軸承裝置振動分析方法、軸承裝置振動分析器以及滾動軸承狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種軸承裝置振動分析方法、軸承裝置振動分析器W及滾動軸承狀態(tài) 監(jiān)視系統(tǒng)，尤其設(shè)及一種通過計算機分析包括滾動軸承及其殼體的軸承裝置的振動的技 術(shù)，并設(shè)及使用該分析結(jié)果的滾動軸承狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 日本特開No. 2006-234785(專利文獻1)披露了一種用于滾動軸承的異常診斷裝 置。通過運種異常診斷裝置，對來自振動傳感器的電信號執(zhí)行頻率分析，基于從頻率分析獲 得的頻譜計算基準值。采樣大于基準值的頻譜的峰值。然后將峰值之間的頻率與基于回轉(zhuǎn) 速度計算出的并歸因于軸承損壞的頻率分量相互比較和核對?；诤藢Y(jié)果，判定滾動軸 承是否存在異常W及異常出現(xiàn)在哪里(參見專利文獻1)。
[0003] 引用列表
[0004] 專利文獻
[000引專利文獻1:日本專利特許公開No. 2006-234785
[0006] 非專利文獻
[0007] 非專利文南犬 1:''The Practical Equipment Diagnosis through Vibration Method-Answer Questions in the Field(通過現(xiàn)場中的振動方法-回答疑問的實際設(shè)備 診斷)"，No;riaki Inoue著，日本工廠維護協(xié)會，PP.65-71

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引技術(shù)問題
[0009] 當振動波形的峰值大小超出預定闊值時，前述異常診斷裝置判定軸承有異常。同 時，為了選擇用于異常診斷的此闊值，需要事先識別當軸承有異常時的振動狀態(tài)。識別當軸 承有異常時的振動狀態(tài)的技術(shù)例如可W是如下技術(shù):有意地將損壞的軸承納入到實際機器 中或使實際機器保持運作直到軸承損壞為止，由此采集關(guān)于軸承有異常時表現(xiàn)出的振動的 數(shù)據(jù)。
[0010] 然而，運種技術(shù)難W應(yīng)用到如下狀態(tài)下的設(shè)備:設(shè)備具有大尺寸或長使用壽命，或 者是昂貴的。具體地，風力發(fā)電設(shè)施滿足運種條件，并難W選擇闊值，該闊值被用于通過狀 態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)作出關(guān)于軸承的異常的判定，該狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視風力發(fā)電設(shè)施的狀態(tài)。因此， 對于諸如風力發(fā)電設(shè)施的大尺寸設(shè)施，用于作出關(guān)于異常的判定的闊值是通過統(tǒng)計地處理 所采集的實際數(shù)據(jù)而無視例如結(jié)構(gòu)細節(jié)的差別和機器類型的差別來確定的。
[0011] 因此預期可事先通過計算機來分析當軸承發(fā)生異常時所表現(xiàn)出的振動狀態(tài)。如果 可通過計算機進行分析來預測軸承裝置的振動狀態(tài)，則可容易地設(shè)定用于作出關(guān)于大尺寸 設(shè)施(諸如風力發(fā)電設(shè)施）的異常的判定的闊值。此外，在同樣要重新定位用于檢測軸承裝 置的振動的傳感器的情形下，可設(shè)定作出關(guān)于異常的判定的闊值而不需要用實際機器重新 采集數(shù)據(jù)。
[0012] 作出本發(fā)明W解決上述問題，并且本發(fā)明的目的是提供一種振動分析方法和振動 分析器，用于通過計算機分析包括滾動軸承及其殼體的軸承裝置的振動。
[0013] 本發(fā)明的另一目的是提供一種滾動軸承狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，其使用根據(jù)該振動分析方 法的分析結(jié)果。
[0014] 此外，在用于滾動軸承的上述異常診斷裝置中，振動傳感器檢測包括滾動軸承及 其殼體的軸承裝置的振動。當由振動傳感器所檢測的振動波形的峰值超過預定闊值時，判 定滾動軸承具有異常。
[0015] 為了增強異常診斷的精確度，需求振動傳感器能夠用高靈敏度檢測由于軸承損傷 而發(fā)生的振動。因此有必要在可獲得高檢測靈敏度的位置設(shè)置振動傳感器。關(guān)于振動傳感 器的運種設(shè)置位置，例如非專利文獻1("通過現(xiàn)場中的振動方法-回答疑問的實際設(shè)備診 斷"，Noriaki Inoue著，日本工廠維護協(xié)會，PP.65-71)描述了預期在靠近要被測量的軸承 且具有高剛度的位置處設(shè)置振動傳感器。運是因為，如果振動傳感器的設(shè)置位置處的剛度 低，那么由于軸承損傷而發(fā)生的高頻分量可能衰減，導致無法檢測軸承的異常。
[0016] 然而，如非專利文獻1所公開的用于選擇設(shè)置振動傳感器的設(shè)置位置的方法是定 性方法。因此，此方法不可能在軸承損傷時識別實際附連到軸承裝置的振動傳感器所檢測 的振動波形W前，判定選擇的設(shè)置位置是否適當。因此存在如下問題:難W在檢測靈敏度高 的位置處設(shè)置振動傳感器且不能確保振動傳感器的適當檢測靈敏度。尤其在諸如風力發(fā)電 設(shè)施之類的大尺寸設(shè)施的情形中，不易納入損傷的軸承W實驗性地識別振動波形。前述選 擇方法因此不實用。因此，難W在早期檢測軸承損傷。
[0017] 為了解決此問題，預期能夠事先通過計算機分析軸承裝置的振動狀態(tài)。如果計算 機有可能分析和預測設(shè)置振動傳感器的設(shè)置位置處的振動狀態(tài)，則可容易地選擇具有高檢 測靈敏度的設(shè)置位置。此外，可找到具有高靈敏度的設(shè)置位置而無需將振動傳感器附連到 實際裝置。因此，即使對于諸如風力發(fā)電設(shè)施之類的大尺寸設(shè)施，可容易地選擇振動傳感器 的設(shè)置位置。
[0018] 作出本發(fā)明W解決上述問題，且本發(fā)明的目的是使?jié)L動軸承狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)使用通 過計算機分析包括滾動軸承及其殼體的軸承裝置的振動的振動分析方法的結(jié)果，能夠容易 且適當?shù)剡x擇在軸承裝置上設(shè)置振動傳感器的設(shè)置位置。
[0019] 問題的解決手段
[0020] 根據(jù)本發(fā)明，軸承裝置振動分析方法是通過計算機分析軸承裝置的振動的軸承裝 置振動分析方法，該軸承裝置包括滾動軸承和滾動軸承的殼體，且該方法包括W下步驟:輸 入關(guān)于滾動軸承的滾動元件與滾道表面之間的接觸部分所受到的損傷的形狀的數(shù)據(jù);計算 由損傷導致的滾動軸承的內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移;通過用于分析軸承裝置的振動模式的模 式分析程序來計算振動特性模型，振動特性模型代表軸承裝置的振動特性；W及通過對振 動特性模型應(yīng)用在滾動軸承上發(fā)生的激勵力的歷史來計算軸承裝置上的預定位置處的振 動波形，通過將在計算位移的步驟中所計算的內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移乘W內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間 的彈黃常數(shù)來獲得激勵力的歷史。
[0021] 優(yōu)選地，在計算振動波形的步驟中，將激勵力的歷史施加至振動特性模型中的滾 動軸承的旋轉(zhuǎn)環(huán)的中屯、軸上的至少一個點。應(yīng)當注意，為了將力矩的影響考慮在內(nèi)，它可被 施加至旋轉(zhuǎn)環(huán)(例如內(nèi)環(huán))的中屯、軸上的多個點。
[0022] 優(yōu)選地，軸承裝置振動分析方法還包括下列步驟:使用在計算振動波形的步驟中 計算出的振動波形確定振動大小的闊值W便確定滾動軸承有異常。
[0023] 優(yōu)選地，計算內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移的步驟包括下列步驟:通過進行滾動軸承的 動態(tài)分析的動態(tài)分析程序，計算在滾動軸承的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)期間由損傷所造成的內(nèi)環(huán)與外 環(huán)之間的位移的歷史。
[0024] 優(yōu)選地，滾動軸承是球軸承。計算內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移的歷史的步驟包括下列 步驟:通過用于分析滾動軸承的滾動元件和滾道表面之間的接觸的接觸分析程序，計算由 受到的損傷造成的滾動元件和滾道表面之間的接近量的變化;并通過動態(tài)分析程序，計算 在滾動軸承的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)期間由于接近量的變化所造成的內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移的歷 史。
[0025] 優(yōu)選地，滾動軸承是滾子(roller巧由承。對于動態(tài)分析程序，使用切分方法，藉此 對于每個微小寬度分段計算接觸負載，該微小寬度分段是通過對沿滾子的軸向在滾子和滾 道表面之間的接觸部分作切分而獲得的。振動分析方法還包括下列步驟:對于每個切片，計 算由受到的損傷造成的滾子和滾道表面之間的接近量的變化。計算內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移 的歷史的步驟包括下列步驟:通過使用切分方法的動態(tài)分析程序來計算內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的 位移的歷史。
[0026] 優(yōu)選地，在計算內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移的歷史的步驟中，假設(shè)滾動軸承的固定環(huán) 是通過線性彈黃沿軸承徑向在負載施加區(qū)內(nèi)的滾動元件的位置處連接至殼體。
[0027] 優(yōu)選地，在計算振動波形的步驟中，依賴于由負載施加區(qū)內(nèi)每個滾動元件所支承 的力的份額，將內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移的歷史應(yīng)用到負載施加區(qū)內(nèi)的滾動元件。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明，軸承裝置振動分析器是用于分析包括滾動軸承和滾動軸承的殼體的 軸承裝置的振動的軸承裝置振動分析器，并且包括輸入單元、位移計算單元、振動特性計算 單元和振動波形計算單元。輸入單元配置為輸入關(guān)于滾動軸承的滾動元件與滾道表面之間 的接觸部分所受到的損傷的形狀的數(shù)據(jù)。位移計算單元配置為計算由損傷導致的滾動軸承 的內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移。振動特性計算單元配置為通過用于分析軸承裝置的振動模式的 模式分析程序來計算振動特性模型，振動特性模型代表軸承裝置的振動特性。振動波形計 算單元配置為通過對由振動特性計算單元所計算的振動特性模型施加發(fā)生在滾動軸承上 的激勵力的歷史來計算軸承裝置上的預定位置處的振動波形，通過將位移計算單元所計算 的內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移乘W內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的彈黃常數(shù)來獲得激勵力的歷史。
[0029] 優(yōu)選地，通過用于進行滾動軸承的動態(tài)分析的動態(tài)分析程序，位移計算單元計算 在滾動軸承的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)期間由損傷造成的內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移的歷史。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明，滾動軸承狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)包括振動傳感器和判定單元。振動傳感器配 置為測量包括滾動軸承和滾動軸承的殼體的軸承裝置的振動。判定單元配置為當用振動傳 感器測得的振動的大小超出預定闊值時判定滾動軸承有異常。在此，預定的闊值是通過使 用根據(jù)振動分析方法計算出的振動波形而確定的，振動分析方法通過計算機分析軸承裝置 的振動。振動分析方法包括下列步驟:輸入關(guān)于滾動軸承的滾動元件與滾道表面之間的接 觸部分所受到的損傷的形狀的數(shù)據(jù);計算由損傷導致的滾動軸承的內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位 移;通過用于分析軸承裝置的振動模式的模式分析程序來計算振動特性模型，振動特性模 型代表軸承裝置的振動特性；w及通過對振動特性模型應(yīng)用發(fā)生在滾動軸承上的激勵力的 歷史來計算軸承裝置上的振動傳感器的設(shè)置位置處的振動波形，通過將在計算內(nèi)環(huán)與外環(huán) 之間的位移的步驟中所計算的內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移乘W內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的彈黃常數(shù)來 獲得激勵力的歷史。
[0031] 優(yōu)選地，計算內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移的步驟包括下列步驟:通過進行滾動軸承的 動態(tài)分析的動態(tài)分析程序，計算在滾動軸承的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)期間由損傷所造成的內(nèi)環(huán)與外 環(huán)之間的位移的歷史。
[0032] 優(yōu)選地，使用根據(jù)振動分析方法計算出的振動波形來選擇振動傳感器的設(shè)置位 置。計算振動波形的步驟包括下列步驟:通過對振動特性模型應(yīng)用激勵力的歷史來計算軸 承裝置上任意位置處的振動波形。
[0033] 優(yōu)選地，使用振動分析方法對相應(yīng)多個候選位置計算多個振動波形，該多個候選 位置可被設(shè)置為振動傳感器的設(shè)置位置。從多個候選位置中選擇振動的加速度振幅最大的 候選位置，作為振動傳感器的設(shè)置位置。
[0034] 優(yōu)選地，軸承裝置包括設(shè)置于風力發(fā)電設(shè)施的主軸的軸承裝置。對于多個候選位 置中的每個，計算根據(jù)振動分析方法計算的振動的加速度振幅相對于由發(fā)生在主軸上的激 勵力所激勵的軸承裝置的振動的加速度振幅的比率。從多個候選位置中，將比率為最大比 率的候選位置選擇為振動傳感器的設(shè)置位置。
[0035] 優(yōu)選地，軸承裝置包括設(shè)置于風力發(fā)電設(shè)施的變速箱的軸承裝置。對于多個候選 位置中的每個，計算根據(jù)振動分析方法計算出的振動的加速度振幅相對于由發(fā)生在變速箱 的齒輪上的激勵力所激勵的軸承裝置的振動的加速度振幅的比率。從多個候選位置中，將 比率為最大比率的候選位置選擇為振動傳感器的設(shè)置位置。
[0036] 優(yōu)選地，軸承裝置包括設(shè)置于風力發(fā)電設(shè)施的發(fā)電機的軸承裝置。發(fā)電機通過禪 合部連接至風力發(fā)電設(shè)施的變速箱。對于多個候選位置中的每個，計算根據(jù)振動分析方法 計算出的振動的加速度振幅相對于由發(fā)生在禪合部上的激勵力所激勵的軸承裝置的振動 的加速度振幅的比率。從多個候選位置中，將比率為最大比率的候選位置選擇為振動傳感 器的設(shè)置位置。
[0037] 優(yōu)選地，滾動軸承狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)還包括選擇單元，其配置為使用根據(jù)振動分析方 法計算出的振動波形來選擇振動傳感器的設(shè)置位置。
[0038] 優(yōu)選地，預定的闊值是使用當異常發(fā)生在滾動軸承上時預期在振動傳感器的所選 設(shè)置位置處呈現(xiàn)的振動波形來確定的。
[0039] 發(fā)明的有益效果
[0040] 根據(jù)本發(fā)明，輸入關(guān)于軸承的損傷的形狀的數(shù)據(jù)，并且計算由于損傷而發(fā)生在滾 動軸承上的內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的位移。然后，通過將內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的計算位移乘W內(nèi)環(huán)與 外環(huán)之間的彈黃常數(shù)獲得的發(fā)生在滾動軸承上的激勵力的歷史被應(yīng)用到由模式分析程序 所計算的振動裝置的振動特性模型。由此，計算了軸承裝置上的預定位置(設(shè)置振動傳感器 的設(shè)置位置)處的振動波形。W此方式，可通過計算機預測在軸承內(nèi)發(fā)生損傷的情況中的軸 承裝置的振動波形。由此，根據(jù)本發(fā)明，可使用此預測的結(jié)果適當?shù)卮_定由滾動軸承狀態(tài)監(jiān) 視系統(tǒng)用來作出關(guān)于滾動軸承的異常的判定的闊值。
[0041] 此外，根據(jù)本發(fā)明，可使用此預測的結(jié)果W通過軸承裝置狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)容易且適 當?shù)剡x擇在軸承裝置上設(shè)置振動傳感器的設(shè)置位置。
【附圖說明】
[0042] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例通過振動分析方法分析的軸承裝置的模型的 圖。
[0043] 圖2是示出根據(jù)第一實施例的振動分析器的硬件配置中的主要組件的框圖。
[0044] 圖3是功能地示出圖2所示的振動分析器的配置的功能框圖。
[0045] 圖4是示出由圖2所示的振動分析器執(zhí)行的振動分析方法的處理步驟的流程圖。
[0046] 圖5是示意地示出對其采用滾動軸承狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的風力發(fā)電設(shè)施的配置的圖。
[0047] 圖6是功能地示出圖5所示的數(shù)據(jù)處理器的配置的功能框圖。
[0048] 圖7是示出當軸承裝置沒有異常時的軸承裝置的振動波形的圖。
[0049] 圖8是示出當在軸承裝置的滾道上發(fā)生表面粗糖或不充分的潤滑時表現(xiàn)出的軸承 裝置的振動波形的圖。
[0050] 圖9是示出軸承裝置的滾道出現(xiàn)剝落(peeling)