TWI837234B - 用於接受並傳送鋼軋機或輥軋機之軸承資料的裝置及其用途 - Google Patents
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Abstract
本發明展示一種用於接收並傳送鋼軋機或輥軋機軸承(13)資料的裝置，該裝置至少包含：用於可旋轉組件(19)之軸承(13)的軸承殼體(14)；具有資料處理單元的感測器，其均配置在該軸承殼體(14)中，且建構成能接收並儲存該軸承(13)的資料；資料傳輸單元，其配置在該軸承殼體(14)中，且建構成能將該感測器的資料以無線方式傳輸至遠端接收器；能量接收單元，其配置在該軸承殼體(14)中，且建構成能以無線方式接收能量並將能量傳輸至該資料傳輸單元及該資料處理單元；具有能量傳送單元(22)的能量源(25)，其建構成對該能量接收單元以無線方式供應能量。
Description
本發明是關於一種用於接收並傳送鋼軋機或輥軋機軸承資料的裝置，該裝置至少包含：用於可旋轉構件之軸承的軸承殼體，具有資料處理單元的感測器，其均配置在軸承殼體中，並且建構成用以接收並儲存軸承的資料，資料傳輸單元，其配置在軸承殼體中並且建構成使感測器資料以無線方式傳輸至遠端接收器，能量接收單元，其配置在軸承殼體中並建構成能以無線方式接收能量，並通常是藉由纜線將其傳遞至該資料傳輸單元與該資料處理單元，以及具有能量傳送單元的能量源，其建構成能對該能量接收單元以無線方式提供能量，鋼軋機或輥軋機的支撐結構。
該可旋轉構件可為輥軋機的輥軋、連鑄機的鑄坯導引器或是金屬帶連鑄機的帶導引器之輥子，或是其他必須連線監控的關鍵組件，如絞盤機的軸芯、傳動軸、平整度測量器的輥子、用於去除金屬氧化物的旋轉噴嘴頭(旋轉式去銹器)或一種具有修剪功能的滾筒。軸承殼體容納實際的軸承，而且通常是可拆卸地與例如鋼軋機或輥軋機的支撐結構連接，因此為保養軸承或軸承殼體，該軸承殼體可從支撐結構被拆下並帶至另一個位置。軸承可以是滾動軸承、滾珠軸承、滑動軸承或樞軸。從文獻DE 10 2007 061279 A1中已知一種通用裝置。
為了記錄一段期間內軸承的負載(特別是在鋼軋機或輥軋機中)，可從初始就在軸承配置對應的感測器，或是裝備臨時的感測器，其中由於其等是透過電線或集電環來供應能量，故關於在軸承中來自感測器之電線或集電環的資料亦會被傳輸。電性配線不適合連續運作，因為它會在運行和保養的過程中被干擾或損壞。
從US7394395B2中已知一種在鑄造裝置或輥軋裝置之軸承殼體中的感測器，其以無線方式傳輸軸承的狀態資料。為了供應感測器能量，可在軸承殼體中配置電池(圖4A、4B或16)、或在軸承殼體中配置發電機(圖17)、或是將資料傳輸單元的能量源設置在軸承殼體上或軸承殼體中(圖17)。
在軸承殼體內的電池有缺點的，因為它們會受如在鋼軋機或輥軋機中發生的瞬間高溫而損害。而且軸承殼體是在考量可旋轉組件的負載下所設計的，因此僅能對電池或發電機提供非常有限的空間、大約是以空腔的形式。在軸承殼體外部的任意位置設置能量源，同樣會有因過程熱量而造成損害的危險。
DE 11 2004 001 448 T5展現一種機器結構，例如車輛的輪轂軸承能以無線感測器讀取軸承構件組的資料。在遠端輪轂軸承中設置的感測器信號接收單元具有電源電流配送部與感測器信號接收單元。該感測器信號接收單元接收該無線感測器單元的感測訊號，該電源電流配送部透過電磁波傳送為驅動所需的電性能量至無線感測器單元。該專利文件沒有揭示軸承殼體，故該電源電流配送部相對於一個可能的軸承殼體的位置是無法被確定的。根據DE 11 2004 001 448 T5，具有電源電流配送部的感測器信號接收單元可以配置在任意的合適位置。對於在鋼軋機或輥軋機中的使用，這樣的任意配置會因為在那產生的熱負擔而無法長期使用。
[技術問題]
本發明的目的在於避免現有技術的缺點，並提供一種用於接受和傳送鋼軋機或輥軋機軸承資料的裝置，其在軸承殼體內沒有能量源，但仍確保資料傳輸單元與資料處理單元的持續性能量供應，而且較佳能減輕軸承或軸承殼體的保養。
該技術問題會透過根據本發明請求項1的裝置解決。請求項1是關於一種裝置，其至少包含：
用於可旋轉構件之軸承的軸承殼體，
具有資料處理單元的感測器，其均設置在軸承殼體中，並建構成用以接收並儲存軸承的資料，
資料傳輸單元，其配置在軸承殼體中並建構成將感測器資料以無線方式傳輸至遠端接收器，
能量接收單元，其配置在軸承殼體中並建構成能以無線方式接收能量，並且通常以纜線將能量傳遞至該資料傳輸單元及該資料處理單元，
具有能量送輸單元的能量源，其建構成能對該能量接收單元以無線方式提供能量，
鋼軋機或輥軋機的支撐結構。
在此提供：
該能量源及能量傳送單元是配置在該軸承殼體外部，
該能量傳送單元是配置在結構部件上或在結構部件中，該結構部件係與該軸承構件相鄰，並且為該鋼軋機或輥軋機支撐結構的一部分，
該結構部件是建構成，在出於保養目的移除該軸承殼體時，仍保留在該鋼軋機或輥軋機的支撐結構上，
該軸承殼體覆蓋該能量傳送單元。
能量源及能量傳送單元是配置在該軸承殼體外部，其中該能量傳送單元是以下述方式安裝，即其在拆卸軸承殼體時仍被保留在鋼軋機或輥軋機的支撐結構上，而無須採取將該能量傳送單元從軸承殼體拆卸的單獨步驟。通常比能量傳送單元更遠離軸承殼體的能量源也會在拆除軸承殼體時同樣保留在那，例如在鋼軋機或輥軋機支撐結構。當能量源比能量傳送單元更遠離軸承殼體時，可以確保該能量源在任何情況下都受到較小的熱應力，因此確保了持續性的能量供應。
軸承殼體可由鋼所製成。軸承殼體可包圍大方坯或板坯連鑄機的鑄坯導引器軸承。在這種情況下，軸承殼體可以是大方坯或板坯連鑄機的鑄坯導引器軸承的一部分。
作為感測器可例如是測量溫度、壓力、加速度(例如，三軸加速度感測器)或受力的感測器。力感測器可例如是基於壓電原理或基於電容(介電)測量技術的原理。若有提供軸承或可旋轉構件的潤滑或冷卻的話，則亦可設置用於監控軸承或可旋轉構件之潤滑或冷卻的感測器。基本上所有感測器均能傳遞可電子處理的信號。
資料處理單元一般包含至少一個處理器(CPU)與儲存器，例如儲存晶片，且通常是透過電線及/或電路板的電路連接至一或多個感測器。資料處理單元可以對測量資料進行預處理、數位化或緩衝處理。
資料傳輸單元通常包括，例如透過電線或電路板之電路而與該資料處理單元連接的天線。該資料傳輸單元發送例如過度負載、時間平均值、標準偏差值、峰對峰值的資料，同時將其與明確的辨識標誌(ID)以及時間標記傳輸至遠端接收器，例如具有對應天線的讀取器。該接收器可例如為距軸承殼體有至五公尺的距離，較佳小於三十公尺、更佳為小於十公尺的距離。資料傳輸單元可傳送具有大於800MHz、尤其是大於2.4Gz頻率的信號至該接收器。高傳輸頻率是必要的，藉此得到安全的數據通道並避免錯誤的信號分配或干擾錯誤。從資料傳輸單元至接收器的數據傳輸能以預定的時間間隔來進行，例如每秒、每5、10或30秒、每60以上秒數，或者是因應接收器的要求。接收器可以處理來自多個資料傳輸單元的資料。然後，接收器或與其連接的發送器可將資料進一步傳送至雲端運算(數據雲)中，在那該裡資料會被儲存、進一步處理並將其用於監視並控制可旋轉組件。
能量接收單元通常透過電線或電路板上的電路將會將以無線方式接收到的能量傳輸到資料傳輸單元、儲存器與資料處理單元。
資料處理單元(即CPU和儲存器)和資料傳輸單元(即天線)，以及能量接收單元可以在共同的電路板上實現。這樣的共同電路板可物理性的由多個互相機械性連接的子單元所構成。該共同電路板較佳是具有小於4000mm2
的面積，例如小於50x80mm尺寸。更優選是，電路板具有小於3000mm2
的面積，例如小於40x75mm尺寸、優選是小於1800mm2
的面積，例如小於30x60mm尺寸。以這種方式可以使電路板容納在軸承殼體內非常小的凹部中。在下述情況中亦有優點，當電路板連同配置於其上電子組件的高度小於18mm、特別是小於13mm、更佳小於9mm。
因此可將該共同電路板配置在軸承殼體的凹部中，該凹部的最大截面積是小於4000mm2
、較佳小於3000mm2
、特佳小於1800mm2
。
能量源可透過例如兩芯或三芯電纜的電線連接至能量傳送單元。能量源可以是具有5至48V之間電壓的電池，例如具有5V、9V、12V、24V或48V的電壓。該能量源及/或能量傳送單元通常具有DC-AC轉換器。
根據本發明，軸承殼體覆蓋該能量傳送單元。這意味著，該軸承殼體透過屏蔽能量傳送單元，使其與該可旋轉組件(其安裝在軸承殼體的軸承中)分開，這樣的組件在鋼軋機或輥軋機中經常承受較大的熱負荷。換言之，在本發明裝置的操作中，以垂直於該可旋轉組件之轉軸的方向觀看，軸承殼體是配置在能量傳送單元與可旋轉組件之間。
為了達成在位於軸承殼體中能量接收單元與在結構部件中能量傳送單元之間的較短傳輸路徑，可以設計成，位於軸承殼體中能量接收單元與在結構部件中能量傳送單元是分別配置成靠近表面並且彼此靠近。能量接收單元被配置成也靠近指向結構部件的軸承殼體之表面，當能量傳送單元是被配置成靠近指向軸承殼體的結構部件之表面時。能量接收單元與能量傳送單元之間的相對距離應該盡可能小，例如在0至100mm之間、特別是在0.1至8mm之間、特佳在0.2至3mm之間。在可旋轉組件的轉軸方向上，能量接收單元應與能量傳送單元重疊，較佳彼此覆蓋。但不排除的是，能量接收單元未與能量傳送單元重疊，該能量傳送單元亦被配置成大致與軸承殼體相鄰。
本發明的一種實施例是，能量傳送單元被配置在結構部件的凹部中，其在裝置處於驅動狀態時被設置成朝向軸承殼體。在這種情況下，在能量傳遞單元與軸承殼體之間亦沒有結構部件的材料，至軸承殼體的能量傳遞將透過空氣來執行。然而，為避免受到環境影響，能量傳遞單元可用塑料或樹脂鑄造。然後，所鑄造的能量傳遞單元的尺寸較佳是對應該凹部的尺寸，只要所鑄造的能量傳遞單元能以較小間隙或形狀合適地鑲入該凹部中，或者透過進入開口部而插入凹部中即可。
亦可對應地將能量接收單元配置在軸承殼體的凹部中，其在裝置處於驅動狀態時被設置成朝向結構部件。用這種方式可以確保，沒有軸承殼體的材料在能量接收單元與結構部件之間，因此可以不受電磁干擾地進行到結構部件的能量傳輸。
有利的是，當能量傳送單元和能量接收單元均分別配置在對應的凹部(即朝向另一個凹部並對齊)，因為能量傳遞可在完全不受干擾的情況下執行，而且不會受到來自軸承殼體或結構部件之部分區段的熱損壞。
在金屬帶連鑄機的情況，能量源是金屬帶連鑄機區段中的電池或金屬帶連鑄機區段中的交流電供應器(例如230V或400V)，該區段包含一或多個鑄坯導輥，並且藉助電性導線與能量傳送單元連接。
本發明的一種實施例是，能量傳送單元及能量接收單元被建構成能透過電感耦合，特別是共振電感耦合來傳送或接收能量。
在電感性能量傳輸的情況，在傳送器中透過振盪器來產生磁性交變磁場。該傳送會藉由在兩個線圈之間的電感耦合來執行，一個線圈在傳送器中以及一個線圈在接收器中。透過傳送器線圈中的交流電，而在接收器線圈中感應出交流電壓，這將在如對電池模組進行充電的應用時被整流，並作為直流電提供給用戶。兩線圈之間的距離代表無線傳輸路徑，而且應該盡可能小，典型是幾毫米到幾10mm的距離。隨著兩個線圈之間的距離增加，漏磁通量急劇增加，從而減小電感耦合並劣化效率。可以用這種方法橋接的典型距離大約是線圈直徑到兩倍線圈直徑，所使用的頻率範圍從幾10kHz擴展到MHz的範圍。
諧振電感耦合表現了電感耦合的擴張，藉此擴大原僅較小的有效距離。為此在傳送器線圈與接收器線圈之間的自由空間中，安裝一或多個自由諧振電路。每個諧振電路都由電容器與線圈所組成，其等的諧振頻率都被調整成傳輸頻率。諧振電路之間的諧振導致在傳送器線圈與接收器線圈之間較佳的磁性耦合，藉此得到較大的有效範圍和更好的效率。因此，可以透過在線圈直徑4至10倍數量級的距離上，進行無線能量傳輸。
可用於本發明的標準傳輸技術被稱為Qi。Qi是無線電聯盟的專有標準，其用於通過短距離的電磁感應來進行無線能量傳輸。
本發明的實施例顯示，能量傳送單元與能量接收單元是設置成能以大於100KHz的頻率、特別是大於300KHz的頻率進行能量傳輸。
本發明亦包含用於接收並傳輸鋼軋機或輥軋機之軸承資料的本發明裝置的用途。該用途包含：
具有用於可旋轉組件之軸承的軸承殼體，
具有資料處理單元的至少一個感測器，其兩者都設置在軸承殼體中，並接收並儲存軸承的資料，
資料傳輸單元，其配置在軸承殼體中並使感測器資料以無線方式傳輸至遠端接收器，
能量接收單元，其配置在軸承殼體中且能以無線方式接收能量，並且通常是藉由纜線傳遞至該資料傳輸單元及該資料處理單元，
具有能量傳送單元的能量源，其以無線方式提供能量給該能量接收單元，
鋼軋機或輥軋機的支撐結構。在此設置有：
該能量源及能量傳送單元是配置在該軸承殼體外部，
該能量傳送單元是配置在結構部件上或是在結構部件中，該結構部件是與該軸承殼體相鄰而且是鋼軋機或輥軋機的支撐結構的一部分，其中該結構部件是設計成，當出於維護目的而移除軸承殼體時，其仍會在保留在鋼軋機或輥軋機的支撐結構上，
該軸承殼體(14)覆蓋該能量傳送單元。
利用本發明，可以將來自位在任何鑄坯導引器的軸承殼體中感測器的測量值連續發送到接收器中，這樣可連續監視多個鑄坯導引器之軸承或軸承殼體的狀態，使得可以即時獲得用於鋼軋機或輥軋機的自動化系統(級別1和級別2)的測量值和從中得到的衍生的值，亦可用於監視在生產時的偏差。藉此可預測未來的故障或計劃保養工作。
測量值的處理通常在雲端數據進行，在那裡透過合適的軟體應用將資訊傳遞到鋼軋機或輥軋機的操控裝置或/或操作人員、操作或公司領導人。
鑄坯導輥19在連鑄機中被使用，其用於導引並支持從連鑄機冷卻模具中脫離且為至少部分凝固的金屬鑄坯，這樣的應用在多個不同的建構方式中是已知的。根據所鑄造的金屬鑄坯寬度，該等鑄坯導輥19被設置成兩倍或其他倍數。在熱且重的金屬鑄坯的影響下，鑄坯導輥19是承受高溫且機械性負荷，因此需要持續地維護與在連鑄機的更換作業。圖1以圖式方式顯示一個三重軸承鑄坯導輥19如何在連鑄機的鑄坯導引器中被使用，其通常是由標準組件、預製組件與部分加工組件所製成並被組裝。鑄坯導輥在此包含兩個被支撐在支撐軸3、4、5上的輥子外罩1、2。支撐軸轉入支撐軸樞軸6、7、8、9中，其突出在輥子外罩1、2的凹部中，並藉此建立一個不可旋轉的連結。支撐軸3、4、5被支撐在分別由滾動軸承13與軸承殼體14所構成的軸承單元10、11、12中，該軸承殼體14亦可稱為軸承座。鑄坯導輥被中央穿過的冷卻劑通道15貫穿，且在端面上與用於供給與排出冷卻劑的旋轉套管16、17連接。輥子外罩1、2具有耐磨的表面層18，該表面層18延長了鑄坯導輥的使用壽命。
鑄坯導輥19的建立對本發明並非必須，其亦不需要冷卻。
在圖2中顯示穿過軸承殼體14的橫截面。但沒有顯示軸承13。軸承殼體14設置在結構部件20上，在此該結構部件20是一中間板。該中間板20是固定在支撐結構21。支撐結構21可以是連鑄機的一個區段，該區段承載多個鑄坯導輥19。軸承殼體14覆蓋中間板20，使得從鑄坯導輥19的轉軸基本是看不到該中間板20。在圖2的情況下，軸承殼體14還部分側向地環繞住中間板20。
在軸承殼體14中，靠近其下側附近設置有凹部23，電路板可被插在其中，在電路板上安裝有資料處理單元(即CPU和儲存器)、資料傳輸單元(即天線)及能量接收單元。電路板有小於4000mm2
的面積、較佳小於3000mm2
的面積、特佳小於1800mm2
的面積，並且具有包括設置於其上的電子組件仍是小於18mm的高度、特別是小於13mm的高度、特佳小於9mm的高度。電路板是透過電線形式的電性導引而與配置在軸承殼體14中其他位置(例如更接近軸承)對應的感測器連結。配置在電路板上的感測器對應地經由電路板上的電路而與資料處理單元連結。
能量接收單元是以下述方式配置(特別是配置在電路板上)，即該能量接收單元是位在靠近中間板20的位置，特別是能量接收單元配置在凹部23的一部分中，在該部位顯示了至中間板20的突出。凹部23是側向開放，藉此電路板可設置在軸承殼體中14。
能量傳送單元22是設置在中間板20的凹部中，其朝向軸承殼體14開放。能量傳送單元22是透過電性導線24連接至使用作為能量源的電池25，該電池25是配置在連鑄機的區段中。
當出於保養目的而移除軸承殼體14時，能量傳送單元22會保留在中間板20中，且因此保留在支撐結構21中，用於驅動或調整鑄坯導輥19的電池25仍保留在支撐結構21或其他被分配有連鑄機位置的區段。
在圖3中顯示穿過軸承殼體14的截面。在截面顯示圖中，展現用於第一感測器26的位置以及所屬的導引槽27，其中配置有用於信號傳輸的相應導體，其用於將第一感測器26連接至在此沒有顯示的電路板，其中該電路板配置在凹部23中。對第二感測器28同樣配置有所屬的導線槽29，藉此該第二感測器28與在此沒有顯示並且設置在凹部23中的電路板連接，並達成信號傳輸的目的。
凹部23是向下開放，以使得能在能量傳送單元22 (參照圖2)與設置在凹部23中的能量接收單元之間達成電感耦合。該資料處理單元、資料傳輸單元及能量接收單元是配置在共同的電路板上，在此該電路板可以從下方插入凹部23中。
當圖3中的電路板是水平地設置在該凹部23中，則能量接收單元會配置在電路板的下側，而使得其靠近在圖2中顯示的中間板20。
1,2:輥子外罩
3,4,5:支撐軸
10,11,12:軸承單元
13:軸承(滾動軸承)
14:軸承殼體
15:冷卻劑通道
16,17:旋轉套管
18:耐磨的表面層
19:鑄坯導輥
20:中間板(結構構件)
21:支撐結構
22:能量傳送單元
23:在軸承殼體14中的凹部
24:電性導線
25:電池(能量源)
26:第一感測器
27:導引槽
28:第二感測器
29:導引槽
本發明將根據實施例做進一步解釋。圖式僅為示例性，雖其展現了本發明的概念，但絕不因此拘束或甚至限制本發明的概念。
其顯示：
圖1 鑄坯導輥的縱向剖面圖；
圖2 穿過鑄坯導輥之軸承殼體的橫截面；
圖3 在軸承殼體中感測器的配置。
14:軸承殼體
20:中間板
21:支撐結構
22:能量傳送單元
23:凹部
24:電性導線
25:電池
Claims (11)
- 一種用於接收並傳送鋼軋機或輥軋機之軸承(13)資料的裝置，該裝置至少包含：用於可旋轉組件(19)之軸承(13)的軸承殼體(14)；具有資料處理單元的感測器，其均配置在該軸承殼體(14)中，且建構成用以接收並儲存該軸承(13)的資料，資料傳輸單元，其配置在該軸承殼體(14)中，且建構成能將該感測器的資料以無線方式傳輸至遠端接收器；能量接收單元，其配置在該軸承殼體(14)中，且建構成能以無線方式接收能量並將能量傳輸至該資料傳輸單元及該資料處理單元；具有能量傳送單元(22)的能量源(25)，其建構成對該能量接收單元以無線方式供應能量；鋼軋機或輥軋機的支撐結構(21)，其特徵在於，該能量源(25)及該能量傳送單元(22)是配置在該軸承殼體(14)的外部，該能量傳送單元(22)是配置在結構部件(20)上或在該結構部件(20)中，該結構部件(20)係與該軸承構件(14)相鄰且為該鋼軋機或輥軋機的支撐結構(21)的一部分，該結構部件(20)是建構成，在出於保養目的移除該軸承殼體(14)時，仍保留在該鋼軋機或輥軋機的支撐結構(21)，以及該軸承殼體(14)覆蓋該能量傳送單元(22)。
- 如請求項1之裝置，其中，在該軸承殼體(14)中的該能量接收單元及在該結構部件(20)中的該能量傳送單元(22)是以表面接近且互相靠近的方式配置。
- 如請求項1之裝置，其中，該能量傳送單元(22)是配置在該結構部件(20)的凹部中，該凹部在該裝置處於驅動狀態時，是指向該軸承殼體(14)。
- 如請求項1至3中任一項之裝置，其中，該裝置包含連鑄機的至少一個區段，該區段具有電池或交流電供應器，該能量源(25)是在連鑄機區段的電池或連鑄機區段的交流電供應器，其中該區段包含一或多個鑄坯導輥(19)，且該能量源(25)透過電性導線(24)與該能量傳送單元(22)連接。
- 如請求項1至3中任一項之裝置，其中，該能量傳送單元(22)與該能量接收單元是建構成透過電感耦合來傳送或接收能量。
- 如請求項1至3中任一項之裝置，其中，該能量傳送單元(22)與該能量接收單元是建構成以大於或等於100kHz的頻率來執行能量傳輸。
- 如請求項1至3中任一項之裝置，其中，該資料處理單元、該資料傳輸單元及該能量接收單元是配置在共同的電路板上。
- 如請求項7之裝置，其中，該共同的電路板是配置在該軸承殼體(14)的凹部中，該凹部具有小於4000mm2的最大截面積。
- 如請求項1至3中任一項之裝置，其中，該資料傳輸單元是建構成，將資料以大於或等於800MHz的頻率傳送至遠端接收器。
- 如請求項1至3中任一項之裝置，其中，該軸承殼體(14)是大方坯或板坯連鑄機鑄坯導引器的一部分。
- 一種如請求項1至10中任一項所述裝置的用途，將該裝置用於接收並傳送鋼軋機或輥軋機之軸承(13)的資料。
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