轴承监控方法和系统的制作方法
【专利摘要】一种用于预测轴承(12)的剩余寿命的方法包括以下步骤：测量由于所述轴承(12)的滚动接触所发出的高频率应力波和/或接触力，将所述测量数据记录为已记录的数据，以及使用所述已记录的数据和国际标准化组织(ISO)轴承寿命模型预测所述滚动元件轴承(12)的剩余寿命，其中载荷从接触力的测量值来确定和/或润滑质量从滚动接触所发出的高频率应力波来确定，而不是通过所述国际标准化组织(ISO)滚动元件轴承寿命模型来确定。
【专利说明】轴承监控方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于预测滚动元件轴承的剩余寿命、即用于预测其何时必需或期望维修、替换或翻新(重新制造)滚动元件轴承的方法、系统和计算机程序产品。
【背景技术】
[0002]滚动元件轴承经常用在关键性的应用中，它们在使用中的故障会对于最终用户造成重大的商业损失。因此，能够预测轴承的剩余寿命是很重要的，从而计划干预、在某种程度上避免使用中的故障，同时使得出问题的机械停止工作以替换轴承所带来的损失最小化。
[0003]滚动元件轴承的剩余寿命通常由运作使用中的交变应力造成的运作表面的疲劳决定。滚动元件轴承的疲劳失效由滚动元件表面和相应的轴承座圈表面的累计的剥落或点蚀引起。剥落和点蚀可导致一个或更多个滚动元件的咬死，这会依次产生过多的热量、压力和摩擦。
[0004]按照与它们所应用到的应用中的预期工作类型一致的计算出或预测出的剩余平均寿命，轴承被选择用于特殊的应用。轴承剩余寿命长度可以通过考虑速度、载荷、润滑条件等标称运行条件预测出。例如，所谓的“L-10寿命”是平均寿命时长，在这段时长内至少90%的特定组的轴承在特定载荷条件下仍将工作。但是，由于若干原因，这种寿命预测对于维护计划来说被认为是不足的。
[0005]一个原因在于实际运作条件可能与标称条件完全不同。另一个原因在于，轴承的剩余寿命可能在根本上被短期事件或未计划事件、例如过载、润滑失效、安装误差等危及。而另一个原因在于，即使在使用中精确复制了标称运作条件，疲劳过程固有的随机特性也会在大致上相同的轴承的实际剩余寿命方面引起的大的统计学变化。
[0006]为了改进维护计划，常见做法是监控与运作使用中轴承所受到的振动和温度相关的物理量的值，从而能够检测即将发生的失效的最初迹象。这种监控通常被称作“状态监控”。
[0007]状态监控带来多方面的益处。第一个益处是用户以受控的方式被警告轴承状态上的恶化，由此使得商业影响最小化。第二个益处是状态监控帮助识别不好的安装或不好的操作实践，例如未对准、不平衡、高振动等，如果不做校正将减少轴承的剩余寿命。
[0008]欧洲专利申请公开EP 1164550描述了状态监控系统的实例，该系统用于监控情况，例如在机器部件、例如轴承中是否存在反常。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种用于预测滚动元件轴承剩余寿命的改进的方法。
[0010]该目的通过一种包括以下步骤的方法实现:测量接触力和/或由所述滚动元件轴承的滚动接触所发出的高频率应力波(即，20kHz-3Mz，优选地100-500kHz或更高)，将测量数据记录为已记录的数据，以及使用所述已记录的数据和国际标准化组织(ISO)滚动元件轴承寿命模型预测所述滚动元件轴承的剩余寿命，其中，载荷从接触力的测量值确定和/或润滑质量从滚动接触所发出的高频率应力波来确定，而不是通过ISO滚动元件轴承寿命模型。
[0011]剩余寿命预测因此是使用测量的负载而不是ISO滚动元件轴承寿命模型的假设的或者预测的负载和/或测量的润滑质量而不是ISO滚动元件轴承寿命模型的假设的或者预测的润滑质量，以及期待将来的运行条件来预测失效的可能性。
[0012]高频率应力波伴随着少量材料在非常短时期内的突然移位。当发生碰撞、疲劳裂纹、擦伤或磨损时，可在轴承中产生高频率应力波。应力波的频率取决于源头的种类和材料特性。绝对运动传感器，例如加速计、声发射传感器或超声波传感器，可以被用来检测这样的高频率应力波并且由此提供重要的信息，协助故障检测和严重性估计。由于高应力波包的离散和衰减，理想的是将传感器尽量地靠近起始点放置。因此，传感器可放在靠近轴承壳体的附近或是放在轴承壳体上，优选地放在负载区域。
[0013]此外，润滑油膜可能受到过量载荷、润滑剂的低粘度或润滑剂被微粒材料污染、或者缺乏润滑剂的危害。如果润滑油膜这样受到危害，高频率波将通过轴承的滚动接触发出。因此，在润滑油膜不起作用的情况下，通过检测传播通过轴承环和周围结构的高频率应力波，可以评估出润滑油膜的状态。这样，根据本发明所述的系统允许使用表示润滑剂质量的测量值作出剩余寿命预测，而不是使用假设或预测的润滑剂质量值。
[0014]根据本发明的实施方式，所述ISO滚动元件轴承寿命模型是IS0281滚动元件轴承寿命模型，例如IS0281:2007。
[0015]IS0281:2007详细说明了计算在有关ISO出版物上所示的大小范围内的滚动元件轴承的基本额定动载荷的方法，所述滚动元件轴承由按照良好制造做法的并且基本上在滚动接触表面的形状方面具有传统设计的当代的、常用的、高质量的硬化滚动元件轴承钢制造。
[0016]IS0281:2007还详细说明了计算基本额定寿命的方法，基本额定寿命是与90%可靠性、常用高质量材料、良好制造质量以及传统运作状态相关的寿命。另外，它详细说明了计算修正的额定寿命的方法，其中滚动元件轴承的各种可靠性、润滑状态、被污染的润滑剂以及疲劳载荷列入考虑。
[0017]IS0281:2007不包括磨损、腐蚀和电侵蚀对滚动元件轴承寿命的影响。
[0018]IS0281:2007不适用于滚动元件直接在轴上或壳体表面上运作的设计，除非该表面在各方面都与它取代的滚动元件轴承环(或垫圈)滚道相当。
[0019]根据本发明的又一实施例，预测滚动元件轴承的剩余寿命的步骤包括将影响滚动元件轴承剩余寿命的以下因子的至少其中之一列入考虑:滚动元件轴承受到腐蚀、滚动元件轴承受到微动损伤、滚动元件轴承在瞬时载荷工况下；滚动元件轴承在导致润滑油膜失效的瞬时或持续的工况下。传感器可用来获得指示这些因子的数据。
[0020]根据本发明的实施方式，所述方法包括以下步骤:获得唯一地识别所述滚动元件轴承的识别数据以及连同所述已记录的数据一起记录所述识别数据。这样的方法允许基于提供滚动元件轴承的历史和使用的全面概况的信息做出滚动元件轴承剩余寿命的定量预测。
[0021]根据本发明的另一实施方式，电子装置被用在所述的将所述数据记录在数据库中的步骤里。
[0022]根据本发明的另一实施方式，所述方法包括使用有关一个或者更多个类似或者大致相同的轴承的数据，例如，使用从多个轴承收集的数据，例如长期进行的和/或基于相似或大致上相同的轴承的测试的记录，改进所述数学的剩余寿命预测模型的步骤。
[0023]根据本发明的实施方式，所述方法包括在获得和/或记录所述新数据时更新所述剩余寿命预测的步骤。
[0024]本发明还涉及一种计算机程序产品，它包括计算机程序，所述计算机程序包含计算机程序编码装置，配置用于使计算机或处理器执行存储在计算机可读媒介或载波上的根据本发明任一实施方式所述的方法的步骤。
[0025]本发明还涉及一种用于预测滚动元件轴承的剩余寿命的系统，其包括:至少一个传感器，其用于测量由所述滚动元件轴承的滚动接触所发出的高频率应力波和/或接触力；数据处理单元，其将所述测量数据记录为已记录的数据；以及预测单元，其使用所述已记录的数据和国际标准化组织滚动元件轴承寿命模型预测滚动元件轴承的剩余寿命，其中载荷由接触力的测量值确定和/或润滑质量由滚动接触发出的高频率应力波确定，而不是由国际标准化组织(ISO)滚动元件轴承寿命模型确定。
[0026]根据本发明的实施方式，所述ISO滚动元件轴承寿命模型是IS0281滚动元件轴承寿命模型，例如IS0281:2007。
[0027]根据本发明的又一实施方式，预测单元配置为预测滚动元件轴承的剩余寿命时，将以下因子的至少其中之一列入考虑:滚动元件轴承受到腐蚀、滚动元件轴承受到微动损伤、滚动元件轴承在瞬时载荷工况下；滚动元件轴承在导致润滑油膜失效的瞬时或持续的工况下。
[0028]根据本发明的另一实施方式，所述系统包括识别传感器，其配置用于获得唯一地识别所述滚动元件轴承的识别数据，其中所述数据处理单元配置用于连同所述已记录的数据一起记录所述识别数据。
[0029]根据本发明的又一实施方式，所述数据处理单元配置用于将所述数据电子地记录在数据库中。
[0030]根据本发明的实施方式，所述数据处理单元配置成预测滚动元件轴承的剩余寿命还包括使用涉及一个或更多个相似或大致上相同的滚动元件轴承的已记录的数据。
[0031]根据本发明的另一实施方式，所述预测单元配置成在获得和/或记录所述新数据时更新所述剩余寿命预测。
[0032]根据本发明所述的方法、系统和计算机程序产品可被用来预测用在机动车、航空、铁路、采矿业、风力、海洋、金属制造和其它机械应用中的至少一个滚动元件轴承的剩余寿命，这些应用要求高耐磨性和/或增加的疲劳和抗张强度。滚动轴承可以是圆柱滚子轴承、球形滚子轴承、圆环滚子轴承、锥形滚子轴承、圆锥滚子轴承或滚针轴承中的任一种。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]参考附图，通过非限制性的实例，将在下文中进一步解释本发明，其中:
[0034]图1表示根据本发明实施方式所述的系统，
[0035]图2是表示根据本发明实施方式的方法的步骤的流程图，以及
[0036]图3表示滚动元件轴承，其剩余寿命可使用根据本发明的实施方式所述的系统或方法预测。
[0037]应当注意的是，附图不是按比例绘制，并且出于清楚起见，某些特征的尺寸被夸大了。
[0038]此外，只要没有冲突存在，本发明的一个实施方式的任何特征可与本发明的任何其它实施方式的任何其它特征组合。
【具体实施方式】
[0039]图1表示在使用期间的用于预测多个滚动元件轴承12的剩余寿命的系统10。图示实施方式表示两个滚动元件轴承12，但是，根据本发明所述的系统10可用于预测任何类型的、并且不需要具有相同类型或大小的一个或更多个滚动元件轴承12的剩余寿命。系统10包括多个传感器14，配置用于测量通过滚动元件轴承12的滚动接触所发出的高频率应力波和/或接触力。传感器14可与滚动元件轴承12结合，或者传感器14可被设在每个滚动元件轴承12附近。
[0040]滚动接触力例如可通过应变传感器14记录，该应变传感器14位于轴承外环的外表面或侧面上，或是轴承内环的内表面或内侧面上。这样的应变传感器14可以是电阻式的或者使用嵌入在滚动元件轴承12内的光学纤维的拉伸。
[0041]传感器14可嵌入在轴承环中或在外部地附连于轴承壳体从而监控润滑剂状态。润滑剂可能以若干方式被污染降级。例如，由于其含水率或腐蚀材料(例如，酸、盐等)的夹带，润滑剂膜也许未能保护滚动元件轴承12免受腐蚀。作为另一个实例，润滑剂膜可能被对于轴承滚道有研磨作用的固体材料污染。润滑剂膜也可能受到过量的载荷、润滑剂的低粘度或润滑剂被颗粒材料污染、或者润滑剂的缺乏的危害。在润滑膜不起作用的情况下，润滑膜的状态可通过检测传播通过轴承环和周围结果的高频率应力波来评估。
[0042]系统10还可选地包括至少一个识别传感器，配置用于获得唯一地识别每个滚动元件轴承12的识别数据16。识别数据16可从与滚动元件轴承12相关联的可机读识别器获得，并且优选地设置在轴承12本身上从而使其属于滚动元件轴承12，即使轴承12被移动到不同的位置或滚动元件轴承12被翻新。这样的机读识别器的实例是被雕刻、粘合、物理结合、或其它方式地固定到滚动元件轴承的标记，或是位于滚动元件轴承上的凸起或其它变形的样式。这样的识别器可机械地、光学地、电子地或其它方式地通过机器可读。识别数据16例如可以是牢固地附连于滚动元件轴承12的序列号或电子设备、例如射频识别(RFID)标签。RFID标签的电路可接收它的来自入射的电磁辐射的动力，所述入射的电磁辐射由外部电源产生，例如数据处理单元18或由数据处理单元18控制的另外的设备(未示出)。
[0043]如果采用合适的无线通信协议，例如IEEE802.15.4中所描述的，那么安装在点上的新轴承将宣告其存在并且为此目的而开发的软件将通信其唯一的数字身份。然后合适的数据库功能使该身份和位置与轴承先前的历史联系起来。
[0044]这样的识别数据16使得滚动元件轴承12的最终用户或供应者能够验证特定的滚动元件轴承是正品还是伪造产品。非法的轴承制造商例如可能试图通过提供以虚假商标包装的、次等的轴承欺骗最终用户或原始设备制造商(OEMs)，从而给出一种轴承是来自可靠来源的正品的印象。用旧的轴承可能被翻新然后贩卖并且没有它们已被翻新的提示，并且旧的轴承可能被清理、抛光并且贩卖，而买家无法得知轴承的实际使用时间。但是假如给予轴承虚假的身份，根据本发明所述的系统数据库的检查可显露出差异。例如，伪造产品的身份将不会出现在数据库中，或者在其识别数据名义下获得的剩余寿命数据将与被检查的虚假的轴承不一致。根据本发明这样的实施方式所述的从中获得识别数据的数据库，指示出每个合法轴承，其使用时间以及该轴承是否被翻新过。由此，根据本发明所述的系统可帮助轴承的鉴定。
[0045]所述系统10包括至少一个数据处理单元18，配置用于电子地记录通过传感器得到的数据，并且可选地将识别数据16作为已记录的数据记录在数据库20中。
[0046]数据库20可由滚动元件轴承12的制造商维护。因此，成批的相似或大致上相同的滚动元件轴承12的每一个轴承12可被追踪到。在数据库20中收集的整批滚动元件轴承12的剩余寿命数据使得制造商能够推断出进一步的信息，例如关于使用类型或环境相对剩余寿命变化率之间的关系，从而进一步改进对于最终用户的服务。
[0047]该系统还包括预测单元22，配置用于使用已记录的数据和ISO滚动元件轴承寿命模型、例如IS0281:2007预测每个滚动元件轴承12的剩余寿命，其中载荷由接触力的测量值确定和/或润滑质量由滚动接触发出的高频率应力波确定，而不是由ISO滚动元件轴承寿命模型确定
[0048]根据本发明的实施方式，所述预测单元22配置用于预测滚动元件轴承12的剩余寿命，通过将以下因子的至少其中之一列入考虑:滚动元件轴承受到腐蚀、滚动元件轴承受到微动损伤、滚动元件轴承在瞬时载荷工况下；滚动元件轴承在导致润滑油膜失效的瞬时或持续的工况下。也就是，至少一个传感器14可配置用于获得涉及以下一个或更多个的数据:振动、温度、滚动表面损坏、运行速度、负载的载荷、润滑状态、湿度、接触湿气或离子流体、受到机械震动、腐蚀、疲劳损坏、磨损。
[0049]应当注意的是，不是所有的系统10的部件都必须要位于滚动元件轴承12附近。系统10的部件可通过有线或无线的方式、或者两者结合的方式通信，并且位于任何合适的位置。例如，包含已记录的数据20的数据库可位于远程位置并且通过例如服务器24与至少一个数据处理单元18通信，所述数据处理单元18与滚动元件轴承12位于相同或不同的地方。
[0050]至少一个数据处理单元18可选地预处理来自传感器14的识别数据16和信号。信号可以被变换、重定格式或另外地被处理从而产生代表检测到的量级的使用寿命数据。至少一个数据处理单元18例如可布置成通过通信网络将识别数据16和剩余数据通信，通信网络例如电信网络或因特网。服务器24可将数据记入数据库20同时与识别数据16相关联，由此通过久而久之累积使用寿命数据来建立滚动元件轴承12的历史。
[0051]应当注意的是，至少一个数据处理单元18、预测单元22和/或数据库20不必须要是分开的单元，而是可以任何合适的方式组合。例如，个人电脑可被用于执行涉及本发明的方法。
[0052]根据本发明的实施方式，预测单元22可配置成使用涉及一个或更多个相似或大致上相同的滚动元件轴承12的已记录的数据预测滚动元件轴承12的剩余寿命或滚动元件轴承类型。由此可得到滚动元件轴承12的平均剩余寿命或滚动元件轴承的类型。
[0053]预测单元22可被配置用于使用ISO滚动元件轴承寿命模型和新数据更新剩余寿命预测，新数据涉及接触力和/或通过滚动接触所发出的高频率应力波的测量值。这样的更新可周期性地、大致上连续地、应要求随意地进行或者在任何合适的时候进行。
[0054]一旦已经进行了滚动元件轴承12的剩余寿命的预测26，它可能在用户界面上显示，并且/或者发送给用户、轴承制造商、数据库和/或另外的预测单元22。关于通过系统10建议何时维护、更换或翻新一个或更多个被监控的滚动元件轴承12的通知可以任何合适方式进行，例如通过通信网络、电子邮件或电话、信件、传真、警报信号或者拜访制造商代表。
[0055]滚动元件轴承12的剩余寿命的预测26可用于告知用户他/她何时应该更换滚动元件轴承12。当干涉成本(包括劳力、材料以及例如设备产出的损失)通过暗含在继续运行的风险成本方面的减少而被证明是正确的，对更换滚动元件轴承12的干涉被证明是正确的。风险成本可计算为一方面在使用中故障的概率以及另一方面由于这种使用中的故障弓I起的财务损失的乘积。
[0056]图2表示根据本发明实施方式的方法的步骤。所述方法包括以下步骤:测量由滚动元件轴承的滚动接触发出的高频率应力波和/或接触力、可选地获得唯一识别滚动元件轴承的数据、将测量数据(以及可选地识别数据)记录为已记录的数据、以及使用已记录的数据和ISO滚动元件轴承寿命模型预测滚动元件轴承的剩余寿命，其中载荷由接触力的测量值确定并且/或者润滑质量从滚动接触所发出的高频率应力波确定，而不是通过ISO滚动元件轴承寿命模型。
[0057]图3示意性地表示滚动元件轴承12的实例，其剩余寿命可使用根据本发明实施方式所述的系统或方法预测。图3表示滚动元件轴承12,包括内环28、外环30和成组的滚动元件32。可以使用根据本发明的实施方式所述的系统和方法预测其剩余寿命的轴承12的内环28和/或外环30，可以具有任何大小并且具有任何承载能力。内环28和/或外环30例如可以具有直至几米的直径以及直至数千吨的承载能力。
[0058]在权利要求范围内的本发明的进一步的更新对于技术人员来说是明显的。即使权利要求指向用于预测轴承剩余寿命的方法、系统和计算机程序产品，这样的方法、系统和计算机程序产品可被用于预测旋转机械的一些其它部件，例如齿轮的剩余寿命。
【权利要求】
1.一种用于预测滚动元件轴承(12)的剩余寿命的方法，包括以下步骤: 测量由于所述滚动元件轴承(12)的滚动接触所发出的高频率应力波和/或接触力， 其特征在于，它还包括以下步骤: 将所述测量数据记录为已记录的数据，以及 使用所述已记录的数据和国际标准化组织(ISO)滚动元件轴承寿命模型预测所述滚动元件轴承(12)的剩余寿命，其中载荷从接触力的测量值来确定和/或润滑质量从滚动接触所发出的高频率应力波来确定，而不是通过所述国际标准化组织(ISO)滚动元件轴承寿命模型来确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述ISO滚动元件轴承寿命模型是ISO281滚动元件轴承寿命模型。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的预测所述滚动元件轴承(12)的剩余寿命的步骤包括将以下因子的至少其中之一列入考虑:滚动元件轴承受到腐蚀；滚动元件轴承受到微动损伤；滚动元件轴承在瞬时载荷工况下；滚动元件轴承在导致润滑油膜失效的瞬时或持续的工况下。
4.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，它包括获得唯一地识别所述滚动元件轴承(12)的识别数据(16)以及连同所述已记录的数据记录所述识别数据(16)的步骤。
5.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，电子装置被用在所述的将所述数据记录在数据库(20)中的步骤里。
6.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，它包括使用有关一个或者更多个类似或者大致相同的轴承的数据，例如，使用从多个轴承收集的数据，例如长期进行的和/或基于相似或大致上相同的轴承的测试的记录，改进所述数学的剩余寿命预测模型的步骤。
7.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，它包括在获得和/或记录所述新数据时更新所述剩余寿命预测的步骤。
8.一种计算机程序产品，其特征在于，它包括计算机程序，所述计算机程序包含计算机程序编码装置，配置用于使计算机或处理器执行存储在计算机可读媒介或载波上的根据前述权利要求中的任一项所述的方法的步骤。
9.一种用于预测滚动元件轴承(12)的剩余寿命的系统(10)，其包括: 至少一个传感器，其用于测量通过所述滚动元件轴承(12)的滚动接触所发出的高频率应力波和/或接触力， 其特征在于，它还包括: 数据处理单元(18)，用于将所测的数据记录为已记录的数据，以及 预测单元(22)，用于使用所述已记录的数据和国际标准化组织(ISO)滚动元件轴承寿命模型预测所述滚动元件轴承(12)的剩余寿命，其中载荷从接触力的测量值来确定和/或润滑质量从滚动接触所发出的高频率应力波来确定，而不是通过所述国际标准化组织(ISO)滚动元件轴承寿命模型。
10.根据权利要求9所述的系统(10)，其特征在于，所述ISO滚动元件轴承寿命模型是ISO 281:2007滚动元件轴承寿命模型来确定。
11.根据权利要求9或10所述的系统(10)，其特征在于，所述预测单元(22)配置用于预测所述滚动元件轴承(12)的剩余寿命，通过将以下因子的至少其中之一列入考虑:滚动元件轴承受到腐蚀；滚动元件轴承受到微动损伤；滚动元件轴承在瞬时载荷工况下；滚动元件轴承在导致润滑油膜失效的瞬时或持续的工况下。
12.根据权利要求9至11所述的系统(10)，其特征在于，它包括识别传感器，其配置用于获得唯一地识别所述滚动元件轴承(12)的识别数据(16)，其中所述数据处理单元(18)配置用于连同所述已记录的数据一起记录所述识别数据(16)。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的系统(10)，其特征在于，所述数据处理单元(18)配置用于将所述数据电子地记录在数据库(20)中。
14.根据权利要求9至13的任一项所述的系统(10)，其特征在于，所述数据处理单元(18)配置成预测所述滚动元件轴承(12)的剩余寿命还包括使用涉及一个或更多个相似或大致上相同的滚动元件轴承的已记录的数据。
15.根据权利要求9至14中的任一项所述的系统(10)，其特征在于，所述预测单元(22)配置成在获得和/或记录所述新数据时更新所述剩余寿命预测。
【文档编号】G05B23/02GK104285138SQ201380025037
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2012年4月24日
【发明者】K.汉密尔顿, B.默里 申请人:Skf公司