Устройство и способ обнаружения свойств подшипника
Изобретение относится к метрологии, в частности к способу диагностирования подшипников качения. Способ определения свойств подшипников заключается в определении информации, относящейся к свойствам подшипников, на основе оценки сигнала приемника. При этом оценивают периодический сигнал приемника путем определения средней амплитуды, среднего времени передачи сигнала, стандартного отклонения амплитуды, стандартного отклонения времени передачи, изменения во времени огибающей сигнала приемника, периода сигнала приемника или выполнения анализа частоты сигнала приемника. Затем оценивают параметры смазки, при этом оценка сигнала предполагает вычисление различия между опорным значением и амплитудой принятого сигнала. Затем определяются дефекты структуры подшипника. При оценке параметров используют информацию, полученную из поверхностных акустических волн, которыми воздействуют на исследуемую часть подшипника. Технический результат – повышение точности и надежности диагностики. 17 з.п. ф-лы, 17 ил.
Изобретение относится к подшипникам в соответствии с п.1 формулы изобретения, к подшипникам в соответствии с п.17 формулы изобретения, к устройству для определения свойств подшипников в соответствии с п.18 формулы изобретения и к способу определения свойств подшипников в соответствии с п.20 формулы изобретения. Подшипники (например, фрикционного типа или подшипники с элементами качения) обычно содержат смазку (например, масло) для регулирования трения между подвижными частями подшипника.
Определение свойств смазки в подшипнике (таких, как количество смазки или ее вязкость) является важным для того, чтобы иметь возможность обеспечивать надежную работу подшипника. В уровне техники известны, например, оптические и ультразвуковые методы определения состояния смазки.
Назначением изобретения является осуществление возможности определения свойств подшипников, в частности смазки в подшипниках, настолько надежно, насколько это возможно.
В соответствии с изобретением, подшипник содержит:
- первый и второй элементы подшипника, которые являются подвижными относительно друг друга;
- по меньшей мере, один приемник для приема акустических волн, возбуждаемых в первом и/или втором элементе подшипника, приемник располагается на первом или втором элементе подшипника, причем информация, относящаяся к свойствам подшипника, может определяться с использованием сигнала, генерируемого приемником после получения акустических волн в из первого и/или второго элемента подшипника.
Например, параметры смазки, расположенной между первым и вторым элементом подшипника для снижения трения между первым и вторым элементом подшипника, и свойства подшипника определяются с помощью сигнала приемника. Кроме того, по меньшей мере, один передатчик для возбуждения акустических волн в первом или втором элементе подшипника может располагаться на первом или втором элементе подшипника, причем приемник принимает звуковые волны, возбуждающиеся передатчиком, причем информация, относящаяся к свойствам смазки, может быть определена с помощью сигнала, генерируемого приемником после получения акустических волн, вызванных передатчиком.
В частности, передатчик предназначается для возбуждения поверхностных акустических волн в первом или втором элементе подшипника. Особенно сходящиеся акустические волны в форме волн Лэмба или волн Лэмба-Рэлея возбуждаются и передаются от передатчика к приемнику в первом или втором элементе подшипника.
Если смазка присутствует на поверхности первого или второго элемента подшипника, по меньшей мере, часть акустических волн, распространяющихся в элементе подшипника, будет преобразовываться в акустические волны в смазке при условии, что акустические волны, возбуждаемые в первом или втором элементе подшипника включают смещения на поверхности подложки, которые имеют ненулевой сагиттальной компонент (который представляет собой волны Лэмба или Рэлея) и при условии, что скорость звука в смазке меньше, чем скорость волны в/на первом или втором элементе подшипника, что справедливо для обычных смазок (например, масел) и распространенных материалов элементов подшипников (например, металлы). Кроме того, частота волн должна быть выбрана соответствующим образом, как будет сказано ниже.
Таким образом, наличие смазки (например, масляной пленки) на поверхности элемента подшипника, в котором возбуждаются акустические волны, приводит к изменению акустических волн, приходящих в приемник, и, таким образом, к изменению (электрического) сигнала, генерируемого приемником при получении волн. Например, амплитуда сигнала приемника будет уменьшаться в зависимости от количества смазки (например, от толщины масляной пленки), находящейся на внутренней поверхности элемента подшипника. Кроме того, изменения других свойств смазочного материала (таких как температура или состав) приводит к изменению сигнала приемника. Таким образом, путем выявления и оценки акустических волн, распространяющихся в первом или втором элементе подшипника, можно получать информацию о некоторых важных свойствах смазки.
Согласно одному из воплощений изобретения, передатчик располагается на первом элементе подшипника (на нем или внутри него), а приемник располагается на втором элементе подшипника. В частности, передатчик располагается на поверхности первого несущего элемента, а приемник располагается на поверхности второго элемента подшипника.
Однако, например, в зависимости от типа подшипника, передатчик и приемник могут устанавливаться на одном элементе, т.е., как передатчик, так и приемник расположены либо на первом, либо на втором элементе подшипника.
Для возбуждения поверхностных акустических волн в виде волн Лэмба, Лэмба-Рэлея или волн Рэлея, частота возбуждаемых волн в элементе подшипника выбирается в зависимости от толщины элементов подшипника такой, чтобы одновременные акустические волны возбуждались и распространялись как на первой, так и на второй (противоположной) стороне элемента подшипника, причем первая сторона является внутренней стороной, находящейся в контакте со смазкой, а вторая сторона является внешней стороной элемента подшипника.
В случае волн Лэмба или волн Лэмба-Рэлея, смещения противоположных поверхностей элемента подшипника, возбуждающегося передатчиком, коррелирются таким образом, что, в частности, амплитуды и/или фазы смещения при движении внутренней и внешней поверхностей элемента подшипника взаимосвязаны.
Например, акустические волны, возбуждаемые в элементе подшипника, являются в основном или только типа волн Лэмба, если толщина подшипника существенно меньше (например, по меньшей мере, в пять раз меньше), чем длина волны возбуждающихся акустических волн. Частота возбуждающихся акустических волн, таким образом, должна быть выбрана в зависимости от толщины элементов подшипника и с учетом дисперсии волн Лэмба.
Однако, как указано выше, может использоваться также, например, переходный тип волн Лэмба и волн Рэлея, т.е. толщина (расстояние между внешней и внутренней сторонами) элемента подшипника может быть того же порядка, что и длина волны возбуждающихся акустических волн. В этом случае все еще может быть связь между смещением противоположных поверхностей элемента подшипника. Например, толщина элемента подшипника находится в диапазоне от 0,1 мм до 5 мм. Частота возбуждения может быть выбрана в диапазоне от 500 кГц до 2 МГц, в частности от 800 кГц до 1,5 МГц.
Передатчик и/или приемник может быть гребенчатыми пьезоэлектрическими преобразователем. Следует отметить, однако, что термин "передатчик" не ограничивается понятием "пьезоэлектрический преобразователь". Другие варианты осуществления изобретения включают передатчик в форме (например, импульсного) лазера, который возбуждает акустические волны в подложке на основе термоупругих эффектов. Кроме того, клин ("клиновый преобразователь") может использоваться для возбуждения акустических волн или гребенчатой вибратор ("гребенчатый преобразователь"), причем клиновый преобразователь и/или гребенчатый преобразователь могут использоваться в сочетании с пьезоэлектрическим преобразователем. Конечно, различные типы передатчика могут также использоваться в комбинации. Кроме того, приемник не обязательно должен быть гребенчатым пьезоэлектрическим преобразователем. Например, может использоваться приемник в виде оптического детектора смещения, такого как интерферометр или лазерный доплеровский виброметр.
Например, подшипник является подшипником скольжения такого типа, у которого поверхность первого элемента подшипника может скользить по поверхности второго элемента подшипника и в котором трение между двумя поверхностями уменьшается смазкой. Первый и/или второй элемент подшипника может быть соединен с дальнейшими деталями.
В другом варианте подшипник является подшипником качения, в котором, по меньшей мере, один элемент качения располагается между первым и вторым элементом подшипника. Например, элемент качения представляет собой шар (шарикоподшипника) или цилиндр (роликового подшипника).
В частности, как передатчик, так и приемник располагаются на внешней стороне, то есть на стороне первого или второго элемента, которая обращена в противоположном направлении от элемента качения. Например, подшипник качения является осевым подшипником, первый элемент подшипника формирует внешнее кольцо, а второй элемент подшипника формирует внутреннее кольцо подшипника. Внутреннее кольцо, например, выполняется для установки на вал. Однако, возможно также, что второй элемент подшипник сам является частью устройства (например, вала), которая устанавливается на первым элементе подшипника.
Таким образом, можно определять свойства смазки просто путем установки передатчика и приемника на внешней поверхности подшипника без того, чтобы устанавливать датчик внутри подшипника.
Следует отметить, что, конечно, изобретение также может использоваться с линейным подшипником качения. Согласно другому варианту изобретения, передатчик и приемник располагаются на наружной поверхности наружного кольца подшипника. В частности, передатчик располагается и выполняется таким, что сначала акустические волны возбуждаются и распространяются по наружному кольцу по часовой стрелке, а затем акустические волны, распространяются вдоль наружного кольца в направлении против часовой стрелки.
Например, приемник располагается и выполняется таким, что длина пути между передатчиком и приемником в направлении по часовой стрелке отличается от длины пути между передатчиком и приемником в направлении против часовой стрелки. Таким образом, одна передача сигнала создает два легко различимых сигнала на приемнике. Эти два сигнала в равной степени зависят от внешних параметров (таких как, например, температура окружающей среды вокруг подшипника), но соответствуют различным длинам путей взаимодействия акустических волн и смазки и/или элементов качения подшипника. Поэтому, используя разницу этих двух сигналов, можно исключить влияние внешних параметров. Следует также отметить, что для линейных подшипников этот принцип может быть использован, например, при наличии двух приемников, которые расположены на разных расстояниях от передатчика.
Подшипник может также содержать средство оценки, выполненное с возможностью определения информации, относящейся к свойствам смазки, с помощью сигнала, генерируемого приемником после получения акустических волн, возбуждаемых передатчиком. В частности, средство оценки выполняется таким, что оно настроено на оценку первого сигнала, генерируемого приемником при получении первых акустических волн, и второго сигнала, генерируемого приемником при получении вторых акустических волн, а также на использование различия между первым и вторым сигналом, для определении информации, относящейся к свойствам смазки.
Оценка сигнала приемника может включать в себя оценку амплитуды и времени отклика (времени передачи) сигнала. Как указано выше, наличие смазки на поверхности подшипника приводит к преобразованию части энергии акустической волны в элементе подшипника в энергию волны в смазке, при этом амплитуда акустической волны, поступающей на приемник, будет меньше при наличии смазки, если сравнивать с подшипником без смазки.
Что касается оценки времени передачи сигнала приемника, то передатчик может, например, возбуждать импульсные акустические волны в элементе подшипника, которые имеют определенное время распространения ("время передачи") от передатчика к приемнику (в зависимости от пути, по которому они проходят между передатчиком и приемником). Изменения взаимодействия между внутренней поверхностью элемента подшипника и внутренней частью подшипника будет влиять на время передачи (то есть, время распространения волнового фронта или акустического импульса от передатчика до приемника) акустических волн в подшипнике. Таким образом, оценка изменения времени передачи может способствовать определению свойств смазки в подшипнике.
Средство оценки может представлять собой программируемую электронную схему или программное обеспечение, установленное на программируемом устройстве.
В соответствии с другим аспектом изобретения, подшипник, в частности такой, как описывается выше, содержит:
- первый и второй элементы подшипника, которые являются подвижными относительно друг друга;
- смазку, расположенную между первым и вторым элементом подшипника для снижения трения между первым и вторым элементом подшипника;
- средство для возбуждения акустических волн в первом или втором элементе подшипника;
- средство для приема акустических волн, возбуждающихся в первом или втором элементе подшипника причем информация, относящаяся к свойствам смазки, может быть определена с помощью сигнала, генерируемого средством для приема акустических волн после получения акустических волн, причем
- средство для возбуждения акустических волн и средство для приема акустических волн выполняются такими, что первые акустические волны распространяются вдоль первого пути, прежде чем они получены средством для приема, а вторые акустические волны распространяющихся вдоль второго пути, прежде чем они получены средством для приема, причем длины первого и второго пути различны.
Например, средство для возбуждения акустических волн в первом или втором элементе подшипника может содержать, по меньшей мере, один передатчик и средство для приема акустических волн содержит, по меньшей мере, один приемник, причем возможные конфигурации передатчика, приемника и элементолв подшипника были рассмотрены выше. Например, по крайней мере, один из элементов подшипника имеет форму кольца, и как передатчик, так и приемник расположены на этом кольцевом элементе подшипника.
Возможно также, что средство для приема состоит из двух приемников, причем различные длины пути реализуются за счет расстояний между передатчиком и первым и вторым приемником соответственно.
Кроме того, изобретение относится к устройству для определения свойств подшипников, в частности, свойств смазки подшипников, имеющих первый и второй элементы подшипника.
Устройство содержит:
- по меньшей мере, один передатчик для возбуждения акустических волн в первом и/или втором элементе подшипника;
- по меньшей мере, один приемник для приема акустических волн, возбуждающихся передатчиком, причем свойства смазки могут определяться с помощью сигнала, генерируемого приемником после получения акустических волн, возбуждающихся передатчиком;
- средства крепления для крепления передатчика и приемника к первому или второму элементу подшипника.
Средства крепления позволяют осуществлять разъемное соединение передатчика и/или приемника с элементами подшипника. Например, средства крепления могут включать фиксирующие элементы. В частности, средства крепления позволяют устанавливать передатчик и/или приемник таким образом, как описывается выше.
Устройство согласно изобретению может дополнительно содержать средство оценки, выполненное с возможностью определения информации, относящейся к свойствам смазки, с помощью сигнала, генерируемого приемником после получения акустических волн, возбуждающихся передатчиком. В частности, средства оценки могут выполняться такими, как указывается выше.
Изобретение также включает способ определения свойств подшипника (например, свойств смазки подшипника), включающий в себя следующие этапы:
а) отбирают подшипник, имеющий первый и второй элементы подшипника, которые являются подвижными по отношению друг к
другу;
б) возбуждают акустические волны (особенно поверхностные акустические волны, например, волны Лэмба, как указывается выше) в первом и/или втором элементе подшипника (например, с помощью передатчика, располагающегося на первом или втором элементе подшипника);
в) устанавливают, по меньшей мере, один приемник и получают акустические волны из первого и/или второго элемента подшипника (например, возбуждающиеся передатчиком) с помощью этого приемника;
г) определяют информацию, относящуюся к свойствам подшипника, оценивая сигнал, генерируемый приемником после получения акустических волн из первого и/или второго элемента подшипника (например, возбужденных передатчиком).
Например, ссылочное значение амплитуды сигнала определяется для подшипника без смазки, и оценка сигнала содержит определение различия между ссылочным значением и амплитудой (или фазой, или временем распространения) принимаемого сигнала.
Может формироваться специальный сигнал (сигнал тревоги), если различие падает ниже ссылочного значения. Кроме того, возможно также проведение калибровки. Например, значения амплитуды определяются для множества различных количествах смазки (то есть, наполнения подшипника), как описано более подробно ниже.
Определение информации, относящейся к свойствам, может включать в себя определение толщины слоя смазки на поверхности первого и/или второго элемента подшипника. В частности, калибровка проводится для того, чтобы была возможность определять абсолютные значения толщины.
Например, подшипник является подшипником скольжения, в котором подшипник может рассматриваться как трехслойная система (состоящая из двух элементов подшипника и масляной пленки между ними). Используя принятый сигнал (например, его амплитуду, время передачи и/или фазу) и соответствующую трехслойную модель подшипника, можно определять толщину и/или другие свойства смазочной пленки. Кроме того, принимаемый сигнал можно получать в течение определенного времени, устанавливая изменение толщины смазочной пленки во времени (и/или других свойств пленки).
Возможно также (в качестве альтернативы или в дополнение), что толщина масляной пленки определяется с помощью ослабления акустической волны на пути передачи. Например, амплитуда волн непосредственно за передатчиком сравнивается с амплитудой у приемника (амплитуда у приемника определяется с использованием принимающегося сигнала). Кроме того, примеси в подшипнике (например, в смазочном материале) могут определяться с помощью акустических волн, отражающихся от загрязняющих частиц.
Если подшипник включает в себя статичный первый элемент подшипника и подвижный второй элемент подшипника (такой как подшипник скольжения или подшипник качения), акустические волны, возбуждаемые в статичных элементах подшипника, могут возбуждать акустические волны в движущемся элементе подшипника. При этом полученные частоты волн могут меняться из-за эффекта Доплера. Этот эффект может быть использован для определения скорости движущихся элементов подшипника.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, сигнал приемника оценивается таким образом, что обнаруживаются дефекты подшипников, в частности такие как, например, трещины или структурные недостатки, в первом и/или втором элементе подшипника.
В отличие от объемных акустических волн, использование поверхностных акустических волн позволяет выявлять мелкие дефекты в элементах подшипников (например, в кольце роликового подшипника) прежде, чем разовьется серьезное повреждение, таким образом предотвращая серьезный выход из строя устройства, содержащего подшипник.
Обнаружение дефектов основан на том, что (поверхностные) акустические волны, по меньшей мере, частично отражаются от дефекта, причем с помощью различных акустических волн различной длины волны можно определить размер (например, глубину) дефекта в связи с тем, что различные акустические волны обладают различной глубиной проникновения. Кроме того, в зависимости от размера и количества дефектов, может рассчитываться ожидаемый срок службы подшипника или вероятность отказа. Кроме того, если акустические волн с различной длиной волны возбуждаются в подшипнике (соответственно, путем установки частоты возбуждения), волны будут изменяться по-разному при взаимодействии с дефектом.
Например, время распространения волн будет изменяться различно (дисперсия). Изменения поведения, вызванные дисперсией, могут отслеживаться с течением времени (например, устанавливается, описывается ли сигнал импульсной кривой Дирака). Более того, изменение во времени огибающей сигнала приемника может оцениваться для выявления дефектов подшипника.
Более того, возбуждающиеся акустические волны может состоять из одного типа колебаний (например, симметричный тип), причем дефект обнаруживается после оценки на этапе г) в том случае, если приемник получает волну, содержащую колебания нескольких типов или волну с колебанием отличающегося типа (например, антисимметричного типа). Акустические волны могут взаимодействовать с дефектом, причем первоначально однотипная волна может превращаться в многотипную волну при взаимодействии с дефектной областью подшипника.
Например, сдвиг фазы и/или изменение амплитуды сигнала приемника используется для получения информации о смазке подшипников качения (например, в сравнении со ссылочной величиной, которая измеряется, например, в начале передачи). Непрерывный сигнал может направляться передатчику для создания непрерывных акустических волн, причем сигнал передатчика может модулироваться, чтобы облегчить оценку сигнала приемника.
Кроме того, можно провести частотный анализ сигнала приемника для того, чтобы собрать информацию о смазке подшипника и/или механических свойствах подшипника. В частности, могут проверяться изменения частотного спектра (например, смещение основного пика). Кроме того, могут проверяться изменения огибающей сигнала приемника (полученные, например, путем применения преобразования Гильберта к сигналу приемника).
Возможно также, что если передатчик и/или приемник являются гребенчатыми преобразователями, определяют емкостной сигнал пьезоэлектрического материала, используемого в преобразователях, причем этот емкостной сигнал может использоваться в качестве ссылочного значения. Кроме того, отношение различных акустических типов (например, симметричный или антисимметричный тип) может оцениваться (например, амплитуду их отношения в начале передачи можно сравнить с ситуацией на приемнике).
Следует также отметить, что кроме волн Лэмба, поверхностные акустические волны других типов могут использоваться для возбуждения акустических волн в первом и/или втором элементе подшипника.
Например, в больших подшипниках волны Рэлея могут возбуждаться на внутренней стороне первого и/или второго элемента подшипника, обращенной к соответствующему второму элементу подшипника.
Кроме того, подшипник может быть подшипником качения (как описано выше), и периодический сигнал приемника генерируется, когда подшипник работает, причем способ включает в себя следующие этапы:
- регистрация периодического сигнала приемника;
- оценка периодического сигнала приемника путем определения средней амплитуды и/или среднего времени передачи сигнала; и
- определение количества смазки, находящейся в подшипнике, с помощью полученной средней амплитуды и/или среднего времени передачи сигнала.
Таким образом, в частности, после соответствующей калибровки подшипника, количество смазки в подшипнике может быть определено с помощью сигнала приемника. Можно также использовать минимальные значения амплитуды или времени передачи в дополнение или вместо средней амплитуды и времени передачи.
Кроме того, могут использоваться средние периодические изменения амплитуды или времени передачи.
Возможно также определять скорость элементов качения и/или скорость приспособления (сепаратора), в котором располагаются элементы качения, путем оценки приемника сигнала. При работе роликового подшипника сигнал приемника (например, амплитуда и время распространения) будет периодически модулироваться за счет вращения элементов подшипника. Используя период этой модуляции (с частотой fmod). размеры элементов подшипника и количество nre элементов качения, можно рассчитывать скорость сепаратора vcage.
Например, угловая скорость wCage сепаратора рассчитывается по формуле:
Соответственно, скорость vcage внутренней части сепаратора равняется ωcage⋅rcage (rcage - внутренний радиус сепаратора).
Кроме того, определяющаяся скоростью (например, скорость сепаратора) может сравниваться с соответствующими скоростями, измеренными с помощью отдельного датчика скорости (например, счетчика оборотов) с целью определения проскальзывания подшипника.
Следует отметить, что передатчик может работать таким образом, что в элементах подшипника генерируются импульсные акустические волны. Однако, как уже упоминалось выше, возможно также возбуждать непрерывные акустические волны, эффект которых может заключаться в том, что частота выборки может быть неограниченной (при использовании импульсных волн, частота выборки ограничена из-за времени распространения импульсов и интервала времени между импульсами). Например, может измеряться частота оборотов выше 150000 об/мин.
Как указано выше, по оценке сигнала приемника может определяться количество смазки, присутствующее в подшипнике качения.
Определяющееся количество смазки и определяющаяся скорость элементов подшипника и/или сепаратора (см. выше) могут использоваться для определения толщины масляной пленки между элементами качения и первым и/или вторым элементом подшипника.
Способы расчета толщины пленки смазочного материала, в принципе, известны в данной области техники и описываются, например, в книге "Анализ подшипников качения", 4-е издание, Tedric A. Harris, John Wiley & Sons Canada, Ltd., (15 декабря 2000 г.), которая включается в данную заявку в качестве ссылки.
Для того, чтобы сосредоточить исследование на масляной пленке и подавлять другие воздействия на акустические волны, могут применяться короткие и/или небольшие пути передачи между передатчиком и приемником. Для этого пути передачи могут ориентироваться перпендикулярно к направлению движения элементов качения.
Например, передатчик располагается на внешней стороне первого элемента подшипника, а приемник располагается на внутренней стороне первого элемента подшипника (внешнее кольцо подшипника качения), на внутренней стороне, обращенной к первому элементу подшипника.
Конечно, также возможно, что и передатчик и приемник располагаются на одной стороне второго элемента подшипника (или первого элемента подшипника), например, на его внешней стороне.
Ширина пути передачи (измеряется перпендикулярно к направлению распространения акустических волн) зависит от соответствующей ширины передатчик (и/или приемника). Например, приемник имеет ширину, измеряемую в направлении, перпендикулярном по отношению к соединительной линии между передатчиком и приемником (то есть, пути распространения), которая выбираются в зависимости от диаметра элемента качения. Например, ширина приемника меньше, чем диаметр элемента качения или составляет одну десятую диаметра элемента качения. В другом примере ширина приемника не превышает 5 мм или она не превышает 1 мм.
Устройство, содержащее элементы качения, пленку смазки и внешнее кольцо (второй элемент подшипника), может рассматриваться как трехфазная система (см. выше), в которой, используя сигнал приемника, может определяться толщина пленки с помощью адекватной трехфазной модели.
Конечно, возможно также использование более чем одного пути передачи (путем установки более одного передатчика и/или приемника), чтобы исследовать различные участки масляной пленки. Этот вариант может быть использован в особенности в связи с элементами качения, которые имеют более сложную геометрию.
Согласно другому варианту изобретения, передатчик и приемник располагаются на одном элементе подшипника, причем нагрузка на элемент подшипник определяется путем оценки абсолютной амплитуды сигнала приемника. Например, импульсные акустические волны возбуждаются в элементе подшипника, в котором, например, особенно амплитуда получаемого первого импульса (или группы импульсов) зависит от приложенной нагрузки. Кроме того, два разных пути передачи могут быть использованы, когда сравниваются сигналы приемника (например, их амплитуды), относящиеся к различным путям передачи. В частности, один из путей передачи не зависит от нагрузки, и сигнал приемника, относящийся к этому пути передачи, может использоваться в качестве ссылочного сигнала.
Возможно также, что передатчик не используется, а акустические волны в первом и/или втором элементе подшипника создаются с применением нагрузки на элемент подшипника. В частности, во время работы подшипника качения элементы качения периодически сжимаются и расширяются, при этом периодические сжатия и расширения элементов качения могут возбуждать акустические волны в первом и/или втором элементе подшипника. В другой конфигурации подшипника качения первый приемник устанавливается на первом (внутреннем) элементе подшипника, а второй приемник располагается на втором (внешнем) элементе подшипника, при этом акустические волны возбуждаются во втором (или аналогичным способом в первом) элементе подшипника и передаются первому элементу подшипника элементами качения.
Передача волн элементами качения зависит от нагрузки, действующей на них, при этом по оценке сигналов приемника может определяться нагрузка на элементы качения.
Кроме того, если передатчик и/или приемник представляет собой пьезоэлектрический преобразователь, температура подшипников может быть измерена путем измерения сопротивления пьезоэлектрического преобразователя (после калибровки измерений). Температура подшипника может быть измерена путем сравнения свойств (например, амплитуды и/или времени передачи) сигналов приемника, относящихся к различным акустическим типам. Например, может использоваться ссылочный путь передачи.
В одном из вариантов используется такой широкополосный приемник, что могут регистрироваться объемные акустические волны и можно получать частотные спектры этих объемных акустических волн.
Возможные установки и методы работы передатчика и приемника описывались выше.
Краткое описание рисунков
Варианты осуществления изобретения будут описаны более подробно ниже со ссылкой на чертежи:
На Фигуре 1 показан подшипник в соответствии с первым вариантом изобретения;
На Фигуре 2A показан сигнал приемника, полученного на подшипнике, показанном на Фигуре 1;
На Фигуре 2B показаны амплитуды сигнала приемника для различных состояний смазки в отношении подшипника, показанного на Фиг.1;
На Фигуре 3A показан вид сверху на подшипник в соответствии со вторым вариантом изобретения;
На Фигуре 3B показана модификация подшипника, показанного на Фиг.3A;
На Фигуре 4 показан увеличенный фрагмент Фигуры 2;
На Фигуре 5а показан вид сверху подшипника в соответствии с третьим вариантом изобретения;
На Фигуре 5a показан вид сбоку подшипника, показанного на Фигурах 5A и 5B;
На Фигуре 6 показан сигнал приемника, полученный на подшипнике в соответствии с Фигурами 5A and 5B;
На Фигурах 7A, 7B показаны амплитуды и время передачи для различных положений подшипника;
На Фигурах 8A, 8B показан вид сбоку подшипника, показанного на Фигурах 5A и 5B в различных положениях;
На Фигурах 9A, 9B показана средняя амплитуда и среднее время передачи вращающегося подшипник по отношению к объему смазки; и
На Фигурах 10A, 10B показано стандартное отклонение амплитуды и среднего времени передачи вращающегося подшипника по отношению к объему смазки.
Подробное описание изобретения
На Фигуре 1 показан подшипник 1, представляющий собой подшипник скольжения (плоскостной подшипник), который содержит первый элемент 11 подшипника в форме прямоугольного параллелепипеда и второй элемент 12 в форме прямоугольного параллелепипеда. Два элемента 11, 12 могут перемещаться относительно друг друга, при этом поверхность 111 первого элемента 11 может скользить по поверхности 121 второго элемента 12. Поверхности обращены друг к другу и проходят по существу параллельно. Первый и/или второй элемент может соединяться с другими деталями (не показаны), которые должны перемещаться относительно друг друга.
Между поверхностями 111, 121 располагается смазка 2 для уменьшения трения между этими двумя элементами 11, 12 (т.е. между поверхностями 111, 121 элементов). Для того, чтобы иметь возможность определять определенные свойства смазки возбуждаются поверхностные акустические волны А в первом элементе 11.
Для этого передатчик 3 располагается на поверхности 111 первого элемента 11, а передатчик 3 устанавливается за пределами области перекрытия первого и второго элемента 11, 12 (т.е. на расстоянии от смазке 2). Кроме того, приемник 4 располагается на поверхности 121 второго элемента 12.
Акустические волны A первоначально проходят вдоль первого элемента 11. При этом в области, где находится смазка 2, по меньшей мере, часть акустических волн A преобразуется в акустические волны B в смазке 2 в связи с эффектами преобразования, описывающимися выше. Преобразованные волны распространяются в смазке ко второму элементу 12, где часть волн преобразуется обратно в поверхностные акустические волны во втором корпусе 12. Эти преобразованные волны C проходят по второму элементу 12 к приемнику 4, где они принимаются, и электрический сигнал генерируется при их обнаружении. Фигура 2B иллюстрирует максимальную амплитуду сигнала приемника для случая, когда нет смазки (столбик 100), масло используется в качестве смазочного материала (столбик 200) и используется густая смазка (столбик 300).
Фигура ЗА (вид сверху) и фигура 4 (вид сбоку) относятся к другому варианту изобретения, в котором подшипник 1 является подшипником качения в виде шарикового подшипника.
Подшипник 1 содержит первый элемент подшипника в виде внешнего кольца 13 и второй элемент подшипника в виде внутреннего кольца 14 с меньшим диаметром, чем внешнее кольцо, и располагающееся внутри внешнего кольца. Между внутренней поверхностью 131 внешнего кольца и внешней поверхностью 141 (обращенной к поверхности 131) внутреннего кольца 14 располагается множество элементов качения в виде шариков 15. Кроме того, по меньшей мере, часть объема между внутренней поверхностью 131 и поверхностью 141 заполняется смазкой 2.
Для того чтобы измерить свойства (например, уровень заполнения) смазочного материала 2, используется устройство с акустическим датчиком, которое содержит средство для возбуждения акустических волн в элементах подшипников в виде передатчика 3 и средство для приема акустических волн в вид приемника 4. Как передатчик 3, так и приемник 4 располагаются на внешней поверхности 132 внешнего кольца 13, при этом внешняя поверхность обращается в сторону от внутренней поверхности 131.
Передатчик 3 возбуждает поверхностные акустические волны во внешнем кольце 13, которые обнаруживает приемник 4, причем амплитуда и время отклика сигнала приемника зависит от свойств раздела между внутренней поверхностью 131 из внешнего кольца 13 и его окружением. В частности, сигнал приемника зависит от наличия и свойств смазочного материала, который находится в контакте с внутренней поверхностью 131, и при этом преобразования поверхностных акустических волн, генерируемых во внешнем кольце, происходят так, как указывается выше и как показано на Фигуре 4. Часть акустических волн во внешнем кольце 13 переходит в смазку 2 (стрелки В), при этом, например, амплитуда сигнала приемника будет падать в зависимости, например, от количества смазки, находящейся между кольцами 13 и 14.
Передатчик 3 конструируется и устанавливается таким образом, что первые акустические волны А1 проходят по внешнему кольцу 13 в направлении по часовой стрелке (по отношению к виду сверху на подшипник), а вторые акустические волны А2 проходят по внешнему кольцу 13 в направлении против часовой стрелки. Кроме того, передатчик 3 располагается по отношению к приемнику 4 таким образом, что длина пути между передатчиком и приемником в направлении по часовой стрелке больше, чем длина пути между передатчиком и приемником в направлении против часовой стрелки. Таким образом, два хорошо различимых сигнала будут генерироваться приемником при получении первых и вторых акустических волн, при этом внешние искажения могут устраняться или, по меньшей мере, уменьшаться, с помощью дифференциального сигнала, т.е. путем вычитания сигнала, соответствующего вторым акустическим волнам, из сигнала, соответствующего первым акустическим волнам или наоборот.
Например, передатчик и приемник разведены на угол 6, равняющийся 30°. Конечно, возможно использовать и другие углы. Как показано на Фигуре 3B, дополнительный передатчик-приемник-преобразователь 3' устанавливается на внешнем кольце 13.
Преобразователь 3' может быть того же типа (гребенчатый преобразователь), как передатчик 3 и приемник 4, причем он может работать либо как передатчик, либо как приемник. Дополнительный преобразователь 3' позволяет создавать различные пути для акустических волн, которые могут оцениваться отдельно для повышения точности измерений. Например, преобразователь 3' работает как приемник, причем акустические волны, возбуждаемые передатчиком 3, принимаются и оцениваются как преобразователем 3', так и приемником 4. Конечно, возможно также, что преобразователь 3' является просто передатчиком (или приемником). Кроме того, можно использовать более одного дополнительного преобразователя.
Фигуры 5A (вид сверху) и 5B (вид сбоку) относятся к другому воплощению изобретения, в котором подшипник содержит цилиндрические элементы качения и является роликовым подшипником.
Этот подшипник содержит множество элементов качения в виде цилиндров 16, расположенных между первым элементом подшипника в виде первого кольца 17 и вторым элементом подшипника в виде второго кольца 18, причем диаметр первого кольца сравним с диаметром второго кольца. Кроме того, сепаратор 19 предназначен для удержания цилиндров 16. Оси цилиндров 16 ориентированы радиально по отношению к кольцам 17, 18, при этом цилиндры катятся между внутренней поверхностью 171 первого кольца и внутренней поверхностью 181 второго кольца 18, а поверхности 171 и 181 обращенных друг к другу. Кроме того, смазка 2 присутствует между первым и вторым кольцом 17, 18.
Передатчик 3 и приемник 4 располагаются на внешней стороне 172 первого кольца 17. Поверхностные акустические волны А генерируются и обнаруживаются с помощью передатчика 3 и приемника 4, как описывается в отношении других вариантов, так что свойства смазки 2 могут обнаруживаться даже тогда, когда подшипник 1 находится в эксплуатации. В частности, передатчик 3 и приемник 4 располагаются аналогично Фиг.3, при этом первые и вторые акустические волны А1, А2 создаются в первом кольце 17 и распространяются в противоположных направлениях и у них различная длина пути от передатчика к приемнику.
Следует отметить, что, конечно, может использоваться более одного передатчика и/или более одного приемника. Например, другой приемник может быть расположен на первом кольце или на втором кольце (аналогично Фиг.3B).
При таком расположении передатчика и приемника два различимых сигнала появляются в сигнале приемника, как показано на Фигуре 6.
Первый сигнал (импульс) S2 соответствует вторым акустическим волнам A2, проходящим по короткому пути между передатчиком 3 и приемником 4, при этом появляющийся позднее сигнал S1 соответствует первым акустическим волнам А1, распространяющимся по длинного пути.
Фигуры 7A и 7B показывают сигнал приемника (Фиг.7А: амплитуда, Фиг.7B: время передачи) для работающего роликового подшипника, как показано на Фигурах 5A, 5B. Что касается Фигуры 7А, верхние кривые S20 and S2 соответствуют вторым акустическим волнам А2 (короткий путь) и нижние кривые S10 and S1 соответствуют первым акустическим волнам A1 (длинный путь). Кривые S10 and S20 являются ссылочными кривыми, измеренными на подшипнике без смазки, в то время как кривые S1 и S2 соответствуют измерениям после наполнения смазочным маслом.
Как можно видеть, амплитуда сигнала изменяется периодически, причем максимум амплитуды приближается к ссылочным значениям.
Пояснение такого поведения приводится на Фигурах 8A and 8B, на которых показаны два различных положения подшипника. В соответствии с Фигурами 8A и 8B, количество цилиндров 16, находящихся между передатчиком 3 и приемник 4, изменяется периодически во время работы (вращения) подшипника (Фиг.8А: пять цилиндров расположены между передатчиком и приемником, Фиг.8B: только четыре цилиндра находятся между передатчиком и приемником).
Когда смазка 2 выдавливается при качении цилиндров 16 (т.е., между кольцом и цилиндром нет смазки или находится только небольшая масляная пленка), количество смазки, которая находится в контакте с первым кольцом 17 подшипника, зависит от количества цилиндров, находящихся между передатчиком и приемником. Это число, однако, периодически меняется, когда подшипник находится в эксплуатации.
Минимальные значения амплитуды могут использоваться для определения количества смазки, находящейся в подшипнике (в частности, после соответствующей калибровки). Например, если различие между ссылочной линией S10, S20 и минимальными значениями амплитуды становится слишком малым, подается сигнал тревоги.
Соответствующие сигналы времени передачи T1, Т10, Т2, Т20 (Fig.7B), которые по аналогии с амплитудой отражают наличие и свойства смазки, показывают аналогичную периодическую зависимость от положения подшипника (угол поворота).
Фигуры 9A и 9B иллюстрируют средние значения амплитуды (Фиг.9A) и времени передачи (Фиг.9B) для работающего подшипника (360 оборотов в минуту) по отношению к различным объемам смазки (масла).
Как хорошо можно видеть, амплитуда, а также и время передачи (показано для волн A1 в направлении по часовой стрелке, а для волны A2 в направлении против часовой стрелки) зависит от количества масла, присутствующего в подшипнике. Таким образом, можно даже в работающем состоянии подшипника определять объем смазки в подшипнике с помощью амплитуды и/или времени передачи (акустических волн), т.е. амплитуды и времени передачи сигнала приемника. Фигуры 10А и 10B показывают, что также и стандартное отклонение амплитуды (Фиг.10A) и времени передачи (Фиг.10B) зависят от объема смазки, присутствующей в подшипнике.
1. Способ определения свойств подшипников, включающий в себя следующие этапы:
а) готовят подшипник (1), имеющий первый и второй элементы (11, 13, 17, 12, 14, 18) подшипника, которые могут перемещаться относительно друг друга;
б) устанавливают по меньшей мере один приемник (4) и передатчик на внешней стороне первого элемента подшипника (11, 13, 17, 12, 14, 18), причем внешняя сторона первого элемента подшипника обращена в сторону от второго элемента подшипника и получают поверхностные акустические волны из первого и/или второго элемента (11, 13, 17, 12, 14, 18) подшипника с помощью приемника, и устанавливают передатчик на первом или втором элементе (11, 13, 17, 12, 14, 18) подшипника, при этом передатчик используется для возбуждения поверхностных акустических волн в первом и/или втором элементе (11, 13, 17, 12, 14, 18) подшипника;
в) определяют информацию, относящуюся к свойствам подшипников, оценивая сигнал, генерируемый приемником после получения поверхностных акустических волн из первого и/или второго элемента (11, 13, 17, 12, 14, 18) подшипника, при этом
- подшипник (1) является элементом подшипника качения, включающего множество элементов качения, так что периодически генерируется сигнал приемника за счет вращения элементов качения подшипника, когда подшипник находится в работе;
- регистрируют приемником периодический сигнал приемника; и
- на стадии (в) оценивают периодический сигнал приемника путем определения средней амплитуды, среднего времени передачи сигнала, стандартного отклонения амплитуды, стандартного отклонения времени передачи, изменения во времени огибающей сигнала приемника, периода модуляции сигнала приемника или выполнения анализа частоты сигнала приемника.
2. Способ по п.1, в котором на стадии в) определяются свойства смазки подшипника.
3. Способ по п.1, в котором ссылочное значение амплитуды сигнала определяется для подшипника без смазки, а оценка сигнала содержит определение различия между ссылочным значением и амплитудой принимаемого сигнала.
4. Способ по п.1, в котором на стадии в) сигнал обрабатывается таким образом, что определяются дефекты подшипника (1), в частности, такие как трещины или структурные изменения в первом или втором элементе подшипника.
5. Способ по п.4, в котором возбуждаемые акустические волны состоят только из одного типа волн и в котором определяется дефект, если после оценки на стадии в) приемник получает многотиповые волны или волны отличающегося типа.
6. Способ по любому из пп.1-5, в котором на стадии в) определяется количество смазки, находящееся в подшипнике, с помощью определения средней амплитуды и/или среднего времени передачи сигнала.
7. Способ по п.1, в котором на стадии в) определяется скорость элементов качения и/или скорость сепаратора, в котором находятся элементы качения.
8. Способ по п.6, в котором угловая скорость 
где fmod является частотой модуляции сигнала приемника и nre - число элементов качения в подшипнике качения.
9. Способ по п.8, в котором определенная скорость сравнивается с соответствующими скоростями, измеренными с помощью отдельного датчика скорости для определения скольжения подшипника.
10. Способ по п.9, в котором определяется изменение во времени частотной характеристики сигнала приемника.
11. Способ по п.1, в котором непрерывные акустические волны возбуждаются в первом и/или втором элементе (11, 13, 17, 12, 14, 18) подшипника.
12. Способ по п. 11, в котором на стадии в) определяется сдвиг фазы полученных волн.
13. Способ по п.1, в котором акустические волны первого типа и акустические волны второго типа возбуждаются в первом и/или втором элементе (11, 13, 17, 12, 14, 18) подшипника.
14. Способ по п. 1, в котором на стадии в) определяется толщина пленки смазки в подшипнике.
15. Способ по п. 14, в котором на стадии в) определяют количество смазки, находящейся в подшипнике, причем используя определенное количество смазки и определенную скорость устанавливают толщину масляной пленки.
16. Способ по п. 1, в котором приемник имеет ширину, измеренную в направлении, перпендикулярном по отношению к соединительной линии между передатчиком и приемником, которая не превышает 10 мм или которая не превышает 5 мм.
17. Способ по п.1, в котором передатчик и приемник устанавливаются на одном элементе подшипника и нагрузка на этот элементе подшипника определяется путем оценки абсолютной амплитуды сигнала приемника.
18. Способ по п.1, в котором первый приемник устанавливается на первом элементе подшипника, а второй приемник устанавливается на втором элементе подшипника, при этом нагрузка на элементы качения подшипника определяется путем оценки сигналов первого и второго приемника
