CN101196432B - 用于估计变速箱寿命的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种变速箱寿命估计系统(72)，其包括单个传感器或多个传感器(74、76、78、80)，其配置成用于从单个变速箱构件或不同的变速箱构件获得与变速箱(12)的负载有关的现场运行数据。系统进一步包括处理器(82)，其配置成从传感器接收代表现场运行数据的信号，用于基于现场运行数据而为变速箱构件提供所计算的运行负载数据，并且用于使用所计算出的运行负载数据提供变速箱寿命的估计。

Description

用于估计变速箱寿命的方法和系统
技术领域
本文公开的主题大体涉及变速箱，尤其涉及用于估计变速箱剩余寿命的方法和系统。
背景技术
变速箱用于在许多系统中，比如风力涡轮、汽车以及火车中提供功率传输。变速箱典型地包括构件，比如壳体、主轴、轴承以及齿轮。多种变速箱设计可获得，以便满足不同的速度传输要求。两个举例包括行星变速箱和螺旋变速箱。
变速箱内的齿轮、轴承以及主轴可能具有缺陷，可能随着时间而失效，或者可能简单地磨损。在检测出损坏的或磨损的条件之后，这些损坏的或磨损的构件可被替换。然而，为实现这种替换而将变速箱从使用中取出，典型地引起收入损失。可替换地，如果在计划好的维护程序中执行替换的话，发生较少的损失。因此，变速箱的关键构件的完好程度的获知可用于实现有效的维护。用于探知变速箱的完好程度的参数中的一个是剩余有用寿命(RUL)，其为变速箱设计、变速箱的构件以及构件在它们的运行过程中经受的应力(循环数以及峰值数)的函数。单个构件的任何失效影响变速箱的剩余有用寿命。
变速箱的设计寿命典型地大于二十年。然而，若干风力涡轮变速箱在四到五年内失效。传统的寿命循环程序基于风力涡轮的假定运行轮廓。然而实际运行中，运行轮廓可能具有显著差异，该差异可能导致变速箱的寿命与设计过程中估计的寿命大大不同。比如，如果转子内存在失衡的话，那么它在运行过程中于轴承产生过量负载，并且其引起轴承的失效，并且因而使变速箱在其设计寿命之前失效。
发明内容
需要一种系统和方法，以便更精确地估计变速箱的剩余寿命。在一个实施例中，寿命的估计是通过将构件寿命估计应用到变速箱的综合寿命估计中而得以改善的。
在一个实施例中，变速箱寿命估计系统包括至少一个传感器，其配置成用于从变速箱构件获得与变速箱负载有关的现场运行数据。系统进一步包括处理器，其配置成从传感器接收代表现场运行数据的信号，用于基于现场运行数据而为变速箱构件提供计算的运行负载数据，并且用于估计变速箱的寿命。
在另一个实施例中，用于估计变速箱剩余寿命的方法包括接收代表现场运行数据的信号，该现场运行数据与变速箱负载有关；基于现场运行数据而为变速箱构件获得计算的运行负载数据；并且使用设计数据与计算的运行负载数据的组合来提供变速箱剩余寿命的估计。
附图说明
当参照附图来阅读以下详述的时候，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变的更容易理解，在所有的图中，类似的符号表示类似的部件，其中：
图1为方框图，其展示了根据一个实施例的变速箱寿命估计系统；
图2为方框图，其展示了用于图1中的系统的处理器，以便计算单个构件负载；
图3为流程图，其展示了用于估计变速箱构件剩余寿命的实施例；以及
图4为流程图，其展示了用于估计图1中的系统的变速箱的剩余寿命的示例性步骤。
具体实施方式
文中描述的实施例用于在机器运行时，即在实时情况下，识别变速箱关键构件的失效模式，并且使用所识别的信息来预测综合变速箱的剩余有用寿命(RUL)或失效时间(TTF)。文中界定的“实时”为时间阶段，其范围可从几秒到任何更高的时间阶段。
一般地参考图1，其展示了转动电机，该转动电机一般地由标号10表示。在图1中的非限制性实施例中，为举例的目的，转动电机为风力涡轮。风力涡轮10具有设置在风力接收转子14和发电机16之间的变速箱12。风力接收转子14具有多个转子叶片(图未示)。当风在吹动的时候，风力接收转子14由于风力的缘故而被转动，并且转子14的转动通过变速箱12而传输到发电机16上，该发电机16又包括发电机转子(图未示)。发电机转子典型地设计成以大于风力接收转子14的速度而运行，因此变速箱12设计成将由风力接收转子14产生的转动速度增加到更适合需要的速度，以便驱动发电机16的转子。
在所展示的实施例中，变速箱12包括行星齿轮组18、中间齿轮组20以及设置在变速箱箱体24内的高速齿轮组22。风力接收转子14通过转子主轴26而配接到行星齿轮组18上。行星齿轮组18包括行星齿轮28、太阳齿轮30以及环形齿轮32，并且由多个轴承34、36、38和40所支撑。太阳齿轮30通过第一齿轮主轴42而配接到中间齿轮组20上。在一个实施例中，太阳齿轮30小于行星齿轮28，并且(与齿轮主轴42一起)以大于转子主轴26的速度转动。中间齿轮组20以及高速齿轮组22类似地包括齿轮、齿轮主轴及轴承。发电机16将输出(主要)主轴62的转动能量转化为电能。
提供变速箱寿命估计系统72，以便检测齿轮和轴承问题。在一个实施例中，如图1所示，变速箱寿命估计系统72包括传感器74、76、78和80。虽然在所展示的实施例中显示了多余一个的传感器，应当注意：单个传感器也可用于某些实施例中。传感器配置成获得与变速箱12由于运行条件缘故的负载有关的现场运行数据。在一个特定实施例中，速度信号和振动信号作为现场运行数据使用。在另一个特定实施例中，可使用事实上已知的稳定状态速度信息，并且传感器可仅仅提供振动信号。
现场运行数据可以包括比如，关于撬杆(crow bar)运行、启动次数、阵风(wind gusts)、负载次序(load sequences)、低电压穿越事件、网电不匹配、跳闸(trips)、油质及构件级故障的数据。传感器获得上述具有代表振动、风速、速度、功率及与变速箱构件的功能有关的其它属性的信号形式的现场运行数据。在特定实施例中，速度传感器84配置成检测输出主轴62的速度，而功率传感器86则配置成检测发电机16的输出功率。处理器82配接到传感器上并且配置成从传感器接收信号。此外，处理器82可运行，以便在变速箱内确定问题的位置，不管它是在行星齿轮组18内、中间齿轮组20内、高速齿轮组22内、还是在轴承内。处理器82包括硬件电路和软件，其可使处理器82处理信号，并且因此确定变速箱12的条件或完好程度。如被那些熟悉本领域的技术人员所理解的那样，处理器82可以包括多个电路类型，比如微处理器、可编程逻辑控制器或逻辑模块。通过参考图2和图3对处理器进行更详细地描述。
变速箱寿命估计系统72可以进一步包括或配接到模拟工具88上，该工具88配置成计算涡轮主轴26处的负载。变速箱寿命估计系统72可以进一步包括控制系统或控制单元94。在一个实施例中，传感器、处理器及控制系统形成了变速箱保护系统。在一个更特定的实施例中，控制系统配置成通过控制涡轮叶片的螺旋角(pitchangle)，而偏移功率曲线内的运行点，从而基于自处理器82的输出而减轻负载的平衡。功率曲线内的修改后的运行点使发电机可在额定功率以下运行，从而保持观察变速箱构件的完好程度，以便基于变速箱构件的寿命而优化发电机的工作。
如图2所述，处理器82自传感器接收现场运行数据96(比如，速度、负载、风速等)，并且设计数据98(比如，齿轮细节、轴承细节等)由制造商或设备手册而获得。在处理器82内，现场运行数据96和设计数据98处理成两路。在一路中，如箭头100所显示，处理器82配置成使用通用风力模拟模型102来在涡轮主轴上产生负载，如方框104所示。通用风力模拟模型可通过使用商业上可获得的工具比如Flex5、ANSYS、CFD(计算流体动力学)等而开发出。涡轮主轴处的负载使用于特定的变速箱模型106内，以便计算每个构件的负载或个别构件负载，如方框108所示。特定的变速箱106为有限元分析(FEM)模型，并且专用于正被运用的变速箱。通过使用特定的变速箱模型106，处理器82获得了计算出的运行负载数据，并且基于计算出的运行负载数据，处理器82计算个别的构件负载数据108，该数据108是基于现场运行条件的。
如文中以上指出的第二路在图2中以箭头110所显示。如方框112所示，设计数据98和现场运行数据96被发送到检测算法(故障检测算法)，以便检测任何初始故障的存在。初始故障，比如不平衡和轴承损坏在轴承上产生过量负载。其它初始故障，像齿断裂在个别齿上引起过量负载。该过量负载显著地导致变速箱构件的过早失效，并且因此导致变速箱的过早失效。使用振动信号、其它传感器数据并应用检测算法，变速箱内的初始故障或变速箱构件内的初始故障可被检测到。可被检测到的不同故障包括齿轮失效，比如齿断裂及在齿轮齿根部的破裂，以及轴承失效比如球体损坏及内圈分裂。再次参考图2，检测算法在方框114处检查任何初始故障及变速箱构件的任何失灵的存在或不存在。如箭头116所示，当存在初始故障时，由于故障缘故(其包括任何构件的失灵)的激振力(excitation force)被计算出，如方框118所示。比如，由于任何不平衡的缘故，激振力将与不平衡的强度及速度的平方成正比。速度可从传感器直接获得，而不平衡强度则可通过分析振动信号而获得。如前面提到的激振力，由于多种初始故障的缘故而出现在系统内。使用激振力，个别构件上的负载可被计算出，如方框120所示。如箭头122所示，如果检测算法没有检测到故障的话，那么激振力被认为是零，如方框124所示。如箭头126和箭头128所示的输出的总和在每个构件上产生总负载，如方框130所示。每个构件上的总负载用于估计个别构件的剩余寿命，及变速箱的寿命。应当注意：变速箱将在最早的构件失效时失效。
图3为流程图140，其展示了用于实时地确定变速箱构件的剩余寿命的方法。在步骤124处，获得初始剩余寿命。比如，在一个示例性实施例中，假定为新安装的机器和构件，在时间t＝0的时候，剩余寿命RUL(t)为根据设计而获得的构件的完全寿命。因此，此时的RUL(t)表述为1。对于每个时间间隔Δt，如步骤144所示，构件负载可通过使用结合图2描述的技术而计算出。Li代表间隔Δt内(对于迭代i)内的平均负载。在步骤146处，通过获得变速箱的设计细节(比如几何形状)而计算出对应于平均负载Li的应力幅度Si。ni为所施加的应力幅度Si的循环次数。在步骤148处，对应的寿命Ni，即对应于应力幅度Si的疲劳寿命从构件材料的S-N曲线而获得。S-N曲线可从美国金属协会材料手册卷1而获得，或者可自针对特定材料的试验结果而获得。Ni值在步骤150中用于计算阶段Δt内的迭代i处的累积损坏D(Δt)。累积损坏D(Δt)通过ni/Ni而获得(使用Miner规则)。在步骤152处，累积损坏D(Δt)从RUL(t)值减去，该RUL(t)值在步骤142处获得，以便在时间t+Δt时产生新的RUL值。如反馈箭头154所示的循环用于以递归方式计算构件的剩余寿命。
在一个实施例中，使用上述方法，由于运行条件缘故的负载及由于激振力缘故的负载可被计算出，该激振力由于高速主轴轴承上的不平衡的缘故而发生。在更特定的实施例中，通过使用分析方法而获得在表1给出的下列负载数据。结果取自转速为1440RPM(转/分钟)且功率为1.5MW的运行条件处。如所预料的那样，由于扭矩传输缘故的负载在48.1KN处保持相同，而由于不平衡缘故(激振力)的负载则当不平衡负载从0gm-mm(克-毫米)增加到3031gm-mm的时候，而从48.1KN增加到82.6KN。变速箱寿命的估计从95419小时减小到15829(寿命减小了83％)。
1XResponsemgPK 不平衡质量(gm-mm) 额定B(KN) Peq(kN) FO(kN)   负荷E   L10寿命(hrs)
  0.00   0   720.0   48.1   0.0   48.1   95418.7
  0.06   275   720.0   48.1   3.1   51.2   77718.1
  0.12   550   720.0   48.1   6.3   54.4   63796.5
  0.17   826   720.0   48.1   9.4   57.5   52892.4
  0.23   1102   720.0   48.1   12.5   60.6   44322.4
  0.29   1377   720.0   48.1   15.7   63.8   37467.0
  0.35   1653   720.0   48.1   18.8   66.9   31928.4
  0.41   1929   720.0   48.1   21.9   70.0   27408.6
  0.46   2204   720.0   48.1   25.1   73.2   23686.5
  0.52   2480   720.0   48.1   28.2   76.3   20595.5
  0.58   2756   720.0   48.1   31.3   79.4   18009.1
  0.64   3031   720.0   48.1   34.5   82.6   15829.4
                               表1
图4表示流程图156，该流程图具有用于估计变速箱剩余寿命的示例性的步骤，从而总结结合图2和图3描述的技术。方法包括用于接收代表与变速箱负载有关的现场运行数据的信号。在步骤160处，基于运行条件并且基于激振力而计算出个别的构件负载。在步骤162处，提供了变速箱的剩余寿命估计(比如图2中的输出或图3中的输出)。在一个实施例中，剩余寿命的估计为实时估计。在步骤164处，所估计的数据，用于通过使用在实际运行条件下的个别构件负载信息而改善变速箱设计。方法进一步包括步骤166，用于基于变速箱的剩余寿命估计而对变速箱构件的改造做出计划。
文中描述的技术将传统的剩余寿命估计方法与实时数据集成起来。比如为了估计轴承寿命而使用标准方法，并且考虑了来自实时数据的额外的转子不平衡负载。与已知的用于估计负载和风力涡轮寿命的方法相比较，将实施数据结合起来是有利的，因为实时条件在现有技术中的已知方法中引起最大振动。文中描述的技术也提供了发展更好的用于风力涡轮或任何其它转动机器的服务条款的能力。如上所述，变速箱寿命的精确估计导致了成本节约和及时维护。
虽然文中已经展示并描述了发明的仅仅某些特征，许多更改和变化将出现于那些熟悉本领域的技术人员。因此，应当理解：所附权利要求旨在涵盖所有的这些更改和变化，因为它们落在本发明的真正实质内。
零件列表
10风力涡轮
12变速箱
14风力接收转子
16发电机
18行星齿轮组
20中间齿轮组
22高速齿轮组
24变速箱箱体
26转子主轴
28行星齿轮
30太阳齿轮
32环形齿轮
34轴承
36轴承
38轴承
40轴承
42齿轮主轴
62输出主轴
72变速箱寿命估计系统
74传感器
76传感器
78传感器
80传感器
82处理器
84速度传感器
86功率传感器
88模拟工具
96现场运行数据
98设计数据
100箭头
102通用模拟模型
104产生负载的方框
106有限元模型
108个别构件负载数据
110箭头
112检测算法方框
114检查故障的存在或不存在的方框
116显示故障存在的箭头
118显示由于故障缘故而计算激振力的方框
120显示计算个别构件负载的方框
122显示没有故障的箭头
124显示激振力为零的方框
126输出
128输出
130总和
140流程图
142-154流程图中的步骤
156流程图
158-166流程图中的步骤

Claims (14)

1.一种变速箱寿命估计系统(72)，其包括：
至少一个传感器(74)，用于从变速箱构件(18、20、22、28、62)获取与变速箱(12)的负载有关的现场运行数据；以及
处理器(82)，其配置成从所述至少一个传感器接收代表所述现场运行数据的信号，以便提供计算出的运行负载数据，用于估计所述变速箱的寿命，所述处理器还配置成计算激振力，以获得由于运行条件缘故的个别构件负载；
其中所述现场运行数据代表当所述变速箱在运行的时候获得的运行参数。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变速箱构件包括下列中的至少一个：变速箱主轴(62)、轴承、或齿轮。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述现场运行数据包括撬杆运行、启动次数、阵风、负载次序、低电压穿越、网电不匹配、跳闸、油质及构件级故障中的至少一个。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器配置成获得由于激振力缘故的个别构件负载，其中所述激振力基于由于故障缘故的负载不平衡而计算出。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述处理器配置成计算总的个别构件负载，所述总的个别构件负载为由于激振力缘故的所述个别构件负载与由于运行条件缘故的个别构件负载的总和。
6.一种变速箱寿命估计系统(72)，其包括：
至少一个传感器(74)，配置成用于从变速箱构件(18、20、22、28、62)获取与变速箱(12)的负载有关的现场运行数据；以及
处理器(82)，其配置成从所述至少一个传感器接收代表所述现场运行数据的信号，并配置成为每一个变速箱构件提供由于运行条件缘故的个别构件负载，所述处理器还配置成获得由于激振力缘故的个别构件负载，其中所述激振力基于由于故障缘故的所述变速箱构件上的负载不平衡而计算出。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理器配置成计算总的个别构件负载，所述总的个别构件负载为由于激振力缘故的所述个别构件负载与由于运行条件缘故的个别构件负载的总和。
8.一种风力涡轮系统，其包括：
配接到风力涡轮(10)上的变速箱(12)；
配接到所述风力涡轮上的变速箱寿命估计系统(72)，所述变速箱寿命估计系统包括：
至少一个传感器(74)，用于获取与变速箱负载有关的现场运行数据；以及
处理器(82)，其配置用于从所述至少一个传感器接收代表所述现场运行数据的信号，以便基于所述现场运行数据而为变速箱构件提供计算出的运行负载数据；并且用于使用设计数据和所述计算出的运行负载数据的组合而提供变速箱剩余寿命的估计，所述处理器还配置成计算激振力，以获得由于运行条件缘故的个别构件负载。
9.一种用于估计变速箱(12)剩余寿命的方法，所述方法包括：
接收代表与变速箱负载有关的现场运行数据的信号；
基于所述现场运行数据而获得用于变速箱构件的计算出的运行负载数据；
从由于故障缘故产生的激振力计算由于运行条件缘故的个别构件负载；以及
使用设计数据与所述计算出的运行负载数据的组合而提供所述变速箱剩余寿命的估计。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，提供剩余寿命的估计以实时进行。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括计算由于所述变速箱上的负载不平衡缘故的激振力。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括计算由于激振力缘故的个别构件负载。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括计算总的个别构件负载，所述总的个别构件负载为由于运行条件缘故的个别构件负载与由于激振力缘故的所述个别构件负载的总和。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括使用变速箱剩余寿命的估计预测变速箱的初始故障。
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