用于旋转机器的盲缺陷检测系统和方法

专利名称：用于旋转机器的盲缺陷检测系统和方法
技术领域：
本公开总体涉及旋转设备。更具体地，本公开涉及用于旋转机器的盲缺陷检测的系统和方法。
背景技术：
齿轮箱是许多工业中的常见部件。齿轮箱通常包括减速装置和动力传输部件。齿轮箱可以是单级齿轮箱或多级齿轮箱。齿轮箱还可以代表或包括外部齿轮装置、内部齿轮装置、或齿条和小齿轮传动装置。由于这种广泛使用，许多工业涉及装备故障。例如，一个调查发现齿轮箱故障占据了飞机中的全部故障模式(例如疲劳)的34%。另一调查表明齿轮箱故障占据了某一工业的全部故障的15%。装备故障通常由于工厂停工而导致收入损失。因此，在早期检测齿轮箱或其它装备中的潜在故障(例如缺陷)能辅助阻止继发损坏，节省维护成本，改善工厂正常运行时间，减少由工厂停工引起的潜在经济损失，并辅助增加生产率
发明内容
本公开提供了用于旋转机器的盲缺陷检测的系统和方法。在第一实施例中，装置包括输入界面，其构造成接收与至少一级旋转装备相关联的输入信号。该装置还包括处理单元，其构造成使用输入信号识别旋转装备中的缺陷。该装置还包括输出界面，其构造成提供识别缺陷的指示。处理单元构造成通过确定与至少一个传感器点相关的至少一族频率、基于所述至少一族频率确定所述至少一个传感器点的平均能量、并将平均能量与基线值比较来识别缺陷。在第二实施例中，系统包括一个或多个传感器和盲缺陷检测设备，其构造成测量旋转装备的一个或多个特征。盲缺陷检测设备包括输入界面，其构造成从所述一个或多个传感器接收至少一个输入信号。盲缺陷检测设备还包括处理单元，其构造成使用至少一个输入信号识别旋转装备中的缺陷。盲缺陷检测设备还包括输出界面，其构造成提供识别缺陷的指示。处理单元构造成通过确定与至少一个传感器点相关的至少一族频率、基于所述至少一族频率确定所述至少一个传感器点的平均能量、并将平均能量与基线值比较来识别缺陷。在第三实施例中，方法包括接收与至少一级旋转装备相关联的输入信号。该方法还包括使用输入信号识别旋转装备中的缺陷。该方法还包括提供识别该缺陷的指示。识别缺陷包括确定与至少一个传感器点相关的至少一族频率、基于所述至少一族频率确定所述至少一个传感器点的平均能量、并将平均能量与基线值比较。本领域技术人员通过下面的附图、描述和权利要求能容易地理解其它的技术特征。


为了更全面地理解本公开，现在结合附图来参照下面描述，其中:
图1A到ID图示了示例齿轮结构；
图1E到IK图示了示例推进器构造；
图2A到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盲缺陷检测(BFD)设备和相关联的旋转机械系统；
图4A和4B图示了用于根据本公开的盲缺陷检测的示例点式方法；
图5A和5B图示了根据本公开的示例方向式盲缺陷检测方法；以及 图6A和6B图示了根据本公开的示例组合式盲缺陷检测方法。
具体实施例方式下面讨论的图1至6B以及在本专利文献中用来描述本发明的原理的各种实施例都是说明性的并且决不应该被理解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在任何类型的适当布置的设备或系统中实施。另外，还应理解的是，附图中图示的元件是为了简单和清楚，并且不一定是按比例绘制的。例如，附图中的一些元件的尺寸可能被相对于其它元件放大以有助于改善对在本专利文献中描述的各种实施例的理解。图1A至ID图示了示例齿轮结构。在图1A至ID中示出的齿轮结构的实施例仅用于说明。可使用其它齿轮结构而不脱离本公开的范围。齿轮箱可包括一种或多种类型的齿轮，例如外部齿轮装置105 (图1A)，内部齿轮装置110 (图1B)和齿条和小齿轮传动装置115 (图1C)。齿轮箱可以是单级齿轮箱(如在图1A至IC所示)或者多级齿轮箱120 (如图1D中所示)。

在图1A中示出的外部齿轮装置105是螺旋齿轮。这里，外部齿轮装置105是单级的，其包括齿轮107和小齿轮109。不过，也可使用其它实施例，例如外部齿轮装置105是直齿轮的实施例。在图1B中图示的内部齿轮装置110也是单级齿轮装置结构。内部齿轮装置110包括太阳齿轮111、行星齿轮112、齿圈113和行星齿轮架114。在图1C中图示的齿条和小齿轮传动装置115还是单级齿轮装置结构。齿条和小齿轮传动装置115包括一对齿轮117、119，它们将旋转运动转换为线性运动。圆形小齿轮117接合齿条119上的齿。应用到小齿轮117的旋转运动引起齿条119向侧向移动，直到其行程的极限。例如，在铁路中，安装在机车或轨道车上的小齿轮117的旋转接合在轨道之间的齿条119并沿着陡坡拉动火车。在图1D中图示的多级齿轮箱120包括第一级122和第二级124。应当理解的是，两级的图示仅仅是示例性的。也可以使用包括多于两级的多级齿轮箱120的实施例。在这个示例中，第一级122被构造为内部齿轮装置,而第二级124被构造为外部齿轮装置。如此，第一级122代表了单级内部齿轮箱，而第二级124包括若干齿轮和小齿轮，它们被联接以形成多级外部齿轮装置。缺陷或故障可能发生在使用上述齿轮类型或其它齿轮类型中的一个或多个形成的齿轮箱中。故障可能发生在齿轮、小齿轮或它们两者中。齿轮故障包括磨损、出现裂纹、齿断裂、静态和动态传动误差、塑性形变、出现刻痕和划痕、表明疲劳、剥落和齿隙游移。图1E到IK图示了示例推进器构造；在图1E至IK中，推进器130a_130b包括在圆柱体、管或其它导管内侧的转子。转子用于增加在导管内侧的流体的压力和流量。导管包括接收入流流体的敞开入口 138 (经常称为“眼”)。轮叶134在导管136内径向地推动流体。轮叶134能例如代表向后弯曲的叶片134a、径向叶片134b或者向前倾斜的叶片134c。带有花键、栓或螺纹的圆孔132接收驱动轴142，其引起轮叶134旋转。推进器130a_130b能由铁、钢、青铜、黄铜、铝、塑料或其它适合的材料制造。推进器130a代表轴流推进器，而推进器130b代表混合流推进器。如在图1I中所示，推进器130c也能被用作离心泵140的旋转部件。推进器130c通过从旋转中心向外加速流体将来自驱动泵140的马达的旋转能和/或动能转换或转变为被泵送的流体的势能。通过推进器130c实现的速度在泵壳体145限制流体的向外移动时转化为压力。图1J和IH图示了其它类型的推进器。特别地，图1J图示了敞开的推进器130d、半敞开的推进器IOOe和封闭的推进器130f。图1H图示了单吸推进器130g和双吸推进器130h。除了选择特定类型的推进器外，特定推进器的设计可被改变以改变其性能特征。例如，带有大数量的轮叶或带有具有大角度的轮叶的推进器可具有增加的流体“头”。另外，带有小数量的轮叶或带有大轮叶出口角度的推进器在叶尖处可具有较差的振动特征或较重的载荷。另外，在推进器和其壳体之间的较大的间隙可减少振动但会导致尺寸、重量和成本的增加。尽管这里仅图示了一些齿轮类型，但是可以使用许多其它的齿轮类型。其它的齿轮类型可包括但不限于带有平行轴、交叉轴和/或非交叉且非平行轴的齿轮箱。平行轴可包括直齿轮、单螺旋齿轮和双螺旋齿轮。交叉轴可包括锥齿轮、直齿锥齿轮、零度锥齿轮、螺旋锥齿轮、等径锥齿轮、人字齿轮和冠状齿轮。非交叉且非平行轴可包括越过的螺旋齿轮、准双曲面齿轮和蜗轮传动装置。另外，虽然这里以举例方式图示了齿轮箱，但是其它类型的旋转机械也可被如下所述地监测。例如，被监测的旋转机械可包括推进器或泵。旋转机械例如齿·轮箱可包括多种构造。这些构造可包括:
1.不同的轴承数量或轴承几何形状，像节圆直径、球直径、球的数量、和在每个测量点的接触角；
2.不同的齿轮级数，和每一级上的齿轮和小齿轮中的不同齿数；以及
3.不同的推进器级数，和每一级上的不同的轮叶数等。特定机械的构造可能是不可获得的，例如当机械非常老并且关于其构造的信息缺失时。而且，已经安装或维护该机械的人可能是不可获得的。该构造也可能是不可获得的，因为机械的子系统(例如轴承、齿轮等)中的一个或多个被改变的太频繁以至于有可能维护人员可能已经将其替换为另一制造或模型。另外，由于紧急维护，子系统可能已经被替换为非标准的子系统。可能需要机械的构造以使用第一原则执行准确的缺陷分类。另外，机械的构造能实现在精确点处确定轴承的瑕疵，因为在全部点处的轴承构造信息是已知的。因此，通过确保维护人员不会拆卸整个机械而是将仅替换有缺陷的轴承而缩短了修复时间。而且，可能需要构造以用公式表达数学模型从而模拟机械等的任何行为。图2A到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可导致齿断裂。齿断裂包括疲劳断裂、由于严重磨损导致的断裂和过载断裂。图2B图示了粘着磨损的示例。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。这些类型的裂纹和磨损可使用下面描述的系统检测。不过，许多其它的或额外的类型的损坏也能使用下面描述的系统检测。根据本公开，提供了一种系统和方法，其可识别和分类(例如，隔离)发生在旋转设备上的一种或多种类型的瑕疵。而且，这可在无需具有定义旋转设备的准确构造的信息的情况下实现。图3图示了根据本公开的示例盲缺陷检测(BFD)设备300和相关联的旋转机械系统305。BFD设备300的这种使用仅是说明性的。BFD设备300可以任何其它适合方式被使用而不脱离本公开的范围。在这个示例中,旋转机械系统305包括旋转部件310 (例如马达、润轮机或发动机)和齿轮箱315。虽然旋转机械系统305的示例包括齿轮箱315，但是也可包括其它设备，例如风扇、泵或压缩机。作为在图3中示出的系统的具体示例，自动变速器齿轮箱315可在驱动端(DE)320上被联接到感应马达310的驱动端325，其还包括非驱动端(NDE) 330。齿轮箱315可在非驱动端335被联接到机械载荷单元340。各种探针350a-350d被联接到感应马达310的非驱动端330和驱动端325并且联接到齿轮箱315的非驱动端335和驱动端320。探针350a-350d测量系统305的一个或多个特征，例如振动、马达电流、噪声、或者齿轮箱315和感应马达310的速度。在特定的实施例中，探针350a-350d中的每一个可包括构造成提供三个方向上的测量结果的三个传感器:水平，竖直和轴向。BFD设备300可在没有关于旋转机械系统305的构造的信息的情况下识别和分类旋转机械系统305中的瑕疵。BFD设备300可使用轴和非同步能量、基线能量、和多传感器系统监测各个频率族(FoF)来监测旋转机械系统305。各个频率族包括但不限于轴频率和非同步谐频。多传感器系统可 通过应用在两个位置处以测量这些位置处的能量的两个传感器中的最小者并相对于基线来监测该能量以确定是什么引起了能量增加来提供点指示。多传感器系统还可包括在每个监测点处的至少三个传感器以通过多传感器融合来提供单个的值点。点健康降级指示可提供每个系统305的四个值并且可仅聚焦到需要注意的点上。它还能通过多传感器融合提供每个方向的单个值。方向健康降级指示可提供每个系统305的三个值以聚焦某些故障模式。一些盲缺陷检测系统采用的方案是追踪在振动频域内的不同频带内的能量。不过，这种方案被限制于检测轴承振动。一些盲缺陷检测系统在频域峰值中建立极限并追踪是否超过这些极限。不过，这种系统提供了基线谱的频域内的相对阈值。当在规定频率上的电流幅值超过了其值的两倍时，可发出警告警报。类似地，当幅值超过其值十倍时可发出警告警报。一些盲缺陷检测系统要么使用均方根(RMS)要么使用峰值幅值并具有取决于机械的分类和基础的类型(柔性或刚性)的某些阈值。不过，这些盲缺陷检测方法没有提供在点处的瑕疵的任何信息并且没有检测在机械内的各个测量点处存在传感器(加速度计)时的瑕疵。这些方法也不能被自动化，因为它们要求操作者构造频带并找到在任意点或带处的瑕疵。在一些实施例中,BFD设备300被构造成考虑振动中的三个参数。这三个参数包括同步能量、非同步能量和轴能量，这些可以是低频同步和非同步分量的组合。BFD设备300可找到这些能量相对于基线能量的改变。基线能量可从属于正常操作的振动谱中提取。在一些实施例中，BFD设备300计算对于特定操作的不同测量点处的这些能量水平的平均值。BFD设备300还追踪在特定点和方向上的能量是否多于在该方向上的平均能量。BFD设备300然后找到基于规则或基于模糊规则的诊断以具体说明某种分类。同步能量增加可能由于各种因素，例如多级齿轮箱的特定级的轴、推进器、或齿轮(如果第一级的轴速在分析中被考虑)。轴能量的改变可证明轴是否有瑕疵。非同步能量的增加也可能由于各种因素，例如在特定点处的轴承、在速度已被测量的级之外的级上的齿轮、和固有频率/共振。BFD设备300包括构造成检测缺陷可能已经开始的准确点的逻辑。在确定了缺陷开始的点后，BFD设备300可提供一个或各种指示。例如，点健康可让操作者知道该测量点是缺陷源。非同步指示可传递在一点附近的轴承或齿轮处的缺陷源的信息。同步指示可传递在一点的推进器、齿轮或轴处的缺陷源的信息。轴指示可确认同步指示的升高是否是轴或另一部件的结果。在一些实施例中，可利用三个方法中的一个来实现盲缺陷检测。方向式方法可被用于找到方向式平均值，而点式方法可被用于找到点式平均值。另外，第三方法包括点式和方向式指示两者。这三个方法在下面被描述。

BFD设备300包括用于识别旋转装备中的缺陷的任何合适结构。在这个示例中，BFD设备300包括至少一个处理单元355、至少一个存储器360和至少一个输入/输出界面360。至少一个处理单元355包括用于处理数据以识别旋转装备中的缺陷的任何合适的设备或系统。至少一个处理单元355可例如包括至少一个处理器、微处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或其它处理或控制设备。至少一个存储器360存储并促进对BFD设备300所使用、生成或收集的数据的检索。至少一个存储器360包括任何合适的易失和/或非易失存储和检索设备。至少一个输入/输出界面360促进与外部设备、系统或操作者的交互。例如，至少一个输入/输出界面360可包括用于从操作者或从传感器350a-350d接收数据的输入界面。至少一个输入/输出界面360还可包括用于输出警报、警告、或其它数据给操作者显示器或外部系统的输出界面。图4A和4B图示了用于根据本公开的盲缺陷检测的示例点式方法400。图4A和4B中示出的BFD方法400的实施例仅用于说明。可使用其它实施例而不脱离本公开的范围。在第一方法400中，A(I，J)是所有方向(J)的平均，给出在每个点I处的B(I)能量。例如，马达的非驱动端(点I)具有两个方向的测量结果，即水平(IH)和竖直(IV)。类似地，马达的驱动端具有两个方向的测量结果，即水平(2H)和竖直(2V)。分别对这些特征取平均以点式地产生B (I)和B (2)。因此，操作者可基于带有更高能量的部分集中修复付出。即使两个点具有带有相同构造的轴承，也能容易地准确地找到有瑕疵的轴承，因为在这种情况下非同步能量对于这一点在某些方向上非常高，并且也可通过查看这两个点的同步能量而容易地检测联接的故障。在框402和404中，操作者输入机械中的测量点的数量，以及在每个测量点处的方向的数量。例如，马达非驱动端(MNDE)、马达驱动端(MDE)、泵驱动端(PDE)和泵非驱动端(PNDE)是四个测量点。在每个点处，可能有一个、两个或三个测量方向，例如水平、竖直和轴向。测量结果可包括振动(或声学)和速度。速度测量结果可包括:
轴的所有部分的单个速度测量结果，所以如果速比是可获得的(对于齿轮/带/链变速器的情况)时缺陷隔离是良好的；以及
对每个轴的速度测量结果(不要求速比)。在框406，识别同步、轴和非同步指示的频率族。而且，监测每个点的每个方向上的振动谱。例如，在框408中，计数器初始化点1 = 1。在框410中，BFD设备300确定是否Dn0如果I≤n，那么在框412中方向计数器初始化方向J= I。如果I>n，BFD设备300可设置I = I并且前进到在框438中计算这个方向的平均能量。在框414中，BFD设备300确定是否J〉nIJ。如果J ≤ Iiu,那么BFD设备300在框416中初始化族值K = I。替换地，如果Jhu，那么在框418中点值I就被增加到下一点。此后使用速度信息分析三个频率族。这些频率族是:
同步族:轴速度的谐频族已知是同步的，其中谐频的数量通过最大频率组成与轴速度的比来确定。最大频率信息可由使用者提供或从采样频率信息自动提取为:
权利要求
1.一种装置，其包括: 输入界面(365)，其构造成接收与旋转装备(310、315)的至少一级相关联的输入信号； 处理单元(355)，其构造成使用输入信号识别在旋转装备中的缺陷；以及 输出界面(365)，其构造成提供识别所述缺陷的指示； 其中所述处理单元被构造成通过下面内容识别所述缺陷: 确定与至少一个传感器点相关的至少一个频率族； 基于所述至少一个频率族确定至少一个传感器点的平均能量；以及 将平均能量与基线值比较。
2.如权利要求1所述的装置，其中处理单元被构造成通过识别与旋转装备的定位有传感器的点相关联的缺陷来识别缺陷。
3.如权利要求1所述的装置，其中处理单元被构造成通过识别与方向相关联的缺陷来识别缺陷，所述方向与传感器相关联并包括竖直方向、水平方向和轴向方向中的其中一个。
4.如权利要求1所述的装置，其中输入信号包括与下面中的至少一个相关的信号:旋转装备的同步能量、非同步能量、和轴能量。
5.如权利要求1所述的装置，其中处理单元被进一步构造成相对于基线值正规化平均能量。
6.一种系统，其包括: 一个或多个传感器(350)，其构造成测量旋转装备(310、315)的一个或多个特征；以及 盲缺陷检测设备(300) ，其包括: 输入界面(365)，其构造成从一个或多个传感器接收至少一个输入信号； 处理单元(355)，其构造成使用至少一个输入信号识别在旋转装备中的缺陷；以及 输出界面(365)，其构造成提供识别所述缺陷的指示； 其中所述处理单元被构造成通过下面内容识别所述缺陷: 确定与至少一个传感器点相关的至少一个频率族； 基于所述至少一个频率族确定至少一个传感器点的平均能量；以及 将平均能量与基线值比较。
7.如权利要求6所述的系统，其中处理单元被构造成通过识别与旋转装备的定位有所述至少一个传感器的点相关联的缺陷来识别缺陷。
8.如权利要求7所述的系统，其中处理单元被构造成通过识别与方向相关联的缺陷来识别缺陷，所述方向与传感器相关联并包括竖直方向、水平方向和轴向方向中的其中一个。
9.如权利要求6所述的系统，其中输入信号包括与下面中的至少一个相关的信号:旋转装备的同步能量、非同步能量、和轴能量。
10.一种方法，其包括: 接收与旋转装备(310、315)的至少一级相关联的输入信号； 使用所述输入信号识别旋转装备中的缺陷；以及 提供识别所述缺陷的指示； 其中识别所述缺陷包括: 确定(406)与至少一个传感器点相关的至少一个频率族； 基于所述至少一个频率族确定(436)至少一个传感器点的平均能量；以及将平均能量与基 线值比较(450-452 )。
全文摘要
本发明涉及用于旋转机器的盲缺陷检测系统和方法。系统包括多个传感器(350)，其构造成测量旋转装备(310、315)的一个或多个特征，并且包括盲缺陷检测设备(300)。盲缺陷检测设备包括输入界面(365)，其构造成从所述一个或多个传感器接收至少一个输入信号。盲缺陷检测设备还包括处理单元(355)，其构造成使用至少一个输入信号识别旋转装备中的缺陷。盲缺陷检测设备还包括输出界面(365)，其构造成提供识别缺陷的指示。处理单元构造成通过确定与至少一个传感器点相关的至少一族频率、基于所述至少一族频率确定所述至少一个传感器点的平均能量、并将平均能量与基线值比较来识别缺陷。
文档编号G01M13/02GK103245500SQ20131005016
公开日2013年8月14日 申请日期2013年2月8日 优先权日2012年2月13日
发明者C.卡, R.萨达纳, J.穆克赫吉 申请人:霍尼韦尔国际公司