KR101478078B1 - Wear-monitoring of a gearbox in a power station - Google Patents

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KR101478078B1
KR101478078B1 KR1020137026538A KR20137026538A KR101478078B1 KR 101478078 B1 KR101478078 B1 KR 101478078B1 KR 1020137026538 A KR1020137026538 A KR 1020137026538A KR 20137026538 A KR20137026538 A KR 20137026538A KR 101478078 B1 KR101478078 B1 KR 101478078B1
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헥사곤 테크놀로지 센터 게엠베하
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Abstract

본 발명은 윈드밀, 수차 또는 조력 발전소와 같은 발전소에 있는 기어박스의 마모를 모니터링하는 방법에 관한 것으로서, 기어박스는 기어박스의 구성요소들로서 적어도 2개의 샤프트들, 톱니바퀴들 및 베어링들을 포함한다. 이 방법은 회전 샤프트 인코더에 의해 샤프트들에서 각도 위치를 감지하는 단계, 감지된 각도 위치들의 차이들에 따라 전달-유닛의 마모를 모니터링하는 단계, 모니터링된 차이들에 따라 기어박스의 마모를 나타내는 상태 신호를 발생하는 단계를 포함한다. 상기 모니터링 단계는 기어박스의 구성요소들 중 적어도 하나의 마모에 의해 야기되는 샤프트들 중 적어도 하나의 추가의 자유도, 특히 축방향 및/또는 편심 변위의 추가의 감지, 및 적어도 2개의 자유도에서의 차이들 및 변위에 따라 상태 신호를 발생하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method for monitoring the wear of a gearbox in a power plant such as a windmill, aberration or tidal power plant, wherein the gearbox comprises at least two shafts, gears and bearings as components of the gearbox. The method includes the steps of sensing an angular position in the shafts by a rotary shaft encoder, monitoring wear of the transfer-unit in accordance with differences in sensed angular positions, in a state indicative of wear of the gearbox And generating a signal. Wherein the monitoring step further comprises sensing additional degrees of freedom of at least one of the shafts caused by wear of at least one of the components of the gearbox, particularly additional of axial and / or eccentric displacement, And generating a status signal in accordance with differences and displacements.

Description

발전소에 있는 기어박스의 마모-모니터링{Wear-monitoring of a gearbox in a power station}[0001] Wear-monitoring of a gearbox in a power plant [0002]

본 발명은 일반적으로 청구항 1의 전제부에 따른 발전소에 있는 기어박스의 마모를 모니터링하는 방법 및 청구항 10의 전제부에 따른 기어박스 모니터링 장치에 관한 것이다. The present invention generally relates to a method for monitoring the wear of a gearbox in a power plant according to the preamble of claim 1 and to a gearbox monitoring apparatus according to the preamble of claim 10.

풍력 발전소들 - 윈드밀들(windmills)로서도 불림 - 은 시장에서 이미 이용 가능한, 재생 가능 에너지의 유망한 소스이다. 다수의 윈드밀들은 종종 바람이 많이 부는 지역에 위치된 풍력발전단지들(wind parks) 또는 풍력발전지역들(wind farms)에서 무리를 이룬다. 전형적인 설계(classic design)는 상부에 수평으로 회전 가능한 나셀(nacelle)을 갖는 타워를 포함하고, 여기에는 프로펠러 날개들을 갖는 로우터가 배열되고 또는 전기 발전기가 위치된다.Wind power plants - also called windmills - are a promising source of renewable energy already available in the market. Many windmills are crowded in wind parks or wind farms, often located in windy areas. A classic design includes a tower with a nacelle that is horizontally rotatable on top, in which a rotor with propeller blades is arranged or an electric generator is located.

윈드밀 응용들에서, 기어박스들이 대략 6 내지 l20 RPM(revolutions per minute)의 동작 속도의 로우터-블레이드 회전을 대략 900 내지 2000 RPM 범위에서 운전하는 전기 발전기로 바꿀 필요가 있다. 스퍼 기어들(spur gears)은 일반적으로 스테이지(stage) 당 약 1:5까지의 기어비를 허용하기 때문에, 다수의 기어 스테이지들이 필요한 기어링비를 달성하기 위해 요구된다. 스테이지들 및 기어휠들의 수를 감소시키기 위해 그리고 또한 효율, 크기, 노이즈 및 비용 고려사항들 때문에, 풍력 스테이지들에는 높은 기어비를 가지는 적어도 하나의 유성 기어 스테이지가 교대로 장비될 수 있다. 또, 유성 및 스퍼 스테이지들의 조합들이 사용된다. In windmill applications, it is necessary for the gearboxes to turn the rotor-blade rotation at an operating speed of approximately 6 to 20 revolutions per minute (RPM) into an electric generator operating in the range of approximately 900 to 2000 RPM. Since spur gears generally allow a gear ratio of up to about 1: 5 per stage, multiple gear stages are required to achieve the required gearing ratio. Because of the efficiency, size, noise and cost considerations to reduce the number of stages and gearwheels, and also because of the considerations of power, size, noise and cost, at least one planetary gear stage having a high gear ratio can be alternately equipped. Combinations of oil and spur stages are also used.

풍력 발전소들은 메가와트 범위에서 종종 동작하고 약 20년 이상의 수명을 위해 설계된다. 이와 같은 기어박스의 효율은 상당히 높지만(예컨대, 약 98%), 전달되는 파워의 메가와트들의 면에서, 기어박스 자체 또는 그 안의 오일은 많은 경우들에 적극적으로 냉각되어야 한다. 긴 수명은 또한 수억의 로우터 회전 및 발전기의 수십억 회전들을 의미한다. 유사한 응용들은 또한 위에서 언급한 윈드밀들 이외의 유사한 동작 조건들을 가지는, 수차들(waterwheels), 조력 발전소들(tidal power plants) 등과 같은, 기어링 업(gearing up)을 필요로 하는 느리게 회전하는 입력 샤프트들을 갖는 다른 저속 발전소들에서의 기어박스들이다. 상당히 긴 수명 외에, 이와 같은 윈드밀의 부하는, 특히 비상 정지 또는 플러리(flurry), 스콜(squall) 또는 일진의 바람(gust of wind)이 있는 경우에, 넓은 범위에서 그리고 신속하게 변할 수 있다. 부하 제어는 블레이드들의 받음각(angle of attack)을 변화시키거나 또는 전체 나셀의 수평 회전에 의해 달성될 수 있지만, 이들 조정들은 풍속의 가능한 변경들에 비해 느리다. 또한, 나셀의 환경 및 기후 조건들은 기계류(machinery)를 운전시키는 데 바람직하지 않다. 위의 사실들은 윈드밀-기어박스가 실행시간 동안 정비(servicing)를 필요로 할 것이라는 것을 보인다. Wind farms often operate in the megawatt range and are designed for lifetimes of more than 20 years. Although the efficiency of such gearboxes is quite high (e.g., about 98%), in terms of megawatts of power delivered, the gearbox itself or the oil therein must be actively cooled in many instances. Long lifetime also means hundreds of millions of rotor rotations and billions of rotations of generators. Similar applications also include slowly rotating input shafts that require gearing up, such as waterwheels, tidal power plants, etc., with similar operating conditions other than the above-mentioned windmills Are gearboxes at other low speed power plants. Apart from a considerably long lifetime, the load of such a windmill can change over a wide range and quickly, especially in the case of emergency stop or flurry, squall or gust of wind. Load control can be achieved by varying the angle of attack of the blades or by a horizontal rotation of the entire nacelle, but these adjustments are slow compared to possible changes in wind speed. Also, the environmental and climatic conditions of the nacelle are not desirable for operating the machinery. The above facts show that the windmill gearbox will require servicing during run-time.

설계 단계 동안 기어박스의 예측 가능한 실행시간을 결정하기 위한 상당히 복잡한 방법들이 있다. 이들 계산들은 예측 부하들 및 통계 데이터 및 경험들에 기초한다. 실행 시간 동안 실제 부하 프로파일들의 불확실성, 제작 오차들(manufacturing tolerances) 및 종종 가혹한 환경 조건들로 인해, 이들 계산들은 상당한 안전 여유(considerable safety margin)를 포함해서 예방 정비 계획을 결정하기 위해서만 단지 사용될 수 있다. 실행 시간 동안의 특정의 예상치 않은 충격들, 예컨대 최대 부하들, 온도 싸이클들, 제작 부정확성(manufacturing inaccuracy) 등은 - 만약 검출되지 않는다면 - 재밍(jamming) 또는 스피닝(spinning)과 같은 예상치 않은 기어박스 고장 및 그것으로부터 생길 수 있는 모든 부수 효과들로 이어질 수 있는 조기 고장을 일으킬 수 있다.There are quite complex ways to determine the predictable run time of the gearbox during the design phase. These calculations are based on predicted loads and statistical data and experiences. Due to uncertainties in actual load profiles, manufacturing tolerances and often harsh environmental conditions during run-time, these calculations can only be used to determine a preventive maintenance plan, including a considerable safety margin . Certain unexpected impacts during run time, such as peak loads, temperature cycles, manufacturing inaccuracies, and the like - if not detected - unexpected gearbox failure such as jamming or spinning And all the side effects that may arise therefrom.

윈드밀들에서, 기어박스는 보통 그라운드 레벨(ground level)보다 높은, 나셀에 배치되고, 그러므로 그것은 기어박스 또는 그것의 부품들을 정비 또는 수리하는 것은 어려운 일이다. 그것을 액세스하는 것은 힘든 일인데, 그 이유는 특히 윈드밀들이 종종 외딴 지역들에, 산들에 또는 심지어 연안에 위치되어 있기 때문이다. 많은 경우들에, 헬리콥터가 나셀에 예비 부품들(space parts)을 공급할 필요가 있다.In windmills, the gearbox is usually placed in a nacelle, which is higher than the ground level, and therefore it is difficult to service or repair the gearbox or its parts. Accessing it is difficult, especially because windmills are often located in remote areas, on mountains, or even on the coast. In many cases, the helicopter needs to supply space parts to the nacelle.

특히, 기어박스들의 유지보수 및 교체는 상당히 비용 집약적(cost-intense)일 수 있기 때문에, 보통 실제 수명이 끝나기 훨씬 전에, 이들 태스크들을 예방 차원에서 하기보다는 기어박스의 결정된 실제 조건에 기초하여 수리들 및/또는 교체들 계획을 세우는 것이 바람직하다. In particular, maintenance and replacement of the gearboxes can be quite cost-intensive, so long before the actual life is over, these tasks can be repaired based on the determined actual conditions of the gearbox, And / or replacement plans.

기어박스의 조건을 추정하기 위한 알려진 방법은 마모, 특히 벗겨진(grazed) 금속 입자들에 대해 기어박스 내부의 오일을 분석하는 것이다. 순환 수동 분석(cyclical manual analysis) 외에, 알려진 인-라인 센서들(in-line sensors)이 또한 있다. 예를 들어, KR 2007024230에 제시된 장치는, 오일 분석 결과가 - 마모된 기어휠들의 표시로서 - 임계 상태에 있으면, 상태 신호(condition signal) 및 경고를 제공할 것이다. A known method for estimating the conditions of the gearbox is to analyze the oil inside the gearbox for wear, especially for grazed metal particles. In addition to cyclical manual analysis, there are also known in-line sensors. For example, the device disclosed in KR 2007024230 will provide a condition signal and warning if the oil analysis result is in a critical state - as an indication of worn gear wheels.

또한 오래동안 숙련공에 의해 수동으로 행해져 온 다른 방법은 기어박스에 의해 방출된 소리를 "청취(listen)"하는 것이다. 자동화 시스템들에 있어서, 이것은 일종의 마이크로폰에 의한 음향 분석 또는 진동들 또는 가속도 센서들에 의해 행해질 수 있다. 공보들 US 2008/0234964, CN 101 196 174 또는 US 5,661,659는 구조물 음향 또는 진동 분석에 의한 기어박스들과 같은 기계 시스템들을 위한 마모 검출 시스템들에 관한 것이다. 공보 US 2007/0118333은 이상 검출 시스템을 개시하고, 여기서 기어박스 음향들의 이상을 검출하기 위한 음향 센서들(acoustic sensors)이 베어링 유닛에 포함된다.Another way that has been done manually by a skilled craftsman for a long time is to "listen" to the sound emitted by the gearbox. In automation systems, this can be done by acoustic analysis or by vibrations or acceleration sensors of some sort of microphone. Publications US 2008/0234964, CN 101 196 174 or US 5,661,659 relate to wear detection systems for mechanical systems such as gear boxes by structural acoustic or vibration analysis. Publication US 2007/0118333 discloses an anomaly detection system wherein acoustic sensors for detecting anomalies in gearbox sounds are included in the bearing unit.

WO 2004/034010에서, 기어박스들을 제조함에 있어서의 품질 모니터링을 위한 방법이 제시된다. 이것은 기어박스의 조립 후 기어휠 샤프트들에 부착되는 2개의 동기적으로 샘플링된 로터리 트랜듀서들에 의해 2개의 상호작용 톱니바퀴들을 모니터링하여 달성된다. 거기서, 기어링의 백래쉬가 기어박스의 품질의 표시를 제공하는 전방 및 후방 모드에서 측정들에 의해 결정된다.In WO 2004/034010 a method for quality monitoring in the manufacture of gearboxes is presented. This is accomplished by monitoring two interacting gear wheels by two synchronously sampled rotary transducers attached to the gear wheel shafts after assembly of the gearbox. There, backlash of the gearing is determined by measurements in the forward and backward modes which provide an indication of the quality of the gearbox.

US 6,175,793에서, 차량의 스티어링 휠 기어박스는 기어박스의 입출력 샤프트들에 있는 유사하나 각위치 감지 수단 및 토크 감지 유닛에 의해 모니터링된다. 토크 관련 토션들의 수학적 소거(mathematical cancellation)에 의해, 기어박스 내의 기어휠들의 마모를 나타내는 신호가 발생된다.In US 6,175,793, the steering wheel gearbox of the vehicle is similar to the one in the input and output shafts of the gearbox, but is monitored by the respective position sensing means and torque sensing unit. A mathematical cancellation of torque related torsions generates a signal indicative of wear of the gear wheels in the gearbox.

JP 58 034333은 파워 플랜트의 축방향 변위, 회전 속도 및 부하에 기초하여 다이어프램 커플링(diaphragm coupling)에서 스트레스 조건들의 변함없는(invariably) 모니터링에 관한 것이다. 이것은 발전기 샤프트로의 다이어프램 커플링의 피팅 부분 가까이에서의 축방향 변위 정도를 검출하는 수단에 의해 행해진다. 파워 플랜트의 변위, 회전 속도 및 부하에 기초하여, 다이어프램 커플링에서의 스트레스들이 계산되고 커플링의 안전 동작 상태가 판단된다.JP 58 034333 relates to the invariably monitoring of stress conditions in diaphragm coupling based on the axial displacement, rotational speed and load of the power plant. This is done by means of detecting the degree of axial displacement near the fitting portion of the diaphragm coupling to the generator shaft. Based on the displacement, rotational speed and load of the power plant, the stresses in the diaphragm coupling are calculated and the safe operating state of the coupling is determined.

비록 약간의 마모 영향들이 회전 위치 데이터로부터 결론내려질 수 있지만, 회전 데이터에 포함되는 마모 정보는 불완전하고 이들 데이터의 평가는 경험에 기초한다. 기어휠들의 이빨의 유극 또는 백래쉬는 상당히 정밀하게 추정될 수 있지만, 기어박스에서의 많은 마모 영향들이 회전 위치 오프셋들으로부터만 결론 내릴 수 없다. 만약 단지 각도 측정들이 분석되면, 각도 위치에서 볼 수 없는, 다른 영향들에서 그 자신을 주로 나타내는 마모는 검출할 수 없다.Although some wear effects can be deduced from the rotational position data, the wear information contained in the rotational data is incomplete and the evaluation of these data is based on experience. The clearance or backlash of the teeth of the gear wheels can be estimated with great precision, but many wear effects in the gearbox can not be deduced from the rotational position offsets. If only the angular measurements are analyzed, wear which is not visible at angular positions and which is primarily indicative of itself in other influences can not be detected.

그러므로, 기어박스의 상태를 결정하기 위한 더 신뢰성 있는 기초가 바람직하다. 위에서 언급한 잡음 측정은 더 넓은 범위의 마모 영향들을 커버할 수 있지만, 일반적으로 고도로 정밀하지 않고 또한 기어박스의 각각의 예에 대해 상이한 셋업-특정 구성 및 추측(guesswork)을 포함한다. 또한, 정밀한 부하 모니터링을 포함하고, 실제 부하 조건들 및 중요 시스템 부분들의 수명 - 또는 수명-관리 의존성들을 고려하는, 전체 시스템의 원하는 관리는 음향 분석만으로 실현 가능하지 않다. 특히, 윈드밀 타워들에서의 것들과 같은 액세스하기 어렵고 큰 기계류들에 있어서, 거짓 포지티브 또는 거짓 네거티브 검출들이 있을지라도, 거짓 검출들은 큰 비용 문제이다. 많은 중요한 응용들에 있어서, 그 자신의 음향 분석은 독립적 사용을 위해 충분히 신뢰 가능하거나 정밀하지 않다.Therefore, a more reliable basis for determining the state of the gearbox is desirable. The above-mentioned noise measurements may cover a wider range of wear effects, but are generally not highly accurate and also involve different setup-specific configurations and guesswork for each example of the gearbox. In addition, desired management of the entire system, including precise load monitoring, and taking into account actual load conditions and lifetime - or lifetime - management dependencies of critical system parts, is not feasible with acoustic analysis alone. False detections are a large cost problem, especially if there are false positives or false negative detections, especially for large machines that are difficult to access, such as those in windmill towers. In many important applications, his own acoustic analysis is not reliable or precise enough for independent use.

본 발명의 목적은, 대부분의 수명이 중요한 부품들(lifetime-critical parts) 중 하나로서, 기어박스의 정밀하고 신뢰성 있는 마모 모니터링에 의해 풍력 발전소의 개선된 수명 관리를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide improved lifetime management of wind power plants by precise and reliable wear monitoring of gearboxes, as one of the most lifetime-critical parts.

그러므로, 본 발명의 목적은 윈드밀 시스템의 기어박스를 더 신뢰성 있게 모니터링하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to more reliably monitor the gearbox of a windmill system.

본 발명의 추가의 목적은 모니터링에 있어서, 특히 - 기어휠들, 샤프트들 및 베어링들을 갖는 - 전체 셋업을 포함하는 전체 기어박스 실행 시간 동안의 마모를 모니터링하는 개선된 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide an improved method and system for monitoring abrasion during the entire gearbox run-time, particularly in monitoring, including full set-up with gear wheels, shafts and bearings.

본 발명의 다른 목적은, 특히 모든 또는 적어도 기어박스의 가장 중요한 구성요소들에 대한 조건-상태 데이터를 제공하는, 기어박스 내의 마모된 부분의 종류 및 위치의 더 정밀한 결정을 허용하는 것이다..Another object of the present invention is to allow a more precise determination of the type and position of the worn portion in the gearbox, particularly providing all-or at least condition-status data for the most important components of the gearbox.

본 발명의 목적은 DC 레벨로부터 시작해서, 특히 또한 낮은 주파수 범위들을 모니터링하는데 넓은 스펙트럼 범위의 마모 표시들을 포함하는 것이다.It is an object of the present invention to include a wide spectral range of wear indications for monitoring low frequency ranges, especially starting from the DC level.

본 발명은 풍력 발전소에 있는 기어박스의 마모를 모니터링하는 방법에 관한 것이다. 기어박스는 기어박스의 구성요소들로서 적어도 하나의 제 1 샤프트, 적어도 하나의 제 2 샤프트, 톱니바퀴들 및 베어링들을 포함하다.The present invention relates to a method for monitoring the wear of a gearbox in a wind power plant. The gearbox comprises at least one first shaft, at least one second shaft, toothed wheels and bearings as components of the gearbox.

이 방법은 제 1 회전 샤프트 인코더에 의해 제 1 샤프트에서 제 1 각도 위치를 - 제 1 자유도로서 - 감지하는 단계, 제 2 회전 샤프트 인코더에 의해 제 2 샤프트에서 제 2 각도 위치를 감지하는 단계를 포함하다. 기어박스의 마모를 모니터링하는 단계는 샤프트들의 감지된 각도 위치들의 차이들에 따라 행해지고 모니터링된 차이들에 따라 전달-유닛의 마모를 나타내는 상태-신호가 발생된다.The method includes sensing a first angular position at a first shaft by a first rotary shaft encoder - as a first degree of freedom - and sensing a second angular position at a second shaft by a second rotary shaft encoder Do. Monitoring the wear of the gearbox is done in accordance with the differences in the sensed angular positions of the shafts and a state-signal is generated indicative of wear of the transfer-unit in accordance with the monitored differences.

이 방법은 특히 기어박스의 구성요소들 중 적어도 하나의 마모에 의해 야기되는, 샤프트들 중 적어도 하나의 추가의 자유도, 특히 축방향 및/또는 편심 변위의 추가의 감지, 및 마모의 표시로서 추가의 자유도를 모니터링하는 단계 및 적어도 2개의 자유도에서, 특히 적어도 하나의 각도 및 적어도 하나의 선형 자유도에서의 차이들 및 변위들에 따라 상태-신호를 발생시키는 단계를 더 포함한다.This method is particularly suitable for the additional detection of additional degrees of freedom of at least one of the shafts, in particular of axial and / or eccentric displacement, caused by wear of at least one of the components of the gearbox, Monitoring the degree of freedom of at least two degrees of freedom, and generating a state-signal in accordance with differences and displacements in at least two degrees of freedom, especially at least one angle and at least one linear degree of freedom.

기어박스의 입력 및 출력 샤프트의 회전 위치를 분석하고 이들 측정치들을 비교함으로써, 백래쉬 또는 유극 및 이빨 마멸 또는 파손 형태의 마모의 표시가 평가될 수 있다. 유극 또는 백래쉬는 특히 회전의 방향을 이동시킬 때 발생한다. 이빨-에러들로 인한 신호 교란들은 회전 주기성을 가진다. 만약 에러가 측정 샤프트 상에서 발생하지 않지만, 예를 들어 중간 스테이지 기어휠 상에서 발생하면, 그것은 기어 전달비에 의해 스케일링된다. By analyzing the rotational positions of the input and output shafts of the gearbox and comparing these measurements, an indication of wear in the form of backlash or clearance and tooth wear or breakage can be evaluated. Clearance or backlash occurs especially when moving the direction of rotation. Signal disturbances due to tooth-errors have rotational periodicity. If an error does not occur on the measuring shaft, but occurs, for example, on an intermediate stage gear wheel, it is scaled by the gear transmission ratio.

특히, 만약 기어박스의 토크-부하가 또한 측정되고 토크 관련 각도 변위 영향들이 보상되면, 위에서 언급한 마모 영향들은 서로에 대한 샤프트들의 각도 변위 차이들에 의해 표현된다. 내부 구성요소들의 형상 및 재료들의 지식의 통합에 의해, 부하 및 동력학(dynamics) 하에서 기어박스의 이론적 거동이 예측될 수 있고 기어박스 또는 그것의 특정 부분들의 동적 성능(dynamic performance)이 유도되고 모니터링될 수 있다. In particular, if the torque-load of the gearbox is also measured and the torque-related angular displacement effects compensated, the wear effects mentioned above are represented by the angular displacement differences of the shafts relative to each other. By incorporating the shape of the internal components and knowledge of the materials, the theoretical behavior of the gearbox under load and dynamics can be predicted and the dynamic performance of the gearbox or its specific parts can be derived and monitored .

샤프트의 강도의 지식으로 및 중간의 토크 부하 샤프트 섹션을 갖는 - 단일 샤프트 상의 2개의 각도 인코더들은 부하 하에서 샤프트의 토션 또는 각도 트위스트에 따라 토크를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 피크 토크와 같은 것들, 토크가 어떤 한계를 초과한 횟수, 부하 사이클들의 수 등이 기록, 평가 및 모니터링될 수 있다. 이것은 하나 또는 다수의 축선에 대해 개별적으로 행해질 수 있다. 각도 위치 측정에 의해, 축선의 회전 속도가 또한 알려지고, 토크 및 속도에 의해, 전달 동력(transmitted power)이 계산될 수 있다. 만약 입력 및 출력 샤프트 상의 전력이 결정되면, 기어박스의 효율 - 또는 각각의 축선 상의 2개의 인코더들에 의해, 심지어 내부 스테이지들 각각의 효율이 계산될 수 있다. 1회전 내의 샤프트의 토션에 대한 변동들은 또한 마모의 표시일 수 있다. 잘 동작하고 있는 기어(well running gear)는 피크들 또는 특이성들(singularities)이 없이, 매끄럽고, 둥근 각도 토크 분배(smooth, round angular torque distribution)를 가질 것이다. 실제 파워 및/또는 토크값을 측정하기 위한 다른 소스는 발전기의 전기 출력일 수 있다.With the knowledge of the strength of the shaft and with the intermediate torque load shaft section - the two angle encoders on a single shaft can be used to determine the torque in accordance with the torsion or angular twist of the shaft under load. Thus, things such as peak torque, the number of times the torque exceeds a limit, the number of load cycles, etc. can be recorded, evaluated and monitored. This can be done separately for one or more axes. By angular position measurement, the rotational speed of the axis is also known, and the transmitted power can be calculated by torque and speed. If the power on the input and output shafts is determined, the efficiency of the gearbox, or even the efficiency of each of the internal stages, can be calculated by the two encoders on each axis. Variations for the torsion of the shaft within one revolution may also be indicative of wear. A well running gear will have a smooth, round angular torque distribution without peaks or singularities. Another source for measuring the actual power and / or torque value may be the electrical output of the generator.

인코더들은 절대 또는 상대 인코더들일 수 있다. 장기 방식(long term manner)으로 결정하기 위해, 절대 각도 인코더들이 사용될 수 있다. 이것에 의해, 심지어 불연속 모니터링 또는 파워 고장의 경우에, 측정된 위치값들의 오프셋들은 서로 일정하다. 상이한 샤프트들에 위치된 적어도 2개의 절대 인코더들의 오프셋들의 변동들을 분석함으로써, 만약 토크 산출 및 온도 영향들이 또한 측정되고 수학적으로 보상되면, 마모의 표시인 시스템 내부의 기어링에서의 변동이 평가될 수 있다. The encoders may be absolute or relative encoders. To determine in a long term manner, absolute angle encoders may be used. Thereby, in the case of even a discontinuous monitoring or power failure, the offsets of the measured position values are constant with respect to each other. By analyzing the variations of the offsets of at least two absolute encoders located on different shafts, if torque computation and temperature effects are also measured and mathematically compensated, the variation in gearing within the system that is an indication of wear can be evaluated .

박스 기초(box fundament)에 대해 절대 각도 위치들을 결정함으로써, 정밀한 참조 마크를 갖는 절대 인코더들 또는 인코더들을 적어도 한번 이용하여, 또 추가의 시나리오들이 커버될 수 있다. 예를 들어, 기어들의 제 1 회전은 특히 부하가 있고 부하가 없는 그리고 양 회전 방향들에서, 참조 센서로서 각도 프로필 참조를 측정한다. 이후 참조 센서는 마모 또는 단일 영향들을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 적용될(예컨대 용접 등에 의해) 재료를 필요로 하는 파손 또는 많이 마모된 이빨과 같이, 현장에서 필요한 수리를 하는 경우에, 참조 센서가 참조 상태(예컨대 비최적 형상 이빨의 전용 연마에 의해)를 재확립하기 위해 사용될 수 있다. 그러므로, 매끄러운 각도 위치 프로파일이, 특히 톱니바퀴의 영향 받은 섹션들을 재작업함으로써, 기어휠들의 비최적 메싱(non optimal meshing)을 나타낼 수 있는 피크들 없이 확립될 수 있다. By determining absolute angular positions for the box fundament, further scenarios can be covered, using absolute encoders or encoders with precise reference marks at least once. For example, the first rotation of the gears measures the angle profile reference as a reference sensor, in particular in a loaded and unloaded and in both rotational directions. The reference sensor can then be used to determine wear or single effects. Also, in the case of making necessary repairs in the field, such as broken or heavily worn teeth that require the material to be applied (e.g., by welding, etc.), the reference sensor may be moved in a reference state (e.g. by special polishing of non- Can be used to re-establish. Therefore, a smooth angular position profile can be established without peaks that can indicate non optimal meshing of the gear wheels, particularly by reworking the affected sections of the cog wheel.

단일 샤프트의 위에서 언급한 모델링 외에, 전체 기어박스의 강도가 또한 예컨대 동상으로 운전하는 데(in a running in phase) 계산되거나 또는 실험적으로 평가될 수 있다. 이론상, 실험적 및 실제 시스템 거동이 비교될 수 있고, 여기서, 얻어진 차이들은 기어박스의 조건을 나타내고, 그것에 의해 수집된 정보는 또한 그것의 수명을 관리하기 위해 사용될 수 있다.In addition to the above-mentioned modeling of a single shaft, the strength of the entire gearbox can also be calculated or experimentally evaluated, for example in running in phase. In theory, the experimental and actual system behavior can be compared, wherein the differences obtained indicate the conditions of the gearbox, and the information collected thereby can also be used to manage its life span.

실제 사용에 있어서, 예컨대 구조적 음향 또는 입력 및 출력 인코더만으로 검출 가능한 전체 기어박스의 마모 표시가 관심이 있을 뿐만 아니라, 기어박스의 어디, 어느 스테이지에서 또는 어느 부분에서 마모 문제가 일어나는지가 관심이 있다. 많은, 모든 또는 적어도 대부분의 중요한 시스템 구성요소들 또는 이들 각각의 샤프트들에서의 센서들의 스마트 배열이 전체 기어박스를 정밀하게 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 기어휠들의 모니터링은 이빨의 상태를 결정하기 위해 단일 이빨을 모니터링 레벨까지 행해질 수 있다. In actual use, it is of interest, for example, not only structural sound or wear marks of the entire gearbox which can be detected only by the input and output encoders, but also where, at which stage or at what part of the gearbox wear problems arise. Many, all or at least most important system components or a smart array of sensors on their respective shafts can be used to precisely monitor the entire gearbox. Monitoring of the gear wheels can be done up to the monitoring level of a single tooth to determine the state of the teeth.

본 발명에 따르면, 다수의 자유도로, 특히 추가의 축방향 및 편심 방향에서 샤프트 운동을 결정하는 것은 기어박스의 상태의 추가 정보를 얻을 수 있고 더 정밀한 모니터링이 달성될 수 있다.According to the invention, determining the shaft movement in a plurality of degrees of freedom, in particular in the further axial and eccentric directions, can obtain additional information on the state of the gearbox and more precise monitoring can be achieved.

한편, 이것은 각도 인코더들을 다른 축-센서-수단 예를 들어 광학, 용량성 또는 유도성 변위 센서들과 조합시킴으로써 시스템을 확장하여 행해질 수 있다. On the other hand, this can be done by extending the system by combining angular encoders with other axial-sensor-means such as optical, capacitive or inductive displacement sensors.

다른 접근방법은 편심들 및 축방향 시프트들을 또한 결정하기 위해 구성되는 인코더의 사용이다. 인코더는 용량성 인코더, 광학 회전 인코더, 마그네틱 인코더, 또는 각도 위치 및 적어도 하나의 추가의 자유도를 측정하는 능력을 갖는 다른 유형의 인코더로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 임의의 기하학적 2D-패턴의 광학 프로젝션의 평가를 위한 라인 센서 또는 에어리어 센서를 갖는 광학 각도 인코더가 사용될 수 있고, 여기서 투영된 패턴은 심지어 비방사상(non-radial)일 수 있다. 이와 같은 센서들, 평가 회로들 및 평가-소프트웨어는 프로젝션의 위치 및/또는 스케일에서 변경들을 결정하기 위해 최적화된다. 2D-패턴 및 축방향의 프로젝션을 포함하는 래디얼 디스크의 경우에, 위치의 변경은 편심을 나타내고, 스케일의 변경은 축방향 시프트를 나타내고, 패턴 평가는 각도 위치를 결정한다.Another approach is the use of an encoder configured to also determine eccentricities and axial shifts. The encoder may be implemented as a capacitive encoder, an optical rotary encoder, a magnetic encoder, or other type of encoder with the ability to measure angular position and at least one additional degree of freedom. For example, an optical angle encoder with a line sensor or an area sensor for the evaluation of an optical projection of any geometric 2D-pattern may be used, wherein the projected pattern may even be non-radial. Such sensors, evaluation circuits and evaluation software are optimized to determine changes in the position and / or scale of the projection. In the case of a radial disc including a 2D-pattern and an axial projection, the change of position represents the eccentricity, the change of scale represents the axial shift, and the pattern evaluation determines the angular position.

이와 같은 영향들을 검출할 수 있는 종래 기술의 알려진 센서들은 영향 자체의 측정을 위해 생각되지 않고, 오히려 고 정밀도 각도 측정을 위한 보상을 달성하기 위한 것으로 생각된다. 축방향 및 편심의 부수적 영향들의 값들은 심지어 종래 기술에서 센서들 출력에서는 이용 가능하지 않은 데, 그 이유는 이들이 각도 측정 보정 목적들을 위해 내부적으로만 사용되기 때문이다. 이와 같은 정보가 별개의 출력에서 이용 가능할 때조차, 기어박스의 상이한 마모 영향들을 모니터링하기 위해 후자를 사용하는 것은 명백하지 않은 데, 그 이유는 그것이 본 발명에 따라 행해지기 때문이다.Known sensors of the prior art capable of detecting such effects are not conceived for the measurement of the effect itself, but rather are intended to achieve compensation for high precision angle measurements. The values of the axial and eccentric side effects are not even available in the outputs of sensors in the prior art because they are only used internally for angle measurement calibration purposes. Even when such information is available at separate outputs, it is not obvious to use the latter to monitor the different wear effects of the gearbox, since it is done in accordance with the present invention.

센서들의 예시적인 실시예들 또는 추가의 자유도를 결정하기 위한 기본 원리들은 예를 들어 WO 2008/083797, WO 2008/141817, WO 2007/051575 또는 EP 1 632 754에서 발견될 수 있다.The basic principles for determining exemplary embodiments or additional degrees of freedom of the sensors can be found, for example, in WO 2008/083797, WO 2008/141817, WO 2007/051575 or EP 1 632 754.

베어링 고장들 및 베어링 마모가 또한 본 발명에 따라 검출될 수 있는 데, 그 이유는 이들 문제들이 주로 편심 또는 축방향 헐거워짐으로 나타나기 때문이다. 특히, 헬리컬 컷(helical cut) 톱니바퀴들이 사용될 경우, 축방향 힘들이 존재한다. 많은 경우들에 있어서, 베어링들은 프리텐셔닝(pre-tensioned)되고, 만약 이들이 시간이 지남에 따라 헐거워지면, 이것은 마모의 표시일 수 있다. 특히 일단 베어링들이 헐거워지면, 마멸의 증가가 일어날 것이다. 검출되지 않으면, 이것은 완전한 시스템 고장으로 이어질 수 있지만, 만약 검출되고 리스트레스(re-stressed)되면, 이와 같은 것은 회피될 수 있고 전체 수명은 교환 없이 그리고 적은 유지보수 노력으로 증가될 수 있다.Bearing failures and bearing wear can also be detected in accordance with the present invention because these problems are mainly manifested by eccentric or axial loosening. In particular, when helical cut gears are used, axial forces are present. In many cases, the bearings are pre-tensioned, and if they become loose over time, this can be an indication of wear. Particularly once the bearings are loosened, wear will increase. If not detected, this can lead to complete system failure, but if detected and re-stressed, this can be avoided and the overall lifetime can be increased without exchange and with less maintenance effort.

또한, 편심 또는 축방향 변위들을 또한 초래할 수 있는, 과부하 상태들로 인해 소성 변형들과 같은 샤프트-고장들을 검출하는 것이 가능하다. 만약 기어박스가 내부에서 이와 같은 변형된 부분에 의해 동작을 유지하면, 후유증이 일어날 수 있고, 따라서 주로 영향을 받은 부분 뿐만 아니라, 다른 부분들도 유지보수 또는 대체를 필요로 할 것이다.It is also possible to detect shaft-failures such as plastic deformations due to overloaded conditions, which may also result in eccentric or axial displacements. If the gearbox is kept in motion by such a deformed portion in the interior, aftereffects can occur, and therefore, not only the affected portion but also other portions will require maintenance or replacement.

특히 저속으로 회전하는 기어박스들을 위해, 인코더들에 의한 마모 모니터링은 음향 또는 진동만에 의한 마모 모니터링에 비해 유리할 수 있는 데, 그 이유는 결정될 많은 에러 항들(many error terms)이 낮은 회전 속도로 인해 낮은 주파수이기 때문이다. 음향 및 진동 분석은 높은 주파수들에 대해 유리하기 때문에, 양 마모 모니터링 원리들의 조합은 특히 만약 저속 및 고속 회전들이 커버되어야 한다면, 유리한 넓은 스펙트럼 범위를 커버한다. Especially for gearboxes rotating at low speeds, wear monitoring by the encoders may be advantageous compared to wear monitoring by acoustic or vibration only, because many error terms to be determined are low due to low rotational speeds Frequency. Because acoustic and vibration analysis is advantageous for high frequencies, the combination of both wear monitoring principles covers a broad spectrum spectrum which is advantageous, especially if low speed and high speed rotations are to be covered.

또한, 실제 부하-사이클들의 정밀한 모니터링은 수명 추정의 확실성을 개선시킨다. 예를 들어, 그것이 설계된 값들보다 훨씬 아래의 낮은 부하들로 동작하는 기어박스는 연장된 수명을 달성할 것이다. 한편, 기대하지 않은, 혹독한 충격들은 기대값 이하로 남은 수명을 크게 감소시킬 수 있다. 짧은 시간 과부하 상태로 인해 내측 부분의 검출되지 않은, 약간의 변형은 증가된 마모를 초래할 수 있고, 또한 기어박스의 다른 구성요소들에 영향을 줄 수 있다. 그 결과, 심지어 전체 기어박스의 완전한 대체가 필요로 될 것이다. 경미한 변형의 직접의 단순 수선에 의해, 이와 같은 것은 회피 가능하다. In addition, precise monitoring of actual load-cycles improves the reliability of life estimation. For example, a gearbox that operates with lower loads far below its designed values will achieve extended service life. On the other hand, unexpected, harsh impacts can significantly reduce the remaining life below the expected value. The undetected, slight deformation of the inner portion due to the short time overload condition can lead to increased wear and can also affect other components of the gearbox. As a result, even a complete replacement of the entire gearbox will be required. By simple repairs of the direct deformation of the slight deformation, this can be avoided.

감소된 수명을 초래하는 다른 예는 샤프트들 중 하나에서의 불균형이다. 이것은 또한 본 발명에 따라 검출될 수 있는 데, 그 이유는 편심 영향들에 의해, 특히 주파수 또는 속도 의존 편심들에 의해 관측 가능하기 때문이다.Another example that results in reduced life is an imbalance in one of the shafts. This can also be detected in accordance with the present invention because it is observable by eccentric influences, in particular by frequency or velocity dependent eccentrics.

본 발명에 따른 방법, 장치들 및 셋업이 단지 예로서, 도면들에 개략적으로 나타낸 작업 예들을 참조하여, 이하에 더 상세히 기재되거나 설명된다. The method, apparatus and setup according to the present invention will now be described or illustrated in more detail below, by way of example only, with reference to working examples schematically illustrated in the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 방법의 설명을 위한 단일 스테이지를 갖는 기어박스의 제 1 실시예의 예를 나타내고;
도 2는 본 발명에 따른 다수의 스테이지들 및 대안의 센서 셋업을 갖는 기어박스의 제 2 실시예의 예를 나타내고;
도 3a는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 센서들의 예시적인 실시예들을 갖는 요약된 기어링들을 나타내고;
도 3b는 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 요약된 블록도를 나타내고;
도 4는 기어박스의 특수 실시예 및 본 발명에 따른 방법에 의해 사용될 수 있는 센서들의 다른 예들을 나타내고;
도 5는 본 발명에 따른 방법의 적용 가능성을 설명하기 위해 기어박스의 유성 스테이지를 나타내고;
도 6은 본 발명에 따른 방법을 위한 센서들을 갖는 윈드밀의 전달 시스템의 실시예를 나타내고;
도 7은 본 발명에 따라 모니터링되고 관리되는 풍력발전지역의 실예를 나타낸다.
Figure 1 shows an example of a first embodiment of a gearbox with a single stage for the description of the method according to the invention;
Figure 2 shows an example of a second embodiment of a gearbox with multiple stages and an alternative sensor setup according to the invention;
Figure 3a shows summarized gearings with exemplary embodiments of sensors that can be used in accordance with the present invention;
Figure 3b shows a simplified block diagram for illustrating the method according to the invention;
Figure 4 shows other examples of sensors that can be used by the special embodiment of the gearbox and the method according to the invention;
Figure 5 shows an oil-based stage of a gearbox to illustrate the applicability of the method according to the invention;
Figure 6 shows an embodiment of a windmill delivery system with sensors for the method according to the invention;
Figure 7 illustrates an example of a wind farm area monitored and managed in accordance with the present invention.

도면들의 다이어그램들은 일정한 비례로 도시된 것으로 고려되지 않아야 한다.The diagrams of the figures should not be construed as being drawn to scale.

도 1은 2개의 샤프트들, 즉, 입력 샤프트(2A) 및 출력 샤프트(2B)를 갖는 단일 스테이지 기어박스(1)의 예시적인 실시예를 도시한다. 명백히, 기어박스(1)는 또한 샤프트들(2A 및 2B)의 역할들을 변경시키기 위해 역방향으로 사용될 수 있다. 샤프트들(2A 및 2B)은 베어링들(10)에 의해 지지된다. 베어링들(10)은 예를 들어 글라이딩(gliding) 베어링들, 롤러 베어링들, 에어 또는 유체 베어링들, 마그네틱 베어링들 등일 수 있다. 이 실시예는 단일 스테이지 기어박스(1)를 나타내기 때문에, 기어박스(1) 내에 포함된 2개의 상호작용 기어들(3A 및 3B), 즉 입력 기어(3A) 및 출력 기어(3B)가 있다. 기어박스(1)는 특히 마찰 감소를 위해, 오일과 같은 윤활유가 쳐져있거나 충전될 수 있고, 또는 냉각 목적들을 또한 포함할 수 있는 강제 윤활 시스템이 적용될 수 있다.Fig. 1 shows an exemplary embodiment of a single-stage gear box 1 having two shafts, namely an input shaft 2A and an output shaft 2B. Obviously, the gear box 1 can also be used in the reverse direction to change the roles of the shafts 2A and 2B. The shafts 2A and 2B are supported by the bearings 10. The bearings 10 may be, for example, gliding bearings, roller bearings, air or fluid bearings, magnetic bearings, and the like. Since this embodiment represents a single stage gear box 1, there are two interaction gears 3A and 3B included in the gear box 1, namely, an input gear 3A and an output gear 3B . The gear box 1 can be applied with a forced lubrication system, which can be lubricated or filled with oil, in particular for friction reduction, or which can also include cooling purposes.

속도/운동량비의 변환이 기어박스(1)의 공통 목적이기 때문에, 기어들(3A 및 3B)은 원하는 기어 및 전달비를 달성하기 위해 상이한 직경들 및 이빨의 수를 가지지만, 입력 샤프트(2A)에 대한 출력 샤프트(2B)의 횡방향 또는 각도 시프트 또는 롤링 방향에서의 변화는 기어박스(1)의 목적일 수 있다.Gears 3A and 3B have different diameters and number of teeth to achieve the desired gear and transmission ratio because the conversion of the speed / momentum ratio is a common purpose of gearbox 1, but input shaft 2A ) Of the output shaft 2B with respect to the gear box 1 can be a purpose of the gear box 1. [

본 발명에 따르면, 기어박스(1)에 부착된 적어도 2개의 센서들(11A 및 11B)이 있다. 위에 기재한 것과 같이, 센서들 모두는 제 1 자유도로서 기어박스의 베이스(1)에 대한 샤프트(2A)의 각도 위치(30)를 검출할 수 있다. 센서들(11A, 11B) 중 적어도 하나 또는 추가의 센서는 축방향(31) 변위 또는 편심(32) 변위를 검출할 수 있다. 도 1에 있어서, 센서들(11A 및 11B)은 모두 축선 주위의 회전(30) 자유도, 축방향(31)의 회전 자유도 및 편심(32) 자유도의 3개의 자유도를 검출할 수 있다. 숙련된 사람은 편심(32) 에러 자체는 2차원에서 카테시안 변위로서 해석될 수 있고, 그 결과 3개의 선형 및 1개의 회전의 총 4차원을 생성할 수 있다는 사실을 알 수 있다. 대안으로, 편심(32) 에러는 회전각 및 반경에 의한 극변위(polar displacement)로서 해석될 수 있고, 회전 자유도가 커버되기 때문에, 반경 형태의 단지 하나의 추가의 자유도가 커버되고, 그 결과 1개의 회전값 및 2개의 선형값의 총 3개의 값이 발생한다.According to the present invention, there are at least two sensors 11A and 11B attached to the gear box 1. As described above, all the sensors can detect the angular position 30 of the shaft 2A with respect to the base 1 of the gearbox as the first degree of freedom. At least one of the sensors 11A, 11B or an additional sensor may detect axial displacement 31 or eccentric 32 displacement. In FIG. 1, the sensors 11A and 11B can detect three degrees of freedom, that is, the degree of freedom of rotation 30 around the axis, the degree of freedom of rotation in the axial direction 31, and the degree of freedom of the eccentricity 32. Skilled persons can see that the eccentricity (32) error itself can be interpreted as catatian displacement in two dimensions, resulting in a total of four dimensions of three linear and one rotation. Alternatively, eccentric 32 errors can be interpreted as polar displacements due to rotation angles and radii, and since only one additional degree of freedom in radial form is covered, as the rotational degrees of freedom are covered, Three rotation values and two linear values are generated.

마모로 인한 변위들의 측정을 위해, 온도 스트레인 또는 기계적 스트레인과 같은 다른 영향들이 온도 또는 토크와 같은 원인 영향들의 측정 및 모델링 및 그것의 결과로 생긴 변위들을 감산하여 수학적으로 제거될 수 있다. For measurement of displacements due to wear, other influences such as temperature strain or mechanical strain can be removed mathematically by subtracting displacements resulting from measurement and modeling of cause effects such as temperature or torque and the resulting displacements.

토크 측정치는 발전기의 전기 출력에 따라 전용 수단에 의해 또는 센서들(2A 및 2B)로부터의 각도 정보에 의해 샤프트의 토션을 측정하여 행해질 수 있다. 하나의(또는 그 이상의) 토크가 걸린 샤프트 섹션들의 2개의 단부들에서의 각도 측정에 의해, 측정들의 차이는, 샤프트의 트위스트로서, 토크에 비례할 것이고, 특히 한번의 백래쉬 및 다른 영향들이 상쇄된다. 각도 인코더들에 의해 결정될 수 있는, 토크 및 회전 속도를 앎으로써, 또한 전달된 파워가 계산될 수 있다.The torque measurement can be made by measuring the torsion of the shaft by dedicated means according to the electrical output of the generator or by angle information from the sensors 2A and 2B. By angular measurement at the two ends of one (or more) torqued shaft sections, the difference in measurements will be proportional to the torque, in particular as a twist of the shaft, and in particular, one backlash and other influences are canceled out . By knowing the torque and rotational speed, which can be determined by angular encoders, the delivered power can also be calculated.

기어 박스에서의 각도 변위들은 기어들 및 샤프트들의 토션을 검출하고 또한 백래쉬를 결정하기 위한 양호한 표시기들이다. 어떤 백래쉬는 작동하는 기어 전달을 위해 불가피한 것이지만, 너무 많거나 너무 적은 유극은 불리하고 수명의 추정 감소의 표시이다. 또한, 기어휠의 하나 이상의 이빨의 완전한 고장 또는 적어도 부분적인 부러짐은, 기어휠의 영향 받은 섹션이 상호 작용하고 있을 때는 언제나, 회전 주기성을 갖고 일어나는 증가된 백래쉬에 의해 식별 가능하다.The angular displacements in the gearbox are good indicators for detecting the torsion of the gears and shafts and also for determining the backlash. Some backlash is inevitable for working gear transmission, but too much or too little torque is a disadvantage and an indication of an estimated reduction in service life. Further, complete failure or at least partial breakage of one or more teeth of the gearwheel is identifiable by increased backlash that occurs with a periodicity of rotation whenever the affected section of the gearwheel is interacting.

기어박스(1) 내부의 실제 힘들 및 부하 조건들은 상당히 복잡하다. 예를 들어, 일반적으로 기어-기어 조합의 힘들은 기어들을 측방향들로 이동시키는(특히 헬리컬 컷 기어들에 대해) 축방향 성분, 2개의 톱니바퀴들을 멀리 이동시키는 반경방향 성분 및 실제 운동량을 전달하는 접선 성분을 포함한다. 더욱이, 일부 마찰력들은 또한 피할 수 없다. 이들 힘들은 모두 힘 평형을 달성하기 위해 기어휠들(3A 3B), 베어링들(10), 샤프트들(2A, 2B) 및 기어박스(1)의 하우징에 부담 지워진다.The actual forces and load conditions inside the gear box 1 are quite complex. For example, in general, the forces of a gear-gear combination transmit axial components that move the gears laterally (particularly with helical cut gears), radial components that move the two gear wheels away, Tangential components. Moreover, some frictional forces are also inevitable. These forces are all burdened to the gears 3A 3A, the bearings 10, the shafts 2A, 2B and the housing of the gear box 1 to achieve force balance.

종래의 기술의 각도만의 진단(angular-only diagnosis)은 그 자체로는 축방향(31) 및 반경방향(32) 영향들을 검출할 수 없다. 예를 들어, 반경방향 및 접선방향 힘들 및 - 기어휠의 반경으로 인해 - 또는 축방향 힘들은 샤프트들에 가해지는 굽힘 모멘트들 및 베어링들(10)에서 횡방향 및 종방향 힘들을 초래한다. 굽힘 모멘트들은 이론상 힘이 작용하지 않는 샤프트 축(theoretical force-free shaft axis)에 비해 샤프트(2A)의 편심(32)을 초래한다. 횡력들은 또한 축방향(31)에서 베어링들(10)에 부담이 지워지고 베어링들(10)을 변위시킨다.The angular-only diagnosis of the prior art is not itself capable of detecting axial 31 and radial 32 influences. For example, due to the radial and tangential forces and the radii of the gear wheels- or axial forces result in bending moments exerted on the shafts and lateral and longitudinal forces in the bearings 10. The bending moments result in the eccentricity 32 of the shaft 2A compared to a theoretical force-free shaft axis. The lateral forces are also imposed on the bearings 10 in the axial direction 31 and displace the bearings 10.

이들 힘들의 영향들은 또한 기어박스(1)의 상태와 관련이 있고 기어박스(1)의 마모에 영향을 주거나 표시하고, 그럼에도 불구하고 이들은 회전 온리 인코더들에 의해서는 검출 및 평가할 수 없다. 본 발명에 따라 모든 힘들 또는 오히려 그로부터 생기는 영향들을 분석함으로써, 마찰, 변형, 유극, 손실들 및 다른 영향들의 더 정확한 분석이 달성된다.The effects of these forces are also related to the state of the gearbox 1 and affect or indicate wear of the gearbox 1 and nevertheless they can not be detected and evaluated by rotary ON only encoders. A more accurate analysis of friction, strain, strain, losses and other influences is achieved by analyzing all forces or rather their effects in accordance with the present invention.

또한, 베어링들(10)은 본 발명에 따라 모니터링될 수 있는 데, 그 이유는 이들이 또한 기어휠들(3A, 3B)보다 훨씬 더 많이 종종 마모되기 때문이다. 대부분의 경우들에 있어서, 베어링-마모는 기어휠들(3A, 3B)의 증가된 유극 또는 백래쉬를 초래하지 않고, 오히려 회전 온리 인코더에 의해서는 검출되지 않는 편심 또는 축방향 유극을 초래한다. Bearings 10 can also be monitored in accordance with the present invention because they are also much more often worn than gear wheels 3A, 3B. In most cases, the bearing-wear does not result in increased clearance or backlash of the gear wheels 3A, 3B, but rather an eccentric or axial clearance which is not detected by the rotary only encoder.

도면은 센서들(5A 및 5B) 및 평가 유닛(4)으로부터의 측정된 신호들을 또한 나타낸다. 각도 위치의 차이를 동시에 결정하기 위해, 센서들(11A 및 11B)의 판독은 바람직하게는 동기화된다. 평가 유닛은 센서들(11A 및 11B)로부터 감지된 위치 및 변위 정보에 기초하여 기어박스(1)의 마모를 나타내는 신호를 발생한다.The figure also shows the measured signals from the sensors 5A and 5B and the evaluation unit 4. To simultaneously determine the difference in angular position, the readings of the sensors 11A and 11B are preferably synchronized. The evaluation unit generates a signal indicative of wear of the gearbox 1 based on the position and displacement information sensed from the sensors 11A and 11B.

도 2는 다중 스테이지 기어박스(1)를 도시한다. 기어박스(1)는 구동 토크 또는 운동량이 가해지는 적어도 하나의 입력-샤프트(2A), 및 치폭비(tooth ratio)에 따라 변경된 토크/속도비를 갖는, 구동 토크가 빼내어지는 적어도 하나의 출력-샤프트(2B)를 포함한다. 2개의 샤프트들(2A, 2B) 사이에는, 복수의 기어들(3A, 3B, 3C1, 3C2)이 있고, 이러한 특정 예에 있어서, 하나는 2개의 톱니바퀴들(3C1, 3C2)이 장비된 추가의 중간-스테이지-샤프트(3C)이다. 이와 같은 다중 스테이지 기어박스들은 단일 스테이지들의 데이지 체인(daisy chain)으로 보여질 수 있고, 여기서 하나의 스테이지의 입력 샤프트는 이전 스테이지의 출력 샤프트와 통합되어 기어박스의 외부에서 액세스할 수 없고 볼 수 없는 중간 스테이지를 초래한다.Fig. 2 shows a multiple stage gear box 1. The gearbox 1 comprises at least one input-shaft 2A to which a driving torque or momentum is applied, and at least one output-torque-torque-torque- And a shaft 2B. Between the two shafts 2A and 2B there is a plurality of gears 3A, 3B, 3C1 and 3C2 and in this particular example one is equipped with two gears 3C1 and 3C2 Stage-shaft 3C of FIG. Such multi-stage gearboxes can be viewed as a single stage of a daisy chain in which the input shaft of one stage is integrated with the output shaft of the previous stage and is not accessible from outside the gearbox, Resulting in an intermediate stage.

기어들은 중심 샤프트에 부착되고, 몇몇 베어링에 의해 샤프트를 중심으로 회전 가능하거나 또는 기어로부터 샤프트로의 토크의 전달을 위해 샤프트에 결합된다. 단순한 스퍼 휠들보다 더 복잡한 메커니즘(mechanic)을 가질 수 있는, 스프로켓들, 웜 휠들, 스퍼 휠들, 유성 휠 드라이브들 등과 같은 알려진 특수 기어 배열들이 또한 있다.Gears are attached to the center shaft and are rotatable about the shaft by several bearings or are coupled to the shaft for transmission of torque from the gear to the shaft. There are also known special gear arrangements, such as sprockets, worm wheels, spur wheels, planetary wheel drives and the like, which can have more complicated mechanics than simple spur wheels.

기어들에 대해 알려진 이빨의 상이한 형상들 및 배열들이 또한 있다. 예를 들어, 헬리컬 컷 기어들은 더 많은 작동 매끄러움(running smoothness)을 달성할 수 있고 직교하여 이빨이 형성된 기어들에 비해 잡음을 덜 생성하고 샤프트 및 베어링들에 대한 추가의 축방향 힘들의 부수 효과를 갖는 것으로 알려져 있다. 기어들에 있어서, 이빨은 중요한 부분인 데, 그 이유는 이들이 휠로부터 다른 것으로 토크를 전달해야 하기 때문이다. 이빨의 실제 형상 및 형상의 정밀도에 의존하여, 높은 규칙적인 부하들(high punctual loads)은 이빨의 면(face) 상에서 발생할 수 있다. 더욱이, 2개의 상호 작용 이빨 사이의 일부 마찰이 일어날 것이다. 비록 마찰은 이론적으로 설계에 의해 회피될 수 있고 단지 롤링 운동에 의해 대체될 수 있고, 실제로, 적어도 일부 마찰은 제작 오차들, 장착 부정확도들, 열팽창 등으로 인해 항상 잔존한다. 또한, 이빨의 부하 프로파일의 순환적 변화들은 피로 문제들 및 고장을 일으킬 수 있다. There are also different shapes and arrangements of teeth known to the gears. For example, helical cut gears can achieve more running smoothness and produce less noise compared to orthogonally tooth-formed gears and have a side effect of additional axial forces on the shaft and bearings ≪ / RTI > In gears, teeth are an important part because they have to transmit torque from one wheel to another. Depending on the actual shape of the tooth and the precision of the shape, high punctual loads may occur on the face of the tooth. Moreover, some friction between the two interacting teeth will occur. Although friction can theoretically be avoided by design and can only be replaced by rolling motion, in fact, at least some friction always remains due to manufacturing errors, mounting inaccuracies, thermal expansion, and the like. Also, cyclical changes in the load profile of the teeth can cause fatigue problems and failures.

기어박스(1)의 이빨 상의 부하는 기어박스(1)의 손상을 초래할 수 있는 기어박스(1)에서 마모로 이어질 것이다. 기어박스(1)의 양 종류의 전체 고장, 즉 재밍 또는 스피닝은 또한 심각한 추종 손상들을 초래할 수 있다. 이빨-마모는, 특히 만약 검출된다면, 심지어 마찰 및 스커핑(scuffing)을 훨씬 증가시키고 더 많은 열을 발생시키고, 심지어 크래킹, 브레이킹 루즈(breaking loose) 또는 심지어 하나 이상의 이빨의 브레이킹 아웃(breaking out)과 같은 후속 이빨 고장으로 이어질 수 있다. 특히, 하나의 이빨이 고장난 경우에, 기어박스는 그대로 작동하지만, 다른 이빨에 대한 부하가 증가하고, 그것에 의해 이들은 짧은 타임프레임 내에서 또한 고장나기 쉬울 것이다. 이빨의 쪼개진 부분은 또한 만약 그것이 2개의 기어휠들 사이에서 압착되면 재밍을 일으킬 수 있다. The load on the teeth of the gearbox 1 will lead to wear in the gearbox 1, which can cause damage to the gearbox 1. The total failure of both types of gearbox 1, i. E. Jamming or spinning, can also lead to serious follow-up injuries. Teeth-wear increases the friction and scuffing even further, especially if detected, and generates more heat, and even cracking, breaking loose or even breaking out of one or more teeth, Which may lead to subsequent tooth failure. In particular, in the event of a single tooth failure, the gearbox will continue to operate, but the load on the other teeth will increase thereby causing them to also fail within short time frames. The cleaved part of the teeth can also cause jamming if it is squeezed between the two gear wheels.

큰 힘들을 전달해야하는, 특히 중잡비, 예컨대 풍력 발전소들은 비용이 많이 들고 검사 및 유지보수가 어려운, 대응하는 큰 기어들 및 기어박스들을 필요로 한다. 또한, 전체 기계는 에러 진단 및 유지보수를 위해 잠시 멈춰야 해서, 생산성 손실들(productivity losses)을 초래한다.In particular, miscellaneous supplies, such as wind power plants, which require large forces to be transmitted, require corresponding large gears and gearboxes which are expensive and difficult to inspect and maintain. In addition, the entire machine has to pause for error diagnosis and maintenance, resulting in productivity losses.

센서들의 대부분의 토크-의존 측정은 센서들(11C 및 11D)로 도시된 샤프트의 언로드 단부(unloaded end) 상에 센서를 배치하여 달성될 수 있다. 기어휠들(3B 및 3C2) 자신들은 이들의 기하학으로 인해 높은 토션 강도를 가지기 때문에, 샤프트들의 언로드 단부들은 기어박스에 의해 전달되는 실제 파워에 의한 토션 영향들과 거의 무관하에 기어휠에 순응하여 회전할 것이다. Most torque-dependent measurements of the sensors can be accomplished by placing the sensor on the unloaded end of the shaft shown by sensors 11C and 11D. Since the gear wheels 3B and 3C2 themselves have a high torsional strength due to their geometry, the unloading ends of the shafts conform to the gearwheel substantially irrespective of the torsional effects due to the actual power transmitted by the gearbox, something to do.

센서(11D)는 센서(11E)에서 양방향 화살표로 나타낸, 축방향 자유도로 전용 선형 위치 센서를 사용하는 실시예의 예이다. 센서(11A)는 센서(11A)와 동일한 샤프트를 측정하는, 센서(11F) 옆에 나타낸 2개의 자유도로 나타낸 수반되는 편심 센서(11F)를 가진다. 언급한 것과 같이, 편심은 또한 각도 및 반경에 의해 극좌표들에 표시될 수 있다. 각도 위치는 이미 측정되었으므로, 반경만이 결정되어야 하고, 이것은 예컨대 1의 추가의(선형) 자유도로 샤프트의 원주의 반경 거리 감지에 의해 행해질 수 있다.The sensor 11D is an example of an embodiment using a dedicated linear position sensor, indicated by a bi-directional arrow in the sensor 11E, with axial freedom. The sensor 11A has a concomitant eccentric sensor 11F with two degrees of freedom shown next to the sensor 11F, which measures the same shaft as the sensor 11A. As mentioned, eccentricity can also be displayed in polar coordinates by angle and radius. Since the angular position has already been measured, only the radius has to be determined and this can be done, for example, by the radial distance sensing of the circumference of the shaft with an additional (linear) freedom of one.

나타낸 실시예에서, 또한 내부-스테이지-샤프트(2C)에 센서(11C)가 있다. 따라서, 기어박스(1) 내의 모든 샤프트들이 모니터링될 수 있고 각각의 기어링 스테이지는 따로따로 평가될 수 있다. 예를 들어, 만약 중간 샤프트(2C) 및/또는 그것의 기어휠(3C2)이 알려져 있거나 기어박스에서 가장 약한 링크인 것으로 예상되면, 이와 같은 직접 측정이 유리하다. 특히 나타낸 센서(11C)는 심지어 기어박스(1)의 내부에 위치된다. In the embodiment shown, there is also sensor 11C in the inner-stage-shaft 2C. Thus, all the shafts in the gearbox 1 can be monitored and each gearing stage can be evaluated separately. This direct measurement is advantageous, for example, if the intermediate shaft 2C and / or its gear wheel 3C2 are known or expected to be the weakest link in the gearbox. In particular, the sensor 11C shown is even located inside the gear box 1.

추가의 실시예들에 있어서, 기어박스(1)의 다른 또는 그 이상의 축선에는 자유도의 개개의 서브셋을 위한 센서들이 장비될 수 있다. 예를 들어, 완전한 실시예에 있어서, 각각의 샤프트의 각각의 단부에는 회전, 축방향 및 편심 자유도를 감지할 수 있는 센서가 장비될 수 있다.In further embodiments, the other or more axes of the gearbox 1 may be equipped with sensors for a respective subset of degrees of freedom. For example, in a complete embodiment, each end of each shaft may be equipped with a sensor capable of sensing rotational, axial and eccentric degrees of freedom.

도 3a는 회전 자유도 이상으로 측정을 위한 센서들의 예시적인 실시예들과 함께 2개의 톱니바퀴들(3A 및 3B)(이빨은 도시되지 않음)을 갖는 기어 시스템의 클로즈-업을 도시한다. 센서(11A)는 코드 휠의 원주에 배열되는 코드-휠(111A) 및 4개의 센서들(112A)을 포함하다. 센서들의 배열은 코드 휠의 편심의 결정을 허용하고, 센서들은 코드 휠의 프로젝션(code wheel' projection)에 대한 배율(scale factor)에 따라 축방향 위치를 결정하는 방식으로 내장된다. Fig. 3A shows a close-up of the gear system with two gear wheels 3A and 3B (teeth not shown) together with exemplary embodiments of the sensors for measurement above rotational degrees of freedom. The sensor 11A includes a code-wheel 111A and four sensors 112A arranged on the circumference of the code wheel. The arrangement of the sensors allows the determination of the eccentricity of the code wheel, and the sensors are embedded in such a way as to determine the axial position according to the scale factor for the projection of the code wheel (code wheel 'projection).

센서(11B)는 단일 라인 센서(112B) 및 회전 위치 결정을 위한 코드를 보유하는 코드 휠(111B) 및 또한 링들의 프로젝션의 스케일링 및 변위를 평가하여 편심 및 또한 축방향 위치 결정을 위한 2개의 내측 링들을 포함하다. The sensor 11B includes a single line sensor 112B and a code wheel 111B holding a code for rotational positioning and also for evaluating the scaling and displacement of the projections of the rings to produce two inner sides for eccentric and also axial positioning Rings.

회전 위치 및 추가의 선형 변위 또는 경사를 측정할 수 있는 다양한 다른 센서 디자인들이 있다. 예를 들어 유럽 특허 출원 번호 제 10157931.6 호는 하나의 단일 장치에 의한 다중 자유도의 측정에 관한 것이다. 이들 오프-센터 감지 원리들(off-centre sensing principles) 외에, 샤프트의 평면 단부까지 직접 측정하고 또한 본 발명에 따라 사용될 수 있는, DE 197 50 474, EP 1 890 113 또는 DE 39 24 460에서와 같이, 알려진 중심 감지 인코더들이 또한 있다.There are various other sensor designs that can measure rotational position and additional linear displacement or tilt. For example, European Patent Application No. 10157931.6 relates to the measurement of multiple degrees of freedom by a single device. In addition to these off-center sensing principles, as in DE 197 50 474, EP 1 890 113 or DE 39 24 460, which can be measured directly to the plane end of the shaft and also used according to the invention There are also known central sense encoders.

적어도 2개의 자유도를 결정하기 위한 하나의 단일 센서는 코드 캐리어(111A, 111B) 및 센서 배열(112A, 112B)을 포함하고, 코드 캐리어 및 센서 배열은 샤프트의 축선을 중심으로 제 1 자유도로서 서로에 대해 회전 가능하다. 감지는, 센서 배열(112A, 112B)에 대한 코드 캐리어(11A, 111B)의 3차원 변위에 의존한, 센서 배열(112A, 112B) 위로의 코드 프로젝션의 발생 및 코드 프로젝션의 적어도 일부의 검출을 포함한다. 코드 프로젝션으로부터, 코드 캐리어(111A, 11B)의 각도 위치가 샤프트의 축선에 기초하여 결정된다.One single sensor for determining at least two degrees of freedom comprises code carriers 111A and 111B and sensor arrays 112A and 112B wherein the code carriers and sensor arrays are coupled to each other as a first degree of freedom about the axis of the shaft . The sensing includes detecting the occurrence of a code projection over the sensor arrays 112A, 112B and at least a portion of the code projection, depending on the three-dimensional displacement of the code carriers 11A, 111B relative to the sensor arrays 112A, 112B do. From the code projection, the angular position of the code carriers 111A, 11B is determined based on the axis of the shaft.

또한, 센서 배열(112A, 112B)에 대한 코드 캐리어(111A, 111B)의 적어도 하나의 추가 자유도에 대한 변위값이 코드 프로젝션에 기초하여 결정되고, 특히 여기서, 코드 캐리어에 대한 센서 배열의 축방향 변위 및/또는 코드 캐리어에 대한 센서 배열의 편심이 결정된다.Also, a displacement value for at least one additional degree of freedom of the code carriers 111A, 111B for the sensor arrays 112A, 112B is determined based on the code projection, and in particular here the axial displacement of the sensor array relative to the code carrier And / or the eccentricity of the sensor array relative to the code carrier.

도 3b는 적어도 하나의 대응하는 샤프트(2A, 2B, 2C)를 가지며 서로 기계적 상호작용하는, 다수의 스테이지들(45A, 45B, 45C)을 포함하는 기어박스(1)를 모니터링하는 방법의 블록도를 나타낸다. 스테이지들(45A, 45B, 46C)에는 상이한 유형들일 수 있는 센서 수단이 장비된다. 가능한 예들로서, 각도 트랜스듀서들(40A 및 40B), 축방향 시프트 센서(41A), 편심 센서(42B) 및 결합된 각도, 축방향 및 편심 센서(43C)가 설명된다. 기어박스(1)를 모니터링하기 위한 계산 유닛(4)은 기어박스(1)의 특정 구성요소, 스테이지 또는 서브세트에 전용되는 단일 정보 또는 정보를 포함할 수 있는 센서 데이터로부터 상태 신호(47)를 결정하고 있다.3B is a block diagram of a method of monitoring a gearbox 1 comprising a plurality of stages 45A, 45B, 45C with at least one corresponding shaft 2A, 2B, . The stages 45A, 45B and 46C are equipped with sensor means which may be of different types. As possible examples, the angular transducers 40A and 40B, the axial shift sensor 41A, the eccentric sensor 42B and the combined angle, axial and eccentric sensor 43C are described. The calculation unit 4 for monitoring the gearbox 1 receives a status signal 47 from the sensor data, which may contain single information or information dedicated to a particular component, stage or subset of the gearbox 1 .

위에서 언급한 것과 같이, 음향/진동 분석은 고주파수 범위들을 상당히 잘 커버할 수 있고, 그것에 의해 양 마모 모니터링 원리들의 조합이 넓은 스펙트럼 범위를 커버하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 만약 저속 및 고속 회전들이 존재한다면, 위치 및 소리 모니터링의 조합이 유리할 수 있다. 예를 들어, 윈드밀 또는 수차 기어박스를 위한 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 약 10 RPM으로 느리게 회전하는 입력 스테이지는 각도 감지(45A, 45B,45C)에 의해 모니터링될 수 있고, 한편 약 2000 RPM으로 빠르게 회전하는 출력 스테이지는 위치 감지에 대한 추가 또는 대안으로서 음향 및/또는 진동 모니터링(48)에 의해 커버될 수 있다. 본 발명에 따르면, 또한 저주파수 마모 영향들이 모니터링될 수 있는 데, 이것은 음향 분석에 의해서는 잘 커버할 수 없고, 또는 전체 윈드밀 타워의 요동 등과 같은, 외부 잡음 및 진동원들에 의해 종종 중첩된다. As mentioned above, the acoustic / vibration analysis can cover the high frequency ranges fairly well, thereby allowing a combination of both wear monitoring principles to be used to cover a wide spectral range. In particular, if low speed and high speed rotations are present, a combination of position and sound monitoring may be advantageous. For example, in an embodiment in accordance with the present invention for a windmill or aberration gearbox, an input stage that rotates slowly to about 10 RPM may be monitored by angle sensing 45A, 45B, 45C, May be covered by acoustic and / or vibration monitoring 48 as an additional or alternative to position sensing. According to the present invention, also low frequency wear effects can be monitored, which can not be covered well by acoustic analysis, or are often overlapped by external noise and vibration sources, such as oscillating the entire Windmill Tower.

도 4는 웜 기어의 특수 실시예를 도시하고, 여기서 샤프트(2A)는 톱니 시스템(3A)의 디자인으로 인해 특히 축방향으로 로딩된다. Fig. 4 shows a special embodiment of a worm gear, in which the shaft 2A is loaded in particular in the axial direction due to the design of the tooth system 3A.

입력 샤프트(2A) 상의 센서(7A) 및 대응하는 코드-섹션(8A)은 샤프트(8A) 상에 코드로 구현된다. 코드(8A)는 예를 들어 샤프트 상에 (레이저) 인그레이브(engraved), 에칭, 인쇄, 접착될 수 있고, 판독헤드(7A)는 각도 위치를 결정하기 위해 코드(8A)의 적어도 일부를 감지하기 위해 위치된다. 샤프트와 센서 사이의 거리를 감지함으로써, 또한 편심이 예를 들어 광학적으로 또는 용량성으로 결정될 수 있다. 코드(8A) 및 판독헤드(7A)는 - 정보가 또한 평가되는 - 축방향에서의 위치를 더 결정할 수 있고, 기어링 뿐만 아니라 축방향 하중을 견뎌야 하는 베어링들의 마모를 결정할 수 있다. 샤프트가 코드(9A)를 적용하기 위해서는 단지 정지되어야 하기 때문에, 이와 같은 시스템이 또한 신속한 리트로피팅(retrofitting)을 위해 사용될 수 있다.The sensor 7A on the input shaft 2A and the corresponding code-section 8A are implemented as codes on the shaft 8A. The code 8A may be engraved, etched, printed, glued, for example on a shaft (laser), and the read head 7A may sense at least a portion of the code 8A Lt; / RTI > By sensing the distance between the shaft and the sensor, the eccentricity can also be determined, for example, optically or capacitively. The code 8A and the read head 7A can further determine the position in the axial direction in which the information is also to be assessed and determine the wear of the bearings which must withstand the axial load as well as the gearing. Such a system can also be used for rapid retrofitting since the shaft must only be stopped to apply the cord 9A.

이 실시예에 있어서, 제 2 센서(11B)는 톱니바퀴(3B)의 이빨을 직접 감지하는 투스 센서(tooth sensor)로서 구성된다. 예를 들어, 이것은 센서와 이빨 사이의 거리 평가에 의해 용량성으로 또는 자기적으로(magnetically) 행해질 수 있다. 회전하는 톱니바퀴는 예를 들어 편심으로 인해 1회전의 주기성을 가질 수 있는 이빨 및 각도 위치 및 오프셋을 표현하는 교류 부분(alternating part)을 갖는 신호를 생성할 것이다. 명백히, 위에서 언급한 센서 원리들은 웜 기어들에 제한되지 않고 다른 기어박스 유형들에도 적용될 수 있다. In this embodiment, the second sensor 11B is configured as a tooth sensor that directly senses the teeth of the toothed wheel 3B. For example, this can be done capacitively or magnetically by estimating the distance between the sensor and the teeth. The rotating cogwheel will produce a signal having an alternating part representing, for example, teeth and angular position and offset that may have a periodicity of one revolution due to eccentricity. Obviously, the above-mentioned sensor principles are not limited to worm gears but can be applied to other gearbox types as well.

도 5는 유성 기어단의 실시예를 도시한다. 일 실시예에 있어서, 유성 기어들은 유성 휠들(3C, 3D, 3E)이 부착되는 회전하는 외측 링(3A) 및 정지 유성 캐리어 (standstill planet carrier; 50)를 가진다. 다른 실시예는 고정 외측 링(3A) 및 회전하는 유성 캐리어(50)에 의해 실현된다. 센서들의 배치들은 적절히 변하는 데, 그 이유는, 비록 회전적으로 또는 무선 수단에 의해 접속되는 회전하는 센서들은 달리 사용될 수 있지만, 전기 접속 및 판독을 용이하게 하기 위해 비회전 구성요소들 상에 센서들을 배열하는 것이 바람직하기 때문이다. 5 shows an embodiment of a planetary gear stage. In one embodiment, the planet gears have a rotating outer ring 3A and a standstill planet carrier 50 to which the planetary wheels 3C, 3D, 3E are attached. Another embodiment is realized by the fixed outer ring 3A and the rotating planetary carrier 50. The arrangement of the sensors varies accordingly, because rotating sensors connected rotatably or by radio means can be used differently, but the arrangement of sensors on non-rotating components .

나타낸 예에 있어서, 유성 캐리어(50)는 정적이고(static), 그러므로 유성 휠들(3C, 3D, 3E)은 3개의 센서들(11C, 11D, 11E)에 의해 감지될 수 있다. 또한, 입력- 및 출력-샤프트들 또는 휠들(3A 및 3B)은 센서들(11A 및 11B)에 의해 감지될 수 있다. 그러므로, 비록 유성 기어들은 음향 수단에 의해 모니터링하는 것은 어려운 것으로 알려져 있지만, 전체 기어가 모니터링될 수 있다.In the illustrated example, the planet carrier 50 is static and therefore the planetary wheels 3C, 3D, 3E can be sensed by the three sensors 11C, 11D, and 11E. In addition, the input-and-output-shafts or wheels 3A and 3B may be sensed by sensors 11A and 11B. Therefore, although the planet gears are known to be difficult to monitor by acoustic means, the entire gear can be monitored.

유성 캐리어가 회전하고 있을 때, 유성 휠들의 감지는 회전 가능한 전기 접속 또는 몇몇 무선 수단을 필요로 할 수 있지만, 적어도 전체 캐리어의 회전이 감지될 수 있고, 이것은 만약 유성 휠이 손상되면 편심으로부터 고통받을 것이다.When the planet carrier is rotating, the sensing of the planet wheels may require a rotatable electrical connection or some radio means, but at least the rotation of the entire carrier can be sensed, which can cause the planetary carrier to suffer from eccentricity will be.

도 6은 로우터(20), 기어박스(1) 및 발전기(21)를 갖는 풍력 발전소의 기계적 전달 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 기어박스(1)는 다수의, 특히 3개의 스테이지들을 포함하고, 그것의 제 1 스테이지는 유성 스테이지(22)이고 나머지들은 헬리컬 컷 톱니바퀴 스테이지들(23, 24)을 포함하다. 본 발명에 따르면, 축선의 샤프트들에는 센서들(11A 내지 11G)이 장비되고, 센서들 중 적어도 하나는, 바람직하게는 모두는 회전 및 적어도 하나의 추가 자유도, 특히 축방향 및/또는 편심 시프트를 감지할 수 있다.6 shows another embodiment of a mechanical transmission system of a wind power plant having a rotor 20, a gear box 1 and a generator 21. [ The gearbox 1 comprises a number of, in particular three stages, the first stage of which is an oil-based stage 22 and the remainder comprises helical-cut gear wheel stages 23, 24. According to the invention, the shafts of the axis are equipped with sensors 11A to 11G, and at least one of the sensors is preferably all rotatable and at least one additional degree of freedom, in particular an axial and / Can be detected.

도 7은 기어박스(1)에 접속되는 로우터(20)를 각각 가지는 복수의 윈드밀들(99)을 갖는 풍력 발전소 지역의 개략도를 나타낸다. 기어박스(1)의 다른 단부 상에는, 전기 발전기(21)가 있다. 모든 이들 부분들은 타워(101) 상의 나셀(100)의 내부에 있다. 기어박스(1)에는 기어박스 및 수명 관리의 마모를 모니터링하기 위해 본 발명에 따른 모니터링 장치(4)가 장비된다.7 shows a schematic view of a wind power plant area having a plurality of wind mills 99 each having a rotor 20 connected to a gear box 1. On the other end of the gear box 1, there is an electric generator 21. All these parts are inside the nacelle 100 on the tower 101. The gear box 1 is equipped with a monitoring device 4 according to the invention for monitoring wear of gearboxes and life management.

모니터링 장치(4)는 각각의 윈드밀(99)의 정밀한 모니터링 또는 마모 조건을 허용한다. 얻어진 센서에 의해, 전체 윈드밀(99)의 건전성(health)이 결정될 수 있을뿐만 아니라, 특히 중요한 구성요소 레벨로까지의 진단이 행해질 수 있다. 본 발명의 이익들 중 하나의 예는 기어박스를 열기전에조차 필요한 예비 부품들을 앎으로써, 필요한 부품들이 유지보수에 앞서 얻어질 수 있다. 또한, 고장 경향과 같은 통계적 분석이 매우 정밀한 레벨로 행해질 수 있다.The monitoring device 4 allows precise monitoring or wear conditions of each windmill 99. Not only the health of the entire wind mill 99 can be determined, but also the diagnosis can be performed up to a particularly important component level by the obtained sensor. One example of an advantage of the present invention is that by knowing the spare parts that are needed even before opening the gearbox, the necessary parts can be obtained prior to maintenance. In addition, statistical analysis such as a failure trend can be made at a very precise level.

정비 계획이 이들 센서에 기초하여 계획될 수 있을 뿐만 아니라, 풍력발전단지에서 윈드밀들 사이의 추가 부하 분배들의 계획이 다수의 윈드밀들 사이의 서비스 기간들의 균등화(equalization)를 달성하기 위해 계획될 수 있어, 동일한 타임프레임에서 현재의 요구시(present demand) 무작위가 아니게 다수의 윈드밀들을 유지하는 것을 허용한다. Not only can a maintenance plan be planned based on these sensors, but also a plan of additional load distributions between windmills in a wind farm can be planned to achieve equalization of service periods between multiple windmills , Allowing multiple windmills to remain at random on the current demand in the same time frame.

절반이 마모된 기어박스에 대한 부하 감소는 그것의 수명을 어떤 범위까지 연장할 수 있기 때문에, 정비는 원하는 타임프레임으로, 예컨대 기상 예보에 따른 바람이 없는 계절(calm season)로 스케쥴링될 수 있지만, (비록 약간 감소된 효율로) 여전히 에너지를 생성한다.Since the reduction in load on half-worn gearboxes can extend its life span to some extent, maintenance can be scheduled in a desired time frame, for example in a calm season according to a weather forecast, (Although with slightly reduced efficiency) still produce energy.

Claims (15)

발전소(99)에 있는 기어박스(1)의 마모를 모니터링하는 방법으로서, 상기 기어박스는 적어도 다음과 같은 구성요소들:
· 적어도 제 1 샤프트(2A),
· 적어도 제 2 샤프트(2B),
· 톱니바퀴들(3A, 3B) 및
· 베어링들(10)을 포함하고,
상기 방법은
· 제 1 회전 샤프트 인코더에 의해 상기 제 1 샤프트(2A)의 제 1 각도 위치(40A)를 감지하는 단계,
· 제 2 회전 샤프트 인코더에 의해 상기 제 2 샤프트(2B)의 제 2 각도 위치(40B)를 감지하는 단계,
· 상기 제 1 샤프트(2A) 및 제 2 샤프트(2B)의 감지된 상기 각도 위치들의 차이들에 따라 상기 기어박스(1)의 상기 마모를 모니터링하는 단계, 및
· 모니터링된 상기 차이들에 따라 상기 기어박스(1)의 상기 마모를 나타내는 상태-신호(condition-signal; 47)를 발생하는 단계를 포함하는, 기어박스(1)의 마모를 모니터링하는 방법에 있어서,
적어도 하나의 추가의 자유도(41A, 42B, 43C)로 상기 제 1 샤프트(2A) 또는 상기 제 2 샤프트(2B)의 변위의 추가의 감지를 포함하고,
상기 추가의 자유도에서의 상기 변위는 마모의 표시로서 상기 모니터링 및 상기 상태-신호의 발생에 포함되는 것을 특징으로 하는, 기어박스(1)의 마모를 모니터링하는 방법.
A method of monitoring wear of a gearbox (1) in a power plant (99), said gearbox comprising at least the following components:
At least the first shaft 2A,
At least the second shaft 2B,
Gears (3A, 3B) and
- Bearings (10)
The method
- sensing a first angular position (40A) of said first shaft (2A) by means of a first rotary shaft encoder,
Sensing a second angular position (40B) of the second shaft (2B) by a second rotary shaft encoder,
- monitoring said wear of said gear box (1) according to differences of said sensed angular positions of said first shaft (2A) and second shaft (2B), and
- generating a condition-signal (47) indicative of said wear of said gearbox (1) in accordance with said monitored differences, characterized in that it comprises the steps of: ,
Includes the additional detection of displacement of the first shaft (2A) or the second shaft (2B) with at least one additional degree of freedom (41A, 42B, 43C)
Characterized in that said displacement in said further degrees of freedom is included in the generation of said monitoring and said state-signal as an indication of wear.
제 1 항에 있어서,
상기 샤프트들 중 하나에서의 상기 각도 위치 및 상기 변위의 상기 감지는 적어도 2개의 자유도로 감지하는 하나의 단일 수단에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는, 기어박스(1)의 마모를 모니터링하는 방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that said sensing of said angular position and said displacement in one of said shafts is carried out by one single means of sensing at least two degrees of freedom.
제 2 항에 있어서,
상기 하나의 단일 수단은,
코드 캐리어(111A, 11B) 및 센서 배열(112A, 112B)을 포함하고, 코드 캐리어 및 센서 배열은 제 1 자유도로서 서로에 대해 회전 가능하고,
상기 감지하는 단계는,
· 상기 센서 배열(112A, 112B) 위에, 상기 센서 배열(112A, 112B)에 대한 상기 코드 캐리어(11A, 111B)의 3차원 변위에 의존하여 상기 코드 프로젝션을 발생시키고 코드 프로젝션(code projection)의 적어도 일부를 검출하는 단계,
· 상기 코드 프로젝션으로부터 상기 코드 캐리어(111A, 11B)의 상기 각도 위치를 결정하는 단계,
· 상기 코드 프로젝션에 기초하여 상기 센서 배열(112A, 112B)에 대한 상기 코드 캐리어(111A, 111B)의 상기 적어도 하나의 추가의 자유도에 대한 변위값을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기어박스(1)의 마모를 모니터링하는 방법.
3. The method of claim 2,
Said one single means comprising:
A code carrier and a sensor array are rotatable relative to each other as a first degree of freedom,
Wherein the sensing comprises:
On said sensor arrangement (112A, 112B), said code projection is generated on the basis of the three-dimensional displacement of said code carrier (11A, 111B) relative to said sensor arrangement (112A, 112B) Detecting a portion,
- determining said angular position of said code carrier (111A, 11B) from said code projection,
- determining a displacement value for said at least one further degree of freedom of said code carrier (111A, 111B) for said sensor arrangement (112A, 112B) based on said code projection A method of monitoring wear of a box (1).
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 샤프트(2A), 상기 제 2 샤프트(2B) 및 중간 샤프트(2C) 각각 위의 상이한 축방향 위치들에서의 적어도 2개의 각도 위치들이 감지되고 상기 각각의 샤프트들(2A, 2B, 2C)의 트위스트(twist)가 결정되는 것을 특징으로 하는, 기어박스(1)의 마모를 모니터링하는 방법.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
At least two angular positions at different axial positions on each of the first shaft 2A, the second shaft 2B and the intermediate shaft 2C are sensed and the respective shafts 2A, 2B, 2C Characterized in that a twist of the gear box (1) is determined.
제 4 항에 있어서,
상기 기어박스(1)의 효율 또는 손실들은 상기 감지된 위치들 또는 변위들 및 상기 결정된 토크 부하에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는, 기어박스(1)의 마모를 모니터링하는 방법.
5. The method of claim 4,
Characterized in that the efficiency or losses of the gearbox (1) are determined according to the sensed positions or displacements and the determined torque load.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
샤프트들(2A, 2B, 2C)의 감지된 축방향 또는 편심 변위에 따라, 상기 베어링들(10)의 상기 상태가 모니터링되는 것을 특징으로 하는, 기어박스(1)의 마모를 모니터링하는 방법.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Characterized in that said condition of said bearings (10) is monitored in accordance with the sensed axial or eccentric displacement of the shafts (2A, 2B, 2C).
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기어박스(1) 내에 있는 샤프트들(2A, 2B, 2C) 각각은 적어도 2개의 자유도로 이들의 실제 위치 또는 배향에 대해 감지되는 것을 특징으로 하는, 기어박스(1)의 마모를 모니터링하는 방법.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Characterized in that each of the shafts (2A, 2B, 2C) in the gear box (1) is sensed for their actual position or orientation in at least two degrees of freedom .
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기어박스의 추가의 음향/진동 모니터링을 포함하는 것을 특징으로 하는, 기어박스(1)의 마모를 모니터링하는 방법.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Characterized in that it comprises additional acoustic / vibration monitoring of the gearbox (1).
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상태-신호(47)에 따른 상기 기어박스(1)의 수명의 관리를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기어박스(1)의 마모를 모니터링하는 방법.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
(47) of the gearbox (1), characterized in that it comprises the management of the life of the gearbox (1) according to the state-signal (47).
발전소들을 위한 기어박스 모니터링 장치로서,
· 제 1-샤프트(2A)를 위한 각도 샤프트 인코더
· 제 2-샤프트(2B)를 위한 각도 샤프트 인코더 및
· 상기 각도 샤프트 인코더들의 신호들에 따라 상기 기어박스(1)의 마모-상태를 모니터링하기 위한 계산 유닛(4)을 포함하는, 기어박스 모니터링 장치에 있어서,
적어도 하나의 병진 자유도(translational degree of freedom)로 상기 기어박스(1)의 샤프트의 변위들을 결정하기 위한 적어도 하나의 변위 센서를 포함하고, 상기 계산 유닛은 상기 각도 샤프트 인코더들의 상기 신호들 및 상기 적어도 하나의 변위 센서로부터의 적어도 하나의 신호에 따라 상기 기어박스(1)의 상기 마모를 결정하는 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 기어박스 모니터링 장치.
As a gearbox monitoring device for power plants,
· Angular shaft encoder for first-shaft (2A)
An angle shaft encoder for the second-shaft 2B and
- a gearbox monitoring device comprising a calculation unit (4) for monitoring the wear-state of the gearbox (1) in accordance with the signals of the angle shaft encoders,
And at least one displacement sensor for determining displacements of the shaft of the gearbox (1) in at least one translational degree of freedom, the calculation unit comprising: Is configured in such a way as to determine the wear of the gearbox (1) in accordance with at least one signal from at least one displacement sensor.
제 10 항에 있어서,
상기 각도 샤프트 인코더 및 상기 변위 센서는 적어도 2개의 자유도를 감지하는 방식으로 구성되는 단일 센서로서 구현되는 것을 특징으로 하는, 기어박스 모니터링 장치.
11. The method of claim 10,
Wherein the angular shaft encoder and the displacement sensor are implemented as a single sensor configured in a manner that senses at least two degrees of freedom.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 또는 제 2 샤프트는 추가의 각도 샤프트 인코더를 가지며 상기 샤프트의 트위트는 상기 각도 샤프트 인코더들의 상대 각도 위치에서의 차이에 따라 상기 계산 유닛(4)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 기어박스 모니터링 장치.
The method according to claim 10 or 11,
Characterized in that the first or second shaft has an additional angle shaft encoder and the tweight of the shaft is determined by the calculation unit (4) according to the difference in the relative angular position of the angle shaft encoders Monitoring device.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 기어박스(1)의 중간-스테이지-샤프트(2C)에는 센서가 장비되는 것을 특징으로 하는, 기어박스 모니터링 장치.
The method according to claim 10 or 11,
Characterized in that a sensor is equipped on the intermediate-stage-shaft (2C) of the gear box (1).
마모 모니터링 기어박스 시스템에 있어서,
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 상기 방법의 실행에 사용되는, 기어박스(1) 및 제 10 항 또는 제 11 항에 따른 기어박스 모니터링 장치를 포함하는, 마모 모니터링 기어박스 시스템.
In a wear monitoring gearbox system,
A wear monitoring gearbox system comprising a gearbox (1) and a gearbox monitoring device according to claims 10 or 11, for use in the practice of the method according to any one of claims 1 to 3.
프로그램 코드가 저장된 기계 판독 가능 매체에 있어서, 상기 프로그램 코드는, 상기 프로그램 코드가 제 10 항 또는 제 11 항에 따른 기어박스 모니터링 장치의 계산 유닛상에서 실행되면, 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 기어박스의 마모를 모니터링하는 방법을 자동으로 실행 및 동작시키도록 구성되는, 기계 판독 가능 매체. 13. A machine-readable medium having stored thereon a program code, the program code being programmed to cause the computer to perform any of the steps of any one of claims 1 to 3 when the program code is executed on a calculation unit of a gearbox monitoring apparatus according to claim 10 or 11. To automatically execute and operate a method of monitoring the wear of a gearbox according to claim < RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI >
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6175793B1 (en) 1996-08-07 2001-01-16 Trw Lucas Varity Electric Steering Ltd. Gearboxes
WO2004034010A1 (en) 2002-10-10 2004-04-22 M & R Automation Gmbh Method and device for recording and evaluating measuring data of a gear monitoring device

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