CN105247336A - 处理从状态监测系统所获得的数据的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于处理从状态监测系统(10)中获得的数据(30)的方法,该方法包括以下步骤:从至少一个传感器(14)中获得声发射(AE)时间波形以及数字解调所述AE时间波形。
Description
技术领域
本发明涉及一种方法、系统和计算机程序产品,用于处理从状态监测系统所获得的数据,该状态监测系统用于监测和可选地预测诸如轴承的部件的剩余寿命,即,用于预测需要或期望服务、更换或翻新(再制造)部件的时刻。
背景技术
状态监测是确定操作过程中机械状态的过程。状态监测能够在失效之前对问题部件进行维修,并且不仅有助于工厂人员减少灾难性故障的可能性,而且还可以让他们提前订购部件、安排人力和在停机期间计划其它维修。
诸如滚动元件轴承的部件通常用在关键应用中,其中,这些部件在服务中的失效将导致最终用户显著的商业损失。从而,重要的是能够预测该轴承的剩余寿命,从而计划以避免在服务中失效的方式来干预,同时最大限度地减少可能由于采用不符合服务的有问题的机械而引起损失,以更换轴承。
滚动元件轴承的剩余寿命一般是由操作使用中重复应力导致的操作表面的疲劳来确定的。滚动元件轴承的疲劳失效由滚动元件表面和相应的轴承座圈表面的逐渐剥落或点蚀导致。剥落和点蚀可能使一个或多个滚动元件不能正常运行,这进而可能产生过多的热量、压力和摩擦。
在与轴承将用于其中的应用中的预期服务类型兼容的计算或预测的剩余寿命的基础上,轴承被选择用于一种特定的应用。然而,认为该类型的寿命预测对于若干原因的维护计划是不充分的。
一个原因是,实际操作状态可能与额定状态有很大不同。另一个原因是,轴承的剩余寿命可能由诸如过载、润滑失效、安装误差等短时事件或意外事件而彻底受损。另一个原因是,即使额定操作状态准确地再现于服务中,疲劳过程的固有随机特性可能会在基本上相同轴承的实际剩余寿命方面引起较大的统计变化。
为了改善维护计划,通常的做法是,监测与诸如轴承的部件在操作使用中所遭受的振动和温度有关的物理量的值,以便能够检测到即将发生的故障的第一个信号。
高频应力波事件伴随着少量材料在非常短的时间内突然位移。当发生冲击、疲劳开裂、划伤或磨损时,在轴承中可能产生高频应力波事件。应力波的频率取决于源的性质和材料特性。因此,声发射(AE)传感器可以用于检测该高频应力波事件,从而提供重要的信息,以有助于故障检测和严重性评估。由于高频率应力波包的色散和衰减,理想的是尽可能的将传感器靠近于起始位点。从而,传感器可以放置在轴承壳体的附近,或放置在轴承壳体上,优选地,放置在负载区域。
此外,润滑膜可能由过大的负载、低粘度润滑剂或颗粒材料污染的润滑剂,或者缺少润滑剂而受损。如果润滑膜以这种方式受损,高频波将通过轴承的滚动接触发出。从而,润滑膜的状态可以通过检测高频应力波来评估,在润滑膜损坏的情况下,该检测高频应力波通过轴承环和周围结构来传播。
在该状态监测系统中,从AE传感器中获得的AE时间波形在发送到中央处理单元(CPU)之前,通常被放大,穿过精密模拟低通滤波器和模拟高通滤波器,解调,穿过抗混叠滤波器,然后通过具有kHz范围内的输入频率的低频模拟数字转换器。该传统模拟包络系统具有以下缺点:高电流、低动态范围、体积大、不适合用于包含在应用特定的集成电路(ASIC)中,以及温度性能不佳。
此外,在状态监测系统中,从至少一个传感器中获得时间波形的形式的数据(即,通常包括许多样本的变化量与时间的曲线图)。这些时间波形通常发送并显示给分析员。然而,这可能导致较长的传输和显示时间并且数据可能难以显示或解释。这些数据的发送、显示以及解释可能要求大量的能量、时间和专业知识,因此降低了进行测量和分析的速度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于处理从状态监测系统所获得的数据的改进方法。该目的通过一种方法来实现,该方法包括以下步骤:从至少一个传感器中获得声发射(AE)时间波形,以及数字解调该AE时间波形。
该方法可以用来代替传统的模拟解调方法,从而避免了涉及传统的模拟解调方法的上述缺点。由于精密过滤是使用数字电路来完成的,而且比传统的模拟解调方法需要更少的运算放大器,从而降低了电流。由于需要较少的模拟滤波器,所以电路较小。模拟整流具有40-50dB的动态范围,而数字整流具有的动态范围可以超过70dB。因为声发射的传输路径可以是有损的,所以数字整流还可以极大地改善电路的性能。此外,由于不需要精确模拟滤波器,因此,不需要精密无源电阻和电容,这些难以在集成电路中制造。
至少一个传感器可以配置成测量高频应力波事件(具有100-500kHz或更高的频率,例如,20kHz-3MZ或更高)。
如本文件中所用的表述“高频应力波事件”是指短的(即,高达5毫秒(ms)的持续时间,通常为1ms的持续时间)“突发”或“包络”的高频应力波(即,100-500kHz或更高),其接收为一单位,即,一波包。该波包可以电子处理,以产生一“包络”,其描述了波包中应力波的持续时间和强度。
根据本发明的一实施例,该方法包括以下步骤:发送,和/或显示和/或存储数字解调的AE时间波形,而不是从至少一个传感器所获得的AE时间波形。该方法避免了对于发送和/或显示来自至少一个传感器的整体AE时间波形的需要,并减少了需要通过仅发送数字解调的信号来发送的数据量。这导致了需要发送和/或显示的数据的显著减少。发送,显示和数据处理时间将会缩短,将需要较少的能量来发送,显示和处理,因此,这导致延长传感器的电池寿命,或降低传感器电池尺寸或发电要求。
在部件被监测和安装不良或不佳的操作手法的情况下,用户将被更加迅速地警告恶化,诸如,如果长此下去将减少部件的剩余寿命的未对中、不平衡、高振动、缺乏润滑,以及污染的润滑剂等可以更快速地识别。
根据本发明的另一实施例,该方法包括以下步骤:在数字解调AE时间波形的步骤之前,传递AE时间波形通过数字高通滤波器(其与通常为100kHz的模拟滤波器具有相同的响应)和数字低通滤波器(例如,其与具有500kHz的截止频率的模拟滤波器也具有相同的响应)。
根据本发明的另一实施例,该方法包括以下步骤:在数字解调AE时间波形的步骤之后,传递AE时间波形通过数字低通滤波器。
根据本发明的一实施例,该方法包括以下步骤:在数字解调AE时间波形的步骤之前,使用抗混叠滤波器(例如,具有通常2kHz的通带)过滤AE时间波形以将AE时间波形的带宽限制成大约满足采样定理。
根据本发明的另一实施例,该方法包括以下步骤:在数字解调AE时间波形的步骤之前,放大AE时间波形。
根据本发明的另一实施例,该方法包括以下步骤:在数字解调AE时间波的步骤之前,传递AE时间波形通过具有MHz范围内的诸如2MHz的输入频率的高频模拟数字转换器(ADC)。
根据本发明的一实施例,该方法包括以下步骤:无线地传递数字解调的AE时间波形通过无线通信网络。
根据本发明的另一实施例,该方法包括以下步骤:在数据库中电子记录数字解调的AE时间波形。
根据本发明的另一实施例,该方法包括以下步骤:数字整流AE时间波形。
根据本发明的另一实施例,状态监测系统布置成监测至少一个轴承,诸如,滚动元件轴承。滚动轴承可以是圆柱滚子轴承、球面滚子轴承、环形滚子轴承、锥形滚子轴承、圆锥滚子轴承或滚针轴承中的任何一种。
本发明还涉及一种计算机程序产品,其包括含有计算机程序代码装置的计算机程序,计算机程序代码装置布置成使计算机或处理器执行根据本发明的任何实施例的方法的步骤,该步骤存储在计算机可读介质或载波上。
本发明还涉及一种用于处理从状态监测系统所获得的数据的系统,状态监测系统包括布置成提供声发射(AE)时间波形的至少一个传感器。该系统包括处理单元,其配置成执行根据本发明的任何实施例的方法的至少一个步骤。
根据本发明的实施例,该处理单元布置在诸如应用特定的集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)的集成电路(IC)中。
应当注意的是,在该部件制造期间、在该部件制造之后且该部件使用之前、在该部件使用期间、在该部件不使用期间和/或在该部件的运输期间,根据本发明的方法、计算机程序和系统可以用于监测诸如轴承的至少一个部件。从而,可以产生部件的完整历史记录日志。因此,由于具有条件状态和/或从其所有的方式的完全制造开始直至目前积累在部件的寿命上的剩余寿命数据,关于其寿命周期的任何一点的个体部件的剩余寿命,可以更准确的进行预测。可以通知分析员或终端用户的相关事实包括建议更换或翻新部件的时间。
根据本发明的方法、系统和计算机程序产品可以用于监测和可选地预测的诸如轴承的至少一个部件的剩余寿命,该部件用于汽车、航空、铁路、采矿、风力、船舶、金属生产和其它机械应用,其需要高耐磨损性和/或增加的疲劳和拉伸强度。
附图说明
下面,参照所附的附图,本发明将通过非限制性示例来进一步进行说明,其中:
图1示出了根据本发明的一实施例的系统,
图2是示出根据现有技术的方法的步骤的流程图,以及
图3是示出根据本发明的一实施例的方法的步骤的流程图。
应当注意的是,附图没有按比例绘制,并且为清晰起见,某些特征的尺寸被放大。
此外,只要没有冲突,本发明的一个实施例的任何特征可以与本发明的任何其它实施例的任何其它特征进行组合。
具体实施方式
图1示出了一种系统10,其用于监视状态并且可选地预测其使用期间的多个轴承12的剩余寿命。所示实施例示出了两个滚动元件轴承12,然而,根据本发明的系统10可以用于监视并且可选地预测任何类型的一个或多个部件的剩余寿命,并且这些部件不需要具有相同类型或尺寸。系统10包括多个传感器14,其配置成获得涉及影响每个轴承12的剩余寿命的一个或多个因素的数据。传感器14可以与轴承12集成在一起,其可以放置在轴承12的附近或远离该轴承。
可以使用根据本发明的一实施例的系统或方法进行监测的轴承12的内圈和/或外圈可以是任何大小的,并具有任何承载能力。例如,内圈和/或外圈可以具有高达数米的直径和高达几千吨的承载能力。
系统10包括多个AE传感器14,其配置成测量高频应力波事件(具有100-500kHz或更高的频率,例如,20kHz-3Mz或更高)。数据可以周期性地、基本上连续地、随机地、根据要求或在任何合适的时间来获得。
传感器14可以嵌入在轴承圈中或外部地附接至轴承壳体以监测润滑状态。润滑剂可以被若干方式的污染降解。例如,润滑剂膜可能不能保护轴承12不受腐蚀,可能由于其水分含量或者夹带的腐蚀性材料,例如,酸、盐等。作为另一示例,润滑膜可能被对轴承滚道有研磨效果的固体材料污染。润滑膜还可能由过大的负载、低粘度润滑剂或颗粒材料污染的润滑剂或者缺少润滑剂而受损。润滑膜的状态可以通过检测高频应力波来评估,在润滑膜损坏的情况下,该检测高频应力波通过轴承环和周围结构来传播。
在所示的实施例中,系统10包括:处理单元16,其布置成数字解调AE时间波形;以及发送装置18,其布置成将数字解调AE时间波形发送到用户或分析员所用的显示器装置20和/或CPU或设备22,和/或可以电子记录所解调的AE时间波形的数据库24。数据可以发送至传感器14并从传感器14发送,并且可以通过无线通信网络以有线或无线(26)的方式发送至处理装置16并从处理装置16发送。
数据库20可以由轴承12的制造商来维持。对于一整批轴承12,聚集在数据库20中的剩余寿命数能够使制造商提取进一步的信息,例如,关于相对剩余寿命变化率的使用类型或环境之间的关系,以便进一步提高对于最终用户的服务。
系统10还可以包括预测单元(未示出),其配置成使用数据库24中所记录的数据和数学剩余寿命预测模型来预测每个轴承12的剩余寿命。
应当注意的是,并不是系统10的所有部件必须位于轴承12附近。例如,数据库24和/或用户设备22可以位于远程位置,并与位于相对于轴承12的相同或不同位置的至少一个数据处理单元16通过服务器进行通信。
还应当注意的是,至少一个数据处理单元16、发送装置18和/或数据库24不必一定是单独的单元,而可以以任何合适的方式进行组合。例如,可以使用个人计算机进行涉及本发明的方法。
数字解调的AE时间波形可以用于进行轴承12的剩余寿命的预测。一旦进行了该预测,则可以在显示装置20上显示和/或发送至CPU或用户设备22、轴承制造商、数据库20和/或另一预测单元。对于由系统10所监测的服务、更换或翻新一个或多个轴承12为可取时的通知可以以任何合适的方式进行,诸如,经由通信网络、经由电子邮件或电话呼叫、信函、传真、报警信号或代表制造商的访问。
轴承12剩余寿命的预测可以用于通知用户其应该更换轴承12的时间。当干预(例如,包括工厂产出的劳动力、材料和损失)的费用是通过降低隐含在持续操作中的风险成本来证明合理时,对于更换轴承12的干预是合理的。风险成本可以被计算,一方面作为服务中失效概率的产品,并且另一方面作为由服务中的该失效所引起的经济处罚。
图2是示出根据现有技术的模拟解调方法的步骤的流程图。传统方法包括以下步骤:从AE传感器14中获得AE时间波形,在将其发送到中央处理单元(CPU)之前,放大AE时间波形以增加增益,传递AE时间波形通过精密模拟低通滤波器和模拟高通滤波器,模拟解调AE时间波形,传递AE时间波形通过抗混叠滤波器,然后通过具有kHz范围内的输入频率的低频模拟数字转换器(ADC)。
该传统模拟解调的目的是在模拟带通通道上以不同的频率来传递模拟基带(或低通)信号,例如,在kHz范围内的有限的频带上传递。该方法适于振动测量而不适于声发射(AE)的测量,因为在AE测量中所涉及的频率远高于振动测量中的频率,并且需要的采样率比振动测量中所使用的采样速率高至少十倍。
图3是示出根据本发明的一实施例的数字解调方法的步骤的流程图。该方法包括以下步骤:从AE传感器14中获得AE时间波形,放大AE时间波形以增加增益,传递AE时间波形通过抗混叠滤波器,传递AE时间波形通过具有MHz范围内的输入频率的高频模拟数字转换器(ADC),传递AE时间波形通过数字高通滤波器和数字低通滤波器,数字解调AE时间波形,传递数字解调的AE时间波形通过数字低通滤波器,以及将数字解调的AE时间波形发送到中央处理单元(CPU)。
应当注意的是,数字解调步骤之前和之后的某些步骤可以省略。所执行的某些或所有步骤的顺序也可以改变。
该方法可以由根据本发明的系统来执行,其中,必要的部件布置在集成电路上,诸如,ASIC或FPGA。传统的模拟包络已用于降低输入信号的带宽,例如,从约500kHz降低到约5kHz。有史以来一直难以在频率高于1MHz时采样。然而,根据本发明的方法使用与功率有效数字抽取组合的低功耗、高速模拟数字转换器(ADC)来产生更精确的结果。
传统模拟包络的一个关键问题是整流电路的线性度,其在较低水平时是不佳的。产品的数字整流装置的动态范围会大大减少。重要的是,声发射的衰减可以是现实世界中的变量。不佳的动态范围意味着,可能错过描绘问题的AE时间波形。
对于本领域技术人员来说,权利要求范围之内的本发明的进一步的修改将是显而易见的。尽管所描述的实施例涉及一种用于监测诸如轴承的至少一个部件的方法、系统和计算机程序产品,该方法、系统和计算机程序产品可以用于监测和可选地预测诸如齿轮的旋转机械的另一部件的剩余寿命。
Claims (14)
1.一种用于处理从状态监测系统(10)中所获得的数据(30)的方法,其包括从至少一个传感器(14)中获得声发射(AE)时间波形的步骤,其特征在于,其包括数字解调所述AE时间波形的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,其包括以下步骤:发送、和/或显示和/或存储所述数字解调的AE时间波形,而不是从所述至少一个传感器(14)中获得的AE时间波形。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,其包括以下步骤:在数字解调所述AE时间波形的所述步骤之前,传递所述AE时间波形通过数字高通滤波器和数字低通滤波器。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,其包括以下步骤:在数字解调所述AE时间波形的所述步骤之后,传递所述AE时间波形通过数字低通滤波器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,其包括以下步骤:在数字解调所述AE时间波形的所述步骤之前,使用抗混叠滤波器过滤所述AE时间波形。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,其包括以下步骤:在数字解调所述AE时间波形的所述步骤之前,放大所述AE时间波形。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,其包括以下步骤:在数字解调所述AE时间波的所述步骤之前,传递所述AE时间波形通过具有MHz范围内的输入频率的高频模拟数字转换器(ADC)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,其包括以下步骤:无线地(26)传递所述数字解调的AE时间波形通过无线通信网络。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,其包括以下步骤:在数据库(24)中电子记录所述数字解调的AE时间波形。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,其包括以下步骤:数字整流所述AE时间波形。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述状态监测系统(10)布置成监测至少一个轴承(12),诸如,滚动元件轴承。
12.一种计算机程序产品,其特征在于,其包括含有计算机程序代码装置的计算机程序,所述计算机程序代码装置布置成使计算机或处理器执行存储在计算机可读介质或载波上的根据前述权利要求中任一项方法的步骤。
13.一种用于处理从状态监测系统(10)所获得的数据(30)的系统,所述状态监测系统(10)包括布置成提供声发射(AE)时间波形的至少一个传感器(14),其特征在于,所述系统(10)包括处理单元(16),其配置成执行根据权利要求1至11中任一项方法的至少一个步骤。
14.根据权利要求13所述的系统(10),其特征在于,所述处理单元(16)布置在诸如应用特定的集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)的集成电路(IC)中。
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