Drehzahl der Drehwelle sein.
Figurenliste
Diese Offenbarung wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen umfassender verständlich; es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Messvorrichtung zum Überwachen eines mechanischen Systems, das eine Drehwelle umfasst;
2 eine perspektivische Ansicht der Messvorrichtung von 1, die mit einer Drehwelle gekoppelt ist, wobei eine Analyse finiter Elemente die Belastung der Messvorrichtung und der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle zeigt;
3 drei beispielhafte Belastungsmesssensoren, die einen Teil der Messvorrichtung von 1 bilden können;
4 eine perspektivische Ansicht einer anderen beispielhaften Ausführungsform einer Messvorrichtung zum Überwachen eines mechanischen Systems, das eine Drehwelle umfasst;
5 einen Testaufbau der Messvorrichtung von 4, die mit einer Drehwelle gekoppelt ist;
6 einen Graphen, der ein Drehmoment, das durch die Messvorrichtung von 5 gemessen wird, und ein aufgebrachtes Drehmoment über die Zeit zeigt;
7 einen Graphen, der ein Drehmoment, das durch die Messvorrichtung von 5 gemessen wird, mit einem aufgebrachten Drehmoment vergleicht;
8 einen Graphen, der einen Belastungssensormesswert der Messvorrichtung von 5 über die Zeit zeigt;
9 ein Leistungsspektrum eines Belastungssensormesswerts der Messvorrichtung von 5 bei verschiedenen Drehzahlen der Drehwelle von 5; und
10 einen Graphen, der ein Leistungsspektrum von Beschleunigungsdaten zeigt, die durch die Messvorrichtung von 5 gemessen werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun werden bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, um für ein Gesamtverständnis der Prinzipien der Struktur, Funktion, Herstellung und Verwendung der hier offenbarten Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zu sorgen. Ein oder mehrere Beispiele dieser Ausführungsformen sind in den begleitenden Zeichnungen dargestellt. Der Fachmann auf dem Gebiet versteht, dass die hier speziell beschriebenen und in den begleitenden Zeichnungen dargestellten Vorrichtungen und Verfahren nicht begrenzende beispielhafte Ausführungsformen sind, und dass der Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung nur durch die Ansprüche definiert ist. Die in Verbindung mit einer beispielhaften Ausführungsform dargestellten oder beschriebenen Merkmale können mit den Merkmalen von anderen Ausführungsformen kombiniert werden. Solche Modifikationen und Variationen sollen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung enthalten sein. Noch ferner schafft die vorliegende Offenbarung einige Erläuterungen und Beschreibungen, die Phototypen, Labormodelle und/oder schematische Darstellungen von Aufbauten umfassen. Ein Fachmann auf dem Gebiet erkennt, wie auf die vorliegende Offenbarung zu stützen ist, um die geschaffenen Techniken, Systeme, Vorrichtungen und Verfahren in ein Produkt, wie z. B. einen verbrauchsfertigen, einsatzbereiten oder laborbereiten, dreidimensionalen Drucker, zu integrieren.
Die vorliegende Offenbarung ist im Allgemeinen auf Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zum Überwachen der Integrität eines mechanischen Systems, das eine Drehwelle umfasst, durch Messen von einem oder mehreren Parametern der Drehwelle, um auf die Systemleistungsfähigkeit und Systemintegrität zuzugreifen und/oder Systemsteuerungen zu implementieren, gerichtet. Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung können ein Verbindungselement, das mit einer Drehwelle koppeln kann, und eine Brücke, die mit dem Verbindungselement koppeln kann, umfassen. Die Brücke kann eine Biegezone aufweisen, die sich als Reaktion darauf, dass die Drehwelle einer Torsionskraft während des Betriebs unterzogen wird, verformen kann. Ein Belastungsmesssensor kann der Brücke und insbesondere der Biegezone zugeordnet sein und kann einen Betrag der Torsionskraft, die durch die Drehwelle während des Betriebs davon erfahren wird, auf der Basis einer Belastung der Biegezone, die durch den Belastungssensor gemessen wird, bestimmen. Ein Belastungsmesssensor kann die Belastung des verformten Abschnitts der Brücke messen, um die Belastung an der Drehwelle zu bestimmen. Jede einzelne Komponente der Messvorrichtung kann sich mit der Drehwelle drehen. Mit anderen Worten, die Messvorrichtung kann vollständig innerhalb des Drehreferenzrahmens existieren, ohne dass irgendeine Komponente davon in einem stationären Referenzrahmen fixiert ist. Folglich kann eine Mehrheit der Kalibrierung und genauen Anordnung von Erfassungskomponenten vor der Installation der Messvorrichtung an der Drehwelle stattfinden, was den Installationsprozess erleichtern kann. Überdies können Messvorrichtungen der vorliegenden Offenbarung derart gestaltet sein, dass die Vorrichtungen im Vergleich zu Standarddrehmomentwandlern kompakt sein können.
Messvorrichtungen der vorliegenden Offenbarung können eine Belastung an der Drehwelle vielmehr auf Zugspannung als auf Scherung messen. Dies kann die Verwendung von preiswerteren und üblicheren Zugbelastungsmessern schaffen. Die Belastung der Drehwelle während des Betriebs kann unter Verwendung von geometrischen und Materialeigenschaften der Messvorrichtung mechanisch verstärkt werden. Der Belastungssensor kann die Belastung von der Drehwelle übertragen und kann den Belastungsmesswert verstärken, um die Empfindlichkeit der Belastungsmessung zu erhöhen. In vielen Fällen kann die Messvorrichtung auch eine Biegung der Drehwelle detektieren. Der (die) Sensor(en), der (die) der Messvorrichtung zugeordnet ist (sind), kann (können) mit relativ geringen Toleranzen aufgebaut werden, während die Genauigkeit bei der Messung beibehalten wird.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Messvorrichtung 10 der vorliegenden Offenbarung, die die Belastung einer Drehwelle 12 (2) messen kann, z. B. um einen oder mehrere Parameter der Drehwelle wie z. B. das Drehmoment und/oder die Biegung zu berechnen. Die Drehwelle 12 kann eine Komponente in einem größeren mechanischen System (nicht gezeigt) sein, einschließlich beispielsweise eines Antriebswellensystems oder eines Turbinenwellensystems. Die Messvorrichtung 10 kann ein Verbindungselement 14, das mit der Drehwelle 12 gekoppelt sein kann, und eine Brücke 16, die mit dem Verbindungselement 14 koppeln kann, umfassen. Ein Belastungsmesssensor 18 kann der Brücke 16 zugeordnet sein. Der Belastungssensor 18 kann beispielsweise an oder innerhalb der Brücke 16 angeordnet sein. Der Belastungssensor 18 kann den Betrag einer Torsionskraft bestimmen, die durch die Drehwelle 12, die mit der Messvorrichtung 10 gekoppelt ist, während des Betriebs der Drehwelle erfahren wird. Ein Belastungsmesswert oder eine Messung vom Belastungssensor 18 kann verwendet werden, um einen oder mehrere Integritätsparameter der Drehwelle 12 und folglich eines mechanischen Systems, das die Drehwelle umfasst, zu bestimmen. Wie nachstehend im Einzelnen erörtert, kann das Verbindungselement 14 einen ersten Referenzort und einen zweiten Referenzort umfassen. Die Brücke 16 kann am Verbindungselement 14 am ersten Referenzort und am zweiten Referenzort befestigt sein, so dass der Belastungssensor 18 an einem Abschnitt der Brücke zwischen dem ersten und dem zweiten Referenzort angeordnet sein kann.
Das Verbindungselement 14 kann einen ersten Kranz 20a mit einer Öffnung 22a und einen zweiten Kranz 20b mit einer Öffnung 22b umfassen. Eine Längsachse A1 des Verbindungselements 14 kann sich durch die Öffnungen 22a, 22b erstrecken. Die Drehwelle 12 kann durch die Öffnungen 22a, 22b eingesetzt und in diesen aufgenommen werden, so dass die Drehwelle sich durch den ersten Kranz 20a und den zweiten Kranz 20b erstrecken kann. Insbesondere kann sich eine zentrale Längsachse A2 der Drehwelle 12 kollinear mit der Längsachse A1 des Verbindungselements 14 erstrecken. In einigen Ausführungsformen können der erste Kranz 20a und der zweite Kranz 20b an die Drehwelle 12 geschraubt werden, so dass das Verbindungselement 14 sicher mit der Drehwelle gekoppelt werden kann.
Obwohl die dargestellte Ausführungsform von 1 und 2 das Verbindungselement 14 als zwei Kränze 20a, 20b zeigt, die an die Drehwelle 12 geschraubt werden können, ist eine solche Gestaltung nur ein nicht begrenzendes Beispiel von Komponenten, die als Verbindungselement verwendet werden können, um einen Belastungsmesssensor 18 der Drehwelle 12 zuzuordnen. Allgemeiner kann das Verbindungselement 14 die Kränze 20a, 20b und andere ähnlich fähige Komponenten umfassen. Andere Begriffe für Verbindungselemente können auch verwendet werden, wie z. B. „Haltemittel“ oder „Kopplungsmittel“, wobei solche Begriffe die vielen verschiedenen Weisen umfassen, durch die ein Belastungsmesssensor 18 der Drehwelle 12 zugeordnet werden kann, ohne die Drehwelle direkt zu kontaktieren. Ein Fachmann auf dem Gebiet erkennt eine Vielfalt von verschiedenen Komponenten, die als Verbindungselement oder Halte/Kopplungs-Mittel verwendet werden können, und folglich sind zwei Kränze (oder eine andere Anzahl von Kränzen) keineswegs für die Typen von Konfigurationen begrenzend, die durch die vorliegende Offenbarung offenbart oder anderweitig in Betracht gezogen werden. In einer Ausführungsform kann das Verbindungselement beispielsweise einen oder mehrere Stifte umfassen, die sich von der Welle 12 erstrecken, so dass sich der eine oder die mehreren Stifte mit der Welle drehen. Die Brücke 16 kann an dem einen oder den mehreren Stiften befestigt sein. In einigen Ausführungsformen kann das Verbindungselement 14 integral mit der Brücke 16 ausgebildet sein. Obwohl hier auf Kränze 20a, 20b Bezug genommen wird, die an die Drehwelle 12 „geschraubt“ werden können, versteht ferner ein Fachmann auf dem Gebiet angesichts der Ansprüche, der vorliegenden Offenbarung und der Kenntnis des Fachmanns, dass das Verbindungselement (z. B. die Kränze) mit der Drehwelle unter Verwendung einer Vielfalt von verschiedenen Techniken, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, gekoppelt werden kann oder anderweitig dieser zugeordnet werden kann, solange das Verbindungselement sich vollständig mit der Drehwelle 12 innerhalb des Drehreferenzrahmens drehen kann. Als nicht begrenzendes Beispiel kann das Verbindungselement mit der Drehwelle durch Schweißen, physikalische Verankerung, Kleben, magnetische Anziehung, molekulare Anziehung, Fixieren des Verbindungselements an der Welle mit einer Schraube oder einem Verriegelungsstift usw. gekoppelt oder anderweitig dieser zugeordnet werden. In anderen Ausführungsformen kann das Verbindungselement 14 einteilig mit der Drehwelle 12 ausgebildet sein.
Die Brücke 16 kann ein erstes Widerlager 24a, ein zweites Widerlager 24b und eine Spanne 26 umfassen, die sich zwischen dem ersten Widerlager und dem zweiten Widerlager erstrecken und diese verbinden kann. Wie nachstehend im Einzelnen beschrieben wird, kann der Belastungssensor 18 der Spanne 26 derart zugeordnet sein, dass der Belastungssensor eine Verformung der Spanne messen kann. Die Brücke 16 kann sich zwischen einem ersten Referenzort und einem zweiten Referenzort des Verbindungselements 14 erstrecken. In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise der erste Referenzort des Verbindungselements 14 sich am ersten Kranz 20a befinden und der zweite Referenzort des Verbindungselements kann sich am zweiten Kranz 20b befinden. Das erste Widerlager 24a der Brücke kann mit dem ersten Referenzort am ersten Kranz 20a gekoppelt sein und das zweite Widerlager 24b der Brücke kann mit dem zweiten Referenzort am zweiten Kranz 20b gekoppelt sein. Die Spanne 26 kann sich zwischen dem ersten Widerlager 24a und dem zweiten Widerlager 24b der Brücke 14 und folglich zwischen dem ersten Kranz 20a und dem zweiten Kranz 20b des Verbindungselements erstrecken. Eine Längsachse A3 der Brücke 14 kann von der zentralen Längsachse A2 der Drehwelle 12 seitlich versetzt und im Wesentlichen dazu parallel sein, wenn das Verbindungselement 14 mit der Drehwelle gekoppelt ist. Mit anderen Worten, die Längsachse A3 der Brücke 14 kann von der Längsachse A1 des Verbindungselements 14 seitlich versetzt und im Wesentlichen dazu parallel sein, die sich durch die Öffnungen 22a, 22b der Kränze 20a, 20b erstrecken kann. Die Längsachse A3 der Brücke weist nicht notwendigerweise eine relative Position mit Bezug auf die Brücke auf (d. h. sie muss nicht „zentral“, „nahe der Oberseite“, „nahe der Unterseite“ usw. sein), wenn jedoch ein Abstand zwischen der Längsachse der Brücke und der zentralen Längsachse A2 der Drehwelle 12 (d. h. der seitliche Versatz) gemessen oder anderweitig darauf Bezug genommen wird, sollte der Ort der Längsachse der Brücke typischerweise konsistent sein. In einigen Ausführungsformen kann der seitliche Versatz zwischen der Längsachse A3 der Brücke 16 und der zentralen Längsachse A2 der Drehwelle 12 eingestellt werden. Wie nachstehend erörtert, kann das Einstellen des seitlichen Versatzes wiederum eine Differenz oder Verstärkung zwischen der durch den Belastungssensor 18 gemessenen Belastung und der durch die Drehwelle 12 erfahrenen Belastung, wenn die Welle einer Torsionskraft unterzogen wird, einstellen.
Zumindest ein Abschnitt der Spanne 26 kann sich als Reaktion darauf, dass die Drehwelle 12 während des Betriebs der Drehwelle einer Torsionskraft unterzogen wird, verformen, während das Verbindungselement 14 mit der Drehwelle gekoppelt ist. Dieser Abschnitt der Spanne 26 kann als Biegezone bezeichnet werden. In einigen Ausführungsformen kann die ganze Spanne 26 die Biegezone sein. Der Belastungssensor 18 kann an der Biegezone der Spanne 26 angeordnet oder anderweitig dieser zugeordnet sein, so dass der Belastungssensor die Verformung der Biegezone messen kann. Der Belastungssensor 18 kann von der zentralen Längsachse A2 der Drehwelle 12 um einen Abstand r_g seitlich versetzt sein, der von der zentralen Längsachse der Drehwelle bis zu einem Punkt am Belastungssensor, der am nächsten zur zentralen Längsachse der Drehwelle liegt, gemessen werden kann.
Wenn die Messvorrichtung 10 mit der Drehwelle 12 gekoppelt ist, wie beispielsweise in 2 gezeigt, kann sich die ganze Messvorrichtung mit der Drehwelle drehen, wenn die Drehwelle betrieben (d. h. gedreht) wird. Folglich können sich die Drehwelle 12 und die Messvorrichtung 10 gleichzeitig um die zentrale Längsachse A2 der Drehwelle drehen. Insbesondere kann sich jedes des Verbindungselements 14, der Brücke 16 und des Belastungssensors 18 zusammen mit der Drehwelle 12 drehen, ohne dass irgendein Abschnitt davon in einer stationären Referenzebene fixiert ist. Wenn die Welle 12 einer Torsion unterzogen wird, können der erste Kranz 20a und der zweite Kranz 20b des Verbindungselements 14 im Winkel relativ zueinander verlagert werden. Da die Brücke 16 mit dem Verbindungselement 14 am ersten und am zweiten Referenzpunkt, d. h. am ersten und am zweiten Kranz 20a, 20b, fest gekoppelt sein kann, kann sich die Biegezone der Brücke, d. h. die Spanne 26, mit einer Verlagerung der Kränze relativ zueinander verformen. Folglich kann, wenn sich die Drehwelle 12 dreht, die Biegezone aufgrund einer Geometrie der Spanne 26 entweder gedehnt oder komprimiert werden. Der Belastungssensor 18, der an der Biegezone der Brücke 16 montiert ist, kann die Belastung der Biegezone messen, die anschließend verwendet werden kann, um unter anderem eine Belastung an der Drehwelle 12 zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen kann der Belastungssensor 18 ein Zugbelastungsmesser sein, der die Belastung der Biegezone vielmehr auf Zugspannung als auf Scherung messen kann.
Die Messvorrichtung 10 kann derart gestaltet sein, dass der Belastungssensor 18 eine verstärkte Belastungsmessung im Vergleich zur tatsächlichen Belastung, die an einer Oberfläche der Drehwelle 12 erfahren wird, durchführen kann. Das Verstärken der Belastungsmessung kann beim Verringern von Sensorrauschen, das ein Ergebnis einer elektromagnetischen Interferenz sowie von thermischen Effekten sein kann, an einem Sensor unterstützen. Das Montieren des Belastungssensors 18 an der Brücke 16 anstatt an der Drehwelle 12 kann dazu führen, dass der Belastungssensor eine höhere Belastung liest als eine Oberfläche der Welle erfährt. Überdies kann die Brücke 16 derart konstruiert sein, dass die Verlagerung zwischen den Kränzen 20a, 20b in der Biegezone der Spanne 26 konzentriert sein kann. Folglich kann das Montieren des Belastungssensors 18 an der Biegezone eine weitere mechanische Verstärkung ermöglichen.
SENSORMETHODOLOGIE UND SENSORGESTALTUNG
Die durch den Belastungssensor 18 erfahrene Belastung kann größer sein als jene einer Oberfläche der Welle 12, da der an der Brücke 16 montierte Sensor weiter von einer Drehachse, d. h. der zentralen Längsachse A2, der Welle entfernt ist. Wie in nachstehender Gleichung 1 gezeigt, ist eine Scherbeanspruchung r an der Welle 12 mit einem polaren Trägheitsmoment J und einem Durchmesser D_s zum Abstand von der Drehachse r und zum aufgebrachten Drehmoment T proportional. Für kleine Verlagerungen im elastischen Bereich kann eine Belastung an der Oberfläche der Drehwelle ε_s bestimmt werden, wie in Gleichung (2) gezeigt, wobei G der Schermodul des Wellenmaterials ist. Da die Belastung zur Beanspruchung proportional ist, ist der Belastungsmesswert am Belastungssensor 18, ε_g, der über der Welle 12 im Abstand von r_g von der Drehachse A2 montiert ist, größer als an einem Belastungssensor, der direkt an der Welle montiert ist. Diese Steigerung ist proportional zum Abstand r_g von der Drehachse A2 dividiert durch den Durchmesser D_s der Drehwelle 12, wie in Gleichung (3) gezeigt. $τ = \frac{T r}{J}$
$\in_{s} = \frac{8 T}{π D_{s}^{3} G}$
$\in_{g} = \frac{16 T r_{g}}{π D_{s}^{4} G}$
An kleinen Drehwellen kann die Steigerung signifikant sein, aber an größeren Wellen kann die Steigerung verschwinden. In Fällen, in denen eine große Menge an offenem Raum um die Welle 12 besteht, kann es vorteilhaft sein, einen Versatz des Belastungssensors 18 von der zentralen Längsachse A2 der Welle, d. h. den Abstand r_g, zu erhöhen, so dass die Verstärkung der durch den Belastungssensor gemessenen Belastung erhöht werden kann. In den meisten Fällen sind jedoch eine Größe des Belastungssensors 18 und die Anordnung des Sensors relativ zur Welle 12 durch Zwischenräume begrenzt, die die Welle 12 innerhalb des zugeordneten mechanischen Systems umgeben.
Die Steigerung am Belastungsmesswert des Belastungssensors 18, der über der Welle 12 montiert ist (Gleichung 3), im Vergleich zu einem Belastungssensor, der an der Welle montiert ist (Gleichung 2), kann durch eine Gestaltung und Konstruktion der Brücke 16 weiter erhöht werden. Insbesondere kann die Brücke 16 die Verlagerung des ersten und des zweiten Kranzes 20a, 20b relativ zueinander konzentrieren, was einen stärkeren Belastungssignalmesswert durch den Belastungssensor 18 schaffen kann, der an der Brücke montiert ist. Ein Querschnitt der Brücke 16 und/oder eine Materialzusammensetzung der Brücke können verwendet werden, um die Belastung auf einen Ort zu isolieren, an dem der Belastungssensor 18 montiert werden kann. Die Brücke 16 kann beispielsweise aus einem Material bestehen, das einen niedrigeren Schubmodul als ein Material des Verbindungselements 14 und der Drehwelle 12 aufweisen kann. Es kann vorteilhaft sein, dass der Schubmodul der Brücke 16 geringer ist als jener des Verbindungselements 14 und der Drehwelle 12, so dass die Brücke 16 eine Belastung verstärken kann, die durch das Verbindungselement und die Drehwelle erfahren wird, wenn eine Torsionskraft auf die Welle aufgebracht wird. Dies kann alternativ als Brücke 16 mit einem Material (oder einer Kombination von Materialien) mit einem Schubmodul beschrieben werden, der geringer ist als der eines Materials (oder einer Kombination von Materialien), aus dem die Drehwelle 12 oder das Verbindungselement 14 ausgebildet ist.
Als nicht begrenzendes Beispiel kann die Brücke 16 aus einem thermoplastischen Polymer wie z. B. Acrylnitril-Butadien-Styrol-Kunststoff (ABS-Kunststoff) bestehen und das Verbindungselement 14 kann aus Aluminium bestehen. Da der Schubmodul von Aluminium über 25-mal höher ist als jener von ABS-Kunststoff, kann ein Querschnitt der Brücke 16 Belastungen erfahren, die ungefähr 25-mal höher sind als ein äquivalent geformter Querschnitt des Verbindungselements 14. Mit anderen Worten, ein Verhältnis des Schubmoduls der Brücke 16 zum Verbindungselement 14 kann ein Verhältnis von etwa 1:25 sein. Andere Verhältnisse, wie z. B. 1:2, 1:5, 1:10, 1:20, 1:50, 1:100 usw., sind auch möglich. In dieser Weise kann die Brücke 16 durch Auswahl der Brückenform und/oder des Brückenmaterials weniger steif sein als das Verbindungselement 14, so dass eine Mehrheit der Verformung, die sich aus der Drehung der Welle 12 ergibt, in der Brücke auftreten kann. Folglich kann die Verformung der Drehwelle 12 in der Verformung der Brücke 16 verstärkt werden, wenn die Drehwelle in Betrieb ist und einer Torsionskraft unterzogen wird. Der Schubmodul der Brücke 16 kann auch niedriger sein als ein Schubmodul der Drehwelle 12. In einigen Fällen kann der Schubmodul der Brücke 16 und der Drehwelle 12 nahezu identisch sein (z. B. 1:1) oder die Drehwelle könnte einen niedrigeren Schubmodul aufweisen, obwohl in solchen Fällen die Vorteile, einen höheren Schubmodul für die Brücke zu haben, nicht existieren würden. Da die Brücke 16 relativ flexibel sein kann, kann die Torsionssteifigkeit der Welle 12 von einer Steifigkeit des Verbindungselements 14 und der Brücke unabhängig sein.
2 zeigt eine Analyse finiter Elemente einer perspektivischen Ansicht der Messvorrichtung 10, die mit der Drehwelle 12 gekoppelt ist. Eine Legende 50 zeigt eine Skala, die eine Farbabstufung einem Betrag an Belastung zuordnet (obwohl die Farbe für die Bilder in der Offenbarung in Grauwert ist). Wie zu sehen ist, kann die Spanne 26 der Brücke 16 eine Belastung 52 während des Betriebs der Drehwelle erfahren, die Größenordnungen höher sein kann als die Belastung 54 der Kränze 20a, 20b. Die durch die Kränze 20a, 20b erfahrene Belastung 54 kann beispielsweise weitgehend in einen Bereich von etwa 5,296 * 10^-7 bis etwa 1,469 * 10^-3 fallen, während die Belastung 52, die durch die Spanne 26 erfahren wird, weitgehend in einen Bereich von etwa 5,873 * 10^-3 bis etwa 1,321 * 10^-2 fallen kann. Die Belastung 52 an der Spanne 26 kann auch im Vergleich zu einer Belastung 56 an einer Oberfläche der Welle 12 verstärkt werden, die etwa 4,405 * 10^-3 sein kann. Bei der dargestellten Analyse finiter Elemente von 2 kann die Belastung 52 an der Spanne 26 um einen Faktor von etwa zwei größer sein als die Belastung 56 an der Welle 12. Folglich kann der Belastungssensor 18 an der Spanne 26 derart angeordnet sein, dass die durch den Sensor 18 gemessene Belastung im Vergleich zur Belastung 56 der Welle 12 und der Belastung 54 am Verbindungselement 14 verstärkt werden kann. In einigen Ausführungsformen kann die Biegezone der Brücke 16 signifikant weniger steif sein als das Verbindungselement 14 und irgendein Abschnitt der Brücke 16, der außerhalb die Biegezone fällt, z. B. das erste Widerlager 24a und das zweite Widerlager 24b. In einigen Ausführungsformen kann die Biegezone der Brücke 16 dünn genug sein, um nicht signifikant zur Steifigkeit der Welle 12 beizutragen. Vorteilhafterweise erfordert die Messvorrichtung 10 keinen hohen Grad an Herstellungspräzision, um einen Belastungsmesswert zu verstärken. Wie vorstehend erörtert, kann die durch den Belastungssensor 18 gemessene Belastung im Vergleich zur Belastung an einer Oberfläche der Welle 12 durch eine Konzentration von Beanspruchung in der Brücke 16 verstärkt werden. Das Verstärken der Belastung in dieser Weise kann das Rauschen im Belastungsmesswert verringern.
3 zeigt drei beispielhafte Ausführungsformen des Belastungssensors 18. Der Belastungssensor 18 kann beispielsweise in einer Wheatstone-Viertelbrückenkonfiguration 18a, einer Wheatstone-Halbbrückenkonfiguration 18b oder einer Wheatstone-Vollbrückenkonfiguration 18c verwendet werden. Da irgendeine dieser beispielhaften Konfigurationen ausreichen kann, um die Belastung der Drehwelle 12 zu messen, ebenso wie andere hier nicht dargestellte Konfigurationen, kann der Belastungssensor 18 ziemlich vielseitig sein. In der Messvorrichtung 10, die in 1 dargestellt ist, kann beispielsweise die Wheatstone-Viertelbrückenkonfiguration 18a ausreichen, um einen Belastungsmesswert der Welle 12 zu erreichen. Die Wheatstone-Viertelbrücke 18a kann einen Belastungsmesser oder eine mechanische Brücke 300 umfassen. Für eine erhöhte Leistungsfähigkeit kann die Wheatstone-Halbbrücke 18b verwendet werden, die eine Stärke des Belastungsmesswerts im Vergleich zur Wheatstone-Viertelbrücke 18a verdoppeln kann. Die Wheatstone-Halbbrücke 18b kann zwei mechanische Brücken 302a, 302b umfassen, die zueinander entgegengesetzt angeordnet sein können, so dass, wenn eine der zwei mechanischen Brücken komprimiert wird, die andere mechanische Brücke sich ausdehnen kann. Die Konstruktion der Wheatstone-Halbbrücke 18b kann Rauschen und Drift im Belastungsmesswert verringern, da Änderungen in den zwei mechanischen Brücken 302a, 302b einander aufheben oder annähernd aufheben können. Die Wheatstone-Vollbrücke 18c kann als Belastungssensor 18 verwendet werden, der eine Stärke des Signalmesswerts im Vergleich zur Wheatstone-Halbbrücke 18b verdoppeln kann. Die Wheatstone-Vollbrücke 18c kann vier mechanische Brücken 304a, 304b, 304c, 304d umfassen. Im Vergleich zur Wheatstone-Halbbrücke 18b können zwei zusätzliche Brücken 304c, 304d in einem Spiegelbild zu den zwei mechanischen Brücken 304a, 304b montiert sein, die in der Halbbrücke vorhanden sein können. Die Verwendung einer Wheatstone-Vollbrücke 18c kann einen Rauschabstand des Belastungssensors 18 maximieren.
Obwohl 3 drei beispielhafte Ausführungsformen des Belastungssensors 18 als verschiedene Konfigurationen von Belastungsmessern darstellt, sind andere Belastungsmesserkonfigurationen möglich. Ferner erkennt ein Fachmann auf dem Gebiet, dass ein Belastungsmesser eine Weise ist, durch die eine Belastung mechanisch gemessen werden kann, aber andere Mechanismen für ähnliche Zwecke verwendet werden können, einschließlich anderer Sensoren, die mechanische Messungen durchführen, sowie Sensoren oder Komponenten, die die Belastung elektrisch, optisch, magnetisch oder anderweitig messen können. Solche Variationen können in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung fallen, vorausgesetzt, dass der Belastungssensor vollständig innerhalb der Drehreferenzebene ohne direkten Kontakt mit der Drehwelle montiert werden kann. Als nicht begrenzendes Beispiel können Komponenten, die die Belastung unter Verwendung von kapazitiven Sensoren messen, als Belastungsmesssensor 18 verwendet werden. Dieser kann zwei Platten umfassen, die sich relativ zueinander bewegen und die Kapazität ändern, wobei die Änderung der Kapazität die durch die Drehwelle im Betrieb erfahrene Belastung darstellt. Eine andere Alternative umfasst einen Magnetsensor, der auf ferromagnetischen Eigenschaften beruht, um eine Belastung auf der Basis von Änderungen in einem Magnetfeld zu messen. Noch eine andere Alternative kann optische Messungen umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann der Belastungssensor 18 auch dazu ausgelegt sein, die Biegung der Welle 12 zu detektieren. Eine Biegung der Welle 12 kann verursachen, dass sich die Biegezone der Brücke 16 derart verformt, dass der Sensor 18 die Verformung detektieren kann. Die Drehwelle 12 kann zwei Formen von Biegung unterzogen werden. Der erste Typ von Biegung kann sich aus einer Kraft ergeben, die auf die Welle in einer Richtung aufgebracht wird, die zum stationären Referenzrahmen von einem Blickpunkt eines Beobachters fest ist, der sich in einem Drehreferenzrahmen (d. h. dem Blickpunkt der Welle) zu drehen scheinen würde. Der Sensor 18 kann diesen ersten Typ von Biegung als Schwankung des Drehmoments detektieren. Sie verursacht einen positiven Fehler in einer Orientierung und einen negativen Fehler in der entgegengesetzten Orientierung. Der zweite Typ von Biegung kann sich aus einer Kraft an der Welle ergeben, die im Drehreferenzrahmen stationär erscheinen kann und sich im stationären Referenzrahmen zu drehen scheinen kann. Der Sensor 18 kann diesen zweiten Typ von Biegung als konstanten Fehler im Drehmomentmesswert detektieren. Effekte des zweiten Typs von Biegung können durch Kalibrieren des Sensors 18 auf ein Nulldrehmoment entfernt werden.
Wenn das Drehmoment der Drehwelle 12 innerhalb einer Drehung der Welle relativ konstant ist, können die Biegung und das Drehmoment der Welle exakt aus einer Belastungssignalmessung vom Belastungssensor 18 extrahiert werden. Das Belastungssignal kann über eine Drehung der Welle 12 gemittelt werden, um ein genaues Drehmoment der Welle zu berechnen. Eine Schwankung des Belastungssignals in einem Zyklus der Welle 12 kann verwendet werden, um die Biegung der Welle zu bestimmen. Folglich kann der Belastungssensor 18 verwendet werden, um sowohl das Drehmoment als auch die Biegung der Welle 12 zu detektieren, was in kostensensiblen oder im Volumen eingeschränkten Systemen nützlich sein kann.
4 stellt eine andere beispielhafte Ausführungsform einer Messvorrichtung 10' der vorliegenden Offenbarung dar, die eine Winkelgeschwindigkeit einer Drehwelle 12' (5) in einer Weise messen kann, die nicht erfordert, dass irgendeine Komponente in der stationären Referenzebene fixiert ist. Die Messvorrichtung 10' kann ein Verbindungselement 14', eine Brücke 16' und einen Belastungsmesssensor (nicht sichtbar) umfassen, der der Brücke zugeordnet ist. Die Messvorrichtung 10' kann eine sekundäre Komponente 200 umfassen, die unter anderem einen Beschleunigungsmesser 202 umfassen kann, der die Winkelgeschwindigkeit der Drehwelle 12' detektieren kann. Der Beschleunigungsmesser 202 und allgemeiner die sekundäre Komponente 200 kann sich mit der Drehwelle 12' im Drehreferenzrahmen drehen.
Das Verbindungselement 14' kann bemessen sein, um die Drehwelle 12' durch einen ersten Kranz 20a' und einen zweiten Kranz 20b' entlang einer zentralen Längsachse A1' des Verbindungselements aufzunehmen. In einigen Ausführungsformen kann die Drehwelle 12' einen Durchmesser Ds von etwa 9,5 mm aufweisen und der erste Kranz 20a' und der zweite Kranz 20b' können dementsprechend bemessen sein. Ein Belastungssensor (in 4 nicht sichtbar) kann in einem Abstand r_g von etwa 9 mm über einer zentralen Längsachse des Verbindungselements 14' montiert sein, die einer Drehachse entsprechen kann, wenn die Welle 12' innerhalb des Verbindungselements 14' aufgenommen ist. Es ist zu erkennen, dass die Abmessungen der verschiedenen Komponenten (z. B. des Verbindungselements 14, 14', der Kränze 20a, 20b, 20a', 20b', der Brücke 16, 16', der Welle 12, 12' usw.) und die Abstände zwischen denselben zumindest teilweise auf Faktoren wie z. B. den Abmessungen von anderen Komponenten der Vorrichtung, der Welle, mit der die Vorrichtung verwendet wird, und den gewünschten Verwendungen und Messungen unter anderen Faktoren basieren können. Ein Fachmann auf dem Gebiet versteht, wie die Vorrichtung für gewünschte Verwendungen mit einem speziellen mechanischen System zu bemessen ist. Die Kränze 20a', 20b' können aus Standardaluminiumwellenkränzen bearbeitet werden. Eine flache Fläche oder Oberfläche (nicht sichtbar) kann zu einer kreisförmigen äußeren Oberfläche jedes Kranzes beispielsweise unter Verwendung einer Fräse bearbeitet werden. Ein Loch 21 kann durch jeden Kranz 20a', 20b' gebohrt oder geschnitten werden, so dass eine Schraube 23 durch dieses eingesetzt werden kann. In einigen Ausführungsformen kann jeder Kranz 20a', 20b' zwei Löcher 21 zum Aufnehmen einer Schraube mit einem Loch auf beiden Seiten der zentralen Längsachse des Verbindungselements 14' aufweisen. In dieser Weise können die Kränze 20a', 20b' sicher mit der Drehwelle, die durch diese aufgenommen wird, durch Befestigen einer Schraube durch jedes der Löcher 21 in den Kränzen gekoppelt werden. Folglich kann sich das Verbindungselement 14' mit der Drehwelle 12 drehen.
Die Brücke 16' kann ein erstes Widerlager 24a', ein zweites Widerlager 24b' und eine Spanne 26' umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Brücke 16' aus ABS-Kunststoff durch einen additiven Fertigungsprozess (3D-Druckprozess) hergestellt werden. Zumindest ein Abschnitt der Spanne 26' kann eine Biegezone der Brücke 16' bilden, die sich verformen kann, wenn die Drehwelle 12' unter einer Torsionskraft steht. In einigen Ausführungsformen kann die Spanne 26' mit einer Dicke hergestellt werden, die so klein wie möglich ist, mit der ein 3D-Drucker zuverlässig drucken kann, beispielsweise mit einer Dicke von etwa 1,5 mm. Ein Durchgangsloch kann durch jedes des ersten Widerlagers 24a' und des zweiten Widerlagers 24b' gebohrt werden, so dass eine Schraube 25a, 25b durch dieses eingesetzt werden kann und das erste und das zweite Widerlager am ersten bzw. zweiten Kranz 20a', 20b' befestigen kann. Die Herstellung sowohl des Verbindungselements 14' als auch der Brücke 16' kann mit relativ geringer Genauigkeit durchgeführt werden, da die meisten Varianzen durch Kalibrieren des Belastungssensors entfernt werden können.
Ein oder mehrere Belastungsmesser, z. B. die Wheatstone-Viertelbrücke 18a, die Wheatstone-Halbbrücke 18b oder die Wheatstone-Vollbrücke 18c, können an die Brücke 16' geklebt oder anderweitig daran sicher montiert werden, so dass eine Belastung der Biegezone der Brücke gemessen werden kann, wenn sich die Biegezone mit der Drehung der Drehwelle verformt. Der Belastungssensor kann beispielsweise der Spanne 26' zugeordnet sein.
Die sekundäre Komponente 200 kann eine Basis 204 mit einem Lumen 206 umfassen, das sich durch diese erstreckt. Das Lumen 206 kann dazu bemessen sein, die Drehwelle 12' aufzunehmen, wenn die Drehwelle mit dem Verbindungselement 14' gekoppelt ist. Der Beschleunigungsmesser 202 kann an der Basis 204 montiert sein. Die sekundäre Komponente 200 kann auch eine Batterie 206, ein Mikrophon 208, einen Mikrocontroller 210, eine Leiterplatte 212 und einen Lastzellenverstärker 214 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Batterie 206 eine Lithiumionenbatterie sein, die verwendet werden kann, um die Messvorrichtung 10' zu betreiben, wie in Verbindung mit 5 beschrieben.
5 zeigt einen Testaufbau der Messvorrichtung 10', wobei die sekundäre Komponente 200 von 4 mit der Drehwelle 12' gekoppelt ist. Elektrische Verbindungen 216 können sich zwischen der sekundären Komponente 200 und der Messvorrichtung 10' erstrecken, so dass die Messungen vom Belastungssensor verwendet werden können, um die Leistungsfähigkeit der Drehwelle 12 zu überwachen. Der Aufbau kann auch eine Leistungsquelle 218, einen Antriebsmotor 220, einen Dämpfungsmotor 222 und eine Widerstandsanordnung 224 umfassen. Die Drehwelle 12' kann an einem Ende mit dem Drehmotor 220 und am anderen Ende mit dem Dämpfungsmotor 222 gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen können der Antriebsmotor 220 und der Dämpfungsmotor 222 Bürstengleichstrommotoren sein und die Drehwelle 12' kann an jedem mit einem konformen Koppler befestigt sein. Der Antriebsmotor 220 kann mit der Leistungsversorgung 218 gekoppelt sein, die eine elektronische Drehzahlsteuerung umfassen kann, so dass der Antriebsmotor beispielsweise durch einen Benutzer durch ein Computerendgerät gesteuert werden kann.
In einigen Ausführungsformen kann der Beschleunigungsmesser 202 verwendet werden, um eine Frequenz und/oder Amplitude von Vibrationen zu detektieren, die an der Welle 12' während des Betriebs der Welle vorhanden sind. Diese Frequenzdaten können beim Detektieren von Problemen oder Anomalien in einem mechanischen System, das der Drehwelle 12' zugeordnet ist, nützlich sein. Der Beschleunigungsmesser 202 kann die radiale Beschleunigung der Welle 12' messen, um die Winkelgeschwindigkeit zu bestimmen, da die radiale Beschleunigung zur Winkelgeschwindigkeit im Quadrat proportional ist. Obwohl sich Gravitationseffekte auf die Messwerte der radialen und Winkelbeschleunigung in allen nicht vertikalen Wellen auswirken, können diese Effekte relativ zu einer Zentripetalbeschleunigung der Welle 12' unbedeutend sein und können ausgeglichen werden, wenn eine Abtastrate des Beschleunigungsmessers 202 relativ zur Frequenz der Wellendrehung (d. h. Wellendrehzahl) hoch ist. Bei hohen Drehzahlen der Welle 12' ist beispielsweise die Zentripetalbeschleunigung hoch, was den Gravitationseffekt im Signal minimieren kann, während bei niedrigen Drehzahlen der Welle eine schnellere Abtastrate relativ zur Wellendrehzahl verwendet werden kann, so dass Gravitationseffekte ausgeglichen werden können.
In einigen Fällen kann eine Frequenz der radialen oder Winkelbeschleunigungssignale, die durch den Beschleunigungsmesser 202 gemessen werden, analysiert werden, um die Winkelgeschwindigkeit der Welle 12' zu bestimmen. Wenn sich die Welle 12' nicht in einer vertikalen Orientierung befindet, schwanken zumindest einige der Signale in einer gegebenen Drehung mit konstanter Drehzahl aufgrund von Schwerkraft an der Welle. Mit der Drehwelle 12' in einer horizontalen Orientierung, wie z. B. in 5 gezeigt ist, und einer Drehung mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit kann beispielsweise die Winkelbeschleunigung der Welle von positivem g bis negativem g mit jeder Drehung variieren, wobei g die Gravitationsbeschleunigung ist. Ebenso kann die radiale Beschleunigung a_c der Welle 12' von a_c + g bis a_c - g variieren. Mit einer ausreichend hohen Abtastrate, z. B. mindestens zweimal die Winkelfrequenz der Drehwelle 12', kann ein Leistungsspektrum des Beschleunigungsmessers 202 eine Winkelgeschwindigkeit der Welle 12' als dominante Frequenz im Signal deutlich identifizieren. Andere Frequenzen im Beschleunigungsmesserleistungsspektrum können wahrscheinlich das Ergebnis von Vibrationen der Welle 12' sein. Folglich können die Frequenz und Amplitude solcher Vibrationen durch die Messvorrichtung 10' gesammelt werden, die nützliche Informationen beim Bewerten und Überwachen der Integrität eines mechanischen Systems, das der Welle 12' zugeordnet ist, sein können.
Der Dämpfungsmotor 222 kann an der Widerstandsanordnung 224 befestigt sein, was einen einfachen variablen viskosen Dämpfer erzeugen kann. Die Widerstandsanordnung 224 kann Relais umfassen, so dass Widerstände entweder in Reihe liegen oder umgangen werden können, was dadurch einen diskret variablen Widerstand mit einem Widerstandswert R erzeugen kann. Wenn der Dämpfungsmotor 222 als reiner Gyrator behandelt wird, dann kann ein Drehmoment an einer Motorwelle T, die direkt mit der Drehwelle 12' gekoppelt sein kann, zu einem Strom durch den Motor proportional sein. Ein elektromagnetisches Gegenfeld (Gegen-EMF) vom Dämpfungsmotor 222 kann zu einer Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle ω proportional sein. Diese Proportionalitätskonstante kann die Motordrehmomentkonstante K_t sein. Durch Kombinieren dieser mit dem Kirchhoffschen Spannungsgesetz können das Drehmoment und die Drehzahl der in Gleichung (4) gezeigten Beziehung folgen. Diese Beziehung zwischen Drehmoment und Drehzahl ist dieselbe wie jene eines Drehdämpfers mit einem Dämpfungskoeffizienten von K_t ²/R. Diese Vorrichtung ist viel leichter zu variieren als ein Dämpfer auf Fluidbasis. Ein Codierer kann zu einer oder beiden der Motorwelle T und der Drehwelle 12' hinzugefügt werden, um die Winkelgeschwindigkeit, wie durch den Beschleunigungsmesser 202 gemessen, zu überprüfen. $T = \frac{K_{t}^{2}}{R} ω$
Mit fortgesetztem Bezug auf 4 und 5 können die elektrischen Verbindungen 216 den Belastungssensor, z. B. die Wheatstone-Viertelbrücke 18a, die Wheatstone-Halbbrücke 18b oder die Wheatstone-Vollbrücke 18c, der Messvorrichtung 10' mit dem Lastzellenverstärker 214 der sekundären Komponente 200 verbinden. Der Lastzellenverstärker 214 kann beispielsweise ein HX711-Lastzellenverstärkerchip sein, der einen Spannungsregulierer, einen Verstärker und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) umfassen kann, und kann für Lastzellen in der Wheatstone-Brückenkonfiguration ausgelegt sein. Im Testaufbau von 5 kann der Lastzellenverstärker 216 eine maximale Abtastung von etwa 80 Hz, eine 24-Bit-Auflösung und eine maximale Spannungsdifferenz von etwa ± 0,5 Volt aufweisen. Der Belastungssensor kann die Wheatstone-Vollbrücke 18c sein, die vier Belastungsmesser von 350 Ω, d. h. die mechanischen Brücken 304a, 304b, 304c, 304d, mit einem Messfaktor von 2 umfassen kann. Die Leistungsquelle 218 kann eine Versorgungsspannung von 3,3 V zum Belastungssensor liefern, was mit dem Lastzellenverstärker 214 zu einer maximalen detektierbaren Belastung von etwa 7,2 % führen kann. In einigen Fällen kann ein Belastungsmesser der Wheatstone-Brücke 18a, 18b, 18c eine maximale Belastung von etwa 2 % aufweisen und kann daher der begrenzende Faktor im maximalen Drehmoment sein, das der Belastungssensor detektieren kann.
Die Messvorrichtung 10' kann derart konstruiert sein, dass eine Sättigung des Belastungssensors verhindert werden kann. Für eine Drehwelle mit einer maximalen Scherbeanspruchung τ_max und einen Belastungsmesser mit maximaler Belastung ε_g,max bricht die Welle, bevor der Sensor gesättigt ist, wenn die Bedingung in Gleichung (5) erfüllt ist, wobei D_s der Durchmesser der Drehwelle ist, G der Schermodul des Wellenmaterials ist und r_g der Abstand von einer Drehachse der Welle zum Belastungssensor ist. $τ_{m a x} < \frac{D_{s} G}{r_{g}} \in_{g, m a x}$
In einer Ausführungsform kann ein Belastungssensor beispielsweise in einem Abstand von etwa 5 mm über einer Oberfläche einer Drehwelle angeordnet sein. Dieser Abstand kann ein praktischer und erreichbarer Abstand in den meisten mechanischen Systemen sein. Mit anderen Worten, der Abstand r_g des Belastungssensors von einer zentralen Längsachse der Drehwelle, d. h. der Drehachse, kann gleich der Hälfte des Wellendurchmessers plus etwa 5 mm sein. Mit einer solchen Konstruktion sättigt der Belastungssensor typischerweise nicht, solange der Wellendurchmesser größer ist als etwa 1,5 mm für Stahl und etwa 2,3 mm für Aluminium.
Daten von der Verstärkerlastzelle 214 und vom Beschleunigungsmesser 202 können zum Mikrocontroller 212 übertragen werden. In einigen Ausführungsformen kann der Mikrocontroller 212 die Daten beispielsweise über Wi-Fi zu einer Rechenkonsole übertragen, so dass die Daten durch einen Benutzer gelesen werden können. Der Mikrocontroller 212 kann Leistung im Datenübertragungsprozess sparen. Der Mikrocontroller 212 kann beispielsweise Daten mit einer hohen Abtastrate abtasten, kann die Datenabtastung für zumindest einen Teil einer Dauer der Datenübertragung anhalten und kann die Abtastung nach der Datenübertragung fortsetzen. Die Abtastrate und eine Abtastpausenzeit können programmiert werden, um sie an Betriebsbedingungen, Einschränkungen und/oder Anforderungen eines speziellen mechanischen Systems und einer speziellen Drehwelle anzupassen.
VERSUCHSERGEBNISSE
Versuchsergebnisse, die von der Messvorrichtung 10' und der sekundären Komponente 200 des Aufbaus von 5 erhalten werden, werden mit Bezug auf 6-10 beschrieben. In einem ersten Versuchsaufbau wurde die Drehwelle 12' bezüglich der Drehung durch Fixieren eines Endes der Welle eingeschränkt. Dies kann Komplikationen entfernen, die aus einer kontinuierlichen Drehung entstehen können, wie z. B. Zentripetalbeschleunigung und Bewegung der elektrischen Verbindungen 216, und kann auch eine viel einfachere Konfiguration zum Ausüben eines konstanten bekannten Drehmoments auf die Welle darstellen. Folglich können die Messvorrichtung 10' und die sekundäre Komponente 200 für Testzwecke schneller und genauer kalibriert werden, wobei die Welle 12' an einem Ende fixiert ist. In einem Versuch, dessen Ergebnisse in 6 dargestellt sind, wurde ein bekanntes Gewicht auf einen Hebelarm aufgebracht, was ein bekanntes Drehmoment an der Messvorrichtung 10' und insbesondere am Belastungssensor induzieren kann. Das auf den Hebelarm aufgebrachte Gewicht kann verändert werden, um das induzierte Drehmoment zu verändern. 6 stellt Versuchsergebnisse der Kalibrierung der Messvorrichtung 10' in einem Graphen 600 dar, der das auf die Welle 12' aufgebrachte Drehmoment über die Zeit zeigt. Insbesondere trägt der Graph 600 ein Drehmoment 602 an der Welle 12', wie durch die Messvorrichtung 10' gemessen, und ein tatsächliches Drehmoment 604, das auf die Welle aufgebracht wurde, auf. Der Graph von 6 stellt dar, dass die Verformung und jeweilige Belastungsmesswerte des Sensors mit dem aufgebrachten Drehmoment 604 linear sein können. Außerdem beweist der Graph 600, dass die Messvorrichtung 10' die Kalibrierung zumindest für Zeitmaßstäbe von etwa einer halben Stunde halten kann.
Ein anderer Test der Messvorrichtung 10' von 5 wurde mit einem Hebelarm mit bekannter Länge / und einem kalibrierten Kraftmesser durchgeführt, der eine aufgebrachte Kraft F messen kann, so dass ein aufgebrachtes Drehmoment kontinuierlich verändert und gemessen werden kann. 7 zeigt einen Graphen 700, der ein resultierendes Drehmoment 702 (T_s), wie durch die Messvorrichtung 10' gemessen, gegenüber einem aufgebrachten Drehmoment 704 aufträgt. Gleichung (6) kann verwendet werden, um einen Abtastfehler δ zu berechnen. Aus dem Analysieren des Abtastfehlers kann festgestellt werden, dass in über 70 % der Abtastwerte die Messvorrichtung 10' einen Fehler von weniger als 0,4 % aufwies. Es gab keinen Versuchsabtastwert, der einen Fehler von mehr als 1,6 % aufwies. $δ = \frac{| T_{s} - F l |}{F l}$
Die Messvorrichtung 10' kann dazu ausgelegt sein, die Biegung und das Drehmoment der Drehwelle 12' während des Betriebs, d. h. der Drehung, der Welle zu messen. In Fällen, in denen das aufgebrachte Drehmoment innerhalb einer Drehung der Welle 12' relativ konstant sein kann und die ganze Biegung der Welle 12' in einer festen Richtung stattfindet, so dass die Biegung als Drehung aus der Perspektive der Welle erscheint, können sowohl das Drehmoment als auch die Biegung von der Messvorrichtung 10' in einer relativ einfachen Weise abgeleitet werden. Wie aus dem Graphen von 7 zu sehen ist, kann das durch die Messvorrichtung 10' gemessene Drehmoment 702 eng dem tatsächlich aufgebrachten Drehmoment 704 entsprechen. In einigen Fällen, wie z. B. dem Versuchsaufbau von 5, kann sich die Biegung der Welle 12' aus einem Gewicht der Messvorrichtung 10' ergeben. Die Schwerkraft kann konstant einen Zug auf die Messvorrichtung 10' ausüben, was verursachen kann, dass sich die Welle 12' biegt.
Wenn die Größe der Welle 12' zunimmt, kann die Biegung der Welle aufgrund von Gravitationskräften an der Messvorrichtung 10' abnehmen. In den meisten praktischen Anwendungen wäre das Gewicht der Messvorrichtung 10' im Vergleich zur Welle 12' unbedeutend, wodurch die Biegung der Welle aufgrund von Gravitationseffekten der Messvorrichtung unbedeutend gemacht wird.
8 ist ein Graph 800, der einen Belastungsmesswert 802, der aus dem Belastungssensor und breiter der Messvorrichtung 10' ausgegeben wird, über die Zeit während der Drehung der Drehwelle 12' aufträgt. Der Belastungsmesswert 802 kann eine Sinuswelle annähern, wobei ein Mittelwert des Signals zu einem Drehmoment und einer Amplitude unter Biegung der Welle 12' proportional ist. Der Belastungsmesswert 802 von 8 wurde aufgenommen, als sich die Drehwelle 12' mit etwa 7,6 Hertz (Hz) drehte, mit einer Datenabtastung von etwa 57 Hz. Die dominante Frequenz im Belastungsmesswert, d. h. ein Signal vom Belastungssensor 18, kann die Drehzahl der Drehwelle 12' sein. 9 stellt dies mit sechs Diagrammen 900, 902, 904, 906, 908, 910 dar, die ein Leistungsspektrum des Belastungssensorsignals bei Wellendrehzahlen von 0 Hz, ungefähr 2,273 Hz, ungefähr 4,546 Hz, ungefähr 7,578 Hz, ungefähr 10,61 Hz bzw. ungefähr 14,4 Hz auftragen. Ein gewisses Rauschen ist in zumindest einigen der Diagramme von 9 zu sehen, das während der Drehung auftreten kann.
Auf der Basis einer Prüfung, die mit dem Versuchsaufbau von 5 durchgeführt wird, kann die Beschleunigung der Drehwelle 12' unter Verwendung des Frequenzverfahrens erfolgreich bestimmt werden. 10 ist ein Graph 1000, der eine Amplitude 1002 eines Leistungsspektrums einer Winkelbeschleunigung als Funktion der Frequenz über eine Sekunde der Winkelbeschleunigungsdaten aufträgt. Eine Spitze 1004 in der Amplitude 1002 des Leistungsspektrums ist bei etwa 26,5 Hz zu sehen, was die Drehzahl der Drehwelle 12' identifizieren kann.
WEITERE ERÖRTERUNG VON OFFENBARTEN VORRICHTUNGEN UND VERFAHREN
Ein Vorteil der Messvorrichtungen 10, 10', die hier offenbart sind, können die niedrigen Kosten sein, mit denen ein digitales Signal eines Drehmoments der Drehwelle 12, 12' erhalten werden kann. In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise die Messvorrichtung 10, 10' weniger als etwa 13,00 USD$ kosten. Bei Massenfertigung können die Kosten noch weiter verringert werden. Folglich können die hier offenbarten Messvorrichtungen als kosteneffiziente Lösung zum Bewerten, Überwachen und/oder Steuern der Integrität eines mechanischen Systems mit einer Drehwelle dienen.
Beispiele der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können die Folgenden umfassen:

1. Vorrichtung zum Überwachen eines mechanischen Systems, das eine Drehwelle umfasst, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
- ein Verbindungselement, das dazu konfiguriert ist, mit einer Drehwelle zu koppeln, wobei das Verbindungselement einen ersten Referenzort und einen zweiten Referenzort aufweist;
- eine Brücke, die mit dem Verbindungselement gekoppelt ist und sich zwischen dem ersten Referenzort und dem zweiten Referenzort erstreckt, wobei die Brücke so konfiguriert ist, dass sie derart angeordnet ist, dass eine Längsachse davon von einer zentralen Längsachse der Drehwelle seitlich versetzt ist, wenn das Verbindungselement mit einer Drehwelle gekoppelt ist, wobei die Längsachse und die zentrale Längsachse im Wesentlichen zueinander parallel sind, und die Brücke eine Biegezone umfasst, die dazu konfiguriert ist, sich als Reaktion darauf zu verformen, dass die Drehwelle einer Torsionskraft während des Betriebs der Drehwelle unterzogen wird; und
- einen Belastungsmesssensor, der der Brücke zugeordnet ist, die zwischen dem ersten Referenzort und dem zweiten Referenzort angeordnet ist, wobei der Sensor dazu konfiguriert ist, einen Betrag der durch die Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle erfahrenen Torsionskraft auf der Basis einer durch den Belastungsmesssensor gemessenen Belastung zu bestimmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes des Verbindungselements, der Brücke und des Belastungsmesssensors dazu konfiguriert ist, sich mit der Drehwelle zu drehen, so dass die Belastung durch den Belastungsmesssensor ohne stationären Referenzrahmen gemessen wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Belastungsmesssensor ferner dazu konfiguriert ist, eine Biegung der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle zu detektieren.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner einen Beschleunigungsmesser umfasst, der dazu konfiguriert ist, eine Drehzahl der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle zu bestimmen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Beschleunigungsmesser ferner dazu konfiguriert ist, eine Frequenz von Vibrationen, die an der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle vorhanden sind, und/oder eine Amplitude von Vibrationen, die an der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle vorhanden sind, zu detektieren.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Belastungsmesssensor zwei mechanische Brücken umfasst, die in einer Wheatstone-Halbbrückenkonfiguration angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Belastungsmesssensor vier mechanische Brücken umfasst, die in einer Wheatstone-Vollbrückenkonfiguration angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Brücke ferner Folgendes umfasst:
- ein erstes Widerlager, das mit dem Verbindungselement näher am ersten Referenzort als am zweiten Referenzort gekoppelt ist;
- ein zweites Widerlager, das mit dem Verbindungselement näher am zweiten Referenzort als am ersten Referenzort gekoppelt ist; und
- eine Spanne, die sich zwischen dem ersten Widerlager und dem zweiten Widerlager erstreckt, wobei der Belastungsmesssensor der Spanne zugeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Verbindungselement ferner Folgendes umfasst:
- einen ersten Kranz, der den ersten Referenzort umfasst, wobei das erste Widerlager mit dem ersten Kranz gekoppelt ist; und
- einen zweiten Kranz, der den zweiten Referenzort umfasst, wobei das zweite Widerlager mit dem zweiten Kranz gekoppelt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Belastungsmesssensor dazu konfiguriert ist, eine Belastung auf Zugspannung zu messen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Belastungsmesssensor einen Zugbelastungsmesser umfasst.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die durch den Belastungsmesssensor gemessene Belastung größer ist als eine durch die Drehwelle erfahrene Belastung, wenn sie der Torsionskraft unterzogen wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Brücke derart konfiguriert ist, dass ein Abstand des seitlichen Versatzes zwischen der Längsachse der Brücke und der zentralen Längsachse der Drehwelle einstellbar ist, um wiederum die Differenz zwischen der durch den Belastungsmesssensor gemessenen Belastung und der durch die Drehwelle erfahrenen Belastung, wenn sie der Torsionskraft unterzogen wird, einzustellen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Brücke einen Schubmodul aufweist, der mindestens fünfmal geringer ist als ein Schubmodul der Drehwelle.
15. Verfahren zum Überwachen eines mechanischen Systems, das eine Drehwelle umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
- Messen einer mechanisch verstärkten Belastung einer Drehwelle eines mechanischen Systems unter Verwendung einer Belastungsmessvorrichtung, die mit der Drehwelle des mechanischen Systems gekoppelt ist, so dass sich die Belastungsmessvorrichtung mit der Drehwelle dreht, wenn die Drehwelle betrieben wird, wobei die gemessene mechanisch verstärkte Belastung größer ist als eine Belastung, die durch die Drehwelle erfahren wird, wenn sie betrieben wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei jede einzelne Komponente der Belastungsmessvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie mit der Drehwelle gekoppelt wird oder eine Belastung misst, die der Drehwelle zugeordnet ist, sich mit der Drehwelle dreht, wenn die Drehwelle betrieben wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei jede einzelne Komponente der Belastungsmessvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie mit der Drehwelle gekoppelt wird oder eine Belastung misst, die der Drehwelle zugeordnet ist, Folgendes umfasst:
- ein Verbindungselement, das mit der Drehwelle gekoppelt ist;
- eine Brücke, die mit dem Verbindungselement gekoppelt ist; und
- einen Belastungsmesssensor, der der Brücke zugeordnet ist, wobei der Sensor die Handlung der Messung der mechanisch verstärkten Belastung der Drehwelle durchführt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Brücke derart angeordnet ist, dass eine Längsachse davon von einer zentralen Längsachse der Drehwelle seitlich versetzt ist, wobei die Längsachse und die zentrale Längsachse im Wesentlichen zueinander parallel sind.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, das ferner Folgendes umfasst:
- Koppeln der Belastungsmessvorrichtung mit der Drehwelle.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Koppeln der Belastungsmessvorrichtung mit der Drehwelle ferner Folgendes umfasst:
- Koppeln eines ersten Kranzes der Belastungsmessvorrichtung mit einem ersten Ort an der Drehwelle; und
- Koppeln eines zweiten Kranzes der Belastungsmessvorrichtung mit einem zweiten Ort an der Drehwelle, wobei die Belastungsmessvorrichtung ferner eine Brücke umfasst, die sich zwischen den zwei Kränzen erstreckt, und eine Längsachse der Brücke von einer zentralen Längsachse der Drehwelle seitlich versetzt ist, wobei die Längsachse und die zentrale Längsachse im Wesentlichen zueinander parallel sind.
21. Verfahren nach Anspruch 20, das ferner Folgendes umfasst:
- Einstellen eines Abstandes des seitlichen Versatzes zwischen der Längsachse der Brücke und der zentralen Längsachse der Drehwelle, um einen Wert der mechanisch verstärkten Belastung mit Bezug auf die Belastung, die durch die Drehwelle erfahren wird, wenn sie betrieben wird, einzustellen.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei die Belastungsmessvorrichtung einen Belastungsmesssensor umfasst, wobei der Belastungsmesssensor in einem Abstand von der Drehwelle entfernt angeordnet ist, so dass der Belastungsmesssensor nicht direkt die Drehwelle kontaktiert und von einer zentralen Längsachse der Drehwelle seitlich versetzt ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, das ferner Folgendes umfasst:
- Detektieren einer Biegung der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle unter Verwendung der Belastungsmessvorrichtung.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, das ferner Folgendes umfasst:
- Bestimmen einer Drehzahl der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle unter Verwendung der Belastungsmessvorrichtung.
25. Verfahren nach Anspruch 24, das ferner Folgendes umfasst:
- Detektieren einer Frequenz von Vibrationen, die an der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle vorhanden sind, und/oder einer Amplitude von Vibrationen, die an der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle vorhanden sind, unter Verwendung der Belastungsmessvorrichtung.
26. Verfahren nach Anspruch 25, das ferner Folgendes umfasst:
- Detektieren einer Biegung der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle unter Verwendung der Belastungsmessvorrichtung.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26, wobei die Belastungsmessvorrichtung die mechanisch verstärkte Belastung der Drehwelle des mechanischen Systems auf Zugspannung misst.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62/849835 [0001]

Claims

Vorrichtung zum Überwachen eines mechanischen Systems, das eine Drehwelle umfasst, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: ein Verbindungselement, das dazu konfiguriert ist, mit einer Drehwelle zu koppeln, wobei das Verbindungselement einen ersten Referenzort und einen zweiten Referenzort aufweist; eine Brücke, die mit dem Verbindungselement gekoppelt ist und sich zwischen dem ersten Referenzort und dem zweiten Referenzort erstreckt, wobei die Brücke so konfiguriert ist, dass sie derart angeordnet ist, dass eine Längsachse davon von einer zentralen Längsachse der Drehwelle seitlich versetzt ist, wenn das Verbindungselement mit einer Drehwelle gekoppelt ist, wobei die Längsachse und die zentrale Längsachse im Wesentlichen zueinander parallel sind, und die Brücke eine Biegezone umfasst, die dazu konfiguriert ist, sich als Reaktion darauf zu verformen, dass die Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle einer Torsionskraft unterzogen wird; und einen Belastungsmesssensor, der der Brücke zugeordnet ist, die zwischen dem ersten Referenzort und dem zweiten Referenzort angeordnet ist, wobei der Sensor dazu konfiguriert ist, einen Betrag der durch die Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle erfahrenen Torsionskraft auf der Basis einer durch den Belastungsmesssensor gemessenen Belastung zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes des Verbindungselements, der Brücke und des Belastungsmesssensors dazu konfiguriert ist, sich mit der Drehwelle zu drehen, so dass die Belastung durch den Belastungsmesssensor ohne stationären Referenzrahmen gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Belastungsmesssensor ferner dazu konfiguriert ist, eine Biegung der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle zu detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Beschleunigungsmesser umfasst, der dazu konfiguriert ist, eine Drehzahl der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Beschleunigungsmesser ferner dazu konfiguriert ist, eine Frequenz von Vibrationen, die an der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle vorhanden sind, und/oder eine Amplitude von Vibrationen, die an der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle vorhanden sind, zu detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Belastungsmesssensor zwei mechanische Brücken umfasst, die in einer Wheatstone-Halbbrückenkonfiguration angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Belastungsmesssensor vier mechanische Brücken umfasst, die in einer Wheatstone-Vollbrückenkonfiguration angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Brücke ferner Folgendes umfasst: ein erstes Widerlager, das mit dem Verbindungselement näher am ersten Referenzort als am zweiten Referenzort gekoppelt ist, ein zweites Widerlager, das mit dem Verbindungselement näher am zweiten Referenzort als am ersten Referenzort gekoppelt ist, und eine Spanne, die sich zwischen dem ersten Widerlager und dem zweiten Widerlager erstreckt, wobei der Belastungsmesssensor der Spanne zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Verbindungselement ferner Folgendes umfasst: einen ersten Kranz, der den ersten Referenzort umfasst, wobei das erste Widerlager mit dem ersten Kranz gekoppelt ist, und einen zweiten Kranz, der den zweiten Referenzort umfasst, wobei das zweite Widerlager mit dem zweiten Kranz gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Belastungsmesssensor dazu konfiguriert ist, eine Belastung auf Zugspannung zu messen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Belastungsmesssensor einen Zugbelastungsmesser umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die durch den Belastungsmesssensor gemessene Belastung größer ist als eine durch die Drehwelle erfahrene Belastung, wenn sie der Torsionskraft unterzogen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Brücke derart konfiguriert ist, dass ein Abstand des seitlichen Versatzes zwischen der Längsachse der Brücke und der zentralen Längsachse der Drehwelle einstellbar ist, um wiederum die Differenz zwischen der durch den Belastungsmesssensor gemessenen Belastung und der durch die Drehwelle erfahrenen Belastung, wenn sie der Torsionskraft unterzogen wird, einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Brücke einen Schubmodul aufweist, der mindestens fünfmal geringer ist als ein Schubmodul der Drehwelle.
Verfahren zum Überwachen eines mechanischen Systems, das eine Drehwelle umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Messen einer mechanisch verstärkten Belastung einer Drehwelle eines mechanischen Systems unter Verwendung einer Belastungsmessvorrichtung, die mit der Drehwelle des mechanischen Systems gekoppelt ist, so dass sich die Belastungsmessvorrichtung mit der Drehwelle dreht, wenn die Drehwelle betrieben wird, wobei die gemessene mechanisch verstärkte Belastung größer ist als eine Belastung, die durch die Drehwelle erfahren wird, wenn sie betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei jede einzelne Komponente der Belastungsmessvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie mit der Drehwelle gekoppelt wird oder eine Belastung misst, die der Drehwelle zugeordnet ist, sich mit der Drehwelle dreht, wenn die Drehwelle betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei jede einzelne Komponente der Belastungsmessvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie mit der Drehwelle gekoppelt wird oder eine Belastung misst, die der Drehwelle zugeordnet ist, Folgendes umfasst: ein Verbindungselement, das mit der Drehwelle gekoppelt ist, eine Brücke, die mit dem Verbindungselement gekoppelt ist, und einen Belastungsmesssensor, der der Brücke zugeordnet ist, wobei der Sensor die Handlung der Messung der mechanisch verstärkten Belastung der Drehwelle durchführt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Brücke derart angeordnet ist, dass eine Längsachse davon von einer zentralen Längsachse der Drehwelle seitlich versetzt ist, wobei die Längsachse und die zentrale Längsachse im Wesentlichen zueinander parallel sind.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner Folgendes umfasst: Koppeln der Belastungsmessvorrichtung mit der Drehwelle.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Koppeln der Belastungsmessvorrichtung mit der Drehwelle ferner Folgendes umfasst: Koppeln eines ersten Kranzes der Belastungsmessvorrichtung mit einem ersten Ort an der Drehwelle; und Koppeln eines zweiten Kranzes der Belastungsmessvorrichtung mit einem zweiten Ort an der Drehwelle, wobei die Belastungsmessvorrichtung ferner eine Brücke umfasst, die sich zwischen den zwei Kränzen erstreckt, und eine Längsachse der Brücke von einer zentralen Längsachse der Drehwelle seitlich versetzt ist, wobei die Längsachse und die zentrale Längsachse im Wesentlichen zueinander parallel sind.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner Folgendes umfasst: Einstellen eines Abstandes des seitlichen Versatzes zwischen der Längsachse der Brücke und der zentralen Längsachse der Drehwelle, um einen Wert der mechanisch verstärkten Belastung mit Bezug auf die Belastung, die durch die Drehwelle erfahren wird, wenn sie betrieben wird, einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Belastungsmessvorrichtung einen Belastungsmesssensor umfasst, wobei der Belastungsmesssensor in einem Abstand von der Drehwelle entfernt angeordnet ist, so dass der Belastungsmesssensor nicht direkt die Drehwelle kontaktiert und von einer zentralen Längsachse der Drehwelle seitlich versetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner Folgendes umfasst: Detektieren einer Biegung der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle unter Verwendung der Belastungsmessvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner Folgendes umfasst: Bestimmen einer Drehzahl der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle unter Verwendung der Belastungsmessvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 24, das ferner Folgendes umfasst: Detektieren einer Frequenz von Vibrationen, die an der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle vorhanden sind, und/oder einer Amplitude von Vibrationen, die an der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle vorhanden sind, unter Verwendung der Belastungsmessvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 25, das ferner Folgendes umfasst: Detektieren einer Biegung der Drehwelle während des Betriebs der Drehwelle unter Verwendung der Belastungsmessvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Belastungsmessvorrichtung die mechanisch verstärkte Belastung der Drehwelle des mechanischen Systems auf Zugspannung misst.