ES2893828T3 - Técnicas para la monitorización del estado de engranajes - Google Patents

Abstract

Un método para monitorizar el estado de los engranajes de un equipo (2-2) elevador que comprende realizar los siguientes actos con respecto a dicho equipo (2-2) elevador que comprende un motor (2-8) eléctrico y una unidad (2- 10) de salida de velocidad, y en donde el motor (2-8) eléctrico está seguido de un engranaje (2-16), en el que el motor (2-8) eléctrico es impulsado por un accionador (2-6) de motor y el motor eléctrico (2-8) y el accionador (2-6) de motor están en una configuración de bucle cerrado, y el accionador (2-6) de motor utiliza una señal (2-12) de realimentación de velocidad de bucle cerrado para monitorizar el motor (2-8) eléctrico, de manera que en el método se llevan a cabo los siguientes actos mediante un sistema (1-100) de procesamiento de datos acoplado operativamente al equipo (2- 2) elevador: - monitorizar un primer conjunto de frecuencias (3-2, 4-2) del equipo (2-2) elevador durante un período de medición cuando el equipo (2-2) elevador está en buen estado de funcionamiento conocido; - almacenar el primer conjunto de frecuencias monitorizadas o sus derivadas como datos de referencia en un sistema de almacenamiento a largo plazo; - monitorizar un segundo conjunto de frecuencias (5-2, 6-2) del equipo (2-2) elevador durante un período de medición cuando el equipo (2-2) elevador se encuentra en una estado de funcionamiento desconocido; - comparar el segundo conjunto de frecuencias monitorizadas con el primer conjunto de frecuencias monitorizadas en un dominio de frecuencia; - en el dominio de la frecuencia, detectar cambios entre las frecuencias correspondientes (3-12, 3-12') resultantes del segundo conjunto de frecuencias monitorizadas y del primer conjunto de frecuencias monitorizadas; - indicar una situación de alerta si al menos un cambio detectado entre las frecuencias correspondientes excede un umbral predeterminado; y - mantener datos que indiquen un conjunto de frecuencias predictivas en las que los cambios detectados se correlacionan con el desgaste mejor que en el caso de frecuencias seleccionadas al azar; - en donde al menos parte del primer conjunto de frecuencias monitorizadas y del segundo conjunto de frecuencias monitorizadas se obtienen a partir de la señal (2-12) de realimentación de velocidad en bucle cerrado o de su derivada (2-12'), en donde dicha señal (2-12) de realimentación de velocidad en bucle cerrado o su derivada (2-12') comprende información de la velocidad de rotación a lo largo del tiempo del motor (2-8) eléctrico, de manera que dicha información de velocidad de rotación se muestrea a intervalos iguales.

Description

DESCRIPCIÓN

Técnicas para la monitorización del estado de engranajes

Campo de la invención

La presente invención se refiere a la predicción de fallos de engranajes en relación con motores eléctricos accionados mediante accionadores de motor.

Antecedentes de la invención

Los problemas subyacentes a la invención se describen en relación con los accionadores eléctricos que proporcionan movimiento vertical o movimiento con un componente vertical tales como grúas, montacargas o ascensores eléctricos. Estos se deben a que la carga que se eleva o suspende afecta a todo el sistema de engranajes, ejes y cojinetes, incluso en un estado estacionario cuando se detiene el movimiento. Por lo general, se instala un freno de seguridad en el lado primario o del motor del engranaje. Si el engranaje se rompe de manera catastrófica, es posible que la carga caiga libremente. Los expertos en la técnica se darán cuenta, sin embargo, de que resulta deseable la predicción temprana de fallos de engranajes en conexión con prácticamente cualquier accionamiento eléctrico, independientemente de la dirección del movimiento.

En el contexto de la presente invención, la predicción de fallos de engranajes comprende dos tareas, a saber, monitorizar el estado del engranaje y detectar cambios potencialmente peligrosos en el estado del engranaje.

El documento JP05069923B2 describe técnicas para una grúa elevadora con un aparato de diagnóstico que calcula el valor de diagnóstico de abrasión de la rueda dentada sobre la base de variaciones en la corriente eléctrica que circula hacia el motor y el valor del ángulo de rotación del eje cuando la rueda dentada engrana con un motor. Un aparato de control de funcionamiento controla el accionamiento de un motor eléctrico y un aparato de detección del ángulo de rotación vinculado al eje de rotación del motor. Un sensor de corriente mide la variación en la corriente eléctrica que circula hacia el motor y el aparato de detección del ángulo de rotación detecta la variación en el ángulo de rotación del eje cuando la rueda dentada engrana con el motor. Un aparato de diagnóstico de abrasión calcula el valor de diagnóstico de la abrasión de la rueda dentada sobre la base de variaciones en el valor de la corriente eléctrica y el valor del ángulo de rotación.

Una publicación de solicitud de patente de EE. UU. de la técnica anterior US 2012/0126738 A1 describe un sistema y un método correspondiente a la técnica anterior para monitorizar el estado de maquinaria giratoria. En la solución descrita, la monitorización del estado de la maquinaria giratoria durante el funcionamiento a velocidad constante o variable se lleva a cabo utilizando datos realimentados por un sensor de posición. Las señales de posición, obtenidas como pulsos, se convierten en una señal de velocidad dependiente del tiempo que luego se transforma en el dominio de la frecuencia. La frecuencia de los componentes de la señal identificados mediante análisis espectral se compara con las frecuencias conocidas que indican la presencia de ciertos fallos, incluidos, entre otras, fallos en los rodamientos, fallos en los engranajes o un desequilibrio de carga. El documento de patente no muestra la monitorización del estado de los engranajes del equipo elevador.

Una publicación de solicitud de patente de EE. UU. de la técnica anterior US 2012/0203497 A1 describe un dispositivo y un método correspondientes a la técnica anterior para detectar e identificar un engranaje dañado entre los engranajes conectados de una copiadora o aparato de formación de imágenes. En la solución descrita, las frecuencias de engranado de los engranajes se seleccionan por su capacidad para indicar qué engranaje entre los engranajes conectados está a punto de causar problemas. La solución descrita también utiliza la evolución temporal de las frecuencias espectrales derivadas de una señal de realimentación de velocidad utilizada para el control de la velocidad del accionamiento eléctrico de la copiadora; los cambios en las frecuencias de engranado se correlacionan con fallos inminentes en el mecanismo de engranajes de la copiadora. El documento de patente tampoco muestra la monitorización del estado de los engranajes del equipo elevador.

Una publicación de solicitud de patente EP de la técnica anterior EP 1405047 B1 se refiere en general al análisis de vibraciones de maquinaria, incluyendo equipos elevadores, tales como bobinadoras o grúas, con fines de mantenimiento predictivo. En una realización, el documento describe el uso de acelerómetros para monitorizar las vibraciones de una caja de engranajes de una bobinadora por fricción. Los cambios detectados a lo largo del tiempo de los patrones de vibración en el dominio de la frecuencia se utilizan para proporcionar alarmas que indican fallos inminentes. El documento no describe el uso de la señal de realimentación de velocidad obtenida por un sensor de velocidad utilizado como entrada para la unidad de control de velocidad de un motor eléctrico en configuración de bucle cerrado.

Un problema de la técnica anterior es la extensa instrumentación necesaria para medir las corrientes y detectar los diversos ángulos de rotación con suficiente precisión, resolución y repetibilidad. Si bien puede ser factible proporcionar equipos nuevos con sensores y conexiones adicionales, la actualización de los equipos existentes es difícil, requiere mucha mano de obra y es costosa.

Sumario de la invención

Es un propósito de la presente invención paliar uno o varios de los problemas identificados anteriormente. Específicamente, es un propósito de la presente invención proporcionar métodos, equipos y productos de programas informáticos que proporcionen mejoras en una o varias áreas, tales como la reducción de la instrumentación necesaria, la facilidad de reacondicionamiento de equipos existentes, o similares.

La invención se basa en la idea de utilizar información que existe en un sistema que comprende un motor eléctrico y un accionador de motor, preferiblemente en una configuración de bucle cerrado. La hipótesis planteada por los inventores es la siguiente:

1. Si el proceso (por ejemplo, la velocidad o la velocidad real frente a la velocidad preestablecida) cambia,

2. Y si no hay cambios en el proceso de control, tal como ocurre en condiciones de valores prestablecidos constantes,

3. Entonces el cambio puede indicar desgaste en el engranaje y, opcionalmente, el o los componentes con mayor probabilidad de presentar desgaste.

Los inventores han probado esta hipótesis con éxito y han experimentado con diversas realizaciones concretas para poner en práctica la invención. Las formas de realización de la invención tienen como objetivo monitorizar el estado, en particular en relación con el desgaste, del sistema que se monitoriza mediante métodos o equipos de acuerdo con las formas de realización de la invención. En particular, las realizaciones de la invención tienen como objetivo reducir la instrumentación adicional, tal como sensores y cableado adicionales, que se utiliza para monitorizar el desgaste en muchas de las propuestas de la técnica anterior.

De acuerdo con la invención, existe un método para monitorizar el estado de los engranajes de un equipo elevador de acuerdo con la reivindicación 1 anexa.

De acuerdo con la invención, existe un equipo elevador según la reivindicación 8 anexa que posee un sistema de procesamiento de datos para llevar a cabo el método de la reivindicación 1 anexa.

La invención ofrece una serie de ventajas sobre las técnicas conocidas de detección de vibraciones. A diferencia de las técnicas que se basan en la detección de vibraciones mecánicas, la presente invención se puede utilizar sin la presencia de sensores de aceleración o cableado para ellos. Asimismo, la presente invención se puede utilizar sin la presencia de un sensor separado para producir un pulso de disparo para iniciar o sincronizar la medición. Además de eliminar la necesidad de utilizar un sensor de aceleración y su cableado, la presente invención elimina algunas de sus desventajas asociadas, tales como la sensibilidad a las vibraciones de fuentes externas.

Las realizaciones de la invención se utilizan en equipos elevadores que comprenden al menos una unidad de salida de velocidad y un motor eléctrico. Una lista no exhaustiva de ejemplos de dicho equipo elevador incluye grúas, montacargas, elevadores (ascensores), escaleras mecánicas, bombas o molinos de viento.

Un accionador de motor se refiere a un dispositivo o unidad que controla uno o más aspectos relacionados con la alimentación de energía al motor eléctrico. Un accionador de motor comprende típicamente un convertidor de frecuencia, un accionador de frecuencia variable o un modulador de ancho de pulso. La unidad de salida de velocidad puede ser un detector de velocidad dedicado, tal como un sensor de pulsos que emite un cierto número de pulsos por cada revolución de un eje giratorio. Como ejemplo ilustrativo pero no restrictivo, el sensor de pulsos puede generar 600 pulsos por revolución para tener una resolución suficiente. En otras implementaciones, el motor eléctrico es accionado por un accionador de motor, en cuyo caso la señal de realimentación de velocidad puede entregarse al accionador de motor. La señal de realimentación de velocidad es entregada por el sensor 2-10 de velocidad. De acuerdo con la invención, el accionador de motor y el motor eléctrico están dispuestos en una configuración de bucle cerrado, en cuyo caso se puede utilizar una diferencia observada entre una velocidad prestablecida y una velocidad real como información adicional. En una configuración de bucle cerrado, la velocidad real se mide y se utiliza como una señal de realimentación de velocidad para el accionador de motor. Por lo tanto, la invención se basa, al menos parcialmente, en el hecho sorprendente de que la observación del cambio en los componentes de frecuencia de la velocidad de rotación a lo largo del tiempo proporciona información valiosa sobre el estado del sistema. La misma velocidad medida o una derivada de la misma se utiliza para los propósitos de monitorización del estado propia de la invención, por lo que la necesidad de sensores y cableado adicionales se reduce o elimina por completo.

El acto de detectar cambios tiene varias implementaciones posibles, tales como la detección de una o varias frecuencias para las que la amplitud supera un cierto umbral; un cambio relativo supera un cierto umbral; o bien el ritmo de variación excede un cierto umbral. De acuerdo con la invención, se indica una situación de alerta si al menos un cambio detectado entre las frecuencias correspondientes supera un umbral predeterminado. Alternativa o adicionalmente, el método puede comprender indicar una situación de alerta si al menos un cambio detectado entre las frecuencias correspondientes excede un cambio promedio calculado sobre varios otros cambios. Algunas implementaciones comprenden escalar la primera y segunda frecuencias a una frecuencia común si las frecuencias se obtuvieron a diferentes velocidades.

De acuerdo con la invención, existe el paso de mantener datos que indican un conjunto de frecuencias predictivas en las que los cambios detectados se correlacionan con el desgaste mejor que si se toman frecuencias seleccionadas al azar. Los cambios en las frecuencias predictivas pueden ponderarse con más peso que los cambios en otras frecuencias. En algunas implementaciones, el citado paso de comparar los conjuntos de frecuencias monitorizadas comprende llevar a cabo una conversión del cepstrum de cada uno de los conjuntos primero y segundo de frecuencias monitorizadas. En algunas implementaciones, dicha monitorización de los conjuntos primero y segundo de frecuencias comprende monitorizar un valor prestablecido y un valor real del motor eléctrico en una configuración de bucle cerrado.

En algunas implementaciones, el análisis en el dominio de la frecuencia comprende la conversión a un cepstrum. Un cepstrum es el resultado de calcular la transformada de Fourier (FT, por sus iniciales en inglés) del logaritmo del espectro estimado de una señal. Un beneficio de la conversión cepstrum es que los armónicos superiores se reducen a sus frecuencias base. Por ejemplo, si se sabe que una fuente de vibración determinada vibra a, por ejemplo, 5,5 Hz, y la vibración no es puramente senoidal, los armónicos superiores de frecuencias iguales a n*5,5 Hz, siendo n un número entero mayor que la unidad, también se generan a partir de la misma fuente. La reducción de los armónicos superiores a sus frecuencias base simplifica la tarea de detectar fuentes de vibración cuyo estado ha cambiado con el tiempo. Esto se debe a que la tarea de asociar frecuencias base con las fuentes de vibración es más fácil en comparación con la tarea de asociar una mezcla compleja de frecuencias base y armónicos superiores con las fuentes de vibración. Los expertos en la técnica entenderán que existen algoritmos alternativos para llegar a un resultado físicamente equivalente, que en este caso consiste en la reducción de armónicos superiores a sus frecuencias base y la simplificación de la tarea de mapear un conjunto de frecuencias a las fuentes de esas frecuencias.

Breve descripción de los dibujos

En la siguiente sección se describirán con mayor detalle realizaciones específicas de la invención en conexión con ejemplos ilustrativos pero no restrictivos. Se hace referencia a los siguientes dibujos:

La Figura 1 muestra una arquitectura de procesamiento de datos a modo de ejemplo que se puede programar para llevar a cabo las diversas tareas de procesamiento de datos relacionadas con las realizaciones de la invención;

La Figura 2 ilustra un accionador de motor en una configuración de control de velocidad de bucle cerrado, en el que una señal de salida de velocidad de la configuración de bucle cerrado se deriva a una unidad de monitorización de estado;

Las Figuras 3 y 4 muestran los resultados de la medición en el dominio de la frecuencia y en el dominio del tiempo, respectivamente, al comienzo de una prueba;

Las Figuras 5 y 6 muestran los resultados de la medición en el dominio de la frecuencia y en el dominio del tiempo, respectivamente, al final de la prueba;

Las Figuras 7 y 8 muestran que algunos de los picos de baja frecuencia exhiben incrementos significativos entre el comienzo y el final de la prueba;

La Figura 9 muestra estas frecuencias en formato de línea de tiempo durante una prueba, que se desarrolló durante periodos de tiempo de entre ocho y nueve horas por día;

La Figura 10 muestra un gráfico de la velocidad del eje y la corriente del motor sin filtrar frente al tiempo durante el transcurso de una prueba de funcionamiento;

Las Figuras 11 a 16 ilustran la escalabilidad de datos con seis velocidades diferentes que van desde 50 a 75 Hz con 5 Hz de diferencia; y

La Figura 17 muestra una arquitectura de software que se utilizó en un prototipo funcional para una Unidad de Monitorización de Estado externa.

Descripción detallada de algunas realizaciones específicas

La Figura 1 muestra una arquitectura de procesamiento de datos a modo de ejemplo que se puede programar para llevar a cabo las diversas tareas de procesamiento de datos relacionadas con las realizaciones de la invención. A partir de este momento, se hará referencia a la arquitectura de procesamiento de datos como computador, pero los expertos en la técnica se darán cuenta de que la arquitectura de procesamiento de datos no necesita implementarse como un computador dedicado. Al contrario, resulta posible utilizar diversas técnicas integradas, como también técnicas en las que la funcionalidad inventiva se instala en un sistema de procesamiento de datos que existe para otros fines.

La arquitectura del computador, genéricamente indicada con el número 1-100 de referencia, comprende una o más unidades CP1 ... CPn centrales de procesamiento, genéricamente indicadas con el número 1-110 de referencia. Las realizaciones que comprenden múltiples unidades 1-110 de procesamiento se proporcionan preferiblemente con una unidad 1-115 de equilibrado de carga que equilibra la carga de procesamiento entre las múltiples unidades 1-110 de procesamiento. Las múltiples unidades 1-110 de procesamiento pueden implementarse como componentes de procesador separados o bien como núcleos de procesador físicos o procesadores virtuales dentro de un encapsulado de un solo componente. En una implementación típica, la arquitectura 1-100 de computador comprende una interfaz 1-120 de red para comunicarse con varias redes de datos, que genéricamente se indican mediante el signo DN de referencia. El DN de redes de datos puede incluir redes de área local, tales como una red Ethernet, y/o redes de área amplia, tal como la red Internet. En algunas implementaciones, la arquitectura de computador puede comprender una interfaz de red inalámbrica, genéricamente indicada por el número 1-125 de referencia. Por medio de la interfaz de red inalámbrica, el computador 1-100 puede comunicarse con varias redes AN de acceso, tales como redes celulares o redes inalámbricas de área local (WLAN). Otras formas de comunicaciones inalámbricas incluyen técnicas inalámbricas de corto alcance, como Bluetooth y varias interfaces "Bee", como ZigBee o algunas de sus implementaciones patentadas.

La arquitectura 1-100 de computador también puede comprender una interfaz 1-140 de usuario local. Dependiendo de la implementación, la interfaz 1-140 de usuario puede comprender circuitería de entrada-salida local para una interfaz de usuario local, tal como un teclado, un ratón y una pantalla (no mostradas). La arquitectura del computador también comprende la memoria 1-150 para almacenar instrucciones de programa, parámetros de funcionamiento y variables. El número 1 -160 de referencia denota un conjunto de programas para el computador 1 -100 servidor.

La arquitectura 1-100 de computador también comprende circuitería para varios relojes, interruptores y similares, y estos se representan genéricamente con el número 1-130 de referencia. La arquitectura 1-100 de computador comprende además una interfaz 1-145 de almacenamiento para un sistema 1-190 de almacenamiento. El sistema 1­ 190 de almacenamiento comprende almacenamiento no volátil, tal como un disco regrabable magnética, óptica o magnetoópticamente y/o memoria semiconductora no volátil, comúnmente conocida como Unidad de Estado Sólido (SSD) o memoria Flash. Cuando el computador 1-100 servidor está apagado, el sistema 1-190 de almacenamiento puede almacenar el software que implementa las funciones de procesamiento y, al encenderlo, el software se transfiere a la memoria 1 -150 semiconductora. El sistema 1 -190 de almacenamiento también retiene datos de funcionamiento y variables durante los períodos de apagado. Los diversos elementos 1-110 a 1-150 se comunican entre sí a través de un bus 1-105, que transporta señales de direccionamiento, señales de datos y señales de control, como es bien conocido por los expertos en la técnica.

El número 1-135 de referencia denota una interfaz mediante la cual el computador 1-100 obtiene datos del sistema que incluye un motor eléctrico y una unidad de salida de velocidad. En la Figura 2 se muestra una implementación específica de dicho sistema, que incluye un motor eléctrico y un accionador de motor en una configuración de bucle cerrado. En una configuración de bucle abierto, se debe proporcionar una unidad de salida de velocidad por separado. Es evidente que la naturaleza de la interfaz para la unidad de salida de velocidad depende de la naturaleza de la propia unidad de salida de velocidad. Una lista no exhaustiva de ejemplos comunes incluye CAN, Profibus, interfaces serie (por ejemplo, protocolo HMI sobre interfaz física RS-232), o similares.

Naturalmente, en los casos en los que la funcionalidad inventiva está incluida en el sistema de control que controla el equipo, tal como una grúa o un elevador, una interfaz 1 -135 separada resulta superflua.

Las técnicas de la invención pueden implementarse en la arquitectura 1 -100 de computador como sigue. El conjunto de programas 1-160 comprende instrucciones de código de programa para instruir al procesador o al conjunto de procesadores 1-110 a ejecutar las funciones de la invención o sus realizaciones, que incluyen:

- monitorizar un primer conjunto de frecuencias del sistema (tal como la configuración de bucle cerrado que se muestra en la Figura 2) durante un período de medición cuando el sistema se encuentra en buen estado de funcionamiento conocido;

- almacenar el primer conjunto de frecuencias monitorizadas o derivadas de las mismas como datos de referencia en un sistema de almacenamiento a largo plazo;

- monitorizar un segundo conjunto de frecuencias del sistema durante un período de medición cuando el sistema se encuentra en un estado de funcionamiento desconocido;

- comparar el segundo conjunto de frecuencias monitorizadas con el primer conjunto de frecuencias monitorizadas en un dominio de frecuencia;

- en el dominio de la frecuencia, detectar cambios entre las frecuencias correspondientes resultantes del segundo conjunto de frecuencias monitorizadas y el primer conjunto de frecuencias monitorizadas.

Además de las instrucciones para llevar a cabo un método de acuerdo con la invención o sus realizaciones, la memoria 1-160 almacena instrucciones para llevar a cabo funciones normales del sistema o del sistema operativo, tales como asignación de recursos, comunicación entre procesos o similares.

La Figura 2 ilustra una realización de un sistema que incluye un motor eléctrico y una unidad de salida de velocidad. La implementación mostrada en la Figura 2 comprende un accionador de motor en una configuración de control de velocidad en bucle cerrado. El bloque 2-2, que se indica con un contorno de línea discontinua, representa la configuración de control de velocidad en bucle cerrado. El número 2-4 de referencia denota una fuente de alimentación configurada para suministrar energía a través de un accionador 2-6 de motor a un motor 2-8. En esta realización, el accionador 2-6 de motor comprende un controlador 2-6A de accionamiento y una unidad 2-6B de salida de velocidad. La velocidad del motor es monitorizada por un sensor 2-10 de velocidad que proporciona una señal 2-12 de realimentación de velocidad al accionador 2-6 de motor. La señal 2-12 de realimentación de velocidad consiste típicamente, pero no exclusivamente, en una secuencia de pulsos. En la realización que se está describiendo, la unidad 2-6B de salida de velocidad procesa la señal 2-12 de realimentación de velocidad principalmente con el propósito de monitorizar la velocidad del motor en una configuración de bucle cerrado. En la realización que se está describiendo, la señal de realimentación de velocidad procesada, indicada por el signo de referencia 2-12', también se deriva a una unidad CMU de monitorización de estado. Para una descripción más detallada de la CMU, se hace referencia a la Figura 17, que ilustra una unidad de monitorización de estado externa. En otras realizaciones, la funcionalidad de la unidad de monitorización de estado puede integrarse correctamente de igual modo en el controlador del accionador del motor.

La señal 2-12' derivada por la configuración del motor en bucle cerrado hacia la unidad CMU de monitorización de estado puede tener ya un formato ventajoso para ser procesada por la CMU. Por ejemplo, un formato ventajoso puede ser o comprender una velocidad de rotación muestreada a intervalos iguales. La señal es preferiblemente una señal digital.

La configuración del control de velocidad se puede monitorizar desde un dispositivo de control cableado o inalámbrico, genéricamente indicado por el número 2-14 de referencia. El motor 2-8 acciona un engranaje 2-16. El engranaje 2-16 a su vez acciona un elevador 2-18, que en este ejemplo eleva o hace descender una carga 2-20. En algunas aplicaciones, como las escaleras mecánicas, el movimiento de la carga puede ser unidireccional.

Es una hipótesis de los inventores que:

1. Si el proceso (por ejemplo, la velocidad o velocidad real frente a la velocidad prestablecida) cambia,

2. Y si no hay cambios en el proceso de control, tal como ocurre en condiciones de valores prestablecidos constantes,

3. Entonces este cambio puede indicar desgaste en el equipo y, opcionalmente, el o los componentes con mayor probabilidad de presentar desgaste.

Los inventores han probado esta hipótesis con éxito y han experimentado con diversas realizaciones concretas para poner en práctica la invención.

Las Figuras 3 y 4 muestran los resultados de la medición en el dominio de la frecuencia (diagrama 3-2) y el dominio del tiempo (diagrama 4-2), respectivamente, al comienzo de una prueba. Las Figuras 5 y 6 muestran los resultados de la medición en el dominio de la frecuencia (diagrama 5-2) y el dominio del tiempo (diagrama 6-2), respectivamente, al final de la prueba. Como puede apreciarse en la Figura 3, las alturas de los picos varían mucho para diferentes frecuencias. Al comparar los resultados graficados en el dominio de la frecuencia, a saber, las Figuras 3 y 5 (comienzo y final de la prueba, respectivamente), es evidente que el pico a 234 Hz, indicado por los números 3-12 y 3-12' de referencia, ha aumentado significativamente hacia el final de la prueba. Además, han aparecido algunos nuevos picos visibles en frecuencias entre 0 y 30 Hz. El origen del pico de 234 Hz resultó ser un tercer múltiplo de una frecuencia de engranado del eje a 78 Hz (3 * 78 = 234).

Las Figuras 7 y 8 muestran los respectivos espectros 7-2 y 8-2. Los espectros muestran que algunos de los picos de baja frecuencia exhiben aumentos significativos entre el comienzo y el final de la prueba. Los inventores han descubierto que estos picos de baja frecuencia son indicadores de fallos relevantes para el engranaje particular que se utilizó para las pruebas. Las frecuencias de fallo calculadas se enumeran en la Tabla 1. Las frecuencias que se pueden obtener de la medición de velocidad representada en el dominio de la frecuencia se indican con los signos > o >>. Los signos > simples indican buenas coincidencias y los signos >> dobles indican muy buenas coincidencias. Existe una buena coincidencia entre las frecuencias calculadas y medidas, y no hay duda de que el estado del engranaje ha cambiado durante la prueba. Con esta metodología se pueden detectar incluso picos de frecuencia relativamente pequeños.

La siguiente tabla se refiere a un engranaje con cuatro ejes I - IV, en donde cada eje posee dos cojinetes 1 y 2. Las etapas I, II y III se refieren al engranado del engranaje en el que una rueda dentada hace contacto con la otra.

Tabla 1, frecuencias calculadas para indicar un posible fallo del engranaje

La tabla 1 anterior proporciona las frecuencias sobre la base de especificaciones mecánicas. En entornos en los que las frecuencias clave no se pueden obtener a partir de especificaciones mecánicas. Las frecuencias se pueden obtener empíricamente. Por ejemplo, se inicia una medición y se recopilan datos durante un tiempo. Las frecuencias cuyas amplitudes aumentan o que se distinguen por otros medios se seleccionarán para una observación prolongada. Después de un intervalo de tiempo, que experimentalmente se sabe que es lo suficientemente largo como para que aparezcan cambios significativos, se repite la medición y las frecuencias medidas antes del intervalo ("las primeras frecuencias") y después del intervalo ("las segundas frecuencias") se comparan para detectar picos nuevos o aumentados. La recopilación y comparación de datos se repite a una velocidad que se sabe experimentalmente que es lo suficientemente alta como para detectar cambios significativos antes de la fallo real del equipo. Cuando se detectan una o más frecuencias con cambios significativos, es beneficioso para la unidad de monitorización de estado adaptar su esquema de monitorización, por ejemplo, recogiendo observaciones a una velocidad mayor.

Se eligieron algunas frecuencias potencialmente interesantes para llevar a cabo análisis más detallados. La Figura 9 muestra algunas de estas frecuencias, genéricamente indicadas por el número 9-2 de referencia, en formato de línea de tiempo durante la prueba, que se desarrolló durante un intervalo de tiempo de entre ocho y nueve horas por día. Las mediciones se tomaron dos veces al día, con tres mediciones individuales en ambos momentos. Cerca del final de la prueba, el ensayo se ejecutó de forma continua. Esta anomalía de medición explica las fuertes subidas de muchas frecuencias cerca del final de la prueba. En esta prueba, se detectaron cambios significativos entre el comienzo y el final de la prueba en las frecuencias de 8,7 Hz, 9,8 Hz, 11 Hz y 14,9 Hz.

La Figura 10 muestra un gráfico de la velocidad del eje 10-2 y la corriente 10-4 del motor sin filtrar frente al tiempo durante el transcurso de una prueba de funcionamiento. El propósito inmediato de esta prueba fue averiguar cómo la variación de velocidad afecta al análisis y sus resultados. Un propósito de mayor alcance fue desarrollar algoritmos y/o identificar frecuencias características que detectan el desgaste y/o predicen fallos en los sistemas de engranajes independientemente de las velocidades y cargas utilizadas.

Las Figuras 11 a 16 ilustran la escalabilidad de datos con seis velocidades diferentes que van desde 50 a 75 Hz con 5 Hz de diferencia. Se utilizó una carga igual (5 toneladas) a todas las velocidades. En la Figura 11, el número 11 -2 de referencia denota un pico causado por un efecto masa-resorte generado por la carga y los cables, mientras que el número 11-4 de referencia denota la velocidad del propio variador en Hz. Aunque las Figuras 11 a 16 se obtuvieron a velocidades de 50, 55, 60, 65, 70 y 75 Hz, todos los resultados se han presentado con frecuencias escaladas. En consecuencia, el pico 11 -4, causado por la variación de la velocidad de transmisión, siempre se produce en la marca de 50 Hz.

En la Figura 12, el número 12-6 de referencia denota una frecuencia de resonancia.

En las Figuras 13 a 16, los números 13-8 a 16-8 de referencia respectivos indican el desarrollo de un pico de frecuencia en las diversas frecuencias.

La Figura 17 muestra una arquitectura de software que se utilizó en un prototipo de trabajo, que a partir de este momento se denominará Unidad de Monitorización de Estado ("CMU", por sus siglas en inglés). La CMU, indicada con el número 17-6 de referencia, se acopló a un accionador D2V 17-2 fabricado por el propietario de la presente solicitud. Para los propósitos de la presente invención, el accionador 17-2 es parte de un ejemplo del equipo cuyo estado está siendo monitoreado. El accionador también puede recibir información de una unidad 17-4 de salida de velocidad real. Sobre la base de la enseñanza proporcionada en este documento, el principio inventivo es adaptable a otros tipos de accionadores poniendo en práctica habilidades rutinarias.

Con respecto a la arquitectura de software que se muestra en la Figura 17, primero se configura el registrador de datos incorporado del variador D2V para recopilar las señales correctas. Cuando la grúa o el elevador se manejan a una velocidad continua y estable, el registrador de datos se activa y comienza a recopilar datos. Es beneficioso recopilar datos durante una ejecución uniforme o casi uniforme. Las mediciones se pueden realizar, por ejemplo, almacenando la señal de salida de velocidad de forma continua. Las mediciones se pueden repetir periódicamente o cuando se desencadenan por otras consideraciones, por ejemplo, en los casos en que se han realizado cambios en el sistema o en su estado de funcionamiento, y la tasa se puede aumentar (acortando el período) cuando se detectan cambios significativos. Cuando se han recopilado suficientes datos, se transfieren a la unidad CMU de monitorización de estado para el procesamiento de los datos (17-8). Primero se verifica la elegibilidad de los datos y, si los datos son correctos, se procesarán para detectar un posible desgaste del engranaje (17-10). Si la CMU 17-6 detecta en la prueba 17-12 que la condición de desgaste excede ciertos límites prefijados, iniciará el envío de una notificación o alarma a un centro u operador (17-14) remoto para investigar el asunto. Los datos se guardarán para su posterior estudio (17-16). Después de eso, la CMU 17-6 está en modo de espera para la siguiente medición. Si no se detectan signos de desgaste, no se envía ninguna alarma y el registrador de datos está preparado para la siguiente medición. Incluso en los casos en los que no se detecta ninguna condición de alarma, los datos pueden guardarse para su posterior estudio y/o confirmación. En la fase de prototipo, el procesamiento de datos aún no se implementó en la CMU, por lo que las decisiones sobre las condiciones reales de alerta no fueron tomadas por la CMU. No obstante, los estudios llevados a cabo hasta ahora han confirmado la hipótesis de los inventores de que la monitorización del progreso de los picos de frecuencia a lo largo del tiempo en una configuración de accionador de motor en bucle cerrado puede generar datos capaces de indicar la condición de desgaste y/o predecir fallos en un sistema de engranajes, incluso sin instalación de sensores adicionales.

Resulta beneficioso llevar a cabo las mediciones periódicamente repetidas cuando el sistema está funcionando en condiciones constantes o casi constantes, con una velocidad sustancialmente constante. Una razón para realizar mediciones periódicamente repetidas es mantener los requisitos de capacidad de almacenamiento de datos a un nivel razonable. Alternativamente, se pueden realizar mediciones siempre que se detecte una oportunidad. Si no se detectan cambios significativos con respecto a la medición anterior, los datos sin procesar se pueden eliminar y solo se realiza una entrada de registro, lo que indica que los resultados fueron sustancialmente similares a una medición anterior.

Los expertos en la técnica se darán cuenta de que el principio inventivo puede modificarse de diversas formas sin apartarse del alcance de la presente invención definido por las reivindicaciones anexas.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un método para monitorizar el estado de los engranajes de un equipo (2-2) elevador que comprende realizar los siguientes actos con respecto a dicho equipo (2-2) elevador que comprende un motor (2-8) eléctrico y una unidad (2­ 10) de salida de velocidad, y en donde el motor (2-8) eléctrico está seguido de un engranaje (2-16), en el que el motor (2-8) eléctrico es impulsado por un accionador (2-6) de motor y el motor eléctrico (2-8) y el accionador (2-6) de motor están en una configuración de bucle cerrado, y el accionador (2-6) de motor utiliza una señal (2-12) de realimentación de velocidad de bucle cerrado para monitorizar el motor (2-8) eléctrico, de manera que en el método se llevan a cabo los siguientes actos mediante un sistema (1-100) de procesamiento de datos acoplado operativamente al equipo (2­ 2) elevador:

- monitorizar un primer conjunto de frecuencias (3-2, 4-2) del equipo (2-2) elevador durante un período de medición cuando el equipo (2-2) elevador está en buen estado de funcionamiento conocido;

- almacenar el primer conjunto de frecuencias monitorizadas o sus derivadas como datos de referencia en un sistema de almacenamiento a largo plazo;

- monitorizar un segundo conjunto de frecuencias (5-2, 6-2) del equipo (2-2) elevador durante un período de medición cuando el equipo (2-2) elevador se encuentra en una estado de funcionamiento desconocido;

- comparar el segundo conjunto de frecuencias monitorizadas con el primer conjunto de frecuencias monitorizadas en un dominio de frecuencia;

- en el dominio de la frecuencia, detectar cambios entre las frecuencias correspondientes (3-12, 3-12') resultantes del segundo conjunto de frecuencias monitorizadas y del primer conjunto de frecuencias monitorizadas;

- indicar una situación de alerta si al menos un cambio detectado entre las frecuencias correspondientes excede un umbral predeterminado; y

- mantener datos que indiquen un conjunto de frecuencias predictivas en las que los cambios detectados se correlacionan con el desgaste mejor que en el caso de frecuencias seleccionadas al azar;

- en donde al menos parte del primer conjunto de frecuencias monitorizadas y del segundo conjunto de frecuencias monitorizadas se obtienen a partir de la señal (2-12) de realimentación de velocidad en bucle cerrado o de su derivada (2-12'), en donde dicha señal (2-12) de realimentación de velocidad en bucle cerrado o su derivada (2-12') comprende información de la velocidad de rotación a lo largo del tiempo del motor (2-8) eléctrico, de manera que dicha información de velocidad de rotación se muestrea a intervalos iguales.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además escalar las frecuencias a una frecuencia común si los picos del primer conjunto de frecuencias monitorizadas y los picos del segundo conjunto de frecuencias monitorizadas se obtuvieron a diferentes velocidades.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, que comprende además ponderar los cambios en las frecuencias predictivas con más peso que los cambios en otras frecuencias.

4. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además aumentar la tasa de monitorización del segundo conjunto de frecuencias en respuesta al hecho de que uno o más de dichos cambios cumplan un conjunto de criterios de significancia.

5. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde comparar el segundo conjunto de frecuencias monitorizadas con el primer conjunto de frecuencias monitorizadas en un dominio de frecuencia comprende una conversión cepstrum de cada uno del primer y segundo conjunto de frecuencias monitorizadas.

6. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el primer conjunto de frecuencias monitorizadas y el segundo conjunto de frecuencias monitorizadas comprenden picos de frecuencia en el dominio de la frecuencia.

7. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el sistema (1-100, 17-6) de procesamiento de datos está integrado en un controlador del accionador (2-6) de motor del sistema elevador.

8. Equipo elevador que comprende un accionador (2-6) de motor, un motor (2-8) eléctrico y una unidad (2-10) de salida de velocidad en una configuración de bucle cerrado, en donde el equipo elevador comprende un sistema (1-100, 17­ 6) de procesamiento de datos; en donde el sistema de procesamiento de datos comprende:

- un sistema (1 -150) de memoria para almacenar instrucciones de códigos de programa y datos;

- un sistema (1-110) de procesamiento que incluye al menos una unidad de procesamiento, en donde el sistema de procesamiento ejecuta al menos una parte de las instrucciones del código del programa y procesa los datos; - y en el que el motor (2-8) eléctrico es accionado por el accionador (2-6) de motor y el motor (2-8) eléctrico y el accionador (2-6) de motor están en una configuración de bucle cerrado, y el accionador (2-6) de motor utiliza una señal (2-12) de realimentación de velocidad en bucle cerrado para monitorizar el motor (2-8) eléctrico;

en donde el sistema de memoria almacena instrucciones de código de programa que, cuando son ejecutadas por el sistema de procesamiento, instruyen al sistema de procesamiento para realizar los siguientes actos:

- monitorizar un primer conjunto de frecuencias (3-2, 4-2) del equipo (2-2) elevador durante un período de medición cuando el equipo (2-2) elevador está en buen estado de funcionamiento conocido;

- almacenar el primer conjunto de frecuencias monitorizadas o sus derivadas como datos de referencia en un sistema de almacenamiento a largo plazo;

- monitorizar un segundo conjunto de frecuencias (5-2, 6-2) del equipo (2-2) elevador durante un período de medición cuando el equipo (2-2) elevador se encuentra en un estado de funcionamiento desconocido;

- comparar el segundo conjunto de frecuencias monitorizadas con el primer conjunto de frecuencias monitorizadas en un dominio de frecuencia;

- en el dominio de la frecuencia, detectar cambios entre las frecuencias correspondientes (3-12, 3-12') resultantes del segundo conjunto de frecuencias monitorizadas y del primer conjunto de frecuencias monitorizadas;

- en donde se indica una situación de alerta si al menos un cambio detectado entre las frecuencias correspondientes supera un umbral predeterminado; y

- en donde se mantienen los datos, indicando dichos datos un conjunto de frecuencias predictivas en las que los cambios detectados se correlacionan con el desgaste mejor que en el caso de frecuencias seleccionadas aleatoriamente;

- en donde al menos una parte del primer conjunto de frecuencias monitorizadas y del segundo conjunto de frecuencias monitorizadas se obtienen a partir de la señal (2-12) de realimentación de velocidad de bucle cerrado o de su derivada (2-12'), en donde dicha señal (2-12) de realimentación de velocidad de bucle cerrado o su derivada (2-12') comprenden información de la velocidad de rotación a lo largo del tiempo del motor (2-8) eléctrico, de manera que dicha información de velocidad de rotación se muestrea a intervalos iguales.

9. El sistema de procesamiento de datos de acuerdo con la reivindicación 8, en donde el sistema (1-100, 17-6) de procesamiento de datos está integrado en un controlador del accionador (2-6) de motor.