专利名称：用于监测齿轮组件状态的系统和方法
技术领域：
本发明涉及检测齿轮组件的状态以预测齿轮组件何时接近失效的方法。
背景技术：
在大多数监测齿轮组件状态的公知方法中，人们试图检测齿轮在转动和相互啮合 时由齿轮组件所产生的振动。通过实验分析，有可能确定对应于齿轮组件的特定部分的独 立振动频率。通过检测在这些具体频率的振动信号的幅度，通常有可能确定齿轮组件的独 立元件是否已开始失效。
发明内容
在一个方面，本发明可体现为一种监测和报告齿轮组件状态的方法，其包括如下 步骤从附接到齿轮组件的一部分上的振动检测器接收信号，以及分析振动检测器的信号 来确定碎片颗粒何时穿过齿轮组件的啮合部分之间。在另一个方面，本发明可体现为一种计算齿轮组件的破坏指数的方法，其包括如 下步骤从附接到齿轮组件的一部分上的振动检测器接收信号，每当振动检测器信号的幅 度超过阈值，则确定碎片颗粒已穿过齿轮组件的啮合部分之间，计数在预定时间期间内碎 片颗粒穿过齿轮组件啮合部分之间的次数，以产生事件计数，以及基于事件计数来计算对 于齿轮组件的破坏指数。在另一个方面，本发明可体现为一种用于检测齿轮组件中的状态的系统。该系统 可包括附接到齿轮组件的一部分上的振动检测器。该系统还可包括处理器，其将来自于振 动检测器的信号的幅度与阈值相比较，且当振动检测器信号超过阈值时确定碎片颗粒已穿 过齿轮组件的啮合部分之间。
图1为风力涡轮机的行星齿轮组件的截面视图；图2为可用于监测齿轮组件状态的系统的框图；图3为由附接到齿轮组件上的加速计所输出的信号的图表；以及图4为示出可怎样分析加速计信号来确定齿轮组件状态的图表。零件清单1风力 涡轮机2叶片组件3齿轮组件4齿轮壳体5叶片轴6叶片9行星齿轮10太阳齿轮11环形 齿轮12齿轮盘14后行星齿轮盘14齿轮轴15轴承16轴承17旋转轴18轴承19轴承20 紧固件21壳体22轴承23附接部分24壳体25轴承26轴承27轴承140加速计100失效 预测系统102数据存储单元104数据分析器106失效预测单元108接口 110发送器
具体实施例方式图1示出了用于将风力涡轮机的旋转叶片连接到发电机上的行星齿轮组件的部 分。如图1中所示，风力涡轮机的多个叶片6连接到叶片轴5上。叶片轴5通过轴承26，27安装在风力涡轮机上。在该组件的另一端，旋转轴17附接到发电机(未示出)上。太阳齿轮10安装在旋转轴17的一端上。多个行星齿轮9定位在太阳齿轮10与环形齿轮11之间。环形齿轮 11固定到齿轮组件的壳体24上。行星齿轮9可旋转地安装在行星齿轮轴14上，行星齿轮轴14安装到前行星齿轮 盘12和后行星齿轮盘13上。通常，行星齿轮9可旋转地安装在轴承15和16上，该轴承15 和16固定到行星齿轮9和行星齿轮轴14上。这容许行星齿轮9在行星齿轮轴14上自由 地旋转。前行星齿轮盘12联接到叶片轴5上，且与叶片轴5 —起旋转。后行星齿轮盘13 通过轴承22可旋转地安装在壳体24上。当叶片6引起叶片轴5旋转时，行星齿轮9便围绕环形齿轮11旋转。继而，行星 齿轮9又引起太阳齿轮10和附接的发电机轴17旋转。在图1中所示的实施例中，加速计40固定到保持环形齿轮11的壳体24上。结果， 环形齿轮11所经受的任何振动将经由壳体24传递到加速计40。在备选实施例中，加速计40可直接安装到环形齿轮11自身的一侧或后表面上。在 其它备选实施例中，加速计40可安装到齿轮组件的其它部分上。在任何情况下，加速计均 将产生表示齿轮组件的部分所经受的振动的信号。图3示出了由图1中所示出的加速计40输出的典型信号。在行星齿轮组件的正 常旋转运动期间，加速计将输出水平相对较低的信号，表示相对较低量的振动。然而，如果 齿轮组件内的碎片颗粒穿过齿轮组件的啮合部分之间，则齿轮组件将会经受突发振动，且 这将引起加速计输出大得多的加速信号。例如，如果碎片颗粒穿过环形齿轮11与一个行星 齿轮9之间，则预计突发振动将会从环形齿轮11经由壳体24传送至加速计40。同样而言， 如果碎片颗粒穿过一个行星齿轮9与太阳齿轮10之间，则预计振动将会从行星齿轮9经由 环形齿轮11和壳体24传送至加速计40。结果，任何时候存在加速计信号幅度突然增大时， 便可认为碎片颗粒已穿过齿轮组件的两个啮合表面之间。发明人已注意到，当齿轮组件开始失效时，齿轮组件的独立元件便趋于抛出小的 碎片颗粒。这些小的碎片颗粒在组件旋转时趋于穿过齿轮组件的啮合部分之间。并且，如 上文所述，通过记下加速计信号的幅度何时突然升高，可检测到发生碎片颗粒穿过齿轮组 件的啮合部分之间。当齿轮组件的元件出现更多破坏时，越来越多的碎片颗粒便在齿轮组 件内传播。并且，碎片颗粒穿过齿轮组件的啮合部分这本身便可对啮合元件造成附加破坏。发明人已研发出通过监测和分析附接到齿轮组件的一部分上的一个或多个加速 计所输出的信号来预测齿轮组件何时接近失效的系统和方法。该信号可采用多种不同的方 式进行分析，以确定齿轮组件的状态，以及预测齿轮组件何时或会接近临界失效点。如下描述将提供一些实例，即有关可怎样分析来自附接到齿轮组件上的加速计的 加速计信号来确定齿轮组件的状态，并从而预测齿轮组件是否开始失效。然而，如下实例仅 意图示出分析来自于加速计的数据的一些可能的方式。同样将会落入本发明的精神和范围 内的许多其它方法也可用于分析来自于加速计的数据。图3示出了从附接到如图1中所示的齿轮组件上的加速计所接收的加速计信号的 幅度。在典型振动期间，加速计将输出在正值与负值之间来回振荡的信号。图3示出了在 齿轮组件的正常工作期间存在少量的振动，产生了小幅度的信号。然而，当碎片颗粒穿过齿轮组件的啮合部分之间时(这将在下文中称为“碎片事件”)，加速计信号的幅度就会突然 增大。在碎片颗粒已穿过齿轮组件的啮合部分之后，加速计信号的幅度就回到较低的背景 水平。为了提供更易于分析的信号，在一些实施例中，将使原始加速计信号归一化。换句 话说，任何负值都会转换成正值。或者换成另一种说法，信号显示为使得幅度的绝对值总是 显示成正值。图4示出了加速计信号的归一化表示，该加速计信号包括仅反映正常背景振 动的开始部分和结束部分，以及反映在碎片事件期间的加速计信号的中间部分。如上文所述，在齿轮组件的正常工作期间，也将存在为一定水平的背景振动，且会 产生幅度相对较低的加速计信号。在图4中，标为“基线平均值”的线为在齿轮组件正常工 作时存在于齿轮组件中的进行中的背景振动的平均值。有些齿轮组件期望以相对恒定的旋转速度工作。在这些情况下，基线平均值幅度 将不会在短时间期间内变化太多。然而，随着时间的推移，且破坏开始累积到齿轮组件的元 件上，将会预计到基线平均值幅度将逐渐上升。其它的齿轮组件期望以变化的旋转速度工作。在这些类型的齿轮组件中，反映没 有碎片事件发生时的振动水平的基线平均值幅度将预计会随齿轮组件的旋转速度而变化。 当齿轮组件缓慢地旋转时，基线平均值幅度就较低。当齿轮组件较快旋转时，基线平均值幅 度将增大。然而，即使在这些类型的齿轮组件中，将会预计到随着对齿轮组件的啮合部分的 破坏开始累积，对于低速工作或高速工作的基线平均值幅度随着时间的推移也会缓慢地增 大。当碎片颗粒穿过齿轮组件的啮合部分之间时，我们预计加速计信号的幅度会突然 增大。但很肯定的是，信号幅度的增大代表碎片事件，人们可进行检查，以确定信号幅度是 否超过了阈值。如果超过阈值，则人们便可确定已发生碎片事件。当然，相对较小的碎片颗粒可穿过齿轮组件的啮合部分之间，且这种穿越或会产 生小的振动，该振动并不引起加速计信号的幅度升高到高于阈值。通过将阈值设置成适合 的水平，就可仅记录反映齿轮组件或会出现较大破坏的那些碎片事件。换句话说，在分析 加速计信号时，人们试图将阈值设定成将导致仅识别有真实世界意义的那些碎片事件的水 平。适合的阈值水平可取决于齿轮机构的尺寸和类型而有相当大的差别。对于小型和/或精密齿轮机构而言，表示较大碎片事件(一种反映对齿轮组件的较大破坏的碎片事 件)的加速计信号的幅度将非常低。但在较大和更为粗糙的齿轮组件上，表示较大碎片事 件(一种反映对齿轮组件的较大破坏的碎片事件)的加速计信号的幅度将非常高。因此， 需要的是，将基于实际环境来设定适合的阈值。并且，或会需要一定量的测试和实验证据来 选择适合的阈值。在图4中所示的实例中，存在两条阈线。也就是自适应阈线和默认阈线。当齿轮 组件很新时，通过记下特定类型的转子组件中的典型振动水平，可根据经验确定默认阈线。 还可通过测试某一齿轮组件失效且记下碎片事件开始造成较大破坏时的水平来构建默认 阈线。自适应阈线旨在用于说明真实世界环境，且自适应阈可随着时间的推移而变化， 以反映齿轮组件的状态，以及/或者齿轮组件的当前旋转工作速度。在一个实施例中，自适应阈可基于基线平均值来计算。如上文所述，基线平均值为齿轮组件在没有任何碎片事件 的情况下工作时所产生的背景振动的平均值。自适应阈可为基线平均值的倍数。例如，自 适应阈可为基线平均值的十至十五倍。如上文所述，由于随破坏的累积基线平均值将随着 时间的推移而逐渐地升高，故自适应阈也将随着时间的推移而逐渐地升高。同样而言，如果 齿轮组件的旋转速度变化，且基线平均值根据旋转速度而变化，则旋转速度的变化也将引 起自适应阈的变动。在一些实施例中，人们将碎片事件限定为加速计信号的幅度超过默认阈和自适应 阈中的较大者的任何时间。在其它实施例中，人们可将碎片事件限定为加速计信号的幅度 超过默认阈和自适应阈中的较小者的任何时间。图4示出了自适应阈低于默认阈的情形。这可反映出齿轮组件相对较新的情形， 或齿轮组件以相对较低的速度旋转的情形。当齿轮组件受到更大磨损时，自适应阈同样将 会升高，且或会在某天超过默认阈。作为备选，如果齿轮组件开始以较高的速度旋转，则这 也会造成自适应阈超过默认阈。发明人目前认为，在齿轮组件工作时，有两条重要信息要记录。第一条信息是所发 生的碎片事件的数目。并且这可以是从开始记录起的碎片事件的总数，或每单位时间所发 生的碎片事件的数目。另一条信息为在每一碎片事件期间的加速计信号的最大幅度。在一 些实施例中，这两项信息均用于确定齿轮组件的状态，以及用于预测齿轮组件何时可能失 效。然而，在其它实施例中， 可仅使用这两项信息中的一种。图2为可用于检测齿轮组件的状态和预测何时可能出现失效的系统的示图。如图 2中所示，系统包括加速计40，如图1中所示的加速计40。如上文所述，加速计可附接到在 发生碎片事件时将趋于振动的齿轮组件的任何部分上。在一些实施例中，将使用单个的加 速计。在备选实施例中，可使用多个加速计。当使用多个加速计时，加速计可附接到齿轮组 件的不同部分上。来自于多个加速计的信号可单独地或一起地进行分析。另外，在此描述中，加速计用于检测在齿轮组件中由碎片事件所引起的振动。在备 选实施例中，不同类型的传感器可用于检测振动。因此，在此描述中使用加速计这一事实不 应认作是在进行限制。加速计40连接到失效预测系统100上。失效预测系统100包括数据存储单元102、 数据分析器104、失效预测单元106、接口 108，以及发送器110。尽管以上所列元件中的各 者均提供在该实施例中，但在备选实施例中，可省略这些元件中的一些，并且可增加其它元 件。在当前实施例中，加速计信号将由数据分析器104来监测和分析。数据分析器104 将确定加速计信号的幅度何时超过默认阈和自适应阈中的较高者。当此发生时，数据分析 器将确定已发生了碎片事件。在一些实施例中，数据分析器每当发生碎片事件将增加计数。如上文所述，对于所 有碎片事件的总计数可保持在数据存储单元102中。在其它实施例中，每单位时间内碎片 事件的数目可由数据分析器104计算，且之后保存在数据存储单元102中。在又一些实施 例中，总计数和每单位时间内的计数二者均可保存在数据存储单元102中。此外，数据分析 器可产生多个每单位时间内的计数值，且之后对在更长的时间期间内的那些每单位时间内 的计数值求平均。例如，数据分析器104可计数在一天的每一小时期间发生的碎片事件的数目，且之后对每小时的计数求平均，以得到对于该天每小时计数的平均值。然后，对于该 天每小时计数的平均值可保存在数据存储单元102中。在又一些实施例中，碎片事件的计 数可采用其它方式进行计算和保存。数据分析器104还可确定在每一碎片事件期间的加速计信号的最大幅度。对于每 一碎片事件而言，该最大幅度均可保存在数据存储器102中。在一些实施例中，数据分析 器104可记下在预定时间期间内发生的多个碎片事件中的各者的最大幅度，且数据分析器 104然后可计算该幅度的平均值。然后，对于该单位时间的该平均幅度可保存在数据存储单 元102中。在又一些实施例中，数据分析器可计算和保存对于特定时间期间的事件计数和最 大幅度的组合。例如，数据分析器可确定对于预定时间期间内所发生的碎片事件的数目，以 及对于这些碎片事件的最大幅度的平均值，并且这两个数然后可相乘，以生成之后保存在 数据存储单元102中的破坏指数。当碎片事件发生且加速计信号的幅度突然升高并与一个阈相交时，预计到信号的 幅度随后将马上会逐渐下降。换句话说，预计到碎片事件在相对较短的时间期间内发生。对 于典型碎片事件的时间期间可受到限制的这一 事实，容许系统精确地确定对于每一碎片事 件的加速计信号的最大幅度。例如，参看图4，通过记下加速计信号的幅度何时与较高的阈 值相交，可检测碎片事件的起始。然后，可监测对于在事件起始时间之后的预定时间期间的 加速计信号，并检测在该时间期间内的加速计信号的最大幅度。如果在预定时间期间过去 之后加速计信号又升高到高于事件阈，则与该阈的第二次相交将计数为第二碎片事件。如果每当加速计信号到达峰值且之后开始趋于向下时计数为碎片事件，则可导致 将单个碎片事件计数为两个或多个碎片事件。例如，在图4中所示的加速计信号中，可以 看到在碎片事件起始时间之后不久就达到第一最大幅度，且该信号的幅度之后开始向下运 动。但稍后就出现了甚至更大的第二峰值幅度。如果将各峰值计数为不同的碎片事件，则 该碎片事件将会计数两次。为了消除两次计数的问题，可使用事件计时器。当加速计信号的幅度升高到第一 峰值且之后开始衰减时，则数据分析器将使事件计时器开始向零倒数。如果加速计信号的 幅度在事件计时器数完之前未达到新的更高峰值，则将具有单个碎片事件。然而，如果加速 计信号的幅度在事件计时器数完之前达到更高的第二峰值，则事件计时器将重置，且其将 再次开始运行。并且，新的更高的峰值将不会计数为第二碎片事件。第一峰值和更高的第 二峰值二者都将看作是单个碎片事件的一部分。另一种方式是使用衰减包络线(envelope)，其在图4中示为从各峰值幅度向下倾 斜的虚线。在此方式中，当加速计的幅度到达峰值且开始衰减时，便构成了衰减包络线。然 后，如果加速计信号的幅度在穿回低于阈值之前超过衰减包络线，则将使用新的峰值来构 成在第二峰值开始的新的衰减包络线。在该方式中，加速计信号的新的峰值幅度将不必超 过先前峰值的实际值，其仅需超过衰减包络线。该方式还将有助于防止将单个碎片事件计 数为多个事件。失效预测系统100还包括接口 108。接口 108可用于容许维护人员下载保存在数 据存储单元102中的值。此外，接口可用于更新由数据分析器104或失效预测单元106所 使用的值或算法。
失效预测系统100还可包括发送器110。发送器110可为无线发送器或有线发送装置，其将失效预测系统100联接到一些其它实体上，这些实体例如为追踪多个齿轮组件 的状态的维护系统。失效预测系统可构造成用以将所分析和保存的数据周期性地报告给中 心维护机构。作为备选，中心维护机构可查询失效预测系统100以获得分析和保存的数据。 在这种情况下，查询可由接口 108接收，或者可用能够接收和发送信息的收发器来替代发 送器。由失效预测系统所获得和分析的数据可采用许多不同的方式报告。在一些情况 下，失效预测系统可计算齿轮组件的破坏指数，并报告该破坏指数。破坏指数可提供齿轮组 件是否接近失效的指示。在一些简单的实施例中，破坏指数可代表每单位时间所发生的碎片事件的当前数 目。在稍微更复杂的实施例中，破坏指数可代表每单位时间的碎片事件数目的变化率。在又一些实施例中，破坏指数可代表对于给定单位时间加速计信号的最大幅度或 最大幅度平均值。在更为复杂的实施例中，破坏指数可代表在单位时间内的碎片事件的最 大幅度或最大幅度平均值的变化率或增长率。在又一些实施例中，破坏指数可视作已发生的碎片事件的总数，每单位时间发生 的碎片事件的数目，以及对于在单位时间内的那些碎片事件的最大幅度或最大幅度平均 值。此外，破坏指数可表示基于碎片事件计数和碎片事件最大幅度所计算的一定数目的趋 势或变化率。尽管本发明已结合当前认作是最为实用和优选的实施例进行了描述，但应当理 解，本发明不限于所公开的实施例，而相反是旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围 内的多种修改和同等布置。
权利要求
一种监测齿轮组件状态的方法，包括从附接到所述齿轮组件的一部分上的振动检测器接收信号；以及分析所述振动检测器的信号，以确定碎片颗粒何时穿过所述齿轮组件的啮合部分之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析步骤包括 周期性地将所述振动检测器信号的幅度与阈值进行比较；每当所述振动检测器信号的幅度超过所述阈值，则确定碎片颗粒已穿过所述齿轮组件 的啮合部分之间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述振动检测器信号的幅度与预定的 默认阈进行比较。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述振动检测器信号的幅度与随着时 间的推移而变化的自适应阈进行比较。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述振动检测器信号的幅度与随着时 间的推移而逐渐地增大的自适应阈进行比较。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括计数在预定的时间期间 内碎片颗粒穿过所述齿轮组件的啮合部分之间的次数，以产生事件计数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括计算基于所述事件计数 的变化率的破坏指数。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括确定每当确定碎片颗粒 已穿过所述齿轮组件的啮合部分时所述振动检测器信号的最大幅度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括计算破坏指数，该破坏指 数基于碎片颗粒每单位时间穿过所述齿轮组件的次数，以及每当碎片颗粒穿过所述齿轮组 件的啮合部分时所述振动检测器信号的最大幅度。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括计算破坏指数，该破坏 指数基于碎片颗粒每单位时间穿过所述齿轮组件的次数，以及每当每单位时间碎片颗粒穿 过所述齿轮组件的啮合部分时所述振动检测器信号的最大幅度的平均值。
全文摘要
本发明涉及用于监测齿轮组件状态的系统和方法。一种用于监测齿轮组件状态的系统和方法，其分析由附接到齿轮组件上的振动检测器所输出的信号。每当从振动检测器所输出的信号的幅度超过阈值，系统就认为碎片颗粒已穿过齿轮组件的啮合部分之间。这发生的次数，且有可能还有振动的幅度，经分析来用以确定齿轮组件的状态，以及可能用以确定破坏指数。该系统和方法具体适用于振动检测器可安装在齿轮组件的固定环形齿轮上或固定环形齿轮安装于其上的结构上的行星齿轮布置。
文档编号G01H1/00GK101819090SQ201010114969
公开日2010年9月1日 申请日期2010年1月29日 优先权日2009年1月30日
发明者A·韦斯, C·T·哈奇, M·卡尔布, M·马罗夫, R·哈拉, S·哈利 申请人:通用电气公司