CN203432784U - 用于旋转的机械部件的状态监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于对旋转的机械部件进行状态监控的状态监控装置。本实用新型具有至少一个安装在形成用于待监控的部件的轴承座的或者与所述轴承座相连接的机器部件上的、用于检测所述待监控的部件的声音发射的超声波传感器单元；与所述超声波传感器单元相连接的信号处理单元，所述信号处理单元具有用于从通过所述超声波传感器单元生成的测量信号中提取出具有损伤和/或损害特征的部分的特征提取单元和用于从提取出的测量信号特征中测定出至少一个状态特征值的计算单元。

Description

用于旋转的机械部件的状态监控装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于对旋转的机械部件进行状态监控的状态监控装置。 

背景技术

根据传统的解决方案，对轴承和轴的状态监控通常通过测定轴承温度、润滑剂温度或润滑剂粘度而进行。从专利文献EP 1 387 165 A1中例如公开了一种用于对处于传动装置中的润滑油进行质量监控的方法，在该方法中，从传动装置中取出润滑油试样，借助于离子活性光谱仪对润滑油试样进行分析。其中，对润滑油试样中的包含于润滑油的蒸汽相中的物质进行化验。润滑油试样中所包含的物质的内容和类型的变化被视为相对于未经过使用的润滑油的蒸汽相中的预先规定的物质的实际-状态。在此，从比较中可以推导出对于润滑油老化情况的衡量标准。 

在专利文献EP 2 110 649 B1中说明了一种具有能够机械振动的第一系统的传感器，该能够机械振动的第一系统的共振频率处于超声波范围内并且与待监控的检验物的材料特定的共振频率相适应。此外，该传感器还包括能够机械振动的第二系统，其共振频率处于人耳可听到的频率范围内。用于检测待监控的检验物的损害增加的第一信号处理单元与该第一系统耦合。附加地设有与第二系统耦合的、用于检测待监控的检验物的表明现有损害的振动频率的第二信号处理单元。用于测定诊断结果的分析单元与第一和第二信号处理单元相连接。 

从专利文献WO 2010/009750 A1中公开了一种用于对滚动轴承进行状态测定和-监控的方法，在该方法中，在滚动轴承运转的过程中，在超声波范围内的第一频带中检测声音发射信号形式的第一传感器信号。在超声波范围内的较低频率的第二频带中检测第二传感器信号。从第一传感器信号的信号方式中测定出至少一个针对滚动轴承的正在发生的损害的第一特征值。与此相对，从第二传感器信号的信号方式中测定出至少一个针对滚动轴承的已经发生的损害的第二特征值。通过比较第一特征值和取决于滚动轴承的转速的第一参考值、以及比较第二特征值和取决于滚动轴承的转速的第二参考值，测定出滚动轴承的状态。 

在申请号为PCT/EP2011/067078的较早的国际专利申请中说明了一种用于对滚动轴承进行状态测定和-监控的方法，在该方法中，在滚动轴承运转的过程中，在超声波范围内的频带中测定出声音发射信号形式的传感器信号。在此测定出传感器信号中的冲击脉冲，通过冲击脉冲能够探测滚动轴承中的电的轴承电流。通过这种方式能够及时避免在滚动轴承上不断扩大的损伤。 

从申请号为11174330.8的较早的欧洲专利申请中公开了一种用于在传动装置上识别损伤的方法，在该方法中，通过至少一个振动传感器检测与在传动级运转过程中出现的振动相符的振动信号。分析检测到的振动信号，以便识别可能的损伤。其中，借助于振动传感器检测与振动相符的振动信号，这些振动是通过彼此咬合的齿轮在负荷下进行齿啮合时的滚动-和冲击运动引起的。将该振动信号与校准-振动信号进行比较。从该振动信号与校准-振动信号的偏差中测定出作用在传动级上的转矩。在可能的损伤方面分析振动信号时又考虑到所测定出的转矩。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提出用于对特别是旋转相对较慢的机械部件进行可靠的状态监控的一种装置和一种方法。 

根据本实用新型，该目的通过一种用于旋转的机械部件的状态监控装置和通过一种对旋转的、机械的部件进行状态监控的方法实现。 

根据本实用新型的、用于旋转的机械部件的状态监控装置包括至少一个安装在形成用于待监控的部件的轴承座的或者与该轴承座相连接的机器部件上的、用于检测待监控的部件的声音发射的超声波传感器单元。附加地设有与该超声波传感器单元相连接的信号处理单元，该信号处理单元具有用于从通过超声波传感器单元生成的测量信号中提取出具有损伤-和/或损害特征的部分的特征提取单元。此外，该信号处理单元还包括用于从提取出的测量信号特征中测定出至少一个状态特征值的计算单元。形成用于待监控的部件的轴承座的机器部件可以例如是壳体或壳体部件。这使得根据本实用新型的状态监控装置能够特别简单地集成在现有的机器或者设备中。待监控的部件可以例如是具有小于每分钟20转的转速的低速运转的轴或者低速运转的轴承环。由此，根据本实用新型的状态监控装置特别适合在磨机驱动系统或者风力发电设备中使用。 

如果超声波传感器单元安装在待监控的轴承位置的附近，那么便能通过超声波传感器单元特别地测定出轴承和所属的轴上的脉冲式的塑性变形。属于脉冲式的塑性变形的例如有裂缝形成、裂缝扩大或者冲蚀。此类损伤或者损害能够通过根据本实用新型的状态监控装置可靠地识别，在进行特征提取时能够测定出例如脉冲上升时间、最大振幅、下降时间或者信号有效值等信号特征。通过对多个小的、脉冲式的、相互关联的变形的检查能够探测到其特征特别在于混合摩擦的、损害性的运行状态。 

按照根据本实用新型的状态监控装置的一个特别优选的设计方案，信号处理单元包括用于根据至少一个状态特征值对待监控的部件进行状态分类的状态分类单元。以此例如能够对在轴承上或者轴上出现的摩擦直接地进行状态分类。与迄今的基于温度的监控方法相比，这使得能够明显更早并且更精确地识别损伤或损害。 

超声波传感器单元有利地包括用于提高电压的测量信号增强单元。这有助于改进的干扰信号性能。超声波传感器单元能够例如以可靠的和成本低廉的方式借助于压电元件、箔式应变计或微电机系统实现。 

按照根据本实用新型的状态监控装置的另一个设计方案，超声波传感器单元与后接的带通滤波器相连接，该带通滤波器具有被分配给待监控的部件的材料特定的上临界频率和下临界频率。以这种方式能够在测量信号压缩的范畴中排除和损伤-或损害不相关的信号部分。另一种测量信号压缩能够通过这种方式实现，即在带通滤波器后面连接用于压缩测量信号的包络线测定单元。在此，该包络线测定单元能够例如与后接的模数转换器相连接，该模数转换器的输出端连接在信号处理单元的数字的测量信号输入端上。 

此外，根据另一个有利的改进方案，包络线测定能够通过整流或低通滤波实现。包络线测定特别地能够通过整流和随后的滑动的有效值形成或中间值形成而实现。这使得对干扰相对较为不敏感的、压缩的，但仍然可靠地具有损伤或损害的特征的、经过预处理的测量信号的生成成为可能。 

根据本实用新型的一个优选的设计方案，经过预处理的测量信号在信号处理单元中的特别简单的和有效的进一步的可处理性能够通过这种方式实现，即为了测定包络线而进行最终的时间范围-频率范围-变换。该最终的时间范围-频率范围-变换例如可以是快速的傅里叶变换，该傅里叶变换能够以相对较少的硬件-或软件投入实现。 

按照根据本实用新型的状态监控装置的一个特别优选的改进方案，超声波传感器单元、带通滤波器、包络线测定单元和信号处理单元是集成的诊断模块的组成部分。该改进方案具有特别低的易受干扰性。此外，集成的诊断模块能够设计用于检测待监控的部件的、通过脉冲式的塑性变形引起的振动，该振动具有材料特定的频率。材料特定的频率能够例如根据不同的应用而设置，集成的诊断模块由此能在广泛的应用场景中重复使用。 

为了对损伤或者损害进行定位，能够有利地设有至少一个第二超声波传感器单元。在这种情况下，通过比较最大的信号振幅、有效值和/或测量信号运行时间进行定位。 

状态特征值的测定优选地通过用各个当前的测量信号最大-和有效值的乘积除以（Normierung）所分配的参考值的乘积而实现。这使得包含在测量信号中的、和损伤-或损害相关的状态信息的非常高度的压缩并且同时有说服力的状态特征值的推导成为可能。其中能够将状态特征值例如统一为对于轴承或者轴的“良好状态”的参考特征值。 

按照根据本实用新型的、用于对旋转的机械的部件进行状态监控的方法，借助于至少一个安装在形成用于待监控的部件的轴承座的或者与该轴承座相连接的机器部件上的超声波传感器单元检测待监控的部件的声音发射。此外还借助于与超声波传感器单元相连接的信号处理单元从通过超声波传感器单元生成的测量信号中提取出具有损伤-和/或损害特征的部分。从提取出的测量信号特征中测定出至少一个状态特征值。优选地通过该至少一个状态特征值对待监控的部件进行状态分类。通过根据本实用新型的方法使对在运转得相对较慢的轴上的滚动-和滑动轴承的在裂缝形成和磨损方面的监控成为可能。此外，虽然数据量明显减少，但是关于轴承-或轴状态的可靠的表述仍是可能的。这也适用于识别轴承的不被允许的运行区域以及错误的运行条件。 

借助于超声波传感器单元优选地检测待监控的部件的、通过脉冲式的塑性变形、例如裂缝形成、裂缝扩大或者冲蚀引起的振动，这些振动具有材料特定的频率。此外，待监控的部件可以是具有小于每分钟20转的转速的低速运转的轴或低速运转的轴承环。因此，根据本实用新型的方法特别地适用于在风力发电设备或磨机驱动系统中的应用情况。 

按照根据本实用新型的方法的一个有利的改进方案，借助于带通滤波器过滤通过超声波传感器单元检测到的测量信号，该带通滤波器具有被分 配给待监控的部件的材料特定的上临界频率和下临界频率。由此能够适应不同的应用场景。此外，借助于带通滤波器过滤的测量信号能够被压缩为一根包络线。该包络线优选地借助于模数转换器转换，该模数转换器的输出端连接在信号处理单元的数字的测量信号输入端上。这使得非常低的易受干扰性成为可能。该包络线能够例如以简单的方式通过整流或者低通滤波测定。如果按照根据本实用新型的方法的另一个设计方案通过整流和随后的滑动的有效值形成或中间值形成而测定出包络线，则可实现特别牢靠的测量信号预处理。 

为了能够在信号处理单元中简单地和有效地对经过预处理的测量信号做进一步处理，按照根据本实用新型的方法的一个优选的设计方案，包络线最终被传输至时间范围-频率范围-变换。最终的时间范围-频率范围-变换的特别有效的实施能够通过快速的傅里叶变换实现。 

为了对损伤或者损害进行定位，优选地设有至少一个第二超声波传感器单元。在这种情况下，损伤或者损害通过比较最大的信号振幅、有效值和/或测量信号运行时间而定位。 

按照根据本实用新型的方法的一个特别优选的改进方案，状态特征值通过用各个当前的测量信号最大-和有效值的乘积除以所分配的参考值的乘积而测定出。这使得包含在测量信号中的和损伤-或损害相关的状态信息能够被高度地压缩为具有说服力的状态特征值。 

附图说明

下面在实施例中根据附图详细地说明本实用新型。图中示出： 

图1示出用于旋转的机械部件的状态监控装置的和用于进行状态监控的方法的流程的示意图， 

图2示出用于旋转的机械部件的状态监控装置的第一个变体， 

图3示出用于旋转的机械部件的状态监控装置的第二个变体， 

图4示出用于旋转的机械部件的状态监控装置的第三个变体。 

具体实施方式

图1中示出的状态监控装置包括安装在形成用于待监控的轴3的轴承2的轴承座的壳体4上的、用于检测待监控的轴3的声音发射的超声波传感器单元1。该超声波传感器单元1能够例如借助于压电元件、箔式应变计或者微电子机械系统（MEMS）实现。在本实施例中，轴3具有小于每分钟20转的转速以及示意性地示出的裂缝31。超声波传感器单元1与信号处理单元5连接，该信号处理单元特别地包括特征提取单元和计算单元。根据步骤101，首先将由超声波传感器单元1生成的测量信号100传输至信号处理单元5。随后，根据步骤102，借助于特征提取单元从通过超声波传感器单元生成的测量信号中提取具有损伤-或损害特征的部分并且借助于计算单元从提取出的测量信号特征中测定出至少一个状态特征值。 

此外，信号处理单元5还包括状态分类单元。根据步骤103，借助于该状态分类单元从该至少一个状态特征值中推导出待监控的轴3的状态分类200。 

在本实施例中，超声波传感器单元1原则上能够在材料特定的频率范围内为损害过程检测路径、速度、加速度或者压力变化。对于钢而言，这一材料特定的频率范围例如约为110kHz。此外还借助于超声波传感器单元1检测待监控部件的、通过脉冲式的塑性变形引起的振动，这些振动具有材料特定的频率。 

当轴、滚动体、轴承环或者其它的承受负荷的部件受到损害时便会出现超出相应的、取决于材料的负荷限度的材料负荷。在这种情况下不再会发生弹性变形，而是发生脉冲式的塑性变形，例如裂缝形成、裂缝扩大或 者冲蚀。在发生脉冲式的塑性变形时，在固体中以声音发射的形式引起具有材料特征的频率，这些声音发射从作为源头的损伤位置穿过该固体传播。借助于超声波传感器单元1能够探测到这些声音发射。根据声音发射的信号特征，例如脉冲上升时间、脉冲下降时间、最大振幅或有效值能够测定塑性变形的程度。通常根据材料不同而损耗不同的、并且在正常的运转情况下不应出现的混合摩擦也可以归因于多个小的脉冲式的声音发射的叠加。由此，借助于超声波传感器单元1也能够探测到不符合预期的混合摩擦。 

一般能够在声音发射和至少一个状态标准值的基础上直接探测到摩擦。由此能够确定轴承是否例如基于过高的轴向的或者径向的负荷、过少的润滑剂或者过低的粘度而在错误的运转区域内运转。例如在不平衡、油循环回路中的压力下降或者其它的动态的负荷-和运转条件变化时出现的随时间变化的错误荷载能够通过状态特征值的调整以及通过声音发射的最大振幅或者有效值识别，例如通过包络线光谱或者通过布置分析。 

状态特征值Z（t）优选地通过用各个当前的测量信号最大-和有效值的乘积除以所分配的参考值的乘积按照下列的表述方法而计算出。 

$Z\left(t\right)=\frac{x_{\max }\left(t\right)\·x_{\mathrm{RMS}}\left(t\right)}{x_{\max ,\mathrm{ref}}\·x_{\mathrm{RMS},\mathrm{ref}}}$

在非常有利的方式中，状态特征值能够作为对数的计量单位而示出。使用倒数形式的状态特征值在原则上也是可行的。此外，对声音发射的包络线的频率分析在识别润滑剂污染以及周期性反复出现的摩擦变化时还具有特别的优点。周期性反复出现的摩擦变化可能例如取决于旋转的轴的表面上的错误或者压力波动。此外，用于将状态特征值统一至良好-以及正常状态的参考值x_max,ref,x_RMS,ref的形成是特别简单的，这是由于这些参考 值在预期的、受到液体摩擦的情况下的运行中仅在非常小的程度上取决于转速、润滑剂温度和轴承负荷。 

包络线测定能够以各种各样的方式进行，例如通过整流和低通滤波、通过计算滑动的有效-或中间值或者通过希尔贝特变换（Hilberttransformation）。随后的快速的傅里叶变换（FFT）使频率的测定成为可能，声音发射中的周期性的部分或者脉冲则以这样的频率反复出现。例如在为了检验不同的频率而使时间窗长度不断变化的情况下所使用的关联-或者自动关联-方法也能够用于频率分析。这特别地适合于当待检验的频率已经是已知时。这使得简单并且快速的计算对数以及改进的信号-噪声-距离、特别是在经过多个阶段传输时成为可能。 

在声音发射的包络线上能够例如应用在对具有最高达到20kHz的频率的低频信号进行振动分析时通常使用的方法。例如布置分析或者包络线光谱测定属于这种情况。通过此类振动分析能够将损害根据它们的频率对应于处于例如不平衡或者错误定向等错误运行条件下的部件。特别是在低速转动的轴承和轴中能够由此非常精确地识别正遭受损害的运行区域内部的运行，该运行区域的特征例如在于塑性变形或者混合摩擦。 

在图2中示出的、用于旋转的机械部件的状态监控装置的第一个变体中，超声波传感器单元201仅包括一个测量元件11。根据图2，在该超声波传感器元件201后面连接有信号预处理单元202，该信号预处理单元包括用于提高测量信号电压的放大器12、设计为带通滤波器的模拟-过滤器13和模数转换器14。信号预处理单元202的经过数字转换的输出信号随后被传输至已经在上面说明的信号处理单元203，该信号处理单元主要包括微处理器15，通过该微处理器实现特征提取和状态特征值的测定。模拟-过滤器13具有可调整的、被分配给待监控的部件的、材料特定的上临界频率和下临界频率，因此能够排除和损伤-或损害不相关的信号部分。通过该模拟-过滤器13进行带通过滤的测量信号能够例如借助于模数转换器14压缩为包络线。 

相对于第一个变体，在图3中示出的、用于旋转的机械部件的状态监控装置的第二个变体具有集成的超声波传感器单元301，该超声波传感器单元除了测量元件11之外也包括放大器12并且基于此放大器而具有提升了的抗干扰性。与此相应地，模拟-过滤器13和模数转换器14组合布置在连接在集成的超声波传感器单元301后面的过滤-/转换单元302中。在图3中示出的第二个变体的信号处理单元303在功能上与第一个变体的信号处理单元203相符。 

相对于第一个和第二个变体，在图4中示出的、状态监控装置的第三个变体具有集成的诊断模块401，该诊断模块包括测量元件11、放大器12、模拟-过滤器13、模数转换器14和微处理器15。该变体具有特别低的易受干扰性。集成的诊断模块401此外能够承担例如对分配给声音发射的原始信号进行可信性测试、确证状态诊断的可靠性或者对干扰信号部分以及干扰信号源进行信号检查等任务。 

为了对损伤或者损害进行定位，优选地设有两个或者更多的超声波传感器单元。由此能够通过比较最大的信号振幅、有效值以及测量信号运行时间对损伤或者损害进行定位。通过形成协作系统的三个超声波传感器单元能够检测：单个的、能够通过声音发射探测到的损害性脉冲是否是由轴、轴承环或者滚动体引起的。这即使是在转速非常低时、特别是当在静止的情况下转速极低时也是可行的并且在实践中具有非常重要的意义。因此能够借助于上述的状态监控装置监控非常低的转速和静止的情况。在此能够充分利用的是，在声音发射中所释放的能量取决于起作用的负荷向量。其中，旋转运动仅是多种可能的负荷方式中的一种。 

Claims (25)

1.一种用于旋转的机械部件的状态监控装置，具有 

-至少一个安装在形成用于待监控的部件的轴承座的或者与所述轴承座相连接的机器部件上的、用于检测所述待监控的部件的声音发射的超声波传感器单元， 

-与所述超声波传感器单元相连接的信号处理单元，所述信号处理单元具有用于从通过所述超声波传感器单元生成的测量信号中提取出具有损伤和/或损害特征的部分的特征提取单元和用于从提取出的测量信号特征中测定出至少一个状态特征值的计算单元。 

2.根据权利要求1所述的状态监控装置，其中，所述信号处理单元包括用于根据所述至少一个状态特征值对所述待监控的部件进行状态分类的状态分类单元。 

3.根据权利要求1或2中任一项所述的状态监控装置，其中，所述超声波传感器单元包括用于提高电压的测量信号增强单元。 

4.根据权利要求1或2中任一项所述的状态监控装置，其中，所述超声波传感器单元借助于压电元件、箔式应变计或微电机系统实现。 

5.根据权利要求3所述的状态监控装置，其中，所述超声波传感器单元借助于压电元件、箔式应变计或微电机系统实现。 

6.根据权利要求1或2中任一项所述的状态监控装置，其中，所述超声波传感器单元与后接的带通滤波器相连接，所述带通滤波器具有被分配给所述待监控的部件的取决于材料的上临界频率和下临界频率。 

7.根据权利要求5所述的状态监控装置，其中，所述超声波传感器单元与后接的带通滤波器相连接，所述带通滤波器具有被分配给所述待监控的部件的取决于材料的上临界频率和下临界频率。 

8.根据权利要求6所述的状态监控装置，其中，在所述带通滤波器后面连接用于压缩测量信号的包络线测定单元。 

9.根据权利要求7所述的状态监控装置，其中，在所述带通滤波器后面连接用于压缩测量信号的包络线测定单元。 

10.根据权利要求8所述的状态监控装置，其中，所述包络线测定单元与后接的模数转换器相连接，所述模数转换器的输出端连接在所述信号处理单元的数字的测量信号输入端上。 

11.根据权利要求9所述的状态监控装置，其中，所述包络线测定单元与后接的模数转换器相连接，所述模数转换器的输出端连接在所述信号处理单元的数字的测量信号输入端上。 

12.根据权利要求10所述的状态监控装置，其中，包络线测定通过整流或低通滤波实现。 

13.根据权利要求11所述的状态监控装置，其中，包络线测定通过整流或低通滤波实现。 

14.根据权利要求12所述的状态监控装置，其中，所述包络线测定通过整流和随后的滑动的有效值形成或中间值形成而实现。 

15.根据权利要求13所述的状态监控装置，其中，所述包络线测定通过整流和随后的滑动的有效值形成或中间值形成而实现。 

16.根据权利要求8所述的状态监控装置，其中，所述超声波传感器单元、所述带通滤波器、所述包络线测定单元和所述信号处理单元是集成的诊断模块的组成部分。 

17.根据权利要求15所述的状态监控装置，其中，所述超声波传感器单元、所述带通滤波器、所述包络线测定单元和所述信号处理单元是集成的诊断模块的组成部分。 

18.根据权利要求16所述的状态监控装置，其中，所述集成的诊断模块设计用于检测所述待监控的部件的、通过脉冲式的塑性变形引起的振动，所述振动具有取决于材料的频率。 

19.根据权利要求17所述的状态监控装置，其中，所述集成的诊断模块设计用于检测所述待监控的部件的、通过脉冲式的塑性变形引起的振动，所述振动具有取决于材料的频率。 

20.根据权利要求1或2中任一项所述的状态监控装置，其中，所述待监控的部件是具有小于每分钟20转的转速的低速运转的轴或低速运转的轴承环。 

21.根据权利要求19所述的状态监控装置，其中，所述待监控的部件是具有小于每分钟20转的转速的低速运转的轴或低速运转的轴承环。 

22.根据权利要求1或2中任一项所述的状态监控装置，其中，所述形成用于所述待监控的部件的轴承座的机器部件是壳体或壳体部件。 

23.根据权利要求21所述的状态监控装置，其中，所述形成用于所述待监控的部件的轴承座的机器部件是壳体或壳体部件。 

24.根据权利要求1或2中任一项所述的状态监控装置，其中，为了对损伤或者损害进行定位，设有至少一个第二超声波传感器单元，并且其 中，通过比较最大的信号振幅、有效值和/或测量信号运行时间进行定位。 

25.根据权利要求23所述的状态监控装置，其中，为了对损伤或者损害进行定位，设有至少一个第二超声波传感器单元，并且其中，通过比较最大的信号振幅、有效值和/或测量信号运行时间进行定位。 

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