JP2019536992A

JP2019536992A - 軸受の検出装置及び方法

Info

Publication number: JP2019536992A
Application number: JP2019518200A
Authority: JP
Inventors: 泳忠聶
Original assignee: 西人馬（厦門）科技有限公司
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2038-05-29
Also published as: JP6888083B2; WO2018219265A1; CN107192555A

Abstract

【課題】本発明は、軸受の検出装置及び方法を開示している。【解決手段】当該検出装置は、それぞれ軸受の同一部材中に嵌め込まれた微振動センサ及びプロセッサを備え、前記プロセッサと前記微振動センサとは接続され、当該検出装置は更に、送信アンテナ及び受信アンテナを備え、前記送信アンテナは前記微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれ、前記受信アンテナは前記軸受の外に設置されている。当該検出方法は、軸受中に嵌め込まれた微振動センサによって、軸受の加速度信号を検出するステップと、前記加速度信号に対してフーリエ変換を行って、前記軸受の特性スペクトルを取得するステップと、前記軸受の特性周波数と既知の軸受の故障特性周波数とをマッチングさせて、前記軸受の故障情報を取得するステップと、を含む。本発明の実施例の技術案を採用すると、センサをできるだけ軸受の配置に接近させるため、軸受の故障信号の減衰を減少できる。【選択図】図２

Description

本願は、２０１７年０５月３１日に出願された中国特許出願番号２０１７１０４０２１４５８、出願名称が「軸受の検出装置及び方法」の中国特許出願の優先権を主張し、当該中国特許出願の全ての内容は、本願中に参照として援用される。
本願は、軸受の技術分野に関し、特に、軸受の検出装置及び方法に関する。

現在、軸受は現代の機械設備中の常用の部材である。運転中の軸受の突然の失効を回避するために、通常軸受の早期失効信号を検出する必要がある。

従来技術において、上記早期失効信号を検出するために、通常軸受ベースにセンサを取り付けているが、このような軸受とセンサとの分離設置の方式は、軸受の早期失効信号の減衰時間を延長させ、また、軸受の早期失効信号が微弱信号であるため、減衰時間の延長は、軸受の早期失効信号がノイズによって隠されることを容易に引き起こして、センサが軸受の早期故障信号を効果的に採集できないようにし、軸受の早期故障を警告することができない。

本発明の実施例は軸受の故障検出装置及び方法を提供して、軸受の早期故障信号を効果的に採集できるため、軸受の早期故障を警告できる。

第１の態様において、本発明の実施例は軸受の検出装置を提供し、当該装置は、それぞれ軸受の同一部材中に嵌め込まれた微振動センサ及びプロセッサを備え、プロセッサと微振動センサとは接続され、検出装置は更に、送信アンテナ及び受信アンテナを備え、送信アンテナは微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれ、受信アンテナは前記軸受の外に設置されている。

第１の態様の可能な実施形態において、軸受の同一部材は、軸受の外輪、保持フレーム又は内輪を含む。

第１の態様の可能な実施形態において、微振動センサは、圧電式センサ、インピーダンスヘッドセンサ及び／又は抵抗ひずみ式センサを含む。

第１の態様の可能な実施形態において、微振動センサは、セラミック包装の構造中に封止されている。

第１の態様の可能な実施形態において、当該装置は更に、軸受に接近する位置に設置されたエネルギー放射アンテナと、微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれ、それぞれ微振動センサ及びプロセッサに接続されている電磁共鳴アンテナと、を含む。

第１の態様の可能な実施形態において、エネルギー放射アンテナは、軸受ベース上に設置されている。

第１の態様の可能な実施形態において、当該装置は更に、微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれたＡＣ−ＤＣコンバーターを備え、ＡＣ−ＤＣコンバーターはそれぞれ電磁共鳴アンテナ、微振動センサ及びプロセッサに接続されている。

第１の態様の可能な実施形態において、当該装置は更に、微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれた電圧レギュレータを備え、電圧レギュレータはそれぞれＡＣ−ＤＣコンバーター、微振動センサ及びプロセッサに接続されている。

第１の態様の可能な実施形態において、当該装置は更に、微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれたバンドパスフィルターを備え、バンドパスフィルターはそれぞれ微振動センサ及びプロセッサに接続されている。

第１の態様の可能な実施形態において、当該装置は更に、微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれた温度センサを備え、温度センサは送信アンテナに接続されている。

第２の態様において、本発明の実施例は軸受の検出方法を提供し、当該方法は、
軸受中に嵌め込まれた微振動センサによって、軸受の加速度信号を検出するステップと、
加速度信号に対してフーリエ変換を行って、軸受の特性スペクトルを取得するステップと、
軸受の特性周波数と既知の軸受の故障特性周波数とをマッチングさせて、軸受の故障情報を取得するステップと、
を含む。

第２の態様の可能な実施形態において、加速度信号に対してフーリエ変換を行って、軸受の特性スペクトルを取得するステップは、加速度信号に対してフィルタリング処理を行うステップと、フィルタリング処理後の加速度信号に対してフーリエ変換を行って、軸受の特性スペクトルを取得するステップと、を含む。

第２の態様の可能な実施形態において、軸受の特性周波数と既知の軸受の故障特性周波数とをマッチングさせて、軸受の故障情報を取得した後、当該方法は更に、微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれた温度センサによって、軸受の温度信号を検出するステップと、温度信号に基づいて、軸受の故障情報を分析するステップと、を含む。

上記のように、本発明の実施例は、微振動センサ及びプロセッサをいずれも軸受の同一部材中に嵌め込み、プロセッサと微振動センサとは接続されている。微振動センサを軸受中に嵌め込んで、軸受の早期失効信号の減衰時間を短縮させるため、軸受の早期失効信号を効果的に採集でき、プロセッサは微振動センサで采集された効果的な早期失効信号に基づいて、軸受の早期故障を正確に判断でき、更に軸受に対して早期故障警告を行うことができる。

本発明の一実施例における軸受の検出装置の構造模式図である。本発明の別の一実施例における軸受の検出装置の構造模式図である。本発明の一実施例における軸受の検出装置の回路接続模式図である。本発明の一実施例における軸受の検出装置の信号接続模式図である。本発明の一実施例における軸受の検出方法のフローチャートである。本発明の別の一実施例における軸受の検出方法のフローチャートである。

本発明の実施例で提供する軸受検出の方法及び装置は、軸受の故障検出分野に適用される。センサを最大限に軸受に接触させて、軸受の故障信号の伝送中の減衰を回避できる。本発明の実施例で提供する軸受検出の方法及び装置は、航空機を動かす軸受に対して健康状態検出を行うことが可能である。

図１は、本発明の実施例で提供する軸受の検出装置の構造模式図である。図１に示すように、本発明の実施例の検出装置は、それぞれ軸受の同一部材中に嵌め込まれた微振動センサ１及びプロセッサ２を備え、プロセッサ２は微振動センサ１に接続され、検出装置は更に、送信アンテナ６及び受信アンテナ７を備え、送信アンテナ６は微振動センサ１の位置する部材中に嵌め込まれ、受信アンテナ７は、上記軸受の外に設置されている。

微振動センサ１は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ、微小電気機械システム）振動センサであってもよい。ＭＥＭＳ振動センサは、シングルチップの高精度の振動センサであって、軸受の振動及び非常情况を十分正確に検出でき、振動周波数が２２ｋＨＺに達する。ＭＥＭＳ振動センサは、寸法が比較的小さく固定し易い特徴を有し、セラミック包装の構造中に封止できる。例えば、ＭＥＭＳ振動センサを一つの小さい寸法（比如５ｍｍ×５ｍｍ）のセラミック包装中に封止させた後、検出される機械部材中に一緒に嵌め込むことができる。

微振動センサ１の動作原理は以下の通りである。元の測定する機械量を微振動センサ１の入力量とした後、機械受信部分によって受信して、別の変換に適した機械量を形成し、最後に電気機械変換部分によって再度機械量を電気量に変換する。機械量に対する電気機械変換部分の電気量変換形態に基づくと、本発明の実施例で用いられる微振動センサ１は、圧電式センサ、インピーダンスヘッドセンサ及び／又は抵抗ひずみ式センサを含む得る。

なお、上記の微振動センサ１を軸受部材中に嵌め込む方式は複数種類であってもよい。一例において、軸受部材中に微振動センサ１の形状にマッチングする取付溝を開設して、開設された溝中に微振動センサ１を取り付け、接着の方式によって微振動センサ１を固定してもよい。通常、微振動センサ１が軸受中の油汚点で汚染されて軸受の故障信号が干渉されることを防止するために、更に取付溝中の微センサを封止する。同様に、上記方法によってプロセッサ２を軸受部材中に埋め込んでもよい。

なお、微振動センサ１及びプロセッサ２の取付方式について、微振動センサ１及びプロセッサ２を集積して、集積後のアセンブリ全体が軸受部材中に嵌め込まれたものであってもよく、それぞれ軸受部材中に嵌め込まれて、導線によって接続されているものてあってもよい。

軸受が回転体であるため、微振動センサ１及びプロセッサ２の信号を伝送させるために、本発明の実施例の検出装置は更に、送信アンテナ６及び受信アンテナ７を備え、送信アンテナ６は、微振動センサ１が位置する部材中に嵌め込まれ、受信アンテナ７は、軸受の外に設置されている。送信アンテナ６は、小さい寸法のフレキシブル回路基板中に封止され、また、上記の微振動センサ１の取付方式を参照して、フレキシブル回路基板を微振動センサ１が位置する部材中に嵌め込んでもよい。

本発明の実施例において、微振動センサ１及びプロセッサ２はいずれも軸受の同一部材中に嵌め込まれ、プロセッサ２は微振動センサ１に接続されている。微振動センサ１が軸受中に嵌め込まれて、軸受の早期失効信号の減衰時間を短縮させるため、軸受の早期失効信号を効果的に採集でき、プロセッサ２は、微振動センサ１で採集された効果的な早期失効信号に基づいて、軸受の早期故障を正確に判断でき、更に軸受に対して早期故障警告を行うことができる。

微振動センサ１及びプロセッサ２を軸受へ嵌め込む取り付けを容易にするために、図１を参照すると、上記軸受の同一部材は軸受の外輪３、保持フレーム４又は内輪５を含む。即ち、実際の状況に応じて、微振動センサ１及びプロセッサ２を軸受の外輪３、保持フレーム４及び内輪５のうちのいずれかに嵌め込むことができる。

なお、本発明の実施例の検出装置は、ボール軸受の検出に用いられてもよく、滑り軸受の検出に用いられてもよい。本発明の実施例の検出装置が滑り軸受の検出に用いられる場合、微振動センサ１及びプロセッサ２を滑り軸受の対応部材中に取り付ければよい。勿論、本発明の実施例の検出装置は軸受以外のその他の機械部材の検出に用いられてもよいが、それに限定されるものではない。

軸受の回転中の微振動センサ１及びプロセッサ２の給電問題を解決するために、図２を参照すると、本発明の実施例の検出装置は更に、軸受に接近する位置に設置されたエネルギー放射アンテナ９と、微振動センサ１が位置する部材中に嵌め込まれ、それぞれ微振動センサ１及びプロセッサ２に接続されている電磁共鳴アンテナ８と、を含む。好ましくは、エネルギー放射アンテナ９は、軸受ベース１０上に設置されてもよい。

エネルギー放射アンテナ９は外部電源に接続され、電磁共鳴アンテナ８の共振周波数はエネルギー放射アンテナ９の中心周波数と一致しているため、エネルギー放射アンテナ９から伝送されたエネルギーを近距離で受信でき、一例において、エネルギー放射アンテナ９の中心周波数は１〜３ＧＨｚである。

上記電磁共鳴電線がエネルギー放射アンテナ９から伝送された電気量を交流電気信号に変換できるため、微振動センサ１及びプロセッサ２を駆動させるのに直流電気信号を必要とする。従って、図３を参照すると、検出装置は更に微振動センサ１が位置する部材中に嵌め込まれた交流直流ＡＣ−ＤＣコンバーター１１を備え、ＡＣ−ＤＣコンバーターはそれぞれ電磁共鳴アンテナ８、微振動センサ１及びプロセッサ２に接続されている。

更に、微振動センサ１及びプロセッサ２へ安定的な動作電圧を提供するために、検出装置は更に、微振動センサ１が位置する部材中に嵌め込まれた電圧レギュレータ１２を備え、電圧レギュレータ１２はそれぞれＡＣ−ＤＣコンバーター１１、微振動センサ１及びプロセッサ２に接続されている。

また、図４を参照すると、検出装置は更に、微振動センサ１が位置する部材中に嵌め込まれたバンドパスフィルター１３を備え、バンドパスフィルター１３はそれぞれ微振動センサ１及びプロセッサ２に接続され、微振動センサ１で検出された軸受の振動信号をフィルタリング処理するのに用いられて、信号の品質を高める。

更に、軸受の故障情報を取得した後、故障の原因を分析するために、検出装置は更に、微振動センサ１が位置する部材中に嵌め込まれた温度センサ（図示なし）を備え、温度センサは送信アンテナ６に接続されている。

図５は、本発明の一実施例における軸受の検出方法のフローチャートである。図５に示すように、軸受の検出方法は、ステップ５０１〜ステップ５０３を含む。

ステップ５０１において、軸受中に嵌め込まれた微振動センサ１によって、軸受の加速度信号を検出する。

微振動センサ１は、軸受の外輪３、保持フレーム４又は内輪５中に嵌め込まれている。微振動センサ１は、圧電式センサ、インピーダンスヘッドセンサ及び／又は抵抗ひずみ式センサを含む。

ステップ５０２において、加速度信号に対してフーリエ変換を行って、軸受の特性スペクトルを取得する。

ステップ５０３において、軸受の特性周波数と既知の軸受の故障特性周波数とをマッチングさせて、軸受の故障情報を取得し、即ち、軸受のどの部材が故障しているかを判断する。

既知の軸受の故障特性周波数は、内輪５の故障特性周波数ｆ_ｉと、外輪３の故障特性周波数ｆ_оと、ボールの故障特性周波数ｆ_ｂと、保持フレーム４が内輪５に当たる故障特性周波数ｆ_ｃｉと、保持フレーム４が内輪５に当たる故障特性周波数ｆ_ｃоと、を含む。ここで、
内輪５の故障特性周波数ｆ_ｉの表現式は、以下の通りである。
外輪３の故障特性周波数の表現式は、以下の通りである。
ボールの故障特性周波数ｆ_ｂの表現式は、以下の通りである。
保持フレーム４が内輪５に当たる故障特性周波数ｆ_ｃｉの表現式は、以下の通りである。
保持フレーム４が外輪５に当たる故障特性周波数ｆ_ｃоの表現式は、以下の通りである。
上記表現式において、Ｄは軸受のピッチ径で、ｄはボール径で、αは接触角で、ｚはボール数で、Ｒは軸の回転速度である。

図６は、本発明の別の一実施例における軸受の検出方法のフローチャートである。図６と図５との相違点は、図５中のステップ５０２が図６中のステップ５０２１及びステップ５０２２に詳しく分けられ、図６中のステップが更にステップ５０４及びステップ５０５を含むことである。

ステップ５０２１において、加速度信号に対してフィルタリング処理を行う。軸受の加速度信号中の干渉信号を除去して、信号の品質を高めることができる。

ステップ５０２２において、フィルタリング処理後の加速度信号に対してフーリエ変換を行って、軸受の特性スペクトルを取得する。

ステップ５０４において、微振動センサ１が位置する部材中に嵌め込まれた温度センサによって、軸受の温度信号を検出する。

ステップ５０５において、温度信号に基づいて、軸受の故障情報を分析する。

上記記載は、本発明の具体的な実施形態であるが、本発明の保護範囲はこれらに限定されるものではなく、本発明に記載の技術範囲内で、当業者が容易に想到した変化又は差し替えはいずれも本発明の保護範囲内に含まれる。従って、本発明の保護範囲は、特許請求範囲の保護範囲を基準とする。

１微振動センサ、
２プロセッサ、
３外輪、
４保持フレーム、
５内輪、
６送信アンテナ、
７受信アンテナ、
８電磁共鳴アンテナ、
９エネルギー放射アンテナ、
１０軸受ベース。

Claims

それぞれ軸受の同一部材中に嵌め込まれた微振動センサ及びプロセッサを備え、前記プロセッサと前記微振動センサとは接続された軸受の検出装置であって、
前記検出装置は更に、送信アンテナ及び受信アンテナを備え、前記送信アンテナは前記微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれ、前記受信アンテナは前記軸受の外に設置されていることを特徴とする、軸受の検出装置。
前記軸受の同一部材は、前記軸受の外輪、保持フレーム又は内輪を含むことを特徴とする、請求項１に記載の軸受の検出装置。
前記微振動センサは、圧電式センサ、インピーダンスヘッドセンサ及び／又は抵抗ひずみ式センサを含むことを特徴とする、請求項１に記載の軸受の検出装置。
前記微振動センサは、セラミック包装の構造中に封止されていることを特徴とする、請求項１に記載の軸受の検出装置。
前記軸受に接近する位置に設置されたエネルギー放射アンテナと、
前記微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれ、それぞれ前記微振動センサ及び前記プロセッサに接続されている電磁共鳴アンテナと、
を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の軸受の検出装置。
前記エネルギー放射アンテナは、軸受ベース上に設置されていることを特徴とする、請求項５に記載の軸受の検出装置。
前記微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれた交流直流ＡＣ−ＤＣコンバーターを更に備え、前記ＡＣ−ＤＣコンバーターはそれぞれ前記電磁共鳴アンテナ、前記微振動センサ及び前記プロセッサに接続されていることを特徴とする、請求項６に記載の軸受の検出装置。
前記微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれた電圧レギュレータを更に備え、前記電圧レギュレータはそれぞれ前記ＡＣ−ＤＣコンバーター、前記微振動センサ及び前記プロセッサに接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の軸受の検出装置。
前記微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれたバンドパスフィルターを更に備え、前記バンドパスフィルターはそれぞれ前記微振動センサ及び前記プロセッサに接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の軸受の検出装置。
前記微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれた温度センサを更に備え、前記温度センサは前記送信アンテナに接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の軸受の検出装置。
軸受中に嵌め込まれた微振動センサによって、軸受の加速度信号を検出するステップと、
前記加速度信号に対してフーリエ変換を行って、前記軸受の特性スペクトルを取得するステップと、
前記軸受の特性周波数と既知の軸受の故障特性周波数とをマッチングさせて、前記軸受の故障情報を取得するステップと、
を含むことを特徴とする、軸受の検出方法。
前記加速度信号に対してフーリエ変換を行って、前記軸受の特性スペクトルを取得するステップは、
前記加速度信号に対してフィルタリング処理を行うステップと、
フィルタリング処理後の加速度信号に対してフーリエ変換を行って、前記軸受の特性スペクトルを取得するステップと、
を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の軸受の検出方法。
前記軸受の特性周波数と既知の軸受の故障特性周波数とをマッチングさせて、前記軸受の故障情報を取得した後、更に、
前記微振動センサが位置する部材中に嵌め込まれた温度センサによって、軸受の温度信号を検出するステップと、
前記温度信号に基づいて、前記軸受の故障情報を分析するステップと、
を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の軸受の検出方法。