NL1024372C2

NL1024372C2 - Werkwijze en sensoropstelling voor belastingmeting op een lager met rollend element gebaseerd op modale vervorming.

Info

Publication number: NL1024372C2
Application number: NL1024372A
Authority: NL
Inventors: Hendrik Anne Mol
Original assignee: Skf Ab
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-03-29
Also published as: CN100430706C; EP1668332B1; KR20060066117A; BRPI0414710B1; DE602004005227T2; US20070143039A1; ATE356346T1; WO2005040745A1; EP1668332A1; BRPI0414710A; KR101107959B1; DE602004005227D1; US7389701B2; ES2281012T3; CN1856699A

Description

t t

Werkwijze en sensoropstelling voor belastingmetine op een laser met rollend element gebaseerd op modale vervorming 5 Gebied van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op belastingmetingen op lagers met rollende elementen, zoals kogellagers of vollagers. Meer in het bijzonder heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een werkwijze en sensoropstelling voor het bepa-10 len van een belastingssector die werkt op een lager met rollende elementen, omvattende het meten van verplaatsing en/of spanning met gebruik van N sensoren voor het bepalen van verplaatsing en/of spanning in een ringvormig element van het lager met rollende elementen.

15 Stand van de techniek

Een dergelijke belastjngmeetwerkwijze en sensoropstelling zijn bijvoorbeeld bekend uit Amerikaans octrooi US-A-5.140.849 dat een lager met rollende elementen met een sensoreenheid beschrijft De sensoreenheid omvat twee sensorelemen-20 ten in de vorm van rekstrookjes, die effectief een aantal prestatiekarakteristiéken van het lager meten, inclusief de aangelegde belasting, rotatiesnelheid en versnelling.

Deze bekende sensoropstelling is echter niet in staat om de totale belastings-sector die wordt toegepast op het lager te meten. Vooraannames worden gemaakt gebaseerd op de lagerconfiguratie (meestal empirisch) met betrekking tot hoe de belasting 25 op het lager wordt opgenomen door de twee sensorelementen, en derhalve hoe de belasting op het lager bepaald kan worden uit de sensorelementsignalen. Tevens is door de niet-lineaire aard van een lager een relatief recht-toe-recht-aan vibratiemeetwerkwij-ze met gebruik van de kogelpasseerfrequentie niet voldoende om de belasting op de lager in een algemene zin te bepalen.

1024372 I Η

Η I

I 2 I

I Samenvatting van de uitvinding I

I De onderhavige uitvinding tracht een verbeterde werkwijze en sensorop- I

I stelling te verschaffen voor het bepalen van de belasting op een rollager, dat in staat is I

I 5 om de gehele belastingssector op een lager te bepalen, dat wil zeggen drie orthogonale I

I krachtcomponenten en twee momenten (waarbij het moment rond de rotatie-as van de I

I lager niet van belang is). I

I Volgens een eerste aspect van de uitvinding wordt een werkwijze verschaft I

I volgens de hierboven beschreven aanhef waarbij de werkwijze verder omvat het bepa- I

I 10 len van een vervorming van het element door het berekenen van de amplitude en fase I

I van N/2 Fourier termen die ten minste een radiale modusvorm van het ringvormige I

I element representeren, en het toevoeren van de N/2 Fourier termen aan een neuraal I

I netwerk voor een lager waarbij het neuraal netwerk voor het lager is getraind om de I

I belastingssector op het rollend elementlager te verschaffen uit de N/2 Fourier termen. I

I 15 Het lagerelement waarvan een vervorming wordt gemeten met gebruik van de sensors I

I kan de binnen- of buitenring zijn of zelfs één van de rolelementen. I

I Deze werkwijze heeft het voordeel dat het mogelijk is om de belastingssec- I

I tor in alle orthogonale dimensies te bepalen op alle posities van het rolelement- I

I lagercomponent door gebruik van metingen van de componentvervorming. Er is ge- I

I 20 vonden dat het mogelijk is om een neuraal netwerk te trainen om de belastingssector als I

I uitvoerresultaat te verschaffen met gebruik van de berekende modusvormcoëfficiënt en I

I als invoer, waarbij de verhouding tussen de invoersignalen of data en een uitvoerresul- I

I taat een niet-lineaire verhouding is. I

I In een verdere uitvoeringsvorm omvat het rolelementlager twee rijen van I

I 25 coaxiale lagers, waarbij het ringvormige element van het rolelementlager de lagerhui- I

I tenring van één van de twee rijen van coaxiale lagers is. Er is gevonden dat met gebruik I

I van slechts metingen van één enkele rij het mogelijk is om de belastingssector op het I

I lagersamenstel als geheel te verkrijgen. I

I 30 De N sensoren kunnen spanningsensoren omvatten in een verdere uitvoeringsvorm en I

I de ten minste ene radiale modusvorm omvat een modusvorm van orde nul en één of I

I meer modusvormen van orde twee of hoger. Met gebruik van spanningsensoren, kan I

I verplaatsing (nulde orde modusvorm) van het lagerelement niet gemeten worden maar I

I 1024372 3 met gebruik van de onderhavige werkwijze is het nog steeds mogelijk om een belas-tmgssectorresultaat met voldoende nauwkeurigheid te verkrijgen.

In een nog verdere uitvoeringsvorm omvatten de N sensoren verplaatsings-sensoren en omvat de ten minste ene radiale modusvorm één of meer modusvormen 5 van orde nul en hoger. Met gebruik van verplaatsingssensoren kan meetdata verkregen worden die betrekking heeft op alle modusvormen die samen de lagerelementvervor-ming vormen, hetgeen een hogere nauwkeurigheid van de resulterende belastingssector oplevert.

Om de meetresultaatkwaliteit verder te verbeteren worden N/2 Chebyshev 10 polynoomcoëfficiënten bepaald uit de sensorsignalen die ten minste één axiale modusvorm van het ringvormige element representeren.

In een verdere uitvoeringsvorm is het neuraal netwerk voor een lager getraind met gebruik van een veelvoud van datasets, waarbij elke dataset een vooraf bepaalde belastingssector op één specifiek type rolelementlager en bijbehorende meetdata 15 van de N sensoren omvat.

In een verder aspect heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een sen-soropstelling voor het bepalen van een belastingssector die werkt op een rolelementlager in bedrijf, waarbij de sensoropstelling een veelvoud van N sensoren omvat voor het meten van verplaatsing en/of spanning voor het bepalen van verplaatsing en/of span-20 ning in één van de elementen van het rolelementlager, een modusvormcoëfficiënten berekenorgaan, verbonden met het veelvoud van N sensoren voor het bepalen van een vervorming van het element door het berekenen van de amplitude en fase van N/2 Fou-rier termen die ten minste één radiale modusvorm van het ringvormige element representeren, en een neuraal netwerk voor een lager dat verbonden is met de modusvorm 25 coëfïïciëntenberekeningsorgaan, waarbij het neuraal netwerk voor het lager getramd is om de belastingssector te verschaffen op het rolelementlager uit de N/2 Fourier termen. Deze sensoropstelling verschaft voordelen die vergelijkbaar zijn met de voordelen die hierboven zijn besproken met betrekking tot de onderhavige werkwijze. Uitvoeringsvormen van de onderhavige sensoropstelling zijn beschreven in de afhankelijke sensor-30 opstelling conclusies.

1024372

I I

I 4 I

I Korte beschrijving van de tekeningen I

I De onderhavige uitvinding zal nu in verder detail besproken worden met I

I gebruik van een aantal voorbeelduitvoeringsvormen, met verwijzing naar de bijgevoer- I

I 5 de tekeningen waarin I

I Figuur 1 een doorsnee-aanzicht toont van een rolelementlager dat voorzien is van een I

I aantal van plaatsingsensoren; I

I Figuur 2 een doorsnee-aanzicht toont van het rolelementlager van figuur 1 langs de lijn I

I Π-Π; en I

I 10 Figuur 3 een blokdiagram toont van de sensoropstelling volgens een uitvoeringsvorm I

I van de onderhavige uitvinding. I

I Gedetailleerde beschrijving van voorbeeldnitvoeringsvormen I

I 15 In figuur 1 is een doorsnee-aanzicht getoond van een rolelementlager 1, bijvoorbeeld I

I een kogellager of een rollager. Het lager met rolelement 1 omvat een buitenring 5, een I

I binnenring 6 en een aantal rolelementen 7, zoals kogels of rollen (het aantal rolelemen- I

I ten 7 in de tekening is gelijk aan 8). De buitenring 5 van het rolelement met lager met I

I rolelementen 1 wordt vastgehouden in een sensorhouder 2 die de vaste wereld vormt I

I 20 voor het rolelementlager 1. Inde sensorhouder 2 zijn acht sensors 8 verschaft op loca- I

I ties die gericht zijn naar de lagerbuitenring 5 met een (hoek-) afstand die overeenkomt I

I met de hoekafstand van de rolelementen 7 van het lager 1. De sensoren 8 kunnen bij- I

I voorbeeld verplaatsingssensoren of vibratiesensoren zijn, als zodanig bekend aan de I

I deskundigen. I

I 25 Zoals getoond in de doorsnee-aanzichten van figuur 2 is de lagerbuitenring I

I 5 voorzien van een verdiepingen 3 aan zijn buitenomtrek. De buitenoppervlakken van I

I het lagerbuitenring 5 zijn in nauw contact met de sensorhouder 2. De sensoren 8 kun- I

I nen dus elke vervorming van het oppervlak van de verdieping 3 van de buitenring 5 I

I bewaken als gevolg van de rolelementen 7 die langskomen en de krachtsector die wordt I

I 30 toegepast op het lager 1. I

I Voor een deskundige zal het duidelijk zijn dat de verdieping aan de omtrek I

I 3 tevens voorzien kan zijn in de sensorhouder 2, zodat een (lokale) vervorming van het I

I buitenoppervlak van de lagerbuitenring 5 mogelijk is. Het zal ook duidelijk zijn voor I

I 1024372 I

5 een deskundige dat het mogelijk is om sensoren 8 te gebruiken die het binnenoppervlak van het lagerbinnenring 6 bewaken en dat de lagerbinnenring 6 (of de ondersteunende binnenringhouder analoog aan de sensorhouder 2) voorzien kan zijn van een verdieping 3 in de omtrek.

5 In figuur 1 is tevens een x-as en een y-as aangegeven, waarbij een z-as wordt gedefinieerd als zijnde orthogonaal op zowel de x-as als y-as (en uitsteekt loodrecht op het oppervlak van de tekening). Verder kunnen twee rotatie-assen worden gedefinieerd, bijvoorbeeld rotatieassen rond de x- respectievelijk y-as. In het algemeen wordt het lager met rolelementen tijdens bedrijf onderworpen aan een belastingssector 10 ƒ omvattende drie krachtelementen in de x-, y- respectievelijk z-richting, en twee mo-mentelementen rond de x- respectievelijk y-as.

Lagers worden meer en meer gemaakt in de vorm van eenheden die twee rijen lagers bevatten die kunnen omgaan met een combinatie van axiale krachten, radiale krachten en buigmomenten. Een voorbeeld van een dergelijke lagereenheid 10 met 15 twee rijen lagers 1, Γ is getoond in figuur 3. Dergelijke eenheden 10 kunnen worden gebruikt als het wiellager van een moderne auto, die bestaat uit een flens of balk om de lagereenheid 10 aan de structuur te bevestigen en een roterend gedeelte dat verbonden is met het wiel.

In het algemeen kan een belasting op een lagereenheid 10 krachten omvat-20 ten in drie richtingen alsmede momenten over de drie assen. De krachten en momenten op het lagereenheid 10 leiden tot voornamelijk radiaal en axiale krachten op de individuele lager rijen 1, Γ in de eenheid 10. De buitenring 5 van de eenheid 10 reageert op de krachten op de rijen 1,1 ’ door elastisch te Vervormen.

Principieel voor de onderhavige uitvinding is het begrip dat elk mechanisch 25 object zoals de lagerbinnen- of buitenring 5, 6 of tevens de rolelementen 7 alleen kunnen worden vervormd volgens natuurlijke modusvormen. Volgens de componentmo-dussynthesis (CMS) techniek kunnen de natuurlijke modusvormen beschreven worden met gebruik van een specifieke set vergelijkingen, zoals bijvoorbeeld beschreven in J.A. Wensing, ‘On the dynamics of ball hearings’, ISBN 90-36512298, welke hierin 30 door verwijzing is opgenomen.

Vervorming van buitenring 5 is de som van opgedrongen modi (modusvormen) van de eenheid 10 en het is bekend dat deze kunnen worden beschreven met polynoomfunc-ties. De vervorming wordt in een uitvoeringsvorm beschreven met Fourier series voor 10243 72 Η

I 6 I

I de omtreksrichting en bijvoorbeeld Chebyshev polynomen voor de richting parallel aan I

I de as van rotatie van de lagereenheid 10. I

I Het is niet strikt noodzakelijk om de modusvormen in axiale richting te be- I

I palen. Er is gevonden dat informatie over de omtreksrichtingen op één rij 1, F van een I

I 5 dergelijke lagereenheid 10 voldoende is. Echter, er is gevonden dat met gebruik van I

I metingen met betrekking tot de axiale modusvormen het mogelijk is de contacthoek I

I van de belasting te bepalen. I

I De Fourier termen in omtreksrichting worden gemeten door gebruik van I

I een voldoende aantal sensoren 8 die de verplaatsing en/of spanning meten. Merk op dat I

I 10 spanningsmeting modi 0 (“ademmodus”), 2 (ovale vervorming), 3 (driehoekige ver- I

I vorming) enzovoorts kan bepalen maar niet modus 1 (stijve-lichaamsbeweging). Ver- I

I plaatsingmeting kan de radiale modusvormen bepalen inclusief de stij ve-lichaammodus I

I die de relatieve verplaatsing van binnenring 6 ten opzichte van buitenring 5 bepaald op I

I regelmatig gespateerde locaties. Met N sensoren 8 is het mogelijk om de amplitude en I

I 15 fase van N/2 verschillende Fourier termen te bepalen die de radiale modusvorm van de I

I ring 5 weergeven. I

I In de in figuur 3 getoonde uitvoeringsvorm is een enkele rij 1 voorzien van I

I bijbehorende sensoren 8. In een verdere uitvoeringsvorm kunnen beide rijen 1, Γ uitge- I

I rust zijn met sensoren 8 hetgeen het mogelijk maakt om de belasting op de lager met I

I 20 hogere nauwkeurigheid en robuustheid te bepalen. I

I De modusamplitudes en -fases zijn een functie van de radiale en axiale I

I krachten op de lagerrij 1, Γ die wordt gemeten. De belasting op een lagerrij 1, Γ is de I

I som van alle individuele contactkrachten in die rij Ι,Γ. I

I De buitenring van de lagereenheid 10 vervormd door de krachten maar de I

I 25 vervorming wordt beïnvloed door de contactstijfheid van de individuele rolcontacten. I

I De amplitude van de individuele modusvormen is daarom niet lineair verbonden met I

I belasting. De amplitude van de modi die de vervormingen beschrijven zijn echter alle I

I monotoon afhankelijk van de belasting. In de praktijk zijn niet-lineaire kunstmatige I

I neurale netwerken zeer goed in staat om de netto belasting op een lagereenheid 10 uit I

I 30 de niet-lineaire invoer te reconstrueren. I

I In figuur 4 wordt een schematische weergave getoond van een sensorop- I

I stelling volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. De sensoren 8 zijn I

I in parallel verbonden met een modusvormcoëfficiëntenberekeningsorgaan 11 die is I

I 1024372 7 ingericht om de amplitude en fasewaarde van de gegeneraliseerde modusvormen af te leiden uit de ingangssignalen van de sensoren 8. Als voorbeeld toont figuur 5 een grafiek van de amplitudewaarde van modusvormen voor een specifieke opstelling, voor de modi 0 tot en met 5.

5 De amplitude en fase van een modusvorm worden ingevoerd aan een neu raal netwerk 12 voor lagers, dat is getraind om de lageibelasting te verschaffen met gebruik van de amplitude- en fasesignalen als invoer. Ontwerp en training van een neuraal netwerk om een uitvoersignaal te verschaffen uit een veelvoud van invoersignalen, waarbij een niet-lineaire verhouding bestaat tussen het invoersignaal en uitvoersignaal 10 is bekend in de techniek en behoeft geen verdere uitleg. Het neurale netwerk kan bijvoorbeeld worden getraind met gebruik van datasets, waarbij elke dataset omvat een belastingssector die feitelijk wordt toegepast op een lagereenheid 10 (gewenste uitvoer van neuraal netwerk 12) en de gemeten (en verwerkte) sensordata behorend bij die belastingssector. In het algemeen is de niet-lineaire verhouding zoals genoemd afhanke-15 lijk van het type lagereenheid 10 dat gebruikt wordt en ook mogelijk afhankelijk van bevestigingskarakteristieken. In dat geval wordt het neuraal netwerk 12 voor lagers getraind voor die specifieke situatie.

Het modusvormcoëfficiëntenberekeningsorgaan 11 en neuraal netwerk 12 voor lagers kan elk worden geïmplementeerd met gebruik van een computer voor al-20 gemeen gebruik of een toegewezen signaalverwerkingssysteem, of een combinatie. Het modusvormcoëfficiëntenberekeningsorgaan 11 en neuraal netwerk 12 voor lagers kan verder verbonden zijn met geheugenmiddelen (niet getoond) voor het opslaan van parameters, data- en verwerkingsresultaten. Tevens kan het neuraal netwerk 12 voor lagers verbonden zijn met interface middelen (niet getoond) bijvoorbeeld voor het ver-25 schaffen van een uitvoer van verwerkte resultaten op een display of printer.

Het modusvormcoëfficiëntenberekeningsorgaan 11 is ingericht om de signalen van de sensoren 8 te verwerken en kan bijvoorbeeld filters, versterkers enzovoorts omvatten of digitale signaalverwerkingsmiddelen, zoals analoog-naar-digitaalomzetters, digitale filters, rekenkundige logische eenheden, enzovoorts of een combinatie van beide.

30 Wanneer het vooraf bekend is, bijvoorbeeld door de constructie waarin het lager met rolelementen 1 wordt gebruikt, dat de krachtsector in voornamelijk één richting gericht zal zijn, is het voldoende om een kleine aantal sensoren 8 te gebruiken in de onderhavige sensors amenstelling. Indien bijvoorbeeld bekend is dat de krachtsector 1024378 * '

8 I

voornamelijk gericht is in een enkele richting, kan het voldoende om bijvoorbeeld I

slechts drie sensoren naast elkaar in die richting te verschaffen, omdat dat het enige I

gebied van de buitenring zal zijn waar vervormingen zullen optreden. Dit vereenvou- I

digt het sensorsamenstel terwijl voldoende nauwkeurigheid behouden blijft. I

5 I

1024378 I

Claims

1. Werkwijze voor het bepalen van een belastingssector die werkt op een lager (1) met rolelementen waarbij de werkwijze omvat: 5 het meten van verplaatsing en/of spanning met gebruik van N senso ren (8) voor het bepalen van de verplaatsing en/of spanning in een ringvormig element (S, 6,7) van het lag» met de rolelementen; het bepalen van een vervorming van het element (5,6,7) door het berekenen van amplitude en fase van N/2 Fourier termen die ten minste 10 één radiale modusvorm van het ringvormige element (5, 6, 7) repre senteren; het toevoeren van de N/2 Fourier termen aan een neuraal netwerk (12) voor lagers, waarbij het neuraal netwerk voor lagers (12) is getraind om de belastingssector op het lager met rolelementen (1) te verschaf- 15 fen uit de N/2 Fourier termen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het rollager met rolelementen (1) twee rijen coaxiale lagers (1, Γ) omvat, waarbij het ringvormige element van het lager met rolelementen de lagerbuitenring (5) van één van de twee 20 rijen coaxiale lagers (1, Γ) is.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de N sensoren (8) spanning-sensoren omvatten, en de ten minste ene radiale modusvorm een modusvorm van orde nul en één of meer modusvormen van de orde twee of hoger 25 omvatten.

4. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de N sensoren (8) verplaat-singssensoren omvatten, en de ten minste ene radiale modusvorm één of meer modusvormen van orde nul en hoger omvat. 30

5. Werkwijze volgens één van de conclusies 1 tot en met 4 verder omvattende het bepalen van N/2 Chebyshev polynoomcoëfiSciënten uit de N sensorsig- 1014378

6. Werkwijze volgens één van de conclusies 1 tot en met 5, waarbij het neu- I 5 raai netwerk voor lager (12) wordt getraind met gebruik van een veelvoud I van datasets, waarbij elke dataset een vooraf bepaalde belastingssector op I een specifiek type rolelementlager (1) omvat en bijbehorende meetdata van I de N sensoren (8). I

7. Sensoropstelling voor het bepalen van een belastingssector die werkt op een I lager met rolelementen (1) tijdens bedrijf, waarbij de sensoropstelling bevat I een veelvoud van N sensoren (8) welke verplaatsing en/of spanning I meten voor het bepalen van verplaatsing en/of spanning in één van de I elementen (S, 6,7) van het lager met rolelementen (1); I 15 één modusvormcoëfficiëntenberekeningsorgaan (11) dat verbonden is I met het veelvoud van N sensoren (8) voor het bepalen van een ver- I vorming van het element (S, 6,7) door het berekenen van de amplitu- I de en fase van N/2 Fourier termen die ten minste één radiale modus- I vorm van het ringvormige element (5,6,7) representeren; I 20 één neuraal netwerk voor lagers (12) dat verbonden is met het mo- I dusvormcoëfficiëntenberekeningsorgaan (11), waarbij het neuraal I netwerk voor lagers (12) is getraind om de belastingssector op de la- I ger met rolelementen (1) te verschaffen uit de N/2 Fourier termen. I

8. Sensoropstelling volgens conclusie 7, waarbij de lager met rolelementen (1) I twee rijen coaxiale lagers (1, Γ) omvat, waarbij het ringvormige element I van de lager met rolelementen de lagerbuitenring (5) van één van de twee I rijen coaxiale lagers is (1, Γ). I

9. Sensoropstelling volgens conclusie 7 of 8, waarbij de N sensoren (8) span- I ningsensoren omvatten, en de ten minste ene radiale modusvorm een mo- I dusvorm van de orde nul en één of meer modusvormen van de orde twee of I hoger omvatten. I ^24371 I %

10. Sensoropstelling volgens conclusie 7 of 8, waarbij de N sensoren (8) verplaats ingsensoren omvatten en de ten minste ene radiale modusvorm één of meer modusvormen van de orde nul of hoger omvat. 5

10 I nalen, welke ten minste één axiale modusvorm van het ringvormige ele- I ment (5,6,7) representeren. I

11. Sensoropstelling volgens één van de conclusies 7 tot en met 10, waarbij het modusvormcoëfficiëntenberekeningsorgaan (11) verder is ingericht om N/2 Chebyshev polynoomcoëfficiënten te bepalen die ten minste één axiale modusvorm van het ringvormige element (5,6,7) representeren. 10 .

12. Sensoropstelling volgens één van de conclusies 7 tot en met 11, waarbij het neuraal netwerk voor lager (12) wordt getraind met gebruik van een veelvoud van datasets, waarbij elke dataset een vooraf bepaalde belastingssec-tor op een specifiek type rollager met rolelementen (1) omvat en bijbeho- 15 rende meetdata van de N sensoren (8).

13. Sensoropstelling volgens één van de conclusies 7 tot en met 12, waarbij de lagerbinnenring (6) of buitenring (5) verbonden zijn met een sensorhouder (2), waarbij een verdieping aan de omtrek (3) is voorzien tussen ten minste 20 een gedeelte van de contactoppervlakken van de binnenring (6) of buiten ring (5) en de sensorhouder (2). 102487*