专利名称：确定和监测滚动轴承状态的方法与装置的制作方法
技术领域：
无
背景技术：
滚动轴承的状态及磨损监测具有很重要的实际意义，因为根据以往经验，制造和 处理设备中所出现的故障约有70%是由滚动轴承损坏引起的。
发明内容
本发明的目的是提供一种确定和监测滚动轴承状态的方法，这种方法特别简单、 有效。此外，本发明的目的还在于提供一种用于支持上述特别简单而有效的方法的装置。在方法方面，本发明用以达成上述目的的解决方案如下一种确定和监测滚动轴 承状态的方法，在所述滚动轴承工作期间，在超声波范围内的第一频带中检测声发射信号 形式的第一传感器信号，在超声波范围内较低频率的第二频带中检测第二传感器信号，根 据第一传感器信号的信号波形确定至少一个关于所述滚动轴承上正在形成的损伤的第一 特性值，根据第二传感器信号的信号波形确定至少一个关于所述滚动轴承上已经形成的损 伤的第二特性值，将所述至少一个第一特性值与至少一个与滚动轴承转速有关的第一参考 值进行比较以及将所述至少一个第二特性值与至少一个与滚动轴承转速有关的第二参考 值进行比较，以此来确定该滚动轴承的状态。本发明的方法在超声波范围内的第一频带中检测声发射信号形式的第一传感器 信号。“声发射”的英文为“Acoustic Emission(AE) ”，是指一种固体内部突然释放能量而 冲击激发产生弹性波的现象。以结构声形式在固体内部传播的声发射信号通常出现在约 IOOkHz至IMHz的频率范围内。声发射信号对一个固体或物体的机械损伤极其敏感。也就 是说，钢制滚动轴承损坏时会产生一个声发射信号，根据本发明方法的第一特征，在超声波 范围内的第一频带中检测这个声发射信号。此外，本发明还在超声波范围内较低频率(即< IOOkHz的频率范围)的第二频带 中检测第二传感器信号。所述第二传感器信号特定而言检测所谓的损伤频率，在旋转的滚 动轴承上已经形成损伤的情况下，损伤频率因谐振激发而产生。接下来，根据第一传感器信号的信号波形确定至少一个关于滚动轴承上正在形成 的损伤的第一特性值。如上所述，钢(在此即构成滚动轴承的钢)损坏时会产生典型频率 的声发射信号，该声发射信号就此指出滚动轴承上正在形成(即还将进一步发展)的损伤。 进一步，再根据第二传感器信号的信号波形确定至少一个关于所述滚动轴承上已经形成的 损伤的第二特性值。无论所述至少一个第一特性值还是所述至少一个第二特性值均优选根 据相应传感器信号的包络线加以确定，因为这样可以减少所需处理的数据量，从而使所述 方法得到简化。接下来，将所述至少一个第一特性值与至少一个与滚动轴承转速有关的第一参考 值进行比较以及将所述至少一个第二特性值与至少一个与滚动轴承转速有关的第二参考
5值进行比较，以此来确定该滚动轴承的状态。其优点在于，这样既可描述所述滚动轴承的实 际状态，还可描述其状态的未来发展。第一和第二参考值都与滚动轴承的相应转速有关，因 为事实表明，第一和第二传感器信号的振幅分别与滚动轴承的转速成比例。用于与各特性值比较的参考值优选可以是通过对按已知方式已损坏或者正按已 知方式损坏的滚动轴承进行参考测量而获得的值。在此情况下，当一特性值达到或超过相 应的参考值时，这就直接表明滚动轴承上存在相应的损伤，从而达到精确描述滚动轴承状 态的目的。作为替代方案，也可采用在滚动轴承无损状态下测得的值作为参考值。在此情 况下，当至少一个特性值超过其所对应的参考值并且达到预定或可预定的超过程度时，滚 动轴承就会被视为存在损坏风险或者已处于临界状态。一般而言，本发明方法的优点在于可以特别简单的方式监测滚动轴承。举例而言， 本发明的方法只需使用单独一个传感器就可完成，而且无论相关滚动轴承具体是何种型号 或尺寸，都可用同一个传感器来监测。此外，通过对第一和第二传感器信号进行联合检测与 分析，可以特别有效地确定滚动轴承的状态。在对滚动轴承状态进行可靠监测的基础上，判 断滚动轴承是否需要予以维修或更换，或者预测滚动轴承在未来的何时需要这种维修或更 换。根据本发明方法一种特别优选的实施方式，将所述至少一个第一特性值与至少一 个也与滚动轴承的材料、尺寸、质量和/或型号有关的第一参考值进行比较。这种实施方式 的优点在于，该第一参考值通常与滚动轴承的材料以及尺寸或质量相关，进而与滚动轴承 的型号相关。在此情况下，所述至少一个第一参考值的产生方式(即采用声发射信号形式 的第一传感器信号)通常会使其至少在一定程度上与相关滚动轴承的材料有关。所述滚动 轴承的材料一般是钢，但本发明的方法原则上适用于任何材料的滚动轴承。因此，为了能尽 可能精确地监测滚动轴承的状态，需要在所述方法实施之前确定或规定所述至少一个第一 参考值时对至少一个上述变量加以考虑。除了针对具体所用的滚动轴承型号确定第一参 考值这种方法外，还可针对不同尺寸、不同质量和/或不同型号的不同滚动轴承测量第一 参考值，再在这一测量的基础上计算或模拟其他型号的滚动轴承的所述至少一个第一参考 值。本发明的方法优选也可将所述至少一个第二特性值与至少一个也与滚动轴承的 材料、尺寸、质量和/或型号有关的第二参考值进行比较。上述与第一参考值有关的说明同 样适用于第二参考值，据此，本发明方法这一实施方案的优点在于，可以对滚动轴承的状态 进行特别精确、可靠的确定及监测。与所述至少一个第一特性值和所述至少一个第一参考 值相比，第二特性值和第二参考值与滚动轴承的材料之间的关联相对较弱，或者与滚动轴 承的材料之间不存在任何关联。根据本发明方法的另一优选实施方式，所述第一传感器信号由第一机械谐振系统 以一个受滚动轴承材料影响、但不受滚动轴承的尺寸和转速影响的第一谐振频率进行检 测。通过对损坏和没损坏的滚动轴承进行大量研究，其结果表明，借助第一传感器信号检测 到的声发射信号在频率上基本不受滚动轴承的尺寸和转速的影响。其优点在于，这样就可 以借助第一机械谐振系统以相同的第一谐振频率例如为所有类型的钢制滚动轴承检测第 一传感器信号。其优点主要在于，为检测第一传感器信号而设置的传感器设备适用于任何 一种由相同材料构成的滚动轴承。
根据本发明方法一种特别优选的改进方案，针对钢制滚动轴承，在介于IOOkHz与 120kHz之间的谐振频率下检测所述第一传感器信号。大量研究结果表明，所述第一传感器 信号大约为IlOkHz且不受滚动轴承转速或型号影响的频率代表着钢制滚动轴承的损坏。本发明的方法优选也可在4kHz至SkHz带宽的第一频带中检测所述第一传感器信 号。事实表明，在上述带宽的窄带第一频带中检测第一传感器信号可以实现特别精确、有效 的测量值检测。与以宽带检测第一传感器信号的方法相比，这一方案的优点主要在于，可以 免除对第一传感器信号进行后续处理(例如滤波)的麻烦。本发明的方法也可有利地借助第二机械谐振系统以介于25kHz与50kHz之间的第 二谐振频率对所述第二传感器信号进行不受滚动轴承材料、尺寸及转速影响的检测。事实 表明，通过在一个不受滚动轴承材料、转速及尺寸影响的介于25kHz与50kHz之间的第二谐 振频率下检测第二传感器信号，可以在滚动轴承上已经形成的损伤方面实现特别可靠的监 测。本发明的方法优选在3kHz至7kHz带宽的第二频带中检测所述第二传感器信号。 事实表明，以窄带(尤其是介于3kHz与7kHz之间的带宽)检测第二传感器信号也是特别 有利的。这样可以方便地屏蔽干扰信号，从而大幅简化信号处理的难度。所述第一特性值和所述第二特性值原则上可以是任何一种表征相关传感器信号 的信号波形的特性参数。根据本发明方法的一种优选改进方案，确定所述特性值的一种特 别有效而简单的方法是在确定第一和第二特性值时，分别确定相关传感器信号的最大值与 均方根值的乘积。其中，所述特性值可以直接是相应的那个乘积，或者可以通过将该乘积与 一常因数相乘后得到。根据本发明的方法，当所述至少一个第一特性值和/或所述至少一个第二特性值 不同于相应的参考值并且这一情况持续了一段预定时间时，一种有利的方案便是发出报警 信号。其优点在于，这样可以使操作人员或监测人员了解滚动轴承上已有的损伤、将要形成 的损伤或者将要发生的损坏。有利的是，使用者可以自己规定所述至少一个第一特性值和/ 或所述至少一个第二特性值与相应参考值之间的差别程度达到多大时，相关设备会以输出 报警信号的形式进行报警。在装置方面，本发明用以达成上述目的的解决方案如下一种用于在滚动轴承工 作期间确定和监测其状态的装置，该装置包括第一传感器设备，用于在超声波范围内的第 一频带中检测声发射信号形式的第一传感器信号；第二传感器设备，用于在超声波范围内 较低频率的第二频带中检测第二传感器信号；第一信号处理构件，用于根据第一传感器信 号的信号波形确定至少一个关于滚动轴承上正在形成的损伤的第一特性值；第二信号处理 构件，用于根据第二传感器信号的信号波形确定至少一个关于滚动轴承上已经形成的损伤 的第二特性值；分析设备，其作用是将所述至少一个第一特性值与至少一个与滚动轴承转 速有关的第一参考值进行比较以及将所述至少一个第二特性值与至少一个与滚动轴承转 速有关的第二参考值进行比较，以此来确定该滚动轴承的状态。本发明装置的优点与本发明方法的优点基本一致，这方面可以参阅前述内容。就 优选改进方案的优点而言，本发明的装置也是与本发明的方法基本一致。根据本发明装置的一种有利设计方案，所述分析设备用于将所述至少一个第一特 性值与至少一个也与滚动轴承的材料、尺寸、质量和/或型号有关的第一参考值进行比较。
根据本发明装置另一种特别优选的改进方案，所述分析设备用于将所述至少一个 第二特性值与至少一个也与滚动轴承的材料、尺寸、质量和/或型号有关的第二参考值进 行比较。根据本发明装置的另一有利设计方案，所述第一传感器设备具有第一机械谐振系 统，以便以第一谐振频率对所述第一传感器信号进行受滚动轴承材料影响、但不受滚动轴 承的尺寸和转速影响的检测。根据本发明装置另一种特别优选的设计方案，所述第一传感器设备用于在介于 IOOkHz与120kHz之间的谐振频率下检测所述第一传感器信号，以便确定钢制滚动轴承的 状态。根据本发明装置的一种有利设计方案，所述第一传感器设备用于在4kHz至SkHz 带宽的第一频带中检测所述第一传感器信号。根据本发明装置另一种特别优选的实施方式，所述第二传感器设备具有第二机械 谐振系统，以便以介于25kHz与50kHz之间的第二谐振频率对所述第二传感器信号进行不 受滚动轴承材料、尺寸及转速影响的检测。根据本发明装置一种特别优选的实施方式，所述第二传感器设备用于在3kHz至 7kHz带宽的第二频带中检测所述第二传感器信号。根据本发明装置的一种优选设计方案，所述第一和第二信号处理构件用于确定相 关传感器信号的最大值与均方根值的乘积，以便确定所述第一和第二特性值。根据本发明装置的另一有利改进方案，当所述至少一个第一特性值和/或所述至 少一个第二特性值不同于相应的参考值并且这一情况持续了一段预定时间时，所述分析设 备会输出报警信号。根据本发明装置的另一有利实施方案，所述第一和第二传感器设备设计为统一的 微机械系统。微机械系统(又称“微机电系统MEMS”)的优点是体积小，效率高，成本相对 较低。根据本发明装置的另一优选设计方案，所述第一传感器设备和/或所述第二传感 器设备实施为压电式、压阻式、电容式或电感式传感器单元。这一点在第一和第二传感器设 备被设计为统一的微机械系统(亦即，这些传感器设备例如被安装在同一个衬底上)的情 况下特别有利。根据本发明装置的一种有利设计方案，所述第一信号处理构件、所述第二信号处 理构件和所述分析设备整合在集成电路中。借此可进一步简化本发明装置的结构，减小其 体积，降低其成本。根据本发明装置的另一优选设计方案，所述第一和第二传感器设备整合在集成电 路中。根据本发明装置另一种特别优选的实施方式，设有用于放大所述第一和/或第二 传感器信号的放大器单元，所述分析设备用于调节所述放大器单元的增益。这一方案之所 以有利的原因在于，由于信号振幅与转速相关，所述传感器单元必须覆盖较大的信号范围 (即较大的振幅差)。这就要求有较高的动态处理能力，这个问题可以这样解决由所述分 析设备根据具体的输入信号强度为所述放大器单元调节一个合适的放大级。
下文将借助实施例对本发明进行详细说明，其中图1为本发明装置第一实施例的示意图；图2和图3为本发明方法的说明图；图4为本发明装置第二实施例的示意图；图5为本发明装置第三实施例的示意图；以及图6和图7为本发明方法的其他说明图。
具体实施例方式为清楚起见，相同组件或者功能大体相同的组件在各图中用相同参考符号表示。图1为本发明装置第一实施例的示意图。该装置用于监测钢制滚动轴承。为此， 所述装置具有第一传感器设备SE1，该传感器设备用于在超声波范围内的第一频带中检测 声发射信号形式的第一传感器信号Si。在本实施例中，第一传感器信号Sl由图1中未作图 示的第一机械谐振系统在IlOkHz的第一谐振频率下以4kHz至8kHz (即例如5kHz)的带宽 进行检测。事实表明，特定而言如果在上述第一谐振频率范围内进行测量，就可根据第一传 感器信号的信号波形确定一个第一特性值，借助该特性值可对滚动轴承上正在形成(即还 将进一步发展)的损伤进行特别可靠的描述。因此，这个大约为IlOkHz的频率代表着钢制 滚动轴承的损坏，它不受滚动轴承转速或型号的影响。此外，所述装置还具有第二传感器设备SE2，该传感器设备用于在超声波范围内较 低频率的第二频带中检测第二传感器信号S2。这一检测由第二机械谐振系统以40kHz的第 二谐振频率和同样为5kHz的带宽完成。大量研究结果表明，这个频率范围特别适合用来根 据第二传感器信号S2的信号波形确定滚动轴承上已经形成(即现有)的损伤。有利的是， 这个频率范围不受滚动轴承转速或型号的影响。在图1所示的实施例中，上述两个传感器设备SEl和SE2整合在同一个传感器SEN 中，该传感器的形式例如是集成在电路上的微机械系统，这样就可将同一个传感器SEN应 用于所有类型的钢制滚动轴承。原因是，上述两个谐振频率既不受滚动轴承的转速影响，也 不受其尺寸影响。如果滚动轴承是由一种不同于钢的其他材料构成，就只需要调整所述第
一谐振频率。在图1所示的实施例中，用第一信号处理构件Fl根据第一传感器信号Sl的信号 波形确定一个关于滚动轴承上正在形成的损伤的第一特性值。相应地，第二信号处理构件 F2根据第二传感器信号S2的信号波形确定一个关于滚动轴承上已经形成的损伤的第二特 性值。如图1所示，可以实施为滤波器的第一和第二信号处理构件F1、F2可有利地整合在一 个集成电路中，该集成电路视情况还可包括例如微处理器形式的分析设备μ。分析设备μ 的作用是将第一特性值与一个与滚动轴承转速有关的第一参考值进行比较以及将第二特 性值与一个与滚动轴承转速有关的第二参考值进行比较，以此来确定该滚动轴承的状态。在图1所示的实施例中，整合在同一个信号处理设备SIG中的第一信号处理构件 Fl和第二信号处理构件F2分别在相应传感器信号的包络线基础上确定相应的特性值。与 直接以传感器信号为基础的分析相比，这种方案的优点在于需要处理的数据量相对较小。接下来，所述特性值被第一信号处理构件Fl和第二信号处理构件F2确定为相应传感器信号S1、S2的振幅最大值与同一个传感器信号S1、S2的振幅均方根值的乘积，亦即， Kl = Maxl(t)*RMSl(t)以及 K2 = Max2 (t) *RMS2 (t)，其中，Maxl (t)禾Π Max2 (t)表示第一 传感器信号Sl和第二传感器信号S2的最大值，RMSl(t)和RMS2(t)表示其均方根值。其 中，这些变量的时间相关性表明，相关各值是在相应的监测时间点上确定的。确定和监测滚 动轴承W的状态时，将用上述方式确定的特性值K1、K2与参考值R1、R2进行比较，下文将借 助图2和图3对与此有关的进一步处理方式进行详细说明。图2和图3为本发明方法的实施例说明图。大量研究结果表明，无论第一传感器信号Sl还是第二传感器信号S2，其信号振幅 与滚动轴承转速之间均存在一种不受滚动轴承型号影响的线性关系，特别是，即便在采用 上述实施例所提到的那两个频率或频带的情况下也是如此。因此，特性值K1、K2(即传感器 信号Si、S2的最大值与均方根值的乘积K)与滚动轴承转速的平方成比例。图2以第一传 感器信号Sl为例对这种关系进行了图示。除第一特性值Kl外，图2中还展示了第一参考值R1，这个与一参考轴承有关的第 一参考值同样是在采用第一传感器信号Si的最大值与均方根值的乘积K的情况下加以确 定的。由于第一参考值Rl的计算方式与第一特性值Kl 一致，因此该第一参考值同样与滚 动轴承转速的平方有关，第一参考值Rl在图2中也是一条直线。第一特性值Kl和相应的第一参考值Rl都是通过原点的直线，因为当滚动轴承处 于停工状态时，不会发出任何信号。但是在另一方面这又意味着，如果在某个转速下对第一 参考值Rl进行测量，就可以该测量的结果为基础来计算第一参考值Rl对应于滚动轴承其 他任意一个转速的值。原因是，图2所示的直线明确地由其中一个测得值和原点确定。这 样就只需要在某个转速(例如25Hz)下对一参考轴承进行测量，并根据检测到的传感器信 号确定第一参考值Rl和第二参考值R2。接下来就可以简单地以在相应转速下确定的参考 值R1、R2为基础，计算出对应于其他任何转速的参考值R1、R2。也就是说，最后对于两个传 感器信号S1、S2中的任何一个而言，仅参考值R1、R2就足以用来表征所述参考轴承或实现 对所述滚动轴承的状态监测。一方面可以采用跑合状态下的无损滚动轴承作为所述参考轴承。只要第一参考值 Rl是针对这样一个无损参考轴承确定的，那么当在同一个转速下确定的第一特性值Kl超 过该第一参考值并且超过程度达到一个例如为4的常因数时，就可判断出滚动轴承上正在 形成损伤。更方便的做法是在计算第一参考值Rl时就将相应的因数考虑进去，此时会产生 与图2所示相一致的结果。在图2所示的实施例中，被监测的滚动轴承没有损坏，因此第一 参考值Rl与第一特性值Kl在相应频率下的差值大体就是这个常因数。作为上述处理方式的替代方案，也可针对一个已损坏的参考轴承来确定第一参考 值Rl。这种情况下也可能产生如图2所示的结果，此时如果第一特性值Kl达到第一参考 值R1，就可认为被监测的滚动轴承已有相应程度的损坏，或者损坏方式及程度至少与所用 的参考轴承相似。根据上述说明可以得出如下结论对于传感器信号Si、S2中的任何一个而言，要 在上述实施例中以简单而有效的方式分析测得传感器信号Si、S2来确定与转速相关的参 考值R1、R2，每次都只需采用一个参数，该参数例如可以是图2中表示Rl的直线的斜率。在 这些参数的基础上，可以根据相应的工作转速直接算出具体的参考值Rl、R2。
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一旦其中一个特性值K1、K2在同一转速下超过相应的参考值R1、R2并且这一情况 持续了一段预定时间，就可有利地启动一个例如红色信号灯形式的警报。此外，在按上述实 施例将确定特性值K1、K2与相应的参考值R1、R2进行比较时，可以特别简单的方式实现预 警，例如启动黄色报警灯。这样，滚动轴承的使用者或操作者就可有利地规定一个用来与相 应参考值R1、R2相乘且小于1的“预警因数”。当在轴承监测过程中达到一个第一特性值Kl 或第二特性值K2且该特性值超过按上述方式确定的预警值但小于相应的参考值Rl或R2 时，就会有利地产生相应的预警。图2中的直线Vl就是这样一条表示预警的“界限直线”。所述传感器(即第一传感器设备SEl和第二传感器设备SE》的振幅通常也与滚 动轴承的尺寸或旋转质量有关，也就是说最终还是与滚动轴承的型号有关。特别对于第一 传感器信号Sl而言，其产生方式决定了上述相关性通常还包括了与滚动轴承材料的相关 性。下文将借助图3对此进行详细说明。图3分别为两个不同型号的滚动轴承Ll和L2展示了其第一特性值K1，除此之外 还展示了适用于这些滚动轴承L1、L2的参考值Rlu和Rlm很明显，这两个滚动轴承Ll和 L2无论是第一特性值Klu和K、还是相应的参考值Rlu和Rl2都彼此不同，但若以图2的 图示方式进行图示，它们与滚动轴承Li、L2的转速平方f2之间又分别形成线性关系。图4为本发明装置第二实施例的示意图。图中所示的滚动轴承W上装有传感器 SEN，该传感器包含多个传感器单元，用于检测第一和第二传感器信号。各传感器信号经放 大器单元V放大后被传输至滤波器F，该滤波器具有用于根据传感器信号的信号波形确定 至少一个特性值的第一及第二信号处理构件。经相应滤波处理的值被模/数转换器ADC传 输给分析设备μ，该分析设备可实施为微控制器或个人电脑。由于包含有所述传感器设备 的传感器必须覆盖较大的信号范围，这就要求放大器单元V具备较高的动态处理能力。这 个问题可以这样解决由控制单元(即分析设备μ )根据具体的输入信号强度为放大器单 元V调节一个合适的放大级。除控制放大器单元V外，分析设备μ的主要功能是分析和显示测量结果。为此，分 析设备μ有利地具有一个数据表，其中针对每种轴承型号LT(即滚动轴承Li、L2、L3...) 分别存储了各滚动轴承Li、L2、L3的特定转速下的相应参考值Rl、R2。尽管滚动轴承W实 际需要承受多种不同负荷，但事实表明，在滚动轴承W的允许负荷范围内，负荷对各特性值 和参考值的影响小到可以忽略不计。为不同型号的滚动轴承检测一次参考值Rl、R2后，可 以将其存储在所述数据表中。通过读取待监测滚动轴承W的参考值Rl、R2，就可借助分析 设备μ对该滚动轴承W进行简单而可靠的状态监测。分析设备μ还可在测得传感器信号的分析方面实现用户定制。在所示实施例中， 这就意味着使用者可以借助参数A规定一个例如以百分比计的预警级，借助参数B规定一 个例如以秒为单位的时隙，借助参数C规定一个例如以百分比计的超过度。也就是说，参数 A相当于上文联系图2所说明的预警因数。至于参数B和C的含义，下文将会联系图7予以 详细说明。一般而言，可以分别针对在IlOkHz的第一谐振频率下检测到的第一传感器信号 和在40kHz的第二谐振频率下检测到的第二传感器信号规定参数A、B、C。在此需要强调的是，除了上文所描述的将至少一个第一特性值与至少一个第一参 考值进行比较以及将至少一个第二特性值与至少一个第二参考值进行比较的方法外，还可 采用其他方法来根据第一和第二传感器信号确定滚动轴承的状态。特别是在那些用作特性值的变量方面，情况也是如此。但需要注意的是，一般都应考虑相关特性值与滚动轴承转速 之间的关系。图5为本发明装置的第三实施例。图中为一电动机M，其滚动轴承由传感器SEN 监测。与上述实施方式相同，在图5所示的实施例中，传感器SEN也同样具有两个各包括一 个谐振系统的传感器单元，这些传感器单元以5kHz左右的带宽分别在大约IlOkHz和大约 40kHz的谐振频率下检测信号。这两个谐振频率范围各提供一个包络线信号，按照上述实施 方式从这两个包络线信号中提取相应的最大值和均方根值来确定第一和第二特性值。图5所示的实施例用分析设备μ处理分析传感器信号，该分析设备包含有上文联 系图1所说明的第一和第二信号处理构件。这些组件例如可实施为统一的集成电路。分析 设备μ可以通过接口 OUT输出分析结果，以供进一步处理(例如可视化)用。在对电动机 M的滚动轴承进行监测期间，分析设备μ以与图4所示实施例类似的方式对存储设备DB进 行访问，该存储设备中存储有至少一个第一参考值Rl和至少一个第二参考值R2。图6为本发明方法的另一实施例说明图。在此，第一参考值Rl和第二参考值R2仍 然是为参考滚动轴承确定的振幅值与均方根值的乘积K，作为转速平方f2的函数。假设被 监测的滚动轴承是6208型号的滚动轴承，以30Hz的转速工作。此外采用如图5所示的装 置，其存储设备DB中存储有图6所示各直线的斜率，用以根据转速来确定参考值Rl和R2。 需要指出的是，存储设备DB并非必须布置在分析设备μ附近。亦即，存储设备DB也可以 是(例如)中央数据库服务器，分析设备μ可以通过无线或有线通信接口对其进行询问。在此情况下，分析设备μ就可在确定和监测所述滚动轴承时从存储设备DB中专 门为6208型号的滚动轴承调用两个斜率的值。随后可以根据这些描述参考轴承性能的斜 率为30Hz的滚动轴承工作转速确定第一参考值Rl和第二参考值R2。在滚动轴承工作期 间，当特性值K1、K2中的至少一个超过相应的参考值Rl、R2并且这一情况持续了一段特定 的、可由使用者规定的时间(例如30分钟)时，就会有利地发出报警信号。可以通过这个 报警信号或其他补充手段让滚动轴承的使用者或操作者了解第一特性值Kl或第二特性值 K2有否超过相应的参考值R1、R2，亦即，所述滚动轴承有否因正在形成的损伤和/或已经形 成的损伤而处于临界状态。图7为本发明方法的另一实施例说明图。第二特性值K2(即在40kHz的谐振频率 下确定的特性值)在此为时间t的函数。此外，图中的水平虚线表示与之对应的第二参考 值R2。根据被监测轴承的具体用途，短时超过参考值的情况一般不会直接引发警报，也 就是说，只有在持续超过的情况下才会触发报警信号。为此，使用者可以有利地规定一个持 续时间Ta和超过度。二者相当于上文联系图4所提到的参数B和C，其用法如下假设所规 定的超过度为80%，那么在长度Ta的一个时隙内，只有当相关特性值超过其所对应的参考 值并且这一情况至少持续了持续时间Ta的80%时，才会触发报警信号。在图7所示的实施 例中，第二参考值R2被第二特性值K2超过并且这一情况持续了所规定的全部持续时间TA。 在此情况下，分析设备就会产生并输出一个报警信号。在本实施例中，为清楚起见而未在图7中予以展示的第一特性值Kl没有超过其所 对应的参考值R1。在此情况下，该测量结果就可解释为被监测滚动轴承还将进一步发展 的损伤率(即正在形成的损伤)尚不足以导致第一参考值被超过。但是已经形成的全部损
12伤(即现有的全部损伤)超过了可以接受的程度，因而对于该滚动轴承、以该滚动轴承为组 件的元件以及对于受控过程或整个系统而言都存在危险。这样就需要在第二特性值K2超 过第二参考值R2时触发警报。从上述实施方式可以看出，本发明方法的优点主要在于，仅使用一个包含两传感 器单元的传感器就可对任意型号的滚动轴承进行状态监测，只要这些滚动轴承是由同一种 材料(例如钢)构成的。如果用这样一个传感器来监测由其他材料构成的滚动轴承，也只 需要改变该传感器的第一谐振频率。也就是说，可以用相同结构的传感器来监测例如由陶 瓷构成的滚动轴承，并且其第二谐振频率保持不变。根据上述实施方式，第一谐振频率与材 料有关，因此，适用于陶瓷的第一谐振频率一般情况下不同于上述适用于钢的110kHz。此外，本发明的方法和装置优选采用两个窄带谐振频率，这样就免去了分析较大 频率范围(例如与被监测滚动轴承的尺寸有关的翻转频率(Oberrollfrequenz))的麻烦。 另一优点是，按上述实施例确定被监测滚动轴承的状态时，针对每种滚动轴承型号只需向 分析设备传输两个参数或参考值。
权利要求
1.一种确定和监测一滚动轴承(W)的状态的方法，其中，在所述滚动轴承(W)工作期间，在超声波范围内的一第一频带中检测声发射信号形式的一第一传感器信号(Si)， 在超声波范围内较低频率的一第二频带中检测一第二传感器信号(S2)， 根据所述第一传感器信号(Si)的信号波形确定至少一个关于所述滚动轴承(W)上正 在形成的损伤的第一特性值(Kl)，根据所述第二传感器信号(S》的信号波形确定至少一个关于所述滚动轴承(W)上已 经形成的损伤的第二特性值(以)，以及将所述至少一个第一特性值(KI)与至少一个与所述滚动轴承(W)的转速有关的第一 参考值(Rl)进行比较以及将所述至少一个第二特性值(以)与至少一个与所述滚动轴承 (W)的转速有关的第二参考值(似)进行比较，以此来确定所述滚动轴承(W)的状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述至少一个第一特性值(Kl)与至少一个也与所述滚动轴承(W)的材料、尺寸、质 量和/或型号有关的第一参考值(Rl)进行比较。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述至少一个第二特性值(K2)与至少一个也与所述滚动轴承(W)的材料、尺寸、质 量和/或型号有关的第二参考值(似)进行比较。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一传感器信号(Si)由一第一机械谐振系统以一受所述滚动轴承(W)的材料影 响、但不受所述滚动轴承(W)的尺寸和转速影响的第一谐振频率进行检测。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，针对一钢制滚动轴承(W)，在一介于IOOkHz与120kHz之间的谐振频率下检测所述第一 传感器信号(Si)。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在4kHz至SkHz带宽的一第一频带中检测所述第一传感器信号(Si)。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，借助一第二机械谐振系统以一介于25kHz与50kHz之间的第二谐振频率对所述第二传 感器信号(S》进行不受所述滚动轴承(W)的材料、尺寸及转速影响的检测。
8.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在3kHz至7kHz带宽的一第二频带中检测所述第二传感器信号(S2)。
9.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过确定相关传感器信号(Kl，K2)的最大值与均方根值的乘积来确定所述第一特性 值(Kl)和所述第二特性值(K2)。
10.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，当所述至少一个第一特性值(KI)和/或所述至少一个第二特性值(以)不同于相应的 参考值(R1，M)并且这一情况持续了一段预定时间(Ta)时，输出一报警信号。
11.一种用于在一滚动轴承(W)工作期间确定和监测其状态的装置，所述装置包括 一第一传感器设备(SEl)，用于在超声波范围内的一第一频带中检测声发射信号形式的一第一传感器信号(Si)，一第二传感器设备(SE2)，用于在超声波范围内较低频率的一第二频带中检测一第二 传感器信号(S2)，第一信号处理构件(Fl)，用于根据所述第一传感器信号(Si)的信号波形确定至少一 个关于所述滚动轴承(W)上正在形成的损伤的第一特性值(Kl)，第二信号处理构件(F2)，用于根据所述第二传感器信号(S2)的信号波形确定至少一 个关于所述滚动轴承(W)上已经形成的损伤的第二特性值(K2)，以及一分析设备(μ )，其作用是将所述至少一个第一特性值(Kl)与至少一个与所述滚动 轴承(W)的转速有关的第一参考值(Rl)进行比较以及将所述至少一个第二特性值(Κ2)与 至少一个与所述滚动轴承(W)的转速有关的第二参考值(似)进行比较，以此来确定所述滚 动轴承(W)的状态。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述分析设备(μ)用于将所述至少一个第一特性值(KI)与至少一个也与所述滚动轴 承(W)的材料、尺寸、质量和/或型号有关的第一参考值(Rl)进行比较。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述分析设备(μ)用于将所述至少一个第二特性值(Κ2)与至少一个也与所述滚动轴 承(W)的材料、尺寸、质量和/或型号有关的第二参考值(似)进行比较。
14.根据权利要求11至14中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一传感器设备(SEl)具有一第一机械谐振系统，以便以一第一谐振频率对所述 第一传感器信号(Si)进行受所述滚动轴承(W)的材料影响、但不受所述滚动轴承(W)的尺 寸和转速影响的检测。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第一传感器设备(SEl)用于在一介于IOOkHz与120kHz之间的谐振频率下检测所 述第一传感器信号(Si)，以便确定一钢制滚动轴承(W)的状态。
16.根据权利要求11至15中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一传感器设备(SEl)用于在4kHz至SkHz带宽的一第一频带中检测所述第一传 感器信号(Si)。
17.根据权利要求11至16中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述第二传感器设备(SE》具有一第二机械谐振系统，以便以一介于25kHz与50kHz 之间的第二谐振频率对所述第二传感器信号(S》进行不受所述滚动轴承(W)的材料、尺寸 及转速影响的检测。
18.根据权利要求11至17中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述第二传感器设备(SE》用于在3kHz至7kHz带宽的一第二频带中检测所述第二传 感器信号(S2)。
19.根据权利要求11至18中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一和第二信号处理构件(Fl，F2)用于确定相关传感器信号的最大值与均方根 值的乘积，以便确定所述第一特性值(Kl)和所述第二特性值(K2)。
20.根据权利要求11至19中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，当所述至少一个第一特性值(KI)和/或所述至少一个第二特性值(以)不同于相应的 参考值(R1，M)并且这一情况持续了一段预定时间时，所述分析设备(μ)会输出一报警信号。
21.根据权利要求11至20中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述第一和第二传感器设备(SE1，SE》设计为统一的微机械系统。
22.根据权利要求11至21中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一传感器设备和/或所述第二传感器设备(SE1，SE》实施为压电式、压阻式、电 容式或电感式传感器单元。
23.根据权利要求11至22中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一信号处理构件(Fl)、所述第二信号处理构件(F》和所述分析设备(μ)整合 在一集成电路中。
24.根据权利要求11至23中任一项权利要求所述的装置，其特征在于， 所述第一和第二传感器设备(SE1，SE》整合在一集成电路中。
25.根据权利要求11至M中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，设有一用于放大所述第一和/或第二传感器信号(Si，S2)的放大器单元(V)，以及 所述分析设备(μ)用于调节所述放大器单元(ν)的增益。
全文摘要
本发明涉及一种确定和监测一滚动轴承(W)的状态的方法，这种方法特别简单、有效，其中，在所述滚动轴承(W)工作期间，在超声波范围内的一第一频带中检测声发射信号形式的一第一传感器信号(S1)，在超声波范围内较低频率的一第二频带中检测一第二传感器信号(S2)，根据所述第一传感器信号(S1)的信号波形确定至少一个关于所述滚动轴承(W)上正在形成的损伤的第一特性值(K1)，根据所述第二传感器信号(S2)的信号波形确定至少一个关于所述滚动轴承(W)上已经形成的损伤的第二特性值(K2)，将所述至少一个第一特性值(K1)与至少一个与所述滚动轴承(W)的转速有关的第一参考值(R1)进行比较以及将所述至少一个第二特性值(K2)与至少一个与所述滚动轴承(W)的转速有关的第二参考值(R2)进行比较，以此来确定所述滚动轴承(W)的状态。本发明此外还涉及一种用于确定和监测一滚动轴承(W)的状态的装置。
文档编号G01M13/04GK102105774SQ200880130465
公开日2011年6月22日 申请日期2008年7月24日 优先权日2008年7月24日
发明者克劳斯-迪特尔·米勒, 斯特凡·舍雷尔, 汉斯-亨宁·克洛斯, 迈克·齐内克 申请人:西门子公司