CN1257206A - 用于监视齿轮系统中的轴断裂或初期齿轮打滑的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于监视轴断裂或初期小齿轮打滑的诊断技术涉及监视操作系统,例如机车的齿轮系统的特征固有频率的漂移。该技术涉及监视轴的特征固有频率或谐振频率的漂移,以便检测轴断裂。该技术还涉及监视操作系统的一个或几个包括小齿轮的部件的特征固有频率的漂移,并检测所述部件的一个或几个特征固有频率的漂移。可利用振动检测器或测量操作系统的电动机电流的变化,从而检测振动,以便监视特征固有频率。

Description

用于监视齿轮系统 中的轴断裂或初期齿轮打滑的装置和方法

本发明涉及轴断裂和初期齿轮打滑，尤其涉及监视操作系统例如机车的齿轮系统中的轴断裂和初期齿轮打滑的装置和方法。

在齿轮系统中，借助于在带齿的轮子或齿轮之间的直接接触使运动或转矩从一个轴传递到另一个轴。图1说明用于推动机车的齿轮系统10的一个例子。齿轮系统10包括电动机12，其具有通过被固定在机车上的轴承16可转动地支撑着的驱动轴14，转子11，以及具有定子绕组21和引线23的定子19。小齿轮18被固定在驱动轴14的一端。一般地说，小齿轮18被装配并被热压在驱动轴14的锥形的端部15上。小齿轮18和大齿轮20啮合，大齿轮20被固定在通过轴承24可转动地支撑着的车轮轴24上并驱动车轮轴22。车轮轴22的端部和机车的各个车轮26相连。

虽然电动机12被弹性地支撑在机车上，但是由于轨道30的不平的部分使得齿轮系统10经受大的机械振动。通常，在苛刻条件下使用一段时间之后，驱动轴14可能由于疲劳而断裂。同样，小齿轮18可能没有任何预先的征兆而相对于驱动轴14打滑，使得转矩不再被传递到车轮26上。这种故障可能是灾难性的，并且其修复例如除去电动机12、重新装配小齿轮18、或者更换驱动轴14需要高的费用和高的劳动强度，并要求机车暂时停止使用。

因此，需要一种装置和方法，用于以低的费用在线监视工作着的齿轮系统，其中所述装置和方法能够预报轴断裂或小齿轮打滑。

上述的需要被本发明满足了，本发明涉及一种用于监视操作系统中的轴断裂或初期小齿轮打滑的诊断技术。在本发明的一个方面，用于监视操作系统中的轴断裂或初期小齿轮打滑的方法包括以下步骤：第一次确定操作系统的特征固有频率，第二次确定特征固有频率，比较第一次确定的特征固有频率和第二次确定的特征固有频率，从而检测至少由于轴断裂和初始小齿轮打滑之一而引起的特征固有频率漂移。

为了监视轴断裂，特征固有频率是操作系统的轴的固有频率。为了监视小齿轮打滑，固有频率是包括操作系统的小齿轮的部件的特征固有频率，或者是包括小齿轮的两个相连的部件的特征固有频率。

确定特征固有频率的步骤可以包括测量操作系统的振动，测量操作系统的电动机的电流，测量操作系统的扭转振荡，或者测量操作系统的电动机的电流与电压。最好是，确定特征固有频率的步骤可以包括进行快速富氏变换分析的步骤。

在本发明的另一个方面，一种用于监视操作系统中的轴断裂或初期小齿轮打滑的装置包括控制器，其适用于第一次确定操作系统的特征固有频率，第二次确定特征固有频率，并比较第一次确定的特征固有频率和第二次确定的特征固有频率，从而检测至少由于轴断裂和初期小齿轮打滑之一而引起的特征固有频率中的漂移。

在本发明的另一个方面中，一种产品包括至少一个计算机可用介质，其中含有具有计算机可读的程序代码装置，用于进行操作系统中的轴断裂或初期小齿轮打滑的监视。在所述产品中的计算机可读的程序代码装置包括这样一种计算机可读的程序代码装置，其用于第一次确定操作系统的特征固有频率，第二次确定特征固有频率，并比较第一次确定的特征固有频率和第二次确定的特征固有频率，从而检测至少由于轴断裂或初期小齿轮打滑之一而引起的特征固有频率中的漂移。

在本发明的另一个方面中，由计算机可读的至少一个程序存储装置，包括至少一个可由计算机执行的指令，其实施上述的用于监视操作系统中的轴断裂或初期小齿轮打滑的方法。

图1是机车的齿轮系统和控制系统的侧视图，具有一部分截面图，其中包括按照本发明的一个实施例设置的振动传感器；

图2示意地说明用于在图1所示的齿轮系统工作期间监视轴断裂或初期小齿轮打滑的装置的一个实施例；

图3是在图1所示的齿轮系统的操作期间的代表振动或位移的信号随时间的变化曲线；

图4是作为快速富氏变换分析的结果的图3所示的信号的频率分量曲线；

图5是在操作期间图1所示的驱动轴的特征固有频率随时间的变化或漂移曲线；

图6示意地说明用于在图1所示的齿轮系统的操作期间监视轴断裂或初期小齿轮打滑的装置的另一个实施例；

图7示意地说明用于在图1所示的齿轮系统的操作期间监视轴断裂或初期小齿轮打滑的装置的另一个实施例；

图8是图1所示的齿轮系统的电动机的电流随时间变化的曲线；

图9是作为快速富氏变换分析的结果的图8所示的的信号的频率分量的曲线；

图10局部示意地说明用于在图1所示的齿轮系统的操作期间监视轴断裂或初期小齿轮打滑的装置的另一个实施例；

图11局部示意地说明用于在图1所示的齿轮系统的操作期间监视轴断裂或初期小齿轮打滑的装置的另一个实施例，其中电动机是交流电动机；以及

图12是施加于图1所示的齿轮系统的交流电机的交流电流随时间的变化曲线。

本发明提供一种用于监视操作系统10(图1)例如用于推动机车的齿轮系统中的轴断裂或初期小齿轮打滑的在线诊断技术。如同下面要详细说明的，通过观察驱动轴14的特征固有频率或谐振频率(由于横向振荡或扭转振荡)随时间的漂移来监视轴断裂。通过观察齿轮系统的一个或几个部件由于在小齿轮和驱动轴之间的连接而引起的特征固有频率或多个特征固有频率随时间的漂移(由于横向振荡或扭转振荡)来监视初期小齿轮打滑。

关于轴断裂，对于一阶系统，驱动轴14具有由其轴承16之间的距离、驱动轴的刚度、以及驱动轴和转子的质量决定的固有频率或谐振频率。在较小的程度上，轴承和小齿轮18的装配及允差也可以影响轴的特征固有频率。如果在轴中存在裂缝或严重的断裂，则轴的刚度发生变化，从而引起轴的特征固有频率的改变或漂移(由于横向振荡或扭转振荡)。要被观察和监视的未损伤的轴的特定特征固有频率可以通过对分析模型进行模拟或者通过对物理模型进行试验被初始地确定。

图2示意地说明用于监视齿轮系统10(图1)中的轴断裂的装置40的一个实施例。装置40包括振动检测器42，例如被安装在一个轴承16(图1)上的加速度计，用于监视在操作期间在齿轮系统10中发生的振动(横向振荡)。选择地，振动检测器42可以安装在电动机12(图1)的定子19上。

来自振动检测器42的输出信号是在操作期间在齿轮系统10中发生的许多振动的合成信号。齿轮系统10随时间的振动或位移可以用曲线形式表示，如图3所示。在本例中，来自振动检测器42的输出信号流经信号调节器44，放大器46，去假频滤波器48和模数转换器50。

计算机52接收来自模数转换器50的结果信号，并确定构成结果信号的各个特征固有频率分量。在一个实施例中，例如使用快速富氏变换(FFT)分析进行所述确定。用于进行结果信号的FFT分析从而确定构成结果信号的特征固有频率分量的合适的计算机程序是容易得到的。图4说明FFT分析的结果和驱动轴14的特征固有频率Fs。

然后，在一段时间内，例如几天、几个星期或几个月，监视并跟踪特征固有频率Fs。图5说明在一段时间内对特征固有频率进行跟踪的结果。例如，计算机52比较特征固有频率Fs的第一确定值和以后的第二确定值，从而响应轴断裂的初期阶段或者随着一个或几个裂缝的逐渐产生来检测特征固有频率Fs的漂移。在本例中，在第四个星期之后观察到驱动轴的特征固有频率增加，其数量级可能只有百分之几，这表示断裂的开始或者在轴中一个或几个裂缝逐渐扩大。如果一个或几个裂缝继续发展，则可能发生故障，如图5中在第8周和第9周之间观察到的情况。此外，可以通过比较分析模型或物理模型的确定值根据漂移的大小确定轴中裂缝的大小。

图6示意地说明用于检测齿轮系统10的位移或振动并监视齿轮系统10的特征固有频率的另一个装置60。在这个说明性的实施例中，装置60包括振动检测器62，信号调节器64，和频谱分析器66，频谱分析器用于在齿轮系统10的操作期间选择来自振动检测器的结果信号的特征固有频率分量。

装置40(图2)和装置60(图6)还需要能够通过操作监视由于在小齿轮18(图1)和驱动轴14(图1)之间的接触面积的丢失或减少而产生的初期小齿轮打滑。在本发明的另一方面，并且参照图1，被监视的特征固有频率相应于包括小齿轮18的部件，例如包括小齿轮18和驱动轴14的部件。和轴断裂一样，可以使用这个部件的特征固有频率的漂移指示小齿轮18和驱动轴14之间接触面积的减少。

因为包括小齿轮18和驱动轴14的部件的特征固有频率应当接近于驱动轴14的特征固有频率(小齿轮18和驱动轴14相比一般具有相当小的质量)，所以，在本发明的另一个方面，需要利用齿轮系统10的两个独立连接的部件监视初期小齿轮打滑。

例如，参见图1，第一部件17包括电动机12、驱动轴14、轴承16和小齿轮18，其具有第一独立特征固有频率F_A1(图4)。此外，第二部件27包括车轮轴22、轴承24、大齿轮20和车轮26，其具有第二独立特征固有频率F_A2(图4)，它们可以利用同一个检测器被监视，如图1和图4所示，或利用单独的检测器被监视(未示出)。当小齿轮18的齿和大齿轮20的齿之间的啮合基本上恒定时，两个部件17和27之间的耦联将随着在小齿轮18和驱动轴14之间配合的刚度的改变而改变或漂移。

如果在小齿轮和轴之间的接触面积是最大可能的接触面积，则耦联应当是刚性的。然而，如果接触面积大大减少，则小齿轮18相对于驱动轴14的柔性增大，使得耦联的刚度减少，因而引起部件17和部件27的各自的特征固有频率漂移。因而，通过确定并监视上述两个部件的特征固有频率，基本上根据齿轮系统的全部质量来监视小齿轮打滑。和轴断裂一样，开始时，两个部件的特征固有频率可以通过一个分析模型或通过对物理模型进行试验预先确定。

通过跟踪这两个部件的特征固有频率的漂移，可以检测初期小齿轮打滑。此外，可以通过和分析模型或物理模型进行比较，根据漂移的大小确定在驱动轴和小齿轮之间的接触面积的损失。接触面积损失又意味着用于承受大转矩的配合能力的减少，因而增加了在重负荷下小齿轮打滑的可能性。

在本发明的另一方面，代替振动检测器，电动机12可用于监视所需的特征固有频率。虽然振动检测器是合适的精确的装置，但其需要电缆，而电缆可能变松，并具有有限的操作寿命。例如，在操作期间由于齿轮系统的振动而引起的电动机的横向振荡(径向运动)使转子11和定子19(图1)之间的气隙改变。这一结果引起磁通的改变，这又引起通过电动机绕组21的电流的小的变化。图7示意地说明利用电流检测器72检测电动机12的电流，从而检测图1所示的齿轮系统10的特征固有频率的装置70，在一个实施例中，电流检测器和电动机12的引线23相连。

直流电动机的电流虽然随时间基本上是恒定的，但是由于电动机的横向振荡，电流中仍然含有小的波动，如图8所示。电流中小的波动可由电流检测器72检测，电流检测器可以抵阻的分流线圈。选择地，可以使用具有围绕电流引线23(图1)绕制的检测器绕组(未示出)的电流检测器。例如，电动机电流的改变将引起检测器绕组中电流改变。可以向检测器绕组提供一个信号，把在检测器绕组中改变的电流减少到0。所述被提供给电流检测器绕组的信号将相应于电机电流中的波动。这种电流检测器例如可以从LEM Instruments，inc.ofTorrance，California得到。

在一个实施例中，使从电流检测器72输出的信号流经信号调节器74，放大器76，去假频滤波器78和模数转换器80。来自模数转换器80的结果信号然后被提供给计算机82，计算机确定构成结果信号的各个特征固有频率分量，如图9所示。在一个实施例中，计算机分析包括对来自模数转换器的结果信号进行快速富氏变换。如上所述，可以监视一个或几个特征固有频率，以便检测至少由于轴断裂和初期小齿轮打滑之一而引起的漂移。

在本发明的一个方面中，利用电动机12(图1)的转矩确定齿轮系统10的扭转振荡，扭转振荡也和驱动轴14(图1)的各个特征固有频率以及小齿轮18(图1)和驱动轴14(图1)之间的耦联相关。例如，对于直流电动机，根据电压和电流计算转矩。如图10所示，电压检测器92和电流检测器94被可操作地和电动机12(图1)的电源引线相连。输出信号可以被组合从而确定转矩，然后上述的设备40，60和70对转矩进行处理。

对于交流电动机，两个电压检测器102，103和两个电流检测器104和105(图11)被可操作地和齿轮系统10(图1)的交流电动机12的电源引线相连。输出信号可以被可操作地组合，从而确定可以按照上面关于设备40，60和70的说明被处理的转矩。此外，在交流电动机的情况下，检测器104或105的交流电流将被调制，如图12所示。这个调制信号可以被幅值解调检测器(未示出)检测，从而选出变化的信号，接着，进行FFT分析，从而选出特征固有频率分量，并按照上面关于设备40，60和70的说明进行处理。

上面说明的设备可被包括在控制器或计算机环境200中，或者和控制器或计算机环境200相结合，例如图1所示的机车的复杂的控制系统。计算机环境200例如包括：至少一个中央处理单元202，存储器或主存储器204，以及一个或几个输入/输出设备206。计算机环境200可以作为一个单独的系统环境被提供，或者作为用于运行一个操作系统的多个系统环境被提供。

如所公知的那样，中央处理单元202是控制中心，并提供用于执行指令中断功能、定时功能，初始程序加载和其它的与机器有关的功能的时序和处理设施。中央处理单元202执行至少一个操作系统，如所公知的，所述操作系统用于通过控制其它程序的执行来控制中央处理单元202的操作，控制和外围设备的通信并控制计算机资源的使用。

中央处理单元202和主存储器204相连，主存储器204可被直接寻址，并可以提供由中央处理单元202高速处理的数据。主存储器可以在物理上和CPU集成在一起，或者构成一个单独的单元。最好主存储器204可以存储在操作系统中的一个或几个轴的以及齿轮系统的一个或几个部件的预定的特征固有频率，这些频率可用于选出并监视操作系统的实际的特征固有频率，并用于确定裂缝或小齿轮打滑的程度。

主存储器204也和一个或几个输入/输出设备206相连。这些设备例如包括：键盘，通信控制器，远程信息处理装置，打印机，磁存储介质(例如盒式磁带或磁盘)，光存储介质(例如CD-ROM)，直接存取存储装置，以及基于检测器的设备(例如振动检测器42，电流检测器72，94，104和105，电压检测器92，102，103)。数据从主存储器204被传递到输入/输出装置206，并从输入/输出装置206返回主存储器204。

按照上述说明，本领域技术人员可以容易地编制用于计算环境200中并用于实现本发明的诊断技术的的计算机可读的程序代码，并被存储在上述的存储介质或存储装置中，或者被包括在集成电路中。这种技术可以是完全自动化的，或者在进行诊断处理之前由操作人员输入各种参数。

本领域的技术人员还应当理解，由振动检测器、电流检测器和电压检测器进行的测量可以在机车的齿轮系统在带载工作时周期地进行。测量数据可以被下载并进行远方处理，或者选择地，测量数据被在在线的条件下进行处理，如果检测到频率改变或相位偏移，则向操作者发出报警。如果要把测量数据存储在机车上，最好进行FFT分析，以便减少要被存储的数据量。此外，按照上面的说明，应当理解，本发明可以应用于机车的每个电机驱动的车轮部件的轴断裂和小齿轮打滑。

虽然上面说明了本发明的一些优选的特征，但是，本领域的技术人员可以作出各种改变和改型。因此，应当理解，所附的权利要求旨在包括这些落在本发明的构思内的所有的改变和改型。

Claims (27)

1.一种用于监视操作系统中的轴断裂或初期小齿轮打滑的装置，所述装置包括：

控制器，其适用于第一次确定操作系统的特征固有频率；

所述控制器适用于第二次确定该特征固有频率；并且

所述控制器适用于并比较第一次确定的特征固有频率和第二次确定的特征固有频率，从而检测至少由于轴断裂和初期小齿轮打滑之一而引起的特征固有频率中的漂移。

2.如权利要求1所述的装置，其中特征固有频率是操作系统的轴的固有频率。

3.如权利要求1所述的装置，其中特征固有频率是操作系统的部件的固有频率。

4.如权利要求1所述的装置，其中特征固有频率是包括小齿轮的部件的固有频率。

5.如权利要求1所述的装置，其中特征固有频率包括操作系统的第一部件的第一特征固有频率和操作系统的第二相连的部件的第二特征固有频率。

6.如权利要求1所述的装置，其中控制器适用于响应操作系统的振动测量确定特征固有频率。

7.如权利要求1所述的装置，其中控制器适用于响应操作系统的电动机电流的测量确定特征固有频率。

8.如权利要求1所述的装置，其中控制器适用于响应操作系统的扭转振荡的测量确定特征固有频率。

9.如权利要求1所述的装置，其中控制器适用于响应操作系统的电动机电流和电压的测量确定特征固有频率。

10.如权利要求6所述的装置，其中控制器适用于利用振动测量的快速富氏变换分析确定特征固有频率。

11.如权利要求1所述的装置，其中操作系统是齿轮系统。

12.如权利要求11所述的装置，其中操作系统是机车的齿轮系统。

13.一种用于监视操作系统中的轴断裂或初期小齿轮打滑的装置，所述装置包括：

用于第一次确定操作系统的特征固有频率的装置；

用于第二次确定该特征固有频率的装置；以及

用于并比较第一次确定的特征固有频率和第二次确定的特征固有频率，从而检测至少由于轴断裂和初期小齿轮打滑之一而引起的特征固有频率中的漂移的装置。

14.一种产品，包括：

至少一个计算机可用介质，其中含有具有计算机可读的程序代码的装置，用于进行操作系统中的轴断裂或初期小齿轮打滑的监视，在所述产品中的计算机可读的程序代码装置包括：

用于第一次确定操作系统的特征固有频率的计算机可读的程序代码装置；

用于第二次确定特征固有频率的计算机可读的程序代码装置；以及

用于比较第一次确定的特征固有频率和第二次确定的特征固有频率，从而检测至少由于轴断裂和初期小齿轮打滑之一而引起的特征固有频率中的漂移的计算机可读的程序装置。

15.一种用于监视操作系统中的轴断裂或初期小齿轮打滑的方法，所述方法包括以下步骤：

第一次确定操作系统的特征固有频率；

第二次确定该特征固有频率；以及

比较第一次确定的特征固有频率和第二次确定的特征固有频率，从而检测至少由于轴断裂和初始小齿轮打滑之一而引起的特征固有频率漂移。

16.如权利要求15所述的方法，其中特征固有频率是操作系统的轴的固有频率。

17.如权利要求15所述的方法，其中特征固有频率是操作系统的部件的固有频率。

18.如权利要求17所述的方法，其中的部件包括小齿轮。

19.如权利要求15所述的方法，其中特征固有频率包括操作系统的第一部件的第一特征固有频率和操作系统的第二相连的部件的第二特征固有频率。

20.如权利要求15所述的方法，其中第一次和第二次确定特征固有频率包括测量操作系统的振动。

21.如权利要求15所述的方法，其中第一次和第二次确定特征固有频率包括测量操作系统的电动机电流。

22.如权利要求15所述的方法，其中第一次和第二次确定特征固有频率包括测量操作系统的扭转振荡。

23.如权利要求15所述的方法，其中第一次和第二次确定特征固有频率包括测量操作系统的电动机的电流和电压。

24.如权利要求15所述的方法，其中第一次和第二次确定特征固有频率包括进行对所测量电流的快速富氏变换分析。

25.如权利要求15所述的方法，其中操作系统是齿轮系统。

26.如权利要求17所述的方法，其中操作系统是机车的齿轮系统。

27.由机器可读的至少一种程序存储介质，其有形地包括可由机器执行的至少一个指令程序，用于实施监视操作系统中的轴断裂或初期小齿轮打滑的方法，所述方法包括：

第一次确定操作系统的特征固有频率；

第二次确定该特征固有频率；以及

比较第一次确定的特征固有频率和第二次确定的特征固有频率，从而检测至少由于轴断裂和初始小齿轮打滑之一而引起的特征固有频率漂移。

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