用于自動滾動元件軸承故障檢測的方法和系統的制作方法

專利名稱：用于自動滾動元件軸承故障檢測的方法和系統的制作方法
技術領域：
本申請大體上涉及旋轉機器，并且更特別地，涉及用于在檢測旋轉機器中的旋轉元件軸承故障中使用的方法和系統。
背景技術：
例如風力渦輪機的至少一些已知的發電系統，包括向電網或另一個配電系統供應電力的發電機。這樣的發電機由旋轉驅動軸驅動，該旋轉驅動軸由軸承支撐。軸承監測系統有時用于監測軸承和/或其他旋轉元件。至少一些已知的軸承監測系統對例如振動信號的輸入信號執行取包絡算法。更具體地，這樣的算法能夠識別可暗示軸承故障的輸入信號內的特定頻率。暗示軸承故障的這些特定頻率取決于軸承、發電系統、和其他因素而變化。因此，至少一些已知的軸承監測系統大體上只能夠檢測產生預期頻率的軸承故障。從而，軸承監測系統可簡單忽略可指示軸承故障的一些頻率，因為該軸承監測系統未配置成檢查這樣的頻率。因此，需要在不參考已知軸承缺陷的頻率的情況下自動檢測軸承故障的系統。

發明內容
根據一個實施例，提供一種監測系統。該監測系統包括至少一個傳感器，其配置成檢測正被監測的至少一個旋轉組件的頻率。該監測系統還包括處理器，對其編程以從至少一個傳感器接收包括指示預定狀況的至少一個頻率的傳感器信號、將該傳感器信號轉換成數字振動信號、從該數字振動信號生成包絡譜、以及基于該包絡譜的基頻和第一檢測閾值檢測軸承故障。根據另一個實施例，提供一種軸承監測系統。該軸承監測系統包括處理器，對其編程以從至少一個傳感器接收包括指示預定狀況的至少一個頻率的傳感器信號、將該傳感器信號轉換成數字振動信號、從該數字振動信號生成包絡譜、以及基于該包絡譜的基頻和第一檢測閾值檢測軸承故障。根據另一個實施例，提供一種監測旋轉機器的方法。該方法包括從監測機器的至少一個傳感器接收包括指示預定狀況的至少一個頻率的傳感器信號、將該傳感器信號轉換成數字振動信號、從該數字振動信號生成包絡譜、以及基于該包絡譜的基頻和第一檢測閾值檢測機器中的軸承故障。


圖1是示范性軸承監測系統的框圖。圖2是可與在圖1中示出的監測系統一起使用的示范性軸承分析系統的框圖。圖3是可用于使用在圖2中示出的軸承分析系統自動檢測軸承故障的示范性方法的流程圖。圖4是可使用在圖2中示出的軸承分析系統生成的示范性包絡譜的圖形表示。具體實施例圖1圖示可用于監測旋轉機器101的示范性軸承監測系統100。在示范性實施例中，機器101是變速機器，例如風力渦輪機、水力發電機、和/或變速地操作的任何其他旋轉機器。備選地，機器101可以是同步速度機器。在示范性實施例中，機器101驅動耦合于負載104的驅動軸102。驅動軸102至少部分由容置在支撐結構108 (例如齒輪箱)內的一個或多個軸承106支撐。備選地，軸承106可容置在負載104內、和/或在使軸承106能夠支撐驅動軸102的任何適合的結構內。在示范性實施例中，軸承106維持與驅動軸102和支撐結構108旋轉接觸。如果一個或多個軸承106出現裂紋、剝落、或任何其他缺陷，當在驅動軸102旋轉期間軸承106上的缺陷區域接觸驅動軸102和/或支撐結構108時，那些軸承106中的每個可以支撐結構108的固有頻率振蕩或“回蕩(ring)”(在下文中稱為“回蕩事件”)。一般，一個或多個回蕩事件在與機器101的旋轉速度成比例的頻率處出現。回蕩事件一般在支撐結構108和/或軸承106內引起振動。一個或多個振動傳感器110 (例如加速計)檢測并且測量回蕩事件振動并且將代表振動測量的信號傳送到信號處理系統114供處理和/或分析。在示范性實施例中，信號處理系統114是軸承分析系統，并且更具體地，每個振動傳感器110傳送例如振動信號的信號到信號處理系統114。該振動信號包括多個頻率分量，無限制地例如，一個或多個軸振動頻率、和/或一個或多個噪聲頻率。此外，該振動信號可包括一個或多個頻率，例如一個或多個軸承缺陷頻率。速度傳感器112測量驅動軸102的旋轉速度并且將指示速度測量的一個或多個信號傳送到軸承分析系統114供處理和/或分析。在示范性實施例中，速度傳感器112可在驅動軸102的每轉期間在多個不同的時間測量驅動軸102的旋轉速度。更具體地，在示范性實施例中，速度傳感器112是角度編碼器，其在大致上等角度間隔開的驅動軸102位置處產生事件、或編碼器信號。備選地，速度傳感器112可以是光學傳感器,其檢測驅動軸102上的每回合一次標記。這樣的事件或標記可用于確定驅動軸102的旋轉速度。此外，在示范性實施例中，相對于事件同步地從振動傳感器110和/或任何其他適合的傳感器獲取或抽樣測量。圖2是可用于分析機器101 (在圖1中示出)的操作的示范性軸承分析系統114的框圖。在示范性實施例中，系統114包括處理器202、顯示器204、存儲器206、人接口裝置207和通信接口 208。顯示器204、存儲器206、和通信接口 208每個耦合于處理器202并且與處理器202處于數據通信。在一個實施例中，處理器202、顯示器204、存儲器206、和/或通信接口 208中的至少一個安置在與系統114通信耦合的遠程系統(未示出)內。處理器202包括任何適合的可編程系統,其包括一個或多個系統和微控制器、微處理器、精簡指令集電路(RISC)、專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯電路(PLC)、現場可編程門陣列(FPGA)、和/或能夠執行本文描述的功能的任何其他電路。上面的示例只是示范性的，并且從而無意于以任何方式限制術語“處理器”的定義和/或含義。顯示器204無限制地包括，液晶顯示器(IXD)、陰極射線管(CRT)、等離子體顯示器、和/或能夠向用戶顯示圖形數據和/或文本的任何適合的視覺輸出裝置。存儲器206可包括計算機可讀介質，無限制地例如硬盤驅動器、固態驅動器、軟盤、閃速驅動器、壓縮盤、數字視頻盤、隨機存取存儲器(RAM)和/或使處理器202能夠存儲、檢索、和/或執行指令和/或數據的任何適合的存儲裝置。存儲器206可包括一個或多個本地和/或遠程存儲裝置。在一個實施例中，存儲器206存儲來自振動傳感器110和/或速度傳感器112 (都在圖1中示出)的數據，例如振動信號和/或速度信號的一個或多個值。人接口裝置207耦合于處理器202并且從用戶接收輸入。人接口裝置207可包括，例如鍵盤、指向裝置、鼠標、觸筆、觸敏面板(例如，觸摸板或觸摸屏)、陀螺儀、加速計、位置檢測器、和/或音頻輸入接口(例如，包括麥克風)。通信接口 208可無限制地包括，網絡接口控制器(NIC)、網絡適配器、收發器、和/或使系統114能夠如本文描述的那樣操作的任何適合的通信裝置。通信接口 208可使用例如有線以太網協議或無線以太網協議的、任何適合的通信協議連接到網絡(未示出)和/或一個或多個數據通信系統。在示范性實施例中，處理器202執行指令和/或訪問存儲在存儲器206中的數據，以分析和/或處理來自一個或多個振動傳感器110和/或速度傳感器112 (都在圖1中示出)的測量和/或信號。如在下文更詳細地描述的，處理器202接收指示被感測的測量的信號并且檢測軸承故障。圖3是通過分析振動信號而檢測軸承故障的示范性方法300的流程圖。在示范性實施例中，方法300由系統114(在圖2中示出)和/或由使頻率能夠如本文描述的那樣被識別的任何其他適合的系統執行。方法300的指令和/或數據存儲在計算機可讀介質中，例如存儲器206 (在圖2中示出)中，并且指令由處理器202 (在圖2中示出)運行以執行方法300。在示范性實施例中，系統114和/或處理器202從至少一個傳感器接收301具有至少一個頻率的傳感器信號。例如，可從振動傳感器110 (在圖1中示出)接收301模擬振動信號。備選地，系統114和/或處理器202可從振動傳感器110接收301任何適合的信號。對于機器101 (在圖1中示出)的至少一轉，即，直到驅動軸102 (在圖1中示出)已經旋轉完整的一周，接收301的每個信號然后被轉換302成數字振動信號，其可存儲在存儲器206中。然后通過使用適合的取包絡算法對信號取包絡或解調來修改306振動信號。在一個實施例中，在修改306振動信號之前，可在解調過程期間對信號高通濾波、帶通濾波、低通濾波、整流、和/或平滑。在示范性實施例中，在取包絡306之前通過用無符號或直接幅度代替有符號的幅度而修改濾波的振動信號。備選地，或另外，可分析307振動信號以在使用任何已知的技術修改306信號之前檢測偏度(skewness)。如果偏度或偏度的絕對值在預定義閾值之上，方法300的實現可中止。例如，具有在這個之上的絕對值的偏度可指示在振動信號中存在電噪聲。如果方法300的實現由于偏度而中止，處理器202可顯示或傳達指示中止原因的消息。當修改306振動信號時，原始振動信號的一個或多個高頻分量被去除并且產生具有的頻率比該原始振動信號的頻率更低的包絡信號。如果振動信號包括一個或多個軸承缺陷頻率，包絡信號包括一個或多個幅度峰值，其可在軸承缺陷重復頻率處重復。在示范性實施例中，軸承缺陷重復頻率與驅動軸102的旋轉頻率成比例或近似相等。因為驅動軸102可變速旋轉，軸承缺陷重復頻率可貫穿驅動軸102的每轉和/或貫穿振動信號而變化。在對振動信號取包絡306之后，系統114和/或處理器202對包絡信號執行變換316來生成包絡譜。在示范性實施例中，變換316是快速傅立葉變換。備選地，變換316可以是任何數字傅立葉變換或使方法300能夠如本文描述的那樣被實現和起作用的任何其他變換。系統114和/或處理器202還從速度傳感器112 (在圖1中示出)接收312指示速度測量的一個或多個信號。在一個實施例中，這些速度信號在系統100內被轉換成數字數據(即，速度數據)。備選地，速度數據是基于驅動軸102的旋轉速度并且如由理論暗示或由設計而規定的預定義值。在示范性實施例中，系統114和/或處理器202使用速度數據來將包絡譜轉換成速度數據的次序(order)。例如，如果包絡譜在曲線圖(例如在圖4中示出的曲線圖400)上顯示，Y軸可以是包絡譜的幅度并且X軸可以是采用速度數據(即，驅動器102的旋轉速度)升序的頻率。參考圖3和圖4兩者，系統114和/或處理器202計算在振動信號的故障頻率范圍405內頻率的中值402或噪聲基底或標準偏差。故障頻率范圍405可包括振動信號的整個范圍或小于整個范圍的預定范圍。在示范性實施例中，故障頻率范圍405選擇為這樣的頻率范圍，其最可能包含滾動元件軸承故障頻率，例如在大約2. 75*旋轉速度至大約15*旋轉速度之間。使用中值和標準偏差，系統114和/或處理器202計算317至少一個檢測閾值。根據下列方程計算317檢測閾值中值+預定義檢測因子*標準偏差。該預定義檢測因子優選地是整數，例如1、2、或4。在示范性實施例中，分別使用預定義檢測因子4、2、和I計算317三個檢測閾值第一或基本閾值410、第二閾值415、和第三閾值420。備選地，可使用平均值而不是中值。系統114和/或處理器202識別318超出故障頻率范圍內的基本閾值的任何峰值。可使用用于區分和/或定位峰值或局部極大值的任何已知技術識別318峰值。超出基本閾值的任何峰值的頻率保存到存儲器206并且在下文中稱為“基頻”425。在故障頻率范圍內可識別318超過一個的基頻425并且將其保存到存儲器206。通過檢測319和忽略由電機(electrical machine)中的轉子條引起的振動可減少一些假陽性。例如，如果任何基頻425是電線路(electrical line)頻率的近似(即，+/_5%、+/_10%、或+/-25%)兩倍，該基頻425可指不是轉子條而不是軸承的問題。電線路頻率是如由至少一個傳感器(未示出)測量的、由機器101生成的電流的頻率或是可存儲在存儲器206中的預定值。如果檢測到可能的轉子條問題，系統114和/或處理器202可使用顯示器204或通信接口 208報告可能的轉子條問題。對于每個基頻425，系統114和/或處理器202分析320基頻425是否暗示軸承故障。分析的第一階段包括識別321基頻的一次諧波430和二次諧波435。通過使局部譜線位于最接近基頻的兩倍和三倍而分別識別321該一次430諧波和二次435諧波。分析320的下一個階段包括使用測試集將一次430諧波和二次435諧波與第二415和第三420閾值比較來確定振動信號是否暗示軸承故障。更具體地，該測試集可包括確定(a) —次諧波430的幅度是否大于第二閾值415、(b) 一次諧波430的幅度是否大于預定義峰值比率乘以基頻425的幅度、(c) 一次諧波430的幅度是否小于基頻425的幅度、(d)二次諧波435的幅度是否大于第三閾值420、和/或(e) 二次諧波435的幅度是否小于一次諧波430的幅度。在示范性實施例中，預定義峰值比率是O. 5。
在示范性實施例中，當未檢測到轉子條問題并且測試集中的所有測試被確定為真時，檢測到軸承故障。執行轉子條測試并且對于每個基頻425檢測軸承故障。如果在基頻425中的任何之中檢測到可能的軸承故障，系統114和/或處理器202可通過使用顯示器204顯示消息和/或通過使用指示可能的軸承故障的通信接口 208傳送信號而報告軸承故障322。該消息可包括每個軸承故障的基頻425和/或振動信號或濾波的振動信號的直接幅度。應該意識到在實現方法300中使用的預定義值和/或參數(例如，但不限于，速度數據、電線路頻率、帶通濾波器的轉角(corner)、預定義偏度閾值、故障頻率范圍、預定檢測因子和預定義峰值比率)中的任何能配置成便于調整方法300。更具體地，這樣的預定義值和參數可使用人接口裝置207或通信接口 208而輸入，或存儲在存儲器206中供處理器202使用。系統114便于自動檢測來自旋轉機器的軸承缺陷頻率。當與局限于只檢測已知缺陷頻率的已知系統相比時，系統114能夠在不參考已知缺陷頻率的情況下檢測缺陷頻率。已知的檢測系統尋找已知為指示軸承故障的頻率的預定集。相反，系統114從振動傳感器110獲取測量并且檢測暗示軸承故障的樣式。如此，方法300在不知曉使用中的特定軸承和/或期望檢測到的軸承故障所處的頻率的情況下操作。此外，與已知系統形成對比的是，除振動信號、旋轉軸速度和電線路頻率的輸入之外，系統114可只需要帶通濾波器轉角、偏度閾值、表達為旋轉軸速度的倍數的故障頻率范圍、至少一個檢測因子、和峰值比率。根據一個方面，提供了一種監測系統，其包括至少一個傳感器，其配置成檢測正被監測的至少一個旋轉組件的頻率；以及處理器。對所述處理器編程以執行以下動作從所述至少一個傳感器接收包括指示預定狀況的至少一個頻率的傳感器信號；將所述傳感器信號轉換成數字振動信號；從所述數字振動信號生成包絡譜；以及基于所述包絡譜的基頻和第一檢測閾值檢測軸承故障。優選地，對所述處理器進一步編程來檢測所述數字振動信號的偏度。優選地，對所述處理器進一步編程來對所述數字振動信號濾波。優選地，對所述處理器進一步編程來生成所述數字振動信號的直接幅度。優選地，對所述處理器進一步編程來執行以下動作分析所述基頻的一次諧波頻率和第二檢測閾值之間的關系；以及分析所述基頻的二次諧波頻率和第三檢測閾值之間的關系。優選地，所述監測系統進一步包括顯示器，對所述處理器進一步編程以在所述顯示器上報告軸承故障。根據另一個方面，提供了一種軸承監測系統，包括處理器，對其編程以執行以下動作從至少一個傳感器接收包括指示預定狀況的至少一個頻率的傳感器信號；將所述傳感器信號轉換成數字振動信號；從所述數字振動信號生成包絡譜；以及基于所述包絡譜的基頻和第一檢測閾值檢測軸承故障。優選地，對所述處理器進一步編程來檢測所述數字振動信號的偏度。優選地，對所述處理器進一步編程來對所述數字振動信號濾波。優選地，對所述處理器進一步編程來生成所述數字振動信號的直接幅度。優選地，對所述處理器進一步編程來分析所述基頻的一次諧波頻率和第二檢測閾值之間的關系；以及分析所述基頻的二次諧波頻率和第三檢測閾值之間的關系。優選地，所述軸承監測系統，進一步包括顯示器，對所述處理器進一步編程以在所述顯示器上報告軸承故障。根據又一個方面，提供了一種監測旋轉機器的方法，所述方法包括從監測所述機器的至少一個傳感器接收包括指示預定狀況的至少一個頻率的傳感器信號；將所述傳感器信號轉換成數字振動信號；從所述數字振動信號生成包絡譜；以及基于所述包絡譜的基頻和第一檢測閾值檢測軸承故障。優選地，所述方法進一步包括在從所述數字振動信號生成包絡譜之前檢測所述數字振動信號的偏度。優選地，所述方法進一步包括在從所述數字振動信號生成包絡譜之前對所述數字振動信號濾波。優選地，所述方法進一步包括在從所述數字振動信號生成包絡譜之前生成所述數字振動信號的直接幅度。優選地，生成包絡譜包括執行快速傅立葉變換。優選地，所述方法進一步包括分析所述基頻的一次諧波頻率和第二檢測閾值之間的關系；以及分析所述基頻的二次諧波頻率和第三檢測閾值之間的關系。優選地，所述方法進一步包括報告所述基頻。優選地，所述方法進一步包括檢測轉子條噪聲，其中檢測轉子條噪聲包括將所述基頻與電線路頻率比較。上文描述的實施例提供用于在自動檢測旋轉機器中的軸承故障中使用的高效且成本有效的系統和方法。本文描述的方法對振動信號取包絡并且對取包絡的數據按旋轉軸速度的次序應用變換。方法使用包絡譜線幅度和它們的諧波之間的某些關系來檢測軸承故障。如此，方法在不參考預定義故障頻率的情況下檢測軸承故障。此外，通過具體地排除感應馬達轉子條影響并且識別表征實際軸承故障的譜諧波的復雜樣式，方法設計成忽略假陽性源，例如感應馬達轉子條通道、發電機電噪聲、發電機軸承開槽(EDM)、和/或齒輪箱嚙合諧波。用于自動檢測旋轉機器中的軸承故障的方法和系統的示范性實施例在上文中詳細描述。這些方法和系統不限于本文描述的具體實施例，相反地，系統的組件和/或方法的步驟可獨立并且與本文描述的其他組件和/或步驟分開使用。例如，方法還可與其他測量系統和方法組合使用，并且不限于只通過本文描述的旋轉機器來實踐。更確切地，示范性實施例可以連同許多其他功率系統應用來實現和使用。盡管本發明的多種實施例的具體特征可在一些圖中示出而在其他圖中未示出，但這僅是為了方便。根據本發明的原理，圖的任何特征可組合任何其他圖的任何特征來引用和/或被要求保護。本書面描述使用示例來公開包括最佳模式的本發明，并還使本領域技術人員能實踐本發明，包括制作和使用任何裝置或系統及執行任何結合的方法。本發明可取得專利的范圍由權利要求定義，且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有與權利要求字面語言無不同的結構要素，或者如果它們包括與權利要求字面語言無實質不同的等效結構要素，則它們規定為在權利要求的范圍之內。
部件列表
權利要求
1.一種監測系統(100)，包括至少一個傳感器(110)，其配置成檢測正被監測的至少一個旋轉組件的頻率；以及處理器(202)，對其編程以從所述至少一個傳感器(110)接收包括指示預定狀況的至少一個頻率的傳感器信號;將所述傳感器信號轉換成數字振動信號；從所述數字振動信號生成包絡譜；以及基于所述包絡譜的基頻和第一檢測閾值檢測軸承故障。
2.如權利要求1所述的監測系統(100)，其中對所述處理器(202)進一步編程來檢測所述數字振動信號的偏度。
3.如權利要求1所述的監測系統(100)，其中對所述處理器(202)進一步編程來對所述數字振動信號濾波。
4.如權利要求1所述的監測系統(100)，其中對所述處理器(202)進一步編程來生成所述數字振動信號的直接幅度。
5.如權利要求1所述的監測系統(100)，其中對所述處理器(202)進一步編程來分析所述基頻的一次諧波頻率和第二檢測閾值之間的關系；以及分析所述基頻的二次諧波頻率和第三檢測閾值之間的關系。
6.如權利要求1所述的監測系統(100)，進一步包括顯示器(204)，對所述處理器(202)進一步編程以在所述顯示器上報告軸承(106)故障。
7.一種軸承監測系統(100)，包括處理器(202)，對其編程以從至少一個傳感器(110)接收包括指示預定狀況的至少一個頻率的傳感器信號；將所述傳感器信號轉換成數字振動信號；從所述數字振動信號生成包絡譜；以及基于所述包絡譜的基頻和第一檢測閾值檢測軸承故障。
8.如權利要求7所述的軸承監測系統(100)，其中對所述處理器(202)進一步編程來檢測所述數字振動信號的偏度。
9.如權利要求7所述的軸承監測系統(100)，其中對所述處理器(202)進一步編程來濾波所述數字振動信號。
10.如權利要求7所述的軸承監測系統(100)，其中對所述處理器(202)進一步編程來生成所述數字振動信號的直接幅度。
全文摘要
本發明名稱為“用于自動滾動元件軸承故障檢測的方法和系統”。提供一種能夠自動檢測旋轉機器(101)中的旋轉元件軸承(106)故障的系統(100)。該系統(100)從至少一個傳感器(110)接收包括至少一個頻率的傳感器信號并且將該傳感器信號轉換成數字振動信號。該系統(100)修改該振動信號來生成包絡信號并且對該取包絡的信號應用變換來生成包絡譜。該系統(100)使用包絡譜線幅度和它們的諧波之間的某些關系來檢測軸承故障。如此，該系統(100)在沒有參考預定義故障頻率的情況下檢測軸承故障。
文檔編號G01M13/04GK103048132SQ20121038363
公開日2013年4月17日 申請日期2012年10月11日 優先權日2011年10月13日
發明者C.T.黑奇, A.A.維斯, R.G.羅亞森 申請人:通用電氣公司