发电站中的齿轮箱的磨损监控的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种监控发电站中的齿轮箱的磨损的方法，所述发电站诸如为风车、水车或者潮汐发电站，所述齿轮箱包括作为齿轮箱的部件的至少两个轴、嵌齿轮以及轴承。所述方法包括：借助旋转轴编码器感测所述轴的角位置；根据所感测的角位置之差异来监控所述传动单元的磨损；并且根据所监控到的差异产生代表所述齿轮箱的磨损的状况信号。所述监控包括附加地感测所述轴中的至少一个轴处的至少一个附加自由度，所述附加自由度尤其是轴向位移和/或偏心位移，这些位移是由所述齿轮箱的部件中的至少一个部件的磨损而造成，并且根据所述至少两个自由度中的位移和差异来产生状况信号。
【专利说明】发电站中的齿轮箱的磨损监控
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及根据权利要求1的前序部分所述的发电站中的齿轮箱的磨损的监控方法并且涉及根据权利要求10的前序部分所述的齿轮箱监控装置。
【背景技术】
[0002]风力发电设备(也称为风车)是一种有前途的可再生能源，其在市场上已是可利用的。多个风车通常集结在位于有风区域的风力发电场或风电场中。经典设计包括塔架，该塔架的顶部具有能水平地旋转的机舱，其中具有推进器叶片的转子布置在所述机舱处并且发电机也位于该机舱处。
[0003]在风车应用中，需要齿轮箱来将以每分钟大约6至20转(RPM)的运行速度的转子叶片旋转转移到在大约900至2000RPM的范围内运行的发电机。由于正齿轮通常允许达至每级大约1:5的传动比，因此需要多个齿轮级来实现所需的传动比。为了减小级数和齿轮数并且还出于效率、尺寸、噪声和成本的考虑，风力级能够另选地配备有至少一个具有更高传动率的行星齿轮级。还使用行星齿轮级和正齿轮级的组合。
[0004]风力发电站通常在兆瓦特范围内运行并且被设计为大约20年以上的寿命。尽管这样的齿轮箱的效率十分高(例如大约98%)，但鉴于传送兆瓦特的电力，因此齿轮箱自身或者其内部的油在许多情况下必须被积极地冷却。长的寿命还意味着转子旋转数亿圈并且发电机旋转数十亿圈。类似的应用还有其它运行缓慢的发电站中的齿轮箱，这些齿轮箱具有缓慢地旋转的输入轴，这些输入轴需要增速传动，像具有与上述风车类似的运行状况的水车、潮汐发电设备等。除了十分长的寿命之外，这种风车的载荷能够在大范围内迅速地改变，尤其是在紧急停止或者疾风、暴风或阵风的情况下能够迅速改变。通过改变叶片的迎角或者通过整个机舱的水平旋转能够实现载荷控制，但是与风速的可能改变相比这些调节较慢。而且，机舱中的环境和气候条件不利于机械装置运行。以上的因素表明了风车齿轮箱在运行期间将需要维护。
[0005]在齿轮箱的设计阶段期间存在十分复杂的方法来确定齿轮箱的预期运行时间。那些计算是基于预期载荷和基于统计数据和经验来进行的。由于在运行期间实际载荷分布的不确定性、制造公差以及通常严酷的环境条件，因此那些计算仅能用于确定包括相当大安全裕度的预防维修计划。运行期间内某些不期望的影响(诸如最大载荷、温度周期、制造不精确性等)能够造成早期故障，如果不被预先检测到，所述早期故障则会导致不期望的齿轮箱故障，例如卡住或者脱圈以及齿轮箱可能造成的所有负面影响。
[0006]在风车中，齿轮箱通常放置在机舱中而位于地平面上方很高的水平，因此难以维护或修理齿轮箱及其部件。尤其是因为风车通常位于遥远地区、山上或者甚至在海面上，因此难以接近它。在许多情况下，需要直升机来向机舱供应备用部件。
[0007]具体地，由于齿轮箱的维护和置换成本会十分高，因此期望基于所确定的齿轮箱的实际条件来定期修理和/或置换，而不是作为预防措施执行那些任务，通常恰好在实际寿命结束前进行修理和/或置换。[0008]估评齿轮箱的状况的已知方法是分析齿轮箱内的用于磨损的、具体的是用于磨擦的金属颗粒的油。除了周期性的手动分析之外，还已知有内嵌式传感器。例如，如果油分析的结果(作为齿轮磨损的指征)是严重的，则KR2007024230中提出的装置将提供状况信号和警报。
[0009]另一方法(该方法也已由技术人员手动地执行了几十年)是“听取”由齿轮箱发出的声音。在自动化系统中，这能通过由多种扩音器进行声音分析或者通过振动或加速传感器来进行。公报US2008/0234964、CN101196174或者US5，661，659涉及一种借助结构声音或振动分析来用于像齿轮箱的机械系统的磨损检测系统。公报US2007/0118333公开了一种异常诊断系统，其中，用于检测齿轮箱声音中的异常的声传感器被包括在轴承单元中。
[0010]在W02004/034010中，提出了一种在制造齿轮箱中用于质量监督的方法。该方法通过借助两个在齿轮箱组装完毕之后附接到齿轮轴的同步采样的旋转传感器来监控两个相互作用的嵌齿轮来实现的。其中，传动装置的齿轮隙由向前和向后模式中的测量值来确定的，所述向前和向后模式指示出了齿轮箱的质量。
[0011]在US6，175，793中，车辆的转向轮齿轮箱由位于齿轮箱的输入轴和输出轴处的类似的角位置感测装置并且还由转矩感测单元来监控。通过使与扭转相关的转矩的数学抵消，而产生了代表齿轮箱中的齿轮磨损的信号。
[0012]JP58034333涉及一种基于轴向位移的程度、电力设备的旋转速度和载荷不变地监控膜片联轴器处的应力条件。这通过用于检测与发电机轴联接的膜片联轴器的装配部件附近的轴向位移程度的装置来执行。基于该位移，电力设备的旋转速度和载荷、膜片联轴器处的应力被计算并且判断联轴器的安全运行状态。
[0013]尽管能从旋转位置数据推断出一些磨损影响，但包括在旋转数据中的磨损信息是不完全的并且对那些数据的评估是基于经验来进行的。齿轮的齿的游隙或齿轮隙能够十分精确地被估计，但齿轮箱中的许多磨损影响不能仅从旋转位置偏移量来推断出。如果仅分析角度测量值，则不能检测出自身最初在其它影响中出现但在角位置中不可见的磨损。
[0014]因此，期望一种用于确定齿轮箱的状况的更加可靠的基础。上述噪声测量能够覆盖磨损影响的较宽范围，但通常其不十分精确并且还包括推测以及与齿轮箱的每种情况不同的具体设置构造。而且，整个系统的期望的管理不便于仅由声分析来进行，所述期望的管理包括精确的载荷监控并且考虑对实际的载荷条件和关键系统部件的使用期限管理或寿命管理的依赖。尤其是，在像风车塔架中的那些大的且难以接近的机械装置中，错误检测值造成很大的成本，不管是进行了正的错误检测值或是负的错误检测值均如此。在许多关键应用中，对其自身的声分析是不可靠的但对于单机使用足够精确。
【发明内容】
[0015]本发明的目的在于提供一种借助对作为在寿命方面最为关键的部件之一的齿轮箱的精确和可靠的磨损监控来改善风力发电站的寿命管理。
[0016]因此，本发明的目的是更可靠地监控风车系统的齿轮箱。
[0017]本发明的另一目的在于提供一种用于监控整个齿轮箱在运行期间的磨损的改进的方法和系统，具体地包括对具有齿轮、轴以及轴承的整个装置的监控。
[0018]本发明的另一目的在于允许更精确地确定齿轮箱中的磨损部分的类型和部位，特别是提供用于齿轮箱的所有部件或者至少最关键部件的状况统计数据。
[0019]本发明的目的还在于覆盖监控中磨损指征的宽光谱范围，特别是还覆盖了从DC水平开始的低频率范围。
[0020]本发明涉及一种监控风力发电站中的齿轮箱的磨损的方法。所述齿轮箱包括作为齿轮箱的部件的至少一个第一轴、至少一个第二轴、嵌齿轮以及轴承。
[0021]所述方法包括:借助第一旋转轴编码器感测所述第一轴处的第一角位置(作为第一自由度);借助第二旋转轴编码器感测所述第二轴处的第二角位置。根据这些轴的被感测的角位置之差异来对所述齿轮箱的磨损进行监控，并且根据所监控的差异产生代表所述传动单元的磨损的状况信号。
[0022]所述方法还涉及:附加地感测所述轴中的至少一个轴的至少一个附加自由度，所述附加自由度尤其是轴向位移和/或偏心位移，这些位移尤其是由所述齿轮箱的部件中的至少一个部件的磨损而导致的位移；并且监控所述附加自由度作为磨损的指征并且根据所述位移和至少两个自由度，特别是至少一个角度自由度和至少一个线性自由度之差异来产生状况信号。
[0023]通过分析齿轮箱的输入和输出轴的旋转位置并且比较那些测量值，能够评估呈齿轮隙或游隙形式的磨损以及齿磨损或损坏的指征。尤其在转换旋转方向时产生游隙或齿轮隙。由于齿误差而产生的信号干扰具有旋转周期性。如果该误差未在所测量的轴上出现，而是例如出现在中间级齿轮上，则其以齿轮传递比为比例而呈现。
[0024]具体地，如果齿轮箱的转矩载荷也被测量并且与转矩相关的角位移影响被补偿，则上述磨损影响由这些轴相对于彼此的角位移差来表示。通过结合内部部件的材料和形状的知识，能够预测齿轮箱的在载荷下的理论行为及动力学，并且齿轮箱的或者其某些部分的动态性能能够被得出并被监控。
[0025]能够使用位于单个轴上的两个角度编码器来根据轴在载荷下的角扭曲或扭转来确定转矩，在这两个角度编码器之间具有转矩加载轴部分并且已知轴的刚度。由此，例如峰值转矩、转矩超过一定极限多少倍、载荷循环数等的事项能够被记录、评估和监控。这能够对于一个或多个轴线单独地进行。通过角位置测量，还已知了轴的旋转速度，并且借助转矩和速率，能够计算所传递的动力。如果确定了输入和输出轴上的动力，则能够计算齿轮箱的效率，或者通过位于每个轴上的两个编码器甚至内级中的每个级的效率来进行。在轴转一圈之内的扭转的波动也能够指示磨损。良好运行的齿轮将具有平滑的圆形的角转矩分布，而不具有峰值或异常。用于测量实际动力和/或转矩值的另一个来源能够是发电机的电力输出。
[0026]编码器能够是绝对编码器或相对编码器。为了以长期的方式确定，而能够使用绝对的角度编码器。通过这样，即使在不连续监控或动力故障的情况下，所测量的位置值的偏移相对于彼此是恒定的。通过分析位于不同轴处的至少两个绝对编码器的偏移的变化，能够评估系统内的作为磨损指征的传动装置的变化，尤其是在转矩产生和温度影响也被测量并且在数学上得以补偿时。
[0027]通过确定相对于齿轮箱基部的绝对角位置，通过使用绝对编码器或者具有至少一圈的精确基准标记的编码器，也能够覆盖附加的可能情况。例如，尤其具有或不具有载荷并且沿两个旋转方向，以齿轮的第一转来测量角分布基准作为基准数据。然后能够使用该基准数据来确定磨损或者异常影响。而且，在需要在现场进行修理的情况下，例如需要施加材料(例如通过焊接等)的断裂或重度磨损时，能够使用所述基准数据来重新建立基准状况(例如，通过非最佳成形齿的专用研磨)。因此，具体地借助重新操作嵌齿轮的执行部分，能够建立平滑的而没有峰值的角位置分布，这将指示齿轮的非最佳啮合。
[0028]除了以上对单个轴进行模拟之外，还能够例如在同相运行中计算或者通过实验来评估整个齿轮箱的刚度。能够对比理论的、实验的以及实际的系统行为，其中所得到的差异表示齿轮的状况并且所收集的信息由此还能够用于管理其寿命。
[0029]在实际使用中，不仅关注整个齿轮箱的磨损指征(诸如能够由结构声音或者仅由输入和输出编码器检测)，而且关注在齿轮箱的哪一级处或者哪一部分处出现磨损问题。能够使用传感器在许多、所有或者至少最关键的系统部件或者它们的相应轴处的巧妙排列来精确地监控整个齿轮箱。齿轮的监控能够在下至监控单个齿的水平来进行以确定其状况。
[0030]根据本发明，确定轴在多个自由度中的运动，特别是附加的轴向方向和偏心方向能够获得齿轮箱的状况的附加信息，并且能够实现更精确的监控。
[0031]一方面，这能够通过借助角度编码器与其它轴线传感器装置(例如光学位移传感器、电容式位移传感器或者电感式位移传感器)的结合而延长系统来进行。
[0032]另一个方案是使用这样的编码器，该编码器被构建还以确定偏心度和轴向移位。该编码器能够实施为电容编码器、光学旋转编码器、磁性编码器或者具有测量角位置和至少一个附加自由度的能力的其它类型的编码器。例如，能够使用具有线传感器或者区域传感器的光学角度编码器，以评估任意几何2D图案的光学投影，其中上述投影图案甚至可以是非径向的。这样的传感器、评估电路以及评估软件被优选为来确定投影的位置和/或比例的变化。在包括2D图案和轴向方向投影的径向盘的情况下，位置的改变代表着偏心，比例的变化代表着轴向移位，并且图案评估确定了角位置。
[0033]现有技术中的已知传感器(这些传感器能够检测这样的效果)未被预见用来测量其自身的效果，而是实现对于高精确的角度测量的补偿。在现有技术中轴向和偏心影响的值甚至不能在传感器的输出处获得，这是因为它们仅在内部用于角测量校正目的。即使这样的信息能够在不同的输出处获得，但是当根据本发明进行监控时使用后者来监控齿轮箱的不同磨损影响是不明显的。
[0034]传感器或者用于确定附加自由度的根本原理的示例性实施方式例如能够在W02008/083797, W02008/141817, W02007/051575 或者 EP1632754 中得到。
[0035]还能够根据本发明检测到轴承故障和轴承磨损，这是因为那些问题主要显示为偏心和轴向松动。尤其是，当使用螺旋切削嵌齿轮时，存在轴向力。在许多情况下，轴承被预拉伸并且如果轴承长时间松动，则这会表示磨损。尤其是，一旦轴承松动，则将出现研磨的增加。如果未被检测到，则这能够导致系统的完全故障，但如果被检测到并且被重新施加应力，则这能够被避免并且能够增长总寿命而不用更换并且具有低的维护成本。
[0036]另外，可以检测例如由于过载状况造成的塑性变形的轴故障，这也能导致偏心或轴向位移。如果在内部具有上述变形部分的齿轮箱保持操作，则将出现后续影响，借此不仅主要影响部分而且其它部分也将需要维护和替换。
[0037]尤其对于缓慢旋转的齿轮箱，由编码器进行的磨损监控能够比仅借助声音或振动进行的磨损监控有利，这是因为许多待被确定的误差项由于低旋转速度而发生在低频率下。由于声音和振动分析对于较高频率是有利的，因此磨损监控原理的结合覆盖了宽光谱范围，这在慢转和快转都必须被覆盖时是特别有利的。
[0038]而且，实际载荷循环的精确监控改善了寿命估计的确定性。例如，齿轮箱以低载荷(最好在其被设计的值之下)运行将能实现寿命的延长。另一方面，不期望的严重撞击能够显著地将剩余寿命降低至期望值以下。内部部件的由于短期的过载状况而造成的未被检测到的轻微变形能够导致磨损增大，并且还影响齿轮箱的其它部件。结果，甚至需要将整个齿轮箱完全置换。通过首先对轻微变形的简单修正，能够避免上述情形。
[0039]导致寿命减少的另一示例是轴中的一个轴处的不平衡。这也能根据本发明进行检测，这是因为特别是通过基于频率或速度的偏心能够由偏心效果观测到。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]以下参照附图中示意地示出的工作示例仅以示例的方式更详细地描述或说明根据本发明的方法、装置和设置。具体地:
[0041]图1示出了单级齿轮箱的第一实施方式的示例，用于说明根据本发明的方法；
[0042]图2示出了根据本发明的多级齿轮箱和另选的传感器设置的第二实施方式的示例；
[0043]图3a示出了概略的传动装置，该传动装置具有能够根据本发明来使用的传感器的示例性实施方式；
[0044]图3b示出了用于说明根据本发明的方法的概略框图；
[0045]图4示出了齿轮箱和能够由根据本发明的方法使用的传感器的其它示例的特定实施方式；
[0046]图5示出了行星级齿轮箱，以说明根据本发明的方法的应用性；
[0047]图6示出了具有用于根据本发明的方法的传感器的风车的传动系统的实施方式；
[0048]图7示出了风场的示例，该风场根据本发明来监控和管理；
[0049]附图中的各图都不应被看作是按比例绘制的。
【具体实施方式】
[0050]图1示出了具有两个轴(输入轴2A和输出轴2B)的单级齿轮箱I的示例性实施方式。明显地，通过改变轴2A和2B的角色，齿轮箱I还能以相反的方向被使用。轴2A和2B由轴承10支撑。轴承10例如能够是滑动轴承、滚动轴承、空气轴承、流体轴承、磁性轴承等。由于该实施方式示出了单级齿轮箱1，因此，具有包括在齿轮箱I内的两个相互作用的齿轮3A和3B，即:输入齿轮3A和输出齿轮3B。齿轮箱I能够涂以润滑剂或者填充有诸如油的润滑剂，尤其是用于减小摩擦，或者还能够为了冷却而能够应用强制润滑系统。
[0051]由于速度/动量比的转化是齿轮箱I的常用目的，因此齿轮3A和3B不但具有不同的直径和齿数以实现期望的齿轮传递比，而且输出轴2B相对于输入轴2A的横向位移或角位移或者滚动方向的改变也能是齿轮箱I的目的。
[0052]根据本发明，存在附接到齿轮箱I的至少两个传感器IlA和11B。如上所述，这两个传感器都能够检测轴2A相对于齿轮箱的基体I的角位置30,作为第一自由度。传感器IlAUlB或者附加传感器中的至少一个传感器能够检测轴向位移31或者偏心位移32。在图1中，传感器IlA和IlB都能够检测三个自由度，一个自由度是绕轴线旋转的旋转位移30，一个自由度是轴向位移31，一个自由度是偏心位移32。本领域技术人员能够认识到以下情况:偏心位移32自身的误差能够被认为是两维中的笛卡尔位移，从而导致总共四个维度，即，三个线性维度和一个旋转维度。另选地，偏心位移32的误差能够被认为是旋转角度或旋转半径的极位移，并且由于覆盖了旋转自由度，因此必须覆盖仅一个呈半径形式的附加自由度，从而导致总共三个值，即，一个旋转值和两个线性值。
[0053]为了测量由于磨损导致的位移，通过测量例如温度和转矩带来的影响并且模拟并减去由其产生的位移而能够用数学方法消去如温度应变或机械应变的其它影响。
[0054]转矩测量能够根据发电机的电力输出或者通过借助来自传感器2A和2B的角信息来测量轴的扭转而通过专有装置来进行。通过在一个(或多个)加载转矩的轴部分的两端处的角测量，由轴的扭转而带来的测量值之差异将与转矩成比例，尤其是当齿轮隙和其它影响被消除时。通过已知能够由角度编码器确定的转矩和旋转速度，还能够计算所传递的功率。
[0055]齿轮箱中的角位移是用于检测齿轮和轴的扭转以及还用于确定齿轮隙的良好指标。一定的齿轮隙对于功能性齿轮传递是必须的，但游隙太大或太小都是不利的并且指示了寿命的推定减少。而且，齿轮的一个或多个齿的完全失效或至少部分损坏能够通过齿轮隙的增大来识别，这伴随着旋转周期而发生，并且每次均在齿轮的受影响部分相互作用时发生。
[0056]齿轮箱I内的实际的力和载荷状况十分复杂。例如，齿轮间结合的力通常包括轴向分量、径向分量和切向分量，所述轴向分量使齿轮侧向移位(对于螺旋切削齿轮尤其如此)，所述径向分量迫使两个嵌齿轮分开，所述切向分量传递实际的动量。此外，还不能避免一些摩擦力。那些力都由齿轮3A、3B、轴承10、轴2A、2B和齿轮箱I的壳体来承担以实现力平衡。
[0057]现有技术的单独对角的诊断自身不能够检测轴向影响31或径向影响32。例如，由于齿轮的半径而带来的径向力和切向力以及还有轴向力造成施加到轴的弯曲力矩以及还在轴承10处造成横向力和纵向力。与理论上没有力作用的轴的轴线相比，这些弯曲力矩造成轴2A的偏心位移32。横向力也由轴承10承担并且使轴承10沿轴向方向31移位。
[0058]那些力的影响还与齿轮箱I的状况相关并且影响或者指示齿轮箱I的磨损，而不管这些力是不是能够由仅旋转的编码器检测和评估。根据本发明通过分析所有的力或者甚至由其带来的影响，实现对摩擦、变形、游隙、损失和其它影响的更精确的分析。
[0059]而且，根据本发明轴承10能够被监控，因为它们也经受磨损，有时甚至比齿轮3A、3B磨损程度更大。在大多数情况下，轴承磨损不导致齿轮3A、3B的游隙或齿轮隙增大，但是导致偏心或者轴向游隙，这不能由仅旋转的编码器来检测。
[0060]图中还示出了来自传感器5A和5B以及评估单元4的测量信号。为了同时确定角位置之差异，传感器IlA和IlB的读取优选地被同步。评估单元基于从传感器IlA和IlB所感测的位置和位移信息来产生代表齿轮箱I的磨损的信号。
[0061]图2示出了多级齿轮箱I。该齿轮箱I包括至少一个施加有驱动转矩或动量的输入轴2A以及至少一个去除了驱动转矩的输出轴2B，而具有随着齿比而变化的转矩/速度t匕。在两个轴2A和2B之间，存在多个齿轮3A、3B、3C1、3C2，在该具体示例中，一个另外的中间级轴3C配备有两个嵌齿轮3C1、3C2。这样的多级齿轮箱能够被看作单级齿轮箱的菊链(daisy chain)，其中一个级的输入轴与前面级的输出轴合并，从而造成中间级，该中间级也不能从齿轮轴的外部接近并看见。
[0062]齿轮被附接到中心轴，因此能借助一些轴承绕轴旋转或者联接到该轴，以将转矩从齿轮传递到轴。还具有已知的特定齿轮装置，诸如链齿轮、蜗轮、正齿轮、行星齿轮驱动装置等，这些装置能具有比简单的正齿轮更复杂的机械装置。
[0063]对于齿轮还存在与已知齿不同的形状和布置。例如，螺旋切削齿轮与齿正交的齿轮相比能实现更为平滑的运行并且已知产生较低的噪音，但具有作用在轴和轴承上的附加轴向力的不利影响。在这些齿轮中，齿是关键部分，这是因为它们必须将转矩从一个轮传递到另一个轮。基于齿的实际形状和形状精度，在齿的表面上会出现高的精准负载。此外，两个相互作用的齿之间将会发生一些摩擦。尽管摩擦理论上能够通过设计被避免并且能通过仅采用滚动运动来取代，但实际上至少一些摩擦由于生产公差、安装不精确、热膨胀等将始终保留。而且，齿的载荷分布的周期性变化会增大疲劳问题和故障。
[0064]齿轮箱I的齿上的载荷将在齿轮箱I中造成磨损，该磨损能导致齿轮箱I损坏。齿轮箱I的总共两种故障(卡住或脱圈)还能造成严重的后续损坏。齿磨损(尤其是在未被检测到时)甚至将增加摩擦和刮擦、产生更多的热以及甚至导致紧接的齿故障，例如一个或多个齿的裂痕、滑脱或者甚至断裂。具体地，在一个齿故障的情况下，齿轮箱将保持作业，但另外齿上的负载增加，由此这些另外的齿很可能在较短时间内也发生故障。在齿的断裂部被挤在两个齿轮之间时还可能够造成卡住。
[0065]尤其是必须传递大的力的重型机械装置(诸如风力设备)需要相应大的齿轮和齿轮箱，这带来高成本并且难以检查和维护。而且，整个机械装置必须被暂停以进行错误诊断和维护，从而导致生产率损失。
[0066]通过将传感器放置在轴的未加载端(如由传感器IlC和IlD所示)能够实现传感器的几乎不依赖于转矩的测量。因为齿轮3B和3C2自身由于它们的几何形状而具有高的扭转强度，因此轴的未加载端将随着齿轮旋转，几乎不受由齿轮箱传递的实际动力对扭转的影响。
[0067]传感器IlD是这样的实施方式的示例，S卩，其使用专用的线性位置传感器，该线性位置传感器具有在传感器IlE处由双箭头表示的轴向自由度。传感器IlA具有伴随的离心传感器11F，该离心传感器IlF由紧挨着该传感器IlF表示的两个自由度表示，该传感器IlF测量与传感器IlA相同的轴。如上所述，偏心也能够在极坐标中以角度和半径来表示。由于角位置已被测量出，因此仅必须确定半径，这例如能通过在一个附加的(线性的)自由度上感测轴的周向得出径向距离来进行。
[0068]在所示的实施方式中，还存在位于内级轴2C处的传感器11C。由此齿轮箱I中的所有轴都能够被监控并且各传动级都能够被单独地评估。例如，如果中间轴2C和/或其齿轮3C2被已知或预期为是齿轮箱中的最弱的环节，则这样的直接测量是有利的。具体地，所示的传感器IlC甚至位于齿轮箱I的内部。
[0069]在另外的实施方式中，齿轮箱I的其它轴或者更多的轴可配备有用于自由度的单独子集的传感器。例如，在详尽的实施方式中，每个轴的每端均能配备有能够感测旋转自由度、轴向自由度和离心自由度的传感器。[0070]图3a示出了具有两个嵌齿轮3A和3B (未示出齿)的齿轮系统，这两个嵌齿轮具有用于至少测量旋转自由度的示例性实施方式的传感器。传感器IlA包括编码轮IllA和布置在编码轮的外周处的四个传感器112A。传感器的布置使得确定编码轮的偏心，同时这些传感器被嵌入以使得根据用于编码轮的投影的比例因子来确定轴向位置。
[0071]传感器IlB包括单个线性传感器112B和带有用于旋转位置确定的编码的编码轮IllB以及还具有两个内环，通过评估这些环的投影的比例和位移这两个内环能够用于确定偏心和轴向位置。
[0072]存在能够测量旋转位置和附加的线性位移或者倾斜的各种其它传感器设计。例如，欧洲专利申请Nr.10157931.6涉及一种用一个单个装置来测量多个自由度。除了那些离心感测原理之外，还存在已知的中心感测编码器，如像DE19750474、EP1890113或者DE3924460中的那样，它们都是对轴的平整端直接进行测量，并且还能够根据本发明被使用。
[0073]用于确定至少两个自由度的一个单个传感器包括编码载体111AU11B和传感器装置112AU12B，其中编码载体和传感器装置能够绕轴的轴线相对于彼此旋转(作为第一自由度)。该感测包括在传感器装置112A，112B上基于编码器载体111A，IllB相对于传感器装置112A，112B的三维位移来产生编码投影并且检测编码投影的至少一部分。根据编码投影，来确定编码载体111A，111B的基于轴的轴线的角位置。
[0074]而且，基于编码投影来确定用于编码载体111A，IllB相对于传感器装置112A，112B的至少一个附加自由度的位移值，具体地，确定传感器装置相对于编码载体的轴向位移和/或传感器装置相对于编码载体的偏心。
[0075]图3B示出了监控齿轮箱I的方法的框图，所述齿轮箱包括多个齿轮级45A、45B、45C，这些齿轮级具有至少一个对应轴2A、2B、2C并且彼此发生机械作用。齿轮级45A、45B、45C配备有能够为不同类型的传感器装置。如可行的示例那样，示出了角度传感器40A和40B、轴向移位传感器41A、偏心传感器42B以及组合的角度、轴向以及偏心传感器43C。用于监控齿轮箱I的计算单元4基于传感器数据来确定状况信号47，该信号47能包括单个信息或者专用于齿轮箱I的特定部件、齿轮级或者子集的信息。
[0076]如上所述，声音/振动分析能够特别充分地覆盖更高的频率范围，借此能够使用两种磨损监控原理的组合来覆盖宽的光谱范围。尤其是，如果存在或慢或快的旋转，则位置和声音监控的组合会是有利的。例如，在根据本发明的用于风车或水车齿轮箱的实施方式中，输入级(以大约10RPM缓慢地旋转)能够由角度感测45A、45B、45C来监控，而输出级(以大约2000RPM快速地旋转)除了位置感测之外或者作为位置感测的另选方式，能够由声音和/或振动监控48来覆盖。根据本发明，还能够监控低频磨损影响，该低频磨损不能由声音分析来很好地覆盖或者通常被外部噪声源和振动源遮盖，例如整个风车塔架的摆动等。
[0077]图4示出了蜗轮的【具体实施方式】，其中轴2A具体地由于齿系统3A的设计而被轴向加载。
[0078]传感器7A和输入轴2A上的对应的编码部8A收录(embody)有轴8A上的编码。编码8A例如能够被(激光)刻印、蚀刻、印刷、粘附在轴上，并且读取头7A被定位以感测编码8A的至少一部分，以确定角位置。通过感测轴和传感器之间的距离，还能够例如以光学的方式或者电容的方式确定偏心。编码8A和读取头7A能够进一步确定轴向位置，该信息也被评估不仅用以确定传动装置的磨损而且确定必须维持轴向负载的轴承的磨损。这样的系统还能够被用于迅速地改型，这是因为轴仅需要为了施加编码8A而止动。
[0079]在该实施方式中，第二传感器IlB被构造为直接感测嵌齿轮3B的齿的齿式传感器。例如，这能够借助在传感器和齿之间进行距离评估而以电容方式或者磁性方式来进行。旋转的嵌齿轮将造成具有交替部分的信号，该交替部分表示齿和角位置以及偏移，该信号由于偏心而例如能具有一转的周期性。明显地，上述的传感器原理不局限于蜗轮，而是还能够应用于其它齿轮箱类型。
[0080]图5示出了行星齿轮级的实施方式。在一个实施方式中，行星齿轮具有旋转外圈3A和供附接行星齿轮3C、3D、3E的停滞的行星齿轮架50。另一实施方式通过固定的外圈3A和旋转的行星齿轮架50来实现。传感器的放置因此改变，这是因为优选地将传感器布置在非旋转部件上以便于电连接和读取，但还能够使用以旋转的方式连接或者借助无线手段连接的旋转传感器。
[0081]在所示的示例中，行星齿轮架50是静止的，因此行星齿轮3C、3D、3E能够由三个传感器11C、I ID、IIE来感测。而且，输入和输出轴或轮3A和3B能够由传感器IIA和IIB感测。由此整个齿轮能够被监控，尽管已知行星齿轮难以由声学手段来监控。
[0082]当行星齿轮架旋转时，行星齿轮的感测将需要可转动的电连接或者一些无线手段，但至少能感测整个齿轮架的旋转，如果行星齿轮被损坏则这将受到偏心的影响。
[0083]图6示出了风力设备的机械传动系统的另一实施方式，该风力设备具有转子20、齿轮箱I和发电机21。齿轮箱I包括多个级(具体地为三个级)，其中第一级是行星级22，其它级包括螺旋切削嵌齿轮级23、24。根据本发明，轴线的轴配备有传感器IlA至11G，这些传感器中的至少一个(优选地为全部)能够感测旋转和至少一个附加的自由度，具体地为轴向和/或偏心位移。
[0084]图7示出了风力设备场的示意图，该场具有多个风车99，每个风车均具有连接到齿轮箱I的转子20。在齿轮箱I的另一端，具有发电机21。所有这些部分都位于塔架101上的机舱100的内部。根据本发明齿轮箱I配备有监控装置4，以监控齿轮箱的磨损并进行
寿命管理。
[0085]监控装置4允许进行精确地监控各风车99的磨损状况。通过所得到的数据，不仅能够确定整个风车99的健康，而且能够对部件特别是关键部件的水平进行诊断。本发明的优点的一个示例是通过甚至在开启齿轮箱之前了解所需要的备用部件，进而在维护之前收集所需要的部件。而且，能够以非常精确的水平进行例如故障趋势的统计分析。
[0086]基于这些数据不仅能够制定维修计划，而且能够计划风电场中的风车之间的其它载荷分布，以实现多个风车之间的维修间隔的平衡，从而允许在同一时间内维护多个风车并且不无计划地根据当前需求来进行。
[0087]由于齿轮箱上磨损载荷减少一半能够一定程度地延长其寿命，因此维修能够被计划至期望的时间，例如，根据天气预报的无风时节，但仍产生能量(但具有略微降低的效率)。
【权利要求】
1.一种监控发电站(99)中的齿轮箱(I)的磨损的方法，所述发电站尤其为风力发电站、水车发电站或者潮汐发电站，所述齿轮箱至少包括下列部件: 至少第一轴(2A)； 至少第二轴(2B)； 嵌齿轮(3A，3B);以及 轴承(10)， 所述方法包括: 借助第一旋转轴编码器感测所述第一轴(2A)的第一角位置(40A)； 借助第二旋转轴编码器感测所述第二轴(2B)的第二角位置(40B)； 根据所述第一轴(2A)和所述第二轴(2B)的被感测到的角位置之差异来监控所述齿轮箱(I)的磨损；以及 根据所监控到的差异而产生代表所述齿轮箱(I)的磨损的状况信号(47)， 其特征在于， 附加地感测所述第一轴(2A)和/或所述第二轴(2B)在至少一个附加自由度(41A，42B，43C)中的位移，所述位移尤其是轴向位移和/或偏心位移，这些位移尤其是由所述齿轮箱(I)的部件中的至少一个部件的磨损导致的位移， 其中所述附加自由度中的 所述位移被包括在所述监控和所述状况信号的产生中，以作为磨损的指征。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对这些轴中的一个轴处的角位置和位移的感测由一个单个装置来执行，所述一个单个装置在至少两个自由度中进行感测。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个单个装置包括: 编码载体(111A，111B)和传感器装置(112A，112B)，所述编码载体和所述传感器装置能够相对于彼此旋转，作为第一自由度， 并且所述感测包括 基于所述编码载体(111A，11IB )相对于所述传感器装置(112A，112B )的三维位移而在所述传感器装置(112A，112B)上产生编码投影并且检测所述编码投影的至少一部分； 通过所述编码投影确定所述编码载体(111A，111B)的角位置； 基于所述编码投影确定所述编码载体(111A，111B)相对于所述传感器装置(112A，112B)来说的所述至少一个附加自由度的位移值，特别地，其中确定所述传感器装置相对于所述编码载体的轴向位移和/或所述传感器装置相对于所述编码载体的偏心。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于， 感测所述第一轴和/或第二轴(2A，2B，2C)中的每个轴上的不同轴向部位处的至少两个角位置而确定各个轴(2k, 2B, 2C)的扭曲，特别地，其中选择所述不同轴向部位，使得加载有转矩的轴部分位于所述轴向部位之间，特别地，其中基于角位置差异和已知或推测的轴刚度来确定转矩载荷。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据感测到的所述位置和/或位移以及所确定的转矩载荷来确定所述齿轮箱(I)的效率和/或损失。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于， 根据所述轴(2A，2B，2C)的所感测到的轴向位移和/或偏心位移来监控所述轴承(10)的状况，尤其是监控所述轴承(10)的松的预应力和/或径向跳动。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于， 对于所述齿轮箱(I)中的所述轴(2A，2B，2C)中的每个轴均在至少两个自由度中对所述轴的实际定位和/或取向进行感测，特别地，其中借助所述齿轮箱中的所述轴中的每个轴上的所述至少一个传感器来感测角位置以及轴向位移和/或偏心位移，优选地其中所述感测在时间上是同步的。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其特征在于， 对所述齿轮箱进行附加的声音/振动监控，特别地，其中所述位置监控和位移监控覆盖所评估的磨损指征的较低频率范围，并且所述声音/振动监控覆盖所评估的磨损指征的较高频率范围。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其特征在于， 优选地通过平衡风电场中的多个发电站(99)的期望的寿命，来确定所述齿轮箱(I)的根据所述状况信号(47)的寿命管理，特别地，其中确定施加到所述齿轮箱(I)的许可载荷状况。
10.一种用于发电站的齿轮箱监控装置，所述齿轮箱监控装置特别是风力发电站齿轮箱监控装置、水车发电站齿轮箱监控装置、潮汐发电站齿轮箱监控装置，所述齿轮箱监控装置包括: 用于第一轴(2A)的角度轴编码器； 用于第二轴(2B)的角度轴编码器；以及 计算单元(4)，该计算单元用于根据所述角度轴编码器的信号，特别是通过确定至少两个所述角度轴编码器的所述信号之差异，来监控所述齿轮箱(I)的磨损状况， 其特征在于， 至少一个位移传感器，所述至少一个位移传感器用于确定所述齿轮箱(I)的轴在至少一个平移自由度中尤其是在轴向自由度或偏心自由度中的位移，其中，所述计算单元构建成根据所述角度轴编码器的信号和来自所述至少一个位移传感器的至少一个信号来确定所述齿轮箱(I)的磨损。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于， 所述角度轴编码器和所述位移传感器实施为单个传感器，该单个传感器构建成感测至少两个自由度，特别地，其中所述齿轮箱(I)的磨损状况根据来自所述单个传感器的角位置信号和至少一个轴向位置信号和/或偏心位置信号来确定，优选地其中包括用于确定所述齿轮箱(I)的转矩加载信号的其它装置和/或用于捕获处于不同时刻的信号的同步装置。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于， 所述第一轴和/或所述第二轴具有另外的角度轴编码器，并且所述轴的扭曲由所述计算单元(4)根据这些角度轴编码器的相对角位置之差异来确定，特别地，其中由所述计算单元(4 )根据所述扭曲和所述轴的刚度来产生转矩加载信号。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其特征在于， 所述齿轮箱(I)的中间级轴(2C)配备有传感器，特别地所有的轴都配备有至少一个传感器。
14.一种磨损受监控的齿轮箱系统，该磨损受监控的齿轮箱系统包括齿轮箱(I)和根据权利要求10至13中任一项所述的齿轮箱监控装置，该磨损受监控的齿轮箱系统适于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
15.一种计算机程序产品，其中程序代码被存储在机器可读介质上，所述程序代码构造成自动地执行并运行根据权利要求1至9中任一项所述的监控齿轮箱的磨损的方法，特别是程序在根据权利要求10至13`中任一项的所述齿轮箱监控装置的计算单元上被执行。
【文档编号】G01M13/02GK103430004SQ201280011281
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年3月9日 优先权日:2011年3月11日
【发明者】波·佩特尔松 申请人:赫克斯冈技术中心