具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的检测的制作方法
【专利摘要】一种用于监测在非旋转轴承中具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的存在的方法，包括如下步骤：获取在交变载荷下从非旋转轴承发出的声发射数据；以及将所述声发射数据与指示微动磨损和/或擦损的阈值进行比较。
【专利说明】
具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的检测
技术领域
[0001]本发明涉及在滚子轴承中具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的检测，特别涉及使用解调的声发射测量来确定具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损。
【背景技术】
[0002]为了使滚动元件轴承以可靠的方式来操作，它们必须被充分地润滑。润滑剂的主要目的是为了防止在滚动元件之间的金属接触。润滑剂还保护轴承表面不受腐蚀。
[0003]轴承可能会在它们不旋转时受到损害。
[0004]假压痕(false-brinelling)发生在轴承中，是由于当轴承受到交变载荷而该轴承并未旋转时微动磨损和/或擦损随时间发生。例如，机器部件比如风力涡轮机叶片支承在轴承中使得该部件可以旋转，并且部件受到循环载荷而该部件并未在轴承中旋转。
[0005]这些交变载荷在轴承的滚道与滚珠或滚子之间引起小的运动、微动磨损或擦损动作，从而移除滚道与滚珠或滚子之间的润滑膜，造成金属与金属接触引起表面缺陷，导致假压痕。当轴承被促使旋转时，过早失效可能发生。
[0006]假压痕是一个长期问题，并且已经在许多方面得到解决。假压痕通常是通过简单地采取使轴承周期性旋转的预防措施使得滚道与滚珠或滚子之间的润滑膜或不移除或恢复而得以解决的。然而，尚没有准确的方法确定用于旋转否则将是静态的轴承的周期性循环。
[0007]结构振动测量和位移测量已被用来量化假压痕。然而，因为需要考虑到许多其他因素，所以这些技术往往不能预测假压痕。
[0008]振动测量可以用于在轴承的旋转期间检测假压痕的存在，但是在发生显著振动时轴承已经损坏。
[0009]所希望的是，能够准确地预测何时可能发生假压痕。
[0010]所希望的是，能够控制安装在轴承中的机器部件，使得在发生假压痕之前恢复润滑层。
【发明内容】
[0011]已经发现，声发射测量和从声发射衍生的测量可能与导致假压痕的微动磨损和/或擦损的发生相关。如果微动磨损和/或擦损可被检测到，则可以采取行动，例如转动轴承，使得滚珠或滚子与滚道之间的润滑膜可被恢复。微动磨损和/或擦损动作则不会促进假压痕。
[0012]有许多与微动磨损和/或擦损相关的声发射的可能来源。本发明涉及与可能会导致假压痕即那些具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损有关的那些声发射。
[0013]声发射是一种在伴随材料的变形和断裂过程的应力之下在材料中产生声音的现象。声发射特性直接依赖于材料类型、性质和条件。声发射源可以是连续的或瞬态的，并且在轴承中具有叠加到连续声发射上的瞬态声发射是很常见的。
[0014]在微动磨损和/或擦损的情况下，当这些动作移除润滑膜时，金属与金属的接触发生，引起声发射。如果轴承上的载荷是交替的，则瞬态发射将会随着与交变载荷的时间段相对应的时间段发生。
[0015]声发射包络表示解调的声发射信号。具有不同形状的声发射包络与不同的源有关。通过将声发射信号解调到包络中，更容易分析声发射数据。
[0016]根据本发明的第一方面，提供了一种用于监测在非旋转轴承中具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的存在的方法，包括如下步骤:
[0017]获取在交变载荷下从非旋转轴承发出的声发射数据；以及
[0018]将所述声发射数据与指示微动磨损和/或擦损的阈值进行比较。
[0019]该方法还可以包括以下步骤:确定存在或不存在指示具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的声发射数据。
[0020]有利地，该方法还包括以下步骤:在轴承中重新建立润滑膜。该方法还可以包括以下步骤:
[0021]在轴承中重新建立润滑膜之后，重新获取在交变载荷下从非旋转轴承发出的声发射数据。
[0022]该方法还可以包括以下步骤:
[0023]确定在重新获取的声发射数据中存在或不存在指示具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的声发射数据。
[0024]优选地，所述声发射数据被解调，更优选地，所述被解调的声发射数据是以声发射包络的形式。
[0025]有利地，所述声发射数据与指示微动磨损和/或擦损的阈值进行比较的步骤包括建立超过阈值的计数数量，并且还可以包括以下步骤:将超过阈值的计数数量与指示微动磨损和/或擦损的报警计数数量进行比较。
[0026]该方法可以包括以下步骤:在所述非旋转轴承上建立载荷循环的时间段，并且使所述声发射数据与该载荷循环时间段相关。
[0027]所述声发射数据与载荷循环时间段相关的步骤可以包括获得所述声发射时间段的步骤。
[0028]优选地，所述确定在重新获取的声发射数据中存在或不存在指示具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的声发射数据的步骤包括建立所述载荷循环时间段与重新获取的数据中的声发射时间段的同步(synchroni s ity)，更优选地，建立载荷循环时间段是否与在重新获取的数据中的声发射时间段同步。如果载荷循环时间段与在重新获取的数据中的声发射时间段不同步，则表示在第一获取的数据中指示微动磨损和/或擦损的声发射数据确实有假压痕潜力，即其由于润滑层的退化而存在于轴承中。
[0029]有利地，该方法还包括以下步骤:发出指示存在具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的信号。
[0030]优选地，所述发出的信号是报警和/或控制信号。
[0031 ]优选地，在轴承中重新建立润滑膜的步骤包括旋转轴承。
[0032]根据本发明的另一方面，提供了一种设备，其包括支撑部件的轴承、相对于轴承定位来检测从轴承发出的声发射的声发射传感器以及与该声发射传感器进行通信的状态监测装置，其中所述状态监测装置配置成执行本发明的第一方面的方法。
[0033]有利地，该设备还包括配置成旋转轴承的致动器。该致动器可以是以下之一:从动轴、活塞和气缸、以及线性致动器。
【附图说明】
[0034]在附图中，示出了根据本发明的方法和设备的优选实施例，并且是通过示例的方式，其中:
[0035]图1示出了风力涡轮机的前视图和侧视图；
[0036]图2示出了载荷随时间变化的曲线及相应的声发射包络信号；
[0037]图3是说明本发明的方法的流程图；以及
[0038]图4是图1中所示的风力涡轮机的轴承的示意性表示。
【具体实施方式】
[0039]在图1中所示的风力涡轮机I包括塔架2、容纳齿轮箱和发电机的机舱3、以及安装三个叶片5的转子4。
[0040]每个叶片5通过轴承6连接到转子，轴承允许调整叶片的桨距。轴承6可能受到假压痕，因为叶片5的桨距不经常调整且叶片受到循环载荷。
[0041]例如，随着在转子4的X方向上的每次旋转，重力(由箭头G所示)在单个叶片5上的影响从上行程上的负改变到下行程上的正。在上行程，轴承6上的力矩由箭头a表示。在下行程，轴承6上的力矩由箭头b表示。
[0042]叶片5还在Y方向上振荡，引起轴承6上的变化力矩，由箭头c所示。这种振荡可能会出现在转子转动时或其静止时。
[0043]轴承中的微动磨损和/或擦损行为产生声发射。然而，例如来自轴承座的其他微动磨损和/或擦损行为也产生声发射。为了识别与轴承滚道中的微动动作(即具有假压痕潜力)相关的声发射，因此有必要将与轴承滚道相关的声发射同与轴承相关的其他声发射分开。
[0044]在本示例中，每个轴承6安装有载荷传感器和声发射传感器。声发射传感器可以连接到轴承环或轴承座或者轴承所安装到的另一固定结构。
[0045]当轴承中分开滚动接触表面的润滑膜变得如此之薄以致于发生粗糙面接触(金属与金属接触)时，这些粗糙面接触产生声发射。声发射的特征表示轴承的滚动接触面之间的粗糙面接触的程度。
[0046]图2中的上曲线是在轴承6之一上的载荷随时间变化的曲线。如可以看到，轴承6上的载荷随着转子4旋转在正负之间循环。下曲线示出了随时间变化的声发射包络。
[0047]从这两条曲线中很清楚的是，大多数的声发射活动的爆发与轴承上的载荷的周期性变化相关。
[0048]载荷及其波动的时间段可以由该设备(轴承6形成其中的一个部件)的可监测的参数确定，而不是监测载荷本身。例如，在风力涡轮机中，其中应理解的是轴承6上的载荷波动与转子4的旋转相关，载荷波动的时间段可以从转子的旋转速度导出。显然，这需要测量转子的旋转速度。这种测量可以从与风力涡轮机I相关的其它监测设备获得。
[0049]图3所示的流程图说明了检测到的声发射活动如何被识别为指示假压痕问题。设置在该流程图中的步骤是在计算机装置上进行的。
[0050]在步骤10中，由声发射传感器检测到的声发射被解调，以提供声发射包络时间波形。
[0051]在步骤11中，在步骤10中获取的波形或被传送到另一处理器用于根据随后步骤的进一步处理，或那些处理步骤在传感器中执行。
[0052]在步骤12中，AEE事件的波形进行基于阈值的信号处理。波形与阈值进行比较，以建立超过阈值的计数数量，如下面参照图2更详细地描述。
[0053]图2中的下曲线表示纵轴上的AEE信号振幅A随横轴上的时间T的变化。线TL表示代表可能微动磨损或擦损的声发射幅度的阈值水平。计数数量是表示声事件的线TL的交叉的数量，gpTChTChTChTCL...TCn。
[0054]测量声发射事件之间的时间，也就是声发射事件的第一上升阈值交叉TC1与下一个声发射事件的第一上升阈值交叉TC2之间的时间，这代表声发射事件之间的时间段。
[0055]为了有助于分析，从步骤12得到的处理过的信号与在步骤13中的载荷变化时间段相关，该载荷变化时间段在步骤12a中通过参考指示载荷循环时间段的一个或多个可测量参数而被确定，如下面所描述。
[0056]速度、位置、陀螺仪角度/位置和载荷循环的参考是指示载荷循环时间段的可能的输入。指示载荷循环时间段的其他可测量的参数可被另外地或者代替地用于上述参考参数。载荷变化时间段由步骤12a中的一个或多个这些输入确定。
[0057]图2中所示的曲线图说明了与AEE波形相关的载荷循环。
[0058]在步骤14中，超过阈值TL的计数数量与报警阈值输入14a进行比较。报警阈值由分析师或工程师从特定应用、历史证据和建模数据设定，例如非旋转轴承上的载荷循环可在实验室中被监测，直到假压痕确实发生并且声发射特性得以记录和分析。对于特定的应用来说，报警阈值可以是超过阈值TL的特定数量计数。例如，在五个旋转的采集期间，可以预期的是，两个或三个声发射事件可以与轴承上的载荷循环一致。报警阈值在该情况下可以设定成五，因为如果有与轴承上的载荷循环一致的五个声事件，则这不太可能是巧合并且可能是由于与轴承上的变化载荷相关的轴承中的微动磨损或擦损。
[0059]在步骤14b中，确定关于是否超出报警阈值。如果未超过报警阈值，则确定没有假压痕问题且根据步骤10至14继续监测。
[0060]另一方面，如果超过报警阈值，则初始指示可能是假压痕问题，即声发射表示可能具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损。然而，这不是判定。
[0061]为了确认所指示的微动磨损或擦损是可能发展成假压痕的微动磨损或擦损，需要确定的是所述微动磨损或擦损发生在轴承滚道中，而不是轴承的另一部件。
[0062]这可以通过改变所监测的轴承的状态和执行步骤10至13来实现。
[0063]在步骤15中，采取行动来改变所监测的轴承的状态。例如，轴承可以旋转，以重新建立润滑膜。
[0064]在步骤10至13的重建性能之后，在步骤16中，载荷时间段与AEE计数时间段进行比较。如果这两个时间段不同步，则这表明有假压痕问题并且其已经被解决，因为润滑层已经重新确立，因此微动磨损和/或擦损不再存在。当然，监测应该继续，使得当轴承中的状态变化以致于微动磨损和/或擦损出现时，这可以被检测到并得以纠正。
[0065]如果载荷时间段和AEE计数时间段保持相同，则AEE波形必须是由于一些其它的问题。在步骤17中，操作者被告知存在假压痕之外的问题，从而可以对该问题进行调查。
[0066]检测假压痕的方法可以结合到用于操作机器比如风力涡轮机的控制系统中。
[0067]例如，在图1所示的风力涡轮机I中，每个轴承6可以配备有如图4所示的一个或多个声发射传感器20，其连接到处理器，状态监测装置21可形成例如大型风力发电机管理系统的一部分。处理器被编程为执行列于图3所示的流程图中的步骤。风力涡轮机可以配备有致动器22以旋转叶片5，这将导致轴承6旋转。本发明的方法提供了要被发出的信号来命令致动器移动从而旋转轴承6，即采取在步骤15中所确定的校正动作。致动器22不必是活塞和气缸型的。可以使用任何合适类型的致动器。例如，致动器可以是被驱动的轴。轴可以被电、液压、空气动力或流体动力驱动。
[0068]虽然所描述的应用是关于风力涡轮机，但是存在非旋转轴承受到循环载荷的很多情况。例如，安装在浮动船只上、车辆上的物体，非刚性结构，位于邻近振动源的物体，振动通过地基、管道或其他媒介被发送到物体，以及其中环境条件使静压轴承上的载荷发生改变的地方，比如波浪、水流、风和温度波动。
[0069]本发明并不局限于具有在优选实施例中描述的所有步骤的方法。还可以使用具有如在权利要求书中限定的更有限步骤的方法。
[0070]示出的实施例的个别技术特征不限于在这些实施例中使用，并且合适的话可以与落在权利要求书的范围内的任何实施例一起使用。
【主权项】
1.一种用于监测在非旋转轴承中具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的存在的方法，包括如下步骤: 获取在交变载荷下从非旋转轴承发出的声发射数据；以及 将所述声发射数据与指示微动磨损和/或擦损的阈值进行比较。2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤:确定存在或不存在指示具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的声发射数据。3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括以下步骤:在轴承中重新建立润滑膜。4.根据权利要求3所述的方法，还包括以下步骤: 在轴承中重新建立润滑膜之后，重新获取在交变载荷下从非旋转轴承发出的声发射数据。5.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤: 确定在重新获取的声发射数据中存在或不存在指示具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的声发射数据。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述声发射数据被解调。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述被解调的声发射数据是以声发射包络的形式。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述声发射数据与指示微动磨损和/或擦损的阈值进行比较的步骤包括建立超过阈值的计数数量。9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤:将超过阈值的计数数量与指示微动磨损和/或擦损的报警计数数量进行比较。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤:在所述非旋转轴承上建立载荷循环的时间段，并且使所述声发射数据与该载荷循环时间段相关。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述声发射数据与载荷循环时间段相关的步骤包括获得所述声发射时间段的步骤。12.根据权利要求10或11在从属于权利要求5时所述的方法，其中，所述确定在重新获取的声发射数据中存在或不存在指示具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的声发射数据的步骤包括建立所述载荷循环时间段与重新获取的数据中的声发射时间段的同步。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤:发出指示存在具有假压痕潜力的微动磨损和/或擦损的信号。14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述发出的信号是报警和/或控制信号。15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在轴承中重新建立润滑膜的步骤包括旋转轴承。
【文档编号】G01M13/04GK105899928SQ201480072553
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月6日
【发明人】J.厄斯金, D.豪伊森, A.汤姆森
【申请人】斯凯孚公司