EP2737289A1 - Method and arrangement for monitoring gearwheels during operation - Google Patents

Method and arrangement for monitoring gearwheels during operation

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EP2737289A1
EP2737289A1 EP12769958.5A EP12769958A EP2737289A1 EP 2737289 A1 EP2737289 A1 EP 2737289A1 EP 12769958 A EP12769958 A EP 12769958A EP 2737289 A1 EP2737289 A1 EP 2737289A1
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gears
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Siemens AG
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Definitions

  • the invention relates to the monitoring of gears whose load during operation can be very high and in case of damage, the replacement of the gear or an entire system is not agile ⁇ .
  • a two-dimensional, i. planar trained, sensor array has a plurality of magneto-elastic sensors which span a surface.
  • Figure 2 is a view corresponding to Figure 1, which is rotated by 90 °.
  • a magneto-elastic sensor 1 is based on the effect of the magnetic permeability change with change in length.
  • the magnetic properties of a material are influenced by occurring mechanical forces acting on the material.
  • the corresponding sensors are characterized by high measuring accuracy and directly measure a force.
  • a sensor of this type is positioned without contact at a certain distance from the object to be measured and can be used during operation.
  • torques on force-transmitting waves can be measured by contactlessly measuring the changes in the permeabilities of a shaft by means of a magneto-elastic sensor.
  • a non-destructive moni ⁇ monitoring of gears is possible, which are subject to mechanical stresses by externally applied forces. It is measured during operation on gears. If a use of a component to be carried out against a quality assurance to be made, the operation can also be simulated, where largely similar operational states Herge ⁇ represents be. For example, one gear is engaged with another gear and a check is made. the gear loaded as in operation. By a magneto ⁇ elastic sensor, the load is measured in simulated operation, so that the forces in the gear to be monitored ⁇ are taken and, for example, certain setpoints of mechanical load to be approached.

Abstract

The invention relates to a method for monitoring gearwheels during operation using at least one magneto-elastic sensor (1), which measures without contact, for recording changes in permeability when mechanical stresses are present in the gearwheel, wherein the positioning of the at least one magneto-elastic sensor (1) on the gearwheel to be monitored is such that said sensor grasps the gearwheel in the region where high stresses occur and forces can be determined by measuring changes in permeability. Use: contactless determination of data on gearwheels.

Description

Beschreibung description
Verfahren und Anordnung zur Überwachung von Zahnrädern im Betrieb Method and arrangement for monitoring gears in operation
Die Erfindung betrifft die Überwachung von Zahnrädern, deren Belastung im Betrieb sehr hoch sein kann und im Schadensfall der Austausch des Zahnrades oder eines gesamten Systems not¬ wendig wird. The invention relates to the monitoring of gears whose load during operation can be very high and in case of damage, the replacement of the gear or an entire system is not agile ¬ .
Das Problem, einen Zahnradbruch zu vermeiden, kann bisher lediglich durch indirekte Verfahren behandelt werden. Dabei können zum einen die Länge eines Instandhaltungsintervalls verkürzt und die entsprechend kritischen Bauteile bei Ver- dacht auf Ermüdung ausgetauscht werden. Zum anderen kann eine Überwachung des Antriebstroms eingerichtet werden, um Über¬ lastungen, insbesondere im Betrieb, festzustellen. The problem of avoiding a gear break, so far can only be treated by indirect methods. On the one hand, the length of a maintenance interval can be shortened, and the correspondingly critical components can be replaced in the event of suspicion of fatigue. Secondly, a monitoring of the drive current can be set up to determine over ¬ loads, particularly during operation.
Beide Verfahrensweisen sind jedoch mit Nachteilen verbunden. Das erste Verfahren ist mit hohen Kosten verbunden, da zum einen auf der Hardwareseite Bauteile zu ersetzen sind und zum anderen verursachen Stillstandszeiten eine niedrigere Produktivität . Das zweite Verfahren ist insgesamt sehr ungenau. Both methods, however, are associated with disadvantages. The first method involves high costs, since, on the one hand, components have to be replaced on the hardware side and, on the other hand, downtimes lead to lower productivity. Overall, the second method is very inaccurate.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um Zahnräder im Betrieb berührungslos zu überwachen. The invention has for its object to provide a method and an apparatus for monitoring gears in contact without contact.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht jeweils durch die Merk¬ malskombination eines unabhängig formulierten Patentanspruchs . Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die zerstörungsfreie Messung der mechanischen Spannungen während des Betriebs an einem Zahnrad eine Überwachung auf einen be¬ vorstehenden Ausfall des Zahnrads oder des gesamten Zahnrad- Systems ermöglicht wird. Dies geschieht durch den Einsatz ei¬ nes magneto-elastischen Sensors, welcher an einem zu überwachenden Zahnrad vornehmlich an der Stirnseite und insbesonde¬ re dort, wo die größten mechanischen Belastungen auftreten, angesetzt wird. Dies bedeutet, dass der magneto-elastische Sensor in der Regel parallel zur Achse des Zahnrads ausge¬ richtet ist und einen geringen Abstand zur Oberfläche des Zahnrads aufweist. Es werden in der Regel Bereiche eines Zahnrads überwacht, in welche die größten mechanischen Belas- tungen auftreten. The solution to this problem occurs in each case by the Merk ¬ malskombination an independently formulated claim. The invention is based on the finding that, due to the non-destructive measurement of the mechanical stresses during operation on a gearwheel, monitoring for a loading failure of the gearwheel or of the entire gearwheel System is enabled. This is done by the use ei ¬ nes magneto-elastic sensor, which is attached to a gear to be monitored primarily on the front side and insbesonde ¬ re where the greatest mechanical loads occur. This means that the magneto-elastic sensor is usually ¬ oriented parallel to the axis of the gear and having a small distance from the surface of the gear. As a rule, areas of a gear are monitored in which the greatest mechanical loads occur.
Ein magneto-elastischer Sensor misst die Permeabilität beim Auftreten von mechanischen Spannungen im ferromagnetischen Werkstück. Diese mechanischen Spannungen verändern sich bei wechselnder Belastung des Zahnrads. Wird ein solches Zahnrad überbelastet, so kann dies von dem magneto-elastischen Sensor festgestellt werden und das Zahnrad oder ein Zahnradsystem kann rechtzeitig vor einem Bruch abgeschaltet werden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn dieses Verfahren mit einer Frequenzanalyse kombiniert wird. Damit lassen sich beispiels¬ weise die Zahneingriffsfrequenzen berechnen. Somit können zusätzliche Informationen, beispielsweise über einen Zustand eines Getriebes, gewonnen werden. A magneto-elastic sensor measures the permeability when mechanical stresses occur in the ferromagnetic workpiece. These mechanical stresses change with changing load of the gear. If such a gear is overloaded, this can be detected by the magneto-elastic sensor and the gear or a gear system can be shut down in time before a break. It is particularly advantageous if this method is combined with a frequency analysis. Thus can be example ¬ as calculate the meshing frequencies. Thus, additional information, for example about a state of a transmission can be obtained.
Wird ein zusätzlicher magneto-elastischer Sensor eingesetzt, so können zusätzlich weitere Kräfte direkt gemessen werden. Dies erfordert, dass die Ausrichtung der hauptsächlichen Empfindlichkeit des zusätzlichen magneto-elastischen Sensors re- lativ zum mindestens einen Sensor verändert ist. Die Anpas¬ sung kann durch Verstellung des Sensorkopfes des zusätzlichen magneto-elastischen Sensors geschehen. If an additional magneto-elastic sensor is used, additional forces can be measured directly. This requires that the orientation of the primary sensitivity of the additional magneto-elastic sensor be changed relative to the at least one sensor. The Anpas ¬ solution can be done by adjusting the sensor head of the additional magneto-elastic sensor.
Es ist vorteilhaft zur Verbesserung der örtlichen Auflösung der Kraftverteilung ein magneto-elastisches Sensorarray ein¬ zusetzen. Dies kann zunächst in Form einer Darstellung eines eindimensional auflösenden Zeilensensors realisiert werden. In diesem Sensor sind mehrere magneto-elastische Sensoren in einer Zeile hintereinander angeordnet. It is advantageous to improve the local resolution of the force distribution enforce a magneto-elastic sensor array ¬ . This can first be realized in the form of a representation of a one-dimensionally resolving line sensor. In this sensor, several magneto-elastic sensors are arranged in a row one behind the other.
Ein zweidimensional, d.h. flächig ausgebildetes, Sensorarray weist eine Vielzahl von magneto-elastischen Sensoren auf, die eine Fläche aufspannen. A two-dimensional, i. planar trained, sensor array has a plurality of magneto-elastic sensors which span a surface.
Es ist besonders vorteilhaft, die Überwachung auch zur Quali¬ tätskontrolle von Zahnrädern einzusetzen. Zahnräder werden da bei im simulierten Betrieb überwacht, sodass die mechanischen Belastungen annähernd der Realität entsprechen. Der Betrieb wird in diesem Fall jedoch simuliert. It is particularly advantageous to use the monitoring also for quality ¬ tätskontrolle of gears. Gearwheels are monitored in simulated operation, so that the mechanical loads correspond approximately to reality. However, the operation is simulated in this case.
So können sowohl im realen Betrieb als auch im simulierten Betrieb statische oder dynamische Zustände überwacht werden. Mit dem Verfahren kann sehr genau die Belastbarkeit bzw. die Belastung eines oder mehrerer Zahnräder untersucht werden. Thus, static or dynamic states can be monitored both in real operation and in simulated operation. With the method can be examined very accurately the load capacity or the load of one or more gears.
Mit dem gleichen Verfahren lassen sich auch die Umdrehungs- zahl und die aktuelle Winkelposition des Zahnrads aufgrund der mechanischen Spannungen im Bauteil zeitaufgelöst ermitteln . With the same procedure, the number of revolutions and the current angular position of the toothed wheel can be determined time-resolved due to the mechanical stresses in the component.
Wird die Positionierung des magneto-elastischen Sensors fron- tal oder seitlich in die Nähe der Zähne eines Zahnrads ausge¬ führt, so lässt sich das Profil des Zahnrads erkennen. Daraus können in vorteilhafter Weise Abweichungen in der Geometrie festgestellt werden. Damit kann wiederum eine Überwachung auf Abnützung oder auf Schadensfälle ausgeführt werden. If the positioning of the magneto-elastic sensor fron- tal or laterally out in the vicinity of the teeth of a gear ¬ out, so can the profile of the gear can be seen. This can be found in an advantageous manner deviations in the geometry. This can in turn be carried out monitoring for wear or damage.
Die Ausführung eines Verfahrens entsprechend der Erfindung kann in vorteilhafter Weise durch eine Sensoranordnung geschehen, die zur Erfassung von Spannungen an einem Zahnrad geeignet ist. Dies geschieht mit dem Einsatz eines oder meh- rer magneto-elastischer Sensoren, die zerstörungsfrei die mechanischen Spannungen während des Betriebs an einem oder mehreren Zahnrädern aufnehmen können, beispielsweise im Bereich gegenseitigen Eingriffs. Im Folgenden wird anhand der schematischen Figuren ein die Erfindung nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel beschrie¬ ben. Es zeigen: The execution of a method according to the invention can be done in an advantageous manner by a sensor arrangement which is suitable for detecting voltages on a gear. This is done with the use of one or more magneto-elastic sensors that can nondestructively absorb the mechanical stresses during operation on one or more gears, for example in the area of mutual engagement. In the following, a non-limiting embodiment of the invention beschrie ¬ ben described with reference to the schematic figures. Show it:
Figur 1 eine Zahnradüberwachung mit einem berührungslos arbeitenden magneto-elastischen Sensor 1, der auf ein zu überwachendes Zahnrad 3 ausgerichtet ist sowie ein im Eingriff mit dem Zahnrad 3 ste- hendes Zahnrad 2, 1 shows a gear monitoring with a non-contact magneto-elastic sensor 1, which is aligned with a gear 3 to be monitored, and a gear 2 in engagement with the gear 3,
Figur 2 eine Ansicht entsprechend Figur 1, welche um 90° gedreht ist. Ein magneto-elastischer Sensor 1 beruht auf dem Effekt der magnetischen Permeabilitätsänderung bei Längenänderung. Dabei werden die magnetischen Eigenschaften eines Materials von auftretenden mechanischen Kräften beeinflusst, welche auf das Material einwirken. Figure 2 is a view corresponding to Figure 1, which is rotated by 90 °. A magneto-elastic sensor 1 is based on the effect of the magnetic permeability change with change in length. The magnetic properties of a material are influenced by occurring mechanical forces acting on the material.
Die entsprechenden Sensoren zeichnen sich durch eine hohe Messgenauigkeit aus und messen direkt eine Kraft. Ein Sensor dieser Art wird berührungslos in einem bestimmten Abstand vom zu messenden Objekt positioniert und kann im Betrieb verwen- det werden. So können beispielsweise Drehmomente an Kraft übertragenden Wellen gemessen werden, indem kontaktlos mittels eines magneto-elastischen Sensors die Veränderungen der Permeabilitäten einer Welle gemessen werden. Entsprechend der Erfindung wird eine zerstörungsfreie Überwa¬ chung von Zahnrädern ermöglicht, welche mechanischen Spannungen durch von außen einwirkende Kräfte unterworfen sind. Dabei wird im Betrieb an Zahnrädern gemessen. Soll eine vor einem Einsatz eines Bauteils durchzuführende Qualitätssicherung vorgenommen werden, so kann der Betrieb auch simuliert werden, wobei weitestgehend betriebsähnliche Zustände herge¬ stellt werden. So wird beispielsweise ein Zahnrad mit einem weiteren Zahnrad in Eingriff gebracht und ein zu überprüfen- des Zahnrad wie im Betrieb belastet. Durch einen magneto¬ elastischen Sensor wird die Belastung im simulierten Betrieb gemessen, so dass die Kräfte im zu überwachenden Zahnrad auf¬ genommen werden und beispielsweise bestimmte Sollwerte mecha- nischer Belastung angefahren werden. The corresponding sensors are characterized by high measuring accuracy and directly measure a force. A sensor of this type is positioned without contact at a certain distance from the object to be measured and can be used during operation. For example, torques on force-transmitting waves can be measured by contactlessly measuring the changes in the permeabilities of a shaft by means of a magneto-elastic sensor. According to the invention, a non-destructive moni ¬ monitoring of gears is possible, which are subject to mechanical stresses by externally applied forces. It is measured during operation on gears. If a use of a component to be carried out against a quality assurance to be made, the operation can also be simulated, where largely similar operational states Herge ¬ represents be. For example, one gear is engaged with another gear and a check is made. the gear loaded as in operation. By a magneto ¬ elastic sensor, the load is measured in simulated operation, so that the forces in the gear to be monitored ¬ are taken and, for example, certain setpoints of mechanical load to be approached.
Damit wird es ermöglicht, einen Bruch oder eine Zerstörung von Maschinen zu verhindern, indem der Betrieb dieser Bauteile oder Anlagen rechtzeitig eingestellt wird. Insgesamt kön- nen insbesondere Instandhaltungsintervalle verlängert werden. Damit werden nicht Bauteile ausgetauscht, die bei regelmäßi¬ gen Inspektionen noch nicht ermüdet sind. Somit können Stand¬ zeiten von Anlagen verlängert werden. Falls ein Bauteil an sich nicht ferromagnetisch aufgebaut ist, kann beispielsweise, zumindest partiell, eine ferromag- netische Schicht oberflächlich aufgetragen werden. Damit ist eine Ankopplung eines magneto-elastischen Sensors zur Messung von im Bauteil auftretenden Kräften mit hoher Genauigkeit möglich. This makes it possible to prevent breakage or destruction of machinery by timely adjusting the operation of these components or equipment. Overall, in particular maintenance intervals can be extended. To prevent components that have not yet tired at PERIODIC ¬ gen inspections are exchanged. Thus can be extended from plants stand ¬ times. If a component per se is not ferromagnetic, for example, at least partially, a ferromagnetic layer can be applied superficially. In order for a coupling of a magneto-elastic sensor for measuring occurring in the component forces with high accuracy is possible.
In Figur 1 sind zwei gegenseitig eingreifende Zahnräder 2, 3 in der Seitenansicht dargestellt, sodass die Zähne von außen sichtbar sind. Der magneto-elastische Sensor 1 ist, versetzt zur Drehachse, des zu überwachenden Zahnrads 3 in der Nähe der Stirnseite bzw. im Bereich einer hohen Belastung des Zahnrades mit Abstand zur Oberfläche des Zahnrads positio¬ niert . Figur 2 zeigt eine Ansicht, die relativ zu der Darstellung in Figur 1 um 90° gedreht ist. Die beiden Zahnräder 2, 3 sind jetzt stirnseitig sichtbar und die Darstellung der jeweiligen Zähne der Zahnräder ist lediglich durch Darstellung der jeweiligen Teilkreise der Zahnräder illustriert. In Figure 1, two mutually engaging gears 2, 3 are shown in side view, so that the teeth are visible from the outside. The magneto-elastic sensor 1, offset from the axis of rotation, of the gear 3 to be monitored in the vicinity of the end face or in the region of a high load of the gear at a distance from the surface of the gear positio ¬ defined. Figure 2 shows a view which is rotated relative to the illustration in Figure 1 by 90 °. The two gears 2, 3 are now visible from the front and the representation of the respective teeth of the gears is illustrated only by showing the respective pitch circles of the gears.
Die genaue Positionierung des magneto-elastischen Sensors 1 wird nach den entsprechenden Anforderungen eingestellt. In Figur 2 ist der magneto-elastische Sensor 1 in etwa auf die Wurzeln der Zahnräder des zu überwachenden Zahnrads 3 ausgerichtet. Somit können Kräfte in dem in der Regel höchst be¬ lasteten Bereich eines Zahnrads aufgenommen werden. Weiterhin kann ein Vergleich mit Sollwerten durchgeführt werden, sodass vorgegebene Höchstbelastungen unterbleiben oder die Betriebsweise entsprechend geändert wird. The exact positioning of the magneto-elastic sensor 1 is adjusted according to the respective requirements. In Figure 2, the magneto-elastic sensor 1 is approximately on the Roots of the gears of the gear to be monitored 3 aligned. Thus can be added forces in the highly congested be ¬ in the control range of a gear. Furthermore, a comparison with nominal values can be carried out so that predetermined maximum loads are avoided or the mode of operation is changed accordingly.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Überwachung von Zahnrädern im Betrieb, unter Einsatz mindestens eines berührungslos messenden magne- to-elastischen Sensors (1), zur Aufnahme von Permeabilitäts¬ änderungen bei vorhandenen mechanischen Spannungen in dem Zahnrad, 1. A method for monitoring gears in operation, using at least one non-contact measuring magneto-elastic sensor (1), for receiving permeability ¬ changes in existing mechanical stresses in the gear,
wobei die Positionierung des mindestens einen magneto¬ elastischen Sensors (1) an dem zu überwachenden Zahnrad, der- art geschieht, dass dieser im Bereich von hohen auftretenden Belastungen das Zahnrad erfasst und durch die Messung von Permeabilitätsänderungen auftretende Kräfte ermittelt werden. wherein the positioning of the at least one magneto ¬ elastic sensor (1) on the gear to be monitored, such that this is detected in the range of high loads occurring gear and determined by the measurement of permeability changes forces.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei 2. The method of claim 1, wherein
die von dem mindestens einen magneto-elastischen Sensor (1) ermittelten Kräfte mit Sollwerten verglichen werden. the forces determined by the at least one magneto-elastic sensor (1) are compared with desired values.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich eine Frequenzanalyse durchgeführt wird. 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein additionally a frequency analysis is performed.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Sensorzeile mit mehreren, hintereinander angeordneten magneto-elastischen Sensoren (1) eingesetzt wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein a sensor array with a plurality of successively arranged magneto-elastic sensors (1) is used.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei ein zweidimensionales Sensorarray eingesetzt wird. 5. The method according to any one of claims 1-4, wherein a two-dimensional sensor array is used.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Qualitätsüberwachung von Zahnrädern durchgeführt wird, indem Zahnräder wie im Betrieb belastet und gemessen werden. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein a quality monitoring of gears is performed by gears are loaded and measured as in operation.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Parameter wie Umdrehungszahl, aktuelle Winkelposition, zeitaufgelöst, mechanische Spannungen gemessen werden. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the parameters such as number of revolutions, current angular position, time resolved, mechanical stresses are measured.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine magneto-elastische Sensor (1) derart zum Zahnrad positioniert wird, dass das Zahnrad im Profil darge- stellt wird und/oder Abweichungen von einer Soll-Geometrie ermittelt werden können. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the at least one magneto-elastic sensor (1) is positioned in such a way to the gear that the gear shown in profile is set and / or deviations from a desired geometry can be determined.
9. Sensoranordnung zur Erfassung von Spannungen an mindestens einem Zahnrad mit der Durchführung eines Verfahrens entspre¬ chend einem der Ansprüche 1-8, bestehend aus einer Sensorzei¬ le mit mehreren, hintereinander positionierten auf ein Zahnrad ausgerichteten magneto-elastischen Sensoren (1) zur Messung von Permeabilitätsänderungen im Zahnrad, sowie der DarStellung von zugehörenden Kräften. 9. A sensor arrangement for detecting voltages to at least one gear with the implementation of a method entspre ¬ accordingly to any one of claims 1-8, consisting of a Sensorzei ¬ le with several, one behind the other positioned aligned on a gear magneto-elastic sensors (1) for measuring Permeability changes in the gear, as well as the representation of associated forces.
10. Sensoranordnung nach Anspruch 9, wobei ein zweidimensionales Sensorarray vorhanden ist, welches auf das Zahnrad aus¬ gerichtet ist. 10. Sensor arrangement according to claim 9, wherein a two-dimensional sensor array is provided, which is directed to the gear from ¬ .
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