专利名称：预测性滚动轴承维护的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及预测性滚动轴承维护，特别涉及对在如设计用于生产容纳食品的密封包装的包装流水线的填装机或分配设备中使用的以不定可变低速运行并具有(周期性)运动反转的伺服电机中的滚动轴承的面向维护、基于条件的监控。
背景技术：
众所周知，在食品包装厂的生产现场，通常要执行多项特定目标程序，包括导入食品和包装材料存储，食品处理，食品包装和包装入库。特别对于可灌注食品，食品包装在包装流水线进行，其每一个为用于生产和处理包装的机器和设备的组合，并且包括生产密封包装的填装机，紧接着是下游分配设备(例如，蓄力器，吸管敷贴机，薄膜包装机和纸板打包机)的一个或多个限定配置，其通过传送带连接到填装机，用于处理包装。这类包装的典型例子是被称为Tetra Brik As印tic 的用于液体或可灌注食品的平行管状包装，其通过折叠和密封包装材料的层压薄片制得。包装材料具有多层片状结构，实质上包括一个或多个通常由纤维材料，例如纸，或矿物填充的聚丙烯材料制成的硬化和加强基层，两侧覆盖有多个热封塑料材料层，例如，聚乙烯薄膜。对于用于长期保存产品，例如UHT牛奶，的无菌包装，包装材料还包括阻气性和阻光性材料层，例如铝箔或乙基乙烯醇(EVOH)薄膜，其层叠在热封塑料材料层上，并依次被形成最终接触食品的包装的内表面的另一热封塑料材料层覆盖。这类包装在全自动填装机上制造，其中连续的垂直管由卷筒给料包装材料形成， 通过应用例如过氧化氢溶液的化学杀菌药剂对其进行杀菌，而其在杀菌完成后被从包装材料的表面去除，例如，通过加热被蒸发掉；并且已杀菌后的卷材被保存在密闭的无菌的环境中并被折叠和纵向密封以形成垂直管。之后所述管被向下填装已杀菌的或无菌处理后的可灌注食品并沿着垂直路径馈送到形成站，在那里其被包括两对或多对的夹紧装置的夹持系统沿等间隔横截面夹持，其循环并连续地作用于所述管并密封管的包装材料以形成通过横向密封带彼此连接的枕状包装的连续带。枕状包装通过切割相关的密封带彼此分离，并被运送到最终折叠站，在那里它们被机械折叠为最终的(例如大致平行管状的)包装。作为替代方式，包装材料可被切割为坯料，其在形成轴上被形成为包装，而后包装被灌注食品并密封。这类包装的一个例子是被称为Tetra Rex 的所谓的“屋顶”的包装。在这些包装流水线中，多个部件由(电)伺服电机操作，其虽然在很多方面有价值但受到故障的影响，其主要原因之一是由于疲劳或磨损导致的支撑伺服电机的传动轴的滚动轴承的破损。虽然疲劳可以用导致轴承的所谓的LlO等级的标准方式进行统计表征，磨损是更细微的现象，在文献中被称为点蚀或撞击磨损，其产生局部化的损伤，其开始可能在部件的预期寿命内(伪)随机地出现，其后有导致完全破损的相对快速的退化阶段。因此， 对这些部件的周期性替换是可能只能成功预防疲劳相关问题的策略，而这对于磨损相关的问题几乎没有用。其他类型的预防性周期维护行为，例如清洁和上润滑油，对于减少轴承磨损可能有效，因为通常磨损的特征是轴承润滑油的污染物，其反过来破坏轴承的健康。这种污染物可能来自外部(例如轴承被放置在不利的环境中)但也可能由于内部原因引起(例如由于在操作中旋转元件剥落的材料的小碎屑)。然而，最终预防磨损相关破损的唯一方法是对轴承健康状态的基于条件的监控， 这样的维护策略之所以大体上是可能的是因为如下事实，即一旦轴承接近出现问题，其将变得产生噪声并振动，作为即将发生破损的警告标志如果这一标志被及时检测到，其通常将给予操作者数日至数周(取决于轴承以及应用)的时间期限以不影响生产时间而计划维护行为和替换轴承。可以认识到的是振动分析是工业预测性维护项目的重要部分，其使得滚动轴承中的磨损和损伤可在机器失灵前被发现并得到修理，由此减少操作和维护成本。对轴承的振动水平的经验性的估算是容易出现误差的行为，其可导致对于部件的剩余寿命的过大的低估或高估，以及把由于完全不同的原因(例如传动轴的不平衡)引起的噪声误认为轴承损伤的错误。因此，科学界努力提供轴承损坏的科学表征，并且当前可找到关于这一主题的大量文献。基本的思想是将轴承的每种故障模式关联到特有的频率识别标志，其可通过适当的分析从振动信号中提取。具体来说，传统的振动分析基于如下事实，即如果在一个轴承表面存在局部化的损伤则其将在轴承转动时引起一系列冲击；而且，假设伺服电机以恒定速度旋转则冲击是周期性的。实际上，对轴承的运动学分析显示出，假设不出现打滑，该部件与周转齿轮非常相似，也就是说，在伺服电机传动轴和轴承的所有其他移动部分间存在固定的“传送比率”，这引出了振动分析的基础公式
f η 一 kjf^
(1)其显示损伤频率(其为这种冲击的实际频率)fd通过损伤系数kd线性取决于转动频率f；，而损伤系数kd正是伺服电机传动轴和损伤位置处的移动部分之间的传送比率。这些系数在文献中是公知的并且由下式给出
对于保持架损坏
对于外圏损坏
对于内圏损坏
对于滚珠损坏
(2) 其中，Bd, Pd为滚珠和节直径，N为旋转单元的数目，θ为指示作为安装操作结果的内和外圈(或圈)之间可能的不对准的角度(通常值为O至10度)，并且其中下标d通常与损伤频率相关，而下标g，e，i和ν与特定种类的损伤相关，即在内和外圈中，在内和外圈间的角度上平均地相隔的滚珠中，和在容纳滚珠并和滚珠共同(即以相同速度)转动的保持架中。
该现象在振动信号频谱上的影响可利用傅里叶变换的基本性质而被容易地理解: 如果考虑单个冲击，在时域其可表示为具有冲击属性的强制动作d(t)和有限期间T，当 Τ — ο时其接近理想Dirac冲击函数δ (t)；类似地，随着d(t)接近理想冲击情况(其傅里叶变换在所有频率上为常数)该信号的频谱D(f)将由倾向于无穷大的带宽来表征。在实际部件运行中，强制动作u (t)将以原始脉冲d(t)的损伤频率周期性重复
权利要求
1.一种预测滚动轴承(3)中的损坏的方法，所述滚动轴承C3)包括内和外圈(3a，3b) 以及以均勻角度分布其间的滚动体(3c)，所述方法包括处理指示所述内圈(3a)相对于所述外圈(3b)的相对角度位置的位置信号(x(t))，以及指示所述滚动轴承(3)中的与速度相关的振动的振动信号(y(t))，以使得它们对应于或者是等于整数个相邻滚动体(3c)之间的角度间距的所述滚动体(3c)的角度位移或者是整数个所述内圈(3a)相对于所述外圈(3b)的满转；根据处理后的位置信号(i㈦)空间采样处理后的振动信号(>'it))；以及根据空间采样后的振动信号(3^匆)预测所述滚动轴承(3)中的损坏。
2.如权利要求1所述的方法，其中处理所述位置和振动信号(x(t)，y(t))包括从所述位置和振动信号(x(t)，y(t))中去除使得它们不对应于或者是等于所述滚动轴承(3)的整数个相邻滚动体(3c)之间的角度间距的所述滚动体(3c)的角度位移或者是整数个所述内圈(3a)相对于所述外圈(3b)的满转的其中那些部分；以及相继地合并所述位置和振动信号(x(t)，y(t))的剩余部分。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，当周期性地操作所述滚动轴承(3)而不反转所述内圈(3a)相对于所述外圈(3b)的相对转动方向时，处理所述位置和振动信号(x(t)， y(t))包括处理所述位置和振动信号(x(t)，y(t))以使得它们在每一运行周期对应于或者是等于整数个相邻滚动体(3c)之间的角度间距的所述滚动体(3c)的角度位移或者是整数个所述内圈(3a)相对于所述外圈(3b)的满转。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中当操作所述滚动轴承(3)以周期性地反转所述内圈(3a)相对于所述外圈(3b)的相对转动方向时，处理所述位置和振动信号(x(t)，y(t)) 包括处理所述位置和振动信号(x(t)，y(t))以使得它们在每一运行周期对应于或者是等于整数个相邻滚动体(3c)之间的角度间距的所述滚动体(3c)的角度位移或者是整数个所述内圈(3a)相对于所述外圈(3b)的满转；以及处理空间采样后的振动信号(歹㈦)以使得其对应于所述内圈(3a)相对于所述外圈 (3b)在一个以及相同方向上并以恒定速度进行的连续旋转。
5.如权利要求4所述的方法，其中处理空间采样后的振动信号(？怂)包括 空间采样处理后的位置信号(X(t>),从而产生带有具备上升和下降斜坡的大体上为三角形的时间演变的空间采样后的位置信号( (t))；以及反转所述空间采样后的振动信号(歹尚)中对应于所述空间采样后的位置信号(叉m 中的所述上升或下降斜面的那些部分。
6.如在前任一权利要求所述的方法，其中处理所述位置和振动信号(x(t)，y(t))还包括根据所述位置信号(x(t))计算所述滚动体(3c)相对于所述内和外圈(3a，3b)中选定的一个的相对角度位移，以使得其等于整数个相邻滚动体(3c)之间的角度间距；根据计算出的所述滚动体(3c)的相对角度位移处理所述振动信号(x(t)，yf(t))。
7.如在前任一权利要求所述的方法，其中空间采样包括空间不变采样。
8.如在前任一权利要求所述的方法，其中预测所述滚动轴承(3)中的损坏包括快速傅里叶变换所述空间采样后的振动信号(y(t))以产生所述空间采样后的振动信号(P1㈦)的频谱；以及搜索所述损坏的频率识别标志特性。
9.如在前任一权利要求所述的方法，还包括 选择所述内和外圈(3a，3b)中的一个；以及执行在前任一权利要求所述的方法以针对选定的圈(3a，:3b)中的缺陷测试所述滚动轴承(3)。
10.如在前任一权利要求所述的方法，其中处理所述位置和振动信号(x(t)，y(t))包括时采样所述位置和振动信号(X (t)，y (t))。
11.如在前任一权利要求所述的方法，其中处理所述位置和振动信号(x(t)，y(t))包括对所述振动信号(y(t))进行带通滤波并执行包络分析。
12.—种数字信号处理系统(8)，其被编程以执行根据在前任一权利要求所述的方法。
13.一种软件程序，可载入数字信号处理系统(8)并被设计为在被运行时执行根据权利要求1-12中任一项所述的方法。
全文摘要
一种预测滚动轴承中损坏的方法，所述滚动轴承包括内和外圈以及以均匀角度分布其间的滚动体，所述方法包括(在DSP系统8中)处理指示相对于所述外圈的所述内圈的相对角度位置的位置信号(x(t))，以及指示滚动轴承中速度相关的振动的振动信号(y(t))(通过加速度测量计7)，以使得它们对应于等于整数个相邻滚动体之间的角度间距的所述滚动体的角度位移或整数个所述内圈相对于所述外圈的满转；根据处理后的位置信号(x(t))(在A/D获取板9中)空间采样所述处理后的振动信号(y(t))；以及根据所述空间采样后的振动信号(y(t))预测所述滚动轴承中的损坏。
文档编号G01M13/04GK102341687SQ201080010966
公开日2012年2月1日 申请日期2010年3月5日 优先权日2009年3月5日
发明者C·塞奇, D·博吉, L·巴西, M·科康塞利, R·鲁比尼 申请人:利乐拉瓦尔集团及财务有限公司