齿轮箱模型式诊断方法、工具以及计算机可读取存储介质技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。根据本专利技术的一个方面，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。根据本专利技术的另一个方面，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。根据本专利技术的另一个方面，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。根据本专利技术的另一个方面，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、传动本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB 2008-4-29 0807775.21.一种用于运行齿轮箱、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ο21.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：SY潘，JK考尔塔特，
申请(专利权)人：诺迈士科技有限公司，
类型：发明
国别省市：GB