用于旋轉機器的盲缺陷檢測系統和方法

專利名稱：用于旋轉機器的盲缺陷檢測系統和方法
技術領域：
本公開總體涉及旋轉設備。更具體地，本公開涉及用于旋轉機器的盲缺陷檢測的系統和方法。
背景技術：
齒輪箱是許多工業中的常見部件。齒輪箱通常包括減速裝置和動力傳輸部件。齒輪箱可以是單級齒輪箱或多級齒輪箱。齒輪箱還可以代表或包括外部齒輪裝置、內部齒輪裝置、或齒條和小齒輪傳動裝置。由于這種廣泛使用，許多工業涉及裝備故障。例如，一個調查發現齒輪箱故障占據了飛機中的全部故障模式(例如疲勞)的34%。另一調查表明齒輪箱故障占據了某一工業的全部故障的15%。裝備故障通常由于工廠停工而導致收入損失。因此，在早期檢測齒輪箱或其它裝備中的潛在故障(例如缺陷)能輔助阻止繼發損壞，節省維護成本，改善工廠正常運行時間，減少由工廠停工引起的潛在經濟損失，并輔助增加生產率
發明內容
本公開提供了用于旋轉機器的盲缺陷檢測的系統和方法。在第一實施例中，裝置包括輸入界面，其構造成接收與至少一級旋轉裝備相關聯的輸入信號。該裝置還包括處理單元，其構造成使用輸入信號識別旋轉裝備中的缺陷。該裝置還包括輸出界面，其構造成提供識別缺陷的指示。處理單元構造成通過確定與至少一個傳感器點相關的至少一族頻率、基于所述至少一族頻率確定所述至少一個傳感器點的平均能量、并將平均能量與基線值比較來識別缺陷。在第二實施例中，系統包括一個或多個傳感器和盲缺陷檢測設備，其構造成測量旋轉裝備的一個或多個特征。盲缺陷檢測設備包括輸入界面，其構造成從所述一個或多個傳感器接收至少一個輸入信號。盲缺陷檢測設備還包括處理單元，其構造成使用至少一個輸入信號識別旋轉裝備中的缺陷。盲缺陷檢測設備還包括輸出界面，其構造成提供識別缺陷的指示。處理單元構造成通過確定與至少一個傳感器點相關的至少一族頻率、基于所述至少一族頻率確定所述至少一個傳感器點的平均能量、并將平均能量與基線值比較來識別缺陷。在第三實施例中，方法包括接收與至少一級旋轉裝備相關聯的輸入信號。該方法還包括使用輸入信號識別旋轉裝備中的缺陷。該方法還包括提供識別該缺陷的指示。識別缺陷包括確定與至少一個傳感器點相關的至少一族頻率、基于所述至少一族頻率確定所述至少一個傳感器點的平均能量、并將平均能量與基線值比較。本領域技術人員通過下面的附圖、描述和權利要求能容易地理解其它的技術特征。


為了更全面地理解本公開，現在結合附圖來參照下面描述，其中:
圖1A到ID圖示了示例齒輪結構；
圖1E到IK圖示了示例推進器構造；
圖2A到2E圖示了齒輪經歷的示例裂紋和磨損；
圖3圖示了根據本公開的示例盲缺陷檢測(BFD)設備和相關聯的旋轉機械系統；
圖4A和4B圖示了用于根據本公開的盲缺陷檢測的示例點式方法；
圖5A和5B圖示了根據本公開的示例方向式盲缺陷檢測方法；以及 圖6A和6B圖示了根據本公開的示例組合式盲缺陷檢測方法。
具體實施例方式下面討論的圖1至6B以及在本專利文獻中用來描述本發明的原理的各種實施例都是說明性的并且決不應該被理解為限制本發明的范圍。本領域技術人員將理解本發明的原理可在任何類型的適當布置的設備或系統中實施。另外，還應理解的是，附圖中圖示的元件是為了簡單和清楚，并且不一定是按比例繪制的。例如，附圖中的一些元件的尺寸可能被相對于其它元件放大以有助于改善對在本專利文獻中描述的各種實施例的理解。圖1A至ID圖示了示例齒輪結構。在圖1A至ID中示出的齒輪結構的實施例僅用于說明。可使用其它齒輪結構而不脫離本公開的范圍。齒輪箱可包括一種或多種類型的齒輪，例如外部齒輪裝置105 (圖1A)，內部齒輪裝置110 (圖1B)和齒條和小齒輪傳動裝置115 (圖1C)。齒輪箱可以是單級齒輪箱(如在圖1A至IC所示)或者多級齒輪箱120 (如圖1D中所示)。

在圖1A中示出的外部齒輪裝置105是螺旋齒輪。這里，外部齒輪裝置105是單級的，其包括齒輪107和小齒輪109。不過，也可使用其它實施例，例如外部齒輪裝置105是直齒輪的實施例。在圖1B中圖示的內部齒輪裝置110也是單級齒輪裝置結構。內部齒輪裝置110包括太陽齒輪111、行星齒輪112、齒圈113和行星齒輪架114。在圖1C中圖示的齒條和小齒輪傳動裝置115還是單級齒輪裝置結構。齒條和小齒輪傳動裝置115包括一對齒輪117、119，它們將旋轉運動轉換為線性運動。圓形小齒輪117接合齒條119上的齒。應用到小齒輪117的旋轉運動引起齒條119向側向移動，直到其行程的極限。例如，在鐵路中，安裝在機車或軌道車上的小齒輪117的旋轉接合在軌道之間的齒條119并沿著陡坡拉動火車。在圖1D中圖示的多級齒輪箱120包括第一級122和第二級124。應當理解的是，兩級的圖示僅僅是示例性的。也可以使用包括多于兩級的多級齒輪箱120的實施例。在這個示例中，第一級122被構造為內部齒輪裝置,而第二級124被構造為外部齒輪裝置。如此，第一級122代表了單級內部齒輪箱，而第二級124包括若干齒輪和小齒輪，它們被聯接以形成多級外部齒輪裝置。缺陷或故障可能發生在使用上述齒輪類型或其它齒輪類型中的一個或多個形成的齒輪箱中。故障可能發生在齒輪、小齒輪或它們兩者中。齒輪故障包括磨損、出現裂紋、齒斷裂、靜態和動態傳動誤差、塑性形變、出現刻痕和劃痕、表明疲勞、剝落和齒隙游移。圖1E到IK圖示了示例推進器構造；在圖1E至IK中，推進器130a_130b包括在圓柱體、管或其它導管內側的轉子。轉子用于增加在導管內側的流體的壓力和流量。導管包括接收入流流體的敞開入口 138 (經常稱為“眼”)。輪葉134在導管136內徑向地推動流體。輪葉134能例如代表向后彎曲的葉片134a、徑向葉片134b或者向前傾斜的葉片134c。帶有花鍵、栓或螺紋的圓孔132接收驅動軸142，其引起輪葉134旋轉。推進器130a_130b能由鐵、鋼、青銅、黃銅、鋁、塑料或其它適合的材料制造。推進器130a代表軸流推進器，而推進器130b代表混合流推進器。如在圖1I中所示，推進器130c也能被用作離心泵140的旋轉部件。推進器130c通過從旋轉中心向外加速流體將來自驅動泵140的馬達的旋轉能和/或動能轉換或轉變為被泵送的流體的勢能。通過推進器130c實現的速度在泵殼體145限制流體的向外移動時轉化為壓力。圖1J和IH圖示了其它類型的推進器。特別地，圖1J圖示了敞開的推進器130d、半敞開的推進器IOOe和封閉的推進器130f。圖1H圖示了單吸推進器130g和雙吸推進器130h。除了選擇特定類型的推進器外，特定推進器的設計可被改變以改變其性能特征。例如，帶有大數量的輪葉或帶有具有大角度的輪葉的推進器可具有增加的流體“頭”。另外，帶有小數量的輪葉或帶有大輪葉出口角度的推進器在葉尖處可具有較差的振動特征或較重的載荷。另外，在推進器和其殼體之間的較大的間隙可減少振動但會導致尺寸、重量和成本的增加。盡管這里僅圖示了一些齒輪類型，但是可以使用許多其它的齒輪類型。其它的齒輪類型可包括但不限于帶有平行軸、交叉軸和/或非交叉且非平行軸的齒輪箱。平行軸可包括直齒輪、單螺旋齒輪和雙螺旋齒輪。交叉軸可包括錐齒輪、直齒錐齒輪、零度錐齒輪、螺旋錐齒輪、等徑錐齒輪、人字齒輪和冠狀齒輪。非交叉且非平行軸可包括越過的螺旋齒輪、準雙曲面齒輪和蝸輪傳動裝置。另外，雖然這里以舉例方式圖示了齒輪箱，但是其它類型的旋轉機械也可被如下所述地監測。例如，被監測的旋轉機械可包括推進器或泵。旋轉機械例如齒·輪箱可包括多種構造。這些構造可包括:
1.不同的軸承數量或軸承幾何形狀，像節圓直徑、球直徑、球的數量、和在每個測量點的接觸角；
2.不同的齒輪級數，和每一級上的齒輪和小齒輪中的不同齒數；以及
3.不同的推進器級數，和每一級上的不同的輪葉數等。特定機械的構造可能是不可獲得的，例如當機械非常老并且關于其構造的信息缺失時。而且，已經安裝或維護該機械的人可能是不可獲得的。該構造也可能是不可獲得的，因為機械的子系統(例如軸承、齒輪等)中的一個或多個被改變的太頻繁以至于有可能維護人員可能已經將其替換為另一制造或模型。另外，由于緊急維護，子系統可能已經被替換為非標準的子系統。可能需要機械的構造以使用第一原則執行準確的缺陷分類。另外，機械的構造能實現在精確點處確定軸承的瑕疵，因為在全部點處的軸承構造信息是已知的。因此，通過確保維護人員不會拆卸整個機械而是將僅替換有缺陷的軸承而縮短了修復時間。而且，可能需要構造以用公式表達數學模型從而模擬機械等的任何行為。圖2A到2E圖示了齒輪經歷的示例裂紋和磨損。圖2A圖示了疲勞裂紋205。疲勞裂紋205可導致齒斷裂。齒斷裂包括疲勞斷裂、由于嚴重磨損導致的斷裂和過載斷裂。圖2B圖示了粘著磨損的示例。圖2C圖示了磨料磨損的示例。圖2D圖示了疲勞磨損的示例。圖2E圖示了化學磨損的示例。這些類型的裂紋和磨損可使用下面描述的系統檢測。不過，許多其它的或額外的類型的損壞也能使用下面描述的系統檢測。根據本公開，提供了一種系統和方法，其可識別和分類(例如，隔離)發生在旋轉設備上的一種或多種類型的瑕疵。而且，這可在無需具有定義旋轉設備的準確構造的信息的情況下實現。圖3圖示了根據本公開的示例盲缺陷檢測(BFD)設備300和相關聯的旋轉機械系統305。BFD設備300的這種使用僅是說明性的。BFD設備300可以任何其它適合方式被使用而不脫離本公開的范圍。在這個示例中,旋轉機械系統305包括旋轉部件310 (例如馬達、潤輪機或發動機)和齒輪箱315。雖然旋轉機械系統305的示例包括齒輪箱315，但是也可包括其它設備，例如風扇、泵或壓縮機。作為在圖3中示出的系統的具體示例，自動變速器齒輪箱315可在驅動端(DE)320上被聯接到感應馬達310的驅動端325，其還包括非驅動端(NDE) 330。齒輪箱315可在非驅動端335被聯接到機械載荷單元340。各種探針350a-350d被聯接到感應馬達310的非驅動端330和驅動端325并且聯接到齒輪箱315的非驅動端335和驅動端320。探針350a-350d測量系統305的一個或多個特征，例如振動、馬達電流、噪聲、或者齒輪箱315和感應馬達310的速度。在特定的實施例中，探針350a-350d中的每一個可包括構造成提供三個方向上的測量結果的三個傳感器:水平，豎直和軸向。BFD設備300可在沒有關于旋轉機械系統305的構造的信息的情況下識別和分類旋轉機械系統305中的瑕疵。BFD設備300可使用軸和非同步能量、基線能量、和多傳感器系統監測各個頻率族(FoF)來監測旋轉機械系統305。各個頻率族包括但不限于軸頻率和非同步諧頻。多傳感器系統可 通過應用在兩個位置處以測量這些位置處的能量的兩個傳感器中的最小者并相對于基線來監測該能量以確定是什么引起了能量增加來提供點指示。多傳感器系統還可包括在每個監測點處的至少三個傳感器以通過多傳感器融合來提供單個的值點。點健康降級指示可提供每個系統305的四個值并且可僅聚焦到需要注意的點上。它還能通過多傳感器融合提供每個方向的單個值。方向健康降級指示可提供每個系統305的三個值以聚焦某些故障模式。一些盲缺陷檢測系統采用的方案是追蹤在振動頻域內的不同頻帶內的能量。不過，這種方案被限制于檢測軸承振動。一些盲缺陷檢測系統在頻域峰值中建立極限并追蹤是否超過這些極限。不過，這種系統提供了基線譜的頻域內的相對閾值。當在規定頻率上的電流幅值超過了其值的兩倍時，可發出警告警報。類似地，當幅值超過其值十倍時可發出警告警報。一些盲缺陷檢測系統要么使用均方根(RMS)要么使用峰值幅值并具有取決于機械的分類和基礎的類型(柔性或剛性)的某些閾值。不過，這些盲缺陷檢測方法沒有提供在點處的瑕疵的任何信息并且沒有檢測在機械內的各個測量點處存在傳感器(加速度計)時的瑕疵。這些方法也不能被自動化，因為它們要求操作者構造頻帶并找到在任意點或帶處的瑕疵。在一些實施例中,BFD設備300被構造成考慮振動中的三個參數。這三個參數包括同步能量、非同步能量和軸能量，這些可以是低頻同步和非同步分量的組合。BFD設備300可找到這些能量相對于基線能量的改變。基線能量可從屬于正常操作的振動譜中提取。在一些實施例中，BFD設備300計算對于特定操作的不同測量點處的這些能量水平的平均值。BFD設備300還追蹤在特定點和方向上的能量是否多于在該方向上的平均能量。BFD設備300然后找到基于規則或基于模糊規則的診斷以具體說明某種分類。同步能量增加可能由于各種因素，例如多級齒輪箱的特定級的軸、推進器、或齒輪(如果第一級的軸速在分析中被考慮)。軸能量的改變可證明軸是否有瑕疵。非同步能量的增加也可能由于各種因素，例如在特定點處的軸承、在速度已被測量的級之外的級上的齒輪、和固有頻率/共振。BFD設備300包括構造成檢測缺陷可能已經開始的準確點的邏輯。在確定了缺陷開始的點后，BFD設備300可提供一個或各種指示。例如，點健康可讓操作者知道該測量點是缺陷源。非同步指示可傳遞在一點附近的軸承或齒輪處的缺陷源的信息。同步指示可傳遞在一點的推進器、齒輪或軸處的缺陷源的信息。軸指示可確認同步指示的升高是否是軸或另一部件的結果。在一些實施例中，可利用三個方法中的一個來實現盲缺陷檢測。方向式方法可被用于找到方向式平均值，而點式方法可被用于找到點式平均值。另外，第三方法包括點式和方向式指示兩者。這三個方法在下面被描述。

BFD設備300包括用于識別旋轉裝備中的缺陷的任何合適結構。在這個示例中，BFD設備300包括至少一個處理單元355、至少一個存儲器360和至少一個輸入/輸出界面360。至少一個處理單元355包括用于處理數據以識別旋轉裝備中的缺陷的任何合適的設備或系統。至少一個處理單元355可例如包括至少一個處理器、微處理器、微控制器、現場可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)或其它處理或控制設備。至少一個存儲器360存儲并促進對BFD設備300所使用、生成或收集的數據的檢索。至少一個存儲器360包括任何合適的易失和/或非易失存儲和檢索設備。至少一個輸入/輸出界面360促進與外部設備、系統或操作者的交互。例如，至少一個輸入/輸出界面360可包括用于從操作者或從傳感器350a-350d接收數據的輸入界面。至少一個輸入/輸出界面360還可包括用于輸出警報、警告、或其它數據給操作者顯示器或外部系統的輸出界面。圖4A和4B圖示了用于根據本公開的盲缺陷檢測的示例點式方法400。圖4A和4B中示出的BFD方法400的實施例僅用于說明。可使用其它實施例而不脫離本公開的范圍。在第一方法400中，A(I，J)是所有方向(J)的平均，給出在每個點I處的B(I)能量。例如，馬達的非驅動端(點I)具有兩個方向的測量結果，即水平(IH)和豎直(IV)。類似地，馬達的驅動端具有兩個方向的測量結果，即水平(2H)和豎直(2V)。分別對這些特征取平均以點式地產生B (I)和B (2)。因此，操作者可基于帶有更高能量的部分集中修復付出。即使兩個點具有帶有相同構造的軸承，也能容易地準確地找到有瑕疵的軸承，因為在這種情況下非同步能量對于這一點在某些方向上非常高，并且也可通過查看這兩個點的同步能量而容易地檢測聯接的故障。在框402和404中，操作者輸入機械中的測量點的數量，以及在每個測量點處的方向的數量。例如，馬達非驅動端(MNDE)、馬達驅動端(MDE)、泵驅動端(PDE)和泵非驅動端(PNDE)是四個測量點。在每個點處，可能有一個、兩個或三個測量方向，例如水平、豎直和軸向。測量結果可包括振動(或聲學)和速度。速度測量結果可包括:
軸的所有部分的單個速度測量結果，所以如果速比是可獲得的(對于齒輪/帶/鏈變速器的情況)時缺陷隔離是良好的；以及
對每個軸的速度測量結果(不要求速比)。在框406，識別同步、軸和非同步指示的頻率族。而且，監測每個點的每個方向上的振動譜。例如，在框408中，計數器初始化點1 = 1。在框410中，BFD設備300確定是否Dn0如果I≤n，那么在框412中方向計數器初始化方向J= I。如果I>n，BFD設備300可設置I = I并且前進到在框438中計算這個方向的平均能量。在框414中，BFD設備300確定是否J〉nIJ。如果J ≤ Iiu,那么BFD設備300在框416中初始化族值K = I。替換地，如果Jhu，那么在框418中點值I就被增加到下一點。此后使用速度信息分析三個頻率族。這些頻率族是:
同步族:軸速度的諧頻族已知是同步的，其中諧頻的數量通過最大頻率組成與軸速度的比來確定。最大頻率信息可由使用者提供或從采樣頻率信息自動提取為:
權利要求
1.一種裝置，其包括: 輸入界面(365)，其構造成接收與旋轉裝備(310、315)的至少一級相關聯的輸入信號； 處理單元(355)，其構造成使用輸入信號識別在旋轉裝備中的缺陷；以及 輸出界面(365)，其構造成提供識別所述缺陷的指示； 其中所述處理單元被構造成通過下面內容識別所述缺陷: 確定與至少一個傳感器點相關的至少一個頻率族； 基于所述至少一個頻率族確定至少一個傳感器點的平均能量；以及 將平均能量與基線值比較。
2.如權利要求1所述的裝置，其中處理單元被構造成通過識別與旋轉裝備的定位有傳感器的點相關聯的缺陷來識別缺陷。
3.如權利要求1所述的裝置，其中處理單元被構造成通過識別與方向相關聯的缺陷來識別缺陷，所述方向與傳感器相關聯并包括豎直方向、水平方向和軸向方向中的其中一個。
4.如權利要求1所述的裝置，其中輸入信號包括與下面中的至少一個相關的信號:旋轉裝備的同步能量、非同步能量、和軸能量。
5.如權利要求1所述的裝置，其中處理單元被進一步構造成相對于基線值正規化平均能量。
6.一種系統，其包括: 一個或多個傳感器(350)，其構造成測量旋轉裝備(310、315)的一個或多個特征；以及 盲缺陷檢測設備(300) ，其包括: 輸入界面(365)，其構造成從一個或多個傳感器接收至少一個輸入信號； 處理單元(355)，其構造成使用至少一個輸入信號識別在旋轉裝備中的缺陷；以及 輸出界面(365)，其構造成提供識別所述缺陷的指示； 其中所述處理單元被構造成通過下面內容識別所述缺陷: 確定與至少一個傳感器點相關的至少一個頻率族； 基于所述至少一個頻率族確定至少一個傳感器點的平均能量；以及 將平均能量與基線值比較。
7.如權利要求6所述的系統，其中處理單元被構造成通過識別與旋轉裝備的定位有所述至少一個傳感器的點相關聯的缺陷來識別缺陷。
8.如權利要求7所述的系統，其中處理單元被構造成通過識別與方向相關聯的缺陷來識別缺陷，所述方向與傳感器相關聯并包括豎直方向、水平方向和軸向方向中的其中一個。
9.如權利要求6所述的系統，其中輸入信號包括與下面中的至少一個相關的信號:旋轉裝備的同步能量、非同步能量、和軸能量。
10.一種方法，其包括: 接收與旋轉裝備(310、315)的至少一級相關聯的輸入信號； 使用所述輸入信號識別旋轉裝備中的缺陷；以及 提供識別所述缺陷的指示； 其中識別所述缺陷包括: 確定(406)與至少一個傳感器點相關的至少一個頻率族； 基于所述至少一個頻率族確定(436)至少一個傳感器點的平均能量；以及將平均能量與基 線值比較(450-452 )。
全文摘要
本發明涉及用于旋轉機器的盲缺陷檢測系統和方法。系統包括多個傳感器(350)，其構造成測量旋轉裝備(310、315)的一個或多個特征，并且包括盲缺陷檢測設備(300)。盲缺陷檢測設備包括輸入界面(365)，其構造成從所述一個或多個傳感器接收至少一個輸入信號。盲缺陷檢測設備還包括處理單元(355)，其構造成使用至少一個輸入信號識別旋轉裝備中的缺陷。盲缺陷檢測設備還包括輸出界面(365)，其構造成提供識別缺陷的指示。處理單元構造成通過確定與至少一個傳感器點相關的至少一族頻率、基于所述至少一族頻率確定所述至少一個傳感器點的平均能量、并將平均能量與基線值比較來識別缺陷。
文檔編號G01M13/02GK103245500SQ20131005016
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月8日 優先權日2012年2月13日
發明者C.卡, R.薩達納, J.穆克赫吉 申請人:霍尼韋爾國際公司