用于旋轉的機械部件的狀態監控裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于對旋轉的機械部件進行狀態監控的狀態監控裝置。本實用新型具有至少一個安裝在形成用于待監控的部件的軸承座的或者與所述軸承座相連接的機器部件上的、用于檢測所述待監控的部件的聲音發射的超聲波傳感器單元；與所述超聲波傳感器單元相連接的信號處理單元，所述信號處理單元具有用于從通過所述超聲波傳感器單元生成的測量信號中提取出具有損傷和/或損害特征的部分的特征提取單元和用于從提取出的測量信號特征中測定出至少一個狀態特征值的計算單元。
【專利說明】用于旋轉的機械部件的狀態監控裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種用于對旋轉的機械部件進行狀態監控的狀態監控裝置。
【背景技術】
[0002]根據傳統的解決方案，對軸承和軸的狀態監控通常通過測定軸承溫度、潤滑劑溫度或潤滑劑粘度而進行。從專利文獻EP I 387 165 Al中例如公開了一種用于對處于傳動裝置中的潤滑油進行質量監控的方法，在該方法中，從傳動裝置中取出潤滑油試樣，借助于離子活性光譜儀對潤滑油試樣進行分析。其中，對潤滑油試樣中的包含于潤滑油的蒸汽相中的物質進行化驗。潤滑油試樣中所包含的物質的內容和類型的變化被視為相對于未經過使用的潤滑油的蒸汽相中的預先規定的物質的實際-狀態。在此，從比較中可以推導出對于潤滑油老化情況的衡量標準。
[0003]在專利文獻EP 2 110 649 BI中說明了一種具有能夠機械振動的第一系統的傳感器，該能夠機械振動的第一系統的共振頻率處于超聲波范圍內并且與待監控的檢驗物的材料特定的共振頻率相適應。此外，該傳感器還包括能夠機械振動的第二系統，其共振頻率處于人耳可聽到的頻率范圍內。用于檢測待監控的檢驗物的損害增加的第一信號處理單元與該第一系統耦合。附加地設有與第二系統耦合的、用于檢測待監控的檢驗物的表明現有損害的振動頻率的第二信號處理單元。用于測定診斷結果的分析單元與第一和第二信號處理單元相連接。
[0004]從專利文獻WO 2010/009750 Al中公開了 一種用于對滾動軸承進行狀態測定和-監控的方法，在該方法中，在滾動軸承運轉的過程中，在超聲波范圍內的第一頻帶中檢測聲音發射信號形式的第一傳感器信號。在超聲波范圍內的較低頻率的第二頻帶中檢測第二傳感器信號。從第一傳感器信號的信號方式中測定出至少一個針對滾動軸承的正在發生的損害的第一特征值。與此相對，從第二傳感器信號的信號方式中測定出至少一個針對滾動軸承的已經發生的損害的第二特征值。通過比較第一特征值和取決于滾動軸承的轉速的第一參考值、以及比較第二特征值和取決于滾動軸承的轉速的第二參考值，測定出滾動軸承的狀態。
[0005]在申請號為PCT/EP2011/067078的較早的國際專利申請中說明了一種用于對滾動軸承進行狀態測定和-監控的方法，在該方法中，在滾動軸承運轉的過程中，在超聲波范圍內的頻帶中測定出聲音發射信號形式的傳感器信號。在此測定出傳感器信號中的沖擊脈沖,通過沖擊脈沖能夠探測滾動軸承中的電的軸承電流。通過這種方式能夠及時避免在滾動軸承上不斷擴大的損傷。
[0006]從申請號為11174330.8的較早的歐洲專利申請中公開了一種用于在傳動裝置上識別損傷的方法，在該方法中，通過至少一個振動傳感器檢測與在傳動級運轉過程中出現的振動相符的振動信號。分析檢測到的振動信號，以便識別可能的損傷。其中，借助于振動傳感器檢測與振動相符的振動信號，這些振動是通過彼此咬合的齒輪在負荷下進行齒嚙合時的滾動-和沖擊運動引起的。將該振動信號與校準-振動信號進行比較。從該振動信號與校準-振動信號的偏差中測定出作用在傳動級上的轉矩。在可能的損傷方面分析振動信號時又考慮到所測定出的轉矩。
實用新型內容
[0007]本實用新型的目的在于，提出用于對特別是旋轉相對較慢的機械部件進行可靠的狀態監控的一種裝置和一種方法。
[0008]根據本實用新型，該目的通過一種用于旋轉的機械部件的狀態監控裝置和通過一種對旋轉的、機械的部件進行狀態監控的方法實現。
[0009]根據本實用新型的、用于旋轉的機械部件的狀態監控裝置包括至少一個安裝在形成用于待監控的部件的軸承座的或者與該軸承座相連接的機器部件上的、用于檢測待監控的部件的聲音發射的超聲波傳感器單元。附加地設有與該超聲波傳感器單元相連接的信號處理單元，該信號處理單元具有用于從通過超聲波傳感器單元生成的測量信號中提取出具有損傷-和/或損害特征的部分的特征提取單元。此外，該信號處理單元還包括用于從提取出的測量信號特征中測定出至少一個狀態特征值的計算單元。形成用于待監控的部件的軸承座的機器部件可以例如是殼體或殼體部件。這使得根據本實用新型的狀態監控裝置能夠特別簡單地集成在現有的機器或者設備中。待監控的部件可以例如是具有小于每分鐘20轉的轉速的低速運轉的軸或者低速運轉的軸承環。由此，根據本實用新型的狀態監控裝置特別適合在磨機驅動系統或者風力發電設備中使用。
[0010]如果超聲波傳感器單元安裝在待監控的軸承位置的附近，那么便能通過超聲波傳感器單元特別地測定出軸承和所屬的軸上的脈沖式的塑性變形。屬于脈沖式的塑性變形的例如有裂縫形成、裂縫擴大或者沖蝕。此類損傷或者損害能夠通過根據本實用新型的狀態監控裝置可靠地識別，在進行特征提取時能夠測定出例如脈沖上升時間、最大振幅、下降時間或者信號有效值等信號特征。通過對多個小的、脈沖式的、相互關聯的變形的檢查能夠探測到其特征特別在于混合摩擦的、損害性的運行狀態。
[0011]按照根據本實用新型的狀態監控裝置的一個特別優選的設計方案，信號處理單元包括用于根據至少一個狀態特征值對待監控的部件進行狀態分類的狀態分類單元。以此例如能夠對在軸承上或者軸上出現的摩擦直接地進行狀態分類。與迄今的基于溫度的監控方法相比，這使得能夠明顯更早并且更精確地識別損傷或損害。
[0012]超聲波傳感器單元有利地包括用于提高電壓的測量信號增強單元。這有助于改進的干擾信號性能。超聲波傳感器單元能夠例如以可靠的和成本低廉的方式借助于壓電元件、箔式應變計或微電機系統實現。
[0013]按照根據本實用新型的狀態監控裝置的另一個設計方案，超聲波傳感器單元與后接的帶通濾波器相連接，該帶通濾波器具有被分配給待監控的部件的材料特定的上臨界頻率和下臨界頻率。以這種方式能夠在測量信號壓縮的范疇中排除和損傷-或損害不相關的信號部分。另一種測量信號壓縮能夠通過這種方式實現，即在帶通濾波器后面連接用于壓縮測量信號的包絡線測定單元。在此，該包絡線測定單元能夠例如與后接的模數轉換器相連接，該模數轉換器的輸出端連接在信號處理單元的數字的測量信號輸入端上。
[0014]此外，根據另一個有利的改進方案，包絡線測定能夠通過整流或低通濾波實現。包絡線測定特別地能夠通過整流和隨后的滑動的有效值形成或中間值形成而實現。這使得對干擾相對較為不敏感的、壓縮的，但仍然可靠地具有損傷或損害的特征的、經過預處理的測量信號的生成成為可能。
[0015]根據本實用新型的一個優選的設計方案，經過預處理的測量信號在信號處理單元中的特別簡單的和有效的進一步的可處理性能夠通過這種方式實現，即為了測定包絡線而進行最終的時間范圍-頻率范圍-變換。該最終的時間范圍-頻率范圍-變換例如可以是快速的傅里葉變換，該傅里葉變換能夠以相對較少的硬件-或軟件投入實現。
[0016]按照根據本實用新型的狀態監控裝置的一個特別優選的改進方案，超聲波傳感器單元、帶通濾波器、包絡線測定單元和信號處理單元是集成的診斷模塊的組成部分。該改進方案具有特別低的易受干擾性。此外，集成的診斷模塊能夠設計用于檢測待監控的部件的、通過脈沖式的塑性變形引起的振動,該振動具有材料特定的頻率。材料特定的頻率能夠例如根據不同的應用而設置，集成的診斷模塊由此能在廣泛的應用場景中重復使用。
[0017]為了對損傷或者損害進行定位，能夠有利地設有至少一個第二超聲波傳感器單元。在這種情況下，通過比較最大的信號振幅、有效值和/或測量信號運行時間進行定位。
[0018]狀態特征值的測定優選地通過用各個當前的測量信號最大-和有效值的乘積除以(Normierung)所分配的參考值的乘積而實現。這使得包含在測量信號中的、和損傷-或損害相關的狀態信息的非常高度的壓縮并且同時有說服力的狀態特征值的推導成為可能。其中能夠將狀態特征值例如統一為對于軸承或者軸的“良好狀態”的參考特征值。
[0019]按照根據本實用新型的、用于對旋轉的機械的部件進行狀態監控的方法，借助于至少一個安裝在形成用于待監控的部件的軸承座的或者與該軸承座相連接的機器部件上的超聲波傳感器單元檢測待監控的部件的聲音發射。此外還借助于與超聲波傳感器單元相連接的信號處理單元從通過超聲波傳感器單元生成的測量信號中提取出具有損傷-和/或損害特征的部分。從提取出的測量信號特征中測定出至少一個狀態特征值。優選地通過該至少一個狀態特征值對待監控的部件進行狀態分類。通過根據本實用新型的方法使對在運轉得相對較慢的軸上的滾動-和滑動軸承的在裂縫形成和磨損方面的監控成為可能。此夕卜，雖然數據量明顯減少，但是關于軸承-或軸狀態的可靠的表述仍是可能的。這也適用于識別軸承的不被允許的運行區域以及錯誤的運行條件。
[0020]借助于超聲波傳感器單元優選地檢測待監控的部件的、通過脈沖式的塑性變形、例如裂縫形成、裂縫擴大或者沖蝕引起的振動，這些振動具有材料特定的頻率。此外，待監控的部件可以是具有小于每分鐘20轉的轉速的低速運轉的軸或低速運轉的軸承環。因此，根據本實用新型的方法特別地適用于在風力發電設備或磨機驅動系統中的應用情況。
[0021]按照根據本實用新型的方法的一個有利的改進方案，借助于帶通濾波器過濾通過超聲波傳感器單元檢測到的測量信號，該帶通濾波器具有被分配給待監控的部件的材料特定的上臨界頻率和下臨界頻率。由此能夠適應不同的應用場景。此外，借助于帶通濾波器過濾的測量信號能夠被壓縮為一根包絡線。該包絡線優選地借助于模數轉換器轉換，該模數轉換器的輸出端連接在信號處理單元的數字的測量信號輸入端上。這使得非常低的易受干擾性成為可能。該包絡線能夠例如以簡單的方式通過整流或者低通濾波測定。如果按照根據本實用新型的方法的另一個設計方案通過整流和隨后的滑動的有效值形成或中間值形成而測定出包絡線，則可實現特別牢靠的測量信號預處理。
[0022]為了能夠在信號處理單元中簡單地和有效地對經過預處理的測量信號做進一步處理，按照根據本實用新型的方法的一個優選的設計方案，包絡線最終被傳輸至時間范圍-頻率范圍-變換。最終的時間范圍-頻率范圍-變換的特別有效的實施能夠通過快速的傅里葉變換實現。
[0023]為了對損傷或者損害進行定位，優選地設有至少一個第二超聲波傳感器單元。在這種情況下，損傷或者損害通過比較最大的信號振幅、有效值和/或測量信號運行時間而定位。
[0024]按照根據本實用新型的方法的一個特別優選的改進方案，狀態特征值通過用各個當前的測量信號最大-和有效值的乘積除以所分配的參考值的乘積而測定出。這使得包含在測量信號中的和損傷-或損害相關的狀態信息能夠被高度地壓縮為具有說服力的狀態特征值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]下面在實施例中根據附圖詳細地說明本實用新型。圖中示出:
[0026]圖1示出用于旋轉的機械部件的狀態監控裝置的和用于進行狀態監控的方法的流程的示意圖，
[0027]圖2示出用于旋轉的機械部件的狀態監控裝置的第一個變體，
[0028]圖3示出用于旋轉的機械部件的狀態監控裝置的第二個變體，
[0029]圖4示出用于旋轉的機械部件的狀態監控裝置的第三個變體。
【具體實施方式】
[0030]圖1中示出的狀態監控裝置包括安裝在形成用于待監控的軸3的軸承2的軸承座的殼體4上的、用于檢測待監控的軸3的聲音發射的超聲波傳感器單元I。該超聲波傳感器單元I能夠例如借助于壓電元件、箔式應變計或者微電子機械系統(MEMS)實現。在本實施例中，軸3具有小于每分鐘20轉的轉速以及示意性地示出的裂縫31。超聲波傳感器單元I與信號處理單元5連接，該信號處理單元特別地包括特征提取單元和計算單元。根據步驟101，首先將由超聲波傳感器單元I生成的測量信號100傳輸至信號處理單元5。隨后，根據步驟102，借助于特征提取單元從通過超聲波傳感器單元生成的測量信號中提取具有損傷-或損害特征的部分并且借助于計算單元從提取出的測量信號特征中測定出至少一個狀態特征值。
[0031]此外，信號處理單元5還包括狀態分類單元。根據步驟103，借助于該狀態分類單元從該至少一個狀態特征值中推導出待監控的軸3的狀態分類200。
[0032]在本實施例中，超聲波傳感器單元I原則上能夠在材料特定的頻率范圍內為損害過程檢測路徑、速度、加速度或者壓力變化。對于鋼而言，這一材料特定的頻率范圍例如約為110kHz。此外還借助于超聲波傳感器單元I檢測待監控部件的、通過脈沖式的塑性變形弓I起的振動，這些振動具有材料特定的頻率。
[0033]當軸、滾動體、軸承環或者其它的承受負荷的部件受到損害時便會出現超出相應的、取決于材料的負荷限度的材料負荷。在這種情況下不再會發生彈性變形，而是發生脈沖式的塑性變形，例如裂縫形成、裂縫擴大或者沖蝕。在發生脈沖式的塑性變形時，在固體中以聲音發射的形式引起具有材料特征的頻率，這些聲音發射從作為源頭的損傷位置穿過該固體傳播。借助于超聲波傳感器單元I能夠探測到這些聲音發射。根據聲音發射的信號特征，例如脈沖上升時間、脈沖下降時間、最大振幅或有效值能夠測定塑性變形的程度。通常根據材料不同而損耗不同的、并且在正常的運轉情況下不應出現的混合摩擦也可以歸因于多個小的脈沖式的聲音發射的疊加。由此，借助于超聲波傳感器單元I也能夠探測到不符合預期的混合摩擦。
[0034]一般能夠在聲音發射和至少一個狀態標準值的基礎上直接探測到摩擦。由此能夠確定軸承是否例如基于過高的軸向的或者徑向的負荷、過少的潤滑劑或者過低的粘度而在錯誤的運轉區域內運轉。例如在不平衡、油循環回路中的壓力下降或者其它的動態的負荷-和運轉條件變化時出現的隨時間變化的錯誤荷載能夠通過狀態特征值的調整以及通過聲音發射的最大振幅或者有效值識別，例如通過包絡線光譜或者通過布置分析。
[0035]狀態特征值Z (t)優選地通過用各個當前的測量信號最大-和有效值的乘積除以所分配的參考值的乘積按照下列的表述方法而計算出
【權利要求】
1.一種用于旋轉的機械部件的狀態監控裝置，具有 -至少一個安裝在形成用于待監控的部件的軸承座的或者與所述軸承座相連接的機器部件上的、用于檢測所述待監控的部件的聲音發射的超聲波傳感器單元， -與所述超聲波傳感器單元相連接的信號處理單元，所述信號處理單元具有用于從通過所述超聲波傳感器單元生成的測量信號中提取出具有損傷和/或損害特征的部分的特征提取單元和用于從提取出的測量信號特征中測定出至少一個狀態特征值的計算單元。
2.根據權利要求1所述的狀態監控裝置，其中，所述信號處理單元包括用于根據所述至少一個狀態特征值對所述待監控的部件進行狀態分類的狀態分類單元。
3.根據權利要求1或2中任一項所述的狀態監控裝置，其中，所述超聲波傳感器單元包括用于提高電壓的測量信號增強單元。
4.根據權利要求1或2中任一項所述的狀態監控裝置，其中，所述超聲波傳感器單元借助于壓電元件、箔式應變計或微電機系統實現。
5.根據權利要求3所述的狀態監控裝置，其中，所述超聲波傳感器單元借助于壓電元件、箔式應變計或微電機系統實現。
6.根據權利要求1或2中任一項所述的狀態監控裝置，其中，所述超聲波傳感器單元與后接的帶通濾波器相連接，所述帶通濾波器具有被分配給所述待監控的部件的取決于材料的上臨界頻率和下臨界頻率。
7.根據權利要求5所述的狀態監控裝置，其中，所述超聲波傳感器單元與后接的帶通濾波器相連接，所述帶通濾波器具有被分配給所述待監控的部件的取決于材料的上臨界頻率和下臨界頻率。
8.根據權利要求6所述的狀態監控裝置，其中，在所述帶通濾波器后面連接用于壓縮測量信號的包絡線測定單元。
9.根據權利要求7所述的狀態監控裝置，其中，在所述帶通濾波器后面連接用于壓縮測量信號的包絡線測定單元。
10.根據權利要求8所述的狀態監控裝置，其中，所述包絡線測定單元與后接的模數轉換器相連接，所述模數轉換器的輸出端連接在所述信號處理單元的數字的測量信號輸入端上。
11.根據權利要求9所述的狀態監控裝置，其中，所述包絡線測定單元與后接的模數轉換器相連接，所述模數轉換器的輸出端連接在所述信號處理單元的數字的測量信號輸入端上。
12.根據權利要求10所述的狀態監控裝置，其中，包絡線測定通過整流或低通濾波實現。
13.根據權利要求11所述的狀態監控裝置，其中，包絡線測定通過整流或低通濾波實現。
14.根據權利要求12所述的狀態監控裝置，其中，所述包絡線測定通過整流和隨后的滑動的有效值形成或中間值形成而實現。
15.根據權利要求13所述的狀態監控裝置，其中，所述包絡線測定通過整流和隨后的滑動的有效值形成或中間值形成而實現。
16.根據權利要求8所述的狀態監控裝置，其中，所述超聲波傳感器單元、所述帶通濾波器、所述包絡線測定單元和所述信號處理單元是集成的診斷模塊的組成部分。
17.根據權利要求15所述的狀態監控裝置，其中，所述超聲波傳感器單元、所述帶通濾波器、所述包絡線測定單元和所述信號處理單元是集成的診斷模塊的組成部分。
18.根據權利要求16所述的狀態監控裝置，其中，所述集成的診斷模塊設計用于檢測所述待監控的部件的、通過脈沖式的塑性變形引起的振動，所述振動具有取決于材料的頻率。
19.根據權利要求17所述的狀態監控裝置，其中，所述集成的診斷模塊設計用于檢測所述待監控的部件的、通過脈沖式的塑性變形引起的振動，所述振動具有取決于材料的頻率。
20.根據權利要求1或2中任一項所述的狀態監控裝置，其中，所述待監控的部件是具有小于每分鐘20轉的轉速的低速運轉的軸或低速運轉的軸承環。
21.根據權利要求19所述的狀態監控裝置，其中，所述待監控的部件是具有小于每分鐘20轉的轉速的低速運轉的軸或低速運轉的軸承環。
22.根據權利要求1或2中任一項所述的狀態監控裝置，其中，所述形成用于所述待監控的部件的軸承座的機器部件是殼體或殼體部件。
23.根據權利要求21所述的狀態監控裝置，其中，所述形成用于所述待監控的部件的軸承座的機器部件是 殼體或殼體部件。
24.根據權利要求1或2中任一項所述的狀態監控裝置，其中，為了對損傷或者損害進行定位，設有至少一個第二超聲波傳感器單元，并且其中，通過比較最大的信號振幅、有效值和/或測量信號運行時間進行定位。
25.根據權利要求23所述的狀態監控裝置，其中，為了對損傷或者損害進行定位，設有至少一個第二超聲波傳感器單元，并且其中，通過比較最大的信號振幅、有效值和/或測量信號運行時間進行定位。
【文檔編號】G01N29/14GK203432784SQ201320051222
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年1月29日 優先權日:2012年1月31日
【發明者】漢斯-亨寧·克洛斯, 克勞斯-迪特爾·米勒 申請人:西門子公司
專業數控銑床產品供應商
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