专利名称：用于齿轮箱状况监控的系统和方法
技术领域：
本公开总体上涉及齿轮箱装置，且更具体地，涉及用于齿轮箱状况(gearbox health)监控的系统和方法。
背景技术：
齿轮箱是任何工业中无处不在的部件。齿轮箱的用途常常包括减速和动力传送。 齿轮箱可以是单级(stage)齿轮箱或多级齿轮箱。此外，齿轮箱典型地包括外啮合传动装置、内啮合传动装置以及齿条和小齿轮(pinion)传动装置。一次调查表明，齿轮箱故障(failure)占飞机的所有故障模式(例如，疲劳)的百分之三十四(34%)。另一调查显示，齿轮箱故障占特定工业中的所有故障的百分之十五 (15%)。齿轮箱故障典型地因工厂停工时间而导致损失收入，因为针对这些工厂中的具有故障齿轮箱的单元的备份替换品常常是不可用的。因此，在初始阶段中检测齿轮箱中的潜在故障(例如，损伤(fault))可以有助于防止继发损坏，节约维护成本，改进工厂正常运行时间(例如，机器可用性)，节约潜在的来自工厂停工时间的经济损失，并且有助于增加生产率。
发明内容
本公开提供了一种用于齿轮箱状况监控的系统和方法。在第一实施例中，一种设备包括输入接口，其被配置为接收与齿轮箱的至少一级相关联的输入信号。该设备还包括处理器，其被配置为使用输入信号识别齿轮箱中的损伤。 该设备进一步包括输出接口，其被配置为提供识别损伤的指示符(indicator)。处理器被配置为通过以下操作来识别损伤确定与齿轮箱的至少一个故障模式相关的频率族，使用该频率族分解输入信号，使用解构的输入信号来重构齿轮(gear)信号，并且将重构的齿轮信号与基线信号比较。该频率族包括齿轮啮合频率及其谐波。在第二实施例中，一种系统包括多个传感器，其被配置为测量齿轮箱的一个或多个特性。该系统还包括齿轮箱情况指示符装置，其包括多个传感器接口，这些传感器接口被配置为从传感器接收与齿轮箱的至少一级相关联的输入信号。齿轮箱情况指示符装置还包括处理器，其被配置为使用输入信号识别齿轮箱中的损伤；以及输出接口，其被配置为提供识别损伤的指示符。处理器被配置为通过以下操作来识别损伤确定与齿轮箱的至少一个故障模式相关的频率族，使用该频率族分解输入信号，使用解构的输入信号来重构齿轮信号，并且将重构的齿轮信号与基线信号比较。该频率族包括齿轮啮合频率及其谐波。在第三实施例中，一种方法包括接收输入信号，该输入信号具有与齿轮箱的至少一级对应的振动和/或速度信息。该方法还包括确定与齿轮箱的至少一个故障模式对应的频率族，其中频率族包括齿轮啮合频率及其谐波。该方法进一步包括使用该频率族分解输入信号并且使用解构的输入信号重构齿轮信号。此外，该方法包括将重构的齿轮信号与基线信号比较，且当重构的齿轮信号与基线信号相差阈值量时输出识别损伤的指示符。
根据下面的附图、描述和权利要求，其他技术特征对于本领域技术人员会是容易明白的。
为了更完整地理解本公开内容，现在参考以下结合附图进行的描述，其中 图IA至ID图示了示例齿轮结构；
图2A至2E图示了齿轮经历的示例裂纹和磨损； 图3图示了根据本公开的示例齿轮箱情况指示符(GCI)装置； 图4A和4B图示了根据本公开的示例GCI装置和关联的齿轮箱； 图5A和5B图示了根据本公开的关于正常操作齿轮和关于具有两个断齿的齿轮的齿轮啮合频率(GMF)的示例图6图示了根据本公开的用于监控齿轮箱的示例GCI第一级操作的更详细视图； 图7图示了根据本公开的用于监控齿轮箱的示例GCI第二级操作的更详细视图； 图8图示了根据本公开的用于监控齿轮箱的示例GCI第三级操作的更详细视图； 图9图示了根据本公开的用于监控齿轮箱的示例过程； 图10图示了根据本公开的实施例的示例模糊化操作；以及图IlA和IlB图示了根据本公开的示例齿轮状况指示符。
具体实施例方式以下讨论的图IA至IlB以及用于描述该专利文献中的本发明的原理的各个实施例仅作为说明并且不应以任何方式解释为限制本发明的范围。本领域技术人员将理解，本发明的原理可以以任何类型的适当布置的装置或系统来实现。另外，应理解，图中的元件是为了简化和清楚而示出的并且不一定是按比例绘制的。例如，图中的一些元件的尺寸可以相对于其它元件被放大，以帮助改进对该专利文献中描述的各个实施例的理解。图IA至ID图示了示例齿轮结构。图IA至ID中示出的齿轮结构的实施例仅用于说明。在不偏离本公开的范围的情况下可以使用其他齿轮结构。齿轮箱可以包括一种或更多类型的齿轮，诸如外啮合传动装置105 (图1A)、内啮合传动装置110 (图1B)、以及齿条和小齿轮传动装置115 (图1C)。齿轮箱可以是单级齿轮箱(如图IA至IC所示)或者多级齿轮箱120 (如图ID中所示)。图IA中图示的外啮合传动装置105是螺旋齿轮。这里，外啮合传动装置105是包括齿轮107和小齿轮109的单级的。然而，还可使用其他实施例，诸如外啮合传动装置105 是正齿轮的那些实施例。图IB中图示的内啮合传动装置110也是单级传动装置结构。内啮合传动装置包括恒星齿轮111、行星齿轮112、环形齿轮113和行星齿轮架114。图IC中图示的齿条和小齿轮传动装置115再次是单级传动装置结构。齿条和小齿轮传动装置115包括一对齿轮117、119，其将旋转运动转换为线性运动。环形小齿轮117 与齿条119上的齿啮合。施加到小齿轮117的旋转运动使齿条119向侧面移动，直至其行进极限。例如，在铁路中，安装在车头或车厢上的小齿轮117的旋转与轨道之间的齿条119 啮合并且沿陡坡拉动列车。
图ID中图示的多级齿轮箱包括第一级122和第二级124。将理解，两级的图示仅用于示例目的。也可以使用包括不止两级的多级齿轮箱120的实施例。在该示例中，第一级122被配置为内啮合传动装置110，而第二级IM被配置为外啮合传动装置105。这样， 第一级表示单级内部齿轮箱，而第二级1 包括若干个齿轮和小齿轮，它们耦合以形成多级外啮合传动装置。尽管这里仅图示了数种齿轮类型，但是可以使用许多其他齿轮类型。其他齿轮类型可以包括，但不限于，具有平行的轴、相交的轴和/或不相交和不平行的轴的齿轮箱。平行轴可以包括正齿轮、单螺旋齿轮、和双螺旋齿轮。相交轴可以包括锥齿轮、直齿锥齿轮、零度螺旋伞齿轮、弧齿锥齿轮、等径伞齿轮、斜交伞齿轮和冕状齿轮。不相交和不平行的轴可以包括交叉轴螺旋齿轮、准双曲面齿轮和蜗轮。损伤或故障可能出现在使用以上列出的齿轮类型中的任何一个或多个齿轮类型或者其他齿轮类型而形成的齿轮箱中。故障可能出现在齿轮、小齿轮或者此两者中。齿轮故障包括磨损、破裂、断齿、静态和动态传动错误、塑性流动、划伤和刮伤、表面疲劳、剥落和齿隙。图2A至2E图示了齿轮经历的示例裂纹和磨损。图2A图示了疲劳裂纹205。疲劳裂纹205可能导致断齿。断齿包括疲劳断裂、由于重磨损引起的断裂、和过载断裂。图2B 图示了粘附磨损的示例。图2C图示了磨料磨损的示例。图2D图示了疲劳磨损的示例。图 2E图示了化学磨损的示例。可以使用以下描述的系统检测这些类型的裂纹和磨损。然而， 也可以使用以下描述的系统检测许多其他或另外的类型的损坏。根据本公开，提供了一种能够识别和分类(例如，分离)齿轮上出现的磨损类型的系统和方法。此外，该系统和方法可以检测作为断裂、破裂、和破损齿、磨损、点蚀 (pitting)、和得到的齿隙的结果的潜在齿轮箱故障。图3图示了根据本公开的示例齿轮箱情况指示符(GCI)装置300。图3中所示的 GCI装置300的实施例仅用于说明。在不偏离本公开的范围的情况下，可以使用GCI装置 300的其他实施例。在该示例中，GCI装置300包括用户配置部分302。用户配置部分302提供便利操作者与GCI装置300的交互的用户接口。例如，用户配置部分302可以使操作者能够输入齿轮箱配置信息。作为具体示例，用户配置部分302可以允许操作者输入齿轮的类型304 和齿轮的级数目306。当输入级数目306时，操作者还可以针对每级输入齿数目308和小齿轮数目310。此外，操作者可以输入关于齿轮类型304的额定功率314和采样频率316。GCI装置300还包括传感器信号部分320。传感器信号部分320提供接口，用于接收来自耦合到齿轮或者以其他形式与齿轮相关联的传感器的输入。在该示例中，传感器信号部分320包括针对加速度计322和转速计3M的接口。加速度计322检测、测量和记录齿轮的振动325。转速计3 可以是传感器输入装置，诸如测速发电机或每转一次(Once Per Revolution, 0PR)装置。转速计3 检测、测量和记录齿轮的速度326。传感器信号部分 320还可以存储关于齿轮的基线信号328。在传感器信号部分320中还可以提供针对其他传感器或者另外的类型的传感器的接口，诸如针对霍尔效应传感器以及一个或多个声传感器的接口，霍尔效应传感器检测、测量和记录电动机电流，而声传感器检测、测量和记录噪声。GCI装置300进一步包括人工智能(Al)部分或者其他处理部分330。在该示例中，AI部分330包括预处理滤波器332和处理器核心334。处理器核心3；34可以包括一个或多个处理器，其适于执行FFT分析336、频率/频率带宽选择(FFBS)338、信号重构340、统计特征确定342和归一化344。AI部分330还能够执行基于模糊规则的诊断346和基于规则的诊断348。基于模糊规则的诊断346包括模糊化350、规则352、聚集3M和去模糊化356。 这些功能在下文详细描述。此外，GCI装置300包括输出接口 370。输出接口 370表示被配置为向诸如计算机或显示器的另一系统或装置发送信息的接口。输出接口 370还可以表示单个显示器(例如， 监视器)或多个显示器。在该示例中，输出接口 370包括齿轮系统指示符372、齿轮磨损指示符374和齿轮裂纹指示符376。在一些实施例中，输出接口 370还可以包括小齿轮裂纹指示符(如果适用或期望)。这些指示符372-376识别所监控的齿轮箱的状况。图4A和4B图示了根据本公开的示例GCI装置300和相关联的齿轮箱400。GCI 装置300的这种使用仅用于说明。在不偏离本公开的范围的情况下，可以以任何其他适当的方式使用GCI装置300。如图4B中所示，齿轮箱400可以包括许多齿轮。在该示例中，齿轮箱400包括第一齿轮(未示出)、第二齿轮420、第三齿轮430和第四齿轮440。作为图4A中所示的特定示例，汽车传动齿轮箱400在第一侧耦合到感应电动机并且在第二侧耦合到机械负载单元455。各种探针470a-470b (包括加速度计470a)耦合在 GCI装置300与齿轮箱400、电动机450和机械负载单元455之间。探针470测量振动、电动机电流、噪声和齿轮箱400的速度。GCI装置300可以识别和分类齿轮箱400中出现的磨损和点蚀。GCI装置300还可以通过监控各种频率族来监控齿轮箱400中的振动。各种频率族包括，但不限于，齿轮啮合频率(GMF)和谐波。例如，第一频率族包括某级处的齿轮啮合频率及其谐波；第二频率族包括齿轮轴跨越第一频率族的边带；第三频率族包括小齿轮轴跨越第一频率族的边带；第四频率族指的是所有上述频率中的噪声本底；第五频率族可以是齿追逐(tooth hunting) 频率及其谐波。这些功能在下文中更详细描述。图5A和5B图示了根据本公开的关于正常操作齿轮和关于具有两个断齿的齿轮的齿轮啮合频率(GMF)的示例图。图5A和5B中示出的GMF的实施例仅用于说明。在不偏离本公开的范围的情况下可以使用GMF的其他实施例。图5A图示了关于正常操作齿轮的GMF。关于第二齿轮420的GMF由fm2 505表示， 关于第三齿轮430的GMF由fm3 510表示，并且关于第四齿轮440的GMF由fm4 515表示。 此夕卜，每个GMF (即，fm2 505、fm3 510和fm4 515)包括标为“-f3”和“+f3”的边带频率。例如，关于fm4 515的边带频率是fm4-f3 520和fm4+f3 525。GMF可以由下式表示
GMP = ^ ] 齿轮T齿轮=^ ] 小齿轮T小齿轮(1)
其中T是齿轮或小齿轮的齿数目。图5B图示了关于具有两个断齿的齿轮的GMF。如这里所见，振动信号包含GMF，其能含量作为引入的缺陷的结果而增加。例如，第二齿轮420中的缺陷增加第二 GMF 505’中的能量。作为断齿的结果，第二 GMF 505的振动的幅度从值0.07增加到值0.95。此外，边带fm2-f3 530和fm2+f3 535的幅度显著增加。GCI装置300测量并识别因齿轮故障导致的效果。例如，当发生齿破裂/断裂时，由于GMF周围的所有边带的幅度可能增加并且可能经历幅度调制的百分比的增加，因此GCI 装置300测量幅度改变并且根据测量值对故障分类。表1图示了一些示例故障模式及其各自的效果
权利要求
1.一种设备，包括输入接口(320)，被配置为接收与齿轮箱的至少一级相关联的输入信号； 处理器(330)，被配置为使用所述输入信号识别所述齿轮箱中的损伤；以及输出接口(370)，被配置为提供识别损伤的指示符； 其中所述处理器被配置为通过以下操作来识别损伤确定与所述齿轮箱的至少一个故障模式相关的频率族(640)，所述频率族包括齿轮啮合频率及其谐波；使用所述频率族分解所述输入信号； 使用分解的输入信号来重构齿轮信号；以及将所述重构的齿轮信号与基线信号(3 )比较。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述重构的齿轮信号包括以下至少之一 与所述齿轮啮合频率及其谐波相关联的信号；与小齿轮边带相关联的信号； 与齿轮边带相关联的信号； 与追逐齿频率相关联的信号；以及与背景噪声相关联的信号。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述处理器被配置为通过利用多个带通滤波器 (705a-705c )分解所述输入信号来分解所述输入信号。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述处理器被配置为通过以下操作来重构所述齿轮信号确定所述带通滤波器的输出中的最大和最小频率和幅度； 合并最大频率和幅度以产生第一并集； 合并最小频率和幅度以产生第二并集；以及使用所述第一并集和第二并集重构多个齿轮信号。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述处理器进一步被配置为通过以下操作来识别损伤利用所述基线信号使所述重构信号归一化；以及应用特征融合技术以获得由所述指示符使用的值。
6.一种系统，包括多个传感器(322-3M)，被配置为测量齿轮箱的一个或多个特性；以及齿轮箱情况指示符装置(300)，包括多个传感器接口(320)，被配置为从所述传感器接收与齿轮箱的至少一级相关联的输入信号；处理器(330)，被配置为使用所述输入信号识别所述齿轮箱中的损伤；以及输出接口(370)，被配置为提供识别损伤的指示符； 其中所述处理器被配置为通过以下操作来识别损伤确定与所述齿轮箱的至少一个故障模式相关的频率族(640)，所述频率族包括齿轮啮合频率及其谐波；使用所述频率族分解所述输入信号；使用分解的输入信号来重构齿轮信号；以及将所述重构的齿轮信号与基线信号(3 )比较。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述处理器被配置为通过利用多个带通滤波器 (705a-705c )分解所述输入信号来分解所述输入信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述处理器被配置为通过以下操作来重构所述齿轮信号确定所述带通滤波器的输出中的最大和最小频率和幅度； 合并最大频率和幅度以产生第一并集； 合并最小频率和幅度以产生第二并集；以及使用所述第一并集和第二并集重构多个齿轮信号。
9.根据权利要求6所述的系统，其中所述处理器被配置为存储与所述齿轮箱的正常操作对应的一部分输入信号作为所述基线信号。
10.一种方法，包括接收(905)输入信号，该输入信号包括与齿轮箱的至少一级对应的振动和速度信息中的至少一个；确定(915)与所述齿轮箱的至少一个故障模式对应的频率族(640)，所述频率族包括齿轮啮合频率及其谐波；使用所述频率族分解(920-925)所述输入信号；使用分解的输入信号重构(930)齿轮信号；将所述重构的齿轮信号与基线信号(3 )比较(950)；以及当所述重构的齿轮信号与基线信号相差阈值量时输出(955)识别损伤的指示符。
全文摘要
一种系统包括多个传感器(322-324)，该多个传感器(322-324)被配置为测量齿轮箱的一个或多个特性。该系统还包括齿轮箱情况指示符装置(300)，其包括多个传感器接口(320)，这些传感器接口被配置为从传感器接收与齿轮箱的至少一级相关联的输入信号。齿轮箱情况指示符装置还包括处理器(330)，其被配置为使用输入信号识别齿轮箱中的损伤；以及输出接口(370)，其被配置为提供识别损伤的指示符。处理器被配置为通过以下操作来识别损伤确定与齿轮箱的至少一个故障模式相关的频率族(640)，使用该频率族分解输入信号，使用分解的输入信号来重构齿轮信号，并且将重构的齿轮信号与基线信号(328)比较。该频率族包括齿轮啮合频率及其谐波。
文档编号G01M13/02GK102449457SQ201080024081
公开日2012年5月9日 申请日期2010年3月23日 优先权日2009年4月2日
发明者卡 C. 申请人:霍尼韦尔国际公司