CN108027358A - 变速箱部件和润滑剂条件监测系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于变速箱(22、24、26)的监测系统(30)，其具有至少一个旋转部件，该至少一个旋转部件具有设计寿命和至少一个设计参数。监测系统可以包括配置为生成指示与至少一个旋转部件相关联的速度的第一信号的第一传感器(32、34)、配置为生成指示与旋转部件相关联的扭矩的第二信号的第二传感器(36)以及电连接至第一和第二传感器的控制器(46)。控制器可以配置为在一段操作时间内基于设计寿命、至少一个设计参数以及第一和第二信号确定至少一个旋转部件的剩余寿命，并且基于剩余寿命生成维护信号。

Description

变速箱部件和润滑剂条件监测系统
技术领域
本发明总体上涉及监测系统，且更具体地涉及变速箱部件和润滑剂条件监测系统。
发明背景
许多移动和固定机器采用将机械能从输入端传输到输出端以执行各种任务的驱动系统。在期望对某些驱动系统输出参数(例如速度、扭矩、旋转或行进方向等)进行控制的情况下，诸如变速箱的机械装置通常连接在驱动系统的输入端和输出端之间。变速箱通常包括多个一起工作以传输动力的部件，诸如在密封容器中受到保护不受其周围环境的影响的齿轮、轴和轴承。变速箱内的部件通常浸入润滑剂中或与润滑剂一起供应，以减少摩擦并在操作期间保持内部部件冷却。随着时间推移，变速箱内的部件会发生磨损和/或故障，并且润滑剂可以降解或被碎屑污染，从而需要定期维护和/或更换。
变速箱的维护和更换要求相关联机器暂时停止使用，这可能会降低生产率。减少生产率损失的一种方式是通过在预期停机时间期间内定期地执行计划维护来减少意外部件故障的可能性。然而，某些操作实践和恶劣的操作条件可能会加速变速箱部件和润滑剂的磨损，导致需要进行非计划的维护和/或维修。由于广泛变化的操作实践和工作地点条件，预测何时将需要进行非计划维护或维修可能会很困难。
在2012年2月2日公布的Luo等人的美国专利申请公开第2012/0025526 A1号(’526公开)中描述了一种监测变速箱的健康和性能的尝试。’526公开描述了一种用于风力涡轮机的变速箱监测系统，该风力涡轮机具有附接至用于驱动发电机的轴的旋转叶片。轴经由变速箱连接至发电机。与变速箱相关联的多个传感器测量风力涡轮机操作期间的变速箱性能。这些传感器包括测量轴速度的转速计、测量涡轮所经受的扭矩的应变计、附接至检测机械振动的轴承的加速度计、轴承温度传感器以及测量变速箱润滑剂中碎屑的油颗粒计数器。连接至每个传感器的计算机将来自传感器的信号与设计限制进行比较，并在操作条件超出设计限制时生成警告。当来自传感器的信号超过阈值时，控制器还可以确定变速箱部件损坏，并且当检测到损坏时自动关闭涡轮。
虽然’526公开的系统可以能够确定变速箱的性能何时超过其设计参数或已被损坏，但它可能不是最佳的。特别地，’526公开的系统可以允许操作者知道在发生损坏后变速箱何时需要维护和维修。进一步，’526公开的系统只能传达当前性能参数是否在设计限制内方面的变速箱的健康，并且可能不会考虑变速箱健康的其它方面和/或因素。
本发明的监测系统解决了现有技术的上述一个或多个问题和/或其它问题。
发明内容
在一个方面中，本发明涉及用于具有至少一个旋转部件的变速箱的监测系统，该至少一个旋转部件具有设计寿命和至少一个设计参数。监测系统可以包括配置为生成指示与至少一个旋转部件相关联的速度的第一信号的第一传感器、配置为生成指示与旋转部件相关联的扭矩的第二信号的第二传感器以及电连接至第一和第二传感器的控制器。控制器可以配置为在一段操作时间内基于设计寿命、至少一个设计参数以及第一和第二信号确定至少一个旋转部件的剩余寿命，并且基于剩余寿命生成维护信号。
在另一个方面中，本发明涉及监测具有至少一个旋转部件的变速箱的方法，该至少一个旋转部件具有设计寿命和至少一个设计参数。该方法可以包括在一段操作时间内确定与至少一个旋转部件相关联的速度、确定与旋转部件相关联的扭矩以及基于设计寿命、至少一个设计参数和与至少一个旋转部件相关联的速度和扭矩确定至少一个旋转部件的剩余寿命。该方法可以进一步包括基于剩余寿命生成维护信号。
在再一个方面中，本发明涉及用于具有至少一个旋转部件的变速箱的监测系统，该至少一个旋转部件具有设计寿命和至少一个设计参数。监测系统可以包括配置为生成指示与至少一个旋转部件相关联的速度的第一信号的第一传感器、配置为生成指示与旋转部件相关联的扭矩的第二信号的第二传感器、配置为生成指示至少一个旋转部件上的垂直负载的第三信号的第三传感器以及电连接至第一、第二和第三传感器的控制器。控制器可以配置为在一段操作时间内基于设计寿命、至少一个设计参数以及第一、第二和第三信号确定至少一个旋转部件的剩余寿命。至少一个设计参数可以包括设计扭矩、设计速度和设计负载中的一个或多个。控制器可以进一步配置为基于剩余寿命生成维护信号，其中维护信号指示在变速箱达到设计寿命之前执行变速箱维护的需要。
附图说明
图1是结合示例性公开的监测系统的机器的示意图；以及
图2是可以结合图1的监测系统使用的示例性控制器和数据输入的示意图。
具体实施方式
图1示出了示例性移动机器10。机器10可以执行与诸如采矿、建筑、农业、运输或任何其它行业的行业相关联的某种类型的操作。例如，机器10可以是运土机，诸如非公路拖运卡车、轮式装载机、自动平地机或任何其它合适的运土机。机器10可以替代地体现为公路专用卡车、客运车辆或任何其它操作执行机器。尽管机器10在图1中体现为非公路拖运卡车，但是应当理解的是，机器10可以体现为固定类型的机器，诸如钻井系统、泵送系统、风力涡轮机、波能转换器或者具有机械能输入和/或输出的任何其它机器。机器10特别可以包括连接至机器10的主体13的机架12、安装至机架12的动力源14、由动力源14驱动的驱动系统16、连接至机架12并且由驱动系统16驱动的一个或多个牵引装置18以及安装至机架12用于控制机器10的操作的操作者站20。
动力源14可以配置为产生动力输出并且可以是内燃机。例如，动力源14可以是柴油发动机、汽油发动机、气体燃料动力发动机或任何其它类型的发动机。应当理解，动力源14可以替代地是非燃烧动力源，诸如例如电池、燃料电池、马达(例如由电、风、波浪、流体电流等驱动)，或任何其它类型的非燃烧动力源。
悬挂装置21可以将驱动系统16连接至机架12并且允许机架12相对于驱动系统16的缓冲运动。悬挂装置21可以包括响应于机架12上的变化的垂直负载而收缩和扩展的弹性部件(例如弹簧、柔性流体室、液压或气压缸等)。例如，悬挂装置21可以包括机械弹簧(例如片簧、螺旋弹簧等)和/或包含可压缩流体(例如空气)和/或不可压缩流体(例如液压流体、油等)的流体系统。悬挂装置21可以响应于增加的负载(即倾向于推动机架12和驱动系统16朝向彼此的力)而收缩并且响应于减小的负载而扩展。例如，当用有效载荷材料填充机器10时，材料的重量可以在悬挂装置21上施加垂直负载LV，使其收缩。当材料从机器10排空时，悬挂装置21可以扩展至其先前位置。在另一种情况下，当机器10越过导致机器10在垂直方向上跳动或摇晃的崎岖地形时，悬挂装置21可以在机器10突然向上或向下摇晃时收缩，并且在其弹性部件的力的作用下扩展至其先前位置。
驱动系统16可以配置为经由一个或多个变速箱22-26将来自动力源14的动力输出传递至牵引装置18。变速箱22-26可以配置为接收动力源14的输出并且共同驱动具有期望输出特性的牵引装置18。变速箱22-26每个可以包括至少一个旋转部件(例如齿轮、轴承、轴等-未示出)，该至少一个旋转部件含在壳体内并且配置为将机械动力从输入端转换、传递和/或传输至输出端。
变速箱22-26可以包括变速器22、差速器24以及一个或多个主减速器单元26(图1中仅示出一个)。尽管它们在图1中被示为独立单元，但是变速箱22-26可以替代地结合在单轮轴或后端部组件中。驱动系统16可以包括比上述变速箱22-26更少或不同类型的变速箱。例如，在其它实施例中，驱动系统16还可以或者替代地包括前轮轴组件，该前轮轴组件具有经由前差速器和/或分动箱连接至变速器22或动力源14的一个或多个主减速器单元，以驱动一个或多个前端部牵引装置。应当理解，驱动系统16的其它配置也是可能的。
变速器22可以包括相互作用以将来自动力源14的动力传输至牵引装置18的多个部件。例如，变速器22可以体现为具有多个齿轮(未示出)的多速双向机械变速器，其能够选择为改变变速器22的输出速度和扭矩。变速器22的齿轮和其它部件(例如轴承、密封件、阀等)可以通过连接至变速器22的润滑剂系统(未示出)来润滑和冷却。润滑剂系统可以包括用于容纳润滑剂(例如润滑油或其它流体)的贮槽、泵、过滤器和冷却装置(例如热交换器)。随着时间推移，碎屑颗粒和其它污染物可能积聚在变速器22的润滑剂中。碎屑颗粒可以包括在变速器22内生成的磨损颗粒(即由磨损和/或故障引起的齿轮和轴承脱落的颗粒)和外部污染物(例如尘土、沙子、灰尘、来自其它流体回路的流体等)。碎屑颗粒随着时间的积累和/或轴承和密封件的故障可能需要定期更换润滑剂和/或变速器22。
变速器22可以是单离合器自动变速器，并且可以经由变矩器27耦合至动力源14。在其它实施例中，变速器22可以体现为另一种类型的自动变速器，诸如多离合器自动变速器。变速器22可以替代地体现为手动换档变速器并且包括经由手动操作的离合器和齿轮选择器能够连接至动力源14的多个档位。应当理解，变速器22可以体现为用于在动力源14与牵引装置18之间传递机械能的任何合适类型的变速器。
差速器24可以包括相互作用以将来自变速器22的动力传输至驱动系统16的其它部件的多个旋转部件(例如齿轮、轴承、轴等)。例如，差速器24可以配置为经由轴28接收来自变速器22的动力，该轴28以一定速度和由变速器22的设置确定的一定量的扭矩旋转。差速器24可以配置为(例如，经由一组齿轮)创建围绕不平行于轴28(例如垂直于轴28)的轴线的旋转。
差速器24还可以包含用于冷却和减少其中的齿轮和轴承的磨损的润滑剂。润滑剂可以经由可以包括贮槽、泵、过滤器、冷却装置等的外部润滑剂系统输送至差速器24。替代地，差速器24内的润滑剂可以仅仅包含在差速器24内。随着时间推移，磨损颗粒和外部碎屑颗粒(例如尘土、其它流体等)可能污染润滑剂并且需要定期更换差速器24的润滑剂或部件。
主减速器26可以包括相互作用以将动力从差速器24传输至牵引装置18的多个旋转部件(例如齿轮、轴承、轴等)。主减速器26可以包括具有变速比的一组齿轮(例如行星齿轮或其它类型的齿轮)，其配置为降低牵引装置18的速度并且增加牵引装置18的扭矩输出。独立主减速器26可以被分配给每个牵引装置18。
主减速器26还可以包含用于冷却和减少其中的齿轮和轴承的磨损的润滑剂。润滑剂可以经由专用润滑剂系统输送至主减速器26，该专用润滑剂系统可以包括贮槽、泵、过滤器、冷却装置等。替代地，主减速器26可以共享差速器24和/或变速器22的润滑剂系统。在一些实施例中，用于主减速器26的润滑剂可以仅仅包含在主减速器26内。随着时间推移，诸如磨损颗粒(例如从齿轮、轴承等脱落的颗粒)和外部碎屑颗粒(例如尘土、其它流体等)的碎屑颗粒可能污染润滑剂并且需要定期更换主减速器26的润滑剂或部件。
变速箱22-26内的每个旋转部件可以具有相关联的设计寿命θD和至少一个相关联的设计参数，维护人员可以使用设计参数来估计在经过操作时间段之后的每个旋转部件的剩余寿命并且开发定期维护计划。旋转部件的设计寿命θD可以是时间量或诸如距离、转数、循环次数等的其它性能度量，根据性能度量，部件被设计或预期在至少一个设计参数下正常地起作用。
设计参数可以是旋转部件被设计为承受并实现其设计寿命的一个或多个特定操作参数(例如扭矩、旋转或线性速度、径向或轴向负载、温度等)。例如，在给定径向负载L下以给定速度s并以给定扭矩τ驱动的旋转部件(例如齿轮或轴承)可以被设计或预期为在其开始不正常地起作用或发生故障之前在一定量的操作时间内正常地起作用。当操作参数保持稳定并且等于设计参数时，旋转部件的剩余寿命θR可以被确定为设计寿命θD与经过的操作时间之间的差值，诸如自前次维护访问以来的时间。由于操作参数改变，旋转部件的剩余寿命θR可以是一个或多个操作参数的函数，并且可以大于或小于阈值时间段，诸如直到下一个定期计划的服务日期的时间量。
图2示出了变速箱监测系统30，其可以与一个或多个变速箱22-26相关联并且配置为估计具有相关联变速箱22-26的旋转部件的剩余寿命θR。变速箱监测系统30可以包括多个传感器32-36、40-44以及与一个或多个变速箱22-26相关联并且贯穿驱动系统16和/或机器10定位的润滑剂监测系统。传感器32-36、40-44和润滑剂监测系统38可以配置为生成指示动力源14、驱动系统16(例如变速箱22-26)、悬挂装置21和机器10周围的环境条件中的一个或多个的操作参数的信号。传感器32-36、40-44和润滑剂监测系统38可以电连接至控制器46，该控制器46配置为接收来自每个传感器32-36、40-44和润滑剂监测系统38的信号。控制器46可以配置为确定变速箱22-26内的旋转部件的剩余寿命。通过控制器46接收和生成的数据可以经由电连接至控制器46的通信装置50被传输至诸如非车载计算机48的非车载实体。
变速箱监测系统30可以包括第一速度传感器32，该第一速度传感器32配置为生成指示与变速箱22-26的至少一个旋转部件相关联的速度s的信号。虽然速度传感器32在图2中示出为与轴28相关联，但应该理解，附加的速度传感器可以与驱动系统16的其它部件相关联。速度传感器32生成的信号可以指示一个或多个变速箱22-26和/或相关联的旋转部件的输入速度。也就是说，速度传感器32可以配置为检测驱动系统16的部件的旋转速度(例如，变速器22的输出速度、轴28的速度、差速器24的输入速度等)，该旋转速度可以用于基于相关联的变速比来确定驱动系统16的另一部件的输入速度(例如主减速器26的输入速度、主减速器26内的旋转部件的速度等)。
在一些实施例中，变速箱监测系统30还可以或者替代地包括第二速度传感器34，该第二速度传感器34配置为生成指示与变速箱22-26的至少一个旋转部件相关联的速度s的信号。例如，速度传感器34可以是与牵引装置18(参照图1)相关联的轮速传感器。由速度传感器34生成的信号可以指示牵引装置18的旋转速度并且可以用于基于例如牵引装置18的半径和与变速箱22-26相关联的变速比来确定变速箱22-26的旋转部件的速度s。应当理解，可以使用位于整个驱动系统16的其它位置处的其它速度传感器。
变速箱监测系统30还可以包括扭矩传感器36，该扭矩传感器36配置为生成指示或用于确定与变速箱22-26的一个或多个旋转部件相关联的扭矩τ的信号。例如，扭矩传感器36可以包括一个或多个传感器，诸如结合存储在控制器46内的发动机速度-扭矩映射图使用的发动机速度传感器。也就是说，扭矩传感器36可以经由映射图或查找表生成指示发动机输出扭矩的发动机速度信号。映射图或查找表可以结合诸如百分比发动机负载的其它参数(例如基于燃料流速或其它燃料消耗参数、节气门位置等)和其它部件(例如变矩器27、变速器22、主减速器26等)的旋转速度将发动机速度与扭矩关联。例如，扭矩τ可以基于发动机扭矩(例如，基于发动机扭矩映射图)和变矩器27的输入速度-输出速度比来确定。如果需要，可以使用确定扭矩τ的其它方式。
在一些实施例中，扭矩传感器36可以包括与驱动系统16的一个或多个其它部件(例如，变矩器27、变速器22、轴28、主减速器26等)相关联的一个或多个附加传感器。例如，扭矩传感器36可以包括配置为确定变矩器27的输入速度的附加传感器。输入速度可以替代地基于来自发动机速度传感器的信号来确定。扭矩传感器36也可以包括配置为生成指示变矩器27的输出速度的信号的附加传感器。变矩器27的输出速度可以经由配置为测量变矩器27或据其可以确定变矩器27的输出速度的另一部件(例如，变速器22、主减速器26等)的输出速度的传感器来确定。
在一些实施例中，扭矩传感器36可以配置为直接测量扭矩值。例如，扭矩传感器36可以是应变计、非接触扭矩变换器(例如，磁性传感器、基于遥测的传感器等)或附接至驱动系统16的部件或与驱动系统16的部件相关联的其它类型的扭矩传感器。从驱动系统16的一个部件测量的扭矩τ可以用于基于相关联的变速比和/或速度测量来确定驱动系统16的另一部件或者变速箱22-26的旋转部件的扭矩输入。
变速箱监测系统30也可以包括润滑剂监测系统38，该润滑剂监测系统38配置为生成指示与变速箱22-26相关联的润滑剂条件的一个或多个信号。例如，润滑剂监测系统38可以配置为测量变速箱22-26的润滑剂中的碎屑颗粒的浓度和尺寸。当变速箱22-26内的旋转部件(例如齿轮、轴承等)磨损和/或发生故障并且脱落碎屑颗粒时，润滑剂中的碎屑颗粒的浓度可以指示旋转部件和/或其中的润滑剂的剩余寿命θR。尽管润滑剂监测系统38在图2的示例中与主减速器26相关联，但应当理解，润滑剂监测系统38可以与任何一个或多个变速箱22-26相关联。
润滑剂监测系统38可以包括颗粒传感器，诸如配置为使用光源来照亮并计数通过检测室的单个颗粒的光学传感器。润滑剂监测系统38可以进一步配置为确定每个计数颗粒的尺寸并且根据一定尺寸范围内的其尺寸或尺寸分布对计数颗粒进行制表。例如，润滑剂监测系统38可以配置为对从1到100μm范围内的碎屑颗粒计数。然而，应当理解，如果需要，润滑剂监测系统38可以配置为计数小于1μm和/或大于100μm的碎屑。润滑剂监测系统38可以以任何合适的格式报告颗粒数据，诸如每毫升润滑剂的特定尺寸的颗粒数量。替代地，碎屑颗粒的浓度可以报告为由国际标准化组织(ISO)提供的代码系统的编号。ISO代码编号可以指示特定分布或浓度范围，其中碎屑颗粒的给定尺寸包括所测量的浓度。在其它实施例中，润滑剂监测系统38可以包括电磁传感器、电介质传感器或用于确定润滑剂中的碎屑颗粒浓度或其它重要润滑剂参数的其它类型的传感器。
变速箱监测系统30也可以包括温度传感器40，该温度传感器40配置为生成指示与变速箱22-26内的润滑剂和/或旋转部件相关联的温度的信号。例如，温度传感器40可以浸入变速箱润滑剂内并且配置为确定润滑剂温度。在一些实施例中，润滑剂温度可以用于确定变速箱22-26内的旋转部件的温度。温度传感器40也可以或替代地与变速箱22-26内的各个旋转部件相关联，以直接测量旋转部件的温度。在一些实施例中，温度传感器40可以与润滑剂监测系统38结合或形成单个传感器单元。
变速箱监测系统也可以包括负载传感器42，该负载传感器42配置为生成指示一个或多个变速箱22-26和/或其中的旋转部件上的垂直负载LV的信号。负载传感器42可以与悬挂装置21相关联并且配置为测量通过悬挂装置21从机架12传递至变速箱22-26的垂直负载LV。例如，负载传感器可以是设置在悬挂装置21的内部或外部的位置传感器，其配置为测量悬挂装置21相对于参考位置的位移或其中的流体压力。由负载传感器42生成的信号可以被校准以指示变速箱22-26经历的垂直负载(例如有效载荷重量、机架重量、摇晃力等)。在其它实施例中，负载传感器42可以是力或压力变换器，诸如负载测量元件、应变计、压力变换器或配置为测量通过悬挂装置21施加到变速箱22-26的向下力的其它传感装置。
变速箱监测系统30可以包括一个或多个附加传感器44，该一个或多个附加传感器44配置为生成指示环境参数和/或其它机器参数的信号。例如，传感器44可以包括环境温度传感器、湿度传感器、倾斜仪、节气门位置传感器、燃料流量传感器等。由传感器44生成的信号可以指示变速箱22-26和其中的旋转部件所经历的附加负载。
控制器46可以配置为确定变速箱22-26内的至少一个旋转部件(例如，至少一个轴、轴承、齿轮等)的剩余寿命θR。控制器46可以配置为基于旋转部件的设计寿命θD、旋转部件的至少一个设计参数以及由一个或多个传感器32-36、40-44和润滑剂监测系统38在一段操作时间内生成的信号来确定至少一个旋转部件的剩余寿命θR。控制器46也可以配置为基于剩余寿命生成维护信号。
控制器46可以体现为可以包含在单个外壳内或者彼此隔开一定距离定位的一个或多个微处理器、计算机和/或模块。许多能够商购的微处理器、计算机和/或模块可以配置为执行控制器46的功能。应当理解，控制器46可以容易地体现为能够控制多种机器功能的通用机器控制器。控制器46也可以包括用于存储数据、模型、算法、映射图以及其它类型的数据、指令和信息的存储器(例如RAM、ROM、闪存盘、硬盘驱动器、CD、DVD、磁盘或磁带等)。各种其它电路可以与控制器46相关联，包括电源电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路、通信电路和其它适当的电路。
控制器46可以在其存储器内存储与变速箱22-26内的旋转部件相关联的设计参数和其它信息。设计参数可以包括在对应的设计寿命(例如小时数、英里数、天数、年数等)期间变速箱22-26内的旋转部件可以设计为承受的操作参数(例如扭矩、速度、温度、湿度、径向力、振动次数等)。设计参数可以是单个固定值、值范围或平均值(即代表一段时间内的平均操作参数的值)。
旋转部件的设计寿命θD可以代表直到相应的旋转部件需要维护和/或更换的操作时间的允许时间段。旋转部件的设计寿命θD可以是在设计参数下花费的操作时间的函数。也就是说，具有例如2000小时的设计寿命θD的旋转部件可能预期在以其相应的设计速度sD、设计扭矩τD、设计负载LD和/或其它设计参数操作2000小时之后需要维护或更换。当一个或多个变速箱22-26包括多个旋转部件时，旋转部件之中的最短设计寿命θD可以等于相应变速箱22-26的设计寿命θD并且代表直到需要维护或维修的最短预期时间。
与变速箱22-26内的旋转部件相关联的其它信息可以包括齿轮数量、变速比、齿轮尺寸、轴承尺寸、轴尺寸等。当变速箱22-26具有多个可选齿轮时，控制器46可以存储与每个可能的齿轮设置或齿轮组合相关联的变速比。与变速箱22-26的旋转部件相关联的信息可以在组装机器10期间存储在控制器46内，并且可以由服务技术员或其它个人经由计算机化连接来更新。
因为实际操作参数并不总是等于旋转部件的设计参数，所以通过从设计寿命θD中减去操作时间的量可能不能精确地确定旋转部件的剩余寿命θR。也就是说，取决于一个或多个机器操作者的变化的操作实践、变化的环境条件、变化的工作地点条件等，实际操作参数可以高于或低于设计参数，这可以增加或减少直到需要维护或更换旋转部件的时间量。因此，可能进行非预期或不必要的维护，这可以降低操作的整体效率。
为帮助促进有效的维护和维修调度，控制器46可以基于旋转部件的设计寿命θD和至少一个设计参数以及由一个或多个传感器32-36、40-44和润滑剂监测系统38在一段操作时间内生成的信号来确定旋转部件的剩余寿命θR。例如，控制器46可以在样本周期时间间隔Δt内连续地确定实际操作参数与设计参数的一个或多个比率，并且确定已经消耗的设计寿命θD的归一化分数θC。当实际操作参数不等于设计参数时，可以使用下面的等式1和等式2来确定已消耗的设计寿命θD的归一化分数θC和旋转部件的剩余寿命θR：
等式1
等式2 θR＝(1-θC)×θD
其中，x、y和C是经验确定的常数。应当理解，如果需要，可以将其它或附加的设计参数并入到等式1中。如等式1和等式2所示，控制器46可以配置为基于与旋转部件相关联的速度s与设计速度sD的比率以及与旋转部件相关联的扭矩τ与设计扭矩τD的比率中的一个或多个来确定剩余寿命θR。控制器46也可以基于样本周期时间间隔Δt与设计寿命θD的比率来确定剩余寿命θR。应当理解，如果需要，可以使用与其它或附加参数相关联的其它或附加比率。
当实际操作参数(例如实际扭矩τ、实际速度s等)不等于设计参数(例如τD、sD等)时，控制器46可以使用等式1来确定在一个或多个时间间隔Δt内消耗的设计寿命θD的归一化分数θC的累积和。然后控制器46可以使用等式2来基于在等式1中确定的累积和来确定旋转部件相对于其设计寿命θD的剩余寿命θR。按此方式，由于实际扭矩τ和速度s响应于机器10在操作期间的使用严重程度的变化而改变，所以可以更准确地确定变速箱22-26内的旋转部件的剩余寿命θR，由此允许临时维护计划根据需要调整到更早或更晚的日期。这可以通过延长尚未完全磨损的零件的使用来提高操作的整体效率，同时在非预期故障发生之前减少过早磨损零件的使用。
控制器46也可以配置为确定经历多面径向负载L的与驱动系统16相关联的某些旋转部件的剩余寿命θR，诸如轮轴承(未示出)。例如，机架12的重量、机器10承载的有效载荷和/或其它力可以对某些旋转部件贡献垂直负载LV。垂直负载LV可以包括由机器10的重力和/或垂直移动变化引起的力(例如，当机器10在崎岖表面上行进时上下摇晃时)。附加负载可以包括可以与用于驱动机器10的扭矩τ和/或用于减慢机器10的力相关联的牵引力负载LT。牵引力负载LT可以包括在平行于机器10的行进方向的方向上旋转部件经历的力。由此，控制器46可以配置为部分地基于诸如垂直负载LV和/或牵引负载LT的负载组合来确定旋转部件上的径向负载L，作为使用以下等式3的矢量和：
等式3：
尽管等式3示出了基于LV和LT来确定径向负载L的量值的一种方式，但是应当理解，可以使用不同的等式来确定径向负载L。例如，当LV和LT不垂直时，将LV和LT彼此分开和/或与参考平面或轴分开的角度可以被确定并且用于计算径向负载L的量值。径向负载L被理解为作用在旋转部件22-26上的总径向力，并且因此可以根据传感器配置、机器10的定向和/或其它几何考虑来计算。
控制器46可以配置为基于由负载传感器42生成的信号来确定垂直负载LV。来自负载传感器42的信号可以与一个或多个牵引装置18相关联地被接收，从而允许考虑到由于机器10内的不均匀有效载荷分布而导致的旋转部件磨损的影响，这可能导致一侧的部件(例如左侧、右侧、前面、后面)磨损比其它的快。在其它实施例中，控制器46也可以或者替代地配置为基于机器10在其上行进的已知重量、有效载荷和倾斜来确定垂直负载LV。例如，重量和/或有效载荷值可以存储在控制器46内、经由一个或多个标度读数被接收和/或经由与操作者站20或通信装置50相关联的输入装置接收。控制器46可以将重量信息与来自其它传感器(诸如测斜仪)的信号结合使用，以确定垂直负载LV。确定垂直负载LV的其它方式也是可能的。
控制器46可以配置为基于来自扭矩传感器36和/或其它传感器的信号来确定牵引负载LT。也就是说，牵引负载LT可以是扭矩τ的函数，如由控制器46基于来自扭矩传感器36的信号所确定的。牵引负载LT也可以是牵引装置18的尺寸的函数，诸如半径或直径。在一些实施例中，牵引负载LT可以等于在牵引装置18处经历的回转扭矩。
当驱动系统16包括承受径向负载L的旋转部件时，控制器46可以配置为基于径向负载L与设计负载LD的比率来确定旋转部件的剩余寿命θR。在一个实施例中，例如，控制器46可以配置为基于径向负载L与设计负载LD的比率和与旋转部件相关联的速度s与设计速度sD的比率中的一个或多个来确定旋转部件的剩余寿命θR，如下面的等式4中所示的：
等式4
其中，x、y和C是经验确定的常数。应该注意，x、y和/或C的值可能与等式1中的值不同。
控制器46可以使用上面的等式4和等式2来确定已经消耗的设计寿命θD的归一化分数θC和旋转部件的剩余寿命θR。应当理解，如果需要，其它或附加因素可以与等式4结合使用。
等式1可能特别适用于齿轮，而等式4可能特别适用于轴承。控制器46可以配置为将等式2的结果(将等式1的结果用作输入)与等式2的结果(将等式4的结果用作输入)进行比较，以得出总剩余寿命θT。总剩余寿命θT可以指示直到变速箱22-26中的一个预期需要维护或更换为止的最短时间量。按此方式，由于附加因素(诸如在斜坡、下坡、崎岖地形等上行驶)而引起的旋转部件的磨损可以被考虑并且用于更精确地确定变速箱22-26内的旋转部件的剩余寿命θR，以及变速箱22-26的总剩余寿命θT是否大于或小于直到机器10的下一个定期计划的服务预约的时间量。
基于总剩余寿命θT，可以根据需要将临时维护计划调整到更早或更晚的日期，这可以通过延长尚未完全磨损的零件的使用来提高操作的整体效率，同时在非预期故障发生之前减少过早磨损零件的使用。
控制器46也可以配置为接收和/或存储与变速箱22-26的状态和/或其相应的旋转部件和润滑剂有关的附加信息。例如，控制器46可以配置为经由通信装置50或另一合适的数据传递接口接收先前服务信息。先前服务信息可以包括润滑剂变化信息(例如日期、时间、类型、数量、规格、质量因素等)、齿轮和轴承信息(例如更换日期和时间、序列号、齿轮或轴承类型、尺寸、质量因素等)和/或与润滑剂和每个旋转部件相关联的设计参数。控制器46可以配置为基于先前服务信息来确定与变速箱22-26相关联的旋转部件的总剩余寿命θR。例如，控制器46可以配置为基于先前服务信息来确定服务历史因素ω并且将服务历史因素ω应用于旋转部件的剩余寿命θR。服务历史因素ω可以是基于变速箱22-26的每个旋转部件和润滑剂的时间、质量和/或其它服务信息确定的常数。如果需要，可以使用其它因素来确定服务历史因素ω。
控制器46还可以配置为基于来自润滑剂监测系统38的指示润滑剂条件的信号来确定与变速箱22-26相关联的旋转部件的剩余寿命θR。例如，基于来自润滑剂监测系统38的信号以及诸如扭矩τ、速度s、温度(例如主减速器26的环境等)、润滑剂参数(例如温度、粘度、压力等)和/或其它数据的一个或多个附加参数，控制器46可以确定润滑剂因素ε，其可应用于使用上述等式1-4确定的剩余寿命θR。控制器46可以使用根据经验或通过建模导出的数学函数来确定润滑剂因素ε。数学函数可以包括模型、算法、映射图和/或其它函数，其将某些尺寸的颗粒的颗粒碎屑浓度与旋转部件和/或润滑剂的剩余寿命θR相关。可以使用受控测试来导出数学函数，诸如通过在各种操作参数下测量颗粒浓度并且制定映射图和/或将颗粒浓度与操作参数相关的等式。数学函数也可以或替代地使用诸如有限元法的建模方法和/或用于从感测的操作参数估计当前和未来颗粒水平的其它手段来生成。
非车载计算机48可以体现为配置为处理数据和/或向维护人员、站点管理员、运输队管理员等显示数据的电子装置。例如，非车载计算机48可以包括一个或多个微处理器、数据存储部件、存储器、计算机、配置为处理和/或传输数据的便携式通信装置(例如蜂窝电话、平板计算机、膝上型计算机等)等。非车载计算机48可以经由配置为交换数据的网络(例如蜂窝网络、LAN、CAN、数据总线、以太网、因特网、电话、卫星等)连接至控制器46。非车载计算机48也可以包括配置为接收可以作为数据存储和/或经由通信网络传输到控制器46的操作者输入的使用者接口(例如键盘、触摸屏、软键等)。
通信装置50可以包括便于在机器10与非车载计算机48之间进行数据通信的任何装置。通信装置50可以包括使得能够通过无线通信链路、直接数据链路或者通过诸如双向无线电的语音通信装置发送和/或接收数据的硬件和/或软件。在一些情况下，通信装置50可以包括便携式数据记录介质，并且可以使用便携式数据记录介质将数据从机器10传递至非车载计算机48。
工业实用性
所公开的监测系统可以用于采用包含旋转部件和/或润滑剂的一个或多个变速箱的任何机器中，其中，估计变速箱、其旋转部件或其中包含的润滑剂的剩余寿命是有利的。所公开的监测系统在具有需要在各种操作参数下由旋转部件的磨损和/或故障而导致的定期维护的变速箱的移动式机器中具有特定的应用性。现在将描述监测系统30的示例性操作。
在机器10的操作之前，诸如当组装机器10时或者在最近的维护过程期间，机器10可以经由通信装置50或另一合适的数据接口接收先前服务信息。与此同时，变速箱22-26的旋转部件和/或润滑剂的设计参数可以经由通信装置50或另一合适的数据接口来接收。先前服务信息和设计参数可以存储在控制器46的存储器内并用于进一步处理。
在机器10的操作期间，控制器46可以从一个或多个传感器32-44接收机器和环境数据。随着操作实践、环境条件、工作场地条件、有效载荷条件和/或其它因素在整个机器10的操作中相对于变速箱22-26的旋转部件的设计参数而改变，控制器46可以接收来自传感器32-36、40-44和润滑剂监测系统38的数据，其可以用于确定旋转部件的剩余寿命θR。
例如，随着机器10的操作实践改变(例如，在换挡期间，从一个挡位到另一个挡位等)，传感器32-36、40-44和润滑剂监测系统中的一个或多个可以检测来自相应设计参数的操作参数的变化。例如，操作者控制机器10的移动的严重程度的变化可以反映在由速度传感器32和34、扭矩传感器36和/或负载传感器42生成的数据中。当机器10以更快的速度、以更大的加速度和减速度并且在更加崎岖的地形上以更大的负载操作时，可能会导致变速箱内的旋转部件和润滑剂更快地磨损。通过考虑操作实践中的变化，可以更准确地确定旋转部件是否会达不到或超过其设计寿命θD。
另外，随着环境条件和操作实践改变，从润滑剂监测系统38和/或温度传感器40接收到的数据可以指示变速箱22-26内的润滑剂条件以及在设计寿命θD之前或之后是否需要维护。例如，润滑剂中较高的操作温度和/或较高的颗粒浓度可以指示润滑剂应该改变或者可以安全地继续较长时间段的操作。较高的温度和颗粒浓度也可以指示变速箱22-26出现突然和/或严重的损坏，这可能需要立即关注和/或停止使用机器10。
当用更重的有效载荷填充机器10时，可以通过负载传感器42检测旋转部件上的更大的垂直负载LV，其更快速地减少旋转部件的剩余寿命θR。随着工作场地表面变得更加崎岖(并且随着操作者驾驶更快)，负载传感器42可以响应于更大的摇晃力(例如，由于更多和/或更大的坑洼、皱缩等)而生成指示更大垂直负载LV的信号。具有陡峭等级的部分的工作场地可能导致机器10的重量偏移，对一些旋转部件造成更大的垂直负载，而对其它旋转部件则造成更小的垂直负载。因此，一些旋转部件可能会磨损并且需要比其它旋转部件更早地更换。在重量偏移期间，诸如当机器10处于斜坡或下坡上时，一部分垂直负载LV可以转换为牵引负载LT，由此增加作为扭矩τ的函数的旋转部件上的磨损。如由来自扭矩传感器36和/或负载传感器42的信号所指示的，当机器10以更快速度操作时(例如，在平坦和分级表面上)，也可能发生牵引负载LT的增加。
随着环境条件改变，变速箱22-26内的旋转部件上的磨损可能增加或减少。由传感器44生成的信号可以指示诸如温度、湿度、大气压力、环境光等的环境参数，其可以指示变速箱22-26内的旋转部件和润滑剂磨损的快速程度。
在接收到来自传感器32-44的数据之后，然后控制器46可以使用等式1和等式2确定已经消耗的设计寿命θD的归一化分数θC和变速箱22-26内的齿轮的剩余寿命θR。控制器46也可以使用等式2、等式3和等式4确定已经消耗的设计寿命θD的归一化分数θC和变速箱22-26内的轴承的剩余寿命θR。然后控制器46可以将服务历史因素ω和/或润滑剂因素ε应用于等式2的结果(如结合等式1和等式4的结果使用)并且确定变速箱22-26的总剩余寿命θT。控制器46可以确定自从机器10先前被维修以来经过了多少时间和/或里程，并且将经过的时间和/或里程与总剩余寿命θT进行比较，并且确定是否需要在下一个定期计划维护日期之前执行变速箱22-26的维护。
控制器46可以基于总剩余寿命θT生成维护信号。也就是说，控制器46可以生成指示总剩余寿命θT(例如以时间、里程等表示)的信号，其可以由维护人员经由通信装置50或另一合适的数据传递接口访问。维护信号可以指示在阈值时间段将过去之前执行变速箱维护的需要，诸如直到下一个定期计划维护日期的时间。维护信号可以配置为经由诊断机器或另一类型的计算机来显示。当显示时，维护信号可以被显示为一个或多个标记，诸如百分比可能性或概率、滑动棒(例如，指示完整和空白之间的健康水平的棒)、颜色代码(例如绿色、黄色和红色标记)和/或另一种类型的标记。在一些实施例中，维护信号也可以经由与操作者站20相关联的显示器向机器10的操作者示出。
通过实施变速箱监测系统30可以实现几个优点。特别地，因为监测系统30可以考虑变速箱22-26内的旋转部件以及润滑剂的磨损，所以可以对变速箱22-26的总剩余寿命进行更准确的确定。而且，因为监测系统30可以基于设计寿命、设计参数和实际操作参数来确定旋转部件的剩余寿命，所以当确定变速箱22-26的总剩余寿命θT时可以考虑诸如机器10的工作场地条件、环境条件和操作者控制的各种因素。因此，可以实现更高效和便捷的机器维护计划，从而获得更高效的整体操作。
对于本领域技术人员显而易见的是，可以对所公开的监测系统进行各种修改和变型。考虑到所公开的监测系统的说明和实践，其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书和实例应被认为仅是示例性的，本发明的真正范围由下面的权利要求书及其等同物予以指明。

Claims (10)

1.一种用于具有至少一个旋转部件的变速箱(22、24、26)的监测系统(30)，所述旋转部件具有设计寿命和至少一个设计参数，所述监测系统包含：
第一传感器(32、34)，其配置为生成指示与所述至少一个旋转部件相关联的速度的第一信号；
第二传感器(36)，其配置为生成指示与所述旋转部件相关联的扭矩的第二信号；以及
控制器(46)，其电连接至所述第一和第二传感器并且配置为：
在一段操作时间内基于所述设计寿命、所述至少一个设计参数以及所述第一和第二信号确定所述至少一个旋转部件的剩余寿命；以及
基于所述剩余寿命生成维护信号。
2.根据权利要求1所述的监测系统，其中，所述维护信号指示在经过阈值时间段之前执行变速箱维护的需要。
3.根据权利要求1所述的监测系统，其中，所述至少一个设计参数包括设计扭矩和设计速度中的一个或多个。
4.根据权利要求3所述的监测系统，其中，所述控制器配置为基于与所述至少一个旋转部件相关联的所述速度与所述设计速度的比率和与所述至少一个旋转部件相关联的所述扭矩与所述设计扭矩的比率中的一个或多个来确定所述剩余寿命。
5.根据权利要求1所述的监测系统，其中：
所述监测系统进一步包括第三传感器(42)，所述第三传感器(42)电连接至所述控制器并且配置为生成指示所述至少一个旋转部件上的垂直负载的第三信号；以及
所述控制器配置为基于所述第三信号确定所述至少一个旋转部件上的径向负载；以及
所述控制器进一步配置为基于所述径向负载确定所述至少一个旋转部件的所述剩余寿命。
6.根据权利要求5所述的监测系统，其中，所述控制器配置为：
基于所述第二信号确定所述至少一个旋转部件上的牵引负载；以及
部分地基于所述牵引负载来确定所述至少一个旋转部件上的所述径向负载。
7.根据权利要求6所述的监测系统，其中：
所述设计参数是设计负载和设计速度中的一个或多个；以及
所述至少一个旋转部件的所述剩余寿命基于所述径向负载与所述设计负载的比率以及与所述至少一个旋转部件相关联的所述速度与所述设计速度的比率中的一个或多个来确定。
8.根据权利要求1所述的监测系统，其中：
所述监测系统进一步包括润滑剂监测系统(38)，其配置为生成指示润滑剂条件的信号；以及
所述控制器配置为基于所述润滑剂条件确定所述至少一个旋转部件的所述剩余寿命。
9.根据权利要求8所述的监测系统，其中，所述润滑剂监测系统包括温度传感器(40)和颗粒传感器中的一个或多个。
10.根据权利要求9所述的监测系统，其中，所述颗粒传感器是光学传感器和电磁传感器中的一个或多个。
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