JP5826866B2 - 発電ステーションにおけるギアボックスの摩耗監視 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、請求項１のプリアンブル部分に記載の発電ステーションにおけるギアボックスの摩耗を監視する方法および請求項１０のプリアンブル部分に記載のギアボックス監視装置に関する。

風力発電プラント−風車とも称する−は、すでに市場で入手可能である有望な再生可能エネルギ源である。多くの場合、強風地域に配されたウインドパークまたはウインドファームに複数の風車が集中する。標準的な設計は、プロペラブレードを備えるロータが配置され、電気発電機も配される水平に旋回可能なナセルを上端部に備えるタワーを含む。

風車用途では、毎分約６〜２０回転（ＲＰＭ）の運転速度のロータブレード回転を、約９００〜２０００ＲＰＭの範囲で稼動する電気発電機に伝えるためのギアボックスが必要である。概して、平歯車が段毎に最大でおよそ１：５の歯車比を許容するので、必要なギア比を達成するために複数の歯車段が必要である。あるいは、段および歯車の数を減少させ、効率、サイズ、騒音および費用条件のためにも、より高い歯車比率を有する少なくとも一つの遊星歯車段を風力発電段階に装備することができる。遊星および平歯車段の組み合わせを使用することもできる。

風力発電ステーションは、多くの場合、メガワット範囲で運転され、およそ２０年以上のライフサイクルで設計される。そのようなギアボックスの効率は、極めて高い（一例として、およそ９８％）が、メガワットのパワーが伝達されることを考え、多くの場合、ギアボックス自体またはその内側のオイルを能動的に冷却することが求められる。長い耐用年数は、数億回のロータの回転および数十億回の発電機の回転も意味する。類似の用途として、先に述べた風車と同様の運転状態を有する水車、潮力発電プラントなどのように、ギアアップを必要とする低速回転入力シャフトを備える他の低速稼動発電ステーションにおけるギアボックスもある。極めて長い耐用年数に加え、そのような風車の負荷は、特に、緊急停止または疾風、スコールもしくは突風の場合に広範囲および急速に変動することができる。ブレードの迎角の角度を変動させるか、ナセル全体の水平回転により、負荷制御を達成できるものの、それらの調整は、風速の可能な変化と比較して低速である。ナセル内の環境および気候状態も機械の稼動にとって好都合ではない。先の事実は、風車ギアボックスが稼動期間中に整備を必要とすることを示す。

設計段階中にギアボックスの予測可能な稼動期間を判定するための極めて緻密な方法がある。それらの計算は、予測される負荷ならびに統計データおよび経験に基づく。稼動期間中の実際の負荷プロファイルの不確実性、製造公差および多くの場合に過酷な環境状態に起因して、それらの計算は、相当の安全マージンを含む予防保守スケジュールを判定するためにのみ使用することができる。稼動期間中の所定の不測の影響、例えば、ピーク負荷、温度サイクル、製造の不正確さなどは、−事前に検出されない場合に−ジャミングまたはスピニングのような不測のギアボックス故障、およびそれからもたらされる可能性が有るあらゆる副次的作用を招く可能性がある早期故障を引き起こすことができる。

風車では、ギアボックスは、通例、地上レベルよりも高いナセルに設置され、そのため、ギアボックスまたはその部品を維持または修理することは、困難な作業である。特に、多くの場合、風車は、遠隔地域、山間部または沖合に所在するので、風車にアクセスすることが負担となる。多くの場合、ナセルに予備部品を供給するためにヘリコプタが必要である。

特に、ギアボックスの保守および交換が極めて費用集約的であるので、修理および／または交換を、予防的にそれらの作業を行うよりもむしろ、多くの場合、実際の寿命の終了にはるかに先立って、ギアボックスの判定した実際の状態に基づいてスケジュールすることが所望される。

ギアボックスの状態を推定するための公知の方法は、ギアボックスの内側のオイルを、摩損、特に、擦れた金属粒子について分析することである。定期的な手動分析以外に、公知のインラインセンサもある。例として、韓国特許第２００７０２４２３０号に提示される装置は、オイル分析の結果が−摩耗した歯車のしるしとして−重要である場合、状態信号および警告を提供する。

−長年にわたり、熟練した職人によって手作業でも行われてきた−もう一つの方法は、ギアボックスが発する音を「聞く」ことである。自動システムでは、これは、一種のマイクロホンによる音響分析または振動もしくは加速度センサを手段として行うことができる。刊行物米国特許第２００８／０２３４９６４号、中国特許第１０１ １９６ １７４号または米国特許第５，６６１，６５９号は、ギアボックスのような機械的システムのための構造による音または振動分析による摩耗検出システムに言及している。刊行物米国特許第２００７／０１１８３３３号は、ギアボックス音の異常を検出するための音響センサが軸受ユニットに含まれる異常診断システムを開示している。

国際公開公報第２００４／０３４０１０号では、ギアボックスの製造における品質調査のための方法が提示されている。これは、ギアボックスの組立後、歯車シャフトに取り付けられて同時にサンプリングされる二つの回転トランスデューサにより、二つの相互作用するはめ歯歯車を監視することによって達成される。そこでは、ギアボックスの品質のしるしを与える前方および後方モードでの測定により、ギアのガタが判定される。

米国特許第６，１７５，７９３号では、ギアボックスの入力および出力シャフトにおける同様の角度位置検知手段およびトルク検知ユニットにより、車両のハンドル用ギアボックスが監視される。トルクに関係するねじれの数学的な相殺により、ギアボックス内の歯車の摩耗を表す信号が生成される。

日本国特許第５８ ０３４３３３号は、発電プラントの軸方向変位、回転速度および負荷の度合いを基準としたダイヤフラムカップリングの応力状態の定常監視に関する。これは、発電機シャフトへのダイヤフラムカップリングの嵌合部分の近傍で、軸方向変位の度合いを検出する手段により、行われる。発電プラントの変位、回転速度および負荷を基準としてダイヤフラムカップリングにおける応力が計算され、カップリングの安全な運転状況が判定される。

回転位置データからある程度の摩耗作用を判断することができるが、それらのデータの評価は、回転データに含まれる摩耗情報が不完全であり、経験に基づく。歯車の歯の遊びまたはガタは、極めて正確に推定できるものの、ギアボックス内の多くの摩耗作用を回転位置オフセットのみから判断することはできない。角度測定のみを分析する場合、主として他の作用にそれ自体が現れ、角度位置で確認できない摩耗は、検出不可能である。

そのため、ギアボックスの状態を判定するためのより確実な基準が望ましい。先に述べた騒音測定は、より広い範囲の摩耗作用に対応できるものの、概して、高度に正確ではなく、推量およびギアボックスの各事例で異なる配置が固有の構成も含む。システム全体の所望の管理は、正確な負荷監視と、実際の負荷状態からの依存性、および音響分析のみでは実現可能でない重要なシステム部品の寿命または耐用年数管理、を考慮することを含む。特に、風車タワー内の機械のような機械にアクセスすることは、大掛かりおよび困難であり、故障有りか無しかの検出結果を検出できるかが問題ではなく、誤った検出が大きな費用の問題となる。多くの重要な用途では、音響分析そのものは、単独使用するために十分に確実および正確でない。

本発明の目的は、最も寿命が重要な部品の一つである、ギアボックスの正確および確実な摩耗監視により、風力発電ステーションの改善された耐用年数管理を提供することである。

そのため、本発明の目的は、風車システムのギアボックスをより確実に監視することである。

本発明のさらなる目的は、稼動期間中のギアボックス全体の摩耗を監視するための改善された方法およびシステムを提供することであり、特に、−歯車、シャフトおよび軸受を備えた−装置全体を監視に含ませることである。

本発明のもう一つの目的は、ギアボックス内の摩耗部品の種類および位置のより正確な判定を許容することであり、特に、ギアボックスの全てまたは少なくとも最も重要なコンポーネントの状態−状況データを提供することである。

本発明の目的としては、監視において、摩耗のしるしの広いスペクトル範囲に対応することであり、特に、ＤＣレベルから開始して、低周期範囲にも対応することである。

本発明は、風力発電ステーションにおけるギアボックスの摩耗を監視する方法に関する。ギアボックスは、ギアボックスのコンポーネントとして、少なくとも一つの第一のシャフト、少なくとも一つの第二のシャフト、はめ歯歯車、および軸受を含む。

方法は、第一の回転シャフトエンコーダにより、第一のシャフトにおける第一の角度位置を−第一の自由度として−検知する工程と、第二の回転シャフトエンコーダにより、第二のシャフトにおける第二の角度位置を検知する工程とを含む。ギアボックスの摩耗の監視が、検知された各シャフトの各角度位置の差異に従って行われ、監視された差異に従い、伝達ユニットの摩耗を表す状態信号が生成される。

方法は、さらに、少なくとも一つのシャフトの少なくとも一つの追加的な自由度、特に、軸方向および／または偏心変位、特に、ギアボックスの少なくとも一つのコンポーネントの摩耗によって引き起こされる変位、を追加的に検知する工程と、摩耗のしるしとしての追加的な自由度を監視し、少なくとも二つの自由度、特に、少なくとも一つの角度および少なくとも一つの線形自由度、の変位および差異に従い、状態信号を生成する工程とを伴う。

ギアボックスの入力および出力シャフトの回転位置を分析し、それらの測定を比較することにより、歯の摩損または破損のみならず、ガタまたは遊びの形態の摩耗のしるしを評価することができる。遊びまたはガタは、特に、回転方向をシフトする時に発生する。歯の誤差に起因する信号外乱は、回転周期性を有する。仮に、測定されるシャフトで誤差が発生しないとしても、例として、中段歯車で発生する場合、歯車伝達比によって測定される。

特に、ギアボックスのトルク負荷も測定され、トルクに関連する角度変位の作用が補償される場合、先に述べた摩耗の作用は、シャフトの相互に関連する角度変位の差異によって表現される。内部コンポーネントの材料および形状の知識を組み込むことにより、ギアボックスの負荷下での理論的挙動およびダイナミクスを予想でき、ギアボックスまたはその所定の部品の動的性能を導出および監視することができる。

単一シャフト上の二つの角度エンコーダ、−シャフトの剛性が既知で、トルク負荷を受ける中間のシャフト区間を備え−、負荷下のシャフトの角度または捻りまたはねじれに従い、トルクを判定するためにを使用することができる。それにより、ピークトルク、トルクが所定の制限を超えた回数、負荷サイクル数などのような事柄を、記録、評価および監視することができる。これは、一つまたは複数の軸について個別に行うことができる。角度位置測定により、軸の回転速度も公知であり、トルクおよび速さにより、伝達されるパワーを計算できる。入力および出力シャフトのパワーが判定された場合、ギアボックスの効率、−または各軸上の二つのエンコーダにより、各内部段の効率さえも−、を計算できる。一回転におけるシャフトのねじれの変動も、摩耗のしるしであることができる。
良好に稼動する歯車は、ピークまたは特異性なく、滑らかで、円形の角度トルク分布を有する。実際のパワーおよび／またはトルクの値を測定するためのもう一つのソースは、発電機の電気出力であることができる。

エンコーダは、絶対または相対エンコーダであることができる。長期的な判定のため、絶対角度エンコーダを使用することができる。これにより、非連続的な監視または電力故障の場合でさえも、測定された位置の値のオフセットが相互に関して一定である。異なるシャフトに配された少なくとも二つの絶対エンコーダのオフセットの変動を分析することにより、システム内側のギアの変動、摩耗のしるしであって、特に、トルクの追従および温度の影響も測定され、数学的に補償されたもの、を評価することができる。

追加的なシナリオにも、絶対エンコーダまたは精密な基準標識を備えるエンコーダのいずれかを一転回当たり少なくとも一度使用し、ボックス基礎に関連する絶対角度位置を判定することにより、対応することができる。例として、歯車の第一の回転により、基準データとして、角度プロファイル基準、特に、負荷がある場合およびない場合の両方の回転方向におけるもの、が測定される。基準データは、その後、摩耗または特異作用を判定するために使用することができる。適用される材料を必要とするように破損したかまたは激しく摩耗した歯のように、現場での修理（一例として、溶接などによる）が要求される場合も、基準データを使用し、（一例として、非最適形状の歯の専用研削により）、基準状態を再確立することができる。それにより、特に、はめ歯歯車の被作用区間を再加工することにより、歯車の非最適なかみ合いを示唆するであろうピークがなく、滑らかな角度位置プロファイルを確立することができる。

先に述べた単一シャフトのモデリング以外に、ギアボックスの全体的な剛性を、計算または実験的、一例として、稼動段階的な可動により、評価することもできる。理論的、実験的および実際のシステム挙動は、比較することができ、もたらされる差異が、ギアボックスの状態を表し、それにより、収集された情報を、その寿命の管理に使用することもできる。

実用的な使用では、ギアボックスの全体的な摩耗のしるし、−例えば、構造による音または入力および出力エンコーダのみで検出可能であるような−、だけでなく、ギアボックスの摩耗の問題が発生する段または部分も重要となる。多くの、全ての、または少なくとも最も重要なシステムコンポーネント、またはそれらのそれぞれのシャフトにおける、センサの的確な装置が、ギアボックス全体を精密に監視するために、使用される。歯車の監視は、その状態を判定するための、単一の歯の監視レベルに至るまで行うことができる。

本発明によると、複数の自由度、特に、追加的な軸方向および偏心、のシャフトの移動を判定することで、ギアボックスの状態の追加的な情報が得られ、より正確な監視を達成することができる。

一方で、これは、角度エンコーダと他の軸センサ手段、例えば、光学、容量または誘導変位センサ、とを組み合わせることにより、システムを拡張することで、実施することができる。

もう一つの手法は、偏心および軸方向シフトも判定するように構築されたエンコーダの使用である。エンコーダは、容量エンコーダ、光学式回転エンコーダ、磁気エンコーダまたは角度位置および少なくとも一つの追加的な自由度を測定する能力を備える他のタイプのエンコーダとして具現化することができる。例として、任意の幾何学的２Ｄパターンの光学突起、突起されるパターンが非半径方向であることさえできる、の評価のための、ラインセンサまたはエリアセンサを備える光学角度エンコーダを使用できる。そのようなセンサ、評価回路および評価ソフトウェアは、突起の位置および／またはスケールの変化を判定するために最適化される。２Ｄパターンおよび軸方向の突起を含む半径方向ディスクの場合、位置の変化が偏心を表現し、スケールの変化が軸方向シフトを表現し、パターン評価が角度位置を判定する。

そのような作用を検出することができる従来技術の公知のセンサは、作用自体を測定しているのではなく、むしろ、高度に正確な角度測定のための補償を達成していると考えられる。軸方向および偏心の副次的作用の値は、角度測定の修正目的のために内部のみにおいて使用されるので、従来技術のセンサ出力においては入手でさえも可能ではない。そのような情報が、異なる出力で、入手可能であろう場合を考慮しても、本発明に従って行われるような、ギアボックスの異なる摩耗の作用を監視するために、その後者を使用することは明確になっていない。

追加的な自由度を判定するためのセンサの例示的な態様または基本原理は、例として、国際公開公報第２００８／０８３７９７号、国際公開公報第２００８／１４１８１７号、国際公開公報第２００７／０５１５７５号またはＥＰ １ ６３２ ７５４に見出すことができる。

軸受の故障および軸受の摩耗も、それらの問題が主に偏心または軸方向の緩みとして現れるので、本発明に従って検出することができる。特に、斜歯のはめ歯歯車が使用されるときには、軸方向の力が存在する。多くの場合、軸受にプリテンションが加えられ、軸受が経時的に緩む場合、これが摩耗のしるしであることができる。特に、一度軸受が緩むと、摩損の増大が発生する。検出されない場合、これが完全なシステム故障を招く可能性があるが、検出され、再度応力を加えられた場合には、そのようなことを回避でき、取替なく少ない保守努力で全体的な耐用年数を増大させることができる。

加えて、過負荷状態に起因し、偏心または軸方向変位をもたらすこともできる塑性変形のようなシャフト故障を検出することが可能である。そのような変形部品を内側に備えたギアボックスが運転を続けた場合、後作用が発生し、一次的な被影響部品だけでなく、他の部品も保守または交換が必要となる。

特に、低速で回転するギアボックスでは、判定される多くの誤差項目が、−低速の回転速度に起因して−、低周期のものであるので、エンコーダによる摩耗監視が、音または振動のみによる摩耗監視よりも有利にできる。音および振動分析は、より高い周期で有利であるので、両方の摩耗監視原理の組み合わせは、広いスペクトル範囲に対応し、特に、低速および高速回転に対応することが求められる場合に有利である。

実際の負荷サイクルの正確な監視は、寿命推定の確実性も改善する。例として、設計された値よりもはるかに低い低負荷で稼動するギアボックスは、拡張された耐用年数を達成する。他方、不測の過酷な影響は、残りの耐用年数を著しく減少させ、予測値を下回らせる可能性が有る。短時間の過負荷状態に起因する内部部品の不測の微小な変形は、増大した摩耗をもたらす可能性が有り、ギアボックスの他のコンポーネントにも影響する。結果として、ギアボックス全体の完全な交換が必要となる。微小な変形に関連する直接の単純な修繕により、そのようなことが回避可能であろう。

耐用年数の減少をもたらすもう一つの例は、シャフトの一つにおけるアンバランスである。偏心作用、特に、周期または速度に依存する偏心、によって観察可能であるので、これも本発明に従って検出することができる。

本発明の方法を例示するため、単段を備えるギアボックスの第一の態様の例を示す。 本発明に従い、複数の段および代替センサ装置を備えるギアボックスの第二の態様の例を示す。 本発明に従って使用することができるセンサの例示的な態様と共に抽象的なギアを示す。 本発明の方法を例示するための抽象的なブロック図を示す。 本発明の方法により、使用することができるギアボックスおよびセンサの他の例の特殊な態様を示す。 本発明の方法の適用可能性を説明するためのギアボックスの遊星段を示す。 本発明の方法のためのセンサを備える風車の伝達システムの態様を示す。 本発明に従って監視および管理されるウインドファームの例示を示す。

純粋に例として、図面に概略的に示す実施例を参照しながら、本発明の方法、装置およびデバイスを以下により詳細に記載または説明する。具体的には、以下のようになる。

図中の図は、縮尺通りに描写されていると見なすべきではない。

図１は、二つのシャフト、入力シャフト２Ａおよび出力シャフト２Ｂを備える単段ギアボックス１の例示的な態様を例示する。明らかに、ギアボックス１は、シャフト２Ａおよび２Ｂの役割を変化させることにより、反対方向で使用することもできる。シャフト２Ａおよび２Ｂは、軸受１０で支持される。軸受１０は、例として、摺動軸受、ころ軸受、空気または流体軸受、磁気軸受などであることができる。この態様が単段ギアボックス１を示すので、ギアボックス１内には、二つの相互作用する歯車３Ａおよび３Ｂ、すなわち入力歯車３Ａならびに出力歯車３Ｂを有する。ギアボックス１は、特に、摩擦の減少のため、潤滑油、例えば、オイルを塗布または充填することができるか、冷却目的にも対応できる強制潤滑システムを適用することができる。

速度／推進力比の変換がギアボックス１の共通の目的であるので、歯車３Ａおよび３Ｂは、所望の歯車および伝達比を達成するために異なる直径および歯数を有するものの、入力シャフト２Ａに関連する出力２Ｂの横方向または角度シフトあるいは回転方向の変化がギアボックス１の目的であることもできる。

本発明によると、ギアボックス１に取り付けられた少なくとも二つのセンサ１１Ａおよび１１Ｂがある。先に記載したように、両方のセンサが第一の自由度でギアボックスの基部１に関連するシャフト２Ａの角度位置３０を検出できる。センサ１１Ａ、１１Ｂまたは追加的なセンサの少なくとも一つが軸方向３１または偏心３２の変位を検出できる。図１では、センサ１１Ａおよび１１Ｂの両方が三つの自由度、一つが軸周囲の回転３０、一つが軸方向３１および一つが偏心３２を検出できる。当業者は、偏心３２の誤差自体を二次元のデカルト変位として解釈し、三つの線形および一つの回転で合計四つの次元をもたらすことができるという事実を認識する。あるいは、偏心３２の誤差を回転角度および半径による極変位として解釈でき、回転自由度に対応するので、半径の形態で一つのみの追加的な自由度に対応し、一つの回転および二つの線形で合計三つの値をもたらすことが求められる。

摩耗に起因する変位の測定では、温度またはトルクのような原因作用を測定し、それからもたらされる変位をモデリングおよび除去することにより、温度ひずみまたは機械的ひずみのような他の作用を数学的に相殺することができる。

発電機の電気出力に従った専用手段またはセンサ１１Ａおよび１１Ｂからの角度情報によるシャフトのねじれの測定により、トルク測定を行うことができる。トルク負荷を受ける一つ（以上）のシャフト区間の二つの端部における角度測定により、特に、一度ガタおよび他の作用が相殺されると、シャフトのねじれとしての測定の差異がトルクに比例する。角度エンコーダで判定できるトルクおよび回転速度を把握することにより、伝達されるパワーを計算することもできる。

ギアボックスにおける角度変位は、歯車およびシャフトのねじれの検出およびガタの判定にとっても良好な指標である。機能的な歯車伝達のために所定のガタが不可欠であるものの、あまりに大きいまたはあまりに小さい遊びは、不都合であり、推測される耐用年数の減少のしるしである。歯車の完全な故障または一つ以上の歯の少なくとも部分的な破損も、歯車の被影響区間が相互作用するたびに回転周期性を伴って発生する増大したガタにより、識別可能である。

ギアボックス１の内側の実際の力および負荷状態は、極めて複雑である。例として、歯車−歯車の組み合わせの力は、概して、（特に、斜歯歯車において）歯車を横向きにシフトする−軸方向成分、二つのはめ歯歯車を離す力である−半径方向成分および実際の推進力を伝達する−接線方向成分を含む。また、ある程度の摩擦力もやむを得ない。それらの全ての力がギアボックス１の歯車３Ａ、３Ｂ、軸受１０、シャフト２Ａ、２Ｂおよびハウジングに荷重を与え、力平衡を達成する。

従来技術の角度のみの診断は、本質的に、軸方向３１または半径方向３２の作用を検出できない。例として、−歯車の半径に起因する−半径方向および接線方向の力ならびに軸方向の力は、シャフトに適用される曲げモーメントおよび軸受１０における横方向および長手方向の力ももたらす。曲げモーメントは、理論的に力が解放されたシャフト軸と比較してシャフト２Ａの偏心３２をもたらす。横方向の力も軸方向３１において軸受１０に荷重を与え、変位させる。

それらの力の作用は、ギアボックス１の状態にも関係し、ギアボックス１の摩耗に影響するか、それを示唆するが、それでもなお、それらの力は、回転のみのエンコーダで検出可能および評価可能ではない。本発明に従い、全ての力またはむしろそれからもたらされる作用を分析することにより、摩擦、変形、遊び、損失および他の作用のより正確な分析が達成される。

本発明に従って軸受１０を、場合により、軸受１０が歯車３Ａ、３Ｂよりも摩耗を受けるので、監視することもできる。ほとんどの場合、軸受の摩耗は、歯車３Ａ、３Ｂの増大した遊びまたはガタをもたらさず、むしろ、回転のみのエンコーダで検出不可能な偏心または軸方向の遊びをもたらす。

図は、センサからの測定信号５Ａおよび５Ｂならびに評価ユニット４も示す。角度位置の差異を同時に判定するため、センサ１１Ａおよび１１Ｂの読み出しは、好ましくは、同期される。評価ユニットは、センサ１１Ａおよび１１Ｂからの検出位置および変位情報に基づき、ギアボックス１の摩耗を表す信号を生成する。

図２は、多段ギアボックス１を例示する。ギアボックス１は、駆動トルクまたは推進力が適用される少なくとも一つの入力シャフト２Ａと、駆動トルクが取り出される少なくとも一つの出力シャフト２Ｂとを含み、歯比に従ってトルク／速度比が変化する。二つのシャフト２Ａ、２Ｂ間に複数個の歯車３Ａ、３Ｂ、３Ｃ１、３Ｃ２があり、この具体的な例では、一つのさらなる中段シャフト２Ｃが二つのはめ歯歯車３Ｃ１、３Ｃ２を装備する。そのような多段ギアボックスは、一つの段の入力シャフトが前段の出力シャフトに結合し、ギアボックスの外側からアクセス不能および不可視であることもできる中段をもたらす、単段の連鎖と見ることができる。

歯車は、一部の軸受によってシャフトの周りで回転可能であるか、歯車からシャフトへのトルク伝達のためにシャフトに連結されるかのいずれかにおいて、中心シャフトに取り付けられる。単純な平歯車よりも複雑な機構を有することができる公知の特殊な歯車装置、例えば、スプロケット、ウォーム歯車、平歯車、遊星歯車駆動などもある。

歯車のための公知の歯の異なる形状および装置もある。例として、斜歯歯車は、より滑らかな稼動を達成することができ、直角に歯が付けられた歯車と比較してより少ない騒音を生むものの、シャフトおよび軸受における追加的な軸方向の力の副次的作用があることが公知である。歯車では、歯車間でトルクを伝達することが求められるので、歯が重要な部分である。歯の実際の形状および形状の正確さにより、歯の面に高い所定の負荷が発生することができる。また、二つの相互作用する歯の間にある程度の摩擦が生じる。摩擦は、理論上、設計によって回避し、回転運動のみに置き換えることができるが、生産公差、据付の不正確さ、熱的膨張などに起因して、実際には少なくともある程度の摩擦が常に残る。歯の負荷プロファイルの周期的変化も疲労課題および故障を起こすことができる。

ギアボックス１の歯における負荷は、ギアボックス１の損傷をもたらすことができるギアボックス１の摩耗を招く。ギアボックス１の両方の種類の全面的故障、ジャミングまたはスピニングは、深刻な事後損傷をもたらす可能性を有する。歯の摩耗は、特に、検出されない場合、摩擦およびスカッフィングを増大させさえして、より多くの熱を生成し、亀裂、遊離またはさらには一つ以上の歯の破損のような後続の歯故障を招きさえする。特に、一つの歯の故障の場合、ギアボックスが作動したままであるものの、他の歯における増大した負荷により、それらの歯は、短い時間枠内で同じように故障する可能性がある。歯の分裂した部分は、二つの歯車間で圧迫された場合、ジャミングを引き起こすこともできる。

特に、高い力を伝達することが求められる重機械、例えば、風力発電プラントは、費用がかかり、検査および維持が難しい対応する大きい歯車およびギアボックスが必要である。誤差診断および保守のために機械全体を停止することが求められ、生産性の損失ももたらす。

ほぼトルクによらないセンサの測定は、センサ１１Ｃおよび１１Ｄによって例示されるように、シャフトの無負荷端部へのセンサの設置により、達成することができる。歯車３Ｂおよび３Ｃ２自体がその形状寸法に起因して高いねじれ剛性を有するので、シャフトの無負荷端部は、ギアボックスによって伝達される実際のパワーによるねじれ作用にほぼよらず、歯車と調和して回転する。

センサ１１Ｄは、センサ１１Ｅにおいて両方向矢印で示唆される軸方向自由度に専用の線形位置センサを使用する態様の例である。センサ１１Ａは、センサ１１Ａと同じシャフトを測定するセンサ１１Ｆに隣接して示される二つの自由度によって示唆される、付随する偏心センサ１１Ｆを有する。先に述べたように、偏心も角度および半径によって極座標で示唆することができる。角度位置がすでに測定されるので、一例として、一つの追加的な（線形）自由度におけるシャフト外周の半径方向距離検知により、半径のみを判定することが求められる。

図示する態様では、内部段シャフト２Ｃにセンサ１１Ｃもある。それにより、ギアボックス１内の全てのシャフトを監視でき、各ギア段を個々に評価することができる。例として、中段シャフト２Ｃおよび／またはその歯車３Ｃ２がギアボックス内で最も弱い連結部であることが公知であるか、予測される場合、そのような直接的な測定が有利である。特に、図示するセンサ１１Ｃは、ギアボックス１の内側にさえも配される。

さらなる態様では、ギアボックス１の他またはより多くの軸は、自由度の個別のサブセットのためのセンサを装備することができる。例として、包括的な態様では、各シャフトの各端部は、回転、軸方向および偏心自由度を検知することができるセンサを装備することができる。

図３ａは、回転自由度だけではない測定のためのセンサの例示的な態様を備える二つのはめ歯歯車３Ａおよび３Ｂ（歯を図示せず）を備える歯車システムの拡大図を例示する。センサ１１Ａは、コードホイール１１１Ａおよびコードホイールの外周に配置される四つのセンサ１１２Ａを含む。センサの配置がコードホイールの偏心の判定を許容する一方、センサは、コードホイールの突起のためのスケール係数に従い、軸方向位置を判定するように構築される。

センサ１１Ｂは、単一のラインセンサ１１２Ｂと、回転位置を判定するためのコードおよびリングの突起のスケーリングおよび変位を評価することにより、偏心および軸方向位置を判定するための二つの内リングも搭載するコードホイール１１１Ｂとを含む。

回転位置および追加的な線形変位または傾きを測定することができる様々な他のセンサ設計がある。例として、欧州特許出願第１０１５７９３１．６号は、一つの単一装置による複数の自由度の測定に関連する。それらの偏心検知原理以外に、ドイツ特許第１９７ ５０ ４７４号、ＥＰ １ ８９０ １１３またはドイツ特許３９ ２４ ４６０号のように、シャフトの平坦端部を直接的に測定し、本発明に従って使用することもできる公知の中心検知エンコーダもある。

少なくとも二つの自由度を判定するための一つの単一センサは、第一の自由度でシャフトの軸の周りを相互に関連して回転可能であるコードキャリア１１１Ａ、１１１Ｂおよびセンサ装置１１２Ａ、１１２Ｂを含む。検知は、センサ装置（１１２Ａ、１１２Ｂ）に関連するコードキャリア（１１１Ａ、１１１Ｂ）の三次元変位によりセンサ装置（１１２Ａ、１１２Ｂ）へのコード突起を生成し、コード突起の少なくとも部分を検出する工程を含む。コード突起から、シャフトの軸に基づくコードキャリア（１１１Ａ、１１１Ｂ）の角度位置を判定する。

コード突起を基準として、センサ装置（１１２Ａ、１１２Ｂ）に関連するコードキャリア（１１１Ａ、１１１Ｂ）の少なくとも一つの追加的な自由度の変位の値も判定し、特に、コードキャリアに関連するセンサ装置の軸方向変位および／またはコードキャリアに関連するセンサ装置の偏心を判定する。

図３Ｂは、少なくとも一つの対応するシャフト２Ａ、２Ｂ、２Ｃを有し、相互に機械的に相互作用する複数の段４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃを含むギアボックス１を監視する方法のブロック図を示す。段４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃは、異なるタイプであることができるセンサ手段を装備する。可能な例として、角度トランスデューサ４０Ａおよび４０Ｂ、軸方向シフトセンサ４１Ａ、偏心センサ４２Ｂならびに組み合わされた角度、軸方向および偏心センサ４３Ｃを例示する。ギアボックス１を監視するための計算ユニット４は、単一の情報またはギアボックス１の所定のコンポーネント、段またはサブセットに専用の情報を含むことができるセンサデータから、状態信号４７を判定する。

先に述べたように、音／振動分析は、より高い周期範囲に極めて良好に対応でき、それにより、両方の摩耗監視原理の組み合わせを使用し、広いスペクトル範囲に対応することができる。特に、低速および高速回転が存在する場合、位置および音監視の組み合わせが有利であることができる。例として、風車または水車ギアボックスのための本発明の態様では、−およそ１０ＲＰＭで低速回転する−入力段は、角度検知４５Ａ、４５Ｂ、４５Ｃで監視できるのに対し、−およそ２０００ＲＰＭで高速回転する−出力段は、−位置検知に加えてまたは代替として−音および／または振動監視４８で対応できる。本発明によると、音分析で良好に対応可能でないか、多くの場合、風車タワー全体の揺れなどのような外部騒音および振動源と重なる低周期の摩耗作用も監視することができる。

図４は、歯システム３Ａの設計に起因して、シャフト２Ａが特に軸方向に負荷を受けるウォーム歯車の特殊な態様を例示する。

センサ７Ａおよび入力シャフト２Ａ上の対応するコード区間８Ａは、シャフト２Ａ上のコードと共に具体化される。コード８Ａは、例として、シャフトに（レーザ）刻印、エッチング、印刷、接着することができ、読み出しヘッド７Ａがコード８Ａの少なくとも部分を検知するように位置付けられ、角度位置を判定する。シャフトとセンサとの間の距離を検知することにより、例として、光学的または容量的に偏心を判定することもできる。コード８Ａおよび読み出しヘッド７Ａは、さらに、情報が評価もされる軸方向位置を判定し、ギアの摩耗だけでなく、軸方向負荷を支えることが求められる軸受の摩耗も判定することができる。そのようなシステムは、コード８Ａを適用するためにのみ、シャフトを停止することが求められるので、迅速な改造のために使用することもできる。

この態様では、第二のセンサ１１Ｂは、はめ歯歯車３Ｂの歯を直接的に検知する歯センサとして構築される。例として、これは、センサと歯との間の距離評価により、容量的または磁気的に行うことができる。回転するはめ歯歯車は、歯および角度位置ならびにオフセットを表現する交互部分を備え、例として、偏心に起因する一回転の周期性を有することができる信号をもたらす。明らかに、先に述べたセンサ原理は、ウォーム歯車に制限されないものの、他のギアボックスタイプにも適用することができる。

図５は、遊星歯車段の態様を例示する。一つの態様では、遊星歯車は、回転する外リング３Ａと、−遊星歯車３Ｃ、３Ｄ、３Ｅが取り付けられる−静止遊星キャリア５０とを有する。もう一つの態様は、固定された外リング３Ａおよび旋回する遊星キャリア５０によって実現される。電気接続および読み出しを容易にするため、非回転コンポーネント上にセンサを配置することが好ましいので、それゆえにセンサの設置が変動するが、他に回転的または無線手段によって接続される回転センサを使用することができる。

図示する例では、遊星キャリア５０が静的であり、したがって、３つのセンサ１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅで遊星歯車３Ｃ、３Ｄ、３Ｅを検知することができる。入力および出力シャフトまたは歯車３Ａおよび３Ｂをセンサ１１Ａおよび１１Ｂで検知することもできる。それにより、歯車全体を監視することができるが、音響手段による遊星歯車の監視が困難であることが公知である。

遊星キャリアが回転するとき、遊星歯車の検知には旋回可能な電気接続または一部の無線手段が必要であろうものの、遊星歯車が損傷した場合、偏心を受ける少なくともキャリア全体の回転を検知することができる。

図６は、ロータ２０、ギアボックス１および発電機２１を備える風力発電プラントの機械的伝達システムのもう一つの態様を例示する。ギアボックス１は、複数、特に、三つの段を含み、第一が遊星段２２であり、他が斜歯のはめ歯歯車段２３、２４を含む。本発明によると、軸のシャフトは、少なくとも一つ、好ましくは全てが回転および少なくとも一つの追加的な自由度、特に、軸方向および／または偏心シフトを検知することができるセンサ１１Ａ〜１１Ｇを装備する。

図７は、ギアボックス１に接続されたロータ２０を有する複数個の各風車９９を備える風力発電プラントファームの模式図を例示する。ギアボックス１の他の端部には、電気発電機２１がある。全てのそれらの部品は、タワー１０１上のナセル１００の内側にある。ギアボックス１は、ギアボックスの摩耗を監視し、耐用年数を管理するため、本発明の監視装置４を装備する。

監視装置４は、各風車９９の摩耗状態の正確な監視を許容する。もたらされるデータにより、風車９９全体の健全性を判定できるだけでなく、特に、重要なコンポーネントレベルに至るまでの診断を行うこともできる。本発明の効果の一つの例として、ギアボックスを開放する前でさえ、必要な予備部品を把握することにより、保守に先立って必要な部品を調達することができる。故障傾向のような統計分析も非常に正確なレベルで行うことができる。

それらのデータに基づいて整備のスケジュールを計画できるだけでなく、ウインドパークにおける風車間のさらなる負荷分布の予定を計画し、複数の風車間の整備間隔の均等化を達成して、存在する要望に応じて不規則にではなく、同じ時間枠で複数の風車を維持することを許容することができる。

半分摩耗したギアボックスにおける負荷減少により、その耐用年数を所定の度合いまで延長することができるので、（わずかに効率が減少するが）所望の時間枠、一例として、気象予報の穏やかな季節に整備をスケジュールするものの、なおもエネルギを生むことができる。

Claims (15)

1. 発電ステーション（９９）、特に、風力発電ステーション、水力発電プラントまたは潮力発電プラント、におけるギアボックス（１）の摩耗を監視する方法であって、：
   前記ギアボックスは、少なくとも以下の各コンポーネントを含み、
   ・ 少なくとも第一のシャフト（２Ａ）、
   ・ 少なくとも第二のシャフト（２Ｂ）、
   ・ はめ歯歯車（３Ａ、３Ｂ）および
   ・ 軸受（１０）
   前記方法は、
   ・ 第一の回転シャフトエンコーダにより、前記第一のシャフト（２Ａ）の第一の角度位置（４０Ａ）を検知する工程と、
   ・ 第二の回転シャフトエンコーダにより、前記第二のシャフト（２Ｂ）の第二の角度位置（４０Ｂ）を検知する工程と、
   ・ 前記第一のシャフト（２Ａ）および前記第二のシャフト（２Ｂ）の前記検知される角度位置の各差異に従い、前記ギアボックス（１）の摩耗を監視する工程と、
   ・ 前記監視される各差異に従い、前記ギアボックス（１）の前記摩耗を表す状態信号（４７）を生成する工程と
   を含み、
   少なくとも一つの追加的な自由度（４１Ａ、４２Ｂ、４３Ｃ）で、前記第一のシャフト（２Ａ）、および／または、前記第二のシャフト（２Ｂ）の変位、特に、軸方向、および／または、偏心の変位であり、特に、ギアボックス（１）の少なくとも一つの前記コンポーネントの摩耗によって引き起こされたもの、の追加的な検知であって、前記追加的な自由度の前記変位が、前記監視および摩耗のしるしとしての前記状態信号の生成に含まれる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記シャフトの一つにおける前記角度位置および前記変位の前記検知が、一つの単一手段により実行され、少なくとも二つの自由度を検知する、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記一つの単一手段が、コードキャリア（１１１Ａ、１１１Ｂ）およびセンサ装置（１１２Ａ、１１２Ｂ）を含み、コードキャリアおよびセンサ装置が、第一の自由度で相互に関連して回転可能であり、
   前記検知が：
   ・ 前記センサ装置（１１２Ａ、１１２Ｂ）に関連する前記コードキャリア（１１１Ａ、１１１Ｂ）の三次元変位により、前記センサ装置（１１２Ａ、１１２Ｂ）と前記コード突起の少なくとも部分の検出で、コード突起を生成する工程と、
   ・ 前記コード突起から、前記コードキャリア（１１１Ａ、１１１Ｂ）の前記角度位置を判定する工程と、
   ・ 前記コード突起を基準として、前記センサ装置（１１２Ａ、１１２Ｂ）に関連する前記コードキャリア（１１１Ａ、１１１Ｂ）の前記少なくとも一つの追加的な自由度の変位の値、特に、前記コードキャリアに関連する前記センサ装置の軸方向変位、および／または、前記コードキャリアに関連する前記センサ装置の前記偏心、を判定する工程と
   を含む、
   ことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記第一および／または前記第二の各シャフト（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）上における異なる軸方向位置における少なくとも二つの角度位置が検知され、それぞれのシャフト（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の捻りが判定され、特に、トルク負荷を受けるシャフト区間が前記軸方向位置の中間であるように異なる軸方向位置が選択され、特に、前記トルク負荷も、前記角度位置の差異および公知または推定されたシャフト剛性により判定される、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の方法。
5. 前記ギアボックス（１）の効率および／または損失が、前記検知される位置、および／または、前記判定したトルク負荷および変位、に従って判定される、
   ことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記軸受（１０）の状態、特に、前記軸受（１０）の緩いプリストレス、および／または、半径方向振れを、前記シャフト（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の検知される軸方向および／または偏心変位に従い、監視する、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の方法。
7. 前記ギアボックス（１）内の前記各シャフト（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）が、それらの実際の位置、および／または、少なくとも二つの自由度における向きに関して検知され、特に、前記ギアボックス内の前記各シャフト上の少なくとも一つのセンサにより、角度位置ならびに軸方向および／または偏心変位が検知され、好ましくは、前記検知が時間同期される、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の方法。
8. 前記ギアボックスの追加的な音／振動の監視、特に、前記位置および前記変位の監視が、評価される前記摩耗の各しるしの下側の周期範囲に対応し、前記音／振動の監視が、評価される摩耗のしるしの上側の周期範囲に対応する、
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の方法。
9. 前記状態信号（４７）に従った前記ギアボックス（１）の寿命を管理すること、特に、前記ギアボックス（１）に適用される許容可能な負荷状態が判定され、好ましくは、ウインドパークにおける複数個の発電ステーション（９９）の予測される寿命を均等化することによる、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の方法。
10. 発電ステーションのためのギアボックス監視装置、特に、風力、水力または潮力発電プラントにおけるギアボックス監視装置であって、：
    ・ 第一のシャフト（２Ａ）のための角度シャフトエンコーダ
    ・ 第二のシャフト（２Ｂ）のための角度シャフトエンコーダ、および
    ・ 前記各角度シャフトエンコーダの信号に従い、前記ギアボックス（１）の摩耗状態を監視するための計算ユニット（４）、特に、少なくとも二つの前記各角度シャフトエンコーダの前記各信号の差異を判定することによる、
    を含み、
    少なくとも一つの並進自由度で、特に、軸方向または偏心自由度で、前記ギアボックス（１）のシャフトの変位を判定するための少なくとも一つの変位センサと、そこでは前記計算ユニットが、前記各角度シャフトエンコーダの前記各信号および前記少なくとも一つの変位センサからの少なくとも一つの信号に従い、ギアボックス（１）の摩耗を判定するように構築される、
    ことを特徴とする装置。
11. 前記角度シャフトエンコーダおよび前記変位センサが、少なくとも二つの自由度を検知するように構築される単一センサとして包含され、特に、前記ギアボックス（１）の摩耗状態が、前記単一センサからの前記角度位置信号および少なくとも一つの軸方向位置信号および／または偏心位置信号に従って判定され、好ましくは、前記ギアボックス（１）のトルク負荷信号を判定するためのさらなる手段、および／または、異なる時間の各信号を捕捉するための同期化手段が含まれる、
    ことを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 前記第一および／または前記第二のシャフトが、さらなる角度シャフトエンコーダを有し、前記シャフトの捻りが、前記各角度シャフトエンコーダの関連する角度位置の差異に従い、計算ユニット（４）によって判定され、特に、トルク負荷信号が、前記計算ユニット（４）によって、前記捻りおよび前記シャフトの剛性に従い、生成される、
    ことを特徴とする請求項１０または１１のいずれか一項記載の装置。
13. 前記ギアボックス（１）の中段シャフト（２Ｃ）がセンサを装備し、特に、全てのシャフトが少なくとも一つのセンサを装備する、
    ことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項記載の装置。
14. ギアボックス（１）および請求項１０〜１３のいずれか一項記載のギアボックス監視装置を含み、請求項１〜９のいずれか一項記載の前記方法の実行に好適である、摩耗が監視されるギアボックスシステム。
15. プログラムコードが機械可読媒体に保存されるコンピュータプログラム製品であって、前記プログラムコードが、請求項１〜９のいずれか一項記載のギアボックスの摩耗を監視する方法を自動的に実行および運転するように構成され、特に、前記プログラムが、請求項１０〜１３のいずれか一項記載のギアボックス監視装置の計算ユニットで実行される場合に、
    プログラムコードが機械可読媒体に保存されるコンピュータプログラム製品。

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