CN102539142A - 用于齿轮啮合故障检测的边带能量比方法 - Google Patents

用于齿轮啮合故障检测的边带能量比方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于齿轮啮合故障检测的边带能量比方法。具体而言，本发明公开了一种用于评价齿轮箱中的劣化的方法(500)。从操作的齿轮箱获得(502，504)关于由于齿轮箱操作所产生的谐波频率幅度(508)和其相关边带(510)的数据。在第一实施例中，通过将与谐波相关联的总计的边带信号(512)的幅度除以谐波(508)的幅度来计算边带能量比(SER)。在第二实施例中，基于与相邻谐波相关联的边带幅度(614)来计算SER。可关于时间来监测该比率或者与一个或多个值进行比较(618)以提供劣化的指示。

Description

用于齿轮啮合故障检测的边带能量比方法
技术领域
本发明的主题涉及对机械构件健康的评估，并且更具体而言涉及用于从齿轮箱中的齿轮传动的健康情况评估劣化(deterioration)的方法。
背景技术
如本领域中公知的那样，齿轮箱中的齿轮组可随着时间过去从健康(常常为新的)情况劣化到不健康的情况，不健康的情况可导致齿轮箱失效或者至少低效操作。挑战在于开发一种齿轮箱情况监测系统，其可提供紧急问题的早期指示。此领域中的先前努力确立了啮合频率和谐波本身通常为齿轮情况较差的指标。此外，可变速机械(例如风力涡轮)可具有较宽的波动负载和速度，这使得齿轮啮合频率分析更加复杂。
监测齿轮进行中的劣化的先前尝试涉及例如提取啮合频率和谐波幅度并预测其趋势。然而，已发现这种方法并不能良好地工作，因为该方法对于发展中的故障具有相对较低的敏感性。沿着这个思路的一项现有成果是Games等人在名称为“ROTATIONAL STATISTICALVIBRATION ANALYSIS EMPLOYING SIDEBANDS AND/ORWEIGHTING”的美国专利3,758,758中教导的。
鉴于监测机械健康的现有成果所涉及的这些已知的关注，仍然需要提供简单的分析方法，其具有改进的敏感性并降低由动力和速度可变性所致的影响以便准确地评估机械(尤其是包括齿轮箱系统的机械)的健康。
发明内容
本发明的方面和优点将在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而被教导。
本主题涉及一种用于评价机械(尤其是包括齿轮箱的机械)中的劣化的方法。进行计算以确定操作的机械中所产生的总计的边带幅度与其中心谐波频率幅度的比率。然后关于时间评估所计算的比率和/或将所计算的比率与预定值进行比较。
在备选实施例中，基于相邻谐波频率的边带幅度计算比率。在第一备选实施例中，使用相邻谐波的边带与中心谐波频率幅度的比率来计算该比率。在第二备选实施例中，使用仅与相邻谐波相关联的边带幅度的比率来计算该比率。
参考下文的描述和所附权利要求，本发明的这些与其它特征、方面和优点将变得更好理解。附图被包括到该说明书中并构成该说明书的一部分，附图示出本发明的实施例并与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐述了本发明的全面和充分的公开，包括其针对本领域普通技术人员而言的最佳模式，其对附图进行了参考，在附图中：
图1提供了从健康齿轮啮合系统的测试得到的1X，2X和3X的幅度对比频率波形的图示；
图2提供了从损坏的齿轮啮合系统得到的1X，2X和3X的幅度对比频率波形的图示；
图3是根据本技术在齿轮箱劣化的测试中早期得到的测试结果的图示；
图4是来自图3中所示的相同测试但在该测试后期的测试结果的图示；
图5是根据本主题的用以评估图3和图4中对于齿轮箱劣化所示的测试结果所执行的步骤的图；
图6是根据本主题的进一步的实施例的用于评估图3和图4中对于齿轮箱劣化所示的测试结果所执行的步骤的图；以及
图7是根据本技术的机械健康监测设备的示意图。
贯穿该说明书和附图对参考标记的重复使用意图表示本发明的相同或相似的特征或元件。
项目清单
  附图标记   项目
  300   带边带的1X谐波区
  400   带边带的1X谐波区
  500   方法流程图
  502   方法步骤
  504   方法步骤
  506   方法步骤
  508   方法步骤
  510   方法步骤
  512   方法步骤
  514   方法步骤
  516   方法步骤
  518   方法步骤
  600   方法流程图
  602   方法步骤
  604   方法步骤
  606   方法步骤
  610   方法步骤
  612   方法步骤
  614   方法步骤
  616   方法步骤
  618   方法步骤
  700   健康监测设备
  702   机械
  704   传感器
  706   处理器
  708   电源
  710   显示器
  712   控制装置
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参考，在附图中显示了其中一个或多个示例。每个示例通过对本发明进行说明而不是对本发明进行限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出许多修改与变型。例如，作为一个实施例的部分而显示或描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生更进一步的实施例。因此，本发明意图覆盖这样落入所附权利要求及其等同物的范围内的修改与变型。
如先前所提出的那样，本主题被设计成用以监测齿轮箱中的机械健康，尤其是齿轮啮合健康。在频域中，发现啮合频率和其谐波通常为齿轮箱劣化的差的指标。通常，啮合线周围的边带将随着损坏累积而出现并以相对幅度增加，因此通过包括边带可改进异常检测。
边带可由于齿轮缺陷所致的齿轮啮合振幅的幅度或频率调制引起。通常，这些调制涉及轴速度和轴速度的谐波，但也可涉及其它源。这些源从中心啮合频率产生特征边带间距(characteristic sidebandspacing)。根据本主题的算法使用此信息来识别特定的相关边带。
关于可变速机械和动力机械(例如风力涡轮)，谱线的幅度可在很大程度上取决于扭矩。通过计算边带幅度与中心啮合频率幅度的比率，本主题可减小这种对扭矩的敏感性并提供更准确的齿轮健康指示。
根据本技术，边带能量比(SER)被提供作为有用的齿轮啮合情况指标，可随着时间来监测边带能量比(SER)并与一个或多个警报水平进行比较而向设备操作者提供指示或警告。在某些情形下，可设置警报水平使得可实行自动保护行为，例如使有缺陷的系统关闭动力。
现在关于图1而言，示出了从健康齿轮啮合系统的测试得到的1X，2X和3X的幅度对比频率波形的图示。应当注意，对于本描述，本文所用的术语1X、2X、3X等用于表示如图1和图2中所示的1X啮合、2X啮合、3X啮合等。如在图1中所示的那样，在健康齿轮啮合系统的操作频率图示中存在相对较低的边带或不存在边带。
现在参看图2，将看出提供了从损坏的齿轮啮合系统得到的1X，2X和3X的幅度对比频率波形的图示。从图1和图2的代表性波形的比较中显而易见的是，损坏的齿轮啮合系统将在1X、2X和3X频率处比健康系统产生更高和更多的边带。应当理解，边带频率通常由于中心频率的幅度或频率调制形成。随着齿轮的劣化加剧，形成有助于调制中心频率的不规则性。
现在参看图3和图4，示出了在根据本技术对于齿轮箱劣化进行的测试中在早期(图3)和后期(图4)得到的测试结果的图示。由虚线椭圆300和400界定的1X周围的区域(即，中心频率)示出来自测试的读数。如在图3中注意到的是，在测试的早期阶段，存在较少的齿轮损坏并且因此存在很低的边带。
关于图4而言，其表示在测试中后期得到的测试结果，应当注意，齿轮的严重损坏导致产生较高的边带，如大体上在1X周围的椭圆区域400(其为齿轮系统的中心频率)中所示的那样。
根据本主题，加速计或其它传感器在齿轮箱上执行信号处理以得到对齿轮啮合的情况敏感的一个或多个信号特征。更具体而言，根据本技术，已开发了一种信号处理方法，其将对齿轮组劣化时发生的这种变化提供改进的敏感性。这种方法优于仅使用啮合频率幅度的方法，因为其考虑由试图监测的机构所产生的先前未用的因素，即，加剧劣化(其标志着齿轮箱中的紧急问题)。
根据本技术，一种新工具(边带能量比(SER))被提出作为考虑先前监测的变量(即，边带)的分析方法，但以新方式检验以产生所寻求的改进结果。通常，采用此SER方法的算法将如图5的流程图500中所示的那样起作用。
在步骤502中，产生了通过利用变换器(transducer)监测齿轮箱的操作得到的波形。在一示例性配置中，变换器可为加速计，但也可使用其它装置，包括(例如)速度变换器或可检测轴承啮合频率和谐波的任何合适传感器。在步骤504中，波形经受快速傅立叶变换(FFT)以产生频谱。
在步骤506中，获得齿轮箱啮合频率数据，并且在步骤508和510中，分析该频谱，并且得到齿轮啮合频率线和谐波线幅度。在每个频率线的两侧检测边带，即，上边带和下边带，并且得到边带幅度。但是，应当注意，在某些情况下，可采用仅总计下边带或上边带，因为各边带绕其中心频率大体上对称。在步骤512中，对于1X啮合线总计边带幅度。应当理解，可具有若干边带源，包括但不限于(对于1X啮合)以1X转子、2X转子、3X转子等间隔的边带。在步骤514中，这些边带中的任何选定数量的边带的总和然后除以1X中心啮合线的幅度。该比率为对于1X啮合线的边带能量比(SER)。
如在步骤516中所示，对于2X和3X啮合线SER中的每一个重复该相同过程，以便对于关注的每个啮合线和谐波产生(与1X啮合线SER一起)独特的SER。
在齿轮箱的寿命期间可计算SER，并通过将所计算的SER与预定值进行比较和/或预测它们随时间的趋势来评价齿轮箱劣化，如在步骤518中所示的那样。换言之，可将计算的值与预定值进行比较和/或随着时间监测计算的值以便评价所监测的值的变化率是否增加从而可关于齿轮箱是否劣化到需要进一步检查或可能维修或替换的水平进行判断。
在某些情形下，该SER分析方法可对操作的齿轮箱周期性地执行，并且将结果与一个或多个水平比较，使得可产生不同的警报信号来警告该机械的操作者现有情况，或者，在某些情形下，自动采取保护措施，例如使机械停机。
另外，根据本技术，该SER分析方法可扩展到包括另外的指标。例如，在一可选扩展中，可计算边带能量比(SER)的比率并与相邻的啮合谐波进行比较。举例而言，可计算SER 1X啮合/SER 2X啮合的比率并且然后预测趋势和/或与不同的预定水平进行比较。更进一步，虽然该描述涉及在1X、2X和3X中心频率处的啮合频率，但是，可包括更高阶的啮合频率和边带。
在还有另外的实施例中，可直接计算与相邻谐波相关联的上边带幅度和/或下边带幅度的总和的比率而不包括其相关联的啮合谐波幅度。该另外的实施例在图6中所示的流程图600中示出并大体上类似于图5中所示的流程图500，除了用于计算SER比率的值之外。
根据该另外的实施例，在步骤602中，以与图5的步骤502相同的方式产生通过利用变换器监测齿轮箱的操作得到的波形。同样，步骤604、606、610、612和618与图5中所示的其相应的500系列步骤的那些相同。
应当注意，在该实施例中，并不存在图5的实施例的步骤508的等同步骤，因为对于该实施例而言，在计算中并不使用啮合线幅度。在该实施例中，步骤616在步骤612之后，从而使得提供对于2X和3X啮合线的边带幅度的总和所必需的处理步骤616重复以便提供新置的步骤614，新置的步骤614执行类似于图5的实施例的步骤514的比率计算，但在这种情形下计算与相邻谐波相关联的总计的边带幅度的比率。如与图5中所示的实施例一样，可在每个频率线的两侧检测边带，即，上边带和下边带，但在这种情况下也可采用仅总计下边带或上边带，因为每个边带绕其中心频率大体上对称。
然后可在齿轮箱的寿命期间计算仅基于边带幅度的SER，并通过将所计算的SER与预定值进行比较(以与图5的实施例的步骤518中所做出的比较相同的方式)和/或预测它们随时间的趋势来评价齿轮箱劣化，如在步骤618中所示的那样。
参看图7，示出了根据本技术的机械健康监测设备700的示意图。如图所示，机械702可对应于通常在操作期间产生某种类型的振动的任何机械。在特定实施例中，该机械可包括齿轮箱并且所产生的振动可对应于由于齿轮箱内的齿轮的啮合引起的振动。
传感器704可以各种方式与机械702相关联，例如内部地安装于与机械相关联的壳体内或者安装于机械壳体的外表面上。在任一情况下，传感器是选自能产生指示特定频率范围中的机械振动的信号的可用传感器。更特定而言，传感器704可被配置成用以产生电信号，该电信号对应于由操作的机械所产生的谐波频率的幅度和相关联的边带频率。在本主题的一示例性实施例中，传感器704可对应于加速计。
传感器704被配置成用以供给电信号至处理器706以用于评估。处理器706可从电源708接收操作动力，并且可在显示器710上提供输出(其指示从传感器704的信号评估所得到的结果)。处理器706可经由控制装置712而控制以便取决于操作者的目的提供变化的评估。控制装置712可被配置成经由手动控制装置或经由其它外部处理器来进行手动或自动调整。
在示例性布置中，操作者可选择特定的谐波频率和/或其相关联的边带以用于评估。显示器710可被配置成用以显示图1至图4所示的那些图像，或者可简单地对应于例如LED显示器，其基于由处理器706所执行的分析来指示齿轮损坏的相对水平。
更进一步，在另外的实施例中，可考虑在不同类型的齿轮箱中产生的调制方案。举例而言，可考虑由行星齿轮箱中的行星齿轮传递、太阳齿轮旋转、行星齿轮旋转、载体旋转和环旋转所产生的调制。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于评价机械中的劣化的方法(500)，包括：
计算在操作的机械中产生的总计的边带幅度(512)与其中心谐波频率幅度(510)的比率(514)；以及，
关于时段或比率值的其中至少一项评估(518)所述比率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中心谐波频率对应于第一谐波齿轮啮合频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中心谐波频率对应于第二谐波齿轮啮合频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中心谐波频率对应于第三谐波齿轮啮合频率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述比率中心谐波为第一预定谐波频率，所述方法还包括：
在与所述第一预定谐波频率相邻的谐波频率处计算(514)在操作的齿轮箱中产生的总计的边带幅度与其中心谐波频率幅度的比率；
通过将使用所述第一预定谐波计算的比率除以使用与所述第一预定谐波频率相邻的谐波频率计算的比率来计算(516)第二比率；以及，
关于时间或值的其中至少一项评估(518)所述第二比率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一预定谐波频率对应于所述操作系统的第一谐波频率，并且，其中，与所述第一预定谐波频率相邻的谐波频率对应于所述操作的系统的第二谐波频率。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一预定谐波频率对应于所述操作系统的第二谐波频率，并且，其中，与所述第二预定谐波频率相邻的谐波频率对应于所述操作的系统的第三谐波频率。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
获得(502)传感器时基波形；以及，
对于所述波形计算快速傅立叶变换(504)。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，总计的边带幅度包括在其中心谐波频率的两侧上的边带幅度的总和。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
关于预定时段监测所述比率；以及，
比较(518)所述比率与预定值。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
关于预定时段监测所述比率；以及，
比较所述比率的变化率与预定值。
12.一种用于评价机械(702)中的劣化的系统(700)，包括：
用于计算(706)与操作的机械中所产生的第一预定相邻啮合谐波和第二预定相邻啮合谐波相关联的总计边带幅度的比率的装置；
用于关于时段或比率值的其中至少一项评估(708)所述比率的装置；以及，
用于显示(710)所述评估的结果的装置。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述总计的边带幅度与所述第一啮合谐波和所述第二啮合谐波相关联。
14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述总计的边带幅度与所述第二啮合谐波和所述第三啮合谐波相关联。
15.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述总计的边带幅度包括在其相关联的啮合谐波的两侧上的边带的总和。
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