齿轮箱模型式诊断方法、工具以及计算机可读取存储介质的制作方法

专利名称：齿轮箱模型式诊断方法、工具以及计算机可读取存储介质的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及用于齿轮箱的齿轮箱故障诊断与状态监控系统。
背景技术：
齿轮箱使用过程中发生故障的情况很常见，牵涉到高额维修费用。对齿轮箱状 态的持续监控能够预先识别可能的故障。这可向使用者或操作者发出警告，使得他们在 造成巨大损失或灾难性后果的故障发生前就采取挽救措施。齿轮箱能够从使用状态监控中获益的一个例子是风机中的齿轮箱。在运行过程 中，风机承受作用于其结构和转子叶片上的载荷。这些载荷可以施加在任意方向，并且 在风机上的载荷可能不对称。因此在转子叶片轮毂上的载荷可能是任意方向的力和绕任 意轴线的力矩。这些力和力矩会导致齿轮箱内部部件的变形，从而影响齿轮箱中单个部 件的受损程度。风机所受的载荷实质上是随机的，因此很难预测，这个事实使得问题更为复
ο机器操作者(如风机操作者)必须为系统选择最合适的维护方案。通常，方案 可包括运行至失效、定期维护和/或根据状态(主要是可靠性)进行维护。状态监控在 工程上是已确立的实践方法，对根据状态进行维护的方案来说也是极其重要的因素。一 般认为，当机器满足以下一个或多个条件时，使用根据状态进行维护.机器很昂贵；.备用件定货交付期很长；.中断运行会导致较大经济损失；.停机维修昂贵，需要专业人员；.需要减少专业维护人员的数量；.监控方法的成本可以接受；.故障具有危险性；.设备为远程设备；.故障不是通过常规操作输出退化的方式显现；和/或.继发损坏可能导致较大经济损失。风机可以满足以上很多条件，因此很适用根据状态进行维护。然而，风机操作 者通常无法采用根据状态进行维护的策略，原因是他们无法在任意时间点精确预测或测 量风机的状态。现有的状态监控方法包括振动分析；声学监控；油质分析；温度监控；以及 电力发电机监控。这些方法的缺点是，无法将测量得到的或监控得到的数据与齿轮箱的 单个部件的剩余寿命关联起来。同样，这些方法也无法将测量得到的数据与给定时间段 内的失效概率关联。现有的状态监控系统都有这个缺点。风机操作者想要知道到下一次计划内维护为止这一给定时间段内的失效概率。对风机、尤其是海上风机进行一次计划外维护的成本相当高昂。目前对齿轮箱状态监控多采用振动分析。然而，现有振动分析方法通常依靠在 每个需要监控的部件附近放置传感器来进行。例如，在齿轮箱的行星齿系附近安装传感 器。传感器的定位方式使得信噪比最大化。然而，不必使得有关给定齿轮箱设计的最多 信息的传输最优化。传感器放置的位置应当能够提供好的故障区分度。然而目前并没有 已成形的实践方案来实现这一点，这主要是由于缺乏足够详细的模型所导致的。这里所用的术语“故障区分度”指的是使用一个或多个传感器记录数据时，能 够区分系统内的不同的故障。传感器在系统内放置的位置使得单个传感器的输出或多个 传感器的输出能够对系统故障进行区分。在现有振动分析方法中，当传感器提供的测量值超过预定的阈值时，用户会得 到警报部件某处可能有故障或制造误差。然而，用户无法得知故障或误差的实质。这 一方法也很有可能导致误报。首先，无法区分与故障或损伤有关的振动，和与他们无关 的振动。其次，在振动分析系统中，阈值水平的选择对于系统能够可靠检测故障或损伤 是很关键的。但阈值水平并不一定是恒定的，可能随着频率(和速度)而变化。震动和 外来振动的存在要求阈值水平必须设定得足够高，以使误报的风险最小化。另外，阈值 还必须设得足够高，已应对在整个寿命期间内传感器性能蠕变可能产生的负面效应。因此，振动分析不光很有可能导致误报，而且也无法在相应振动值低于阈值水 平的时候检测到关键的损伤或失效。对于齿轮箱操作者来说，要确定现有的振动分析状 态监控系统(CMS)所发出的警报是真实的还是误报，通常是非常困难甚至不可能的。因为安装环境的问题，海上风机齿轮箱的维护非常困难，必须周密计划。计划 外的维护费用非常昂贵。如果齿轮箱失效，风机所有者或操作者必须考虑计划外维护所 带来的高额费用，并在此和等到下一次计划内维护时再进行维修所带来的产能损失之间 做出权衡。他们还必须考虑齿轮箱部件不正常转动时可能发生的连锁效应，比如腐蚀以 及轴承损伤等。当状态监控系统启动报警时，风机操作者必须考虑误报的可能性。如果警报显 示有某些损伤发生，操作者可能会考虑让风机进入低产能模式，以降低在下一次计划内 维护前产生昂贵失效的可能性。这可以通过改变转子叶片的倾斜程度，或在某些情况下 关闭风机来完成。然而，现有的状态监控系统无法提供齿轮箱中部件失效概率的相关信 息。对此类信息的需求度很高，但现有的状态监控方法都无法满足。现有的状态监控方法一般都是进行故障诊断。然而，对于想要以根据状态进行 维护方法进行操作的齿轮箱操作者来说，机器状态的预诊也是非常必要的。在风机齿轮 箱领域尤其如此，然而目前对此还没有合适的解决方案。

发明内容
需要消除或克服至少部分上述强调的现有方案存在的问题。根据本发明的一个方面，提供一种用于确定齿轮箱、传动系统和/或发电机中 或上的下线测试传感器位置的方法，该方法包括a)生成用于齿轮箱、传动系统和/或 发电机的名义模型，并计算所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多 个位置所对应的第一组模拟响应；b)对名义模型引入制造变化，并计算所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置所对应的第二组模拟响应；C)根据 第一组模拟响应和第二组模拟响应的区别，生成模拟残差阵列；以及d)根据所述一个或 多个位置的每个位置对应的模拟残差值，在所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中 或上的一个或多个位置中选择一个或多个，作为下线测试传感器的位置。根据本发明的另一个方面，提供一种用于确定齿轮箱、传动系统和/或发电机 中或上的下线测试传感器位置的工具，该工具包括用于对齿轮箱、传动系统和/或发 电机建立名义模型并计算所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个 位置所对应的第一组模拟响应的部件；用于在名义模型中引入制造变化并计算所建模的 齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置所对应的第二组模拟响应的部 件；用于根据第一组模拟响应和第二组模拟响应的区别，生成模拟残差阵列的部件；以 及用于根据所述一个或多个位置的每个位置对应的模拟残差值，在所建模的齿轮箱、传 动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置中选择一个或多个，作为下线测试传感器 的位置的部件。根据本发明的另一个方面，提供一种带编码指令的计算机可读取的存储介质， 当所述指令由处理器执行时，能够执行a)对齿轮箱、传动系统和/或发电机建立名义 模型并计算所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置所对应的 第一组模拟响应；b)在名义模型中引入制造变化并计算所建模的齿轮箱、传动系统和/ 或发电机中或上的一个或多个位置所对应的第二组模拟响应；c)根据第一组模拟响应和 第二组模拟响应的区别，生成模拟残差阵列；以及d)根据所述一个或多个位置的每个位 置对应的模拟残差值，在所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个 位置中选择一个或多个，作为下线测试传感器的位置。根据本发明的另一个方面，提供一种用于确定齿轮箱、传动系统和/或发电机 的一个或多个部件的实际制造变化的方法，该方法包括a)对齿轮箱、传动系统和/或 发电机的名义模型提供模拟响应；b)提供与所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中 或上的一个或多个位置相应的模拟残差阵列；c)将一个或多个下线测试传感器放置在齿 轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置处，其中齿轮箱、传动系统和/或 发电机中或上的一个或多个位置对应所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的 一个或多个位置；d)运行齿轮箱、传动系统和/或发电机；e)使用一个或多个下线测试 传感器，检测并记录齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置的响应；f) 根据记录响应和模拟响应，计算记录残差；以及g)通过对比记录残差与模拟残差，确定 齿轮箱、传动系统和/或发电机的部件的实际制造变化。根据本发明的另一个方面，提供一种用于确定齿轮箱、传动系统和/或发电机 的一个或多个部件的实际制造变化的工具，该工具包括用于对齿轮箱、传动系统和/ 或发电机的名义模型提供模拟响应的部件；用于提供与所建模的齿轮箱、传动系统和/ 或发电机中或上的一个或多个位置相应的模拟残差阵列的部件；用于将一个或多个下线 测试传感器放置在齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置上的部件， 其中齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置对应所建模的齿轮箱、传 动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置；用于运行齿轮箱、传动系统和/或发电机 的部件；用于使用一个或多个下线测试传感器检测并记录齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置处的响应的部件；用于根据记录响应和模拟响应计算记录残 差的部件；以及用于通过对比记录残差与模拟残差来确定齿轮箱、传动系统和/或发电 机的部件的实际制造变化的部件。根据本发明的另一个方面，提供一种带编码指令的计算机可读取的存储介质， 当所述指令由处理器执行时，能够执行a)对齿轮箱、传动系统和/或发电机的名义模 型提供模拟响应；b)提供与所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多 个位置相应的模拟残差阵列；c)根据记录响应与模拟响应计算记录残差，在齿轮箱、传 动系统和/或发电机运行时，由一个或多个下线测试传感器检测和记录齿轮箱、传动系 统和/或发电机中或上的一个或多个位置处的记录响应，齿轮箱、传动系统和/或发电机 中或上的一个或多个位置对应所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或 多个位置；以及d)通过对比记录残差与模拟残差，确定齿轮箱、传动系统和/或发电机 的部件的实际制造变化。根据本发明的另一个方面，提供一种用于运行齿轮箱、传动系统和/或发电机 的方法，该方法包括a)持续监测施加在齿轮箱、传动系统和/或发电机上的力和力 矩；b)根据施加在齿轮箱、传动系统和/或发电机上的力和力矩，计算齿轮箱、传动系 统和/或发电机的一个或多个部件的每一个的损伤；c)根据计算得到的齿轮箱、传动系 统和/或发电机的一个或多个部件的损伤以及预定或预测的齿轮箱、传动系统和/或发电 机的未来运行情况，预测齿轮箱、传动系统和/或发电机中的一个或多个部件的寿命。根据本发明的另一个方面，提供一种用于运行齿轮箱、传动系统和/或发电机 的工具，该工具包括用于持续监测施加在齿轮箱、传动系统和/或发电机上的力和力 矩的部件；用于根据施加在齿轮箱、传动系统和/或发电机上的力和力矩计算齿轮箱、 传动系统和/或发电机的一个或多个部件的每一个的损伤的部件；用于根据计算得到的 齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的损伤以及预定或预测的齿轮箱、传 动系统和/或发电机的未来运行情况，预测齿轮箱、传动系统和/或发电机中的一个或多 个部件的寿命的部件。根据本发明的另一个方面，提供一种带编码指令的计算机可读取的存储介质， 当所述指令由处理器执行时，能够执行根据施加在齿轮箱、传动系统和/或发电机上 的力和力矩，计算齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的每一个的损伤； 根据计算得到的齿轮箱、传动系统和/或发电机内的一个或多个部件的损伤以及预定或 预测的齿轮箱、传动系统和/或发电机的未来运行情况，预测齿轮箱、传动系统和/或发 电机中的一个或多个部件的寿命。根据本发明的另一个方面，提供一种用于运行齿轮箱、传动系统和/或发电机 的方法，方法包括a)持续监测作用于齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个力 和/或一个或多个力矩；b)根据作用于齿轮箱、传动系统和/或发电机上的一个或多个 力和/或一个或多个力矩计算齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的每一个 的损伤；c)根据计算得到的齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的损伤以 及预定或预测的齿轮箱、传动系统和/或发电机的未来运行情况，预测齿轮箱、传动系 统和/或发电机中的一个或多个部件的寿命。根据本发明的另一个方面，提供一种用于运行齿轮箱、传动系统和/或发电机的工具，该工具包括用于持续监测作用于齿轮箱、传动系统和/或发电机上的一个或 多个力和/或一个或多个力矩的部件；用于根据作用于齿轮箱、传动系统和/或发电机上 的一个或多个力和/或一个或多个力矩计算齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个 部件的每一个的损伤的部件；用于根据计算得到的齿轮箱、传动系统和/或发电机的一 个或多个部件的损伤以及预定或预测的齿轮箱、传动系统和/或发电机的未来运行情况 来预测齿轮箱、传动系统和/或发电机中的一个或多个部件的寿命的部件。根据本发明的另一个方面，提供一种带编码指令的计算机可读取的存储介质， 当所述指令由处理器执行时，能够执行a)持续监测作用于齿轮箱、传动系统和/或发 电机上的一个或多个力和/或一个或多个力矩；b)根据作用于齿轮箱、传动系统和/或 发电机的一个或多个力和/或一个或多个力矩计算齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个 或多个部件的每一个的损伤；c)根据计算得到的齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个 或多个部件的损伤以及预定或预测的齿轮箱、传动系统和/或发电机的未来运行情况， 预测齿轮箱、传动系统和/或发电机中的一个或多个部件的寿命。


下面参考附图通过非限制性的例子来说明本发明的实施方式。图1为示出与确定齿轮箱、传动系统或发电机中或上的下线测试传感器位置相 关的步骤的流程图；图2为示出与确定齿轮箱、传动系统或发电机的制造变化相关的步骤的流程 图；图3为示出与运行齿轮箱、传动系统或发电机相关的步骤的流程图；图4、5和6为创建元模型的各个阶段；以及图7为根据本发明各种实施方式的工具的示意图。
具体实施例方式根据本发明的一个方面，使用基于模型的方法来确定齿轮运转的机器(如风机) 的齿轮箱、传动系统或发电机中或上的传感器位置。传感器可以是下线测试传感器，或 状态监测传感器。下线测试传感器包括置于齿轮箱中或上且在齿轮箱或传动系统制造后便立即使 用的传感器。下线测试传感器可以用来确定残差以及特定齿轮箱模型，细节将在后续段 落中描述。状态监测传感器包括置于齿轮箱或传动系统中或上以监控在运行寿命中作用于 齿轮箱或传动系统上的力及力矩的那些传感器。状态监测传感器可以用来预测齿轮箱或 传动系统中部件的损伤，从而预测他们的寿命。传感器被定位成使得它们能够获得有关齿轮箱的单个部件的最佳信息量。图1为用于确定下线测试传感器位置的方法中的步骤。在步骤10中创建通用齿轮箱的名义模型。术语“名义模型”指的是名义齿轮 箱设计的数学模型。名义模型一般是使用齿轮箱设计中不包括制造变化的精确尺寸(如 使用设计图纸中给定的尺寸，不考虑任何制造与组装齿轮箱时可能包含的任何变化)来创建。名义模型还可以使用尺寸的平均值、中值或模态值来创建。名义模型也可以包括 尺寸与上述精确尺寸相近的模型。术语“制造变化”指的是齿轮箱在制造时带入的与齿轮箱的部件的特定精确尺 寸产生的偏差。术语“制造变化”可以包括组装变化，组装变化包括构建过程中产生的 与齿轮箱设计的精确尺寸之间的偏差。术语“制造变化”还可以包括齿轮箱部件之间或 齿轮箱部件内的间隙。制造变化通常表示为工程图纸上标示的公差。公差的大小由已知的制造与组装 工艺中的变化来决定。公差的大小也可以根据制造工艺的数学或统计学模型来决定。公 差范围通常由可能的误差的绝对上下限值来表示，或可以通过一些统计学差值来表示， 如+/-1标准偏差。名义模型是一个数学模型，可以包括以下部件和操作条件.轴；.斜齿轮、直齿轮、行星轮、锥齿轮、准双曲面齿轮和蜗轮(包括齿轮微观几何 尺寸、齿面弯曲刚度和啮合接触刚度)；.轴承(包括非线性轴承刚度、间隙、预载荷、滚子元件与滚道的接触以及离心 效应)；.齿轮箱组件中的间隙；.齿轮箱箱体；.离合器与同步器，以及它们限定齿轮箱中的能量流的作用.制动器；.重力；和/或.运行载荷，包括力与力矩。名义模型可以使用RomaxDesigner来创建。这一软件是由位于英国诺丁汉的 Romax科技有限公司提供的。RomaxDesigner可以用来创建包含(但不限于)上述部件 和操作条件的齿轮箱的模型。该软件能够使用通过质量与刚度矩阵来表征齿轮箱的有限 元技术来分析齿轮箱模型。有限元模型中的每个节点都含有6个自由度，意味着力与力 矩能够在X、Y、Z轴方向上和绕着X、Y、Z轴方向定义与测量。名义模型的某些部分 可以通过分析方程来表示，方程可以与模型的有限元部分同时或分别分析。模型的有些 部分可能基于经验数据，如从物理测试数据中测量得到或基于数学模拟得到的齿轮啮合 的刚度。名义模型可以模拟静态载荷或瞬间动态载荷下的行为。在考虑到非线性轴承的刚度和间隙的非线性效应的影响，计算由于力和力矩作 用于有限元模型中的任何节点或节点组合所产生的有限元模型的每个节点的变形时，可 以使用牛顿-拉夫森方法。然后可以计算每个齿轮箱部件上所受的力和力矩。接着可以 使用相同的有限元技术，对齿轮箱部件(如轴承等)的内部结构进行详细建模。模型的 所有元都可以相互耦合，这意味着能够同时对整个模型上的变形与载荷同时进行计算。齿轮箱的振动特性可以通过RomaxDesigner来预测。由质量与刚度矩阵表示的 齿轮箱空间模型，在RomaxDesigner软件中通过将质量与刚度矩阵与特征向量相乘，得 到模态质量与模态刚度矩阵，来将空间坐标转化为模态坐标。随后该模态模型可以例如由模型中一个或多个齿轮啮合的一个或多个传递误差的谐振来激发，和/或通过齿轮箱 模型中任意节点定义的任何其它的力或力矩来激发。如果使用传递误差激励，则传递误 差可以通过其与齿轮啮合刚度相乘来转化为力激发。或者，激励也可以对应已知的在齿 轮箱运行过程中可能产生的激励。或者，激励也可以对应齿轮箱的故障(例如齿轮或轴 承的故障)，其使得系统以与齿轮箱部件转动速度相关的已知频率激发。谐波响应是由于激发所产生的力、位移、速度或加速度。齿轮箱模型中的任意 一点的谐波响应可以由在与激发频率相同或成倍数的频率处观察到的响应来表示。可以 在激发频率的范围上评估谐波响应。如果激励是齿轮啮合的传递误差，则激发频率的范 围对应于齿轮箱输入速度范围。齿轮箱或齿轮箱箱体上的任意一点的谐波响应可以用RomaxDesigner模型来预测。使用类似上述的带有全部细节的模型获得的结果与测试结果具有很好的相关 性。名义模型可以被用来计算一系列制造变化结果，包括·由于运行载荷所引起的系统任意部分的变形或扭曲；·齿轮啮合错位量；·齿面接触形式与载荷分配；·齿轮弯曲应力；·齿轮接触应力；·齿轮接触与齿轮弯曲应力所对应的剩余疲劳寿命(如到达失效所能运行的次 数)(由例如经验S-N曲线等计算)；·剩余轴承寿命(由例如经验数据等计算)；和/或·传递误差(对例如单个齿轮啮合或行星齿系等进行计算)。通常现有方案都使用简单的基于信号的模型。名义模型和其它的包括制造变化的模型一起用来确定用于下线测试和用于使用 过程中振动监控的最佳下线测试传感器位置。在这些情况中的每一个中，最佳下线测试 传感器位置不必相同。下线测试传感器可以位于齿轮箱部件、齿轮箱箱体或齿轮运转的 机器的任何相关部件上。下线测试传感器可以用来测量加速度、速度或位移(通过直接 测量或积分计算)。下线测试传感器可以用来感测例如声压、声能、声强或温度。在步骤12中，名义模型会被用于分析，并计算第一组模拟响应。无论是模拟响 应还是记录响应，都包括通过置于齿轮箱中或上的一个或多个位置处的各种类型传感器 检测到的所有值。与计算第一组模拟响应相关的下线测试传感器的一个或多个位置可以是所建模 的齿轮箱中或上的任何位置。名义模型可以用来计算用户所选位置的模拟响应。在某些 实施方式中，可以计算覆盖整个齿轮箱的名义间隔位置的第一组模拟响应。在运行名义模型期间计算得到的模拟响应可以包括所建模的齿轮箱中或上的不 同位置的谐波响应。替代地，计算得到的模拟响应可能与作用在所建模的齿轮箱内的不 同部件的扭矩、或所建模的齿轮箱中或上的不同位置的温度有关。时域信号的傅里叶变换(如信号的FFT或DFT)也可以提供合适的响应。本发明的各种实施方式也包括了使用能够计算这类响应的模型。名义模型模拟下线测试传感器的多个可能的位置。然后对这些位置的每一个计 算第一组模拟响应。在一种实施方式中，在一个或多个运行载荷下运行齿轮箱模型时，可以计算一 个或多个模拟响应。在其它实施方式中，在一个或多个运行速度下运行齿轮箱模型时， 可以计算一个或多个模拟响应。使用名义模型计算得到的第一组模拟响应表示根据精确设计尺寸且不包含任何 制造变化所建造的齿轮箱记录得到的响应。在本发明的某些实施方式中，可以对至少5个、至少10个、至少20个、至少40 个、至少60个、至少80个、至少100个或多于100个可能的状态监测传感器位置进行模拟。随后，在步骤14中，对名义模型引入制造变化。一系列制造变化可以使用上述 的模型进行模拟。这些制造变化，可以从上述列表中选择，并引入与齿轮箱寿命和运行 相关的齿轮箱部件中。在步骤16中，可以计算包含一系列所引入的制造变化的建模齿轮箱的第二组模 拟响应。第二组模拟响应可以有利地对应生成第一组模拟响应所用的可能的位置、运行 载荷和运行速度。这样可以直接对两组模拟响应进行对比。在步骤18中，根据第一组模拟响应和第二组模拟响应之间的差计算得到残差阵 列。此处，术语“残差”指的是表示由齿轮箱的名义模型计算得到的模拟响应和由 包含了制造变化的建模齿轮箱计算得到或实际齿轮箱记录得到的响应之间的差。例如，残差可以通过名义设计的响应与包含了一系列制造变化的设计所获得的 响应之间的差计算得到。每个残差可能对应不同的传感器位置。每个残差还可能对应不 同的运行载荷，并且可以在一系列不同的激发频率(如模型的一系列不同的输入速度)下 计算得到。上述各种可能的传感器位置、运行载荷和运行速度是基于使区分不同的制造公 差的方法的能力最大化来选择的。每个残差也可能使用不同的度量计算得到，如从第一 组模拟响应和第二组模拟响应获得的相应模拟响应之间的均方差；从第一组模拟响应和 第二组模拟响应获得的相应模拟响应之间的关联性系数；从第一组模拟响应和第二组模 拟响应获得的相应模拟响应的幅值的均方差；以及第一组模拟响应和第二组模拟响应获 得的相应模拟响应之间的绝对差的和等。每个残差可以对应这些用来评估原始响应的一个或多个子集的度量中的任意一 个，子集可以对应一系列输入速度。之前通常已经从系统的状态变量生成残差。例如，残差生成曾被用于汽车的车 载检测(OBD)系统来检测引擎空气流系统的故障。在这种例子中，状态变量可以是空 气质量流、歧管压力、歧管温度和/或节流阀位置。然而，在下线测试和状态监控应用 中，齿轮箱的状态变量和制造变化、状态或持续损伤之间并不一定具有相关性。本发明的各种实施方式扩展了从齿轮箱箱体或部件上放置的传感器上获得的度 量来创建残差的状态变量技术。另外，在本发明的一些方面中能够有利地使用残差，不光用来识别故障，而且还可以用来检测系统的制造变化、尺寸以及间隙。在步骤20中，为下线测试传感器选择各自的一个或多个模拟位置。最佳传感器位置指的是能够使用有限数量的传感器区分不同的制造变化种类的 位置。选择下线测试传感器位置，使得阵列中的一个或多个残差显示用于一个或多个制 造变化的独特标识。如果对应特定制造变化的残差的独特标识能够使用在制造的齿轮箱中或上放置 的一个或多个传感器检测到，则可以推断在齿轮箱中存在该制造变化。用于检测感兴趣的一系列制造变化、间隙或故障所需要的下线测试传感器的最 小数量通过如下算法计算得到，该算法能够选取传感器位置以改进故障侦测率和区分 度。最简单的算法是使用穷举搜索技术进行该工作。首先，考虑成对的传感器，并进行 检查，以确定它们是否能够对一种类型的制造变化提供侦测率和区分度。如果没有成对 的传感器能够提供侦测率和区分度，则考虑三个一组的传感器。组中的传感器数量可以 增加，重复检查步骤，直到找到合适的传感器组。下表为残差阵列的示例，每个制造变化的组合都有一个独特标识。
权利要求
1.一种用于运行齿轮箱、传动系统和/或发电机的方法，所述方法包括a)持续监测作用于所述齿轮箱、传动系统和/或发电机上的力和力矩；b)根据作用于所述齿轮箱、传动系统和/或发电机上的力和力矩计算所述齿轮箱、 传动系统和/或发电机的一个或多个部件的每一个的损伤；c)根据计算得到的所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的损伤 以及预定或预测的所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的未来运行情况，预测所述齿轮 箱、传动系统和/或发电机中的一个或多个部件的寿命。
2.根据权利要求1所述的方法，包括在步骤c)之后，限制所述齿轮箱、传动系统和 /或发电机的未来运行情况，以使得所述齿轮箱、传动系统和/或发电机内的一个或多个 部件获得所需寿命。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括提供有关所述齿轮箱、传动系统和/或发电 机的信息的初始步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，提供的所述信息包括所述齿轮箱、传动系 统和/或发电机的名义模型。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征是，提供的所述信息包括特定齿轮箱、传 动系统和/或发电机的独特的模型，所述模型包括所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的 一个或多个部件的一个或多个制造变化。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征是，有关所述齿轮箱、传动系统 和/或发电机的所述信息包括所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的独特的完整耦合的有 限元模型，所述有限元模型包括具有六个自由度的节点。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征是，所述模型为元模型。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其特征是，监控作用于所述齿轮箱、传 动系统和/或发电机上的力和力矩包括监控在预定位置处置于所述齿轮箱、传动系统和/ 或发电机中或上的一个或多个状态监测传感器根据所提供的有关所述齿轮箱、传动系统 和/或发电机的信息计算的输出。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述预定位置是根据所述齿轮箱、传动系 统和/或发电机的名义模型以及所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的包括制造变化的模 型使用残差计算得到的。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征是，监控作用于所述齿轮箱、 传动系统和/或发电机上的力和力矩包括使用来自第二状态监控系统的输出。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征是，所述第二状态监控系统使用振动分析、 声学监控、油质分析、温度监控和电力发电机监控中的至少一种。
12.根据权利要求2和任何从属于权利要求2的权利要求中的任一项所述的方法，其 特征是，所述一个或多个部件的预测寿命与代表所述一个或多个部件将在预定时间内失 效的概率的百分比数值相关。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征是，所述百分比数值包含来自所述第二状态 监控系统的信息。
14.根据权利要求2至13中任一项所述的方法，其特征是，所述齿轮箱、传动系统和 /或发电机形成风机的一部分，并且其中限制未来运行条件的步骤包括改变所述风机的一个或多个转子叶片的倾斜程度、应用制动器、展开所述风机的叶片上的阻滞特征元件、 和/或改变所述风机的机舱的方位。
15.—种用于运行齿轮箱、传动系统和/或发电机的工具，所述工具包括用于持续监测作用于所述齿轮箱、传动系统和/或发电机上的力和力矩的部件；用于根据作用于所述齿轮箱、传动系统和/或发电机上的力和力矩计算所述齿轮 箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的每一个的损伤的部件；用于根据计算得到的所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的损伤 以及预定或预测的所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的未来运行情况以预测所述齿轮 箱、传动系统和/或发电机中的一个或多个部件的寿命的部件。
16.—种带编码指令的计算机可读取的存储介质，当所述指令由处理器执行时，能够 执行根据施加在齿轮箱、传动系统和/或发电机上的力和力矩，计算所述齿轮箱、传动 系统和/或发电机的一个或多个部件的每一个的损伤；根据计算得到的所述齿轮箱、传动系统和/或发电机内的一个或多个部件的损伤 以及预定或预测的所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的未来运行情况，预测所述齿轮 箱、传动系统和/或发电机中的一个或多个部件的寿命。
17.一种用于确定齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的下线测试传感器位置的方 法，该方法包括a)生成用于所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的名义模型，并计算所建模的齿轮 箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置所对应的第一组模拟响应；b)对所述名义模型引入制造变化，并计算所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机 中或上的一个或多个位置所对应的第二组模拟响应；c)根据第一组模拟响应和第二组模拟响应的区别，生成模拟残差阵列；以及d)根据所述一个或多个位置的每个位置对应的模拟残差值，在所建模的齿轮箱、传 动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置中选择一个或多个，作为下线测试传感器 的位置。
18.根据权利要求17所述的方法，包括将一个或多个下线测试传感器置于所述齿轮 箱、传动系统和/或发电机中或上与所选位置对应的位置的附加步骤。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征是，所述下线测试传感器能够检测加速度、 速度、位移、声压、声能、声强和/或温度。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征是，所述下线测试传感器是惯性或压电传感器ο
21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其特征是，所述名义模型是包含六 自由度节点的完整耦合有限元模型。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其特征是，所述名义模型对下列 至少一者建模轴；斜齿轮、直齿轮、行星轮、锥齿轮、准双曲面齿轮和/或蜗轮；轴 承；齿轮箱组件中的间隙；齿轮箱箱体；离合器和同步器；制动器；重力；和/或运行 载荷。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的方法，其特征是，所述第一组模拟响应和第二组模拟响应中的一个或多个模拟响应是在所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的模 型在一个或多个运行载荷下运行时计算得到的。
24.根据权利要求17至23中任一项所述的方法，其特征是，所述第一组模拟响应和 第二组模拟响应中的一个或多个模拟响应是在所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的模 型在一个或多个运行速度下运行时计算得到的。
25.根据权利要求17至24中任一项所述的方法，其特征是，所述残差通过下列一 种或几种来计算从所述第一组模拟响应和第二组模拟响应获得的相应模拟响应之间的 均方差；从所述第一组模拟响应和第二组模拟响应获得的相应模拟响应之间的关联性系 数；从所述第一组模拟响应和第二组模拟响应获得的相应模拟响应的幅值的均方差；和 从所述第一组模拟响应和第二组模拟响应获得的相应模拟响应之间的绝对差的和。
26.根据权利要求17至25中任一项所述的方法，其特征是，选择用于所述下线测试 传感器的位置，使得所述阵列中的一个或多个残差显示用于一个或多个制造变化的独特 标识。
27.—种齿轮箱、传动系统和/或发电机，包含根据权利要求18至20中任一项所述 的方法放置于所述齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置的下线测试 传感器。
28.一种用于确定齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的下线测试传感器位置的工 具，所述工具包括用于对齿轮箱、传动系统和/或发电机建立名义模型并计算所建模的齿轮箱、传动 系统和/或发电机中或上的一个或多个位置所对应的第一组模拟响应的部件；用于在所述名义模型中引入制造变化并计算所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电 机中或上的一个或多个位置所对应的第二组模拟响应的部件；用于根据第一组模拟响应和第二组模拟响应的区别，生成模拟残差阵列的部件；以及用于根据所述一个或多个位置的每个位置对应的模拟残差值，在所建模的齿轮箱、 传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置中选择一个或多个以作为下线测试传感 器的位置的部件。
29.—种带编码指令的计算机可读取的存储介质，当所述指令由处理器执行时，能够 执行a)对齿轮箱、传动系统和/或发电机建立名义模型并计算所建模的齿轮箱、传动系 统和/或发电机中或上的一个或多个位置所对应的第一组模拟响应；b)在所述名义模型中引入制造变化并计算所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机 中或上的一个或多个位置所对应的第二组模拟响应；c)根据第一组模拟响应和第二组模拟响应的区别，生成模拟残差阵列；以及d)根据所述一个或多个位置的每个位置对应的模拟残差值，在所建模的齿轮箱、传 动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置中选择一个或多个，作为下线测试传感器 的位置。
30.一种用于确定齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的实际制造变化 的方法，所述方法包括a)对所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的名义模型提供模拟响应；b)提供与所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置相应的 模拟残差阵列；c)将一个或多个下线测试传感器放置在所述齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上 的一个或多个位置处，其中所述齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位 置对应所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置；d)运行所述齿轮箱、传动系统和/或发电机；e)使用所述一个或多个下线测试传感器，检测并记录所述齿轮箱、传动系统和/或 发电机中或上的一个或多个位置的响应；f)根据记录响应和模拟响应，计算记录残差；以及g)通过对比记录残差与模拟残差，确定所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的部件 的实际制造变化。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征是，所述模拟残差是在所述齿轮箱、传动系 统和/或发电机的模型在一个或多个运行载荷下运行时从模拟响应计算得到的。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其特征是，所述模拟残差是在所述齿轮箱、 传动系统和/或发电机的模型在一个或多个运行速度下运行时从模拟响应计算得到的。
33.根据权利要求31或任何从属于权利要求31的权利要求所述的方法，其特征是， 运行所述齿轮箱、传动系统和/或发电机包括在与模拟运行载荷对应的一个或多个运行 载荷下运行所述齿轮箱、传动系统和/或发电机。
34.根据权利要求32或任何从属于权利要求32的权利要求所述的方法，其特征是， 运行所述齿轮箱、传动系统和/或发电机包括在与模拟运行速度对应的一个或多个运行 速度下运行所述齿轮箱、传动系统和/或发电机。
35.根据权利要求30至34中任一项所述的方法，其特征是，确定的制造变化与表示 所确定的制造变化的精确性的可信度的百分比数值相关联。
36.一种用于确定齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的实际制造变化 的工具，所述工具包括用于对所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的名义模型提供模拟响应的部件；用于提供与所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置相应 的模拟残差阵列的部件；用于将一个或多个下线测试传感器放置在所述齿轮箱、传动系统和/或发电机中或 上的一个或多个位置上的部件，其中所述齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个 或多个位置对应所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置；用于运行所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的部件；用于使用所述一个或多个下线测试传感器检测并记录所述齿轮箱、传动系统和/或 发电机中或上的一个或多个位置处的响应的部件；用于根据记录响应和模拟响应计算记录残差的部件；以及用于通过对比记录残差与模拟残差来确定所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的部 件的实际制造变化的部件。
37.—种带编码指令的计算机可读取的存储介质，当所述指令由处理器执行时，能够执行a)对齿轮箱、传动系统和/或发电机的名义模型提供模拟响应；b)提供与所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位置相应的 模拟残差阵列；c)根据记录响应与模拟响应计算记录残差，在所述齿轮箱、传动系统和/或发电 机运行时，由一个或多个下线测试传感器检测和记录所述齿轮箱、传动系统和/或发电 机中或上的一个或多个位置处的记录响应，所述齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上 的一个或多个位置对应所建模的齿轮箱、传动系统和/或发电机中或上的一个或多个位 置；以及d)通过对比记录残差与模拟残差，确定所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的部件 的实际制造变化。
38.—种用于运行齿轮箱、传动系统和/或发电机的方法，所述方法包括a)持续监测施加在所述齿轮箱、传动系统和/或发电机上的一个或多个力和/或一个 或多个力矩；b)根据施加在所述齿轮箱、传动系统和/或发电机上的一个或多个力和/或一个或多 个力矩，计算所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的每一个的损伤；c)根据计算得到的齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的损伤以及预 定或预测的齿轮箱、传动系统和/或发电机的未来运行情况，预测所述齿轮箱、传动系 统和/或发电机中的一个或多个部件的寿命。
39.—种用于运行齿轮箱、传动系统和/或发电机的工具，所述工具包括用于持续监测施加在所述齿轮箱、传动系统和/或发电机上的一个或多个力和/或一 个或多个力矩的部件；用于根据施加在所述齿轮箱、传动系统和/或发电机上的一个或多个力和/或一个或 多个力矩计算所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的每一个的损伤的 部件；用于根据计算得到的所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的损伤 以及预定或预测的所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的未来运行情况，预测所述齿轮 箱、传动系统和/或发电机中的一个或多个部件的寿命的部件。
40.—种带编码指令的计算机可读取的存储介质，当所述指令由处理器执行时，能够 执行a)持续监测作用于齿轮箱、传动系统和/或发电机上的一个或多个力和/或一个或多 个力矩；b)根据作用于所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个力和/或一个或多个 力矩计算所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的每一个的损伤；c)根据计算得到的所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的一个或多个部件的损伤 以及预定或预测的所述齿轮箱、传动系统和/或发电机的未来运行情况，预测所述齿轮 箱、传动系统和/或发电机中的一个或多个部件的寿命。
41.一种总体上参照附图在此处说明和/或在附图中示出的用于确定齿轮箱、传动系 统和/或发电机中或上的状态监测传感器位置的方法。
42.一种总体上参照附图在此处说明和/或在附图中示出的用于确定齿轮箱、传动系 统和/或发电机的一个或多个部件的实际制造变化的方法。
43.—种总体上参照附图在此处说明和/或在附图中示出的用于运行齿轮箱、传动系 统和/或发电机的方法。
全文摘要
本发明涉及齿轮箱的故障与损伤诊断，以便预测齿轮箱的运行寿命。进行下线测试以推断关于生产线上的每个齿轮箱的信息。对齿轮箱创建高度详尽模型，以确定用于下线测试的最佳传感器位置，从而使得测试能够区分不同类型的制造变化。这些信息可以被用来为每个齿轮箱创建一个独特的、高度详尽的模型。在运行过程中，在规则间隔测量齿轮箱上作用的力和力矩，并运用模型持续更新齿轮箱每个部件的累积损伤预测。接着计算在给定时间段内的失效概率。比如振动分析的已有状态监控系统可以与模型式诊断方法同时使用。计算所需寿命的总体失效概率，如有必要，可以限制运行，以提供在给定时间段内所需的失效概率。
文档编号G05B23/02GK102016736SQ200980115694
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月29日 优先权日2008年4月29日
发明者J·K·考尔塔特, S·Y·潘 申请人:诺迈士科技有限公司