控制齒輪系統潤滑的裝置和方法

專利名稱：控制齒輪系統潤滑的裝置和方法
技術領域：
本發明大體上涉及向機械齒輪提供潤滑的技術。特別地，本發明涉及在寬泛多變的條件下確保適當潤滑的技術，通過該技術使負責齒輪的正確運行的操作者產生很小的影響或不產生影響。
背景技術：
在本說明書中，我們使用術語大齒輪指代有齒的旋轉機件。兩個或更多嚙合的大齒輪構成了齒輪級。同樣地，本說明書中的術語齒輪指具有第一軸和第二軸的機械系統，在所述第一軸和第二軸之間，一個或更多個齒輪級在旋轉軸線方向上提供速度和扭矩的轉換和/或改變。齒輪單元包括固定的齒輪并可以包括輔助增強系統，如測試儀表、控制和潤滑
>J-U裝直。風力渦輪機的齒輪單元在將轉動葉片的動能和旋轉能源傳遞給發電機方面起著重要作用，這產生了電能。為了獲得風力渦輪機的適當性能，確保齒輪順暢且可靠地運行是至關重要的。同樣地，齒輪還會遇到其他多種應用，但是涉及風力渦輪機的特定的特征及所需的環境條件意味著它們的設計常常要求非常先進的特別的解決方案。在風力渦輪機中，齒輪的第一軸與轉子組件聯接，且第二軸與發電機聯接。在齒輪中，至少一個齒輪級位于第一和第二軸之間以在軸之間傳遞旋轉運動且執行所需的速度和扭矩比。軸承被用于在盡可能小的摩擦的條件下，支撐軸和齒輪。齒輪級(多個齒輪級)和軸承需要潤滑，為此目的，齒輪單元通常包括被構造成使潤滑流體循環通過齒輪級和軸承的潤滑泵。在非常簡單的執行中，齒輪的某個部分的旋轉運動被用于驅動潤滑泵?？紤]到可能停止較長時間的風力渦輪機，諸如軸向驅動潤滑泵，在啟動階段于足夠量的潤滑流體到達重要運動部件之前將導致延遲，因此不推薦。更為通用的解決方式涉及使用專用功率源，比如電動或液壓馬達，以驅動潤滑泵。作為受控啟動的一部分，功率源可在大齒輪開始移動之前打開，從而使它們從開始就接收到的適宜的潤滑流體量。已知當要打開功率源時顯然需要齒輪單元包括或得益于能夠控制風力渦輪機的大部分部件的運行的控制單元。然而，即使在這樣的情況下，找到合適的潤滑方法也不簡單。比如，齒輪內可能出現從-40到超過+85°C的溫度范圍，對潤滑流體的粘度具有顯著影響。粘度的變化影響潤滑流體流過潤滑通道的方式，還影響潤滑流體在相對于彼此移動的金屬部件之間維持潤滑膜的能力。

發明內容
本發明的目標在于提供用于一種以有效并有利的方式控制齒輪潤滑的方法和裝置。本發明的另一目標在于確保潤滑的控制可以利用在機械和設備方面的合理投入而獲得。本發明的又一目標在于確保潤滑控制能夠易于與齒輪的其他控制功能相結合。本發明的又一目標是使得能夠易于量度不同尺寸的齒輪的潤滑控制方法。
本發明的這些和其他有利目標通過在潤滑泵的下游放置潤滑流體壓力傳感器及至少部分地使用測量到的壓力改變潤滑泵的輸出功率而獲得。根據本發明的齒輪潤滑裝置通過涉及這樣一種裝置的獨立權利要求中的特征部分所引用的特征而特征化。根據本發明的方法通過涉及方法的獨立權利要求中的特征部分所引用的特征而特征化。操作潤滑泵主要在泵的輸出處引起潤滑流體的壓力增加。如果條件維持相同，則在由流動阻力平衡所增加的壓力處很快達到平衡狀態，這導致了從潤滑泵的穩定輸出流量，所述流動阻力是潤滑流體在其通往潤滑泵下游的潤滑通道的路徑上遇到的。在穩定狀態的條件下，在潤滑泵的下游的固定位置處獲得的壓力讀數維持相同。通常潤滑流體的粘度與其壓力成反比。潤滑流體與移動機件接觸的地方，齒輪的內部溫度增加，導致潤滑流體升溫。結果，潤滑流體的粘度下降，且潤滑流體在接觸金屬部件之間維持潤滑膜的能力變弱。在潤滑通道中觀察到的流體阻力也減小。所述流動阻力將傾向于降低壓力讀數，除非存在從壓力測量的到受控的潤滑泵的輸出功率的反饋。不管粘度改變的原因是什么，相同的情況是真的來自壓力測量的適宜反饋將使得潤滑泵的輸出功率對壓力變化進行補償。比如，如果老化和/或雜質的引入使得潤滑流體的粘度變化，則在潤滑流體的潤滑能力方面所導致的變化將被潤滑泵嘗試將測量到的壓力維持在期望值而在其輸出功率方面的改變至少部分地抵消。觀察到的壓力受控潤滑泵的輸出功率(或觀察到的給與潤滑泵作為使用壓力反饋的結果的控制信號)可甚至用作潤滑系統的條件的指示器。比如，如果齒輪單元的多個其他測量特征保持不變，但潤滑泵的輸出功率已明顯變化，這可能表明潤滑流體有問題或者在潤滑通道中發生堵塞或破損。所選擇的潤滑泵的輸出功率的顯著的增加沒有導致測量壓力的增加同樣可能表明潤滑泵或其功率源存在問題。一些額外的信息可用于擴大在控制潤滑泵方面的所測量的壓力讀數。比如，如果溫度測量顯示潤滑流體極其冰冷(并因此粘滯)，則即便是相對較高的潤滑泵輸出功率也可導致非常低的壓力讀數，這是因為潤滑流體在泵輸出和測量點之間經受到異常高的流動阻力。為了保持潤滑泵不與高粘性的潤滑流體作不必要的斗爭，可利用如下控制算法控制潤滑泵的輸出功率，該算法不僅考慮了潤滑泵的下游的潤滑流體的測量壓力而且考慮了其他信息，如所測量的溫度。本專利申請中陳述的本發明的示例性實施例不應被解釋為是對所附權利要求的應用的限定。本專利申請中所用的動詞“包括”是用作開放式的限定，其不排除另外的未提及的特征的存在。除非另有明示，在從屬權利要求中提及的特征可相互自由結合。被認為是本發明的特點的新穎性特征將特別地在所附權利要求中闡明。然而，在結合附圖閱讀時根據如下具體實施例的描述將更好地理解本發明本身、本發明的構造和操作方法兩者、以及本發明的另外的目標和優點。


圖1示意性地圖示了齒輪單元的一些部件；圖2圖示了 P/I調節器的示例性使用；
圖3圖示了本發明的實施例的方法方面；圖4圖示了本發明的另一實施例的方法方面。
具體實施例方式圖1為齒輪單元100如用于風力渦輪機的齒輪單元的一些部件的示意圖。齒輪101包括用于分別連接到外部機械系統如轉子和發電機的第一軸102和第二軸103。在齒輪101內，至少一齒輪級104位于第一和第二軸102和103之間。這些軸由軸承支撐，所述軸承中的軸承105作為示例在圖中圖示。除了固定的齒輪外，齒輪單元還包括齒輪潤滑裝置。齒輪潤滑裝置的一部分是用于循環潤滑流體如潤滑油107的潤滑泵106，該潤滑油被示意性示出為來自油槽或油池108。油池的使用被特別稱為干槽方式，其中不會有大容量的油槽直接位于所潤滑的機件下方。本發明已經特別地為干槽齒輪進行設計，但它還可以和濕槽方式配合應用。功率源109與潤滑泵106聯接以驅動潤滑泵106。為了易于及靈活控制的目的，電動機常常被選成功率源109，但是它還可以是比如液壓馬達、前后移動的致動器，或者其他任意類型的能夠使得潤滑泵106在不同輸出功率下泵送潤滑流體的功率源。功率源109的運行又由控制器控制。在本說明書中，我們使用術語“控制器”通常指代如下實體，所述實體能夠主動地使功率源109以所期望的方式驅動潤滑泵106，從而潤滑泵在所需輸出功率下泵送潤滑流體。簡而言之，可以說控制器最終控制住了潤滑泵的輸出功率，因為控制裝置的必要信息位于控制器中?？刂破髋c潤滑泵和/或功率源聯接。這種連接的本質和目的在下面詳細說明。在圖1的示例性實施例中，控制器包括控制單元110和驅動單元111。這些部件中，驅動單元111被構造成向功率源109傳遞適宜量的運行功率，結果使得功率源109進而驅動潤滑泵106，使潤滑泵106傳遞所需的輸出功率。如果功率源109是電動機，則驅動單元111比如可以是可變頻的驅動器。控制單元110被構造成向驅動單元111給出控制指令，所述控制指令調整向功率源109傳遞的運行功率。比如，可變頻的驅動器可接收來自控制單元110的呈模擬電壓電平或數字控制語言形式的控制指令?？刂浦噶钪辽俨糠值鼗诳刂破?此處控制單元110)從潤滑裝置獲得的反饋信息而形成。特別地，圖1的齒輪潤滑裝置包括相對于由潤滑泵泵送的潤滑流體設置在潤滑泵106的下游的壓力傳感器112。壓力傳感器112被構造成測量潤滑流體的壓力且由此產生代表潤滑流體的壓力的壓力指示信號。從壓力傳感器112到控制器(此處控制單元110)的聯接提供為向控制器傳遞壓力指示信號，這樣所述控制器恒定地知曉在壓力傳感器112所處的點處的潤滑流體的壓力。根據本發明的實施例，控制器被布置成至少部分地基于其接收自壓力傳感器112的壓力指示信號而改變潤滑泵106的輸出功率。壓力傳感器112的實際物理應用對本發明而言非必要內容。適于測量潤滑流體壓力的壓力傳感器從壓力測量的現有技術得知。壓力傳感器112的精確位置對本發明而言也不是首要的，只要它位于潤滑泵106的下游并且在潤滑流體將被分配在移動機件上的基本自由的空間中的點的上游。通常壓力傳感器112應該位于如下通道內，該通道作為潤滑泵106的操作的結果而仍然保持完全充滿移動的潤滑流體。可以使用一個、兩個或更多個壓力傳感器。如果存在兩個或更多個壓力傳感器，則推導壓力指示信號可包括算術操作，像計算平均值或差值，或者以不同方式將來自系統不同部件的壓力讀數考慮在內。根據本發明的實施例，控制器的操作，即其裝置改變潤滑泵106的輸出功率，旨在向著預定的目標壓力驅動潤滑流體的測量壓力。換句話說，存在控制器旨在維持的用于潤滑泵106的下游的潤滑流體一些預定壓力值。在此目標背后的理論基礎是如下深刻理解，即潤滑流體以在具有固定的凈斷面的通道系統中產生給定壓力的輸出功率來泵送，所述通道系統將以確保移動部件之間適當形成潤滑膜的足夠量的方式把潤滑流體輸送到待潤滑的齒輪和軸承。潤滑流體粘度中方面的動態變化(比如作為潤滑流體的變化的溫度的結果)被自動納入考慮中，因為較低粘度的流體將經受較小的流動阻力。因此將傾向于在通道中產生較小的壓力，這樣壓力反饋將導致潤滑泵的輸出功率的增加。因此，較低粘度流體的維持潤滑膜的能力的降低將通過增加即將被送至移動部件的潤滑流體的每單位時間的量而得到補償?？刂茊卧?10的有利實施包括比例積分(P/I)調節器201，如圖2所示。從壓力傳感器112獲得的壓力指示信號和從存儲器中讀取的目標壓力值之間的差值在差值計算器202中計算，且所述差值代表比例和積分調節器201的輸入量。比例和積分調節器的使用是執行如下控制功能的一種方式，該控制功能對測量和目標之間的差值的量級以及差值近期如何演化的一些歷史作出動態地反應并且將其考慮在內。圖3是由控制器執行以對潤滑流體的測量壓力方面的改變進行補償的簡單的示例性的控制方法的示意框圖。上述內容指出，控制器恒定地(或者周期性地)接收來自壓力傳感器112的壓力指示信號。在步驟301中，控制器檢查測量的壓力是否低于被特征化為可允許壓力的下限的第一預定值。作為對測量壓力低于第一預定值的響應，在步驟302中控制器增加潤滑泵的輸出功率。如果壓力不低于第一預定值，則控制器進行到在步驟303中檢查測量壓力是否高于在此被稱作第二預定值的上限。作為對高于第二預定值的測量壓力的響應，控制器在步驟304中降低潤滑泵的輸出功率。如果不超過上限或者下限值，則控制器就從步驟303直接回到步驟301。取決于如何針對復雜的控制，且取決于例如由驅動器111和功率源109的結構及操作所允許的控制可能性，潤滑泵106的輸出功率的逐步或連續的控制也可執行。逐步控制意味著控制器被布置成從至少三個離散值的組中選擇潤滑泵的輸出功率。連續控制意味著控制器被布置成連續地改變潤滑泵的輸出功率。由于由可能的控制語言制造的實數空間的離散本質，數字控制實際上在所有情況下都是必然逐步控制。然而，為了實踐目的，習慣上僅對如下情況保留術語逐步控制，即在由于使用臨近控制指令而引起的輸出功率的差異大到足夠清楚地與例如由非受控源像摩擦引起的變動區分開來的情況。圖4圖示了僅包括兩個不同步驟的簡單的連續控制方法的示例。步驟401中，計算壓力指示信號和目標值之間的差值，而步驟402中，潤滑泵的輸出功率被改變，以便使壓力指示信號接近目標值。圖1的示例性裝置對于控制單元110還負責其他類型的控制功能而不是只負責壓力反饋的的解決方案是典型的，其中控制器包括作為(至少邏輯上)分開實體的控制單元110和驅動單元111。可以將控制單元以及將驅動單元的功能建立成整體結構，所述整體結構將壓力指示信號(或從其中得到的一些明確的推斷)作為輸入信號并在其輸出處以適當量將運行功率傳輸到功率源。已知先進的可變頻的轉換器驅動具有一定程度的可編程性。它們可以被編程，從而使它們將輸入(如壓力指示信號)與預編程目標值進行比較，或者執行一些其他邏輯操作，所述邏輯操作致使驅動與所述輸入具有預定關系的電動機。圖1的齒輪潤滑裝置還包括溫度傳感器113。溫度傳感器113被構造成測量由潤滑泵106泵送的潤滑流體的溫度。溫度傳感器113被構造成產生代表潤滑流體的測量溫度的溫度指示信號。從溫度傳感器113到控制單元110的聯接使得控制單元與驅動單元111一起確定潤滑泵的適宜輸出功率時，還將潤滑流體的溫度納入考慮中。我們可以說，圖1中包括控制單元110和驅動單元111的控制器被布置成至少部分地基于溫度指示信號改變潤滑泵106的輸出功率。溫度傳感器113的物理實施和實際位置對本發明不是首要的，只要溫度傳感器能夠測量與潤滑泵泵送的潤滑流體的溫度引發的特征具有足夠明顯的關系的溫度即可。可以使用一個或更多個溫度傳感器。如果存在多于一個傳感器，則從它們的輸出中導出的溫度指示信號可包括計算如算出平均值或差值，或其他類型的處理。根據本發明的實施例，控制器被構造成接收更冷的潤滑流體的較小壓力指示信號。如果潤滑流體非常冷，如在冬天環境下啟動時，潤滑流體還具有相對較高的粘度。這又導致在潤滑流體應該流過的任何通道中的較大的流動阻力。流體的流動阻力越大，在通道輸入處需要的泵送功率越大，才能獲得在所述通道輸出處的預定壓力讀數。在非常冷的條件下不限定泵送功率將導致控制器不必要地嘗試增加潤滑泵的超過合理界限的輸出功率的情況發生，這只是因為冷而粘的潤滑流體在其向著壓力傳感器前進的道路上僅因為流動阻力而損失大量的壓力。在圖3展示的方法中，為潤滑流體選擇目標壓力可以結合到步驟301和303中。比如，作為對表示潤滑流體比預定閾值更冷的溫度指示信號的響應，為潤滑流體選擇第二目標壓力。第二目標壓力比為處在高于所述預定閾值的溫度下的潤滑流體選擇的第一目標壓力低。潤滑流體的測量溫度和所需壓力之間的適宜關系可以通過實驗找到。一個可替換的方式便是將溫度指示信號作為對于潤滑泵的輸出功率的基于壓力的確定的開/關命令。換句話說，只有在讀取溫度指示信號指示潤滑流體溫度在一些界限的情況下，控制器將基于壓力指示信號來改變潤滑泵的輸出功率，在所述一些界限之間已發現的是基于壓力的控制產生適當的結果。而另一個可替換的方式裝配具有兩個或更多相互可替換的基于壓力的控制算法的控制器，并且使用溫度指示信號來選擇最適于通過溫度指示信號指示溫度的基于壓力的控制算法。壓力(且也可能是溫度)指示信號可傳達關于在齒輪單元及其潤滑中發生什么事情的第一手重要信息。對于風力渦輪管典型的是，在多個風力渦輪機的條件和操作受監視的地方存在遠程監控位置。圖1的潤滑裝置包括用于向這樣的遠程監控位置傳遞信息的信號輸出裝置114。信號輸出裝置可以用于將很多類型的信息變成信號，特別是在控制單元110還對其他類型的控制功能負責而非僅僅是壓力反饋進行負責的實施例中。如本發明的實施例，控制器可被構造成向信號輸出裝置114發送指示已為潤滑泵106選擇的輸出功率的信息。另外或者作為可替換的，控制器可被構造成向信號輸出裝置114發送指示已從傳感器112和113接收到壓力和/或溫度指示信號的信息。
圖1中代表信號輸出裝置114的連接還能夠是雙向的，從而使一些其他裝置(像遠程監控位置)能夠為控制器下載如新的算法和/或潤滑流體的壓力的新的目標值或者限制值。以上給出的說明書中提供的特定實施例不應被解釋為限定。因此，本發明不僅限于上述實施例。
權利要求
1.一種用于向風力渦輪機的齒輪提供潤滑的齒輪潤滑裝置，包括 -潤滑泵，用于使潤滑流體在所述風力渦輪機的齒輪中循環， -功率源，聯接到所述潤滑泵用于驅動所述潤滑泵，以及 -控制器，聯接到所述潤滑泵和所述功率源中的至少一個，用于控制所述潤滑泵的輸出功率， 其特征在于 -所述齒輪潤滑裝置包括壓力傳感器，所述壓力傳感器相對于由所述潤滑泵泵送的潤滑流體設置在所述潤滑泵的下游， -所述壓力傳感器被構造成測量所述潤滑流體的壓力并產生代表所述壓力的壓力指示信號，并且 -所述控制器被布置成至少部分地基于所述壓力指示信號而改變所述潤滑泵的輸出功率。
2.根據權利要求1所述的齒輪潤滑裝置，其特征在于，所述控制器被布置成改變所述潤滑泵的輸出功率以朝向目標壓力驅動所測量的所述潤滑流體的壓力。
3.根據權利要求2所述的齒輪潤滑裝置，其特征在于，所述控制器包括比例和積分調節器，且所述壓力指示信號和所述壓力指示信號的目標值之間的差值表示所述比例和積分調節器的輸入量。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的齒輪潤滑裝置，其特征在于，所述控制器被布置成通過作為對所測量的所述潤滑流體的壓力低于第一預定值的響應而增加所述潤滑泵的輸出功率，以及通過作為對所測量的所述潤滑流體的壓力高于第二預定值的響應而減少所述潤滑泵的輸出功率，對所測量的所述潤滑流體的壓力的變化進行補償。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的齒輪潤滑裝置，其特征在于，所述控制器被布置成從至少三個離散值的組中選擇所述潤滑泵的輸出功率。
6.根據權利要求1至4中的任一項所述的齒輪潤滑裝置，其特征在于，所述控制器被布置成連續地改變所述潤滑泵的輸出功率。
7.根據任一項前述權利要求所述的齒輪潤滑裝置，其特征在于 -所述齒輪潤滑裝置包括溫度傳感器，所述溫度傳感器被構造成測量所述潤滑流體的溫度并產生代表所述溫度的溫度指示信號，并且 -所述控制器被布置成至少部分地基于所述溫度指示信號改變所述潤滑泵的輸出功率。
8.根據任一項前述權利要求所述的齒輪潤滑裝置，其特征在于 -所述齒輪潤滑裝置包括信號輸出裝置，所述信號輸出裝置用于將信息傳輸到遠程監控位置；并且 -所述控制器被構造成向所述信號輸出裝置發送代表為所述潤滑泵所選擇的輸出功率的信息。
9.根據任一項前述權利要求所述的齒輪潤滑裝置，其特征在于 -所述功率源是電動機，并且 -所述控制器包括變頻器，所述變頻器聯接為將驅動電信號傳遞到所述電動機。
10.一種風力渦輪機的齒輪單元，包括-第一軸(102)和第二軸(103)，用于連接到外部機械系統； -至少一個齒輪級(104)，位于所述第一軸和第二軸(102，103)之間； -軸承(105)，支撐所述第一軸和第二軸(102，103);和 -根據權利要求1所述的齒輪潤滑裝置，用于為所述齒輪級(104)和所述軸承(105)提供潤滑。
11.一種用于為風力渦輪機的齒輪提供潤滑的方法，包括 -利用所選擇的泵送功率將潤滑流體循環至所述齒輪； -測量產生所述泵送功率的潤滑泵的下游的所述潤滑流體的壓力，及 -至少部分地基于壓力指示信號改變所選擇的泵送功率。
12.根據權利要求11所述的方法，包括 -通過改變所選擇的泵送功率，向著目標壓力驅動所測量的所述潤滑流體的壓力。
13.根據權利要求11或12中的任一項所述的方法，包括 -測量所述潤滑流體的溫度，且產生代表所述溫度的溫度指示信號，和 -至少部分地基于所述溫度指示信號改變所選擇的泵送功率。
14.根據權利要求13所述的方法，包括 -作為對表示所述潤滑流體比預定閾值冷的溫度指示信號的響應，為所述潤滑流體選擇比第一目標壓力低的第二目標壓力，所述第一目標壓力是為溫度比所述預定閾值高的所述潤滑流體所選擇的。
15.根據權利要求11至14中的任一項所述的方法，包括 -向遠程監控位置發送代表所選擇的泵送功率的信息。
全文摘要
一種齒輪潤滑裝置，包括用于循環潤滑流體的潤滑泵。聯接到潤滑泵的功率源驅動潤滑泵，并且控制器控制潤滑泵的輸出功率。齒輪潤滑裝置包括設置在潤滑泵下游的壓力傳感器。壓力傳感器被構造成測量潤滑流體的壓力且產生代表該壓力的壓力指示信號?？刂破鞅徊贾贸芍辽俨糠值鼗趬毫χ甘拘盘柛淖儩櫥玫妮敵龉β?。
文檔編號F16H57/04GK103062380SQ201210449189
公開日2013年4月24日 申請日期2012年9月21日 優先權日2011年9月22日
發明者卡里·烏西塔洛, 尤卡·埃爾弗施特羅姆 申請人:美聞達傳動設備有限公司