回转装置的监测设备和方法
【专利摘要】一种监测回转装置的性能的方法，并且具体的是一种基于实时倾斜力矩预测回转装置的操作寿命的方法。所述方法包括测量在经由回转装置而安装在支撑结构上的上部结构处的实时力相关参数。在机器操作时，基于实时测量结果相应地调整和确定轴承的操作寿命。
【专利说明】
回转装置的监测设备和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种监测材料处理或操作设备的回转装置的性能的方法，并且具体 地、但是不专门地涉及一种基于测量与施加到回转装置的倾斜力矩相关的实时力相关参数 而预测回转装置的操作寿命的方法。
【背景技术】
[0002] 回转装置用于各种各样的移动材料处理或操作机器，并提供在底盘或支撑组件和 上面的上部结构之间的旋转连接。存在各种不同的回转装置，包括例如滚子式轴承、支重轮 型轴承、多滚道或滚动元件轴承。然而，对于所有轴承类型共同的是，轴承向由底盘所承载 的上部结构提供旋转调节的能力。
[0003] 回转装置的类型和几何形状的选择典型地通过标称设计寿命计算来支持。这样的 计算考虑了回转装置在使用期间暴露于不同的负载情况下以及当完成其操作任务时的机 器移动。例如，由于在使用过程中轴承的过早退化并且特别是例如内部部件（例如滚动元 件、笼架、滚道、轮等）的过早磨损、污染物侵入到轴承内以及缺乏润滑，因此实际的轴承寿 命相对于预测值的减小是常见的。对于滚子式轴承的回转装置寿命计算通常使用国际标准 DIN/IS0 281 进行。
[0004] 由于回转装置维修或维护而造成的机器停机时间是不期望的，因此，期望准确预 测维护时段或机器的长期操作寿命。DD 218641和DE 10 2005023252描述了用于确定大规 模处理设备的部件零件的损坏程度和剩余寿命的系统。
[0005] 然而，传统电气监测系统涉及提供部件零件的磨损状态，从而当已达到临界状态 或临界值时提供触发的告警指示。这种隔离需要正移动着的部件零件(并且特别是壳体或 安装件）的显著修改，以集成电气监测部件。此外，目前支持回转装置磨损状态的预防性维 护策略涉及定期检测的监测，并在已定义的参考点处进行距离的手动测量，例如跌落高度 和倾斜测量。这种检测通过特别的视觉检查进行。此外，这种电气监测系统不利的是，提供 的是已经引起损害的反馈。然而，需要的是一种方法，其在显著或加速磨损之前基于实际使 用而精确和可靠地预测回转装置的磨损状态或操作寿命。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供监测散装固体的处理设备的回转装置的性能的方法，所述 回转装置支撑安装在支撑结构或底盘组件上的上部结构，所述方法基于轴承的使用条件而 提供对回转装置的操作寿命的预测。进一步的特定目的是，基于测量与由上部结构施加到 回转装置的倾斜力相关的实时力相关参数而提供对回转装置的操作寿命的预测。
[0007] 进一步的特定目的是，在回转装置的显著损坏之前基于实时负载评估而更为准确 地预测回转装置的操作寿命，使得可以随后采取校正动作。
[0008] 根据本发明的第一方面，提供监测材料处理或操作设备的回转装置的性能的方 法，其中回转装置支撑安装在支撑结构上的上部结构，所述方法包括:使用至少一个传感器 测量实时力相关参数，所述至少一个传感器与作用在上部结构上的外部负载力相关;基于 力相关参数以及至少一个几何参数，确定由上部结构施加到回转装置的实时倾斜力矩，所 述至少一个几何参数描述在负载力和回转装置之间的几何关系;基于实时倾斜力矩预测回 转装置的操作寿命。
[0009] 本说明书中对"倾斜力矩7的引用包含类似和等同的定量表达和力，诸如如施加到 中心地延伸通过回转装置的轴线(与所述轴承的平面垂直地对齐)的力矩、转动惯量、力矩、 力矩、力矩负载、转矩。此外，在本说明书中对"回转装置"的引用包含类似和等同的表达，诸 如回转轴承、回转环、转台等。
[0010] 可选的，力相关参数包括以下组中的任一个或组合:质量;压力;张力;压缩;应力； 变形;转矩。这些参数可以通过一个或多个传感器确定，所述一个或多个传感器被激活，用 以在机器操作或当空闲时持续地确定合适的力相关测量结果。本发明方法还能够包括将由 上部结构施加到回转装置的轴向力作为操作寿命确定的组成部分。本发明方法有利的是， 基于主动监测施加到上部结构并因此施加到回转装置的外部力，而提供回转装置的剩余寿 命的实时预测。
[0011]有利的是，产生力相关参数的外部负载力可以存在于上部结构的至少两个部件之 间。该布置便于精确负载估计。可选的，所述至少两个部件可以彼此相对和/或相对于回转 装置移动。例如，施加到部件中的一个部件上的力可以导致该部件移动并且可以随后适当 地监测该移动，以确定施加到上部结构的外部力的大小。
[0012] 可选的，所述至少两个部件包括吊臂和上部结构的部分;其中吊臂能够绕枢轴线 枢转，使得吊臂的枢转移动影响由作用在回转装置上的上部结构产生的实时倾斜力矩。确 定力相关参数的传感器可以定位在上部结构的任何位置处、或者定位在远程位置处，但形 成电路、网络或联接结构的组成部分，该电路、网络或联接结构在用于确定外部负载的传感 器和上部结构的部件之间延伸。
[0013] 可选的，在两个部件包括吊臂和上部结构的区域的情况下，力相关参数包括在动 力操作线性致动器上的流体的压力，该动力操作线性致动器安装在上部结构上，以在上部 结构处支撑吊臂的位置。可选的，力相关参数包括在上部结构处支撑吊臂的位置的绳索或 线缆的张力。测量变幅气缸或支撑线缆或绳索中的压力或张力是用于确定外部负载的方便 和可靠的机制。这样的布置和方法不涉及上部结构的相当大的修改，以容纳传感器，并且能 够方便地获得数据并将其传送到位于远程位置处的、设备内的合适的数据存储和处理实用 设施。
[0014] 可选的，所述至少一个几何参数提供在吊臂的枢轴线的几何位置与倾斜力矩轴线 之间的关系，所述倾斜力矩轴线延伸通过回转装置，绕该倾斜力矩轴线施加实时倾斜力矩。 如将要理解，所述几何参数可以包括任何定量值或多个定量值，其描述在上部结构和回转 装置的区域、部件零件、轴线、旋转中心等之间的几何关系，并且特别是在外部负载力和回 转装置的倾斜力矩创建之间的相关性。
[0015] 优选地，方法进一步包括通过基于回转装置的合成力矩和轴向负载而将所确定的 回转装置倾斜力矩与回转装置参考运行寿命曲线相关联，而确定合成的回转装置倾斜力 矩。方法进一步包括基于所述合成的回转装置倾斜力矩和所确定的回转装置倾斜力矩，而 获得回转装置负载因数。方法可以随后进一步包括将轴承特定指数应用到负载因数上，以 获得回转装置的操作寿命。优选地，方法进一步包括重复基于多个所确定的回转装置倾斜 力矩而确定合成回转装置倾斜力矩和负载因数的步骤，以基于多个外部负载力获得回转装 置的经编译的操作寿命；以及将操作时间参数应用到每个操作寿命上，该操作寿命基于相 应的外部负载。这些工序步骤根据已考虑安装于设备内的轴承类型的国际标准DIN/ISO 281而进行，并且特别地回转装置的部件的性质和几何参数也参考国际标准DIN/ISO 281。 回转装置参考运行寿命曲线的利用是根据国际标准DIN/ISO 281，并且类似的，"合成力 矩"、"负载因数"、以及"已编译的操作寿命"的确定如本领域的技术人员所了解的，也是根 据国际标准DIN/ISO 281。
[0016] 根据本发明的第二方面，提供预测材料处理或操作机器的回转装置的操作寿命的 工序，所述机器包括：回转装置，该回转装置在支撑结构上安装上部结构；吊臂，所述吊臂枢 转地安装在上部结构上，吊臂具有能够相对于上部结构升起和降低的远端;至少一个致动 器，该至少一个致动器连接到吊臂和上部结构，以致动远端相对于上部结构升起和降低；以 及至少一个传感器，该至少一个传感器用于监测致动器上的实时力相关参数;所述工序包 括如本文所要求保护的监测回转装置的性能的方法。该布置有利的是，精确地确定使用中 的以及暴露于在设备操作时的实际和工作外部负载的回转装置的剩余操作寿命。因此，经 由本发明自动化的或半自动化的方法/工序，当基于外部负载而实时校正剩余操作寿命时， 加设备操作员和服务员随后能够调整所指定的服务时间表和维护周期，通过实时输出的剩 余操作寿命而连续或在定期间隔测量所述外部负载。
[0017] 可选的，材料处理或操作机器包括以下组的任一个或其组合:斗轮取料机，该斗轮 取料机包括可旋转安装在吊臂的远端的多个斗;堆跺机;播撒机;堆垛机/取料机组合;起重 机;船舶装载机或卸载机;斗轮挖掘机;移动破碎机。可选地，处理或操作机器可能包括任何 机器，其包括安装在上部结构上的吊臂并能够经由回转装置在底盘上回转。可选地，处理或 操作机器/设备是安装在车轮和/或基于履带的底盘上的移动单元。
【附图说明】
[0018] 现在将仅通过实例并且参考附图来描述本发明的特定实施方案，其中：
[0019] 图1是根据本发明的特定实施方案的斗轮取料器处理机器的外部透视图，其中安 装旋转斗轮的吊臂被支撑在上部结构上，上部结构经由回转装置而安装在支撑结构之上； [0020]图2是列举基于施加到上部结构的外部负载的测量结果而确定回转装置寿命的示 意流程图；
[0021] 图3是处理机器的所选择部件的相对几何形状和各种处理机器部件的所选择倾斜 力矩一起的示意图示；
[0022] 图4是列举在基于上部结构上的外部负载力而预测回转装置的运行寿命中所采用 的进一步步骤的示意流程图；
[0023] 图5A列举了具有与图1的回转装置对应的特性的滚道轴承的所选择参数；
[0024]图5B是在预测回转装置的运行寿命中使用的图1的取料器处理机器的轴承的运行 寿命曲线和技术数据。
[0025]具体的实施方式
[0026]参照图1，呈斗轮取料机100的形式的散装材料处理设备包括上部结构，该上部结 构通常通过附图标记104指示，其经由回转装置106枢转地安装在支撑结构105上。支撑结构 105包括合适的底盘103,该底盘103适于允许取料机100在地面上移动，以接近待由机器100 处理的散装材料108的不同位置。
[0027] 上部结构104包括吊臂101，吊臂101具有安装斗轮109的远端101a和枢转地安装在 上部结构104上的相对的近端101b。机器100的稳定通过配重102来提供，配重102从在相对 于吊臂101的相反侧处的上部结构104延伸，以配重平衡吊臂101、斗轮109以及施加到吊臂 101的任何附加负载力，例如由斗轮109所收集的材料108的重量。一对变幅气缸（luffing cylinder )107附接到吊臂101和上部结构104的区域，以便稳定和支持吊臂101在上部结构 104处的枢转移动。根据指定实施例，变幅气缸107在吊臂近端101b和在支撑结构105上安装 配重102的配重支撑吊臂102a之间延伸。如所理解的，处于或朝向吊臂远端101a的负载力与 力、特别是变幅气缸107上的压力成比例。
[0028]参照图2,本发明回转装置性能监测包括，在步骤200测量施加到上部结构104的外 部负载，以在步骤201确定由上部结构104施加到回转装置106的倾斜力矩。回转装置倾斜力 矩确定包括:考虑上部结构104的各种部件的相对几何形状并且特别的考虑吊臂101的各个 枢轴点和支撑吊臂101的那些部件107。在上部结构的各点和部件之间的几何关系进一步包 括:在上部结构104的部件的特定区域彼此相对之间和在上部结构104的部件的特定区域与 回转装置106之间的相对距离、长度和/或角度。经由步骤202,设备几何形状通过特定几何 参数应用到回转装置倾斜力矩确定。
[0029]本发明方法使用国际标准DIN/IS0 281的方法和计算，该国际标准允许计算回转 装置的额定动态负载和运行寿命。回转装置倾斜力矩和操作回转装置寿命的计算和考虑在 国际标准DIN/IS0 281中陈述并且通过引用并入本文。
[0030] 图3示出图1的上部结构104的所选择部件的相对几何关系的简化示意图。如所示 的，吊臂101经由吊臂安装件300而安装在上部结构104上，所述吊臂安装件300从位于回转 装置106紧挨上方的上部结构104的部分向上突起并典型地被称为回转面板(slew deck)。 吊臂101经由枢轴点A而安装在吊臂安装件300上。根据图3的示意图，变幅气缸107附接在上 部结构104和吊臂101的部分之间。每个变幅气缸107包括第一枢轴点B和第二枢轴点C，第一 枢轴点B附接到上部结构104,而第二枢轴点C附接到吊臂101。如所示的，在枢轴点A和C之间 的分开距离由距离In来表示。因此，作用在吊臂101上的外部负载力F lciad转换成通过变幅气 缸107传递的力FcyuFcyi的大小与变幅气缸107内的液压流体的压力成比例。如所理解的，绕 吊臂101枢轴点A的倾斜力矩Μα可以表示为
[0031] MA = Fcyl.ln (1)
[0032] 回转装置106绕倾斜轴线D的倾斜力矩Mk的关系可以表示为
[0033] Mk^MA (2)
[0034] 因此，延伸通过轴线301的上部结构104的轴向负载与通过变幅气缸作用的力Fcyi 成比例，所述上部结构104的轴向负载通过回转装置106传递。如所理解的，处理设备100的 各种部件的几何关系的进一步考虑可以使用已知的力分解的方法而应用于M k的确定。例 如，本发明可以通常包括考虑配重102的相对大小和尺寸以及位置，以及考虑形成上部结构 104的部分的附加中间枢转或移动部件，该附加中间枢转或移动部件处于吊臂101和回转装 置106之间的位置或作用在吊臂101和回转装置106上的位置。
[0035]根据本发明的特定实施方案，在参照图4的回转装置寿命预测的步骤402,确定变 幅气缸107内的液压流体压力。如可以理解的，替代的实时力相关参数可以包括支撑吊臂 101相对于上部结构104的位置的线缆或绳索内的张力。在步骤403,确定由上部结构所施加 的倾斜力矩Ma，并且在步骤404,该力矩力被分解为施加在回转装置106上的倾斜力矩Mk。通 常在机器操作时，通过使用实时力相关参数的测量结果（变幅气缸压力）来表示回转装置 106的实时倾斜力矩M k的确定(标记400)。如可以理解的，经由可选地定位于上部结构104上 的至少一个传感器来获得变幅气缸压力。经由合适的电子软件和硬件来确定和存储传感器 读数，电子软件和硬件可以定位在上部结构104上或者定位于远程位置处，使数据可以经由 合适和常规的数据管理实用设施而传输和访问，数据管理实用设施包括有线或无线计算机 网络、服务器、PCB、通讯等。
[0036]根据特定实施方案，在设备100的各种操作步骤取得压力测量结果，操作步骤具体 包括在斗轮109上的带负载或无负载回转以及在吊臂101相对于上部结构104的其它部分的 多个不同枢转角度下的回转。
[0037]根据标准DIN/IS0 281，对于给定轴承，回转装置的合成力矩Mk。可以经由负载因数 而与倾斜力矩关联，负载因数表示为：
[0038]
(3)
[0039]其中，fL是负载因数，Fa。是负载轴承上的轴向负载，Fa是"参考负载"，Mk。是参考曲 线上的合成的倾斜力矩，并且Mk是倾斜力矩。
[0040] 可以随后基于轴承的参考运行寿命曲线而计算回转装置运行寿命（以转数表示）， 并且表示为
[0041] G=(fL)P · 30000 (4)
[0042] 其中G是以转数表示的运行寿命，而P是指数，对于滚珠轴承，P = 3，而对于滚子轴 承，P = 10/3〇
[0043] 如可以理解的，随后可以使用负载频谱来获得轴承的预测操作寿命，所述负载频 谱涉及对于不同操作负载的经编译的回转装置倾斜力矩，所述不同操作负载具有表示为百 分比的各个操作时间段。经编译的和总的回转装置运行寿命可以表示为：
[0044]
(5)
[0045]其中Gges是总的预测回转装置操作寿命，ED1是给定负载的操作时间百分比，并且仏 是针对负载频谱的运行寿命。
[0046]参照图4，在步骤405，输入回转装置倾斜力矩Mk。在步骤406，针对特定回转装置参 考合适的运行寿命曲线。随后在步骤407,确定合成"参考负载" Mk。。在步骤408,随后对于(经 由上部结构)施加到回转装置的每个负载，获取各个表面寿命值。在步骤409,相关的操作时 间因数被分配给每个负载，其代表负载被施加到上部结构和回转装置的时间段。例如，在斗 轮被激活以回收并提取散装材料的情况下，此特定负载将被应用到取料机在该功能下操作 预定的时间段的全部时间。然后，获得回转装置操作寿命(在故障之前），并表示为转数。在 步骤410,寿命通过每单位时间因数的适当旋转角度而转换成小时数。然后，在步骤203,获 得回转装置的实时操作寿命。使用等式3至5,计算以及步骤405至410表示实时回转装置操 作寿命的计算401，该计算401基于如在步骤400所列举的回转装置倾斜力矩以及施加到上 部结构的初始外部负载力。
[0047] 实例 1
[0048] 基于在上部结构104上作用的多个操作负载，对图1的类型的斗轮取料机100预测 回转装置操作寿命，并且该回转装置操作寿命具有与图5A的滚道回转装置对应的特性。特 别的，测量变幅气缸107内的液压流体压力，以确定通过变幅气缸107而作用的对应力和吊 臂的倾斜力矩。结果如表1所示。
[0049]表1:回转装置倾斜力矩计算的负载输入 [0050]
[0051] 使用P = 3.33的指数和fL= 1.18,经由以上等式3和4并且通过参考图5B所示的参 考运行寿命曲线，将所测量或所确定的回转装置倾斜力矩Mk与参考负载回转装置倾斜力矩 相关联。各个负载因数红的结果在表2中所示。
[0052]表2:计算的回转装置倾斜力矩和负载因数
[0053]
'[0054]在" 下的值涉及针对每个特定负载的操作时间。因此，在具有暴露于表1负载的胃 121.70.7584型轴承的图1斗轮取料机100内的回转装置的总的运行寿命，包括738,818转数 的运行寿命，该转数基于0.066升/分钟的时间上的平均速度提供约186，570小时的操作运 行寿命。
[0055]在操作期间，机器的运行寿命的正在进行的实时计算随后可以与在机器的设计阶 段中计算的原始值进行比较，以确定机器是否是过度利用或利用不足并且因此将具有比原 始估计更短或更长的寿命。本发明回转装置信息和数据也可被用作进一步的数据处理操作 的组成部分，以评估机器的其它性能标准，并帮助管理机器，包括例如管理备用部件供给， 维护时间表等。
【主权项】
1. 一种监测材料处理或操作设备（100)的回转装置（106)的性能的方法，其中，所述回 转装置(106)支撑安装在支撑结构（105)上的上部结构（104)，所述方法包括： 使用至少一个传感器测量实时力相关参数，所述至少一个传感器与作用在所述上部结 构上的外部负载力相关； 基于所述力相关参数以及至少一个几何参数，确定由所述上部结构（104)施加到所述 回转装置上（106)的实时倾斜力矩，所述至少一个几何参数描述所述负载力和所述回转装 置(106)之间的几何关系； 基于所述实时倾斜力矩预测所述回转装置(106)的操作寿命。2. 如权利要求1所述的方法，其中所述力相关参数包括以下组中的任一个或组合： 质量； 压力； 张力； 压缩； 应力； 变形； 转矩。3. 如权利要求1或2所述的方法，其中产生所述力相关参数的所述外部负载力存在于所 述上部结构（104)的至少两个部件之间。4. 如权利要求3所述的方法，其中所述至少两个部件能够彼此相对和/或相对于所述回 转装置(106)移动。5. 如权利要求4所述的方法，其中所述至少两个部件包括吊臂（101)和所述上部结构 (104)的部分； 其中所述吊臂（101)能够绕枢轴线枢转，使得所述吊臂（101)的枢转移动影响由作用在 所述回转装置(106)上的、由所述上部结构（104)产生的所述实时倾斜力矩。6. 如权利要求5所述的方法，其中所述力相关参数包括在动力操作线性致动器（107)处 的流体的压力，所述动力操作线性致动器安装在所述上部结构（104)处，用以在所述上部结 构（104)处支撑所述吊臂（101)的位置。7. 如权利要求5所述的方法，其中所述力相关参数包括在所述上部结构（104)处支撑所 述吊臂（101)的位置的绳索或线缆的张力。8. 如权利要求5所述的方法，其中所述至少一个几何参数提供在所述吊臂（101)的枢轴 线的几何位置与延伸通过所述回转装置（106)的倾斜力矩轴线之间的关系，其中绕所述倾 斜力矩轴线施加所述实时倾斜力矩。9. 如前述权利要求中的任一项所述的方法，包括通过基于所述回转装置（106)的合成 力矩和轴向负载而将所确定的所述回转装置(106)的倾斜力矩与所述回转装置的参考运行 寿命曲线相关联，确定合成的回转装置倾斜力矩。10. 如权利要求9所述的方法，包括基于所述合成的回转装置倾斜力矩和所确定的所述 回转装置的倾斜力矩而获得所述回转装置(106)的负载因数。11. 如权利要求10所述的方法，进一步包括将轴承特定指数应用到所述负载因数上，以 获得所述回转装置(106)的操作寿命。12. 如权利要求11所述的方法，进一步包括重复基于多个所确定的回转装置倾斜力矩 而确定所述合成的回转装置倾斜力矩和所述负载因数的步骤，以基于多个外部负载力而获 得所述回转装置的经编译的操作寿命;以及 将操作时间参数应用到每个操作寿命上，所述操作寿命基于相应的外部负载。13. -种预测材料处理或操作机器（100)的回转装置（106)的操作寿命的工序，所述材 料处理或操作机器包括： 回转装置（106)，所述回转装置（106)在支撑结构（105)上安装上部结构（104); 吊臂（101)，所述吊臂（101)枢转地安装在所述上部结构（104)上，所述吊臂（101)具有 能够相对于所述上部结构（104)升起和降低的远端(101a); 至少一个致动器（107)，所述至少一个致动器（107)连接到所述吊臂（101)和所述上部 结构（104)，以致动所述远端（101a)相对于所述上部结构（104)升起和降低；以及 至少一个传感器，所述至少一个传感器用于监测在所述致动器（107)上的实时力相关 参数； 所述工序包括如前述权利要求中的任一项所述的监测回转装置(106)的性能的方法。14. 如权利要求13所述的工序，其中所述材料处理机器（100)包括以下组中的任一个或 组合： 斗轮取料机，所述斗轮取料机包括可旋转安装在所述吊臂（1 〇 1)的远端（1 〇 la)处的多 个斗； 堆跺机； 播撒机； 堆垛机/取料机组合； 起重机； 船舶装载机或卸载机； 斗轮挖掘机； 移动破碎机。
【文档编号】G05B23/02GK105980944SQ201580003803
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年1月19日
【发明人】安德烈亚斯·维尔德, 弗兰克·费格尔
【申请人】山特维克知识产权股份有限公司