SE518087C2 - System och förfarande för avkänning av belastningar i ett lager och förfarande för att förutsäga lagerlivslängd - Google Patents

Description

25 30 35 518 087 Av dessa anledningar har ansträngningar att förutsäga rullelementlagers livslängd centrerats kring testandet av lagret som helhet. För att förutsäga lagrets livslängd har exempelvis ett antal likadana lager konventionellt testats för brott, medan man tillämpar respektive varierande rotationshastigheter och anbringade tryck. Konventionella teorier för att förutsäga rullagerelements livslängd har därför sökt att korrelera uppmätbara, yttre faktorer hos lagret, såsom anbringad belastning, temperatur och rotationshastighet etc., med genom experiment bestämda bristningspunkter i lagret.

Ett antal konventionella kraftmätningsanordningar har använts för att bestämma den pà ett lager totalt anbringade kraften. Lechler m.fl. anger i det amerikanska patentet nummer 4 341 122 att den radiella komponenten hos den totalt anbringade kraften pà ett rullelementlager kan uppmätas genom användning av tràdtöjningsgivare. I enlighet med Lechler m.fl. används flera tràdtöjnings- givare för att kompensera för förändringar i temperaturen vid beräkningen av den totala, radiella belastningen.

Likaledes anger Fujita m. fl. i det amerikanska patentet nummer 5 140 849 att första och andra tràdtöjningsgivare kan vara anordnade i ett vinkelrätt förhållande med respektive utgàngssignaler anslutna i en bryggkrets. I enlighet med Fujita m. fl. används en av tràdtöjnings- givarna för att mäta upp pàkänningen, medan en vinkelrät tràdtöjningsgivare ger temperaturkompensation medelst en elektrisk anslutning i bryggkretsen. Konventionella kraftmätningsanordningar för lager har fokuserats på lagret som helhet. Som en konsekvens av detta har konventionella kraftmätningsanordningar ej lyckats att exakt efterlikna de krafter som dynamiskt utövas pà respektive rullelement i lagret vid rotation.

Konventionella kraftmätningsanordningar lider också av den nackdelen, att en belastningszon i ett lager inte exakt kan karakteriseras under drift. 10 15 20 25 30 35 518 087 a | n . ., 3 Det ovanstående illustrerar de begränsningar som är kända att råda i dagens anordningar och förfaranden. Det är sålunda uppenbart, att det skulle vara till fördel att kunna åstadkomma ett alternativ, som är inriktat på att övervinna en eller flera av de begränsningar som angivits ovan. Sålunda har ett lämpligt alternativ ástadkommits, som innefattar de särdrag som närmare beskrivits nedan.

Summering av uppfinningen I en aspekt på uppfinningen har detta förverkligats genom att åstadkomma ett system för att avkänna rull- elements belastningar i ett rullelementlager med ett flertal rullelement anordnade mellan en inre lagerbana och en yttre lagerbana. Ett flertal sensorer är anordnade runt en av den inre lagerbanan och den yttre lagerbanan hos lagret för att utmata sensordata som motsvarar de avkända belastningar som orsakas av rullelementen. Ett flertal anslutningselement är anslutna till respektive av varje av flertalet sensorer för att överföra sensordata och en styrenhet mottar sensordata från flertalet anslutningselement. Lagrets livslängd förutsäges då fràn sensordata.

I en annan aspekt på uppfinningen har nackdelarna hos den kända tekniken övervunnits genom att åstadkomma ett förfarande för att förutsäga lagerlivslängden för ett rullelementlager, innefattande stegen att känna av individuella belastningar som orsakas av ett flertal rullelement i rullelementlagret och att beräkna lagrets livslängd från de individuella belastningar som avkänts i avkånningsläget.

De ovanstående och andra aspekter kommer att bli uppenbara från den följande, detaljerade beskrivningen av uppfinningen i samband med de bifogade ritningsfigurerna.

Kort beskrivning av ritningarna Figur l är en utbruten vy i perspektiv av ett lager- aggregat med rullelement, som innefattar ett flertal n ø n | ., 10 15 20 25 30 35 51 s o s 7 - ï.:= 4 kraftsensorer i enligt med en utföringsform av föreliggande uppfinning; Figur 2A är en snittvy av rullelementlagret längs X-Y-planet i figur l, i vilken sensorerna är anordnade runt lagrets inre lagerbana; Figur 2B är en snittvy av ett rullelementlager enligt en annan utföringsform av föreliggande uppfinning, i vilken sensorerna är anordnade runt ett lagers yttre lagerbana; Figur 3 är en kurva som illustrerar förhållandet mellan ett antal kraftmätande sensorer och fel vid en beräkning av lagrets livslängd; Figur 4 är en kurva som illustrerar sensorutgàngs- signaler vid rullelementens rotation kring ett lager; Figur 5 är ett blockschema över ett system för att avkänna och analysera realtidsdata från ett rullelement- lagers belastningszon; Figur 6 är ett schematiskt diagram över en avkänningsenhet, som används för att avkänna en kraft i ett rullelementlager; Figur 7 (KÃND TEKNIK) är ett flödesschema som illustrerar de steg som erfordras vid konventionell beräkning av lagerlivslängden; Figur 8 är ett flödesschema som illustrerar ett förfarande för att förutsäga ett rullelementlagers lager- livslängd, i enlighet med en utföringsform av före- liggande uppfinning; Figur 9 är ett flödesschema som illustrerar ett förfarande för att förutsäga ett rullelementlagers livslängd, i enlighet med en annan utföringsform av föreliggande uppfinning; Figurerna 10A respektive l0B illustrerar en utbruten vy i perspektiv och en snittvy av ett koniskt rullager med en tillhörande kraftfördelning; Figurerna 11A respektive llB illustrerar en uppmätt lagerpàkänningsfördelning och motsvarande givarplacering; och lO 15 20 25 30 35 Figur 12 illustrerar axiella belastningar, plottade direkt mot den uppmätta spänningen i varje sensor för en sensorkalibreringsprocedur.

Detaljerad beskrivning Med hänvisning nu till ritningarna, och närmare bestämt till figur l, har ett realtidsavkännande system för lagerbelastning och ett livslängden förutsägande system visats. Figur 1 illustrerar ett lageraggregat 30 som innefattar en ihålig spindel 32, vilken roterar med avseende på en bärkonstruktion (ej visad). Den ihåliga spindeln 32 uppbäres av ett lager 34 och ett lager 36.

Såsom ett exempel innefattar lagret 34 en yttre lagerbana 38, en inre lagerbana 40 samt ett flertal rullelement 42.

Ett flertal sensorer 44 är anordnade runt den inre lager- banan 40 för att uppmäta den anbringade belastningen från rullelementen 42. Ett flertal ledande trådar 46 överför uppmätta sensordatautgångssignaler från sensorerna 44 till en styrenhet (ej visad) för efterföljande behandling.

Figur 2A är en snittvy av lagret 34 längs X-Y-planet i figur 1. Såsom illustrerats i figur 2A innefattar lagret 34 sexton rullelement 42, vilka idealiskt är jämnt åtskilda mellan den yttre lagerbanan 38 och den inre lagerbanan 40. Det är uppenbart för fackmannen på området, att antalet rullelement i lagret 34 kommer att variera, beroende på tillämpningen och den avsedda användningen.

I enlighet med den utföringsform som illustreras i figur 2A är sensorerna 44 åtskilda runt den inre lager- banans 40 invändiga periferi. Det har fastslagits, att en direkt motsvarighet mellan varje sensor 44 och varje rullelementet 42 ej erfordras för en noggrann bestämning av belastningsfördelningen. Detta beror delvis på rull- elementens 42 rörelse vid avkänningen av belastnings- fördelningen. 10 15 20 25 30 35 518 087 6 Figur 2B är en snittvy av ett rullelementlager enligt en annan utföringsform av föreliggande uppfinning.

Såsom illustrerats i figur 2B innefattar lagret 34 en inre lagerbana 40 och en yttre lagerbana 38, som uppbär ett flertal rullelement 42. I enlighet med utförings- formen enligt figur 2B är sensorer 45 anordnade runt den yttre lagerbanan 38. Placeringen av sensorer 45 runt den yttre lagerbanan 38 föredrages för de utföringsformer i vilka den yttre lagerbanan förblir stationär med avseende pà en bärkonstruktion och i vilken den inre lagerbanan 40 roterar med avseende pà bärkonstruktionen, varigenom sensorerna 45 lätt kan anslutas till styrenheten 56. För utföringsformer i vilka den inre lagerbanan förblir stationär med avseende pà en bärkonstruktion och i vilka den yttre lagerbanan roterar, föredrages den utförings- form som illustrerats i figur 2A.

I teorin erhålles den mest noggranna beskrivningen av en belastningsfördelning i ett lager genom att man monterar så många sensorer som möjligt pà en lagerbana.

En praktisk övre gräns för antalet monterade sensorer i lagret är emellertid lika med antalet rullelement i lagret, på grund av att varje rullelement, vid beräkningen av lagrets livslängd som anges nedan, hör samman med ett enda belastningsvärde.

Tillräckligt goda uppskattningar av belastningarna på varje rullelement, och sålunda en tillräckligt god uppskattning av livslängden, kan emellertid göras med ett antal sensorer som är färre än antalet rullelement, För varje rullelements position, i vilken ej någon givare finnes, används en interpoleringsrutin för att sluta sig till belastningarna för de sensorer som saknas. I före- liggande utföringsform används en ”kubisk spline” för att bestämma belastningar i de rullelementpositioner i vilka det inte finns någon sensor. Den kubiska spline-tekniken använder mätningar bortom de tvà sensorer som omedelbart grenslar över en position utan sensor och därför ger en bättre uppskattning än vad som skulle kunna erhållas med 10 15 20 25 30 35 518 087 gg-ïz. 7 användning av en linjär interpoleringsrutin, vilken i annat fall är ett genomförbart alternativ. När antalet använda sensorer minskas kommer emellertid felet vid beräkningen av lagerlivslängden, som anges nedan, att öka.

Figur 3 är en kurva över fel vid beräkning av lager- livslängden, baserad på uppmätta data från ett flertal sensorer i ett rullelementlager med trettio rullelement.

För ett lager med trettio rullelement har en beräkning av lagerlivslängden utförts med användning av totalt 2, 3, 4, 6, 8 och 16 sensorer. Såsom illustrerats blir det en dramatisk skillnad i fel, när man använder två sensorer i jämförelse med när man använder tre eller fyra stycken.

Användningen av tre sensorer ger ett fel på ungefär 6%, under det att användningen av fyra sensorer ger ett fel understigande 5%. Användningen av sex sensorer ger ett fel på ungefär 2%, vilket är påtagligt nära ett fel på ungefär 1,5%, som erhålles när man använder åtta sensorer.

Fastän en minimering av felvärdet till 0% föredrages ur ett matematiskt perspektiv har det fastslagits, att ett felvärde understigande 5% ger meningsfulla data. Ett felvärde i området 3% är mer föredraget.

Det är en avsevärd mängd arbete inbegripet för att installera sensorer 44 i ett lageraggregat och att an- sluta motsvarande dataledningar mellan sensorerna och en styrenhet. Den mängd arbete som är inbegripen är direkt proportionell mot antalet använda sensorer. Det har fast- slagits att användningen av åtta sensorer, som är jämnt föredrages. Användningen av åtta jämnt åtskilda sensorer, 45°, 9OÜ l35°, l80°, 225°, 270° och 3l5°, kommer att ge tillräckligt med data för att karakterisera belastningszonen runt åtskilda runt lagret, exempelvis med 0°, lagret. Vidare motsvarar användning av åtta sensorer ett fel på ungefär l,5%, vilket ger meningsfyllda data.

Positioneringen av sensorer runt axeln har en effekt på data och tillförlitligheten vid beräkningen av lager- 10 15 20 25 30 35 n e » | nu 51 s 087 8 livslängden, som anges nedan. I enlighet med en utför- ingsform av föreliggande uppfinning är sensorerna 44 jämnt åtskilda runt lagret 34, såsom illustrerats i figur 2A. I enlighet med en annan utföringsform av föreliggande uppfinning är emellertid sensorerna 44 endast position- (X-axeln) och därunder. Såsom 44b, 44C, 44g och 44h. Under ideala tillstànd kommer belastnings- erade vid lagrets horisont illustrerats i figur 2A används sensorer 44a, zonen för en anbringad, radiell belastning pà lagret 34 att vara fördelad vid horisontalplanet eller därunder.

Positioneringen av sensorerna vid horisontalplanet eller därunder söker sàlunda att förbättra avkänningen av meningsfyllda data och att minimera den mängd arbete som är inbegripen vid installering av sensorerna.

För att ge de mest noggranna data är varje sensor 44 företrädesvis positionerad i en axiell position av ett motsvarande tryckcentrum för varje rullelement 42.

Tryckcentrat är positionerat pà den löpbana i vilken en maximal kraft uppträder, som motsvarar ett rullelement.

Tryckcentrat sammanfaller med rullelementets axiella centrum i cylindriska rullager och radiella rullager, men är förskjutet fràn rullelementets axiella centrum i koniska rullager och vinkelkontaktlager, på grund av _ lagrets kontaktvinkel. När lagret 34 är i vila är sàlunda sensorerna 44 inriktade med rullelementen 42 med avseende pà deras motsvarande tryckcentra.

En belastning som anbringas pà ett axelmonterat lager via en axel överföres till en bärkonstruktion via lagrets inre lagerbana, rullelementen och lagrets yttre lagerbana. Belastningsfördelningen mellan rullelementen bestäms av spelet i lagret, spelet mellan lagret och bärkonstruktionen samt lagrets och bärkonstruktionens form och styvhet.

De belastningar som lagerbanorna utsättes för anbringas pà lagerbanorna av rullelementen vid kontakt- punkterna eller -linjerna mellan rullelementen och lagerbanorna. Dessa belastningar kallas för rullelement- 10 15 20 25 30 35 . u u u u. 518 087 9 belastningar. Dà kontaktvinkeln mellan rullelementet och lagerbanan överstiger 45° sägs lagret vara ett axial- lager, eftersom den primära belastning som upptages av lagret ligger i den axiella riktningen eller tryck- riktningen. Föreliggande uppfinning är lika väl inriktad pà såväl radiallager som axiallager. Om dessa rull- elementbelastningar bestäms genom mätningar, kan den anbringade belastningen pà lagret beräknas genom summering av rullelementbelastningarna som vektorer i området runt lagret. Det vill säga att summan erhålles vid beaktande av vinkelpositionen för varje rullelement i lagret. Rullelementbelastningarna uppdelas i tre inbördes vinkelräta komponenter i den kartesiska rymden, varvid likartade komponenter summeras och storleken och riktningen för den resulterande vektorn bestäms av de tre komponenternas vektorsumma.

Figur 4 är en kurva som illustrerar sensorutgàngs- signaler vid rullelementens 42 rotation kring lagret 34, som illustrerats i figur 2A, med sensorer 45 monterade pà den inre lagerbanan 40. Vid rullelementens rotation ger sensorutgàngssignalen frän varje sensor 44 data som mot- svarar den belastning som utövas i en motsvarande lager- position. I figur 4 motsvarar dalarna 50 en punkt i tiden när ett rullelement passerar förbi en sensorposition. När rullelementet passerar förbi sensorpositionen deformeras den konstruktion som uppbär sensorn elastiskt som svar pá det tryck som utövas fràn det förbipasserande rull- elementet (högre kompression). Sålunda representerar dalarna 50 maximala deformationspunkter för en bär- konstruktion och maximala utgàngssignaler fràn sensorn. Å andra sidan representerar topparna 48 dragspänningspunkt- er när tvà rullelement grenslar över sensorpositionen. En styrenhet (ej visad) är ansluten till ledande trådar 46 och tar därigenom emot elektriska utgàngssignaler från sensorerna 44. I Lagerhastigheten bestäms av rullelementens förbi- passering med hjälp av sensorerna. Varje rullelements 10 15 20 25 30 35 518 08 7 10 förbipassering kännetecknas av en dal, en topp och två noll-korsningar. Det vill säga att spänningsavläsningen för varje rullelements förbipassering rör sig från en dal, genom en noll-korsning uppåt till en efterföljande topp, därefter tillbaka genom en noll-korsning nedåt till nästa dal.

I den föredragna utföringsformen avkännes noll-kors- ningarna uppàt för en vald givare. De kriteria som an- vänds för att välja ut givaren för tidsynkronisering av ett rullelements förbipassering är att den skall vara i där rullelementen I detta fall är en signal tillförlitligt närvarande. Tiden mellan det belastade partiet av lagret, kontinuerligt är i kontakt med lagerbanan. noll-korsningarna uppåt ger rullelementets förbi- passeringshastighet med hjälp av sensorerna på den lager- bana på vilken de år installerade. Innan det avgörs var noll-korsningarna sker kan trådtöjningsgivarnas data filtreras först för att avlägsna frekvenser långt under rullelementens förbipasseringsfrekvens (speciellt noll- frekvenskomponenten, eller förskjutet, såsom det kan vara i data). Denna operation utföres antingen med användning av ett bandpassfilter eller ett högpassfilter. En ekvivalent teknik skulle var att tillhandahålla ett låg- passfilter för signalen och att därefter subtrahera resultatet från den ursprungliga signalen. Vilken som helst metod för att ändamålsenligt avlägsna detta läg- frekvensinnehàll kan utnyttjas för att öka tillförlitlig- heten vid noll-korsningsoperationen.

Efter det att noll-korsningarna uppåt har detekterats upptages den efterföljande toppen och dalen som karakteristiska spänningar för detta rullelements förbipassering. Fastän toppar och dalar direkt skulle kunna detekteras ger användningen av noll-korsningar en mer noggrann och tillförlitlig metod för att lokalisera topparna och dalarna, eftersom denna är mindre känslig för brus och falska värden. 10 15 20 25 30 35 . n n . u. 513 037 ll I enlighet med en föredragen utföringform av före- liggande uppfinning har sensorerna 44 formen av trädtöj- ningsgivare, vilka förändras till sin resistans som svar pà deformation. Sensorerna 44 kan emellertid ha formen av lastceller eller andra typer av sensorer, som är väl kända inom teknikomràdet.

De utgàngssignaler som används i de följande beräkningarna kommer fràn tràdtöjningsgivare, vilka är monterade i en stationär, inre lagerbana och vilka är jämnt fördelade runt den inre lagerbanans radie.

Utgàngssignalerna kommer att variera med förbipasseringen av rullelement genom tràdtöjningsgivare.

I enlighet med en annan utföringsform av före- liggande uppfinning är givarna placerade med en delning med avseende pà motsvarande rullelement. Detta ger simultana avläsningar fràn alla sensorer, men kräver också olika givarplaceringar för lager med olika antal rullelement.

I enlighet med ytterligare en annan utföringsform av uppfinningen är givarna förskjutna från en jämn delning i en bestämd utsträckning, så att alla givarna rapporterar sina mätningar i följd genom en datakanal, fast med mer komplex behandling för att separera topparna och dalarna fràn de data som matas från varje givare. Sålunda kan en hastighetsmätning för lagret fä en förbättrad upplösning och antalet datakanaler som erfordras för att göra avläsningarna frän givarna kan reduceras. I själva verket kan avläsningar göras från alla givarna genom en kanal, även om de finns pà en jämn delning, genom snabb sampling, fastän faktiska toppavläsningar fràn varje givare kan missas för låga samplingshastigheter.

I vilket fall kommer den ovan beskrivna noll-kors- ningstekniken, som används för att tajma rullarnas förbi- passering, att inrymma många givararrangemang. Detta pà grund av att fasskiftningen mellan givarna har eliminerats, när avläsningarna fràn alla givarna under en rullförbipassering antages ske samtidigt som avläsningen 10 15 20 25 30 35 - » | | .- S18 087 - Q ø | o. 12 fràn den givare som valts för hastighetsmätningen. Andra tekniker skulle kunna utnyttjas, i vilka timingen för varje uppmätning registreras exakt och fasförhàllandet mellan givarna bibehälles, men behandlingen blir enklare med användning av den föredragna tekniken och felen be- gränsas till varaktigheten för en rulles förbipassering.

Sàsom anges nedan är varaktigheten för ett rullelements förbipassering mycket liten.

Figur 5 är ett blockschema i ett system 52 för att detektera och analysera realtidsdata fràn en belastnings- zon för ett rullelementlager. Systemet 52 innefattar ett flertal ”n” avkänningsenheter 54, vilka utmatar realtid- sensordata som motsvarar belastningen fràn ett flertal rullelement i rullelementlager. Styrenheten 56 är före- trädesvis en mikroprocessor.

Styrenheten 56 analyserar sensordatautgàngssignaler fràn sensorerna 54 och beräknar belastningsdata som kännetecknar lagrets belastningszon. Belastningsdata visas dà i realtid med hjälp av en belastningsskärm 58.

Styrenheten 56 beräknar också livslängdsdata från sensor- data och förutsäger därigenom lagrets livslängd i real- tid. Styrdata visas av en livslängdsskärm 60. Styrenheten 56 kan dessutom producera diagnostiska data, vilka över- vakar systemets 52 driftstillstànd. Diagnostiska data visas i realtid av en diagnostisk skärm 62.

Figur 6 är ett schematiskt diagram för en av- känningsenhet 54, när sensorn har formen av en tràd- töjningsgivare. Varje avkänningsenhet 54 innefattar en sensor 44, vilken företrädesvis är en tràdtöjningsgivare.

Sensorn 44 har symboliserats i det schematiska diagrammet pà figur 6 som en variabel resistor. Sensorn 44 är dà ansluten till en fjärdedels bryggkrets 43 med resistorer Rl, R2 och R3. Ström matas till bryggkretsen 43 via en strömkälla 64. Fastän en fjärdedels bryggkrets föredrages kan en halv bryggkrets eller en hel bryggkrets också an- vändas med tillkommande tràdtöjningsgivare.

Utgàngssignalen fràn bryggkretsen appliceras därefter på 10 15 20 25 30 35 513 037 Éx-käfi 13 en förstärkare 66 för att höja signalnivàn, vilket gör den mindre känslig för brus. Den resulterande, analogiska signalen ledes därefter genom ett valfritt lágpassfilter 67 och omvandlas till digital form med hjälp av en A/D-omvandlare 68.

Beräkning av lagerlivslängden Konventionellt har beräkningen av lagerlivslängden börjat med uppmätningar av den totala, anbringade be- lastningen pà ett lager och en matematisk manipulation har använts för att beräkna rullelementens belastningar och för att förutsäga lagerlivslängden. Sàsom ett exempel är figur 7 (KÃND TEKNIK) ett flödesschema för en konventionell beräkning av lagerlivslängden. I steget 1 uppskattas eller uppmätes de totala systembelastningarna.

Innan behandlingen börjar, i steg 2, har lagrets och stödets geometri bestämts och uttryckts som matematiska förhållanden. Därefter beräknas, i steg 3, konstruktions- mässiga deflektioner i lagret med användning av finit elementanalys.

Individuella rullbelastningar beräknas därefter i steg 4 genom att man gör en analytisk bestämning av belastningsfördelningen, baserad på lagrets geometri, stödkonstruktionens styvhet, spelet i lagret och spelet mellan lagret och stödkonstruktionen. Ett värde som representerar beräknad belastning för varje rullelement erhålles då. Genom att använda beräknade rullelement- belastningar beräknas därefter, i steg 5, lagerlivs- längden. Den konventionella metoden för att beräkna lagerlivslängden använder emellertid typiskt dimensions- värden, rundhet och styvhet hos lagret och stödkonstrukt- ionen från tillverkningsskrifter eller uppmätningar. Om dessa värden är uppmätta kommer de emellertid ej att innefatta variationer som typiskt uppträder mellan olika installationer. Sàlunda kan fördelningen av den totala belastningen mellan rullelementen ej exakt bestämmas analytiskt pá grund av ett antal faktorer, innefattande 10 15 20 25 30 35 u v v u no « a ~ . u. 518 087 14 deformering av de inre och yttre lagerbanorna och deformationer hos själva rullelementen.

Vidare kan andra konstruktioner i lageraggregatet, såsom en ihàlig spindel, böja ut och därigenom ej karakteristiskt dela upp belastningszonen kring rull- elementen. I korthet gör antalet variabler och skillnader i tillverkningstoleranser mellan till synes identiska lager det ytterst svårt att exakt förutsäga en belastningszon kring ett lager utan ett flertal uppmät- ningar runt lagrets inre eller yttre lagerbanor. Vidare är konventionella metoder för att förutsäga lagerlivs- längden mer lämpade för laboratorieförsök och är därför ej i sig själva lämpade för realtidstillämpningar.

Figur 8 är ett flödesschema för en metod för att förutsäga lagerlivslängd, i enlighet med en utföringsform av föreliggande uppfinning. I enlighet med figur 8, i steg 1, uppmätes rullbelastningar, som motsvarar ett flertal rullelement, direkt från ett rullelementlager. I steg 2 beräknas lagerlivslängden direkt från de uppmätta rullbelastningarna.

Figur 9 är ett flödesschema för en metod för att förutsäga lagerlivslängd, i enlighet med en annan utföringsform av föreliggande uppfinning. Flödesschemat i figur 9 illustrerar också en metod för att karakterisera en lagerbelastningszon.

I steget 1 i figur 9 kalibreras ett flertal sensorer med användning av en kalibreringsprocess. Företrädesvis har sensorerna formen av tràdtöjningsgivare. Sensorerna kan emellertid ha formen av lastceller eller andra som är kända inom teknikomràdet.

I detta steg avkänningsanordningar, I steg 2 bringas lagret att rotera. anbringas arbetstryck pà lagret, om lagret används vid testtillämpningar. Å andra sidan kan lagret bringas att rotera vid faktiskt arbete, exempelvis under lagrets faktiska arbete vid dess avsedda tillämpning. De uppmätta sensorbelastningarna, dvs. spänningarna, mätes då under arbete. 10 15 20 25 30 35 - Q - . u» 518 087 15 I steg 3 extraheras rullarnas förbipassering fràn sensordata för varje sensor som toppar och dalar och en grafisk presentation kan erhållas, exempelvis såsom illustrerats i figur 4.

I steg 4 beräknas de individuella belastnings- komponenterna fràn de extraherade topparna och dalarna i kombination med de kalibreringsfaktorer som beräknats i steg 1. När belastningskomponenterna har beräknats för varje sensor i lagret kan ett antal olika beräkningar göras med användning av belastningskomponentdata_ Baserat pà de belastningskomponentdata som erhållits i steget 4 kan den totala, anbringade systembelastningen beräknas i realtid. Den totala, anbringade systemebelastningen är ofta svär eller till och med omöjlig att erhàlla med användning av konventionella metoder under lagrets faktiska arbete i maskinen.

I steg 5 beräknas X- och Y-kraftkomponenterna, som illustrerats i figur 1, från de individuella belastnings- komponenterna.

I steg 6 summeras de individuella X- och Y-komponenterna frän alla lager i ett system för att bestämma en total, anbringad systembelastning och totala systemmoment. i steg 7, Dessutom kan, lagerlivslängden direkt beräknas från rullelementbelastningarna, som bestämts i steg 4, med användning av de beräknade belastnings- komponenterna.

Kalibreringsprocess Sensorerna i form av tràdtöjningsgivare kalibreras företrädesvis mot ett uppmätt belastningsvärde fràn en representativ lagerinstallation av en speciell dimension som skall övervakas. Denna kalibrering mäste också utföras i samband med anbringandet av en förbelastning under lagerinstallationen.

Under denna kalibreringsprocess måste lagret bringas att rotera för att registrera förändringen i spänning när 10 15 20 25 30 35 518 087 16 rullelementet passerar förbi varje givare. Detta result- erar i en kurva för den anbringade axiella belastningen relativt den uppmätta spänningen för varje givare. En likartad process kan användas för andra typer av sensorer, såsom lastceller.

Kalibreringsprocessen kan utföras med användning av en axiell kraft för en utföringsform av föreliggande upp- finning, som anbringas pá koniska rullager. Figur 10A respektive lOB illustrerar en utbruten vy i perspektiv och en snittvy av en utföringsform av föreliggande uppfinning i form av ett koniskt rullager 70. Detta lager kan antingen vara ett radiallager eller ett axiallager, beroende pà lagrets kontaktvinkel, såsom beskrivs nedan.

Det koniska rullagret 70 innefattar ett flertal rull- element 72, vilka överför rotation mellan en inre lager- bana 74 och en yttre lagerbana 76. Koniska rörlager har förmågan att rotera vid anbringandet av radiella och axiella krafter. På grund av att koniska rullager svarar pà radiella eller axiella krafter kan tryck anbringas axiellt och omvandlas till en kraft i rullarnas riktning.

Sàsom illustrerats i figur lOB kan en kraft som är vinkelrät mot rullelementen Fmmßmmm omvandlas med avseende på FMmm_och Fmwmm.

Under kalibreringsprocessen för koniska rullager bestäms den axiella komponenten av belastningen på varje rulle FMEM att vara lika med den anbringade axiella belastningen dividerad med antalet rullelement. Den an- bringade axiella belastningen omvandlas till rullelement- riktningen Fmmummmn (som definierats som riktningen vinkelrät mot lagerbanan) genom att divideras med sinus för lagerkontaktvinkeln 9, vilken är olika för ett koniskt rullagers inre och yttre lagerbanor. Lagrets kon- vinkel är den vinkel som bildas mellan den inre lager- banans yta och horisontalplanet. Det är denna vinkel som används vid beräkning av rullelementens belastning, när sensorerna är monterade pá den inre lagerbanan eller konen. Lagrets ytterbandvinkel är den vinkel som bildas 10 15 20 25 30 35 C” _; 00 CD CO *J 17 mellan den yttre lagerbanans yta och horisontalplanet.

Det är denna vinkel som används vid beräkningen av rullelementens belastning, när sensorer är monterade på den yttre lagerbanan eller ytterbandet.

Figur 12 illustrerar axiella belastningar på varje sensor plottade direkt mot uppmätt spänning för varje sensor, när den axiella kraften Fmmm ökar. Detta resulterar i en serie kurvor, dvs. belastnings/spännings- kurvor, som representerar den axiella belastningen FNumL gentemot uppmätt spänning för varje sensor.

Belastnings/spännings-kurvan skall vara likadan för varje sensor. För att förenkla beräkningar för kalibrerings- ändamål kan alla belastnings/spännings-kurvor åskådlig- göras av en enda linje med en lutning, som är lika stor som ett medelvärde för de individuella lutningarna hos belastnings/spännings-kurvorna. Denna lutning används då som kalibreringsfaktor vid kalibrering av rullelementens belastning, såsom beskrivits nedan.

Kalibreringsprocessen kommer att variera beroende på den av typ av lager som används. Slutresultatet av kalibreringsprocessen för olika typer av lager kommer emellertid att vara en kalibreringsfaktor (antingen linjär eller icke-linjär), som symboliserar förhållandet mellan rullelementens belastning Fummloch den uppmätta spänningen.

Bestämning av lagerlivslängden De algebraiska tecknen för spänning, som diskuteras nedan, följer standardkonventionen för dragspänning, positiv, och kompressionsspänning, negativ. Vid lagrets arbete uppmätes ringspänningar av varje sensor.

Resulterande data är cykliska och har en frekvens som är lika med antalet förbipasseringar för varje rullelement med avseende på varje sensor.

Med sensorerna monterade på den inre lagerbanan uppträder de värden som registreras när ett rullelement passerar förbi varje sensor som punkter för relativ, 10 15 20 25 30 35 :man nu u nun- n uno» 18 maximal negativ spänning eller relativ, minimal positiv spänning (högre komprimering). De värden som registreras när två rullelement grenslar över varje sensor uppträder som relativ, maximal positiv spänning eller relativ, Med sensorerna monterade pà den yttre lagerbanan uppträder de minimal negativ spänning (högre dragspänning). värden som registreras när ett rullelement passerar förbi varje sensor som punkter för relativ, maximal positiv spänning eller relativ, minimal negativ spänning (högre dragspänning). De värden som registreras när två rull- element grenslar över varje sensor uppträder som relativ, maximal negativ spänning eller relativ, minimal positiv spänning (högre komprimering).

Med sensorerna monterade pà den inre lagerbanan motsvarar punkterna för relativ, maximal positiv spänning eller relativ, minimal negativ spänning *toppar* hos den registrerade vàgformen i figur 4 och representerar den inre lagerbanans reaktion pà den anbringade belastningen i lagret. Punkter för relativ, maximal negativ spänning eller relativ, minimal positiv spänning motsvarar *dalar* hos den registrerade vàgformen i figur 4 och represent- erar spänningen pà grund av belastningen fràn rull- elementen som passerar över givaren, utöver reaktionen pà belastningen från andra rullelement, såsom beskrivits ovan. Därför är spänningen på grund av rullelementets belastning ensamt skillnaden mellan vàgformens dalar och toppar. Detta har kallats rullelementets ringspänning.

Den ekvivalenta rullelementsbelastningen för varje registrerat spänningsvärde erhålles genom att man multiplicerar rullelementets ringspänning varje gäng, samplat med den kalibreringsfaktor som bestämts vid kalibreringsprocessen. Denna uppdelas i horisontella och vertikala komponenter vid tràdtöjningsgivarens vinkel- position pä lagerbanan. Genom att summera likartade komponenter över alla givare pà varje lagerbana, och därefter räkna fram storleken och vinkeln för den 10 15 20 25 30 35 a o n o av al! lll I I II :I z Q Ip ll OI UU I ' I II OI I i Il I Û n. n. u . u. n.. v g v I t I O I I i I n u o g nu »n I D I I O' 19 resulterande vektorn, bestäms den totala belastning som anbringats på systemet.

I ett par motsatta lager i ett komplementärt arrangemang, såsom i lager för lastbilshjul, är summan av de vertikala belastningskomponenterna den totala, anbringade radiella belastningen. Summan av de horisontella komponenterna i förflyttningsriktningen är framdrivningsbelastningen. Summan av de horisontella komponenterna i den axiella riktningen (av motsatt tecken för varje lager pà grund av deras orientering) är den axiella belastningen.

Rullmomentet är produkten av den vertikala komponenten och avståndet från varje lagerbanas belastningscentrum till belastningens anbringningspunkt.

Girmomentet är produkten av den horisontella komponenten i förflyttningsriktningen och avståndet fràn varje lager- banas belastningscentrum till belastningens anbringnings- punkt. Systemet tar ej upp något moment kring lageraxeln pà grund av dess rotation.

Detaljerade beräkningar Sensordata ledes igenom làgpassfiltret 67, sàsom illustrerats i figur 6, för att eliminera varje felaktig avläsning. Làgpassfiltret 67 kan emellertid aktiveras av styrenheten 56, efter det att sensordata har omvandlats till digital form. Dessutom kan sensordata ledas igenom làgpassfiltret 67 och därefter utsättas för ytterligare konditionering av ett digitalfilter i styrenheten 56.

Efter det att sensordatasignalen har konditionerats extraheras *topparna* och *dalarna* med användning av en topputpekande algoritm medelst styrenheten 56.

Belastningen pà varje rullelement och dess axiella samt radiella komponenter har därefter beräknats för en utföringform av koniska rullager enligt följande: För det första omvandlas spänningsavläsningarna till ekvivalenta axiella belastningar med användning av den 10 15 20 25 30 35 51 s os? 20 lutning som beräknats under den ovan beskrivna kalibreringsprocessen.

Faxij = där Faxfi = Spänningü spänningü / N * a belastningens axiella komponent för det jzte rullelementet under den izte tidsampeln uppmätt värde pà spänningen vid det jzte rullelementet under den i:te sampeln (u s) antalet rullelement kalibreringsfaktorn för att omvandla spänningsavläsningar till axiella belastningar (pund/u 8) Därefter omvandlas belastningens axiella komponenter till radiella komponenter och rullelementkomponenter med användning av lagrets kontaktvinkel. Variabler som hänför sig till individuella samplar har designerats med i och variabler som hänför sig till individuella rullelement har även designerats med f Fradü Frullelementü där Fradü Frullelementü = Faxü / tgy = Faxü / siny = lagrets kontaktvinkel = belastningens radiella komponent för det jzte rullelementet under den izte tidsampeln = belastningen pà det j:te rullelementet under den izte tidsampeln. 10 15 20 25 30 - » -.unna . ao .oo- . . 1 51 3 0 3 7 21 Den radiella komponenten uppdelas vidare i x- och y-komponenter i lagrets plan enligt följande: (Fradfi)x = Fradü 0 cosvj (Fradü)x = Fradü 0 cosvj där W = det jzte rullelementets vinkel i vertikalplanet.

Den totala belastningen på lagret i vertikalriktningen och i förflyttningsriktningen är respektive x- och y-komponenter, summerade över de n rullelementen. I en utföringsform med tvä lager för en enda axel, dvs. ett inre lager (IB) och ett yttre lager (OB), summeras den totala belastningen på lagret dessutom över de båda lagren enligt följande: Fx, (FradgxJß +[:(Ffad,,)x j= j: Fy, (Frad, )y J” + (Fram, LJ” j=1 j=1 Den tredje komponenten i den kartesiska rymden finns i den axiella riktningen, där kraften definierats ovan som den uppmätta spänningen dividerad med kalibrerings- faktorn. Dessa krafter har summerats över rullelementen för sàväl de inre som de yttre lagren för att komma fram till den axiella komponenten av den anbringade belastningen: Fz, =|kïFaxüJ +IkÉFaxüJ j=1 j=1 IB OB Den totala kraftvektorn blir då resultanten av dessa tre komponenter, vilkas storlek och riktningar har definierats som: 518 087 22 |ß|=,Häf-+Pyf+PEf F. vinkelli = tg_' Fx 5 F. vinkel2, = tg_'(-Xf-) FÄ där : vinkelli = kraftvektorns vinkel i vertikal- 10 (x-y)-planet för den izte tidsampeln vinkel2i = kraftvektorns vinkel i horisontal- (y-z)-planet för den izte tidsampeln 15 Beräkning av lagerlivslängden I enlighet med en utföringsform av föreliggande uppfinning beräknas lagerlivslàngden för rullelementlager vid varje tidsampel enligt följande: 20 livslängd, = {lzastígheti} apacltet K II Z F rullélenzerztÜ FI där: livslängdi den uppskattade livslängden för det l. izte tidsteget (timmar) lagrets rotationshastighet vid den 25 hastigheti izte tidsampeln den totala lagerkapaciteten kapacitet 30 3 för kullager, 10/3 för rullager *Ö U 10 15 20 25 30 35 518 087 - u o o :o 23 porportionalitetskonstant Detta är en förutsägelse om hur länge lagret kommer att räcka om de tillstànd som uppträder vid varje tid- sampel skulle fortsätta till dess att ett lagerbrott uppträder.

Varje tidsampel behandlas dä som en separat uppsättning arbetstillstånd och adderas enligt följande: Lmlivslängd = 1 I z (1 / livslängdi) l=l under förutsättning att tiden mellan varje sampel är densamma, där: P1 = procent av tiden som lagret arbetar i det i:te arbetstillständet livslängdi = uppskattad Lwlivslängd för den i:te sampeln t = antalet tidsamplar Det beräknade värdet för den uppskattade livslängden under varje tidsampel rapporteras direkt för att förse användaren med en indikator pà påfrestningarna vid lagrets drift i realtid. Det beräknade värdet multi- pliceras därefter med tidsvaraktigheten för den anbringa- de belastningen och summeras iterativt för att ge en uppskattning av lagrets förbrukade, teoretiska livslängd.

Detta rapporteras till användaren för att identifiera behovet av lagerservice.

Temperaturkompensation Sensorerna 44 har företrädesvis formen av tràdtöj- ningsgivare, vilka svarar pà förändringar i temperaturen.

Tràdtöjningsgivarna tillverkas konventionellt genom att binda en tunn metallremsa vid en polymerfilm. 10 15 20 25 30 35 518 087 24 Polymerfilmen klistras därefter fast pà en yta för mätning av töjningen. Innan töjningen anbringas bringas en elektrisk ström att passera igenom givaren och den elektriska resistansen uppmätes. Vid anbringadet av en belastning på tràdtöjningsgivaren deformeras metallremsan fysiskt tillsammans med anbringningsytan. När metallen deformeras fysiskt förändras den elektriska resistansen och förändringen i resistans omvandlas till spänning. En tràdtöjningsgivares givarfaktor (gauge factor, ”GF”) är sàsom följer: G$¿:ê§l§ I AR/R AL/ L spänning där: GF = givarfaktor AR = förändring i tràdtöjningsgivarens resistans R = tràdtöjningsgivarens resistans vid omgivningstemperatur AL = förändring i tràdtöjningsgivarens fysiska längd L = tràdtöjningsgivarens längd vid omgivningstemperatur Spänning = AL/L Med andra ord kan en förändring i spänning i prov- exemplaret unikt bestämmas genom uppmätning av resistans- förändringen i givaren.

Temperaturens inverkan pà noggrannheten i de ovan nämnda beräkningarna kan generellt anses vara försumbar.

Temperaturens inverkan har ansetts vara försumbar, pà grund av att föreliggande tràdtöjningsgivare mäter en såsom illustrerats i figur 4, i Sålunda har de linjära temperatureffekterna pà tràdtöjningsgivaren förändring i spänningen, stället för den absoluta spänningen. eliminerats genom subtraktion. Icke-linjära temperatur- 10 15 20 25 30 35 51 s os 7 šïï**§;§*§§2- 25 effekter har vidare ansetts vara försumbara, pä grund av relativt små förändringar i temperaturen då lagret har stabiliserats till en arbetstemperatur. Den tunna metall- remsans elektriska resistans kommer emellertid också att förändras som svar pà en förändring av temperaturen.

Icke desto mindre har ett flertal metoder använts för att àstadkomma temperaturkompensation, sä att be- räkningarnas noggrannhet kan förbättras. I enlighet med en utföringsform av uppfinningen justeras lagersystemet för temperaturen, genom att man först registrerar tràd- töjningsgivarnas utgàngssignaler under ett ”icke- belastning”-tillstànd medan temperaturen varieras.

Tràdtöjningsgivarens utgängsresistans registreras då för ett flertal förbestämda temperaturintervall. Utgångs- resistansen refereras till som ”uppenbar spänning” och värdena lagras i en uppslagningstabell för senare framtagande.

Under lagersystemets arbete under ett belastnings- tillstànd uppmätes temperaturens motständskomponent till- sammans med spänningens motstàndskomponent. Med andra ord innefattar den spänning som utmatas fràn givaren den faktiska spänningen plus uppenbar spänning (pà grund av temperaturen). Vid denna föreningspunkt (juncture) kan lagrets faktiska temperatur uppmätas och den uppenbara spänningen, som motsvarar den uppmätta temperaturen, kan bestämmas från en uppslagningstabell. Uppslagnings- funktionen kan utföras manuellt och data justeras därefter. Å andra sidan kan styrenheten 56 utföra uppslagningsfunktionen via mjukvara. Denna form av temperaturkompensation hänföres till som intelligent temperaturkompensation. För att komma fram till den faktiska spänningen subtraheras sålunda den uppenbara spänningen från den totala uppmätta spänningen enligt följande: Spänningfaktisk = spänni nguppmått nguppenbar 10 15 20 25 30 35 518 087 26 En annan form av temperaturkompensation kan användas genom att man monterar en andra trådtöjningsgivare på en icke belastningsupptagande, temperaturkänslig position. I detta hänseende skall den andra trådtöjningsgivaren placeras så nära intill den första trådtöjningsgivaren, att den till sin temperatur förändras motsvarande. Den andra trádtöjningsgivaren kan vara placerad i en icke belastningsupptagande position genom att man helt enkelt vrider givaren 90 grader från den första trådtöjnings- givaren. Den andra trådtöjningsgivarens utgång anslutes då i positionen X, såsom indikerats i bryggkretsen enligt figur 6.

Eftersom beräkningen av lagrets belastning och livs- längd härrör från skillnaden mellan maximala och minimala spänningen (vilka är de mätningar som registrerats när rullelementet passerar över trådtöjningsgivaren) kommer temperatureffekterna på givarens resistans ej att införas i resultatet. Detta pà grund av att temperaturen ej för- ändras väsentligt mellan dessa två avläsningar, eftersom rullelementet passerar över givaren under en mycket kort tidsperiod (exempelvis för ett lager med tjugo rull- element som roterar på en axel med 120 varv per minut blir tiden från det att ett rullelement passerar förbi till dess att nästa gör detta längs den inre lagerbanan ungefär femtio millisekunder). Detta har beräknats som axelhastigheten dividerad med antalet rullelement gånger en faktor som är ungefär lika med 0,6 för de flesta lager. Denna multipliceringsfaktor varierar med lagrets geometri och är ungefär lika med 0,4 för lagrets yttre lagerbana. Det erfordras att man vid beräkningen tar med skillnaden mellan rullelementens hastighet på den inre lagerbanan och rullelementens hastighet på den yttre lagerbanan i förhållande till hastigheten hos den ena lagerbanan relativt den andra.

Det finns emellertid en liten förändring i givar- faktorn (gauge factor) med temperaturen, som kommer att påverka mätresultaten. Givarfaktorns känslighet för 10 15 20 25 30 35 I n - o un 518 087 27 temperaturen är emellertid sä liten att den typiskt kan försummas. Exempelvis anger Vishay Measurements Group Catalog 500 att variationer i givarfaktorn för en temperaturökning pà l75°F (fràn 75°F till 250°F) är ungefär en procent. I praktiken har det befunnits, att temperaturen ökar i storleksordningen 30°F vid lagrens arbete i enlighet med föreliggande uppfinning. Detta omvandlas till en effekt pà 0,16 procent. Om mätningar med hög noggrannhet emellertid skall göras kan felet elimineras, såsom angivits ovan, genom att man använder en uppslagningstabell som innehåller variationer i givar- faktorn med temperaturen.

Smörjningskorrigering Förutsägelsen av lagerlivslängden, som angivits ovan, kan ytterligare justeras för smörjningen. En smörjningsfaktor för korrigering av lagerlivslängdens storlek kommer att vara beroende på ett antal faktorer och variera med avseende pà den typ av smörjmedel som är införlivad. De flesta smörjmedel för friktionslösa lager kommer att ha en effekt pà lagerlivslängden som är proportionell mot fluidens viskositet, varvid fluidens viskositet är beroende pà temperaturen. Sàlunda kan lagerlivslängdens ekvation, som angivits ovan, korrigeras i enlighet med en uppslagningstabell pà samma sätt som uppslagningstabellen för tràdtöjningsgivare, som angivits ovan med avseende pä temperaturen.

Förbelastningsövervakning Förbelastningen i lagret bestäms av ett antal faktorer, vilka alla hänger samman med det inre spelet i lagret. Med andra ord hänger förbelastningens storlek samman med det fysiska utrymme som bestämts för rull- elementen mellan de inre och yttre lagerbanorna.

Förbelastningen anbringas generellt pà lagret genom att lagrets inre och yttre lagerbanor förskjutes i förhåll- ande till varandra, vilket minskar det inre spelet. 10 15 20 25 30 35 518 087 28 Storleken pà förbelastningen som har anbringats pä lagret övervakas generellt genom att man mäter upp den axiella kraft som erfordras för att åstadkomma denna förskjut- ning. Denna teknik är emellertid oexakt, pà grund av att förhållandet mellan den anbringade kraften och förskjut- ningen ej är linjärt. Ett antal faktorer påverkar förbelastningen enligt följande: 1. När det inre spelet i lagret ökar blir systemet styvare, vilket innebär att en ökning av belastningen resulterar i en mindre ökning av förskjutningen; 2. När diametern pä lagrets inre lagerbana minskar till den punkt där den börjar att bringas i kontakt med axeln och diametern på den yttre lagerbanan expanderar till den punkt där den bringas i kontakt med huset blir systemet ännu styvare, på grund av det tillkommande stödet fràn konstruktionen; och 3. När den inre lagerbanan börjat bringas i kontakt med axeln utvecklas en friktionskraft mellan den inre lagerbanans borrning och axeln, så att all den kraft som anbringas pà lagret ej längre gär åt för att förskjuta denna relativt den yttre lagerbanan. En analog situation räder dä den yttre lagerbanan blir omplacerad relativt den inre lagerbanan när förbelastningen anbringas.

De ovannämnda effekterna blir uppenbara när spänningen uppmätes i lagerbanorna.

Med hänvisning till figur 12 har de ovannämnda effekterna blivit uppenbara, när spänningen uppmäts i lagerbanan. Det skall observeras att förändringarna i lutning beror pà ökningen av styvhet och friktionskrafter i systemet. Det blir därför ganska uppenbart att lagrets spänning ej ökar proportionellt med belastningen. Den konventionella metoden för att beräkna lagrets belastning, som angivits ovan med avseende på figur 7, inför sålunda väsentliga fel.

Pá grund av att förhållandet mellan den anbringade axiella kraften och lagrets spel ej är linjärt ger den uppmätta spänningen en bättre indikation pä förbelastning 10 15 20 25 30 35 « . - | n» 518 087 29 än den anbringade axiella kraften. Med andra ord kan, genom uppmätning av rullelementens belastning i lagret, lagret förbelastas till ett värde på rullelementens belastning i stället för till ett värde pä den anbringade axiella belastningen.

Ytterligare övervakningsinformation Det ovan beskrivna systemet ger en utgängssignal för de anbringade belastningarna pä lagret, belastningarna på de individuella rullelementen och lagrets uppskattade livslängd. Emellertid är andra utdata tillgängliga såväl som annan information som kan härröras från den ovan- nämnda informationen enligt följande.

En yttre belastning kan lätt bestämmas genom före- liggande uppfinning. Rullelementens belastningar beräknas med ändamålet att bestämma lagrets livslängd. De yttre belastningarna kan emellertid beräknas från summan av ett flertal lager (i ett flerlagersystem) genom att man summerar koordinatkomponenterna Fx, Fy och Fz. Dessutom kan momenten beräknas frän skillnaden hos dessa komponenter gånger avståndet mellan lagren. Det känne- tecknande hos den yttre belastningen pà lagren kan användas för en mångfald ändamål. I exempelvis ett fordon med lager installerade i hjulen kommer den totala summan i vertikal riktning att vara en indikation pà fordonets vikt. Detta skulle kunna eliminera behovet av att väga lastbärande fordon pá vägen. Ett andra exempel hänför sig till industriell tillämpning. Den totala belastnings- vektorn och -momenten skulle kunna användas för att diagnostisera utrustningsproblem eller att göra process- förbättringar (exempelvis styra ràmaterialtjockleken i valsverk). Ytterligare tillämpningar innefattar övervakning av den mängd arbete som utförs av en maskin (exempelvis övervaka antalet spolar som matas ut genom en fabrik eller maskinens belastnings/hastighets-historia för att schemalägga underhåll). 10 fl5 20 25 30 35 o o u n o 4 nu 518 087 30 Den ovannämnda informationen kan vidare användas för att karakterisera belastningsfördelningen.

Karakteriseringen av belastningsfördelningen kan användas för att bestämma konstruktionen som uppbär lagret.

Detekteringen av flertalet belastningszoner skulle exempelvis kunna indikera en svag stödkonstruktion; variationer i belastningszonens form bland likartat belastade lager skulle kunna indikera att ett hus eller en axel har utvecklat en orundhet eller ett tillstànd med stort spel.

Rullelementens kondition kan emellertid bestämmas under arbete. En bestämning av de individuella rull- elementen inuti lagret kan göras genom att man sorterar de spänningsdata som samlats upp från varje rullelement och observerar skillnaderna mellan dessa. Ett flertal samplar, som samlats pà samma rullelement, kan man ta medelvärdet av för att förbättra tillförlitligheten hos uppskattningen. Observationer frän flera tràdtöjnings- givare kan vidare förbättra uppskattningen, fastän dessa måste förskjutas i tid för att direkt ligga över varandra. Exempelvis, och såsom illustrerats i figur 11A, kan en plot över medelvärden för flera givaravläsningar fràn varje rullelement göras. Det är uppenbart fràn kurvan i figur 11A att det finns en stor skillnad i 1, 2 eller 3 rullelement från resten av rullelementen, såsom är uppenbart från varje givare. Fastän spikarna i de data som hör samman med rullelementen inte är inriktade med varandra, om de skulle förskjutas sålunda för att positionera givaren pà lagerbanan, skulle data falla direkt ovanpà varandra. Detta ger ett bevis pà att ett rullelement kan vara i behov av reparation eller utbyte.

En likartad process skulle kunna användas för att upp- skatta konditionen pà lagerbanan motsatt den pà vilken belastningarna uppmätes. Dessutom kan en övervakande funktion åstadkommas för att räkna uppträdandet av rull- elementbelastningar som överstiger ett förbestämt 10 15 20 25 30 v ~ ; n . nu 518 087 31 tröskelvärde. På detta sätt kan potentiellt skadande händelser identifieras vid tidpunkten för deras uppkomst.

Batchberäkninqar gentemot realtidsberäkninqar Föreliggande uppfinning kan användas för att beräkna rullelementbelastningar och lagerlivslängd som en enda uppsättning beräkningar för en enskild händelse (eller serie av händelser) med begränsad varaktighet eller kontinuerligt för en ej begränsad varaktighet. Om beräk- ningen utföres pà enskilda händelser med begränsad var- aktighet anses detta vara en batchberäkning. Även fastän lagerbelastningarna och den förutsagda livslängden har beräknats för varje tidsampel införes alla data i styr- enheten pà en gäng och beräkningen utföres endast pä de samplar som tillhandahálles. Alla resultat utmatas där- efter från styrenheten pà en gäng.

Om beräkningen utföres kontinuerligt sägs den ske i realtid. För en realtidsberäkning inmatas en uppsättning avläsningar fràn varje sensor i styrorganet så snart som de blir tillgängliga. Beräkningen utföres dä med använd- ning endast av denna uppsättning avläsningar tillsammans med tidigare avläsningar. Resultaten utmatas då innan nästa uppsättning samplar blir tillgängliga. Pâ detta sätt utmatas en kontinuerlig ström resultat fràn styr- organet så länge som lagret är i arbete.

Det ovanstående skall endast anses vara illustrativt för uppfinningens principer och eftersom ett flertal modifikationer och förändringar lätt kan inses av fack- mannen pà omràdet är det inte någon önskan att begränsa uppfinningen till den exakta konstruktion och det arbete som visats och beskrivits och sålunda kan alla lämpliga modifikationer och ekvivalenter underordnas eller falla inom skyddsomfànget för de bifogade patentkraven. u o n o v:

Claims (34)

10 15 20 25 30 35 | - ø | .o 518 087 32 P A T E N T K R A V

1. System för att avkänna rullelementbelastningar i ett rullelementlager (34) med ett flertal rullelement (42) anordnade mellan en inre lagerbana (40) och en yttre lagerbana (38), k ä n n e t e c k n a t av det innefat- tar: ett flertal sensorer (44 eller 45) som är anordnade (34) (40) (38) för att utmata sensordata som mot- runt den ena av lagrets inre lagerbana och dess yttre lagerbana svarar avkända belastningar, som orsakas av rullelementen (42): ett flertal anslutningselement som respektive är an- slutna till var och en av nämnda flertal sensorer (44 eller 45) en styrenhet (56) för att mottaga sensordata från för att överföra sensordata; och nämnda flertal anslutningselement, varvid styrenheten (56) som motsvarar var och en av sensorerna (34) förutsäga lagerlivslängden fràn de beräknade belastnings- är anordnad att beräkna de belastningskomponenter (44 eller 45) i rullelementlagret fràn mottagna sensordata och att komponenterna.

2. System för att avkänna rullelementbelastningar enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda flertal sensorer (44 eller 45) är jämnt fördelade runt lagrets (34) ena lagerbana (38 eller 40).

3. System för att avkänna rullelementbelastningar enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a t av att varje sensor (44 eller 45) radiellt är inriktad med mot- svarande rullelement (42) längs en radiell linje, som sträcker sig från lagrets centrala axel genom det motsva- rande rullelement när lagret (34) är i vila, så att sen- sordata samtidigt överföres fràn var och en av nämnda flertal sensorer i realtid när lagret är i rörelse.

4. System för att avkänna rullelementbelastningar att enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t av (44 eller 45) är radiellt inriktad med mot- varje sensor » ø I | n 10 15 20 25 30 35 518 087 33 (42) sträcker sig fràn lagrets centrala axel genom det motsva- svarande rullelement längs en radiell linje, som rande rullelementet när lagret (34) är i vila, så att sensordata samtidigt överföres frän var och en av nämnda flertal sensorer i realtid när lagret är i rörelse.

5. System för att avkänna rullelementbelastningar enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda flertal sensorer innefattar tre sensorer som är anordnade i respektive positioner pà 90°, l80° och 270° från en radiell linje som sträcker sig uppåt fràn lagrets (34) centrum.

6. System för att avkänna rullelementbelastningar enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda flertal sensorer (44 eller 45) (44e eller 45e), position pà O° längs den uppàt sig sträckande linjen. vidare innefattar en fjärde sensor som är anordnad i en

7. System för att avkänna rullelementbelastningar enligt patentkravet 6, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda flertal sensorer (44 eller 45) vidare innefattar femte (44d eller 45d), (44b eller 45b), (44h eller 45h) och àttonde (44f eller 45f) är anordnade i respektive positioner pà 45°, l35°, 225° och 315°.

8. System för att avkänna rullelementbelastningar sjätte sjunde SenSOreI' , SOm enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t av att (44 eller 45) sensorer, vilka är jämnt fördelade runt lagrets ena la- gerbana (38 eller 40).

9. System för att avkänna rullelementbelastningar att nämnda flertal sensorer innefattar åtta k ä n n e t e c k n a t av (44 eller 45) sorer, vilka är jämnt fördelade runt ett parti av lagrets (34) (38 eller 40).

10. System för att avkänna rullelementbelastningar enligt patentkravet l, nämnda flertal sensorer innefattar fem sen- ena lagerbana enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att sensordata innefattar hastighetsdata som motsvarar en uppmätt rotationshastighet hos lagret (34) och att nämnda 10 l5 20 25 30 35 518 087 34 styrenhet (56) beräknar lagerlivslängden med användning av uppmätta hastighetsdata.

11. System för att avkänna rullelementbelastningar enligt patentkravet 10, k ä n n e t e c k n a t av att det vidare innefattar: en temperaturmätningsenhet för att mäta lager- temperaturen vid lagrets (34) rotation, varvid styrenheten (56) beräknar lagerlivslängden med användning av uppmätt lagertemperatur, sensordata och uppmätt lagerhastighet.

12. System för att avkänna rullelementbelastningar enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att i nämnda styrenhet (56) bestämmer en belastningszon hos lagret (34) i realtid fràn sensordata.

13. System för att avkänna rullelementbelastningar i ett rullelementlager (34) med ett flertal rullelement (42) (40) lagerbana av att det in- anordnade mellan en inre lagerbana och en yttre (38), k ä n n e t e c k n a t nefattar: ett flertal sensorer (44 eller 45) som är anordnade (34) för att utmata sensordata som mot- runt den ena av lagrets inre lagerbana (40) och dess yttre lagerbana (38) svarar avkända belastningar fràn rullelementen (42); ett flertal anslutningselement som respektive är an- slutna till var och en av nämnda flertal sensorer (44 eller 45) en styrenhet för att överföra sensordata; och (56) nämnda flertal anslutningselement, varvid styrenheten (56) som motsvarar var och en av sensorerna (34) bestämma en belastningszon hos lagret (34) för att mottaga sensordata fràn är anordnad att beräkna de belastningskomponenter (44 eller 45) i fràn mottagna sensordata, och att från de beräk- rullelementlagret nade belastningskomponenterna_

14. System för avkänning enligt patentkravet 13, (56) belastningszon i av att styrenheten mottar (34) k ä n n e t e c k n a t sensordata och bestämmer lagrets realtid. 10 15 20 25 30 35 u v o a u a n 518 087 35

15. System för att avkänna rullelementbelastningar i ett rullelementlager (34) med ett flertal rullelement (42) anordnade mellan en inre lagerbana (40) och en yttre lagerbana (38), k ä n n e t e c k n a t av att det in- nefattar: (54) för att avkänna individuella belast- ningar som motsvarar nämnda flertal rullelement (34); organ organ för att beräkna belastningskomponenter som motsvarar var och en av de avkända individuella belast- (34): organ för att uppmäta lagerhastigheten vid lagrets ningarna i rullelementlagret rotation; och organ för att beräkna lagerlivslängden fràn de indi- viduellt beräknade belastningskomponenterna och den upp- mätta lagerhastigheten i realtid.

16. System enligt patentkravet 15, k ä n n e - (54) innefattar en tràdtöjningsgivare i en bryggkrets, som ut- t e c k n a t av att nämnda avkänningsorgan vidare matar sensordata för individuella belastningar fràn nämn- (34).

17. System enligt patentkravet 15, k ä n n e- (54) ett flertal sensorer (44 eller 45), vilka är jämnt förde- (40) dess yttre lagerbana (38), sä att varje sensor är inrik- (42) linje, som sträcker sig fràn lagrets (34) centrala axel da flertal rullelement t e c k n a t av att avkänningsorganet innefattar lade runt den ena av lagrets inre lagerbana eller tad med motsvarande rullelement längs en radiell genom det motsvarande rullelementet när lagret är i vila.

18. System för att avkänna rullelementbelastningar enligt patentkravet 17, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda flertal sensorer (44 eller 45) innefattar fem sen- sorer, vilka är jämnt fördelade runt ett parti av lagrets (34) lagerbana (38 eller 40).

19. System för att avkänna rullelementbelastningar enligt patentkravet 17, k ä n n e t e c k n a t av att (44 eller 45) sensorer, vilka är jämnt fördelade runt den ena av lag- nämnda flertal sensorer innefattar åtta 10 15 20 25 30 35 . . | | en 518 087 36 rets (34) inre lagerbana (40) och dess yttre lagerbana (38).

20. System för att avkänna rullelementbelastningar enligt patentkravet 15, k ä n n e t e c k n a t av att det vidare innefattar: organ för att inmata kapacitetsdata, sä att nämnda beräkningsorgan beräknar lagerlivslängden fràn de indivi- duella belastningarna, uppmätt lagerhastighet och inmata- de kapacitetsdata i realtid.

21. System för att avkänna rullelementbelastningar enligt patentkravet 15, k ä n n e t e c k n a t av att beräkningsorganet bestämmer en belastningszon hos lagret (34) i realtid fràn de individuella belastningarna och den uppmätta lagerhastigheten.

22. Förfarande för att förutsäga lagerlivslängd i (34) , att det innefattar stegen: ett rullelementlager k ä n n e t e c k n a t av att avkänna individuella belastningar som orsakas av ett flertal rullelement (42) (34); att beräkna individuella belastningskomponenter som i rullelementlagret motsvarar var och en av de avkända individuella belast- (34); att mäta lagerhastigheten vid lagrets ningarna i rullelementlagret (34) rotation; och att beräkna lagerlivslängden frän de beräknade indi- viduella belastningskomponenterna och den uppmätta lager- hastigheten.

23. Förfarande för att bestämma en belastningszon i ett rullelementlager, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar stegen: att avkänna individuella belastningar pà ett flertal (42) (34); att beräkna individuella belastningskomponenter som av rullelementen i rullelementlagret och motsvarar var och en av de avkända individuella belast- (34); att beräkna en belastningszon fràn de individuella ningarna i rullelementlagret och belastningar som avkänts i nämnda avkänningssteg. 10 15 20 25 30 35 51 a o s 7 - - ~" 37

24. Förfarande för att beräkna belastnings- komponenter i ett rullelementlager (34),k ä n n e- t e c k n a t av att det innefattar stegen: att kalibrera ett flertal sensorer (44 eller 45), (34) inre lager- för att fast- som är anordnade runt den ena av lagrets bana (40) och dess yttre lagerbana (38), ställa ett förhållande mellan rullelementbelastningen och uppmätt spänning; att mäta sensordata från nämnda flertal sensorer (44 eller 45) att beräkna belastningskomponenter som motsvarar var (44 eller 45) (34), för att därigenom karakterisera en belastningszon hos lagret. vid lagrets rotation; och och en av sensorerna i lagret

25. Förfarande för att beräkna belastningskomponent- (34) att det vidare innefattar er i ett rullelementlager enligt patentkravet 24, k ä n n e t e c k n a t av steget: att extrahera toppar och dalar fràn sensordata för (44 eller 45).

26. Förfarande för att beräkna belastningskomponent- varje sensor er i ett rullelementlager enligt patentkravet 25, k ä n n e t e c k n a t av att det vidare innefattar steget: att beräkna lagerhastigheten fràn rullelementens (44 eller 45).

27. Förfarande för att beräkna belastningskom- (42) förbipassering medelst sensorerna ponenter i ett rullelementlager (34) enligt patentkravet 26, k ä n n e t e c k n a t av att det vidare innefat- tar steget: att förutsäga lagerlivslängden från de beräknade be- lastningskomponenterna och beräknad lagerhastighet.

28. Förfarande för att beräkna den totalt anbringade systembelastningen i ett system som innefattar ett fler- (34, av att det innefattar stegen: tal rullelementlager, 36) k ä n n e t e c k n a t 45) som är för att att kalibrera ett flertal sensorer (44, anordnade runt varje rullelementlager (34, 36) . . ø o ou o 10 15 20 25 30 35 v u - ø oc o .- ".-.~~° .- 518 087 38 upprätta ett förhàllande mellan rullelementbelastningen och uppmätt spänning; att mäta sensordata från nämnda flertal sensorer (44, 45) (34, 36) rotation; för varje rullelementlager vid lagrens att extrahera toppar och dalar från sensordata för (44, 45) 36); att beräkna lagerhastigheten för varje rullelement- lager (34, 36) (42) varje sensor som motsvarar vart och ett av rull- elementlagren (34, från rullelementens förbipassering me- (44, 45); att bestämma Vinkelräta kraftkomponenter för vart (34, 36) och dalarna samt den beräknade lagerhastigheten; och delst sensorerna och ett av lagren fràn de extraherade topparna att summera var och en av de respektive kartesiska kraftkomponenterna för vart och ett av lagren för att er- hålla den totalt anbringade systembelastningen.

29. System för att avkänna rullelementbelastningar k ä n n e t e c k n a t av att (44 eller 45) som motsvarar en förbipasse- enligt patentkravet l, sensordata som utmatats av sensorerna kän- netecknas av cykliska data, (42) topp och tvä noll-korsningar, och att tiden mellan noll- ring av varje rullelement och som har en dal, en korsningar uppàt fastställer rullelementens (42) hastig- het.

30. System för att avkänna rullelementbelastningar att enligt patentkravet 13, k ä n n e t e c k n a t av sensordata som utmatas av sensorerna (44 och 45) känne- tecknas av cykliska data, som motsvarar en förbipassering (42) och att tiden mellan två noll- (42) av varje rullelement och som har en dal, en topp och två noll-korsningar, korsningar uppåt fastställer rullelementens hastig- het.

31. System för att avkänna individuella rull- element belastningar enligt patentkravet 15, k ä n n e- t e c k n a t av att organet för att uppmäta lagerhas- tigheten analyserar cykliska sensordata som utmatas av | u c q nu a 10 15 20 o uno. 518 087 39 sensorerna (44 eller 45), vilka kännetecknas av dalar, toppar och nollkorsningar, och att tiden mellan noll- korsningar uppåt fastställer lagerhastigheten.

32. Förfarande för att förutsäga lagerlivslängden att lagerhastigheten uppmätes från cykliska sensordata för de enligt patentkravet 22, k ä n n e t e c k n a t av avkända individuella belastningarna, som har dalar, topp- ar och noll-korsningar, och att tiden mellan noll- korsningar uppàt fastställer lagerhastigheten.

33. Förfarande för att bestämma en belastningszon enligt patentkravet 23, k ä n n e t e c k n a t av att lagerhastigheten uppmätes fràn cykliska sensordata för de avkända individuella belastningarna, som har dalar, topp- ar och noll-korsningar, och att tiden mellan nollkors- ningar uppåt fastställer lagerhastigheten.

34. Förfarande för att beräkna belastningskomponen- ter enligt patentkravet 24, k ä n n e t e c k n a t av att lagerhastigheten bestäms fràn uppmätta sensordata, som har dalar, toppar och noll-korsningar, och att tiden mellan noll-korsningar uppåt fastställer lagerhastighe- ten.