轴承上的负荷感应的制作方法

专利名称：轴承上的负荷感应的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器，其包括滚动元件轴承、传感器系统和用于决定滚动元件轴 承上的机械负荷的负荷决定系统。本发明还涉及用在该机器中的负荷决定系统、用于执行 该负荷决定系统的软件以及决定滚动元件轴承上机械负荷的方法。
背景技术：
负荷感应技术是决定一定的结构或机器或其部件承载负荷的技术。于是，该结构、 机器或部件提供有一个或多个负荷传感器。例如，该机器是汽车，并且每个轮子上的各自负 荷通过轮毂决定。关于负荷的信息用于例如电控分别施加给每个驱动轮的功率量或施加给 每个轮子的制动量，或者为每个轮子调整悬挂系统，以便改善轮子的负载。负荷感应技术例 如也用在机器上的有效载重测量，例如，用于散货运输的卡车、仓储搬运车、家庭洗衣机、传 送带、电梯、吊车和提升设备等。负荷感应技术也用在机器的条件监测或运行控制上，例如， 风轮机、工业设备、船舶推进系统、航空推进系统等。
负荷感应技术的特定分支涉及物理地整合一个或多个负荷传感器与滚动元件轴 承。滚动元件轴承上的负荷导致滚动元件轴承的弹性变形。该变形被一个或多个容放在滚 动元件轴承的应变传感器感应。由所感应的弹性变形决定负荷。
美国专利7，444，888,授予给 Hendrik Anne Mol and Gerrit Cornells van Ni jen，且通过引用结合于此，公开了一种方法和传感器设置，用于决定操作中作用在滚动 元件轴承上的接触力矢量。如所知，滚动元件轴承包括内环、外环和容放在内环和外环之间 的多个滚动元件。滚动元件的示例是球圆柱滚筒、针形滚筒和锥形滚筒。从多个传感器接 收传感器信号以测量滚动元件轴承的性能特性。所接收的传感器信号被处理为决定接触力 矢量。多个传感器设置为测量轴承部件的变形，并且处理的步骤包括采用描述滚动元件轴 承的有限元分析模拟的逆变换决定接触力矢量的步骤。有限元分析模拟采用至少一个一般 化振型进行简化，该至少一个一般化振型是自然的数学描述或者滚动元件轴承的部件的基 本模式变形，例如，内环或外环。
美国专利7，444，888中公开的技术基于测量滚动元件轴承的内环和/或外环的变 形。该变形由一方面的滚动元件和另一方面的内环和/或外环之间的滚动接触引起，而滚 动元件轴承承受负荷。在滚动元件轴承的内环和外环彼此相对运动的同时测量变形。每 个特定的传感器提供特定的传感器信号，表示在特定传感器的位置上内环或外环的局部变 形。作为重复通过滚动接触面(也称为“赫兹接触力“Hertzian contact forces”)的结 果，局部变形动态变化。
重复通过滚动接触面由损坏频率(ball-pass frequency)表述。词语“损坏频 率”是指滚动元件单位时间通过传感器位置的次数。特定的传感器信号反映该重复特 征。特定传感器信号的振幅看作与滚动元件轴承上的负荷成比例。因此，测量振幅给出 关于滚动元件轴承上负荷的信息。对于更多的背景技术信息，例如，请见SKF球轴承期刊 Vol. 225，1985，ppl9_24 或 SKF 球轴承期刊 Vol. 240，1992，pp2_9。
美国专利7，389，701,授予给Hendrik Anne Mol且通过引用结合于此,公开了在操作中决定作用在滚动元件轴承上的负荷矢量的方法和传感器设置。词语“负荷矢量”是指全部负荷矢量三个垂直力成分和两个力矩。滚动元件轴承包括内环、外环和容放在内环和外环之间的多个滚动元件。提供多个N传感器，其测量位移和/或应变以决定例如在内环和外环中的位移和/或应变。此外，提供连接到多个N传感器的模型形状系数计算器，通过计算表示内环或外环的至少一个径向模态的N/2傅里叶条件的振幅和相位决定内环或外环的变形。
美国专利7，389，701中公开的技术考虑了作为在负荷下弹性变形的物理目标的滚动元件轴承。变形接近于一般化振型的线性结合。根据部件模式合成(CMS)，一般化振型可根据 J. A. Wensing, “On the dynamics of ball bearings”，PhD thesis, Univ. Twente, The Netherlands, Dec. 1998，ISBN90-36512298 中讨论的方法描述。一般化振型的每单独一个具有各自的振幅和各自的相位，由传感器信号决定。数据处理器、神经网络或另外类型的相关存储器接收表示如传感器信号决定的振幅和相位的输入，并且提供表示电流负荷的输出。发明内容
因此，美国专利7，444，888、SKF 球轴承期刊 Vol. 225，1985，ppl9_24 或 SKF 球轴承期刊Vol. 240，1992，pp2_9教导了滚动元件轴承上的机械负荷可由传感器信号的振幅决定，该传感器信号是作为滚动接触(赫兹接触)的结果的内环或外环的重复局部变形的指示。重复局部变形是由通过局部变形被测量位置处的滚动元件造成的。
然而，实际上，传感器信号的振幅对于每个不同的通过滚动元件有些不同。其原因如下。要考虑内环或外环在它们与滚动元件物理接触的区域中非常高的硬度值(例如， 100N/μ表示产生1μ的变形需要100Ν的力)，并且还要考虑滚动元件直径上的微小扩展 (例如，在典型的批量生产的球轴承中球的精度量级例如为5μ )。因此,表示滚动元件通过的传感器信号的振幅在滚动元件当中可变化10%，尽管滚动元件轴承上的负荷保持相同。
例如由美国专利7，444，888，SKF球轴承期刊Vol. 225，1985，ppl9_24或SKF球轴承期刊Vol. 240、1992，pp2-9中所讨论的方法所决定的机械负荷的振幅的精度可以在滚动元件轴承的大量旋转期间通过考虑振幅而得到改善，从而平均外部施加在滚动元件轴承上的负荷不能引起的波动。该平均例如通过从传感器信号去除DC成分而执行，以便产生波形，矫正波形，然后对矫正的波形施加低通滤波器从而使振幅达到一平均数值。低通滤波器的截止频率选择为使得至少一次通过变形传感器的位置的滚动元件的每一个处于低通滤波器的特征时间常数中。就是说，特征时间常数取决于转速，滚动元件轴承的内环和外环以该转速彼此相对旋转。例如，在内环相对于外环以每秒4转旋转的滚动元件轴承中，每一个滚动元件以一半的速度围绕内环完成其环行，即每半秒一次环行。低通滤波器的截止频率于是选择为IHz的量级，以平均在围绕所述环行的大约两个完整圈。如果截止频率被设定到l/2Hz，则该平均实现为大约四个完整圈。
因此，低通滤波器的截止 频率在内环相对于外环的转速的控制下调谐，从而能获得滚动元件轴承上的机械负荷的精确指示。
如通过考虑由滚动元件的通过所驱动的重复局部变形所决定的负荷的精度意味着不用考虑在具有高于截止频率的频率的滚动元件轴承上实际机械负荷上的变化，因为这 些已经由低通滤波器减少了。例如，轮式车辆的悬挂系统具有2Hz-7Hz范围内的固有频率 (eigen-frequency),以便有效地应对从地表传递到行进车辆底盘的典型的变化力。在上面 IHz截止频率的示例中，没有考虑这些机械负荷的动态变化成分。因此，通过平均由滚动元 件通过所驱动的重复变形所决定的负荷在本文的其余部分中称为机械负荷的“平均成分”。 由高于低通滤波器的截止频率的频率所表示的机械负荷的相关成分在本文中称为“动态成 分”。
为了决定动态成分，例如可采用如上所述的美国专利7，389，701的方法。就是说， 动态成分通过考虑滚动元件轴承的整体变形的一个或多个信号成分而决定，它们具有与高 于上述低通滤波器的截止频率的频率相关的时间尺度。
为了决定动态成分，在决定整体变形中所考虑的传感器信号需要被滤波以去除在 决定平均成分中已经考虑的信号成分。因此，需要具有截止频率的高通滤波器，对于所有 的实际目的，该截止频率等于在平均成分的决定中所用的低通滤波器的截止频率。这保证 了在包含共同截止频率的频率范围中负荷的平均成分和负荷的动态成分可以相加起来，而 不会由于重复或遗漏落入该频率范围内的贡献引起严重错误。高通滤波也去除由热效应 引起的滚动元件轴承的整体变形的贡献，例如由摩擦引起，因为热效应具有很多瞬间的特 征时间尺度。再者，在决定整体变形中所考虑的传感器信号需要滤波以去除具有损坏频率 (ball-pass frequency)和以上量级频率的信号成分。因此,施加进一步的低通滤波器, 其具有的截止频率高于高通滤波器的截止频率且低于所述损坏频率，以便去除后者的信号 成分。进一步低通滤波器的截止频率在上面关于轮式车辆的悬挂系统的示例中取为例如 IOHz0作为滚动元件通过的结果发生在损坏频率的局部弹性变形被看作成在整体弹性变形 上叠加的干扰。在上面的示例中，采用IHz和IOHz之间的频率范围中的变形成分计算整体 变形。由滚动元件的通过引起的局部变形通过载体频率(即损坏频率)拾取并且以IHz的带 宽检波。现在，系统设计者必须发现在所希望的滤波特性和所希望的错误拒绝率之间的可 接受的折中。滤波越精细，发现的波动(ringing)越多。如所知，作为优选低通滤波器对阶 梯函数的时域响应的sine-函数上波纹的结果，从信号去除高频成分导致时域上不希望的 波动(“警告”)。例如，折中是采用二阶或四阶的巴特沃斯(Butterworth)滤波器。也可采 用授予给Hendrik Anne Mol和Cornelis van Nijen且转让给SKF的美国专利5，698, 788 中公开的方法。美国专利5，698，788公开了用于分析有规则地循环机械振动的方法。该方 法包括绘制与振动相关的振幅/时间波谱的步骤，将振幅/时间波谱分成短于两个连续激 发之间的最短时间间隔的时间间隔，使由每个时间间隔所限定的振幅/时间波谱的那些部 分经受傅里叶变换以便获得与每个时间间隔相关的振幅/振动频率间隔波谱，并且使与一 定振动频率相关的每个振幅/振动频率间隔波谱中的那些振幅经受傅里叶变换以便获得 与各振动频率相关的激发频率波谱。有效地，高通滤波器和进一步低通滤波器形成带通滤 波器。
因此，该概念如下。DC成分从用于决定负荷的平均成分所用的一个或多个传感器 信号中去除，在输入由滚动接触力所驱动的局部变形的振幅时使用。矫正其余的AC成分， 然后在进一步处理为决定负荷的平均成分前在低通滤波器中被平均。用于利用整体变形决 定负荷的动态成分的传感器信号在进一步处理前经受带通滤波器。低通滤波器的截止频率和带通滤波器的截止频率中的其中一个更低频率被设定为基本相等。低通滤波器和带通滤 波器的截止频率根据滚动元件轴承的内环和外环相对于彼此的转速受到控制。于是，平均 成分和动态成分之和决定了所述负荷。
更具体而言，本发明涉及一种机器，其包括滚动元件轴承、传感器系统和负荷决定 系统。滚动元件轴承包括内环、外环和容放在内环和外环之间的多个滚动元件。传感器系 统构造为用于感应内环和外环中的至少特定一个的在内环和外环的所述特定一个上在至 少特定位置处的局部变形且提供表示该感应的传感器输出。负荷决定系统构造为当内环和 外环相对于彼此同轴旋转时，从传感器系统接收传感器输出且根据传感器输出决定滚动兀 件轴承上的机械负荷。负荷决定系统包括第一信号处理通道、第二信号处理通道和组合器。 第一信号处理通道构造为处理传感器输出，用于决定机械负荷的平均成分。第二信号处理 通道构造为处理传感器输出，用于决定机械负荷的动态成分。组合器构造为线性地结合平 均成分和动态成分。第一信号处理通道构造为以第一截止频率低通滤波传感器输出；并且 处理低通滤波的传感器输出，其作为滚动元件通过特定位置引起的局部变形的表示，从而 决定指示出局部变形中低频变化的平均成分。第二信号处理通道构造为以基本上等于第一 截止频率的第二截止频率和高于第二截止频率的第三截止频率带通滤波传感器输出。第二 信号处理通道还构造为处理带通滤波的传感器输出，其作为表示动态成分的滚动元件轴承 的整体变形的表示。第一截止频率、第二截止频率和第三截止频率充分地低于损坏频率。
第一信号处理通道处理传感器输出，其作为由滚动元件的通过引起的局部变形的 表示，用于决定机械负荷的平均成分。第一信号处理通道中的信号处理例如基于上面讨论 的美国专利7, 444，888或上面引用的SKF球轴承期刊Vol. 225，1985，ppl9_24或SKF球 轴承期刊Vol. 240，1992，pp2_9的方法。第二信号处理通道处理传感器输出，其作为滚动 元件轴承的整体变形的表示，即内环和外环中的特定一个的整体变形，用于决定机械负荷 的动态成分。第二信号处理通道中的处理基于例如上面引用的上述美国专利7，389，701 或J. A. Wensing，“对球轴承动力学的研究”，博士论文，屯特大学，荷兰，1998年12 月，ISBN90-36512298中讨论的方法。于是，滚动元件轴承上的总力或总机械负荷通过合计 平均成分和动态成分而决定。
传感器系统可包括第一传感器和与第一传感器不同的第二传感器。于是，传感器 输出可包括由第一传感器提供的第一传感器信号和由第二传感器提供的第二传感器信号。 于是，在实施例中，第一传感器信号提供到第一信号处理通道而不是第二信号处理通道，而 第二传感器信号提供到第二信号处理通道而不是第一信号处理通道。于是，第一传感器的 构造和/或其相对于滚动元件轴承的位置可优化为感应由滚动接触力所引起的局部变形。 于是，第二传感器的构造和/或其相对于滚动元件轴承的位置可优化为感应滚动元件轴承 的整体变形。
在所述机器的实施例中，第一传感器信号和第二传感器信号是相同的，例如，由一 个且相同的传感器在相同的时刻提供。然后，传感器信号提供到用于决定负荷的平均成分 的第一信号处理通道和用于决定动态成分的第二信号处理通道二者。
在机器的进一步实施例中，负荷决定系统具有输入，用于在机器的运行使用中接 收表示滚动元件轴承的损坏频率的速度信号。负荷决定系统根据损坏频率控制第一截止频 率、第二截止频率和第三高截止频率。
该进一步实施例相关于滚动元件轴承的内环和外环相对彼此旋转的速度在机器的运行使用期间变化的情况。于是，基于重复局部变形的机械负荷的平均成分可能需要通过考虑每个滚动元件围绕滚动元件轴承的内环和外环中的其中一个静止的环在多个完整圈上的局部变形的绝对值的振幅从而平均出传感器输出。然后，在时间尺度上实现平均，并且因此第一截止频率取决于损坏频率，即取决于相对转速。第二截止频率基本上等于第一截止频率，并且因此也取决于损坏频率。第三截止频率适当地设定在损坏频率以下，并且因此也取决于损坏频率。
负荷决定系统可以各种方式执行，即以其整体在硬件中或者在普通目的计算机上的软件中或它们的结合。上面的实施例覆盖具有滚动元件轴承、传感器系统且装备有负荷决定系统的机器的商业开发。
本发明也可商业开发为负荷决定系统，用于决定滚动元件轴承上的机械负荷，该负荷决定系统构造为与滚动元件轴承和传感器系统一起使用。由于不同类型的滚动元件轴承在相同的机械负荷下不同地变形并且由于不同类型的变形传感器适合于感应滚动元件轴承的变形，负荷决定系统可提供为普通构造的模块，其在现场中可编程从而与不同类型的滚动元件轴承和不同类型的传感器系统一起运行。作为选择，负荷决定系统构造为与特定类型的滚动元件轴承和/或特定类型的传感器一起使用。
本发明也可商业开发为负荷决定系统和传感器系统的结合，以与滚动元件轴承一起使用。于是，负荷决定系统构造为与结合的特定传感器系统一起使用。
本发明也可商业开发为如上所述的滚动元件轴承和负荷决定系统的结合。在此情况下，负荷决定系统提供为专用部件，特别构造为与结合的滚动元件轴承一起使用，并且作为选择，是可编程的从而与不同的传感器系统一起使用。
本发明也可商业开发为滚动元件轴承、负荷决定系统和传感器系统的结合。该结合是相关的，例如，在传感器系统与滚动元件轴承物理集 成的情况下。于是，该结合商业开发作为整体，其中，例如，负荷决定系统和传感器系统已经优化为彼此一起使用且与滚动元件轴承结合使用。
本发明还涉及计算机可读介质上的软件，该软件构造为执行在计算机上，用于实施负荷决定系统。负荷决定系统构造为决定滚动兀件轴承上的机械负荷，该滚动兀件轴承具有内环、外环和容放在内环和外环之间的多个滚动元件。当内环和外环相对于彼此同轴旋转时，决定机械负荷。负荷决定系统可 呆作为在传感器系统的控制下决定机械负荷，传感器系统构造为在内环和外环中的特定一个上在至少一个特定位置处感应内环和外环的至少特定一个的局部变形，并且用于提供表示该感应的传感器输出。软件包括第一指令，其执行第一信号通道，其构造为处理传感器输出以决定机械负荷的平均成分；第二指令，用于执行第二信号通道，其构造为处理传感器输出以决定机械负荷的动态成分；以及第三指令， 用于执行组合器，其线性地结合平均成分和动态成分。第一指令包括第四指令，用于以第一截止频率执行传感器输出的低通滤波；以及第五指令，用于执行低通滤波传感器输出的处理，其作为滚动元件通过特定位置所引起的局部变形的表示，以决定表示局部变形中低频变化的平均成分。第二指令包括第六指令，用于以基本上等于第一截止频率的第二截止频率和高于第二截止频率的第三截止频率执行传感器输出的带通滤波；以及第七指令，用于执行带通滤波的传感器输出的处理，其作为指示动态成分的滚动元件轴承的整体变形的表示。第一截止频率、第二截止频率和第三截止频率充分地低于损坏频率。
因此，本发明可商业开发为软件，用于编程一般目的的计算机从而在感应的变形 的控制下决定机械负荷。
在软件的实施例中，传感器系统包括第一传感器和与第一传感器不同的第二传感 器。第一传感器提供第一传感器信号，并且第二传感器提供第二传感器信号。传感器输出 包括第一传感器信号和第二传感器信号。第一传感器信号由第二指令处理，并且第二传感 器信号由第一指令处理。
在软件的进一步实施例中，传感器系统包括用于提供传感器信号的传感器。传感 器输出包括传感器信号。传感器信号由第一指令和第二指令处理。
上面已经简要地讨论了给第一信号处理通道提供一个或多个传感器信号以及给 第二信号处理通道提供一个或多个其它传感器信号的优点。上面也已经涉及了给第一信号 处理通道和第二信号处理通道二者提供一个或多个传感器信号的优点。
软件的进一步实施例包括第八指令，用于接收表示滚动元件轴承的损坏频率的速 度信号；以及第九指令，用于根据损坏频率控制第一截止频率、第二截止频率和第三截止频 率。上面已经说明了截止频率在转速上依赖性的优点。
本发明还涉及决定在滚动轴承元件上机械负荷的方法。滚动元件轴承包括内环、 外环和容放在内环和外环之间的多个滚动元件。该方法包括在内环和外环的特定一个上 的至少特定位置感应内环和外环的至少特定一个的局部变形，用于产生表示该感应的传感 器输出；以及当内环和外环相对彼此同轴旋转时，根据传感器输出决定滚动元件轴承上的 机械负荷。决定机械负荷包括处理传感器输出以决定机械负荷的平均成分；处理传感器 输出以决定机械负荷的动态成分；以及线性地结合平均成分和动态成分。决定平均成分包 括以第一截止频率低通滤波传感器输出；以及处理低通滤波的传感器输出，其作为滚动 元件通过特定位置引起的局部变形的表示，以决定表示局部变形中低频变化的平均成分。 决定动态成分包括以基本上等于第一截止频率的第二截止频率和高于第二截止频率的第 三截止频率带通滤波传感器输出；以及处理带通滤波传感器输出，其作为指示动态成分的 滚动元件轴承的整体变形的表示。第一截止频率、第二截止频率和第三截止频率充分地低 于损坏频率。
在本发明的方法实施例中，传感器系统包括第一传感器和与第一传感器不同的第 二传感器。第一传感器提供第一传感器信号，并且第二传感器提供第二传感器信号。传感 器输出包括第一传感器信号和第二传感器信号。处理传感器输出以决定平均成分包括处理 第二传感器信号，并且处理传感器输出以决定动态成分包括处理第一传感器信号。
在方法的进一步实施例中，传感器系统包括用于提供传感器信号的传感器。传感 器输出包括传感器信号。处理传感器输出以决定平均成分包括处理第一传感器信号和第二 传感器信号。处理传感器输出以决定动态成分包括处理第一传感器信号和第二传感器信 号。
上面已经给出了这些实施例的描述。
本发明的方法的进一步实施例包括表示滚动元件轴承的损坏频率的速度信号，并 且根据损坏频率控制第一截止频率、第二截止频率和第三截止频率。上面已经描述了截止 频率在转速上依赖的优点。


借助于示例且参考附图进一步详细地说明本发明，附图中
图1是本发明中的机器的模块图2是执行本发明中的负荷决定系统的模块图3示出了本发明中滤波操作示例的增益频率示意图；以及
图4是另一个执行本发明中负荷决定系统的不意图。
在全部附图中，类似或对应的特征由相同的参考标号表示。
具体实施方式
图1是机器100的示意图，机器100包括滚动元件轴承102、传感器系统和负荷决 定系统126。轴承102作为功能部件安装在机器100上，机器100例如为汽车、风轮机、一件 工业设备、电梯等。例如，滚动元件轴承102安装为相对于外壳保持轴的位置，同时能使轴 相对于外壳自由地绕着其轴线旋转。为了不使附图混乱，没有绘制机器100的其它部件。
滚动元件轴承102包括同轴设置的内环104和外环106。滚动元件轴承102还包 括位于内环104和外环106之间的多个滚动元件。为了不使附图混乱，以参考标号108仅 示出了多个滚动元件的其中一个。多个滚动元件典型地容放在所谓的隔离架(未示出)中， 隔离架构造为保持滚动元件在相对于彼此的位置。在滚动元件轴承102的实际运用中，内 环104安装为相对于机械件的第一物理件(未示出)(例如，轴)静止，并且外环106安装为 相对于机械件的第二物理件(未示出)(例如，用于驱动轴的装置外壳，如发动机或电动机) 静止。因此，多个滚动元件能使内环104和第一物理件相对于外环106围绕它们的共同轴 线自由旋转，并且因此相对于第二物理件自由旋转。
在机器100的运行使用中，滚动元件轴承102承受机械负荷，即通过第一和第二物 理件施加给滚动元件轴承102的力和/或扭矩。所施加的力或扭矩局部地影响构成滚动元 件轴承102的内环104、外环106和多个滚动元件每一个的原子或分子之间的平衡距离。滚 动元件轴承102变形直到分子内力或原子内力大到足以抵抗所施加的力或扭矩。如果所施 加的力和扭矩为使内环104、外环106和滚动元件(例如，它们当中的滚动元件108)在所施 加的力和扭矩去除后呈现它们的原始形状，则该变形成为弹性变形。
负荷感应系统126构造为根据感应滚动元件轴承102的弹性变形(例如，内环104 和/或外环106的弹性变形)决定滚动元件轴承102上的机械负荷。
滚动元件轴承102的变形或应变例如可通过应变传感器(例如，应变仪)决定。已经 知晓如何从测量的应变得到关于机械负荷的信息。例如，见上面引用的美国专利7，444，888 和美国专利7，389，701。在机器100中，滚动元件轴承102提供有传感器系统。传感器系 统例如包括第一应变传感器110、第二应变传感器112、第三应变传感器114、第四应变传感 器116、第五应变传感器118、第六应变传感器120、第七应变传感器122和第八应变传感器 124。在所示的示例中，外环106相对于滚动元件轴承102的外壳静止。因此，多个应变传感 器容放在外环106的外表面，以能通过配线(未示出)将多个应变传感器连接到负荷决定系 统126。在内环104和/或外环106上什么位置安装第一应变传感器110、第二应变传感器 112、第三应变传感器114、第四应变传感器116、第五应变传感器118、第六应变传感器120、第七应变传感器122和第八应变传感器124是设计选择的问题。
在机器100的运行使用中，第一应变传感器110提供第一传感器信号SI 10，第二应 变传感器112提供第二传感器信号SI 12，第三应变传感器114提供第三传感器信号SI 14， 第四应变传感器116提供第四传感器信号SI 16,第五应变传感器118提供第五传感器信号 SI 18，第六应变传感器120提供第六传感器信号S120，第七应变传感器122提供第七传感器 信号S122，并且第八应变传感器124提供第八传感器信号S124。
在本发明中，滚动元件轴承102上的机械负荷由如下所述的滚动元件轴承102的变形决定。
由滚动元件所施加的的滚动接触力所引起的局部变形用于决定机械负荷的平均 成分，以便作为滚动元件轴承102的滚动元件直径上的扩展结果平均出变形上的效果。滚 动接触力是由滚动元件在内环104和外环106上施加的力。内环104或外环106上的特定 位置的变形传感器将记录瞬时变形图案，其或多或少与滚动元件的通过重复。在所示示例 的构造中，滚动接触力引起的变形记录在外环106。变形传感器记录的重复变形的振幅表示 滚动元件轴承102上的负荷。在变形传感器的位置上记录的振幅在很多滚动元件的通过上 平均。
另一方面，决定滚动元件轴承102的整体变形以便计算机械负荷的动态成分。动 态成分考虑作为在记录的局部振幅上平均操作的结果已经从平均成分省略的相关时间尺 度上的机械负荷变化。总机械负荷是平均成分和动态成分之和。
为了更加详细地对此说明，现在参考图2。图2是机器100中负荷决定系统126的 模块图。
平均负荷
在内环104或外环106的至少一个特定位置处所测量的负荷的平均成分按如下决 定。当单个滚动元件通过特定位置时，滚动元件轴承102的滚动元件的每个单独一个的影 响导致在内环104或外环106的特定位置处的局部变形。容放在该特定位置的多个应变传 感器的特定一个感应该局部变形。该变形的时间和空间特性由滚动元件轴承102承载的机 械负荷、由保持架旋转的速度和由保持架中滚动元件的数量决定。保持架的转速表示损坏 频率。作为滚动元件重复通过的结果，局部变形具有瞬时重复图案。由特定应变传感器提 供的重复传感器信号的振幅看作与滚动元件轴承102的滚动元件上的力成比例,滚动元件 通过多个传感器中的特定一个的特定位置。结合变形传感器的每一个所测量的各个力矢量 产生滚动元件轴承102上的总力。
在所示的示例中，第二传感器信号S112、第三传感器信号S114和第四传感器信号 S116涉及决定平均成分。为此，第二传感器信号S112、第三传感器信号S114和第四传感器 信号S116被提供给第一信号处理通道242以如下处理。第二传感器信号S112提供给第一 高通滤波器202以从第二传感器信号S112去除DC成分。第一高通滤波器202的输出被连 接到第一放大器204以放大高通滤波的第二传感器信号S112。第一放大器204的输出连接 到第一整流器206以便矫正放大且高通滤波的第二传感器信号S112。第一整流器206例如 包括全波整流器。第一整流器206将放大且高通滤波的第二传感器信号S112转换成不变 极性的波形。不变极性的波形的振幅与通过的滚动元件上的负荷成比例。第一整流器206 的输出连接到第一低通滤波器208。第一低通滤波器208用作积分器以决定振幅的平均值或均方根(rms)值。如果滚动元件轴承102以每分钟几百转(RPM)旋转，则积分在例如一 秒的时间周期上进行积分。就是说，第一低通滤波器208的低通截止频率在该速度上约为 IHz。第一低通滤波器208的输出连接到第一信号处理器226的第一输入。
类似地，第三传感器信号S114通过串联的第二高通滤波器210、第二放大器212、 第二整流器214和第二低通滤波器216被提供给第一信号处理器226 ;并且第四传感器信 号S116通过串联的第三高通滤波器218、第三放大器220、第三整流器222和第三低通滤波 器224被提供给第一信号处理器226。第二低通滤波器216的输出和第三低通滤波器224 的输出分别连接到第一信号处理器226的第二输入和第三输入。第二低通滤波器216的截 止频率和第三低通滤波器224的截止频率每一个都基本上等于第一低通滤波器208的截止 频率。
第一信号处理器226决定在第二应变传感器112位置处的滚动元件轴承102上的 力、在第三应变传感器114位置处的滚动元件轴承102上的力以及在第四应变传感器116 位置处的滚动元件轴承102上的力。于是，第一信号处理器226决定如此决定的各力的矢 量和，并且输出总平均力的信号表示。现有技术中已经知晓如何从滚动接触力所产生的应 变决定力，例如，见上面讨论的SKF球轴承期刊，Vol. 225，1985，ppl9_25或SKF球轴承期刊 Vol. 240，1992，pp. 2-9 以及美国专利 7，444，888。
在决定滚动元件轴承102上负荷的平均成分中，第一低通滤波器208、第二低通滤 波器216和第三低通滤波器224所执行的低通滤波导致整流波图案的振幅平均，也就是说 除了其它方面的原因，以便去除源自的前面所讨论的滚动元件直径上的扩展的高频贡献。
在滚动元件轴承102的运行速度在机器100的运行使用中变化的情况下，速度或 损坏频率用于调整第一低通滤波器208、第二低通滤波器216和第三低通滤波器224的截止 频率。因此，保证了在第一低通滤波器208、第二低通滤波器216和第三低通滤波器224中 所执行的振幅平均执行在保持架通过第二应变传感器112、第三应变传感器114和第四应 变传感器116位置的至少一个完整旋转上。
动态负荷
上面决定滚动元件轴承102上负荷平均成分的程序基于感应作为滚动接触力结 果的局部变形。然而，上面的程序限制了传感器信号S112、S114和S116的带宽并且忽略了 具有在第一低通滤波器208、第二低通滤波器216和第三低通滤波器224的低通截止频率之 上的频率的负荷中的动态变化。滚动元件轴承102上的负荷在超过低通截止频率的频率范 围上的成分现在称为动态成分。
现在考虑另一个方法来决定滚动元件轴承102上的负荷。现在根据感应的应变 采用另外的程序，以便决定滚动元件轴承102的整体变形，例如，如上面讨论的美国专利 7，389，701中所公开的。这里所考虑的另外程序是总体上通过分析内环104和/或外环106 的变形而基于在滚动元件轴承上得到的力。
然而，该另外程序优选区别由滚动元件轴承102上的机械负荷所驱动的整体变形 与滚动元件轴承102上的热负荷所驱动的整体变形。作用在物理目标上的力导致该物理目 标承受局部压缩和/或局部膨胀，其引起物理目标相对于物理目标在基准状态下的形状的 整体变形。类似地，物理目标内的温度梯度或者物理目标的温度变化范围导致局部的热膨 胀和/或局部的热收缩，其产生物理目标相对于物理目标基准状态的整体变形。
决定滚动元件轴承102上在运行使用中的热负荷的重要因素是摩擦产生的热量， 其发生在内环104和/或外环106承受机械负荷的区域中。
在采用本发明的实际环境中，作为热负荷的结果的滚动元件轴承102的整体变形 是低频效应。就是说，作为施加热负荷结果的整体变形由很多秒的时间尺度表示，例如10 或20秒。该时间尺度取决于内环104和外环106的材料特性。例如，通过内环104或外环 106传导热量的速率由内环104和外环106材料的导热率决定。
热负荷效应的低频特性提醒这些热负荷效应可通过给传感器信号施加高通滤波 器而从时变整体变形中去除,该传感器信号用于决定整体变形。
在图2所示信号处理系统126的示例中，第二传感器信号S112、第三传感器信号 S114和第四传感器信号S116被处理以决定滚动元件轴承102上的机械负荷的平均成分，如 上面所讨论。第一传感器信号S110、第五传感器信号S118、第六传感器信号S120、第七传 感器信号S122和第八传感器信号S124被提供给第二信号处理通道244，用于受到处理以 决定机械负荷的动态成分。例如，如果第二应变传感器112、第三应变传感器114和第四应 变传感器116的每一个具有与第一应变传感器110、第五应变传感器118、第六应变传感器 120、第七应变传感器122和第八应变传感器124之一不同的构造，则该方法是可行的。例 如，第二应变传感器112、第三应变传感器114和第四应变传感器116构造为感应在相对小 的区域中快速波动的变形，该变形受到滚动元件的每一个通过的驱动。在另一方面，第一应 变传感器110、第五应变传感器118、第六应变传感器120、第七应变传感器122和第八应变 传感器124构造为感应内环和/或外环的整体变形，并且感应大面积上的应变以受益于局 部变形的合计效应。
然而，如果多个应变传感器的构造是均匀的，则第一传感器信号S110、第二传感器 信号S112、第三传感器信号S114、第四传感器信号S116、第五传感器信号S118、第六传感器 信号S120、第七传感器信号S122和第八传感器信号S124可用于决定负荷的平均成分以及 负荷的动态成分二者，这取决于其中处理传感器信号的方法。
在图2所不的不例中，第一传感器信号S110、第五传感器信号S118、第六传感器信 号S120、第七传感器信号S122和第八传感器信号S124可用于决定滚动兀件轴承102上负 荷的动态成分。第一传感器信号SllO在第一带通滤波器228中被带通滤波。第一带通滤 波器228的较低截止频率基本上等于第一低通滤波器208、第二低通滤波器216和第三低 通滤波器224每一个的截止频率。这保证了在包含截止频率的频率范围内对第一低通滤波 器208、第二低通滤波器216、第三低通滤波器224和第一带通滤波器228是共同的负荷的 平均成分和负荷的动态成分可以被合计起来而没有引入作为复制或省略落入该频率范围 内的总负荷的成分的结果的严重错误。第一带通滤波器228的较低截止频率还意味着作为 诸如由摩擦引起的热膨胀、热效应的结果对滚动元件轴承的整体变形的成分具有很多秒的 特性时间尺度。第一带通滤波器228的较高截止频率充分地低于滚动元件轴承的运行使用 中的损坏频率。
类似地，第五传感器信号SI 18在第二带通滤波器230中被带通滤波。第二带通滤 波器230的较低的截止频率基本上等于第一带通滤波器228的较低的截止频率。第六传感 器信号S120在第三带通滤波器232中被带通滤波。第三带通滤波器232的较低的截止频 率基本上等于第一带通滤波器228的较低的截止频率。第七传感器信号S122在第四带通滤波器234中被带通滤波。第四带通滤波器234的较低的截止频率基本上等于第一带通滤 波器228的较低的截止频率。第八传感器信号S124在第五带通滤波器236中被带通滤波。 第五带通滤波器236的较低的截止频率基本上等于第一带通滤波器228的较低的截止频率。
第一带通滤波器228的较低的截止频率导致处于已经在决定平均成分中考虑过 的频率范围中的第一传感器信号SllO的信号成分的去除。该去除保证了在包含共同截止 频率的频率范围内的负荷的平均成分和负荷的动态成分可合计而不引入作为复制或省略 落入该频率范围内成分的结果的严重错误。第一带通滤波器228的较低的截止频率也导致 去除作为例如由摩擦引起的热膨胀或热收缩的结果的滚动元件轴承102的整体变形的成 分。这样的热效应具有很多秒的特性时间尺度。再者，第一传感器信号SllO需要滤波以去 除具有损坏频率及其以上量级的频率的信号成分。因此，第一带通滤波器228的较高的截 止频率选择为适当地低于损坏频率，以便去除后者的信号成分。第一带通滤波器228的较 高的截止频率在上面的涉及轮式车辆悬挂系统的示例中例如取为IOHz。
类似地，第五传感器信号SI 18在第二带通滤波器230中被带通滤波。第二带通滤 波器230的较低的截止频率基本上等于第一带通滤波器228的较低的截止频率，并且其较 高的截止频率基本上等于第一带通滤波器228的较高的截止频率。第六传感器信号S120在 第三带通滤波器232中被带通滤波。第三带通滤波器232的较低的截止频率基本上等于第 一带通滤波器228的较低的截止频率，并且其较高的截止频率基本上等于第一带通滤波器 228的较高的截止频率。第七传感器信号S122在第四带通滤波器234中被带通滤波。第 四带通滤波器234的较低的截止频率基本上等于第一带通滤波器228的较低的截止频率， 并且其较高的截止频率基本上等于第一带通滤波器228的较高的截止频率。第八传感器信 号S124在第五带通滤波器234中被带通滤波。第五带通滤波器234的较低的截止频率基 本上等于第一带通滤波器228的较低的截止频率，并且其较高的截止频率基本上等于第一 带通滤波器228的较高的截止频率。
第一带通滤波器228、第二带通滤波器230、第三带通滤波器232、第四带通滤波器 232和第五带通滤波器234具有各自连接到第二信号处理器238的输出。第二信号处理器 238由接收的输入信号决定滚动元件轴承102上总负荷的动态成分带通滤波的第一传感 器信号S110、带通滤波的第五信号S118、带通滤波的第六信号S120、带通滤波的第七信号 S122和带通滤波的第八信号S124。第二信号处理器238由接收的输入信号决定滚动元件 轴承102的整体变形，然后由整体变形决定总负荷的动态成分。该实现方法例如已经在上 面讨论的美国专利7，389，701中描述。
在滚动元件轴承102转动的速度在机器100的运行使用中变化的情况下，第一带 通滤波器228、第二带通滤波器230、第三带通滤波器232、第四带通滤波器234和第五带通 滤波器236的截止频率根据损坏频率受到控制。因此，第一带通滤波器228、第二带通滤波 器230、第三带通滤波器232、第四带通滤波器234和第五带通滤波器236的较低的截止频 率保持为与第一低通滤波器208、第二低通滤波器216和第三低通滤波器224的截止频率基 本上相同。同样，第一带通滤波器228、第二带通滤波器230、第三带通滤波器232、第四带通 滤波器234和第五带通滤波器236的较高的截止频率根据速度受到控制保证了较高的截止 频率保持适当地在损坏频率以下。
总负荷
现在，总负荷是第一信号处理器226所决定的平均成分与第二信号处理器238所 决定的动态成分的结合。第一信号处理器226的第一输出和第二信号处理器238的第二输 出连接到合计部件240，用于线性地结合平均成分和动态成分从而给出滚动元件轴承102 上的总负荷。
截止频率
现在参考图3。图3是示出低通滤波器的增益频率响应302示例的示意图，低通 滤波器为第一低通滤波器208、第二低通滤波器216和第三低通滤波器224中的任何一个。 该示例的低通滤波器是无源滤波器，并且具有第一截止频率F (I )，通常定义为低通滤波器 的频率，其上的增益相对于单位标称增益降低3dB。图3还示出了带通滤波器的增益频率响 应304的示例，该带通滤波器是第一带通滤波器228、第二带通滤波器230、第三带通滤波器 232、第四带通滤波器234和第五带通滤波器236中的任何一个。该示例的带通滤波器是无 源滤波器，并且具有第二截止频率F (2)和第三截止频率F (3)。第二截止频率F (2)表示 随着频率值的下降其上的增益已经下降到单位增益以下3dB水平的频率。第三截止频率F(3)表示随着频率值的增加增益已经下降到单位增益以下3dB水平的频率。在本发明中， 低通滤波器的第一截止频率F (I)设定为基本上等于带通滤波器的第二截止频率F (2)。 第二截止频率F (2)低于第三截止频率F (3)。第三截止频率设定为充分地低于损坏频率 BPF，如前面所说明的那样。在损坏频率BPF在滚动元件轴承102的运行使用中变化的情况 下，第一截止频率F (1)，第二截止频率F (2)和第三截止频率F (3)是基于损坏频率BPF 的，如前面所说明的那样。
第一带通滤波器228、第二带通滤波器230、第三带通滤波器232、第四带通滤波器 234和第五带通滤波器236的每个单独的一个可采用各自具有低通截止频率的更低的低通 滤波器、伴随各自具有高通截止频率的另外的高通滤波器的结合执行。于是，每个各自的另 外的高通滤波器的高通截止频率制作为等于第一低通滤波器208、第二低通滤波器216和 第三低通滤波器224每一个的低通截止频率。应注意，特定的高通滤波器可由统一的转移 函数减去特定低通滤波器的转移函数实现。特定高通滤波器的转移函数与特定低通滤波器 的转移函数之和是统一的。特定的高通滤波器和特定的低通滤波器于是形成一对所谓互补 滤波器。
执行
第一信号处理器226和第二信号处理器238可以不同的方式执行。例如，第一信 号处理器226和第二信号处理器238执行为专用的硬件，例如，专用的电子电路，设计为与 特定类型的滚动元件轴承102 —起使用或用于特定的应用。不同类型的滚动元件轴承102 可在相同的负荷下有不同的变形。第一信号处理器226和第二信号处理器238根据其中特 定类型的滚动元件轴承102变形的特定方式处理它们的输入信号。类似地，特定类型的滚 动元件轴承102在不同应用中的使用可引起不同的负荷。于是，第一信号处理器226和第 二信号处理器238的处理可以适合于所希望的特定负荷范围。
作为选择，第一信号处理器226和第二信号处理器238的至少一个关于要处理其 变形的特定类型的滚动元件轴承102是可编程的，例如通过终端用户编程，以便获得滚动 元件轴承102上的负荷和/或特定的负荷范围。
作为选择，第一信号处理器226、第二信号处理器238和合计部件240由单一信号 处理器物理地形成，例如适合于特定类型的滚动元件轴承102和/或特定的负荷范围，或者 对与不同类型的滚动元件轴承102的范围和/或不同的负荷范围的使用可编程。
作为选择，第一信号处理器226、第二信号处理器238和合计部件240的至少一 个执行在计算机可读介质上存储的软件中且运行在一般目的的计算机上。此外，一个或多 个下列部件执行的操作也可执行在运行于一般目的计算机上的软件中第一高通滤波器 202、第二高通滤波器210、第三高通滤波器218、第一放大器204、第二放大器212、第三放大 器220、第一整流器206、第二整流器214、第三整流器222、第一低通滤波器208、第二低通滤 波器216、第三低通滤波器224、第一带通滤波器228、第二带通滤波器230、第三带通滤波器 232、第四带通滤波器234和第六带通滤波器236。
图4是负荷决定系统126的另一个执行示例的示意图。这里假设第一传感器信 号S110、第二传感器信号S112、第三传感器信号S114、第四传感器信号S116、第五传感器信 号SI 18、第六传感器信号S120、第七传感器信号S122和第八传感器信号S124已经以例如 IkHz的时钟频率被采样且已经转换到数字值。经过采样的且数字化形式的第一传感器信 号S110、第二传感器信号S112、第三传感器信号S114、第四传感器信号S116、第五传感器信 号S118、第六传感器信号S120、第七传感器信号S122和第八传感器信号S124是传感器信 号矢量S的成分。传感器信号矢量S被提供给第一信号处理通道402和第二信号处理通道 404。
第一信号处理通道402包括在感应负荷的动态成分中涉及的操作，其根据损坏频 率检波且考虑作为滚动元件通过的结果的滚动元件轴承102的局部变形。损坏频率是滚动 元件轴承102的每分钟转数(RPM)的度量。第二信号处理通道404包括根据从滚动元件轴 承102的整体变形获得的力在感应负荷的动态成分中涉及的操作。
第一信号处理通道402包括第一模块406，其中传感器信号矢量S的每个单独一 个成分的采样经受带通滤波操作。传感器信号矢量S的不同成分的采样可并行地带通滤 波，或者作为选择，一个接一个地经受数字带通滤波，在上面的示例中其速率与IkHz的采 样速率相比足够高。第一模块406中的带通滤波操作以带通滤波器在损坏频率周围执行， 以提取与滚动元件轴承102的局部变形相关的传感器信号矢量S的信号成分，局部变形由 滚动元件的每一特定一个的通过引起。在第一模块406中已经带通滤波传感器信号矢量 S的成分后，该成分在第二模块408中经受平均十个选取一个操作(averaging decimator operation),从而减少采样数。例如，平均数，即传感器信号矢量S的每个成分的均方根 (RMS)比方说在所感应的50个瞬时连续成分采样上决定。平均十个选取一个的采样被提供 到第三模块410，其中在滚动元件轴承102如上所述相对于第一低通滤波器208、第二低通 滤波器216和第三低通滤波器224以每分钟几百转(RPM)运行的情况下，其中低通滤波器 被施加到采用IHz的截止频率的所述平均十个选取一个的采样。如此低通滤波的采样被提 供给第四模块412。
第四模块412根据第三模块410提供的采样计算力的平均成分，其表示传感器信 号矢量S的所有成分。在图4的示例中，采样表示来自所有应变仪表的传感器信号，即来自 第一应变传感器110的第一传感器信号SI 10、来自第二应变传感器112的第二传感器信号 S122、来自第三应变传感器114的第三传感器信号S114、来自第四应变传感器116的第四传感器信号S116、来自第五应变传感器118的第五传感器信号S118、来自第六应变传感器 120的第六传感器信号S120、来自第七应变传感器122的第七传感器信号S122以及来自第八应变传感器124的第八传感器信号S124。应注意,第一传感器信号S110、第二传感器信号S112、第三传感器信号S114、第四传感器信号S116、第五传感器信号S118、第六传感器信号S120、第七传感器信号S122和第八传感器信号S124的每一个都表不所感应的各自的位移或应变。在线性方法内，力和应变通过刚度矩阵关联。于是，第四模块412执行矩阵乘法且产生滚动元件轴承102在相关瞬间所经受的力平均成分的数量表示。
然而，通常，在一方面滚动元件轴承102上的力平均成分和另一方面由第一传感器信号S110、第二传感器信号S112、第三传感器信号S114、第四传感器信号S116、第五传感器信号S118、第六传感器信号S120、第七传感器信号S122以及第八传感器信号S124所表示的应变之间存在非线性关系。因此，可采用多项式方法，其中滚动元件轴承102上的平均力表示为矢量的线性结合，其中第η矢量的第k成分具有由第三模块410提供的第k传感器信号的值且上升到η次方。为了清楚起见，引入下面的标记。在时刻t作用在滚动元件轴承102上的总合力的平均成分由矢量Fave (t)表示，并且矢量Fave (t)的第k矢量成分由Fave,k (t)表不。由第三模块410在时刻t提供的第一传感器信号S110、第二传感器信号 S112、第三传感器信号S114、第四传感器信号S116、第五传感器信号S118、第六传感器信号 S120、第七传感器信号S122和第八传感器信号S124的第i个的数值由yi (t)表示。贝U， Fave，k (t)表示为_2] Fave,k (t) =Xj Σ m a(kJm) · Lyj (t) ]m,
其中系数&(一表示各自的加权因数。因此，上面线性结合的前两项为
Fave,k (t) =Xja(kJ1) · [yj (t) ] + Σ ja(kJ2) · Lyj (t) ]2
第一模块406中的带通滤波优选根据滚动元件轴承102的转速进行，以在转速变化的情况下能提取关于局部引发变形的信息。
传感器信号矢量S的采样还提供给第二信号处理通道404。第二信号处理通道404 包括第五模块414，其中传感器信号矢量S的成分以IOHz的截止频率经受低通滤波操作。 这去除了已经在第一信号处理通道402中在第一模块406上所考虑的损坏频率范围内的频率。如此低通滤波的采样从第五模块414被提供到第六模块416。第六模块416使接收的采样经受平均十个选取一个操作以便减少采样数。例如，平均数，即传感器信号矢量S的每个成分的均方根(RMS)比方说在所感应的50个瞬时连续成分采样上决定。第六模块416上的该平均十个选取一个操作类似于在第一信号处理通道402中于第二模块408处所执行的情况。第六模块416将所述平均十个选取一个的采样提供到第七模块418。第七模块418 以IHz的截止频率执行高通滤波操作。高通滤波操作的截止频率与第一信号处理通道402 的第三模块410中的低通滤波操作的截止频率相同。第七模块418中的高通滤波操作以特定的方式执行。
第七模块418的高通滤波操作通过减法器420执行。减法器420减去从第六模块 416接收的平均十个选取一个的采样，其是平均十个选取一个的采样的低通滤波样本。就是说，第七模块418中的高通滤波通过并行提供平均十个选取一个的采样到减法器420和低通滤波器422以及从平均十个选取一个的采样减去经过低通滤波的、平均十个选取一个的采样而执行。低通滤波器422上的低通滤波操作与第一信号处理通道402的第三模块410的低通滤波操作相同。应注意，第一信号处理通道402的第三模块410中的低通滤波的存在引起总力的相对慢的相应的平均成分。所述慢的相应部分从在第二信号处理通道404中所处理的采样中被去除。现在，由第七模块418提供的采样表示瞬时现象且有效地模拟总力的成分，其与平均成分互补。该互补成分表示总力的动态成分。
总力的动态成分在第八模块424中计算。在线性方法内，力和应变通过刚度矩阵关联。于是，第八模块424执行矩阵乘法且产生表示在相应瞬时施加在滚动元件轴承102 上的力的动态成分。
与相对于滚动元件轴承102的力的平均成分的讨论类似，在一方面滚动元件轴承 102上的力的动态成分和另一方面由第一传感器信号S110、第二传感器信号S112、第三传感器信号S114、第四传感器信号S116、第五传感器信号S118、第六传感器信号S120、第七传感器信号S122以及第八传感器信号S124所表示的应变之间通常存在非线性关系。因此， 可采用多项式方法，其中滚动元件轴承102上的动态力表示为矢量的线性结合，其中第η矢量的第k成分具有由第七模块418提供的第k传感器信号的数值且提高到η次方。在时刻 t施加在滚动元件轴承102上的总力的动态成分由矢量Fdyn (t)表示,并且矢量Fdyn (t)的第k矢量成分由Fdyn, k (t)表不。第七模块418在时刻t提供的第一传感器信号S110、第二传感器信号S112、第三传感器信号S114、第四传感器信号S116、第五传感器信号S118、第六传感器信号S120、第七传感器信号S122和第八传感器信号S124中的第i个的数值由Xi (t)表示。则，Fdyn,k (t)表示为
Fdynjk ( )=Σ[Xj (t) ]m,
其中系数b(Wm)表示各自的加权因数。因此上面线性结合的前两项为
Fdynjk (t) =Xjbikj0 · [Xj ⑴] + Σ>_ · [Xj (t)]2
由第四模块412决定的力的平均成分Fave和由第八模块424决定的力的动态成分 Fdyn在加法器426中结合从而决定滚动元件轴承102在相关时刻“t”所经受的总力，矢量F (t)。
作为温度梯度的结果的滚动元件轴承102的变形的特征频率低于1Hz，即低于在第三模块410和第七模块418上滤波的IHz的截止频率。因此，作为热效应结果的变形被极大地滤除了。
权利要求
1.一种机器(100)，包括滚动元件轴承(102)、传感器系统(110、112、114、116、118、120、122、124)和负荷决定系统(126)，其中 该滚动元件轴承包括内环(104)、外环(106)和容放在该内环和该外环之间的多个滚云力元件(108)； 该传感器系统构造为在该内环和该外环的特定一个上的至少一个特定位置感应该内环和该外环的至少特定一个的局部变形且提供表示该感应的传感器输出； 该负荷决定系统构造为用于 接收来自该传感器系统的该传感器输出；并且 当该内环和该外环相对彼此同轴旋转时，根据该传感器输出决定该滚动元件轴承上的机械负荷； 该负荷决定系统包括 第一信号通道(242 ;402)，构造为处理该传感器输出以决定该机械负荷的平均成分； 第二信号通道(244 ;404)，构造为处理该传感器输出以决定该机械负荷的动态成分；以及 结合器(240 ;426)，用于线性地结合该平均成分和该动态成分； 该第一信号通道构造为用于 以第一截止频率低通滤波该传感器输出；并且 处理该低通滤波的传感器输出，其作为该滚动元件通过特定位置所引起的局部变形的表示，以决定表示该局部变形中低频变化的该平均成分； 该第二信号通道构造为用于 以基本上等于该第一截止频率的第二截止频率以及以高于该第二截止频率的第三截止频率带通滤波该传感器输出；并且 处理该带通滤波传感器输出，其作为表示该动态成分的该滚动元件轴承的整体变形的表示；并且 该第一截止频率、该第二截止频率和该第三截止频率充分地低于损坏频率。
2.根据权利要求1所述的机器，其中 该传感器系统包括第一传感器(110)和与该第一传感器不同的第二传感器(112)； 该第一传感器提供第一传感器信号，并且该第二传感器提供第二传感器信号； 该传感器输出包括该第一传感器信号和该第二传感器信号； 该第一传感器信号提供到该第二信号通道，并且该第二传感器信号提供到该第一信号通道。
3.根据权利要求1所述的机器，其中 该传感器系统包括用于提供传感器信号的传感器； 该传感器输出包括该传感器信号； 该传感器信号提供到该第一信号处理通道和该第二信号处理通道。
4.根据权利要求1、2或3所述的机器，其中 该负荷决定系统具有输入，用于接收表示在该机器的操作使用中该滚动元件轴承的损坏频率的速度信号，并且 该负荷决定系统根据该损坏频率控制该第一截止频率、该第二截止频率和该第三截止频率。
5.一种用于根据权利要求1、2、3或4所述的机器中使用的负荷决定系统。
6.根据权利要求5所述的负荷决定系统，与下面的至少一个结合该滚动元件轴承和该传感器系统。
7.一种计算机可读介质上的软件，构造为在计算机上执行以执行负荷决定系统(126)，其中 滚动元件轴承(102)具有内环(104)、外环(106)和容放在该内环和该外环之间的多个滚动元件(108)，当该内环和该外环相对彼此同轴旋转时，该负荷决定系统构造为用于决定该滚动元件轴承(102)上的机械负荷； 该负荷决定系统操作为在传感器系统(110、112、114、116、118、120、122、124)的控制下决定该机械负荷，该传感器系统(110、112、114、116、118、120、122、124)构造为在内环和外环的特定一个上的至少特定位置感应该内环和该外环的至少特定一个的局部变形且提供表不该感应的传感器输出； 该软件包括 第一指令，用于执行第一信号通道(242 ;402)，其构造为处理该传感器输出以决定该机械负荷的平均成分； 第二指令，用于执行第二信号通道(244 ;404)，其构造为处理该传感器输出以决定该机械负荷的动态成分；以及 第三指令，用于执行结合器(240 ；426)以线性地结合该平均成分和该动态成分； 该第一指令包括 第四指令，用于以第一截止频率执行该传感器输出的低通滤波；和第五指令，用于执行该低通滤波的传感器输出的处理，该低通滤波传感器输出作为该滚动元件通过该特定位置所引起的该局部变形的表示，以决定表示该局部变形中低频变化的该平均成分； 该第二指令包括 第六指令，用于以基本上等于该第一截止频率的第二截止频率以及高于该第二截止频率的第三截止频率执行该传感器输出的带通滤波；以及 第七指令，用于执行该带通滤波的传感器输出的处理，该带通滤波传感器输出作为表示该动态成分的该滚动元件轴承的整体变形的表示；并且 该第一截止频率、该第二截止频率和该第三截止频率充分地低于该损坏频率。
8.根据权利要求7所述的软件，其中 该传感器系统包括第一传感器(110)和与该第一传感器不同的第二传感器(112); 该第一传感器提供第一传感器信号，并且该第二传感器提供第二传感器信号； 该传感器输出包括该第一传感器信号和该第二传感器信号； 该第一传感器信号由该第二指令处理，并且该第二传感器信号由该第一指令处理。
9.根据权利要求7所述的软件，其中 该传感器系统包括用于提供传感器信号的传感器； 该传感器输出包括该传感器信号； 该传感器信号由该第一指令和该第二指令处理。
10.根据权利要求8或9所述的软件，包括 第八指令，用于接收表示该滚动元件轴承的损坏频率的速度信号，以及第九指令，用于根据该损坏频率控制该第一截止频率、该第二截止频率和该第三高截止频率。
11.一种在滚动元件轴承(102)上决定机械负荷的方法，其中 该滚动元件轴承包括内环(104)、外环(106 )和容放在该内环和该外环之间的多个滚云力元件(108)； 该方法包括 感应该内环和该外环的特定一个上在至少特定位置的该内环和该外环的至少特定一个的局部变形，以产生表示该感应的传感器输出；以及 当该内环和该外环相对彼此同轴旋转时，根据该传感器输出决定该滚动元件轴承上的该机械负荷； 决定该机械负荷包括 处理该传感器输出以决定该机械负荷的平均成分； 处理该传感器输出以决定该机械负荷的动态成分；以及 线性地结合该平均成分和该动态成分； 决定该平均成分包括 以第一截止频率低通滤波该传感器输出；以及 处理该低通滤波的传感器输出，其作为该滚动元件通过该特定位置所引起的该局部变形的表示，以决定表示该局部变形中低频变化的该平均成分； 决定该动态成分包括 以基本上等于该第一截止频率的第二截止频率以及以高于该第二截止频率的第三截止频率带通滤波该传感器输出；以及 处理该带通滤波的传感器输出，其作为表示该动态成分的该滚动元件轴承的整体变形的表示；并且该第一截止频率、该第二截止频率和该第三截止频率充分地低于该损坏频率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中 该传感器系统包括第一传感器(110)和与该第一传感器不同的第二传感器(112); 该第一传感器提供第一传感器信号，并且该第二传感器提供第二传感器信号； 处理该传感器输出以决定该平均成分包括处理该第二传感器信号； 处理该传感器输出以决定该动态成分包括处理该第一传感器信号。
13.根据权利要求11所述的方法，其中 该传感器系统包括用于提供传感器信号的传感器； 该传感器输出包括该传感器信号； 处理该传感器输出以决定该平均成分包括处理该第一传感器信号和第二传感器信号； 处理该传感器输出以决定该动态成分包括处理该第一传感器信号和该第二传感器信号。
14.根据权利要求11、12或13所述的方法，包括 接收表示该滚动元件轴承的损坏频率的速度信号，以及 根据该损坏频率控制该第一截止频率、该第二截止频率和该第三截止频率。
全文摘要
滚动元件轴承上的机械负荷由滚动元件轴承的变形决定。由滚动接触力引起的局部变形用于决定机械负荷的平均成分，以便作为轴承滚动元件直径上的扩大的结果平均出变形上的效果。滚动元件轴承的整体变形决定为计算机械负荷的动态成分。动态成分看作相关时间尺度上的机械负荷，其已经作为平均操作的结果从平均成分省略。总的机械负荷为平均成分和动态成分之和。
文档编号G01L5/00GK103038618SQ201080068325
公开日2013年4月10日 申请日期2010年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者H.A.莫尔 申请人:Skf公司