CN110894858B - 健康监测系统 - Google Patents

Abstract

一种弹性组件的健康和状况监测系统包括致动器、传感器和处理单元。所述传感器和所述致动器需要直接地或间接地附接到所述弹性组件。所述致动器将脉冲诱导到所述弹性组件中，或者可以将线性调频脉冲诱导到所述弹性组件中。所述传感器感测响应、脉冲响应函数。所述处理单元分析脉冲响应函数并确定健康和状况指示。重复该过程，并且当已经确定足够的指示时，然后可以确定健康和状况标记，健康和状况标记涵盖所述弹性组件是处于使用的起始时间段、处于主要使用时间段或者处于使用的最后时间段。

Description

健康监测系统

技术领域

本发明涉及诸如轴承和阻尼器的弹性组件(/弹性体组件)(elastomericcomponent)，更特别地，涉及监测旋翼飞行器中使用的层叠的弹性轴承的状况。

背景技术

层叠的弹性轴承包括层叠的弹性单元以及附接到层叠的弹性单元的接口构件。层叠的弹性单元包括在成型过程中硫化在一起的交替的弹性体和刚性层(诸如，金属层)。在大多数情况下，接口构件也是成型过程的一部分，并且因此与层叠的弹性单元硫化在一起。弹性轴承的各个层以及接口构件的几何形状可以根据应用而变化。

例如，弹性轴承使用在旋翼飞行器(诸如，直升机)中。弹性轴承的刚度随着使用、年龄和环境条件而经历变化。弹性体单元通过接口构件的相对运动而受到剪切应力。这可能在弹性体单元中造成裂缝并且最终导致弹性体单元失效。目前，对这些轴承的健康或状况的确定仅基于视觉检查。US2005/0073111设置有监测部件的弹性构件描述了如何使弹性构件在其可见表面上设置有渐变(/刻度)(graduations)，因此可以仅通过在视觉上检查弹性构件来评估和监测裂缝的蔓延。这仍有改进的余地。

发明内容

本发明的目的在于限定一种监测弹性组件的健康和状况的方法和系统。

根据本发明，通过一种弹性组件(elastomeric component)的健康和状况监测系统来实现上述目的。根据本发明，所述系统包括至少一个致动器、至少一个传感器和至少一个处理单元。所述至少一个致动器用于将电信号转换为物理力。所述致动器可以是压电致动器，诸如压电堆叠致动器(piezo stack actuator)。所述至少一个传感器配置为用于将一个或多个物理量转换为电传感器信号。所述传感器可以是压电加速度计。所述至少一个传感器和所述至少一个致动器直接地或间接地附接到所述弹性组件。所述处理单元控制所述至少一个致动器以通过致动器信号将物理力诱导到(induce)所述弹性组件中。在此之后，所述处理单元记录从所述至少一个传感器接收的响应信号并分析所记录的响应信号，从而确定并存储至少一个健康和状况指示。

在一些实施方式中，所述处理单元通过分析传感器信号以识别指示使用的振动来确定所述弹性组件是否在使用中。这样做是为了跟踪所述弹性组件被使用的小时数，并将所述至少一个健康和状况指示与使用的小时数相关联。在其他实施方式中，所述系统还包括振动能量采集器。在这些实施方式中，有利的可以是：所述处理单元通过分析所述振动能量采集器的输出的水平是否对应于指示使用的振动来确定所述弹性组件是否在使用中。这样做也是为了跟踪所述弹性组件被使用的小时数，并由此也将所述至少一个健康和状况指示与使用的小时数相关联。

有利地，所述处理单元跟踪和分析随着时间(/随着时间变化)(over time)的多个存储的健康和状况指示，以确定所述弹性组件是处于其使用寿命的起始时间段、主要使用时间段或者处于最后时间段，每个时间段由健康和状况标记表示。所述起始时间段的特征为弹性组件的刚度随着使用而缓慢上升/增大。所述主要使用时间段可以是在弹性组件的刚度具有相对有限的变化时的数千个使用小时。进入所述最后时间段可以确定为刚度随着使用而再次缓慢上升/增大。然后，当刚度开始下降，变得较小时，弹性组件将开始到达其寿命的结束。适当地，所述处理单元通过所述起始时间段的确定来对所述主要使用时间段和所述最后时间段的确定执行校准。优选地，所述处理单元可以当最后时间段被确定时将所述健康和状况标记设定为警告。此外，所述处理单元还可以基于估计的剩余使用小时数添加寿命结束的倒计时计数器，从最后时间段被确定时开始对剩余寿命进行倒计时。有利地，所述系统还包括通信单元。所述通信单元可以经由光学、有线或无线来传送健康和状况标记、健康和状况指示和记录的响应信号中的至少一者。在一些实施方式中，所述通信单元可以包括用于在视觉检查期间指示所述弹性组件的健康和状况并且还识别所述弹性组件的视觉部件，视觉部件本身还可用于例如维护。

在一些实施方式中，所述弹性组件是层叠的弹性组件。在这些实施方式中，所述层叠的弹性组件有时是层叠的弹性轴承(/弹性体轴承)(laminated elastomeric bearing)的一部分。此外，所述至少一个传感器和所述至少一个致动器直接地或间接地附接到所述层叠的弹性轴承。

一个健康和状况指示可以是所述弹性组件的相对刚度，另一健康和状况指示可以是所述弹性组件的阻尼率。

适当地，所述致动器信号可以是用于将物理冲击(physical impulse)诱导到所述弹性组件中的脉冲。于是，所述响应信号是冲击响应函数。在一些实施方式中，所述致动器信号是用于将变频激励诱导到所述弹性组件中的线性调频脉冲(chirp)。在进一步的实施方式中，所述致动器信号可以在线性调频脉冲与脉冲之间。

根据本发明的系统的不同的其它改进可以以任何期望的方式进行组合，只要组合不冲突的特征即可。

根据本发明，还通过一种监测弹性组件的健康和状况的方法来实现上述目的。根据本发明，所述方法包括诱导、记录、分析和确定的步骤。在诱导步骤中，通过直接地或间接地附接到所述弹性组件的至少一个致动器来将物理力冲击诱导所述弹性组件中。在记录步骤中，记录响应、冲击响应函数(impulse response function)。冲击响应函数是弹性组件对诱导冲击的响应并且通过直接地或间接地附接到弹性组件的至少一个传感器来测量该响应。分析步骤分析记录的冲击响应函数。确定步骤基于在分析步骤中完成的分析来确定至少一个健康和状况指示。

所述至少一个健康和状况指示可以是所述弹性组件的相对刚度和/或所述弹性组件的阻尼率。

在一些实施方式中，所述方法还包括跟踪和确定时间段的步骤。跟踪步骤跟踪随着时间(/变化)的多个确定的健康和状况指示(/随着时间跟踪多个确定的健康和状况指示)。确定时间段的步骤通过所述跟踪确定所述弹性组件是处于使用的起始时间段、主要使用时间段或者处于最后时间段。

根据本发明的传感器轴承组件的不同的另外改进可以以任何期望的方式进行组合，只要组合不冲突的特征即可。

本发明的主要目的在于提供一种能够可靠地应用度量(metric)的部件，与纯粹地依赖于视觉检查相比，该度量可以帮助确定弹性轴承的状况和/或剩余使用寿命。这通过根据本发明的弹性组件的健康和状况监测系统来完成。所述系统包括致动器、传感器和处理单元。所述传感器和所述致动器需要直接地或间接地附接到所述弹性组件。所述致动器将冲击诱导到所述弹性组件中，或者可以将线性调频脉冲诱导到所述弹性组件中。所述传感器感测响应、冲击响应函数。所述处理单元分析冲击响应函数并确定健康和状况指示。重复该过程，并且当已经确定足够的指示时，然后可以确定健康和状况标记，健康和状况标记涵盖所述弹性组件是处于使用的起始时间段、处于主要使用时间段或者处于使用的最后时间段。所述弹性组件可以是层叠的弹性组件，进而，所述层叠的弹性组件是层叠的弹性轴承的一部分。

从具体实施方式中，本发明的其他优点将变得明显。

附图说明

现在将出于示例性且非限制性目的参照以下附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出了层叠的弹性轴承的示例，

图2示出了根据本发明的仪表化的层叠的弹性轴承，

图3示出了根据本发明的健康和状况监测系统的仪器的致动器、传感器和信号处理以及其他电子器件的框图，

图4示出了使用中的层叠的弹性轴承在其使用寿命期间相对刚度随时间变化的图中的相对刚度曲线，

图5示出了用于确定弹性轴承的相对刚度的频域中的响应曲线，

图6示出了用于确定弹性轴承的阻尼的估计的频域中的响应曲线。

图1示出了层叠的弹性轴承的示例：

100层叠的弹性轴承，

110层叠的弹性单元，

112弹性体，

114刚性强度构件，

116内接口构件，

118外接口构件，

图2示出了根据本发明的仪表化的层叠的弹性轴承：

201根据本发明的仪表化的层叠的弹性轴承，

210层叠的弹性单元，

212弹性体，

214刚性强度构件，

216内接口构件，

218外接口构件，

222致动器，

224传感器，

图3示出了根据本发明的健康和状况监测系统的仪器的致动器、传感器、信号处理以及其他电子器件的框图：

322致动器，

324传感器，

332用于致动器的功率放大器，

324传感器前置放大器/缓冲器，

336低通滤波器，用于限制带宽，使得之后的A/D转换器以比该带宽的两倍大的采样速率操作，

338模数转换器，以比低通滤波器的带宽的两倍大的采样速率操作，

340信号处理和控制单元，

345电源，可以是诸如振动能量采集器的能量采集器、诸如电池和/或超级电容器的能量存储器、(多个)电力转换器、(多个)滤波器和外部能量连接件中的一个或更多个，

350通信单元，

352用于无线通信的天线，

354用于有线通信的电线或光纤

图4示出了使用中的层叠的弹性轴承在其使用寿命期间相对刚度随时间变化的图中的相对刚度曲线：

462相对刚度，

464时间，

466在使用中的层叠的弹性轴承的随使用时间变化的相对刚度曲线，

491t1–使用开始，相对刚度的初始增大的开始，

493t2–相对刚度的初始增大的结束，

495t3–相对刚度的最终增大的开始，

497t4–相对刚度的最终增大的结束，

499t5–寿命的结束

图5示出了用于确定弹性轴承的相对刚度的频域中的响应曲线：

572振幅，

574频率，

576响应曲线，

582中心频率减小的频率，

584中心频率升高的频率，

586fc，中心频率。

图6示出了用于确定弹性轴承的阻尼的估计的频域中的响应曲线：

672振幅，

674频率，

676响应曲线，

692-3db，

694f1，

696fc，中心频率。

698f2。

具体实施方式

为了阐明根据本发明的方法和装置，现在将结合图1至图6描述其使用的一些示例。

图1示出了层叠的弹性轴承(elastomeric bearing)100的示例。适当地，层叠的弹性轴承100可以用于将叶片保持和铰接到用于旋翼飞行器(rotary-wing aircraft)的转子的毂。弹性轴承100包括层叠的弹性单元110，层叠的弹性单元110基本上是为球形帽形式的弹性体112和刚性强度构件114的堆叠件。弹性单元110配置在内接口构件116与外接口构件118之间。由于层叠的弹性单元，接口构件116、118能够相对于彼此扭曲和弯曲，对弹性体112施加应力。在这个示例中，外接口构件118是固定到毂的径向支撑件，其中，外部是相对于转子的轴线而言的，并且内接口构件116是固定到相应叶片的根部的内径向支撑件。层叠的弹性轴承用于提供一些运动(诸如，使叶片俯仰(pitching))，并且由于诸如由叶片传递到弹性轴承的内径向支撑件的摆动(flapping)运动的运动而提供阻尼。

如前所述，传统地，层叠的弹性轴承的健康通过视觉检查来完成。通过视觉检查无法确定层叠的弹性轴承是否足够坚硬以能够向后弯曲并确定其是否仍然能够阻尼不期望的振动和震动。视觉检查仅仅能够确定是否存在裂缝或指示层叠的弹性轴承的健康劣化的一些其他视觉指示。

根据本发明，可以通过安装在接口构件中的一个或两个上或内的至少一个致动器和传感器来远程地对层叠的弹性轴承进行健康和状况监测。通过使轴承受到已知的诱导信号，拾取轴承对该诱导信号的响应，然后分析频率响应函数，该频率响应函数是作为系统的动态性质的函数的与系统的输入和输出相关的可测量的量，可以确定轴承的健康和状况。这当然可以与视觉检查相结合。本发明的一些实施方式可以包括可视地放置在轴承上/中的LED，从而还能够在视觉上指示轴承的当前健康和状况。

图2示出了根据本发明的仪表化的层叠的弹性轴承201。如图1的层叠的弹性轴承100，该弹性轴承201也包括具有堆叠的弹性体212的层和刚性强度构件212的层的层叠的弹性单元210，其中层叠的弹性单元210联接在内接口构件216与外接口构件218之间。在该实施方式中，致动器222和传感器224安装在外接口构件218内。传感器224和致动器222不限于放置到一个或另一接口构件，它们两者均可以位于内接口构件中或上，或者甚至是传感器224位于一个接口构件中或上，而致动器222位于另一接口构件中或上。在其他实施方式中，可以存在两个或更多个传感器和/或两个或更多个致动器。

仅传感器和致动器需要被定位在接口构件上或中，而其他电子器件可以被放置在任何其他位置。然而，有利的是，电子器件中的至少一些电子器件紧邻于传感器和致动器放置，优选地，所有电子器件均紧邻于传感器和致动器放置。电子器件的合适的位置是位于接口构件中的一个内，诸如与如图2中所示的放置的传感器和致动器靠近在一起。

图3示出了根据本发明的健康和状况监测系统的仪器的致动器322、传感器324和信号处理332、334、336、338、340以及另外的电子器件345、350、352、354的框图。信号处理和控制单元340是系统的中心。它通过向功率放大器332发送诸如脉冲(pulse)/冲击(impulse)或线性调频脉冲(chirp)的信号来启动测量序列，然后放大的信号到达致动器322，致动器322可以是堆叠的压电电动致动器(stacked piezo electric actuator)。优选地，致动器322配置为使得沿着致动器所附接到的轴承的最低刚度方向引导产生的力(冲击或线性调频脉冲)。该力导致轴承绕着其基座摆动。通过传感器324拾取/测量对冲击或线性调频脉冲的响应。然后，响应信号在被低通滤波336之前被放大/缓冲334，以确保之后的A/D转换器338以比低通滤波响应信号的最高频率的两倍大的采样速率操作。在A/D转换338之后，现在的数字响应信号经历纯数字信号处理。数字信号处理在傅立叶变换(适当地通过快速傅立叶变换等)之后分析在时域(time domain)和频域(frequency domain)两者中的数字响应信号。在时域中，响应信号通常被分析为振幅与时间的关系。在频域中，分析可以例如与频谱、功率谱、功率谱密度、交叉功率谱(cross power spectrum)、传递函数、频率响应函数(FRF)和相干函数(coherence function)中的一个或多个相关。

在层叠的弹性轴承在使用中时将定期地(/按照规则间隔)(at regularintervals)进行测量和分析，并随时跟踪，适当地在飞行之前和/或之后进行测量和分析，并随时跟踪，这是由于轴承在刚刚飞行后在大多数情况下将已经达到比飞行前达到的温度高的温度。同样有利的是，同时获取测量轴承温度的响应信号，适当地测量接近层叠的弹性单元或直接在层叠的弹性单元处的温度。适当地，还测量一个或多个环境条件，诸如温度和湿度。

当已经完成响应信号测量和分析时，可以通过通信单元350将(多个)结果传送(/通信)(communicated)到中央监测站。通信单元通过有线连接354(其后续进而可以包括无线传输)或无线352来传输(多个)结果。如所述，通信单元可以额外地或仅包括LED等，以可视地传送状况/健康，其对于健康状态可以是绿色的或者没有显示，橙色指示是时候安排维护了，红色指示需要立即进行维护。

电源345可以包括能量采集器(energy harvesting)、能量存储器、(多个)功率转换器、(多个)滤波器和外部能量连接件中的一个或多个。适当地，能量采集器可以是振动能量采集器。能量存储器可以是传统的电池和/或超级电容器(super cap)。

仅传感器324和致动器322需要位于层叠的弹性轴承上或中。最有利地是，所有电子器件均使用无线方式容纳在轴承内，以与可能增设的LED进行通信。如果许多层叠的弹性体轴承定位为靠近在一起，则能够通过LED容易地识别哪个(哪些)需要维修/维护是非常有用的。

图4示出了使用中的层叠的弹性轴承在其寿命期间相对刚度462随着时间464变化的图中的相对刚度曲线466。在使用开始时，t1 491，存在相对刚度初始增大的起点。相对刚度的这种增大持续到t2 493，标志着相对刚度初始增大阶段的结束并且开始相对刚度仅发生小的变化的很长的时间段，直到t3 495。在t2 493与t3 495之间的时段通常在数千个使用小时的范围内。在t3 495处，第二个可检测的且可确定的相对刚度的增大开始并且一直保持直到t4 497。在最后增大的结束t4 497之后，相对刚度达到寿命的结束t5 499，此时由于轴承正在劣化，因此刚度减小得越来越多。测试已经表明，从已经确定刚度的最后增大的时间点开始，即在t3 495与t4 497之间的某个时间点，在到达t5 499的寿命结束之前存在一百到几百小时的使用时间。在大多数情况下，这足以能够为有问题的层叠的弹性轴承安排更换维护。

可以以不同的方式确定相对刚度，一个是通过响应的积分，另一个是通过确定和跟踪响应中的共振峰(resonant peak)。图5示出了振幅572与频率574的频域中的响应曲线576，以确定弹性轴承的相对刚度(relative stiffness)。首先，确定响应中的共振峰的中心频率fc 586。然后将其与先前响应的先前中心频率进行比较。如果中心频率fc 586已经增加，那么弹性轴承已经变得较硬，另一方面，如果中心频率fc 586已经减小582，则弹性轴承变得不太硬。

如前所述，弹性轴承的阻尼对于确定弹性轴承的健康和状况也很重要。阻尼是对振荡系统的影响，并且表征其减小或衰减振荡的能力。图6示出了振幅672与频率674的的频域中的响应曲线676，以确定弹性轴承中的阻尼的估计。首先，确定响应中的共振峰的中心频率fc 696。然后，从峰值的-3db 692的水平，对应于-3db穿过响应曲线676的两个频率f1694和f2 698与中心频率fc 696一起使用，以通过(f2-f1)/(2fc)确定弹性轴承的阻尼率(/阻尼比)的估计。

本发明基于将冲击诱导到弹性组件中，然后随时间分析冲击响应函数的基本发明构思。本发明不限于上述实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (10)

1.一种弹性组件的健康和状况监测系统，所述系统包括：

至少一个致动器，用于将电信号转换为物理力；

至少一个传感器，配置为用于将一个或多个物理量转换为电传感器信号；以及

处理单元；

其中，所述至少一个传感器和所述至少一个致动器直接地或间接地附接到所述弹性组件，所述处理单元配置为控制所述至少一个致动器以通过致动器信号将物理力诱导到所述弹性组件中，所述处理单元配置为记录从所述至少一个传感器接收的响应信号并分析所记录的响应信号，从而确定并存储至少一个健康和状况指示，

其中，所述处理单元配置为通过分析传感器信号以识别指示使用的振动来确定所述弹性组件是否在使用中，从而跟踪所述弹性组件被使用的小时数，并将所述至少一个健康和状况指示与所使用的小时数相关联。

2.根据权利要求1所述的健康和状况监测系统，其特征在于，所述系统还包括振动能量采集器，所述处理单元配置为：通过分析所述振动能量采集器的输出的水平是否对应于指示使用的振动来确定所述弹性组件是否在使用中，从而跟踪所述弹性组件使用的小时数，并将所述至少一个健康和状况指示与使用的小时数相关联。

3.根据权利要求1所述的健康和状况监测系统，其特征在于，所述处理单元配置为：跟踪和分析随着时间的多个存储的健康和状况指示，以确定所述弹性组件是处于其使用寿命的起始时间段、主要使用时间段或处于其使用寿命的最后时间段，每个时间段由健康和状况标记表示。

4.根据权利要求3所述的健康和状况监测系统，其特征在于，所述系统满足以下情况中的至少一者：

所述处理单元配置为：通过所述起始时间段的确定来对所述主要使用时间段和所述最后时间段的确定执行校准；

所述处理单元配置为：当最后时间段被确定时，将所述健康和状况标记设定为警告；或/和

所述系统还包括通信单元，所述通信单元配置为传送健康和状况标记、健康和状况指示或/和记录的响应信号中的至少一个。

5.根据权利要求4所述的健康和状况监测系统，其特征在于，所述系统满足以下情况中的至少一者：

所述处理单元配置为：基于估计的剩余使用小时数添加寿命结束的倒计时计数器，从在最后时间段被确定时的点开始对剩余寿命进行倒计时；

所述通信单元包括用于在视觉检查期间指示所述弹性组件的健康和状况并识别所述弹性组件的视觉部件；或/和

所述通信单元包括用于识别有问题的弹性组件以进行维护的视觉部件。

6.根据权利要求1所述的健康和状况监测系统，其特征在于，所述弹性组件是层叠的弹性组件。

7.根据权利要求6所述的健康和状况监测系统，其特征在于，所述层叠的弹性组件是层叠的弹性轴承的一部分，所述至少一个传感器和所述至少一个致动器直接地或间接地附接到所述层叠的弹性轴承。

8.根据权利要求1所述的健康和状况监测系统，其特征在于，所述系统满足以下情况中的至少一者：

所述至少一个健康和状况指示中的至少一者是所述弹性组件的相对刚度或所述弹性组件的阻尼率；

所述致动器信号是用于将物理冲击诱导到所述弹性组件中的脉冲，于是所述响应信号是冲击响应函数；或/和

所述致动器信号是用于将变频激励诱导到所述弹性组件中的线性调频脉冲。

9.一种监测弹性组件的健康和状况的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

通过直接地或间接地附接到所述弹性组件的至少一个致动器来将物理力冲击诱导到所述弹性组件中；

通过直接地或间接地附接到所述弹性组件的至少一个传感器来记录所述弹性组件对诱导的冲击的响应；

分析记录的所述响应；以及

基于所述分析确定至少一个健康和状况指示，

其中，通过分析传感器信号以识别指示使用的振动来确定所述弹性组件是否在使用中，从而跟踪所述弹性组件被使用的小时数，并将所述至少一个健康和状况指示与所使用的小时数相关联。

10.根据权利要求9所述的监测弹性组件的健康和状况的方法，其中，所述方法满足以下情况中的至少一者：

所述至少一个健康和状况指示是所述弹性组件的相对刚度或所述弹性组件的阻尼率；或/和

所述方法还包括以下步骤：跟踪随着时间的多个确定的健康和状况指示，以通过所述跟踪确定所述弹性组件是处于使用的起始时间段、主要使用时间段或者处于最后时间段。

Images