СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО РАСПОЗНАВАНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ В ПОДШИПНИКЕ Российский патент 2015 года по МПК G01M13/04 G01R31/34 H02K15/00 

Область техники

В электрических машинах могут возникать электрические токи в подшипниках (токи подшипников), которые могут существенным образом снизить срок службы этих подшипников. Токи подшипников - это электрические токи, которые возникают в подшипниках качения или скольжения электрических машин.

Они вызываются электрическими напряжениями (напряжениями подшипников), которые возникают на основе электрических или магнитных полей рассеяния внутри машины или паразитных токов, которые, поступая извне, протекают через машину. Как только прикладывается напряжение подшипника выше напряжения пробоя смазочной пленки, происходит протекание тока.

Негативными воздействиями токов подшипников являются, например:

- сгорание консистентной смазки (сокращение остаточной смазывающей способности),

- кратерообразование в дорожке качения и телах качения, и

- в крайнем случае образование рифлей в дорожках качения.

Рифли ориентированы поперек дорожки качения.

Эти токи подшипников представляют собой явление, известное уже десятки лет, и приводят к существенным затратам у пользователей и к высоким гарантийным расходам у изготовителей. Поэтому существует значительный интерес к способу измерения или к сенсорам, которые могут измерять токи подшипников и оценивать их содержательным образом.

Уровень техники

Токи подшипников в электрических машинах, особенно при работе с силовой электроникой, могут многократно снизить срок службы подшипников двигателя. Согласно современному уровню техники, подшипники, поврежденные из-за электрических токов подшипников, выявляются и заменяются только при явно выраженных явлениях, например, из-за возникновения шума или выгорания консистентной смазки подшипников. Это часто приводит к простоям установок, что вызывает высокие затраты.

Поэтому большой проблемой при работе подшипника является распознать предполагаемый момент времени отказа и, тем самым, оптимальный момент времени смены подшипника. Слишком раннее реагирование означает ненужные высокие затраты на техническое обслуживание, а при слишком позднем реагировании пользователь имеет издержки, связанные с простаиванием установки.

Диагностика причины и оценивание решений происходят в настоящее время на основе кратковременных измерений тока подшипника или анализа колебаний. Содержательность этих измерений ограничена рассмотрением отдельных измерений промежутка времени, типично ограниченного по времени несколькими сутками, и к тому же еще различными специалистами. Изменения в факторах влияния, например в системе заземления или неисправности в системе заземления, которые возникают до или после измерений, тем самым, например, не могут устанавливаться.

Современные испытательные стенды для испытания токов подшипников, ввиду фокусировки на электрических параметрах или на анализе колебаний, едва ли позволяют получить знания для предотвращения повреждений из-за токов подшипников. То же самое справедливо также при измерениях в полевых условиях. Взаимосвязь между электрическим измерением и измерением колебаний, ввиду отсутствия записи временных меток, невозможна. Из-за различных измерительных систем вызываются временные различия.

Решения проблем, связанных с токами подшипников и обусловленными этим повреждениями подшипников, часто связаны со значительными затратами и могут быть оценены лишь с трудом в том отношении, будут ли они достаточны. Связанные с высокими затратами меры в прошлом, отчасти, все же не приводили к желаемой цели.

Задачей настоящего изобретения является предложить решение вышеуказанных проблем. Необходимо создать способ измерения и устройство, которые обеспечивают возможность лучшей оценки токов подшипников в отношении потенциального повреждения соответствующего подшипника. Кроме того, должны быть созданы способ и устройство, которые пригодны для анализа причины, вызывающей повреждение тока подшипника.

Представление изобретения

Эта задача решается способом согласно пункту 1 формулы изобретения. Способ для заблаговременного распознавания возникновения повреждений в подшипнике, вызванных протеканием тока подшипника, содержит следующие этапы:

формирование оценки на основе по меньшей мере одного долговременного измерения по меньшей мере одного измеряемого параметра, характерного для возникновения токов подшипника во время работы подшипника в зависимости от амплитуды тока подшипника, и формирование отображения результатов измерений на основе оценки и оценивание отображения на основе распознавания образов.

Указанная задача также решается согласно пункту 13 формулы изобретения посредством устройства.

Устройство для заблаговременного распознавания возникновения повреждений в подшипнике, вызванных протеканием тока подшипника, содержит средства для оценки по меньшей мере одного долговременного измерения по меньшей мере одного измеряемого параметра, характерного для возникновения токов подшипника, во время работы подшипника в зависимости от амплитуды тока подшипников, и средства для формирования отображения результатов измерений на основе оценки и средства для оценивания отображения посредством распознавания образов.

Другие предпочтительные выполнения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В первой форме выполнения проводятся измерения на испытательном стенде для тока подшипника:

Причина токов подшипника определяется посредством долговременных измерений тока подшипника на испытательном стенде, время измерения при этом по меньшей мере больше, чем 1 мс, но также речь может идти об измерениях на интервале времени в несколько суток.

- подшипник двигателя определенным образом электрически и механически нагружается,

- наряду с электрической нагрузкой (ток и напряжение подшипника), также механическая нагрузка и другие параметры, такие как распределение нагрузки и длительность времени или частотный диапазон искровых разрядов регистрируются координированным образом по времени, в подшипнике (роликовый подшипник, шарикоподшипник, подшипник качения, подшипник скольжения), например, состояние консистентной смазки подшипника, механические колебания, температура,

- выполняются измерения в течение длительного интервала времени (>1 часа, в типовом случае несколько суток),

- исследования осуществляются автоматически и с временной привязкой между собой.

Целью является выработать взаимосвязь между методами измерений и посредством комбинации и математической взаимосвязи этих различных физических измеренных значений повысить надежность анализа повреждений.

В другой форме выполнения выполняется измерение на установке непосредственно на месте:

Посредством сенсора тока подшипника, который в онлайновом режиме в процессе функционирования непрерывно контролирует токи подшипника и в предпочтительном выполнении также протоколирует выбранные рабочие параметры, которые определяются техническими средствами измерений или посредством управляющего устройства, генерируется следующий многозначный результат:

- Релевантный для токов подшипника дефект в системе заземления своевременно распознается, прежде чем возникнет повреждение. За счет измерения колебаний подшипника может надежно прогнозироваться грозящее повреждение, и мероприятия по ремонту могут выполняться в момент времени, приемлемый по оптимальным затратам для потребителя.

Необходимость для введения или контроля изоляции подшипника может также распознаваться. Также измерение тока и напряжения подшипника, а также характеристики заземления приводит к распознаванию неисправности. Примерами такого дефекта являются изношенные щетки заземления или неисправный элемент фильтра.

Релевантный для тока подшипника дефект в системе заземления или наносящее ущерб с точки зрения тока подшипника изменение в системе заземления распознается заблаговременно, прежде чем наступит повреждение. Грозящее повреждение может тогда прогнозироваться, и мероприятия по ремонту могут выполняться в момент времени, приемлемый для потребителя.

На основании рабочих параметров и повреждения подшипников, могут распознаваться неблагоприятные группы типов подшипников и параметров подшипников, механической и электрической нагрузки и исключаться для последующих проектов.

Посредством специальной оценки представления в форме гистограмм (в качестве альтернативы, также столбиковых диаграмм) могут проводиться различия между типами токов подшипников. Знание типов токов подшипников обеспечивает возможность целенаправленного, экономичного устранения недостатков.

Описание предпочтительных форм выполнения

Испытательный стенд для токов подшипников:

Посредством перехода от кратковременных измерений к долговременным измерениям (например, посредством способа измерений, описанного в публикации DE 10 2005 027 670) и посредством комбинации с измерением механических параметров, преодолевается недостаточность нынешнего фокусирования на главных электрических параметрах и относительно малое количество рабочих состояний. Проблема выполнявшихся до настоящего времени измерений состоит в низкой содержательности измерений токов подшипников в отношении грозящего повреждения подшипников. За счет расширенного метода измерений, в котором коррелируются друг с другом различные физические измеряемые параметры, обеспечивается повышенная содержательность измерений. Посредством нового способа взаимосвязи могут теперь распознаваться однозначным образом и надежно оцениваться математическими методами. Так, посредством автоматизированных оценок, могут предотвращаться повреждения на машинах.

Измерение на установках непосредственно на месте, например, в рамках мониторинга состояния:

- За счет онлайнового анализа непосредственно на месте с использованием новой технологии распознаются изменения в системе заземления или дефектные компоненты системы заземления, которые могут негативно влиять на токи подшипников. Согласно нынешним способам, эти факторы были бы замечены только при возникшем повреждении подшипников за счет появления шума или выхода из строя. С помощью нового метода измерений обеспечивается получение надежного свидетельства, которое, например, прогнозирует отказ, например, двигателя, и в системе мониторинга состояния оценивает таким образом, что мероприятия по ремонту могут планироваться в циклах технического обслуживания. Также могут проводиться анализы трендов, которые обеспечивают возможность распознавания ухудшения системы за срок службы и, тем самым, обеспечивают возможность вычисления потенциальных моментов времени отказа. Это оказывает позитивное воздействие на затраты и на готовность установки.

Специальная оценка:

Посредством гистограмм измеренных токов подшипников могут различаться типы токов подшипников: EDM (электроэрозионные магнитные), круговые токи, токи от ротора к заземлению. При этом осуществляется оценка при знании типичного распределения на гистограммах для различных типов токов подшипников.

Как испытательный стенд для токов подшипников, так и онлайновая диагностика, основываются на том, что сенсор тока подшипника или сенсор напряжения подшипника постоянным образом устанавливается на двигателе. Другие сенсоры для регистрации других электрических или неэлектрических параметров, например колебаний, также возможны.

В режиме инвертора, например, часто применяются сенсоры тока и/или напряжения для фаз двигателя и иногда температурные сенсоры в обмотке двигателя.

В испытательном стенде для тока подшипника могут также предоставляться или выбираться механические параметры, такие как нагрузка и распределение нагрузки. В управлении двигателем могут использоваться число оборотов, вращающий момент и другие параметры. Эти измеренные значения учитываются при оценке тока подшипника.

Средство оценки тока подшипника может выполняться как независимый компонент, или интегрироваться в средство управления двигателем.

Также без управления двигателем - например, при работе без преобразователя частоты - может выполняться измерение по вышеописанному принципу. В этом случае блок оценки тока подшипника осуществляет связь непосредственно с пользовательским интерфейсом. Пользовательский интерфейс может также быть встроен в блок оценки.

Если токи подшипников при пуске в эксплуатацию с учетом других механических или иных параметров лежат ниже определенного порога, то пуск в эксплуатацию в «аспекте токов подшипников» проведен успешным образом. Об этом осуществляется указание для пользователя. Это указание на пользовательском интерфейсе может активироваться косвенно через средство управления двигателем или прямо блоком оценки токов подшипников. При превышении порога пользователь может оповещаться, так что может осуществляться устранение неисправности.

Дистанционная диагностика также может интегрироваться в данную концепцию. Для этого данные должны передаваться по радиосвязи, по проводному, стекловолоконному или иному коммуникационному каналу. В особенно предпочтительном выполнении пользователь может изменить тип оценки посредством управляющих команд, чтобы детализировать анализ. Сюда относятся, например, переключение диапазона измерений, переключение фильтра измерений, число измерений в секунду, изменение параметра оценки, такого как ширина интервала гистограммы при статистической оценке. Показание не должно ограничиваться решением «да/нет». Могут также применяться многоступенчатые решения, вплоть до графических статистических оценок.

Краткое описание чертежей

Изобретение описывается ниже на примерах выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

Фиг.1 - гистограмма измеренных значений подшипника с круговыми токами подшипников,

Фиг.2 - гистограмма измеренных значений подшипника с EDM (электроразрядными магнитными) токами подшипников,

Фиг.3 - диаграмма способа диагностики двигателя посредством измерения тока подшипника.

На фиг.1 и 2 представлены описанные выше оценки с использованием гистограмм. Количественная характеристика токов подшипников в единицу времени визуализируется для определенных интервалов амплитуд тока подшипника. На фиг.1 возникают, например, 450 токов подшипников в секунду с амплитудами в диапазоне от 1,0 А до 1,2 А.

Круговые токи подшипников демонстрируют гистограмму согласно фиг.1, которая после достигнутой максимальной частотности в интервале (здесь 1,0-1,2 А) сильно спадает.

EDM-токи подшипников (в частности, искровой эрозии) демонстрируют, напротив, большее рассеяние к большим амплитудам тока, как это, например, представлено на фиг.2.

Амплитуды измеренных токов подшипников показывают для EDM-токов подшипников заметно большее рассеяние в сторону больших амплитуд тока, чем для круговых токов подшипников. При этом посредством подходящей предварительной обработки измеренных данных посредством длительности времени событий учитываются только токи подшипников с искрообразованием. Они могут, например, распознаваться за счет того, что оцениваются только события, которые являются более быстродействующими, чем 20 нс. Могут применяться известные меры устранения недостатков, в зависимости от результатов измерений. Так с помощью диаграммы можно не только заранее предсказать грозящее повреждение, но и также можно исследовать поведение подшипника относительно возможных неисправностей, которые затем могут быть устранены, например, отсутствующая или дефектная изоляция в подшипнике.

Типичными средствами устранения неисправностей являются изменения концепции заземления, например, за счет изменения контактирования с экраном, за счет размещения дополнительного компенсатора потенциала в системе заземления, изменения длины проводников, использования изолированных подшипников двигателя и щеток заземления валов, которые электрически шунтируют подшипник двигателя. Встраивание в генераторы также может выполняться. И здесь возникают частично токи подшипников, которые могут снижать срок службы подшипников или сокращать интервалы технического обслуживания. Способ ведет себя в этом случае аналогичным образом.

Фиг.3 показывает общее представление соответствующего изобретению способа с его используемыми компонентами. Блок 1 оценки токов подшипников контролирует рабочее состояние (21) блока управления двигателем и, при необходимости, сообщает (22) о нем назад, на блок управления двигателем. Блок 2 управления двигателем сам управляет и регулирует (31) двигатель 3 с соответствующими подшипниками и соответствующими сенсорами. При этом сенсоры могут сообщать (11) параметры (32) двигателя на блок управления двигателем и измеренные параметры согласно соответствующему изобретению способу (токи подшипников, напряжения подшипников и другие измеренные параметры) на блок оценки токов подшипников. Кроме того, может быть предусмотрен пользовательский интерфейс 4, на который поступают данные как от блока 2 управления двигателем, так и от блока 1 оценки токов подшипников. Пользователь может отсюда посредством управляющих команд 42, 52 управлять двигателем и блоком оценки согласно потребности.

Наряду с фазой ввода в эксплуатацию, также предпочтительным является применение способа для вывода оценок и предельных значений или порогов (испытательный стенд для токов подшипников и знания из экспериментальных данных о токах подшипников, рабочих состояниях и, при обстоятельствах, о повреждениях).

Посредством оценок трендов могут обнаруживаться изменения в ходе эксплуатации установки.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических машинах. Технический результат - повышение точности оценки токов подшипников в отношении потенциального повреждения соответствующего подшипника. В системе и способе заблаговременного распознавания повреждения в подшипнике обеспечивается анализ причины, вызывающей повреждение тока подшипника. Для заблаговременного распознавания возникновения повреждений в подшипнике, вызванных протеканием тока подшипника, осуществляются следующие этапы: формирование оценки на основе по меньшей мере одного долговременного измерения по меньшей мере одного измеряемого параметра, характерного для возникновения токов подшипника во время работы подшипника в зависимости от амплитуды тока подшипника, и формирование отображения результатов измерений на основе оценки и оценивание отображения на основе распознавания образов. Предложено также устройство для осуществления способа. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ для заблаговременного распознавания возникновения повреждений в подшипнике, вызванных протеканием тока подшипника, причем
формируют оценку (22, 51) на основе по меньшей мере одного долговременного измерения по меньшей мере одного измеряемого параметра, характерного для возникновения токов подшипника, во время работы (21) подшипника в зависимости от амплитуды тока подшипника, и
формируют представление результатов измерений на основе оценки,
отличающийся тем, что
представление является гистограммой, которая на каждый интервал амплитуд тока подшипника индицирует количество токов подшипника на интервал времени, и оценивают представление посредством сравнения образов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряемым параметром является параметр, характерный для времени и амплитуды разряда, в частности, одно из следующего: амплитуда тока подшипника или напряжение подшипника, или крутизна напряжения подшипника, или косвенный параметр, такой как электрическое или электромагнитное поле.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что долговременное измерение подшипника выполняется на испытательном стенде под нагрузкой.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что долговременное измерение подшипника выполняется в установке.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что представление является графическим представлением.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сенсор тока подшипника и/или напряжения подшипника долговременно устанавливается на двигателе.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обнаружение причины потенциального повреждения на подшипнике осуществляется посредством распознавания характерного образа в представлении оценки.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обнаружение причины осуществляется посредством распознавания изменения образа в представлении в течение долговременного измерения, особенно в форме анализа тренда.

9. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что имеются другие сенсоры для регистрации других измеряемых параметров, в частности, по меньшей мере одного из следующих параметров: колебаний, температуры, клеммного напряжения в двигателе, состояния консистентной смазки, тока двигателя или параметров инвертора.

10. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что обнаружение возможных повреждений выполняется при пуске в эксплуатацию подшипника.

11. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что измеренные данные опрашиваются посредством дистанционного опроса.

12. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что пользователь может изменять тип оценки посредством управляющих команд, в частности, изменениями в диапазоне измерений, фильтре измерений, частоте измерений, параметре оценки и ширине интервалов гистограммы.

13. Устройство для заблаговременного распознавания возникновения повреждений в подшипнике, вызванных протеканием тока подшипника, содержащее
средство для оценки (1) по меньшей мере одного долговременного измерения измеряемого параметра, характерного для возникновения токов подшипника, во время работы подшипника в зависимости от амплитуды тока подшипника, и средство для формирования представления результатов измерений на основе оценки, отличающееся тем, что представление является гистограммой, которая на каждый интервал амплитуд тока подшипника индицирует количество токов подшипника на интервал времени, и что содержит средство для оценки представления посредством сравнения образов.

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что измеряемым параметром является параметр, характерный для времени и амплитуды разряда, в частности, одно из следующего: амплитуда тока подшипника, или напряжение подшипника, или крутизна напряжения подшипника, или другой косвенный параметр, такой как электрическое или электромагнитное поле.

15. Устройство по п. 13 или 14, отличающееся тем, что долговременное измерение выполняется на испытательном стенде.

16. Устройство по п. 13 или 14, отличающееся тем, что долговременное измерение подшипника выполняется в установке.

17. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что представление является графическим представлением.

18. Устройство по п. 13, отличающееся по меньшей мере одним сенсором тока подшипника и/или напряжения подшипника на двигателе.

19. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что содержит средство для обнаружения причины потенциального повреждения посредством распознавания характерного образа в представлении оценки.

20. Устройство по п. 13 или 14, отличающееся посредством других сенсоров для регистрации других измеряемых параметров, в частности, колебаний, температуры, клеммного напряжения в двигателе, состояния консистентной смазки, тока двигателя или параметров инвертора.

21. Устройство по п. 13 или 14, отличающееся тем, что содержит дополнительное средство для дистанционного опроса измеряемых параметров, характерных для появления токов подшипников.

22. Устройство по п. 13 или 14, отличающееся тем, что содержит средство для изменения типа оценки посредством управляющих команд для управления, в частности, изменениями в диапазоне измерений, фильтре измерений, частоте измерений, параметре оценки и ширине интервалов гистограммы.