专利名称：具有传感器装置的轴承�？榈闹谱鞣椒�
技术领域：
本发明涉及一种轴承�？椋弥岢心？槭枪潭ǖ�、可更换的结构单元，用于支撑特别是电机的转轴，轴承�？榫哂兄Ъ芎凸潭ㄔ诟弥Ъ苌系闹岢凶爸茫糜诳尚刂С鸥米�。电机的轴承在运行时承受一定的变化。当轴承电流经轴承流走时，这种变化在极端情况下可能会特别剧烈(疲劳损坏，波纹形成)。因此有效地对该轴承进行监测。
背景技术：
迄今使用的是各种单个的传感器，它们的测量值在离线时出于成本原因能够零散地压缩成状态图。这导致测量过程耗费大、难以自动化，此外，显示的实时轴承状态并不准确。于是无法有针对性地确定维修措施，并且因此无法确保全面保护已杜绝设备故障。此外，单个传感器并不容易被装入轴承，并且经常根本不可能实现。此外，该传感 器经常只能够被安放在理想位置的附近。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种能够可靠地受监测的轴承单元，此外，它还能够在耗费不高的情况下进行装配。根据本发明，该目的通过一种轴承�？榈靡越饩觯弥岢心？槭枪潭ǖ�、可更换的结构单元，用于支撑特别是电机的转轴，轴承�？榫哂兄Ъ芎凸潭ㄔ诟弥Ъ苌系闹岢凶爸茫糜诳尚刂С鸥米幔弥岢心？榛拱ù衅髯爸煤徒涌谧爸茫衅髯爸猛还潭ㄔ谥Ъ苌希糜诩觳飧弥岢凶爸玫奈锢聿瘟浚媒涌谧爸媚芄淮又岢心？橄蛲獯浯衅髯爸玫拇衅餍藕拧Ｒ虼耍杂欣姆绞教峁┮桓鑫ㄒ坏慕舸盏墓辜浣岢泄δ芎痛衅鞴δ芡骋�。它能够被轻松安装，并且通过接口提供获得的传感数据，用于进一步处理。优选地，该轴承装置具有滚动轴承(可选地是滑动轴承)。此外，上述支架可以是轴承壳体或者轴承盖。此外，传感器装置可以具有不同类型的多个传感器。因此能够通过该轴承同时获得多个通过接口装置提供的不同的状态数据。特别地，传感器装置可以具有振动传感器，用于检测转轴的振动。此外，该传感器装置可以具有超声波传感器，用于测量轴承装置的滚动轴承的滚道几何变化，和/或具有用于监测轴承装置中的润滑油膜状态的传感器。作为代替或者额外地，该传感器装置也可以具有用于检测轴承装置中放电持续时间的传感器和/或多个用于同时检测轴承装置中的润滑油膜厚度(直接地或者间接地例如通过电容测量)和轴承电压的传感器。因此能够在一个唯一的轴承�？橹屑觳獠⑶姨峁┲岢械母髦肿刺瘟�。此外，轴承�？榭梢跃哂杏糜谌范ㄖ岢械缪购凸材５缪怪涞谋嚷使叵祷蛘哂糜诖哟衅鞑瘟恐腥范芰苛鞯钠拦雷爸茫渲校芄煌ü涌谧爸梅⒊鱿嘤Φ钠拦佬藕�。原则上该评估装置也能够被构造成用于以不同的类形对数据进行预处理。因此能够例如以理想的格式提供数据。 在另一种实施方式中，接口装置可以被设计用于无线的数据传输。以这种方式还能够进一步减少装配耗费。正如上面已经示出的那样，一种特别有利的应用情况在于，电机的转轴设计带有所描述的轴承�？椤Ｓ捎谀壳安荒芡碧讲夂推拦乐匾�、确定轴承性能的参数，所以不能可靠地识别在滚动轴承的范围内由于有损坏性的电流流经引起的变化(例如由于所谓的波纹形成引起的滚道的变化)。现在利用根据本发明的轴承�？槭蛊涑晌赡�。
现在参照附图详细地说明本发明，在图中示出
图I是通过根据本发明的第一实施方式的轴承�？榈暮峤孛妫煌�2是通过根据本发明的第二实施方式的轴承模块的横截面；图3是通过根据本发明的第三实施方式的轴承�？榈暮峤孛妫缓屯�4是用于检测轴承中的瞬间润滑油膜厚度的框图。
具体实施例方式下面详尽描述的实施例是本发明的优选实施方式。在图I中示出了本发明的一种实施例的半个轴承�？椤８弥岢心？镮就其支撑功能而言用于支撑轴承盖3上的转轴2。该轴承模块具有支架4，支架在此连同部段7形成轴承壳体。在本实施例中，在支架4或者说轴承壳体中装入了滚动轴承5(同样可以考虑滑动轴承)，其相对于转轴2支撑了支架4。另一方面，支架4被装配在轴承盖3上。在这两个组件之间存在机械和/或电绝缘体6。轴承壳体4，7对外密封了滚动轴承5的润滑剂腔。在图I的实施例中，轴承�？镮中装入了多个传感器。特别是在支架4的孔中存在温度传感器8。此外,振动传感器9位于支架4上。在也被视为支架4的一部分的轴承壳体7上安置了用于监测轴承电流的装置，特别是在邻接转轴2地安置轴承电流传感器10。其间接地通过电容式的电压测量法测量轴承电流。因此能够无接触地实现测量。此外，电流计11连接在电缆12上，其将支架4与轴承盖3电连接。此外，轴承�？镮可以具备评估电子件，其在图I至3中未示出。此外，该轴承�？镮具有数据接口，用于向外可能无线地传输传感器装置的数据、也就是多个传感器8至11的数据。这些接口在图I中也和在图2和3中一样为了出于简明的目的未画出。在图2的实施例中，轴承�？镮基本上具有如同图I的实施例一样的构造。因此，关于相同的组件或者说相同的附图标记参见图I的说明内容。图2的轴承�？橄喽杂谕糏的轴承�？榈奈ㄒ磺鹪谟冢〈糏中具有电容式电压测量功能的轴承电流传感10，使用了借助电刷具有测量电压功能的轴承电压传感器13。该轴承电流传感器13也固定在轴承壳体7上。轴承电流传感器13的电刷在转轴2的一个在此未详尽示出的滑环上运行。在图3的另一种实施例中，轴承模块被构造成像图I中一样。因此，同样参照图I的说明内容。然而，附加地在滚动轴承5周围的支架4中集成了用于改变运动轨迹几何形状的传感器4。此外，这里在滚动轴承5端侧上的支架4中集成了确定润滑油状态变化的传感器。下面，现在详尽描述轴承�？榈墓ぷ鞣绞剑乇鹗峭糏至3的轴承�？榈墓ぷ鞣绞�。通过概括多种传感器原理，它们在电动机上或者说轴承上联合成共同的传感器系统，得到许多明显的优点，用于确定该电动机或者说轴承的实时状态。传感器系统持续检测真实的、却也可以是虚拟的、计算出的传感器值，从而能够连续、同步地获得轴承的实时状态图。此外，由于将一个或者多个传感器或者说传感器系统集成到了轴承单元中，因此可以提供一种多功能的轴承�？椤Ｌ乇鹗侵岢锌翘搴�/或轴承盖设计有相应的传感装置。向外导出一个唯一的接口，在其上提供传感数据。根据本发明的轴承�？橐虼司哂杏糜诔中谙呒嗖庵岢械闹悄艽衅�。利用这些传感器数据例如能够调整轴承的机械参数、例如转数，从而能够避免在轴承中形成波纹形成。 利用上述传感装置例如能够确定火花放电的持续时间，这在轴承电流问题中扮演着至关重要的角色。如果动态地观察这种效应，会发现在放电的持续时间以因数10延长的情况下，加载的体积以因数1000变化。每个体积单位的能量输入量相应地较小。利用火花放电将轴承局部地加热到熔点。如果动态地观察这个过程，也就是说观察热传导情况，就会发现每个体积单位的热输入并且进而损坏度均与能量W和放电持续时间T的三次幂之间的比率关系成比例。如果放电减缓，那么就其对金属的滚动轴承组件的影响而言，其并不重要。这个效应能够利用等离子探测传感器测量。然后例如能够通过改变变换器参数影响电压上升的陡度，或者对接地进行优化。同样地，能够通过许多传感器确定安装时发生变化的不利影响。例如在一定的运行状态下会出现引起特别迅速的放电的机械振动。例如在一定的运行状态下会出现特别迅速的放电。这种状态能够被识别，并且调节另一种不重要的运行状态。此外，能够例如通过超声波检查法对滚道几何变化在线测量，由此探测由于所谓的波纹形成例如在滚动轴承的负载区内出现的剧烈几何变化。此外还能够通过以上介绍的传感装置对轴承的润滑剂状态进行监测。这种监测特别是能够通过探测润滑脂的热损害(例如气体形式的分解产物)实现，或者说通过探测滚道材料(例如铁)的元素含量由于电流通过引起的增加量实现。此外，还能够间接地通过电流通过事件的自我变化的特征推导润滑剂的由于电流通过引起的变化(损伤累积)。探测由于波纹形成引起的滚道变化或者说探测润滑脂的分解产物的前提是，正如图3中所示的那样，这些传感器布置在轴承的负载区的范围内或者说润滑间隙的附近。只要轴承�？橹写嬖谄拦雷爸茫湍芄唤性谙逨FT (快速傅氏变换)振动分析，并且此外还能够从中分析连接在电动机轴上的成套装备。在线振动分析能够借助振动传感器(垂直的和/或水平的方向)和紧接着的FFT振动分析实现，用于描述轴承状态的关于在离散频率下振动加速和振动速度提升的特征(波纹形成度)。这些离散频率取决于电动机转数、轴承尺寸、滚动体数量和波纹形成间距。因为已知这些参量，所以能够确定相应的、显示损害情况的频率。但是也能够识别连接在转轴上的成套装备的故障。然而，评估功能在这里是具体针对成套装备技术的(例如在泵中就不同于在水泥磨机中)。在根据本发明的轴承�？榈陌镏拢材芄蝗盟鹕酥岢械牡壤胱臃诺缱钚�。等离子放电使得材料磨损特别严重，这会导致形成波纹形成。此外还(直接地或者间接地)测量放电持续时间的组合传感器能够结合对更多的参量进行的测量，优化或识别不利状态。例如，在特定的运行状态下出现暂时的放电。这些状态能够被识别，并且能对此采取相应的应对措施。在轴承�？榛蛘咚盗釉谄渖系钠拦赖ピ陌镏拢芄皇侗鸬缌魍ü录ü岢械挠跋�。例如能够这样借助电磁轴识别由于电流通过事件造成的电变化。此外还能够识别由于几何运动轨道变化引起的振动或者由于击穿事件引起的振动造成的机械变化。此夕卜，还能够识别在润滑脂的范围内发生的变化，例如通过改变油脂(铁含量、分解产物)、增加指示剂测量/耗油量测量、探测润滑油的分解产物、几何改变滚道和超声波测量滚道的壁厚变化来实现。此外，让相应设计的轴承模块能够同时检测润滑油膜厚度(直接地或者间接地例如通过电容测量)和轴承电压。于是例如能够通过电容测量从充电曲线中确定润滑油膜厚度。轴承电压能够直接测量。通过从测得的轴承电压中得出的结果和利用传感器11确定的用于经绝缘体6的桥接装置12的间接轴承电流的值，能够确定所谓的轴承功率值。利用对 时间进行积分得出流过轴承的能量。于是能够确定或者说估计关重要的轴承电流事件的数量(用于确定损伤进展的能量输入)。这种方法的背景是，击穿电压直接取决于润滑油膜厚度。在流过轴承的能量高于一个极限值时，形成波纹形成。能量必须足够大，从而使滚道材料汽化。如果能量低于该值，那么仅发生材料融化。只计算满足这种汽化条件的事件。经过这些事件的发生频率可以确定在某个特定的时间段内的故障概率。但是，利用合适设计的轴承模块也能够从电容确定和电荷流失中确定出轴承中的能量流。轴承的经过润滑油膜的电容Q线性地影响放电能量中。如果已知例如电动机的其他电容和等效电路图ESB，那么能够动态地通过BVR (Bearing Voltage Ratio轴承电压t匕)确定该电容。从中能够推导出能量。在现存关于其他的机械参量(滚动体和运动轨道的几何外形d、轴承油脂的电学常数I )的信息的情况下也能够计算润滑油膜厚度D (参见图4)。由此能够改善对电动机端子上的轴承电压Ul和共模电压Ug的比率关系的评估功能，使评估电子件检测轴承电压队和共模电压Utj的“平坦区域”。它由此能够使开关峰值最小化。此外有利的是，在曲线变化过程中确定出BVR，其中，没有轴承电流。这能够与用于监测轴承电流的装置或者说轴承电流传感器组合起来得以实现。如果不测量共模电压UG，就能够成本低廉地得以实现。共模电压Ug的振幅是通过变流器的中间回路电压确定的。于是借助变流器已知的中间回路电压进行计算。如果例如在有轨车辆中使用在一定的界限内波动的直流电压，那么能够由变流器电子件提供该直流电压用于进行计算。也有利的是，在变流器电子件中对组合传感器进行评估，也就是说在现存的电子件上进行评估。图4中的等式再次表示，如何能够从共模电压％和轴承电压Ul中获得轴承中的当前润滑油膜厚度D。在此，t表示时间，BVR表示轴承电压比( 和Ug的比率关系)，Cl表示经过电动机轴承的电容、F和G表示函数(用于借助等效电路图ESB或者说几何数据d和轴承油脂的电学常数I进行确定)，并且r1代表f的反函数。利用根据本发明的轴承�？橐材芄换蛐硗ü嘀滞揪度范ㄋ鸹档牟煌卣鞯淖楹锨榭�。这样一来，传感器更健全，并且因此在其结论方面更可信。通过涵盖广泛地评价轴承状态，能够确定被测的轴承电流和电动机轴承上的损伤之间明确的相互关系。因此，总而言之能够确定的是，通过轴承模块中的多个传感器、也就是说通过共同的传感器系统将真实却又虚拟的、计算出的传感器值持续地压缩成轴承的状态图。该状态图是在以下探测得出的、物理参量的全部或者部分的组合的基础上得出的-轴承电流(检测电容式的或电感式的测量值，用于识别轴承电压)-轴承盖的温度
-经过轴承绝缘桥接装置的轴承电流-振动-确定润滑油膜强度/厚度(虚拟传感器)-油脂状态-滚道的几何变化(例如通过形成波纹形成)依据运行状态和其他上述的被测参量，轴承电流的类型和振幅发生变化。通过在线监测能够具体地针对轴承电流或者还针对其他的热参量或者说机械参量确定重要的状态。能够测量油脂状态或者借助测得的参量评价润滑剂的剩余消耗持续时间。更多的实施例例如在于，在轴承�？橹屑梢桓瞿芰抗┯ψ爸茫盟缒芄淮幼岬男硕谢袢∧芰俊Ｔ诹硪桓鍪凳├校媒涌诰尴叩缁蛲ü枷吡拥缋率涑鍪�。
权利要求
1.一种轴承模块，所述轴承模块是固定的、可更换的构造单元，用于支撑特别是电机的转轴(2 )，所述轴承模块具有 -支架(4)和 -固定在所述支架(4 )上的轴承装置(5 )，用于能旋转地支撑所述转轴(2 )， 其特征在于 传感器装置(8至15)，所述传感器装置同样被固定在所述支架(4)上，用于检测所述轴承装置(5)的物理参量，和 接口装置，利用所述接口装置能够从所述轴承�？橄蛲獯渌龃衅髯爸玫拇衅餍藕�。
2.根据权利要求I所述的轴承�？椋渲校鲋岢凶爸�(5)具有滚动轴承。
3.根据权利要求I或2所述的轴承�？椋渲校鲋Ъ�(4)是轴承壳体或者轴承盖。
4.根据上述权利要求中任一项所述的轴承�？椋渲校龃凶爸�(8至15)具有不同类型的多个传感器。
5.根据上述权利要求中任一项所述的轴承模块，其中，所述传感装置(8至15)具有振动传感器(9)，用于检测转轴(2)的振动。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的轴承�？椋渲校龃凶爸�(8至15)具有超声波传感器(14)，用于测量所述轴承装置(5)的所述滚动轴承的滚道几何变化。
7.根据上述权利要求中任一项所述的轴承�？椋渲校龃凶爸�(8至15)包括用于监测所述轴承装置(5)中润滑剂状态的传感器(15)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的轴承�？椋渲校龃凶爸�(8至15)具有用于检测所述轴承装置(5 )中放电持续时间的传感器。
9.根据上述权利要求中任一项所述的轴承�？椋渲校龃凶爸�(8至15)具有多个用于同时检测所述轴承装置(5)中的润滑油膜厚度和轴承电压的传感器。
10.根据上述权利要求中任一项所述的轴承模块，具有用于确定所述轴承电压和共模电压之间的比率关系或者用于从传感器参量中确定能量流的评估装置，其中，能够通过所述接口装置输出相应的评估信号。
全文摘要
本发明涉及一种轴承模块。特别是电机的轴承应该能够在装配耗费不高的情况下受到监测。因此提供了一种轴承模块，其是固定的、可更换的构造单元，用于支撑转轴，轴承�？榫哂兄Ъ�(4)以及固定在支架(4)上的轴承装置(5)，用于可旋转地支撑转轴(2)。所述轴承�？榛拱ù衅髯爸�(8至11)和接口装置，传感器装置同样被固定在支架(4)上，用于检测轴承装置(5)的物理参量，利用接口装置能够从轴承�？�(1)向外传输传感器装置的传感器信号。
文档编号G01M13/04GK102782348SQ201080065142
公开日2012年11月14日 申请日期2010年3月1日 优先权日2010年3月1日
发明者卡斯滕·普罗博尔, 彼得·克莱因, 拉尔夫·科瓦莱夫斯基, 斯文·加特曼, 汉斯·蒂施曼彻, 约尔格·哈塞尔 申请人:西门子公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
