[发明专利]轴承监控方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于预测轴承的剩余寿命、即用于预测其何时必需或期望维修、替换或翻新(重新制造)轴承的方法、系统和计算机程序产品。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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”。

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。

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

本发明的目的是提供一种用于预测轴承剩余寿命的改进的方法。

该目的通过一种包括以下步骤的方法实现：测量导致通过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)的事件的出现频率，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数学的剩余寿命预测模型预测所述轴承的剩余寿命，其中，累积的疲劳损坏从导致通过所述轴承的滚动接触所发出的高频率应力波的事件出现频率的测量值来确定。因此，所发出的高频率应力波的周期性或重复的模式被监控，从而能够确定累积的疲劳损坏。也就是说，高频率应力波可以受到监控，以观察它们是否周期性地发生并且来源于轴承同一位置，或者它们是否是在时间或位置方面随机地布置从而指示它们并不来源于轴承同一位置。

当滚动元件轴承在一段长时间内被使用，疲劳被累积在其滚道区域中。疲劳导致在滚道区域中的损坏，例如剥落。使用ISO 281中提供的、基于Lundberg和Palmgren的疲劳理论的剩余寿命评估公式可估算滚动轴承的标称剩余寿命。从该公式得到的计算值对于成组的轴承有效并且是设计阶段中的重要标准。但是，当该公式应用于单个轴承评估时，由于轴承运作状态影响，从ISO 281滚动元件轴承寿命模型得到的剩余寿命计算值可能是错的。也就是，在有利的运作状态下，现代的、高质量的轴承可超过剩余寿命计算值相当大的余量。

在根据本发明所述的方法中，使用指示疲劳损坏的测量值而不是ISO 281的假设或预测的累积疲劳损坏值、以及预期的未来操作状况来进行剩余寿命预测，从而预测故障的可能性。因此，可以实现比通过ISO281计算更加准确的剩余寿命预测。

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位置或是放在轴承壳体上，优选地放在负载区域。