CN103797346A - 轴不平衡检测系统 - Google Patents
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Abstract
轴不平衡检测系统（50）包括：速度传感器（52），所述速度传感器（52）检测叶轮的速度，并生成速度信号；以及控制器（60），所述控制器（60）连接到所述速度传感器（52）。所述控制器（60）被配置成监测所述速度信号，其中所述速度信号的变化表明轴（20）的不平衡。
Description
技术领域
概括而言，本发明涉及用于旋转系统的轴不平衡检测系统。
背景技术
旋转系统包括在轴上旋转的物体，这些物体包括但不限于风扇叶片、齿轮、轮（诸如压缩机叶轮或驱动轮）及其它。由于外来物体破坏或其它原因引起的轴的偏离或轴的任何其它不平衡可能导致费用高且耗时间的修理。
期望检测轴不平衡，以降低由于不平衡产生的破坏范围，并帮助识别故障来源。
发明内容
在一个实施例中，轴不平衡检测系统包括：速度传感器，所述速度传感器检测压缩机叶轮的速度，并生成速度信号；以及连接到所述速度传感器的控制器。所述控制器被配置成监测所述速度信号，其中，所述速度信号的变化表明轴的不平衡。
在一个实施例中，提供了用于涡轮增压器中的压缩机叶轮的轴的轴不平衡检测系统。所述轴不平衡检测系统包括连接到速度传感器的控制器。所述速度传感器生成与被附连到所述压缩机叶轮的轴的齿轮上的齿通过相对应的电压脉冲，所述脉冲具有与所述齿通过所述传感器的时间对应的脉冲宽度。所述脉冲宽度的变化给所述控制器发信号通知有不平衡。
在另一个实施例中，提供了检测涡轮增压器中轴不平衡的方法，所述涡轮增压器具有安装在轴上的压缩机叶轮。所述方法包括：提供所述轴上具有至少一个齿的齿轮，其中，所述齿轮随所述轴旋转；提供针对齿轮并相对于齿轮保持在固定间隔位置从而界定所述传感器和所述齿轮之间的检测场的速度传感器，其中，所述速度传感器在所述齿轮的齿移动通过所述场时生成信号，并监测所述信号中信号的特征变化。
在另一个实施例中，车辆包括：连接到涡轮增压器的发动机；包括轴的涡轮增压器；安装在所述轴上的压缩机叶轮和齿轮，其中，所述压缩机叶轮和所述齿轮随所述轴旋转，所述齿轮具有至少一个齿；与所述齿轮感测通信的速度传感器，其中，在所述齿轮和所述传感器之间界定气隙，其中，所述传感器检测所述至少一个齿的通过，并生成与所述至少一个齿的通过对应的信号，其中，所述信号具有信号标识（signature）；以及控制器，所述控制器与所述传感器和所述发动机通信，所述控制器监测所述传感器的信号标识以检测所述信号标识的变化。
附图说明
参照附图，其中，图解说明如在下面的描述中更加详细地描述的本发明的具体实施例和另外的益处，其中：
图1是根据本发明的旋转系统的示意性横截面；
图2是根据本发明的轴不平衡检测系统的放大示意图；
图3是速度传感器和由速度传感器产生的信号的图示，其中不平衡状况用虚线示出；
图4是速度传感器和由速度传感器产生的信号的图示，其中不平衡状况用虚线示出；以及
图5是具有监测来自涡轮增压器中的传感器的信号的控制器的轨道车辆的示意图。
具体实施方式
本文中公开的主题的实施例涉及用于诊断旋转系统（诸如涡轮增压器）的系统和方法。还提供了用于执行所述方法的测试工具包。涡轮增压器可以包括于车辆（诸如机车系统中）。其它适当类型的车辆可以包括公路上行驶的车辆、越野车、矿山设备、航空器和水运工具。本发明的其它实施例可以用于固定的发动机（stationaryengines），诸如风力涡轮机或发电机。发动机可以是柴油发动机，或者可以燃烧另一种燃料或几种燃料的组合。这种替代性燃料可以包括汽油、煤油、生物柴油、天然气和乙醇以及前述燃料的组合。适用的发动机可以使用压缩点火或火花点火。这些车辆可以包括部件随着使用退化的发动机。
本发明的实施例涉及用于检测旋转系统10内的状况的系统。在一个实施例中，旋转系统可以包括轴、耦连到轴的旋转部件和容纳旋转部件的外壳。如本文使用的，“轮（wheel）”是任何形状或尺寸的任何旋转部件，包括但不限于风扇叶片、轮毂、齿轮、压缩机叶轮或驱动轮。“轴”是将旋转给予所述轮的元件，并且可以具有任何形状、尺寸或横截面。“护罩（shroud）”是至少部分地包围轮子和轴的任何外壳，在轮子的至少一部分和护罩之间产生空隙，该空隙（gap）被称作“间隙（clearance gap）”。
旋转系统可以形成发电系统或车辆（包括但不限于机车（图5）、矿山设备、海运船只、客车、越野车）的一部分。旋转系统10因此可以包括连接到涡轮增压器T的发电机或发动机。图5描绘了连接到发动机E用来给机车车辆V供电的涡轮增压器T。
如图1所示，涡轮增压器包括旋转轴22，压缩机叶轮20安装在轴22上。轴22由驱动轮15（也称作涡轮叶轮）驱动，驱动轮15连接到轴22，使得驱动轮的旋转引起轴的旋转。驱动轮与增压流12（例如来自发动机的排气、增压气体系统或增压源）流体连通。驱动轮上的一个或更多个叶片或轮叶由增压流驱动，并用来驱动轴且使压缩机叶轮旋转。词语“叶片（blade）”和“轮叶（vane）”可以互换使用，不应认为是限制的。
压缩机叶轮至少部分地容置于具有压缩机入口32的外壳或护罩30内，流体14（由箭头表示）通过压缩机入口32被吸入并被压缩机叶轮的旋转压缩。来自压缩机叶轮的增压流体在压缩机排出口35离开护罩。来自压缩机叶轮的增压流体由涡轮增压器（turbo charger）引导以用于发电、原动力的产生或用于提高发动机的性能。在所示的例子中，离开排出口的压缩气体34被引导到发动机E以用于燃烧。
参照图1，护罩（shroud）30的内表面33向外与压缩机叶轮间隔开，限定护罩30和压缩机叶轮20之间的间隙37。压缩机叶轮围绕中心轴线A旋转，在压缩机叶轮20旋转时划定由压缩机叶轮20的横截面36限定的预期路径。因此，护罩和压缩机叶轮之间的间隙37在压缩机叶轮沿其潜在路径旋转时位于压缩机叶轮外。压缩机叶轮的不平衡会引起压缩机叶轮偏离其预期路径，进入压缩机叶轮和护罩之间的间隙。由轴的不平衡引起的轴的任何不平衡或一个或更多个轮子与其预期路径的偏离在本文中被总体称作状况。
这些状况可以导致涡轮增压器故障。涡轮增压器故障通常导致发动机立即关闭，在重新启动发动机之前需要费用高的维修/修理。在一些情况下，涡轮增压器状况造成对涡轮增压器内的下游部件的损坏，例如包括发动机曲柄轴箱的过度增压。
为了降低涡轮增压器故障和发动机关闭的可能性，提供轴不平衡检测系统50。轴不平衡检测系统50通过监测来自速度传感器52的信号来检测不平衡。在所示的实施例中，速度传感器52与具有至少一个齿54的齿轮53感测通信。例如，所示的齿轮具有八个齿。齿轮53安装在轴22上，并位于驱动轮15和压缩机叶轮20之间。在所示的例子中，齿轮53稍微位于压缩机叶轮的内侧。
速度传感器显示为相对于齿轮53保持固定位置，且限定传感器52前方的检测场55。当每个齿通过传感器的检测场时，传感器生成与齿对应的信号。适用的传感器包括霍尔效应传感器、磁阻传感器等等。例如，霍尔效应传感器用来产生与齿的通过相对应的电压。如图3和4中所示，当齿通过传感器时，生成电压脉冲。在给定时间段上的速度信号形成信号标识（signature）59（图3）。例如，图3描绘了在齿轮的一次旋转中产生的速度信号标识59，每个齿的通过显示为一个电压脉冲。
如图5所示，与传感器52通信的控制器60监测来自传感器52的信号，以检测倾向于表示轴的不稳定或另一种状况的信号或其信号标识的任何变化。如图3中以图形描绘的，轴的不平衡或其它状况会改变轴的旋转，改变齿轮的旋转，使得一个或更多个齿轮齿更接近传感器。在所示的例子中，标准空隙56存在于传感器52和齿轮齿54之间。当不平衡出现时，空隙56减小。减小的空隙在图4的58描绘，为了比较，标准空隙56显示为虚线。空隙的减小改变了由传感器产生的信号。如图3中描绘的，因为在更大的时间段内齿位于传感器52的检测场中，空隙的减小增大了电压脉冲的宽度。如图4所示，由于传感器和齿轮齿之间的空隙的减小，电压信号的幅值增大。
控制器60监测传感器信号的这种变化，并且在检测到信号的变化时采取补救措施。控制器60可以以相同的方式在预选(pre-selected)的时间段上监测速度信号的信号标识。例如，每旋转一次监测信号标识一次。在小于一次旋转或大于一次旋转的时间段也可以进行监测。
由于信号或信号标识的一些变化是可以允许的，因此控制器包括阈值以确定何时需要补救措施。例如，控制器包括由图4中的虚线61指示的电压信号阈值，表明需要补救措施的状况。如图4所示如果电压超过此阈值，则控制器发起补救措施，补救措施包括但不限于记录与检测到超过阈值的信号对应的数据，向另一装置传输关于此状况的数据，发出警告，调整涡轮增压器或其它有关部件的性能以补偿检测的状况，减额（derating）运行涡轮增压器或其它有关部件，以及关闭涡轮增压器或其它有关部件。提供存储器64以记录来自控制器60的数据。存储器64可以如所示的在控制器60的内部，或者位于控制器60的远端。同样，提供通信系统68，以将来自控制器60的数据传输到远程源。通信系统68显示为安装在机车的驾驶室上，不过也可以位于其它任何适当位置。
在一个实施例中，通信系统68可以包括用于发送和接收语音和数据消息的无线电和天线。例如，数据通信可以在车辆系统和铁路的控制中心、另一机车、卫星和/或诸如铁路开关的线路装置之间进行。例如，控制器可以使用来自GPS接收器的信号估计车辆系统的地理坐标。作为另一个例子，控制器可以通过从通信系统发送来的消息将发动机和/或辅助设备的操作特征发送到控制中心。在一个实施例中，当检测到发动机或辅助设备的退化部件，车辆系统可能要安排维修时，可以通过通信系统将消息发送到命令中心。
诸如通过经由例如通信系统发送的消息可以发送安排维修的请求。而且，通过发送潜在的故障状况和潜在故障的严重性，可以降低车辆V的停机时间。例如，当潜在故障的严重性低时，可以延缓对车辆V的维修。基于诊断状况，诸如通过调整发动机操作参数来降低发动机的功率，可以进一步降低停机时间。可以确定发动机的减额运行是能够实现的。例如，降低发动机的功率（即减额）可以降低发电机数据的频谱（frequency content）的一个或更多个分量的幅值。
通过控制器60记录或发送的数据包括与涡轮增压器连接的发动机或发电机的运行速度、功率输出水平和涡轮增压器的操作温度中的至少一个。由控制器或其它车辆系统采集的其它信息也可以被记录在存储器中或根据需要发送。记录特征的数据可用作诊断工具，并且在操作期间用于警告操作员可能会影响涡轮增压器或任何相关部件的性能的状况。根据从速度传感器接收的信号，控制器例如通过激活报警指示器66以警告操作员所检测到的状况从而发出报警。报警指示器产生可听、可视或可触知的指示，例如包括报警灯、警报器或蜂鸣器。报警指示器可以包括强度增加或颜色、频率的其它变化以指示状况恶化的渐进报警。替代性地，如果操作员并没有在报警发出之后的选定时间内采取措施，则控制器可以发起进一步的补救措施，以避免状况的恶化或者在故障保护模式操作涡轮机。
例如，在机车车辆（图5）中，如果齿轮偏离其预期路径，则速度传感器会检测速度信号的表明轴的不平衡的变化。此不平衡可能是轴承变坏或涡轮增压器内有外来物体损害的结果。为了避免不断恶化的状况，在从轴不平衡检测系统接收信号时，涡轮增压器系统可以降低涡轮增压器的功率，降低涡轮机速度。这会允许机车在降低的阈值利用其自身的功率，允许它继续在更低的速度下操作以到达维修站。为此目的，如图4中所示，机车中的控制器60与发动机E和涡轮增压器通信。
在另一实施例中，轴不平衡检测系统包括检测压缩机叶轮的速度并生成速度信号的速度传感器。所述系统进一步包括连接到速度传感器并被配置成监测速度信号的控制器。速度信号的变化表明轴的不平衡。控制器检测速度信号的频率、空间频谱、时间频谱及其它的变化。在一个实施例中，速度传感器与安装在压缩机叶轮的轴上的齿轮感测通信。齿轮具有至少一个齿，这里，速度传感器生成与齿的通过对应的脉冲。在一个实施例中，速度传感器是霍尔效应传感器。控制器检测脉冲的幅值或宽度的变化，以发信号通知轴的不平衡。在检测到速度信号的变化时，控制器发起补救措施。补救措施包括以下当中的至少一个：控制器在存储器64中记录关于检测的变化的数据，减额运行涡轮增压器，降低涡轮增压器的速度，降低连接到涡轮增压器的发动机的马力，关闭涡轮增压器，关闭发电机，补偿变化（诸如发起发动机中的汽缸的平衡）。不平衡检测系统替代性地包括报警指示器66，补救措施包括激活报警指示器。其它补救措施包括通过与控制器通信的通信系统68发送来自检测系统的数据。
在一个实施例中，速度传感器位于距离具有至少一个齿的齿轮的固定距离处，速度信号是与齿通过速度传感器对应的脉冲。控制器监测所述脉冲，在检测到脉冲的幅值或脉冲宽度的增加超过阈值时，控制器将此识别为传感器和齿轮齿之间的空隙的减小。在检测到速度传感器和齿轮齿之间的空隙减小时，控制器发起补救措施。在另一个实施例中，轴不平衡检测系统包括连接到控制器以在选择的时间段中显示速度信号的显示器。
在另一个实施例中，用于涡轮增压器中的压缩机叶轮的轴的轴不平衡检测系统包括连接到速度传感器的控制器，所述速度传感器生成与被附连到压缩机叶轮的轴的齿轮上的齿的通过对应的电压脉冲。所述脉冲具有与齿通过传感器所用时间对应的脉冲宽度，这里，脉冲宽度的变化通知控制器有不平衡。在一个实施例中，控制器连接到涡轮增压器，并在检测到脉冲宽度的变化时减额运行涡轮增压器。替代性地，控制器连接到机车发动机，并在检测到脉冲宽度的变化时减额运行机车发动机。
在又一实施例中，提供了检测压缩机叶轮安装在轴上的涡轮增压器中的轴不平衡的方法。所述方法包括在轴上提供具有至少一个齿的齿轮，这里，齿轮随轴一起旋转。所述方法进一步包括提供针对齿轮并相对于齿轮保持间隔位置从而限定传感器和齿轮之间的检测场的速度传感器，这里，速度传感器在齿轮的齿移动通过检测场时生成信号。所述方法还包括监测信号中信号特征的变化。
在一个实施例中，所述方法中使用的速度传感器生成与齿轮齿通过检测场对应的脉冲，这里，监测步骤包括检测脉冲的幅值或宽度的增加。在检测到幅值大于预选极限的脉冲时，所述方法包括减额运行涡轮增压器。在一个实施例中，监测步骤在轴的每一次旋转时执行一次。在检测到速度信号的变化时，发起补救措施。发起补救措施的步骤包括执行以下当中的至少一个：记录速度信号的任何变化，发送关于速度信号的变化的信息，发出警告，补偿速度信号的变化并减额运行涡轮增压器。记录的步骤包括存储速度信号发生变化时的时间和速度。
另一实施例包括一种车辆，所述车辆包括连接到涡轮增压器的发动机。涡轮增压器包括轴、压缩机叶轮和安装在轴上的齿轮，这里，压缩机叶轮和齿轮随轴一起旋转。齿轮具有至少一个齿。车辆还包括与齿轮感测通信的速度传感器，这里，在齿轮和传感器之间限定气隙。传感器检测至少一个齿的通过，并生成与至少一个齿的通过对应的信号。所述信号具有信号标识。所述车辆还包括与传感器和发动机通信的控制器。所述控制器监测传感器的信号标识，以检测速度信号的信号标识的变化。在检测到速度信号的信号标识的变化时，控制器发起补救措施，补救措施包括以下当中的至少一个：记录速度信号的变化，发送关于速度信号的变化的信息，发出警告，补偿速度信号的变化，减额运行涡轮增压器，降低由发动机产生的马力以及关闭涡轮增压器和发动机中的至少一个。
在一个实施例中，提供了测试工具包。测试工具包包括控制器，所述控制器可操作以基于从可操作地连接到发动机的涡轮增压器的参数测量中得出的转矩曲线的频谱确定发动机的状况。
在一个实施例中，提供了用于可操作地连接到涡轮增压器的发动机的方法。所述方法包括测量在操作期间与涡轮增压器关联的电参数，并基于所测量的电参数的频谱诊断发动机的状况。
在一个实施例中，提供了一种车辆系统。所述车辆系统包括发动机、可操作地连接到发动机的涡轮增压器、用于测量在操作期间与涡轮增压器关联的电参数的传感器和控制器。所述控制器包括被配置成用于采样所测量的电参数、识别所测量的电参数的频谱并基于所测量的电参数的频谱诊断发动机的状况的指令。
本书面说明书使用示例来公开本发明（包括最佳模式），还使得任意本领域技术人员可实践本发明（包括制造和使用任意装置或系统和执行任意结合的方法）。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等同结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求书的范围内。
Claims (29)
1.一种轴不平衡检测系统，包括：
速度传感器，所述速度传感器检测轴的速度，并生成速度信号；以及
控制器，所述控制器连接到所述速度传感器，所述控制器被配置成监测所述速度信号，并且其中，所述速度信号的变化表明轴的不平衡。
2.根据权利要求1所述的轴不平衡检测系统，其中所述控制器检测所述速度信号的频率的变化。
3.根据权利要求1所述的轴不平衡检测系统，其中所述控制器检测所述速度信号内的空间频谱。
4.根据权利要求3所述的轴不平衡检测系统，其中每旋转一次，所述控制器检测所述空间频谱至少一次。
5.根据权利要求1所述的轴不平衡检测系统，其中所述控制器检测所述速度信号内的时间频谱。
6.根据权利要求1所述的轴不平衡检测系统，其中所述速度传感器与所述轴上安装的齿轮感测通信，所述齿轮具有至少一个齿，其中，所述速度传感器生成与所述齿的通过对应的脉冲。
7.根据权利要求1所述的轴不平衡检测系统，其中所述速度传感器是霍尔效应传感器。
8.根据权利要求6所述的轴不平衡检测系统，其中所述控制器检测所述脉冲的幅值或宽度的变化，以发信号告知所述轴的不平衡。
9.根据权利要求1所述的轴不平衡检测系统，其中在所述速度信号变化时，所述控制器发起补救措施。
10.根据权利要求9所述的轴不平衡检测系统，其中所述轴位于连接到发动机的涡轮增压器内部，并且，所述补救措施包括减额运行所述涡轮增压器、降低所述涡轮增压器的速度、降低所述发动机的马力、关闭所述涡轮增压器以及关闭所述发动机中的至少一个。
11.根据权利要求9所述的轴不平衡检测系统，其中所述补偿措施包括补偿所述变化。
12.根据权利要求11所述的轴不平衡检测系统，其中所述补偿包括所述控制器发起发动机内部的汽缸平衡操作，所述发动机可操作地连接到所述轴。
13.根据权利要求9所述的轴不平衡检测系统，其进一步包括报警指示器，其中，所述补救措施包括激活所述报警指示器。
14.根据权利要求9所述的轴不平衡检测系统，其进一步包括与所述控制器通信的通信系统，其中，所述补救措施包括传输来自所述检测系统的数据。
15.根据权利要求1所述的轴不平衡检测系统，其中所述速度传感器位于距离具有至少一个齿的齿轮的固定位置处，并且所述速度信号是与所述齿通过所述速度传感器对应的脉冲。
16.根据权利要求15所述的轴不平衡检测系统，其中所述控制器监测所述脉冲，并且在检测到所述脉冲的幅值或脉冲宽度增加超过阈值时，所述控制器将此识别为所述传感器和齿轮齿之间的间隙的可能减小。
17.根据权利要求16所述的轴不平衡检测系统，其中在所述控制器检测到所述速度传感器和所述齿轮齿之间的间隙减小时，所述控制器发起补救措施。
18.一种轴不平衡检测系统，包括：
控制器，所述控制器连接到速度传感器；
所述速度传感器生成与齿轮上的齿的通过相对应的电压脉冲，所述齿轮被附连到压缩机叶轮的轴，所述脉冲具有与所述齿通过所述传感器的时间对应的脉冲宽度；
其中，所述脉冲宽度的变化给所述控制器发信号通知有不平衡。
19.根据权利要求18所述的轴不平衡检测系统，其中所述控制器连接到涡轮增压器，并在检测到所述脉冲宽度的变化时减额运行所述涡轮增压器。
20.根据权利要求19所述的轴不平衡检测系统，其中所述控制器连接到机车发动机，其中，所述控制器在检测到所述脉冲宽度的变化时减额运行所述机车发动机。
21.一种方法，包括：
监测由移动通过检测场的齿轮的齿生成的速度传感器信号，其中，所述齿轮耦连到轴；
检测所述速度传感器信号的变化；以及
基于所述检测的信号变化，确定所述轴的不平衡。
22.根据权利要求21所述的方法，其中监测步骤在所述轴每旋转一次时执行一次。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述速度传感器生成与齿轮齿通过所述检测场对应的脉冲，其中，监测步骤包括检测所述脉冲的幅值或宽度的增加。
24.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括在检测到具有大于预选极限的幅值的脉冲时，发起补救措施。
25.根据权利要求24所述的方法，其中发起补救措施的步骤包括执行以下当中至少一个：记录所述速度信号的任何变化、传输关于所述速度信号的变化的信息、发出警告、补偿所述速度信号的变化以及减额运行所述涡轮增压器。
26.根据权利要求25所述的方法，其中记录的步骤包括将所述速度信号发生变化的时间和速度存储在存储器中。
27.一种车辆，包括：
发动机，所述发动机连接到涡轮增压器；
所述涡轮增压器包括轴、压缩机叶轮和安装在所述轴上的齿轮，其中，所述压缩机叶轮和所述齿轮随所述轴旋转；
所述齿轮具有至少一个齿；
速度传感器，所述速度传感器与所述齿轮感测通信，其中，在所述齿轮和所述传感器之间界定气隙，其中，所述传感器检测所述至少一个齿的通过，并生成与所述至少一个齿通过对应的信号，其中，所述信号具有信号标识；以及
控制器，所述控制器与所述传感器和所述发动机通信，所述控制器监测所述传感器的信号标识以检测所述信号标识的变化。
28.根据权利要求27所述的车辆，其中在检测到所述信号标识的变化时，所述控制器发起补救措施，所述补救措施包括以下当中至少一个：记录所述速度信号的变化、传输关于所述速度信号的变化的信息、发出警告、补偿所述速度信号的变化、减额运行所述涡轮增压器、降低所述发动机产生的马力以及关闭所述涡轮增压器和发动机中的至少一个。
29.一种用于涡轮增压器的轴不平衡检测系统，所述轴不平衡检测系统包括：
控制器，所述控制器连接到速度传感器，所述控制器包括多个指令，所述多个指令配置用于采样来自所述速度传感器的测量的电参数、识别所测量的电参数的频谱以及基于所测量的电参数的所述频谱诊断所述发动机的状况。
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