TW201329427A - 用於齒輪箱之狀態監視的方法及系統 - Google Patents

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TW201329427A
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Joonas Kiviniemi
Jukka Elfstrom
Markus Pylvanen
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Moventas Gears Oy
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Abstract

以齒輪箱之狀態監視為目的之系統包含處理設備(101)，其配置以接收含有測量自一被監視之齒輪箱(107)之一機械振動頻譜資訊之資料。該處理設備係配置以自該機械振動頻譜中搜尋至少二個尖峰信號，該至少二個尖峰信號所在之頻率係相對應於一諸如例如一軸承故障之現象。該現象係由至少二個特定現象頻率及與該等特定現象頻率相關之振幅參考值所定義。該處理設備係配置成根據該等被搜尋尖峰信號之振幅和該等振幅參考值，形成該現象發生可能性之一指標。根據與該現象相關二個或二個以上的尖峰信號振幅形成之該指標之事實而改善該指標之可靠性。

Description

用於齒輪箱之狀態監視的方法及系統 [相關申請案之交叉引用]
本發明係關於齒輪箱之狀態監視。更精確而言，本發明係關於一種以齒輪箱之狀態監視為目的之系統、方法和電腦程式。
用於齒輪診斷之許多技術係根據測量自一齒輪箱之機械振動之分析。目標是在發展的早期階段偵測出可能的故障和監視故障的進展，為要評估齒輪箱的殘餘壽命且/或選擇一適當的維修計畫。監視通常是根據將表示測量自齒輪箱之機械振動之訊號轉換至頻域，接著自機械振動結果頻譜中搜尋故障指標。例如，德國公開專利DE19933105揭示一方法，其中當一測量頻譜偏離一參考頻譜時，將提供一瑕疵齒輪之指標。被監視之齒輪箱可以是，例如但未必是，一風力發電站之齒輪箱。
監視管理通常包含貼附於被監視齒輪箱上之振動感測器、由振動感測器連接至中央監視站之資料傳輸連接，以及位於監視站中，用以處理測量資料及用以顯示機械振動頻譜給已受訓分析頻譜之操作員之處理顯示設備。監視管理可涵蓋數百或甚至千個被監視齒輪箱，且例如每天自每個齒輪箱可被測量出20個頻譜。這意謂著每天甚至有20,000個測量頻譜將被分析。因此，明顯有需要適合於自動分析且/或測量結果之事先修剪之方法 和系統，以便減少所需的人力。
以下提出一簡化摘要以提供各種不同發明實施例若干觀點之基本瞭解。摘要並非本發明的詳盡概觀。摘要並非意圖確認本發明之關鍵或重要組件，也非描繪本發明之範圍。以下摘要僅以簡化之形式提出本發明若干觀點，作為本發明範例實施例之更詳細敍述之前奏。
根據本發明之第一觀點，提供一種以齒輪箱之狀態監視為目的之新系統。根據本發明之系統包含處理設備，該處理設備係配置以：- 接收含有測量自至少一個齒輪箱之至少一個機械振動頻譜資訊之資料，- 自該機械振動頻譜中，搜尋至少二個尖峰信號，該尖峰信號所在之頻率係相對應於一由至少二個特定現象頻率及與該等特定現象頻率相關之振幅參考值所定義之現象，以及- 根據a)該等被搜尋尖峰信號之振幅和b)與該等特定現象頻率相關之振幅參考值，形成該現象發生可能性之一指標。
許多諸如例如一齒輪齒發生故障之現象係藉由在測量自一齒輪箱之機械振動頻譜中超過一個尖峰信號所表明出來。例如在頻譜中，可以有一個主要尖峰信號和一個或多個較小的副尖峰信號。在以上揭示的系統中，每個現象係由二個或二個以上可用理論及/或實驗加以決定之特定現象頻率所定義。此外，例如關於軸承故障， 特定現象頻率可由軸承供應商提供。與一確定現象相關之指標係根據與所考慮現象相關之二個或二個以上尖峰信號振幅而形成的事實係改善該指標之可靠性。當然也可能除了一個或一個以上之現象且每一該等現象係由二個或二個以上特定現象頻率所定義之外，也有一個或一個以上之現象且每一該等現象係僅由一個特定現象頻率所定義。每一被監視齒輪箱可以是一整合於另一裝置內之齒輪箱，例如發電機或馬達，也可以是獨立的齒輪箱。
根據本發明之第二觀點，提供一種用於齒輪箱之狀態監視之新方法。根據本發明之方法包含：- 接收含有測量自至少一個齒輪箱之至少一個機械振動頻譜資訊之資料，- 自該機械振動頻譜中，搜尋至少二個尖峰信號，該等尖峰信號所在之頻率係相對應於一由至少二個特定現象頻率及與這些特定現象頻率相關之振幅參考值所定義之現象，以及- 根據a)該等被搜尋尖峰信號之振幅和b)與該等特定現象頻率相關之該等振幅參考值，形成該現象發生可能性之一指標。
根據本發明之第三觀點，提供一種用於齒輪箱之狀態監視之新電腦程式。該電腦程式包含用以控制一可程式處理器之電腦可執行指令以：- 接收含有測量自至少一個齒輪箱之至少一個機械振動頻譜資訊之資料，- 自該機械振動頻譜中，搜尋至少二個尖峰信號，該 等尖峰信號所在之頻率係相對應於一由至少二個特定現象頻率及與這些特定現象頻率相關之振幅參考值所定義之現象，以及- 根據a)該等被搜尋尖峰信號之振幅和b)與該等特定現象頻率相關之該等振幅參考值，形成該現象發生可能性之一指標。
根據本發明之一電腦程式產品包含一非揮發性電腦可讀取媒體，例如光碟片(“CD”)，係根據本發明之電腦程式而編碼。
本發明之若干範例實施例係敍述於隨屬之依附申請專利範圍。
同時作為結構和操作方法之本發明各種不同範例實施例，連同附加之目的及其優點，當與附圖一起閱讀以下特定範例實施例之敍述時，將得到最佳的理解。
使用於本文中之動詞”包含”一詞係作為一開放性限制，即不排除也不要求未引用特徵存在。引用於附屬申請專利請求項中之特徵係可相互自由結合，除非另有明確說明。
第1圖係圖示根據用於齒輪箱狀態監視之本發明之一實施例之齒輪箱107及系統。連接於該齒輪箱之輸入軸及輸出軸之機械裝置並沒有顯示在第1圖。例如但未必是，該齒輪箱可以是風力發電站之齒輪箱，其中齒輪箱係座落在風力渦輪機和發電機之間。齒輪箱設置有振動感測器104、105及106，用以測量來自齒輪箱不同測 量點之機械振動。每一振動感測器可包含在三個相互正交方向測量振動之裝置，或者也可以是，在某些或所有的測量點對不同方向分開設置振動感測器。用於齒輪箱狀態監視之系統包含處理設備101，該處理設備101係配置以接收含有測量自齒輪箱之至少一個機械振動頻譜資訊之資料。藉振動感測器104-106所產生的原始訊號係表示機械振動之時域訊號。處理設備101係具優勢地配置以將該時域訊號轉換至頻域，以便獲得被測量機械振動之頻譜。頻域之轉換可使用快速傳利葉轉換(Fast Fourier Transformation,“FFT”)來達成。當然也可能在振動感測器與處理設備之間有分開的轉換引擎。振動感測器104-105也可能組成一體成形的轉換引擎。
處理設備101係配置以自機械振動頻譜搜尋尖峰信號，該尖峰信號所在之頻率係相對應於一由至少二個特定現象頻率及與該等特定現象頻率相關之振幅參考值所定義之現象。該等特定現象頻率和相對應之振幅參考值係表示預先儲存在處理設備本身或預先儲存在外部記憶體裝置102之資料。處理設備101較佳係連接至使用者介面設備103。處理設備101可包含一個或一個以上處理器單元，每一處理器單元可以是一可程式化處理器單元、一諸如特殊應用積體電路”ASIC”之專用硬體處理器單元、一諸如現場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array)”FPGA”之可配置處理器單元，或者以上各項之組合。
上述之尖峰信號可藉由讀取相對應於該等特定現象 頻率之振幅，接著將這些振幅與機械振動之背景位準相比較而自頻譜中搜尋。一尖峰信號，例如在振幅係至少一個預定常數與機械振動背景位準之乘積之情況中，可被決定出來。該背景位準可以利用滑窗平均濾波器、滑窗中值濾波器或使用其他適合的數學方法在頻率間對振幅過濾而形成。該處理設備係配置以根據a)被搜尋尖峰信號之振幅，意即相對應於該等特定現象頻率之振幅和b)與該等特定現象頻率相關之振幅參考值，形成現象發生可能性之一指標。該現象可以是，例如靜態不平衡、動態不平衡、角度對準誤差、徑向對準誤差、軸承之外滾道故障、軸承之內滾道故障、軸承之滾道組件故障、軸承之滾道組件支架故障、機械共振、齒輪齒故障，或鬆配合。
發生可能性之指標，例如可以根據以下方程式計算而得：
在方程式(1)中，C係當被測量機械振動頻譜含有相對應於預先儲存特定現象頻率f1、f2....fN之尖峰信號時，與可能發生現象相關之發生可能性指標。因此，fi係相對應於第i個被搜尋尖峰信號之頻率。A(fi)係第i個被搜尋尖峰信號之振幅且AR(fi)係與第i個特定現象頻率相關之振幅之預先儲存參考值。振幅之預先儲存參考值AR(f1)……AR(fN)係較佳地根據實驗和/或理論資訊而加以選擇，使得當振幅A(f1)……A(fN)中之每一振幅超 過相對應的參考值時，在實務上即可確定該現象正在發生。在此情況下，發生可能性指標C由方程式(1)可得出其值為1。
在根據本發明之一實施例之系統中，處理設備101係配置以接收一功率指標且指示根據該功率指標和預先儲存資料以計算與該等特定現象頻率相關之一個或一個以上振幅參考值，即AR(f1)……AR(fN)，該功率指標係指示由齒輪箱107所傳輸的機械功率，該預先儲存資料係將振幅參考值定義為該功率指標的函數。該功率指標可以，例如是連接至齒輪箱之發電機之電力輸出功率測量值。一振幅參考值係較佳地為該功率指標之遞升函數，使得齒輪箱107所傳輸之機械功率增加時，該參考值也隨著增加。關於機械振動頻譜之許多尖峰信號，當功率增加時一尖峰信號振幅也隨著增加是固有的特性。當齒輪箱係重負載時，某些振幅可能是正常的，但另一方面，若這些振幅發生在空載或輕載的條件時，可能就是故障的強烈指標。
為了提供一範例，我們考慮一範例案例，當一現象係一故障且它係由以下頻率ffault、2×ffault及3×ffault和以下關於這些頻率的振幅參考值，分別是0.35mm/s、0.25mm/s及0.15mm/s所定義。接著我們假設在相對應於頻率ffault和2×ffault之被測量機械振動頻譜中有尖峰信號，使得這些尖峰信號振幅分別為0.4mm/s和0.10mm/s。此外，我們假設沒有相對應頻率3×ffault的尖峰信號發生，意即背景位準沒有超過。將這些數值代入方程式(1)中，我們得到發 生可能性指標C約為0.47。不同的發生可能性指標數值可以根據實驗資料來加以分類。例如，可以依以下方式分類：- 當C<0.6時，沒有故障，- 當0.6C<1時，初期故障，- 當C=1時，故障。
處理設備101較佳地係配置成可同時處理二個或二個以上的現象。於本案例中，處理設備101係配置以自機械振動頻譜搜尋尖峰信號，該尖峰信號所在之二組或二組以上之頻率係相對應二個或二個以上之現象，每一該等現象係由至少二個特定現象頻率及與該等特定現象頻率相關之振幅參考值所定義。處理設備101係配置成，針對該至少二個現象之每一者，根據a)相對應於該現象之被搜尋尖峰信號之振幅、和b)與這些特定現象頻率相關之振幅參考值，形成發生可能性之指標。
在根據本發明之一實施例之系統中，處理設備101係配置藉助於與該機械振動頻譜相關之轉速和與該等特定現象頻率相關之一參考轉速，以安排該等特定現象頻率與該機械振動頻譜彼此互相對應。這在當測量機械振動時，齒輪箱107之轉速不同於相對應於預先儲存特定現象頻率之參考轉速的案例中是必需要的。處理設備101較佳地係配置成一起接收齒輪箱之一測量轉速和有關於機械振動之資訊。處理設備101可進一步配置以根據一已知理論，自該機械振動頻譜搜尋一參考尖峰信號，該參考尖峰信號之頻率係一已知整數或有理數與齒輪箱轉 速之乘積。例如，兩個互相操作齒輪之嚙合頻率(meshing frequency)係一已知有理數乘以轉速。測量轉速之數值可藉助於參考尖峰信號之頻率和該已知整數或有理數而加以微調。
該等特定現象頻率可藉由將該等特定現象頻率之第一子集合乘以轉速和參考轉速之比值，而轉換成對應於該機械振動頻譜。該等特定現象頻率之第一子集合係與轉速成比例之頻率且該等特定現象頻率之其餘部分中之至少部分係不與轉速成比例之機械共振頻率。或者，該機械振動頻譜可藉由將該機械振動頻譜之頻率之一第一子集合乘以該參考轉速與該轉速之比值，而轉換成對應於該等特定現象頻率。該機械振動頻譜頻率之該第一子集合係與該轉速成比例之頻率，且該機械振動頻譜頻率之其餘部分中之至少部分係機械共振頻率。在轉換過程中，應該考慮到當振幅被表示成速度，例如mm/s或表示成加速度，例如mm/s2時，在轉速改變之情況下，振幅也需按比例改變；如果振動被表示成位移，例如mm，則在不同轉速之下，振幅均相同。
在根據本發明之一實施例之系統中，處理設備101係配置以執行下列動作a)-e)，以便自該機械振動頻譜中搜尋尖峰信號：a)選擇一涵蓋與所考慮現象相關之特定現象頻率之頻率寬帶，b)形成一相對應於該機械振動頻譜之部分的時域訊號，該機械振動頻譜係屬於該被選擇頻率寬帶， c)對該時域訊號進行整流，例如，進行平方運算或形成一絕對值，d)將該已整流時域訊號以傳利葉轉換，例如FFT，轉換至頻域中以形成一附屬頻譜，以及e)自該附屬頻譜搜尋至少二個尖峰信號。
上述時域訊號可利用以下方法形成：利用帶通濾波器對時域中之已測量機械振動訊號進行濾波，或是截取機械振動頻譜中對應於已選擇頻率寬帶之部分並以反傳利葉轉換(inverse Fourier transformation)，例如IFFT，將頻譜之此部分轉換回時域。
上述之附屬頻譜係表示一包絡頻譜(envelope spectrum)，從該包絡頻譜中比從原始機械振動頻譜中較容易偵測到代表初期故障的弱尖峰信號。
在根據本發明之一實施例之系統中，處理設備101係配置以執行下列動作a)-f)，以便形成一興趣度值L：a)自機械振動頻譜計算一總體振動位準，其中該總體振動位準可以是，例如由整體頻譜所表示之振動之均方根(“RMS”)值，b)設定該興趣度值L為該總體振動位準，c)自該機械振動頻譜取出若干尖峰信號，就該等尖峰信號沒有對應於關於所考量之現象的任一該等特定現象頻率而言，該等尖峰信號係未知的，d)將一取決於該等未知尖峰信號數目之數值加入該興趣度值L，e)針對每一未知尖峰信號，將一取決於該未知尖峰信 號和背景振動位準之比值之數值加入該興趣度值L，該背景振動位準係散佈在該未知尖峰信號附近之頻域中，其中該背景振動值可藉由滑窗平均濾波器、滑窗中值濾波器或使用一些其他適合的數學方法在頻率間對振幅過濾而形成，以及f)針對每一所考慮現象，將一取決於與該現象相關之發生可能性指標之數值加入該興趣度值L。
該興趣度值L係一可被使用於例如顯示機械振動頻譜是否值得進一步考慮之單一數值。
在根據本發明之一實施例之系統中，處理設備101係配置以比較該興趣度值L和一針對相同齒輪箱於稍早形成之興趣度值Learlier，以便推導出相關於該興趣度值趨勢之資訊。該比較可以藉由以下方法達成：例如計算被比較興趣度值間之差異、計算被比較興趣度值之比值，或者使用一些其他合適的數學方法。相對應於不同時間點之興趣度值也可以表示成顯示螢幕上之一曲線，以便使得操作者能監測興趣度值的進展。
在根據本發明之一實施例之系統中，處理設備101係配置以比較該興趣度值L和一針對另一相同的且在類似條件下操作的齒輪箱而形成之相對應興趣度值Lother，以便推導出有關於在該齒輪箱與另一齒輪箱間之差異的資訊。
為了提供一範例，我們考慮可能發生在如第2a圖所示滾珠軸承中之某些故障。我們假設軸承之外環係靜止的且內環每秒旋轉fR圈。當有一故障發生在軸承之外滾 道211，因該故障所引起之振動之頻率估算可以下列已知方程式計算：
其中n是軸承中滾珠的數目，D如第2a圖所示是位於軸承相對側之兩滾珠中心點之距離，d如第2a圖所示是滾珠之直徑，且α如圖示於第2a圖之A-A橫截面中是滾珠之接觸角。
當有一故障發生在軸承之內滾道212時，因該故障所引起之振動之頻率估算可以下列已知方程式計算：
當有一故障發生在軸承之滾珠210時，因該故障所引起之振動之頻率估算可以下列已知方程式計算：
當有一故障發生在軸承滾珠之支架213時，因該故障所引起之振動之頻率估算可以下列已知方程式計算：
第2b圖顯示當一故障發生於一軸承時機械振動頻譜之示意圖解。顯示於第2b圖之頻率ffault可以是，例如上述頻率fouter、finner、fball或fholder之一。於頻譜中，尖峰信號220表示由軸承故障所造成之基頻振動成份，且尖峰信號221和222分別表示該基頻振動成份之第二及第三諧波。尖峰信號223、224、225和226係該基頻振動成 份之副尖峰信號。副尖峰信號223-226係由基頻振動成份與在頻率fR表示轉速之振動之間的互調(inter-modulation)所造成。此外，該頻譜含有在頻率fR及在其諧波之尖峰信號，以及背景振動227。表示軸承故障之現象可定義成，例如具有尖峰信號220-222，即ffault、2ffault和3ffault之頻率以及具有這些尖峰信號之振幅參考值。在某些情形下，一些副尖峰信號之頻率，即ffault±整數倍的fR以及對應振幅的參考值可被包含在軸承故障之定義中。當軸承故障係根據許多尖峰信號而非僅僅檢視出現在頻率ffault之尖峰信號之存在和振幅而被偵測出時，軸承故障能夠更可靠地被偵測出且/或偵測之可靠性指標可被形成。
為提供另一範例，第2c圖顯示當齒輪齒已被磨損時，一機械振動頻譜之示意圖解。磨損齒導致在齒輪之嚙合頻率fGM之尖峰信號230增大且導致由在嚙合頻率成份與相對應於輸入或輸出齒輪轉速之振動間的互調所造成的副尖峰信號231和232增大。此外，由磨損齒輪所造成的振動可喚起在輸出齒輪和/或齒輪箱其他機械結構之共振振動。在如第2b圖所示之頻譜中，尖峰信號235表示共振振動。尖峰信號235可具有由在該共振振動和相對應於輸入或輸出齒輪轉速之振動間的互調所造成的副尖峰信號236和237。
在根據本發明之一實施例之系統中，處理設備101係配置以將機械振動頻譜之形狀和一預先儲存形狀比較，該預先儲存形狀係表示在機械振動頻譜之測量不可 靠性。頻譜的形狀可與預先儲存形狀以例如下列方式加以比較。機械振動頻譜被表示成一N維向量s，使得s的第i個元素係在第i個頻率點之振幅，其中i=1...N。相應地，預先儲存形狀被表示成一N維向量p，使得p的第i個元素係相對應於在第i個頻率點之預先儲存形狀之振幅。接著，判定參數β使得差向量s-β p之向量範數(vector norm)最小化。向量範數可以是，例如平方範數(square norm)，由基礎數學可知等於[(s-βp)T(s-βp)]。向量範數之最小值可用作為衡量機械振動頻譜之形狀係多靠近預先儲存形狀之指標。應該注意的是以上所提出的數學方法僅係單一範例，有許多其他數學方法可被用於比較機械振動頻譜之形狀和預先儲存形狀。
預先儲存形狀可以如此，例如表示所謂的滑雪坡現象(ski-slope phenomenon)，其通常發生在當一振動感測器發生問題時和/或振動感測器受到強烈機械振動以致無法產生可靠的測量結果。滑雪坡現象的特徵是在低頻時振幅強烈，且在低頻時振幅隨著頻率增加而激烈地減小並在高頻時和緩地減小。第2d圖係圖示當滑雪坡現象發生時，頻譜之形狀。
第3圖係圖示具有根據用於風力發電場齒輪箱狀態監視之本發明之一實施例之系統之風力發電場300。齒輪箱係座落於風力發電場之風力發電站之機艙340、341、342、343和344內。齒輪箱設有用以測量齒輪箱之機械振動之振動感測器。用於齒輪箱狀態監視之系統 包含配置以接收含有測量自齒輪箱之機械振動頻譜資訊之資料之處理設備301。處理設備301係配置以自每一機械振動頻譜，搜尋尖峰信號，該尖峰信號所在之頻率係相對所考慮之現象。每一現象係由至少二個特定現象頻率及與這些特定現象頻率相關之振幅參考值所定義。處理設備301係配置以針對每一所考慮現象，根據a)與該現象相關之被搜尋尖峰信號之振幅和b)該等振幅之參考值，形成發生可能性之一指標。
風力發電場300之所有齒輪箱未必彼此互相類似。在根據本發明之一實施例之系統中，處理設備301係配置以自含有與若干齒輪箱型式相關資料之一現象資料庫中，選擇出與所考慮齒輪箱相關之該資料之一子集合。該資料之被選擇之子集合含有特定現象頻率及與所考慮齒輪箱之特定現象頻率相關之振幅參考值。該現象資料庫可被儲存於一外部記憶體裝置302，或者處理設備本身可包含足夠的記憶體以儲存該現象資料庫。
在根據本發明之一實施例之系統中，處理設備301係配置以比較發生可能性指標和稍早形成且針對類似條件下操作的相同齒輪箱之相對應發生可能性指標，以便推導出有關於與發生可能性指標相關之該現象趨勢之資訊。該趨勢資訊可用來偵測在發展早期階段可能故障之出現。
在根據本發明之一實施例之系統中，處理設備301係配置以比較發生可能性指標和針對另一相同的且在類似條件下操作的齒輪箱而形成之相對應發生可能性指 標，以便推導出有關齒輪箱與另一齒輪箱間之差異之資訊。該差異資訊可用來偵測在發展早期階段可能故障之出現。
第4圖係顯示根據用於齒輪箱狀態監視之本發明之一實施例之方法流程圖。該方法包含：- 動作401：接收含有測量自至少一個齒輪箱之至少一個機械振動頻譜資訊之資料，- 動作402：自該機械振動頻譜中，搜尋至少二個尖峰信號，該等尖峰信號所在之頻率係相對應於一由至少二個特定現象頻率及與這些特定現象頻率相關之振幅參考值所定義之現象，以及- 動作403：根據a)該等被搜尋尖峰信號之振幅和b)與該等特定現象頻率相關之該等振幅參考值，形成該現象發生可能性之一指標。
根據本發明之一實施例之方法包含：- 自該機械振動頻譜中，搜尋尖峰信號，該等尖峰信號所在之至少二組頻率係相對應於二個或二個以上現象，每一該等現象係由至少二個特定現象頻率及與該等特定現象頻率相關之振幅參考值所定義；以及- 針對該至少二個現象之每一者，根據a)相對應於該現象之該等被搜尋尖峰信號之振幅和b)與這些特定現象頻率相關之該等振幅參考值，形成發生可能性之指標。
所考慮的每一現象可以是，例如靜態不平衡、動態 不平衡、角度對準誤差、徑向對準誤差、軸承之外滾道故障、軸承之內滾道故障、軸承之滾道組件故障、軸承之滾道組件支架故障、機械共振、齒輪齒故障，或鬆配合。
根據本發明之一實施例之方法包含藉助於與機械振動頻譜相關之轉速和與特定現象頻率相關之參考轉速，以安排特定現象頻率與機械振動頻譜彼此互相對應。
根據本發明之一實施例之方法包含藉由將特定現象頻率之一第一子集合乘以轉速和參考轉速之比值而將特定現象頻率轉換成對應於機械振動頻譜。該等特定現象頻率之該第一子集合含有與該轉速成比例之頻率且該等特定現象頻率之其餘部分中之至少部分係機械共振頻率。
根據本發明之一實施例之方法包含藉由將機械振動頻譜之頻率之一第一子集合乘以參考轉速與轉速之比值而將該機械振動頻譜轉換成對應於特定現象頻率。該機械振動頻譜頻率之該第一子集合含有與轉速成比例之頻率且該機械振動頻譜頻率之其餘部分中之至少一部分係機械共振頻率。
根據本發明之一實施例之方法包含自一含有與若干齒輪箱型式相關資料之現象資料庫中，選擇出與所考慮齒輪箱相關之該資料之一子集合。該資料之被選擇之子集合含有特定現象頻率及與該等特定現象頻率相關之振幅參考值。
根據本發明之一實施例之方法包含比較發生可能性 指標和稍早形成且在類似條件下操作的相同齒輪箱之相對應發生可能性指標，以便推導出有關於與發生可能性指標相關之該現象之趨勢之資訊。
根據本發明之一實施例之方法包含比較發生可能性指標和針對另一相同的且在類似條件下操作的齒輪箱而形成之相對應發生可能性指標，以便推導出有關齒輪箱與另一齒輪箱間之差異之資訊。
根據本發明之一實施例之方法包含下列動作，以便自機械振動頻譜中，搜尋至少二個尖峰信號：- 選擇一涵蓋與所考慮現象相關之特定現象頻率之頻率寬帶，- 形成一相對應於機械振動頻譜之部分之時域訊號，該機械振動頻譜係屬於該已選擇頻率寬帶，- 對該時域訊號進行整流，- 將該已整流時域訊號轉換至頻域以形成一附屬頻譜，以及- 自該附屬頻譜中，搜尋至少二個尖峰信號。
根據本發明之一實施例之方法包含將機械振動頻譜之形狀和一預先儲存形狀比較，該預先儲存形狀係表示在機械振動頻譜之測量不可靠性。
根據本發明之一實施例之方法包含接收齒輪箱之一測量轉速，該測量轉速係表示與機械振動頻譜相關的轉速。
根據本發明之一實施例之方法包含：- 根據一已知理論，自該機械振動頻譜中，搜尋一參 考尖峰信號，該參考尖峰信號之頻率係一已知整數或有理數與齒輪箱轉速之乘積，以及- 藉助於該參考尖峰信號之頻率與該已知整數或有理數，修正與該機械振動頻譜相關之轉速。
根據本發明之一實施例之方法包含針對每一所考慮現象，根據以下方程式形成發生可能性之指標。
其中C係發生可能性之指標，fi係第i個被搜尋尖峰信號之頻率，A(fi)係第i個被搜尋尖峰信號之振幅，AR(fi)係與第i個特定現象頻率相關之振幅參考值，且N係特定現象頻率之數目。
根據本發明之一實施例之方法包含下列動作，以便形成一興趣度值：- 自機械振動頻譜計算一總體振動位準，- 設定該興趣度值為該總體振動位準，- 自該機械振動頻譜中，取出若干尖峰信號，就該等尖峰信號沒有對應於任一該等特定現象頻率而言，該等尖峰信號係未知的，- 將取決於該等未知尖峰信號之數目之一數值加入該興趣度值，- 針對每一未知尖峰信號，將一取決於該未知尖峰信號和背景振動位準之比值之數值加入該興趣度值，該背景振動位準係散佈在該未知尖峰信號附近之頻 域中，以及- 針對每一所考慮現象，將一取決於與該現象相關之發生可能性指標之數值加入該興趣度值。
根據本發明之一實施例之方法包含比較該興趣度值和一針對相同齒輪箱於稍早形成之興趣度值，以便推導出有關該興趣度值之趨勢之資訊。
根據本發明之一實施例之方法包含比較該興趣度值和一針對另一相同的且在類似條件下操作的齒輪箱而形成之相對應興趣度值，以便推導出有關於在該齒輪箱與另一齒輪箱間之差異之資訊。
根據本發明之一實施例之方法包含根據一功率指標和預先儲存資料，計算與特定現象頻率相關之一個或一個以上振幅參考值，該功率指標係指示由齒輪箱所傳輸的機械功率，該預先儲存資料係將該等振幅參考值定義為該功率指標的函數。
根據本發明之一實施例之電腦程式包含用於齒輪箱狀態監視之軟體模組。該軟體模組包含用以控制一可程式處理器之電腦可執行指令以：- 接收含有測量自至少一個齒輪箱之至少一個機械振動頻譜資訊之資料，- 自該機械振動頻譜中，搜尋至少二個尖峰信號，該尖峰信號所在之頻率係相對應於一由至少二個特定現象頻率及與這些特定現象頻率相關之振幅參考值所定義之現象，以及- 根據a)該等被搜尋尖峰信號之振幅和b)與該等特定 現象頻率相關之該等振幅參考值，形成該現象發生可能性之一指標。
該軟體模組可以是，例如以一合適可程式語言所產生的子程序(subroutines)及函數(functions)。
根據本發明之一實施例之一電腦程式產品包含一非揮發性電腦可讀取媒體，例如光碟片(“CD”)，係根據本發明之一實施例之一電腦程式而編碼。
根據本發明之一實施例之一訊號係被編碼以攜帶用來定義根據本發明之一實施例之一電腦程式之資訊。
以上敍述所提供之特定實施例不應該解釋為具有限制性。因此本發明不受限於僅有上述之實施例。
101、301‧‧‧處理設備
102、302‧‧‧外部記憶體裝置
103、303‧‧‧使用者介面設備
104、105、106‧‧‧振動感測器
107‧‧‧齒輪箱
210‧‧‧滾珠
211‧‧‧外滾道
212‧‧‧內滾道
213‧‧‧支架
220、221、222、223、224、225、226、 230、231、232、235、236、237‧‧‧尖峰信號
227‧‧‧背景振動
300‧‧‧風力發電場
340、341、342、343、344‧‧‧機艙
本發明之範例實施例及其優點以範例之角度及參考附圖於以下詳加解釋，其中：第1圖係圖示根據用於齒輪箱狀態監視之本發明之一實施例之齒輪箱及系統；第2a圖係圖示可使用於根據本發明某些實施例之系統及方法之參數定義；第2b-2d圖係圖示機械振動之範例頻譜；第3圖係圖示具有根據用於風力發電場之齒輪箱狀態監視之本發明之一實施例之系統之風力發電場；以及第4圖係顯示根據用於齒輪箱狀態監視之本發明之一實施例之方法流程圖。
101‧‧‧處理設備
102‧‧‧外部記憶體裝置
103‧‧‧使用者介面設備
104、105、106‧‧‧振動感測器
107‧‧‧齒輪箱

Claims (18)

  1. 一種包含處理設備(101,301)之系統，其架構成接收含有測量自至少一個齒輪箱之至少一個機械振動頻譜之資料，其特徵在於該處理設備係進一步配置成：- 自該機械振動頻譜搜尋至少二個尖峰信號，在該至少二個尖峰信號的頻率係相對應於以至少二個特定現象頻率及與該等特定現象頻率相關之振幅參考值所界義之現象；以及- 根據a)該等搜尋的尖峰信號之振幅和b)與該等特定現象頻率相關之振幅參考值，形成該現象發生可能性之一指標。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該處理設備係配置成：- 自該機械振動頻譜搜尋該等尖峰信號，在該等尖峰信號的至少二組頻率係相對應於二個或二個以上現象，每一該等現象係由至少二個特定現象頻率及與該等特定現象頻率相關之振幅參考值所界定；以及- 針對該至少二個現象之每一者，根據a)相對應於該現象之該等搜尋的尖峰信號之振幅和b)與該等特定現象頻率相關之振幅參考值，形成發生可能性之該指標。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之系統，其中該處理設備係配置藉助於與該機械振動頻譜相關之轉速和與該等特定現象頻率相關之一參考轉速，以安排該等 特定現象頻率與該機械振動頻譜彼此互相對應。
  4. 如申請專利範圍第3項之系統，其中該處理設備係配置以藉由將該等特定現象頻率之一第一子集合乘以該轉速和該參考轉速之比值而轉換該等特定現象頻率以對應於該機械振動頻譜，該等特定現象頻率之該第一子集合係與該轉速成比例之頻率且該等特定現象頻率之其餘部分中之至少一部分係機械共振頻率。
  5. 如申請專利範圍第3項之系統，其中該處理設備係配置以藉由將該機械振動頻譜之頻率之一第一子集合乘以該參考轉速與該轉速之比值而轉換該機械振動頻譜以對應於該等特定現象頻率，該機械振動頻譜頻率之該第一子集合係與該轉速成比例之頻率且該機械振動頻譜頻率之其餘部分中之至少一部分係機械共振頻率。
  6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之系統，其中該處理設備係配置以自一含有與若干齒輪箱型式相關之資料之現象資料庫中，選擇出與所考慮齒輪箱相關之該資料之一子集合，該資料之該子集合含有該等特定現象頻率及與該等特定現象頻率相關之振幅參考值。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項之系統，其中該處理設備係配置以執行下列動作，以便自該機械振動頻譜中，搜尋該至少二個尖峰信號：- 選擇一涵蓋與所考慮現象相關之該等特定現象頻率之頻率寬帶， - 形成一相對應於該機械振動頻譜之一部分之時域訊號，該機械振動頻譜係屬於該被選擇頻率寬帶，- 對該時域訊號進行整流，- 將該已整流時域訊號轉換至頻域以形成一附屬頻譜，以及- 自該附屬頻譜中，搜尋該至少二個尖峰信號。
  8. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項之系統，其中該處理設備係配置以比較該機械振動頻譜之形狀和一預先儲存形狀，該預先儲存形狀係表示在該機械振動頻譜之測量不可靠性。
  9. 如申請專利範圍第3項至第5項中任一項之系統，其中該處理設備係配置以接收該齒輪箱之一測量轉速，該測量轉速係表示與該機械振動頻譜相關之轉速。
  10. 如申請專利範圍第9項之系統，其中該處理設備係配置以- 根據一已知理論，自該機械振動頻譜中，搜尋一參考尖峰信號，該參考尖峰信號之頻率係一已知整數或有理數與該齒輪箱之轉速之乘積，以及- 藉助於該參考尖峰信號之頻率與該已知整數或有理數，修正與該機械振動頻譜相關之轉速。
  11. 如申請專利範圍第1項至第10項中任一項之系統，其中該處理設備係配置以針對每一所考慮現象，根據以下方程式形成發生可能性之該指標： 其中C係發生可能性之指標，fi係第i個被搜尋尖峰信號之頻率，A(fi)係第i個被搜尋尖峰信號之振幅，AR(fi)係與第i個特定現象頻率相關之振幅參考值，且N係該等特定現象頻率之數目。
  12. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項之系統，其中該處理設備係配置以執行下列動作，以便形成一興趣度值：- 自該機械振動頻譜，計算一總體振動位準，- 設定該興趣度值為該總體振動位準，- 自該機械振動頻譜中，取出若干尖峰信號，就該等尖峰信號沒有對應於任一該等特定現象頻率而言，該等尖峰信號係未知的，- 將一取決於該等未知尖峰信號數目之數值加入該興趣度值，- 針對每一未知尖峰信號，將一取決於該未知尖峰信號和背景振動位準之比值之數值加入該興趣度值，該背景振動位準係散佈在該未知尖峰信號附近之頻域，以及- 針對每一所考慮現象，將一取決於與該現象相關之發生可能性之該指標之數值加入該興趣度值。
  13. 如申請專利範圍第12項之系統，其中該處理設備係配置以比較該興趣度值和一針對相同齒輪箱於稍早形成之興趣度值，以便推導出有關於該興趣度值之一 趨勢相關之資訊。
  14. 如申請專利範圍第12項或第13項之系統，其中該處理設備係配置以比較該興趣度值和一針對另一相同的且在類似條件下操作的齒輪箱而形成之相對應興趣度值，以便推導出有關於在該齒輪箱與該另一齒輪箱間之差異之資訊。
  15. 如申請專利範圍第1項至第14項中任一項之系統，其中該處理設備係配置以根據i)指出以該齒輪箱傳輸的機械功率之功率指標，和ii)界定該等振幅參考值作為該功率指標的函數之預先儲存資料，而計算與該等特定現象頻率相關之一個或一個以上振幅參考值。
  16. 一種方法，包含：- 接收(401)含有測量自至少一個齒輪箱之至少一個機械振動頻譜資訊之資料，其特徵在於該方法進一步包含：- 自該機械振動頻譜中，搜尋(402)至少二個尖峰信號，該尖峰信號所在之頻率係相對應於一由至少二個特定現象頻率及與該等特定現象頻率相關之振幅參考值所定義之現象，以及- 根據a)該等被搜尋尖峰信號之振幅和b)與該等特定現象頻率相關之該等振幅參考值，形成(403)該現象發生可能性之一指標。
  17. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該現象係下列各項之一：一靜態不平衡、一動態不平衡、一角度對準誤差、一徑向對準誤差、一軸承之一外滾道故障、 一軸承之一內滾道故障、一軸承之一滾道組件故障、一軸承之一滾道組件支架故障、一機械共振、一齒輪之一齒故障及一鬆配合。
  18. 一種包含電腦可執行指令之電腦程式，該電腦可執行指令係用以控制一可程式處理器以：- 接收含有測量自至少一個齒輪箱之至少一個機械振動頻譜資訊之資料，其特徵在於該電腦程式進一步包含用以控制該可程式處理器之電腦可執行指令，以：- 自該機械振動頻譜中，搜尋至少二個尖峰信號，該至少二個尖峰信號所在之頻率係相對應於一由至少二個特定現象頻率及與該等特定現象頻率相關之振幅參考值所定義之現象，以及- 根據a)該等被搜尋尖峰信號之振幅和b)與該等特定現象頻率相關之該等振幅參考值，形成該現象發生可能性之一指標。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TWI509536B (zh) * 2014-01-03 2015-11-21 Univ Nat Formosa Diagnostic Method of Gearbox Assembly Error
TWI777681B (zh) * 2021-07-22 2022-09-11 宇辰系統科技股份有限公司 用於電動機之振動監測系統

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