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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Lagerüberwachungen und genauer eine
verbesserte Lagerüberwachung,
die einen Sensor und einen Prozessor aufweist, der an einer drehenden
Komponente eines Systems angebracht ist, das durch das Lager gelagert
ist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Lager
werden allgemein verwendet, um drehende Massen in vielen Arten von
Fahrzeugen zu lagern. Im Laufe der Lebensdauer des Fahrzeugs können Lager
Hunderttausende oder sogar Millionen von Zyklen überstehen. Schließlich fallen
die Lager aufgrund sich wiederholender Belastungszyklen aus. Der
Ausfall eines Lagers kann katastrophale Folgen haben, je nach dem,
wann das Lager versagt. Der Ausfall eines Lagers in einem Kollektivkopf
eines Hubschraubers kann zum Beispiel dazu führen, dass der Hubschrauber
abstürzt,
wenn das Lager während des
Fluges versagt.
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Gewöhnlich fallen
Lager jedoch nicht unmittelbar aus. Zunehmender Verschleiß zerstört allmählich die
Lagerkomponenten, welche messbare Hinweise des bevorstehenden Ausfalls
aussenden können.
Es ist dem Fachmann bekannt, dass ein abgenutztes Lager Vibrationen
in einem Frequenzbereich bei oder über 1 KHz aussendet. Infolgedessen
wurden Lagerüberwachungsgeräte entwickelt,
die einen Alarm auslösen,
wenn ein Lager Frequenzen in diesem Bereich aussendet. Diese Überwachungsgeräte weisen üblicherweise
einen Geber, um die Frequenz eines bestimmten Lagers zu messen,
und eine Verarbeitungskomponente auf, um Daten zu analysieren, die
von dem Geber gesendet werden.
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Das Überwachen
von Lagern ist in vielen Fahrzeugen ein relativ einfacher Vorgang,
weil das Lager in der Fahrzeugstruktur befestigt ist und der Geber
an oder nahe bei dem Lager angebracht ist. Ein Signal von dem Geber
wird dann durch Leitungen oder andere direkte Verbindungen an die
Verarbeitungskomponente gesendet. Jedoch kann zum Beispiel in Flugzeugen,
die Rotoren aufweisen, die einzige verfügbare Struktur, um eine Lagerüberwachung anzubringen,
eine drehende Struktur sein.
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Eine
Lösung,
die angewandt wurde, um Lager in drehenden Strukturen zu überwachen,
ist das Anbringen des Gebers an oder nahe bei dem Lager. Die Verarbeitungskomponente
empfängt
das Signal von dem Geber durch einen Schleifring der drehenden Struktur.
Obwohl das Übertragen
der Signale durch den Schleifring üblich und gewöhnlich effektiv ist,
wird im Falle des Überwachens
hoher Frequenzen über
1 KHz durch die drehende Struktur unerwünschtes Rauschen erzeugt, das
das Signal von dem Geber oft schwächt. Daher ist das Überwachen des
Lagers durch den Schleifring unzuverlässig und kann für die Passagiere
und die Besatzung des Flugzeuges gefährlich sein.
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Das
deutsche A-Dokument
DE 195 22
543 offenbart ein Sensorsystem, in dem der Zustand eines
Wälzlagers
während
des Betriebs mittels piezoelektrischer Messsensoren ermittelt wird,
welche an dem Lager befestigt sind und aus einem polaren Polyvinylidenfluorid-Film
bestehen, welcher ein Homopolymer oder ein Kopolymer sein kann.
Ein Paar von Sensoren jeweils kann durch einen halbkreisförmigen Film
ausgebildet sein, der auf der Rückseite
des Außenrings
mit einem Epoxid-Klebstoff befestigt ist. Leitungen übermitteln
Signale von den Sensoren. Wenn ein Lager beschädigt ist, zum Beispiel durch Absplittern
oder Verunreinigung des Lagers, werden Druckwellen, die durch Vibrationen
erzeugt werden, abgetastet und mit einem Referenzwert für den Betrieb
verglichen.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
eine verbesserte Vorrichtung, ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes
System zum Überwachen
von Lagern in drehenden Systemen zu haben, die keine Übertragung
eines Signals durch den Schleifring hindurch erfordern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Überwachungssystem
gemäß Anspruch
9 geschaffen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Für ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung einschließlich ihrer Merkmale und Vorteile
wird nun Bezug auf die ausführliche
Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
genommen, von denen:
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1 ein
perspektivisches Schnittbild einer Lagerüberwachung ist, das eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Kollektivkopfs ist, die eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 ein
Schnittbild eines Kollektivkopfs ist, das eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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4 ein
elektrisches Schaltbild ist, das eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Während die
Herstellung und die Verwendung verschiedener Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unten ausführlich besprochen wird, ist
zu würdigen,
dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare, innovative Konzepte
liefert, die in einer breiten Vielfalt von spezifischen Zusammenhängen enthalten
sein können.
Die spezifischen Ausführungsformen,
die hierin besprochen werden, sind lediglich veranschaulichend für bestimmte
Arten und Weisen, die Erfindung herzustellen und anzuwenden, und
sie beschränken
nicht den Umfang der Erfindung.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung kann zum Beispiel eine Lagerüberwachung, die den Zustand
eines oder mehrerer Lager in einem Kollektivkopf eines rotorgetriebenen
Flugzeugs überwacht, an
dem drehenden Kollektivkopf angebracht sein. Das Überwachen
eines Lagers eines Kollektivkopfs mittels einer herkömmlichen
Lagerüberwachung
ist nicht zweckmäßig, weil
herkömmliche
Lagerüberwachungen
nahe bei dem Lager angebracht werden müssen. Normalerweise wird eine
herkömmliche
Lagerüberwachung
an dem stationären
Gehäuse
des Lagers oder an der stationären
Struktur angebracht, in welcher das Lager befestigt ist. Im Fall
eines Kollektivkopfs sind die Lager im Inneren angeordnet, was die
Unterbringung einer Lagerüberwachung
an oder nahe bei dem Gehäuse
des Lagers ausschließt. Obwohl
eine herkömmliche
Lagerüberwachung
an dem Kollektivkopf angebracht werden könnte, muss das Signal von der
herkömmlichen Überwachung durch
den Schleifring des Kollektivkopfs übertragen werden. Diese Übertragung
schwächt
das übertragene
Signal, was die Zuverlässigkeit
einer herkömmlichen
Lagerüberwachung
verringert oder beseitigt.
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Mit
Bezug auf 1 weist die Lagerüberwachung 10 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen Sensor 12 und einen Prozessor 14 auf.
Obwohl das Einbeziehen des Prozessors in die Lagerüberwachung 10 die
Gesamtmasse erhöht,
ist die Masse der Lagerüberwachung 10 ein unerheblicher
Zusatz zu der drehenden Masse des Kollektivkopfs. Wenn es erforderlich
ist, kann die Masse der Lagerüberwachung
um die Achse des Kollektivkopfs ausgewuchtet werden.
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Der
Sensor 12 kann ein piezoelektrischer Quarz-Beschleunigungssensor
oder ein anderes Instrument zum Messen der Vibrationen des Lagers sein.
Andere Verfahren und Instrumente zum Messen von Vibrationen, die
von dem Lager ausgesandt werden, sind für Fachleute ersichtlich. Weil
ein ausfallendes Lager normalerweise Frequenzen über 1 KHz aussendet, kann der
Sensor 12 eingestellt werden, um Frequenzen in diesem Bereich
zu überwachen.
Zusätzliche
Frequenzen, die durch den Kollektivkopf, äußere Kräfte wie die Windgeschwindigkeit und
der Luftwiderstand oder den Motor erzeugt werden, können durch
eine Schaltung innerhalb des Prozessors 14 gefiltert werden.
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Informationen
von dem Prozessor 14 können von
dem Prozessor 14 durch den Schleifring zu einem Diagnosesystem
im Flugzeug übertragen
werden. Diese Informationen können
mittels eines 5-Volt Signals übertragen
werden. Weil der Prozessor 14 in dem drehenden Kollektivkopf
angeordnet ist, wird das Signal von dem Sensor 12 verarbeitet,
bevor es durch den Schleifring übertragen
wird. Das 5-Volt Signal wird nicht durch den Schleifring abgeschwächt, wie
es bei einem unverarbeiteten Signal von dem Sensor 12 der
Fall wäre.
Folglich ist das Verarbeiten des Signals von dem Sensor 12,
bevor es von dem drehenden Kollektivkopf übertragen wird, viel zuverlässiger als
das Verarbeiten eines Signals, das durch den Schleifring übertragen
wurde.
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Der
Prozessor 14 kann eine Platine oder eine andere elektrische
Schaltung sein, um die Ausgabe des Sensors 12 zu überwachen.
Der Prozessor 14 steuert die Funktionen der Lagerüberwachung 10 und
kann auch eine Diagnose-Schaltung aufnehmen. Der Prozessor 14 analysiert
das Signal von dem Sensor 12 und gibt ein Digital- oder
Logik-Signal aus, das mit dem Zustand des Lagers korreliert, welches
das Ermitteln aufweisen kann, ob das Lager ersetzt werden soll.
Wenn der Sensor 12 zum Beispiel Frequenzen in einem ausgewählten Bereich
für eine
bestimmte Zeitspanne detektiert, kann der Prozessor 14 einen
Anzeiger 16 an der Lagerüberwachung 10 auslösen, um
Wartungspersonal vor dem Zustand des Lagers zu warnen. Der Anzeiger 16 kann
das Wartungspersonal visuell oder hörbar alarmieren und bleibt
in einem Ausgelöst-Zustand,
bis er zurückgesetzt
wird. Der Prozessor 14 kann auch ein Alarmsignal zur Pilotenkanzel
des Flugzeuges senden, um das Flugpersonal vor dem Zustand des Lagers
zu warnen.
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Die
Lagerüberwachung 10 kann
eine Testschaltung 18 aufweisen, um die Funktion der Lagerüberwachung 10 von
Hand zu testen. Wenn sie vom Wartungspersonal aktiviert ist, sendet
die Testschaltung 18 ein künstlich erzeugtes Signal, welches
Frequenzen eines versagenden Lagers simulieren kann, für eine bestimmte
Zeitspanne an den Prozessor 14. Wenn die Lagerüberwachung 10 richtig
funktioniert, wird der Anzeiger 16 ausgelöst, weil
das erzeugte Signal auf ein versagendes Lager hinweist. Wenn der Anzeiger 16 nicht
auslöst,
kann das Wartungspersonal die Lagerüberwachung 10 ersetzen
oder reparieren. Wenn die Lagerüberwachung 10 richtig
funktioniert, kann das Wartungspersonal den Anzeiger 16 von
Hand zurücksetzen,
um die Lagerüberwachung 10 für den Betrieb
vorzubereiten.
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Die
Lagerüberwachung 10 kann
auch einen Anschluss 20 aufweisen, um mit dem Flugzeug
zu koppeln. Das 5-Volt Signal kann von dem Prozessor 14 in
den Anschluss 20 und anschließend durch den Schleifring
zu einem Diagnose-System im Flugzeug übertragen werden. Obwohl der
Anschluss 20 normalerweise die Lagerüberwachung 10 mit
dem Flugzeug mittels einer Kabelverbindung verbindet, kann der Anschluss 20 auch
an eine Schaltung angeschlossen sein, die ein Funksignal überträgt. Der
Anschluss 20 kann auch Verbindungen zu anderen Schaltungen
innerhalb der Lagerüberwachung 10 bereitstellen.
Zum Beispiel kann der Anschluss dem Flugpersonal ermöglichen,
die Testschaltung 18 fern einzuschalten. Zusätzlich kann
der Anschluss 20 dem Flugpersonal ermöglichen, den Zustand des Prozessors 14 in
der Lagerüberwachung 10 zu überwachen.
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Die
Lagerüberwachung 10 kann
ein Gehäuse 22 aufweisen,
das den Sensor 12 und den Prozessor 14 aufnimmt
und Montagestellen für
den Anzeiger 16, für
die Testschaltung 18 und den Anschluss 20 bereitstellt.
Das Gehäuse 22 kann
auch eine robuste Einfassung für
die Schaltung des Prozessors 14 bereitstellen und kann
auch wetterfest und wasserdicht sein. Der Anzeiger 16 kann
an der Außenseite
des Gehäuses 22 angebracht
sein, daher ist ein ausgelöster
Anzeiger 16 für
einen Beobachter sehr auffällig.
Ein Schalter zum Aktivieren der Testschaltung 18 kann auch
an der Außenseite
des Gehäuses 22 für einen
einfachen Zugang durch Wartungspersonal angebracht sein. Der Anschluss 20 ist
auch an der Außenseite
des Gehäuses 22 angebracht,
deshalb kann die Lagerüberwachung 10 an
andere Systeme in dem Flugzeug einfach angeschlossen werden. Das
Gehäuse 22 kann
aus einem leichten Material wie Kohlefaser oder einer Aluminiumlegierung hergestellt
sein. Weil das Gehäuse
direkt an dem Kollektivkopf angebracht sein kann, ist es unwahrscheinlicher,
dass ein leichtes Gehäuse 22 Lasten um
die Rotationsachse des Kollektivkopfs aus dem Gleichgewicht bringt.
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Es
wird jetzt Bezug auf die 2 und 3 genommen,
in denen ein Kollektivkopf 24 eines Flugzeuges dargestellt
ist. Der Kollektivkopf 24 kann sich in dem Rotor eines
Hubschraubers oder den Rotoren eines Kipp-Rotor-Flugzeuges befinden.
Wie in 2 dargestellt, kann die Lagerüberwachung 10 direkt
an dem Kollektivkopf 24 mittels Bolzen, Schrauben oder anderen
Befestigungsmitteln angebracht sein, die Fachleuten bekannt sind.
Während
die Flugzeugmotoren die Rotoren drehen, dreht sich auch der Kollektivkopf 24.
Zusätzlich
zu der Lagerüberwachung 10 kann
der Kollektivkopf auch elektronische Komponenten und Schaltungen
oder mechanische Gestänge
aufnehmen oder tragen, die zur Aufrechterhaltung des Flugs beitragen.
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Wie
in 3 deutlicher dargestellt ist, weist der Kollektivkopf 24 ein
Lager 26 auf. Das Lager 26 ist innerhalb des Kollektivkopfs 24 angeordnet
und unterstützt
die Rotation des Kollektivkopfs 24 um eine Welle. Wie oben
besprochen, ist das Anbringen der Lagerüberwachung 10 an dem
Lager 26 unpraktisch. Folglich kann die Lagerüberwachung 10 an
einer Stelle 27 an dem Kollektivkopf 24 angebracht werden.
Die Stelle 27 wird üblicherweise
ausersehen und ist nicht notwendigerweise die einzige Stelle, an der
die Lagerüberwachung 10 angeordnet
werden kann. Die Lagerüberwachung 10 kann
an jeder Stelle an dem Kollektivkopf 24 angebracht werden,
welche für
die Größe der Lagerüberwachung 10 Platz
bietet.
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Während das
Lager 26 verschleißt
und zu versagen beginnt, werden von dem Lager 26 Vibrationen
in dem Bereich von 5–20
KHz ausgesendet und sie werden durch den Kollektivkopf 24 übertragen. Der
Sensor 12 in der Lagerüberwachung 10 detektiert
die Vibrationen und der Prozessor 14 filtert und analysiert
die Vibrationen, die durch den Sensor 12 detektiert wurden.
Der Anzeiger 16 wird ausgelöst, wenn der Prozessor 14 ermittelt,
dass das Lager 26 ausfällt.
Der Prozessor kann auch das 5-Volt Signal durch den Anschluss 20 und
durch den Schleifring ausgeben, um in der Pilotenkanzel Alarm auszulösen.
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Es
wird jetzt Bezug auf 4 genommen, in der ein Strukturplan
der Lagerüberwachung 10 dargestellt
ist. Bei diesem speziellen Beispiel ist der Sensor ein piezoelektrischer
Beschleunigungssensor 28. Die Vibrationen, die von der
Umwelt an den Beschleunigungssensor 28 weitergegeben werden, werden
in ein elektrisches Signal umgewandelt, wie es für Fachleute offensichtlich
ist.
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Alternativ
kann beim Aktivieren der Testschaltung 18 ein elektrischer
Strom an den Beschleunigungssensor 28 übermittelt werden, um die Lagerüberwachung 10 selbst
zu testen. Das elektrische Signal von dem Beschleunigungssensor 28 wird
an ein Bandpassfilter 30 übertragen, das Frequenzen in dem
elektrischen Signal filtert, die nicht in den ausgewählten Frequenzbereich
fallen.
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Das
Signal läuft
dann durch einen AC/DC-Wandler 32, der das Wechselstromsignal
in ein Gleichstromsignal wandelt. Das Gleichstromsignal läuft dann
zu einem Komparator 34. Ein einstellbares Auslöseniveau 36 kann
an den Komparator 34 übermittelt
werden. Das einstellbare Auslöseniveau 36 erlaubt
dem Wartungspersonal, eine Vibrationsschwelle zu einzustellen, die
nötig ist,
um den Anzeiger 16 auszulösen. Das Wartungspersonal kann
zum Beispiel ermitteln, dass, wenn das Lager 26 ungefähr 30 Stunden
verbleibende Nutzungsdauer aufweist, die Vibrationen von dem Lager 26 bei
einem bestimmten Niveau sind. Das Wartungspersonal kann dann die
Schwelle für
das einstellbare Auslöseniveau 36 auf
das bestimmte Vibrationsniveau einstellen.
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Der
Komparator 34 vergleicht das gefilterte Gleichstromsignal
von dem Beschleunigungssensor 28 mit der Schwelle. Wenn
das gefilterte Gleichstromsignal die Schwelle überschreitet, wird ein Zeitgeber 38 aktiviert.
Wenn der Zeitgeber 38 detektiert, dass die Schwelle für eine festgesetzte
Zeitspanne, zum Beispiel 15 Sekunden, überschritten ist, wird der Anzeiger 16 ausgelöst und das
Wartungspersonal wird alarmiert, dass das Lager 26 Wartung
benötigt. Der
Zeitgeber 38 verhindert, dass der Anzeiger 16 unnötig ausgelöst wird,
wenn der Beschleunigungssensor 28 zeitweilige Vibrationen
in dem ausgewählten
Bereich detektiert. Folglich lösen
Vibrationen in diesem Bereich, die keinen Ausfall des Lagers anzeigen,
den Anzeiger 16 nicht falsch aus.
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Während die
Erfindung in Verbindung mit ihrer bevorzugten Ausführungsform
gezeigt und beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass viele Änderungen,
Ersetzungen und Hinzufügungen,
welche innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche sind, durchgeführt werden
können.
Deshalb wurde eine verbesserte Lagerüberwachung gezeigt und beschrieben,
die mindestens all die oben genannten Vorteile erreicht.