检测滚子轴承中的滚子体旋转的不规则性的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明的实施例设及滚子轴承的状态监测，特别设及用于检测滚子轴承中的滚子 体旋转的不规则性的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 滚子轴承的状态监测日益重要，特别是在具有中等及较大尺寸的滚子轴承的应用 中，例如在列车、风能转换器中或者在其它类型的发电厂中所使用的滚子轴承。
[0003] 要被监测的运转状态的一个具体例子是监测轴承上的当前载荷，该对剩余使用寿 命的计算、超载荷状态或欠载荷状态的发生等具有显著影响。然而，除了直接收集关于滚子 轴承运转状态的信息之外，状态监测还可W用来确定关于实施特定滚子轴承的主要系统的 有用信息。例如，如果汽车或火车的轮穀或车轮中的滚子轴承采用载荷传感，则可W确定车 轮上的各个载荷，W便例如电子地控制提供给每个从动轮的功率的量或施加到每个车轮的 制动功率的量。
[0004] 尽管其不可否认的好处，但是滚子轴承的状态监测仅仅很少使用，因为用来将所 确定的载荷或其他运转状态传输至监测电路的不同类型的传感器、评估电子器件和通信电 子器件须单独地安装在滚子轴承上，用线连接在一起并且被提供有运转能量。将不同类型 的传感器及相关的评估电子器件和能量来源单独地连接到滚子轴承可能相当地耗时并且 很昂贵。此外，传统的解决方案需要原始测量或监测数据的过多评估。
[0005] 因此，期望的概念是允许更有效地实现对滚子轴承的状态监测。
【发明内容】
[0006] 本发明的实施例允许检测滚子体旋转的不规则性，例如由于保持架故障或分段保 持架的不必要的行为或甚至滚子体的丢失。为此，可W测量在滚子轴承的侧面的应变和/ 或在围绕轴承圈的圆周的位置处的应变，W获得由于滚子通过所引起的应变变化。也就是 说，实施例使用载荷传感，其使用在滚子轴承的内圈或外圈的某一位置由滚子通过所引起 的应变变化。
[0007] 根据本发明的一方面，提供了一种用于检测滚子体在滚子轴承中旋转的不规则性 的方法。所述方法包括的步骤是提供表示滚子轴承的轴承圈的表面区域的变形的变形信 号。由此，所述变形是由于在滚子轴承的操作期间滚子体在所述表面区域上的旋转。此外， 所述方法包括的步骤是从变形信号中提取一个或多个所关注的信号量或部分，W及提供关 于所提取的一个或多个所关注的信号量/部分的统计信息的步骤。
[000引所述方法可W适用于任意的滚子轴承，比如径向或轴向轴承，包括滚珠轴承、圆柱 滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、或球面滚子轴承。因此，滚子体或滚动元件可W由滚 珠、滚针、圆锥滚子和球面滚子的组形成。例如，（深沟）滚珠轴承被设计成用于支撑主要 径向载荷，而球面滚子轴承通常被设计成用于容纳重径向载荷W及重轴向载荷。在径向轴 承中，内外轴承圈不仅同轴而且同屯、。也就是说，内圈同屯、地位于外圈内，并且内圈和外圈 大致位于基本上垂直于旋转轴线的相同平面内。在径向轴承处于实际使用时由多个滚动元 件穿过的路径与内外圈同屯、。内圈和外圈形成共面配置，并且相对于彼此同轴旋转。
[0009] 在轴向轴承中，内圈和外圈布置成同轴但不同屯、。第一内圈位于大致垂直于旋转 轴线的第一平面内，外圈位于大致垂直于旋转轴线并且与第一平面间隔开的第二平面内。 在轴向轴承处于实际使用时由多个滚动元件穿过的路径与内外圈同轴，但是位于与第一平 面和第二平面大致平行的另一平面内。
[0010] 在实施例中，提供变形信号包括在滚子轴承的运转状态中通过联接到（内外）轴 承圈的表面区域的变形传感器产生或测量变形信号。由此，所述变形传感器可W包括至少 一个应变计，W在滚子体在滚子轴承的径向和/或轴向载荷下通过所述表面区域时测量表 面区域的应变或机械变形。随着表面区域因通过滚子所传递的载荷而变形，表面区域上应 变计的薄片可能会变形，导致其电阻发生变化。该种电阻变化（通常是使用Wheatstone 电桥来测量的）由被称为量规因子的量而关联于所述应变。原则上，其他的传感器概念也 是可W想象的，比如联接或连接到滚子轴承或其滚道并且通过其他物理量来测量变形的电 感、电容、光学、或者磁性变形传感器。理想地，所得的变形信号将是正弦信号，其在受到机 械载荷的滚子体通过联接到变形传感器的测量表面时具有变形峰。例如，当滚子元件间距 存在不规则时，大致正弦测量信号将变得不规则，例如关于频率分量、信号幅度等。
[0011] 尽管一些实施例针对提供关于形成滚道的轴承圈的内表面的弹性变形的变形信 号，即关于大致平行于滚子轴承的旋转轴线的表面区域，但本发明的其他实施例包括确定 大致垂直于滚子轴承的旋转轴线的表面区域的变形。该可能是特别的情况，当采用所谓的 "侧载荷测量"时。当变形传感器可操作成确定大致垂直于旋转轴线的表面区域的变形，该 可能是特别的情况。也就是说，在径向轴承的示例中，变形传感器将会可操作成提供表示轴 承圈的沿径向延伸的侧面比如凸缘的变形的变形信号。测量模块的特别紧凑的实施方式可 能通过采用侧载荷测量而变得可行，其基于在大致垂直于旋转轴线的轴承圈上表面区域的 变形的感测及进一步处理。更一般地，由于侧载荷测量，可W采用基本上不同于平行于旋转 轴线的任何表面的表面区域的变形。
[0012] 该种表面区域的变形是由载荷随着通过轴承的滚动元件从内圈传递至外圈而引 起的。特别是，当滚子元件通过邻近特定表面区域的区域时，通过滚动元件而被传递的载荷 促使内圈或外圈发生弹性变形且因此轴承圈的表面区域发生变形。即使当滚子轴承上的主 载荷的向量指入与表面区域的表面法线不同的方向时，可W在滚子轴承的机械特性特别是 轴承圈的材料和尺寸W及滚动元件的数量、尺寸和材料已知时得出载荷向量的方向和强度 的结论。例如，可W通过使用有限元分析方法（FEM)、在不同操作条件下（例如在不同的载 荷向量方向、温度等）对滚子轴承的变形特性建模来执行载荷向量的确定。该个概念可W 用来确定在径向轴承上W及在轴向轴承上的载荷。
[0013] 在一些实施例中，提供变形信号（其可W包括在子步骤中测量变形信号）还可W 包括将变形信号存储在存储设备中，用于随后的统计分析。出于该个原因，安装在或连接到 在例如与风能设备的壳体相同的壳体中的滚子轴承的测量模块可W包括电子存储设备，比 如半导体存储器。然后可W对所存储的变形信号样本进行分析来提取所关注的统计信息。
[0014] 根据本发明的实施例，提供统计信息可W包括提供（基于变形信号）表示一个或 多个所关注的变形信号量的概率分布的信号。概率分布可W被定义为将概率分配给随机试 验的每个可能的结果。在本发明的上下文中，随机试验可w理解为多个滚动元件在滚子轴 承或其两个轴承圈内旋转。为了确定信号量的概率分布的指示的目的，变形信号的总时间 持续可W被细分成多个时间间隔。在该种情况下，提取一个或多个信号量的统计信息可W 包括对于整个信号或对于每个时间间隔来说从变形信号振幅、相邻变形信号峰之间的时间 差、相邻变形信号最大值之间的时间差、W及相邻变形信号最小值之间的时间差等的组中 提取一个或多个信号参数。
[0015] 根据特定的实施例，提供表示概率分布的信号可W包括分别确定表示一个或多个 所关注的信号量的分布的一个或多个直方图。在统计学中，直方图是代表示出数据分布的 印象。它是连续变量的概率分布的估计。直方图包括表格频率，示出为相邻的矩形，竖立在 离散间隔（箱）上，面积等于在该间隔的观察频率。箱的高度还等于间隔的频率密度，即由 间隔的宽度所划分的频率。直方图的总面积等于数据的数量。直方图还可W规格化显示相 对频率。然后它表明落入若干类别的每个中的情况的比例，其中总面积等于1。该些类别通 常被指定为变量的连续、非重叠的间隔。类别（间隔）应该是相邻的，并且经常被选择成是 相同大小的。可W将直方图的矩形或箱绘制成使它们相互接触，W表示原始变量是连续的。 也就是说，在实施例中，直方图可W关于来自信号振幅、相邻信号峰之间的时间差、相邻信 号最大值之间的时间差、W及相邻信号最小值之间的时间差的组的信号参数的分布。通过 查看正弦载荷传感或变形信号的各个波，某些特征可被存储，比如幅度和/或最大值的时 间和最小值的时间。在已经聚集了大量的特性之后，对在该些测量的时间上的相对间距进 行分析。在时间上的相对间距可W归因于滚子间距。通过仅存储或推进时间间距、峰-峰、 最大值和最小值的直方图，要被存储或发送的数据的量可W大大减少。
[0016] 在本发明的实施例中，提供一个或多个所关注的信号量的统计信息可W包括通过 数据网络将所确定的统计信息例如直方图数据从联接到滚子轴承的测量节点发送到通信 网络的远程评估节点。要指出的是，所确定的统计信息通常包括的数据远远少于原始变形 信号。也就是说，实施例的一个优点在于，滚子间距数据可非常紧凑的方式（例如直方 图）来表示，通过其来更容易地分析轴承的状态W及趋向随时间的变化。例如，各实施例还 可W通过只发送统计信息但足够精确W登记不太可能的故障事件来解决