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专利名称：用于自动滚动元件轴承故障检测的方法和系统的制作方法
技术领域：
本申请大体上涉及旋转机器，并且更特别地，涉及用于在检测旋转机器中的旋转元件轴承故障中使用的方法和系统。
背景技术：
例如风力涡轮机的至少一些已知的发电系统，包括向电网或另一个配电系统供应电力的发电机。这样的发电机由旋转驱动轴驱动，该旋转驱动轴由轴承支撑。轴承监测系统有时用于监测轴承和/或其他旋转元件。至少一些已知的轴承监测系统对例如振动信号的输入信号执行取包络算法。更具体地，这样的算法能够识别可暗示轴承故障的输入信号内的特定频率。暗示轴承故障的这些特定频率取决于轴承、发电系统、和其他因素而变化。因此，至少一些已知的轴承监测系统大体上只能够检测产生预期频率的轴承故障。从而，轴承监测系统可简单忽略可指示轴承故障的一些频率，因为该轴承监测系统未配置成检查这样的频率。因此，需要在不参考已知轴承缺陷的频率的情况下自动检测轴承故障的系统。

发明内容
根据一个实施例，提供一种监测系统。该监测系统包括至少一个传感器，其配置成检测正被监测的至少一个旋转组件的频率。该监测系统还包括处理器，对其编程以从至少一个传感器接收包括指示预定状况的至少一个频率的传感器信号、将该传感器信号转换成数字振动信号、从该数字振动信号生成包络谱、以及基于该包络谱的基频和第一检测阈值检测轴承故障。根据另一个实施例，提供一种轴承监测系统。该轴承监测系统包括处理器，对其编程以从至少一个传感器接收包括指示预定状况的至少一个频率的传感器信号、将该传感器信号转换成数字振动信号、从该数字振动信号生成包络谱、以及基于该包络谱的基频和第一检测阈值检测轴承故障。根据另一个实施例，提供一种监测旋转机器的方法。该方法包括从监测机器的至少一个传感器接收包括指示预定状况的至少一个频率的传感器信号、将该传感器信号转换成数字振动信号、从该数字振动信号生成包络谱、以及基于该包络谱的基频和第一检测阈值检测机器中的轴承故障。


图1是示范性轴承监测系统的框图。图2是可与在图1中示出的监测系统一起使用的示范性轴承分析系统的框图。图3是可用于使用在图2中示出的轴承分析系统自动检测轴承故障的示范性方法的流程图。图4是可使用在图2中示出的轴承分析系统生成的示范性包络谱的图形表示。具体实施例图1图示可用于监测旋转机器101的示范性轴承监测系统100。在示范性实施例中，机器101是变速机器，例如风力涡轮机、水力发电机、和/或变速地操作的任何其他旋转机器。备选地，机器101可以是同步速度机器。在示范性实施例中，机器101驱动耦合于负载104的驱动轴102。驱动轴102至少部分由容置在支撑结构108 (例如齿轮箱)内的一个或多个轴承106支撑。备选地，轴承106可容置在负载104内、和/或在使轴承106能够支撑驱动轴102的任何适合的结构内。在示范性实施例中，轴承106维持与驱动轴102和支撑结构108旋转接触。如果一个或多个轴承106出现裂纹、剥落、或任何其他缺陷，当在驱动轴102旋转期间轴承106上的缺陷区域接触驱动轴102和/或支撑结构108时，那些轴承106中的每个可以支撑结构108的固有频率振荡或“回荡(ring)”(在下文中称为“回荡事件”)。一般，一个或多个回荡事件在与机器101的旋转速度成比例的频率处出现。回荡事件一般在支撑结构108和/或轴承106内引起振动。一个或多个振动传感器110 (例如加速计)检测并且测量回荡事件振动并且将代表振动测量的信号传送到信号处理系统114供处理和/或分析。在示范性实施例中，信号处理系统114是轴承分析系统，并且更具体地，每个振动传感器110传送例如振动信号的信号到信号处理系统114。该振动信号包括多个频率分量，无限制地例如，一个或多个轴振动频率、和/或一个或多个噪声频率。此外，该振动信号可包括一个或多个频率，例如一个或多个轴承缺陷频率。速度传感器112测量驱动轴102的旋转速度并且将指示速度测量的一个或多个信号传送到轴承分析系统114供处理和/或分析。在示范性实施例中，速度传感器112可在驱动轴102的每转期间在多个不同的时间测量驱动轴102的旋转速度。更具体地，在示范性实施例中，速度传感器112是角度编码器，其在大致上等角度间隔开的驱动轴102位置处产生事件、或编码器信号。备选地，速度传感器112可以是光学传感器,其检测驱动轴102上的每回合一次标记。这样的事件或标记可用于确定驱动轴102的旋转速度。此外，在示范性实施例中，相对于事件同步地从振动传感器110和/或任何其他适合的传感器获取或抽样测量。图2是可用于分析机器101 (在图1中示出)的操作的示范性轴承分析系统114的框图。在示范性实施例中，系统114包括处理器202、显示器204、存储器206、人接口装置207和通信接口 208。显示器204、存储器206、和通信接口 208每个耦合于处理器202并且与处理器202处于数据通信。在一个实施例中，处理器202、显示器204、存储器206、和/或通信接口 208中的至少一个安置在与系统114通信耦合的远程系统(未示出)内。处理器202包括任何适合的可编程系统,其包括一个或多个系统和微控制器、微处理器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)、和/或能够执行本文描述的功能的任何其他电路。上面的示例只是示范性的，并且从而无意于以任何方式限制术语“处理器”的定义和/或含义。显示器204无限制地包括，液晶显示器(IXD)、阴极射线管(CRT)、等离子体显示器、和/或能够向用户显示图形数据和/或文本的任何适合的视觉输出装置。存储器206可包括计算机可读介质，无限制地例如硬盘驱动器、固态驱动器、软盘、闪速驱动器、压缩盘、数字视频盘、随机存取存储器(RAM)和/或使处理器202能够存储、检索、和/或执行指令和/或数据的任何适合的存储装置。存储器206可包括一个或多个本地和/或远程存储装置。在一个实施例中，存储器206存储来自振动传感器110和/或速度传感器112 (都在图1中示出)的数据，例如振动信号和/或速度信号的一个或多个值。人接口装置207耦合于处理器202并且从用户接收输入。人接口装置207可包括，例如键盘、指向装置、鼠标、触笔、触敏面板(例如，触摸板或触摸屏)、陀螺仪、加速计、位置检测器、和/或音频输入接口(例如，包括麦克风)。通信接口 208可无限制地包括，网络接口控制器(NIC)、网络适配器、收发器、和/或使系统114能够如本文描述的那样操作的任何适合的通信装置。通信接口 208可使用例如有线以太网协议或无线以太网协议的、任何适合的通信协议连接到网络(未示出)和/或一个或多个数据通信系统。在示范性实施例中，处理器202执行指令和/或访问存储在存储器206中的数据，以分析和/或处理来自一个或多个振动传感器110和/或速度传感器112 (都在图1中示出)的测量和/或信号。如在下文更详细地描述的，处理器202接收指示被感测的测量的信号并且检测轴承故障。图3是通过分析振动信号而检测轴承故障的示范性方法300的流程图。在示范性实施例中，方法300由系统114(在图2中示出)和/或由使频率能够如本文描述的那样被识别的任何其他适合的系统执行。方法300的指令和/或数据存储在计算机可读介质中，例如存储器206 (在图2中示出)中，并且指令由处理器202 (在图2中示出)运行以执行方法300。在示范性实施例中，系统114和/或处理器202从至少一个传感器接收301具有至少一个频率的传感器信号。例如，可从振动传感器110 (在图1中示出)接收301模拟振动信号。备选地，系统114和/或处理器202可从振动传感器110接收301任何适合的信号。对于机器101 (在图1中示出)的至少一转，即，直到驱动轴102 (在图1中示出)已经旋转完整的一周，接收301的每个信号然后被转换302成数字振动信号，其可存储在存储器206中。然后通过使用适合的取包络算法对信号取包络或解调来修改306振动信号。在一个实施例中，在修改306振动信号之前，可在解调过程期间对信号高通滤波、带通滤波、低通滤波、整流、和/或平滑。在示范性实施例中，在取包络306之前通过用无符号或直接幅度代替有符号的幅度而修改滤波的振动信号。备选地，或另外，可分析307振动信号以在使用任何已知的技术修改306信号之前检测偏度(skewness)。如果偏度或偏度的绝对值在预定义阈值之上，方法300的实现可中止。例如，具有在这个之上的绝对值的偏度可指示在振动信号中存在电噪声。如果方法300的实现由于偏度而中止，处理器202可显示或传达指示中止原因的消息。当修改306振动信号时，原始振动信号的一个或多个高频分量被去除并且产生具有的频率比该原始振动信号的频率更低的包络信号。如果振动信号包括一个或多个轴承缺陷频率，包络信号包括一个或多个幅度峰值，其可在轴承缺陷重复频率处重复。在示范性实施例中，轴承缺陷重复频率与驱动轴102的旋转频率成比例或近似相等。因为驱动轴102可变速旋转，轴承缺陷重复频率可贯穿驱动轴102的每转和/或贯穿振动信号而变化。在对振动信号取包络306之后，系统114和/或处理器202对包络信号执行变换316来生成包络谱。在示范性实施例中，变换316是快速傅立叶变换。备选地，变换316可以是任何数字傅立叶变换或使方法300能够如本文描述的那样被实现和起作用的任何其他变换。系统114和/或处理器202还从速度传感器112 (在图1中示出)接收312指示速度测量的一个或多个信号。在一个实施例中，这些速度信号在系统100内被转换成数字数据(即，速度数据)。备选地，速度数据是基于驱动轴102的旋转速度并且如由理论暗示或由设计而规定的预定义值。在示范性实施例中，系统114和/或处理器202使用速度数据来将包络谱转换成速度数据的次序(order)。例如，如果包络谱在曲线图(例如在图4中示出的曲线图400)上显示，Y轴可以是包络谱的幅度并且X轴可以是采用速度数据(即，驱动器102的旋转速度)升序的频率。参考图3和图4两者，系统114和/或处理器202计算在振动信号的故障频率范围405内频率的中值402或噪声基底或标准偏差。故障频率范围405可包括振动信号的整个范围或小于整个范围的预定范围。在示范性实施例中，故障频率范围405选择为这样的频率范围，其最可能包含滚动元件轴承故障频率，例如在大约2. 75*旋转速度至大约15*旋转速度之间。使用中值和标准偏差，系统114和/或处理器202计算317至少一个检测阈值。根据下列方程计算317检测阈值中值+预定义检测因子*标准偏差。该预定义检测因子优选地是整数，例如1、2、或4。在示范性实施例中，分别使用预定义检测因子4、2、和I计算317三个检测阈值第一或基本阈值410、第二阈值415、和第三阈值420。备选地，可使用平均值而不是中值。系统114和/或处理器202识别318超出故障频率范围内的基本阈值的任何峰值。可使用用于区分和/或定位峰值或局部极大值的任何已知技术识别318峰值。超出基本阈值的任何峰值的频率保存到存储器206并且在下文中称为“基频”425。在故障频率范围内可识别318超过一个的基频425并且将其保存到存储器206。通过检测319和忽略由电机(electrical machine)中的转子条引起的振动可减少一些假阳性。例如，如果任何基频425是电线路(electrical line)频率的近似(即，+/_5%、+/_10%、或+/-25%)两倍，该基频425可指不是转子条而不是轴承的问题。电线路频率是如由至少一个传感器(未示出)测量的、由机器101生成的电流的频率或是可存储在存储器206中的预定值。如果检测到可能的转子条问题，系统114和/或处理器202可使用显示器204或通信接口 208报告可能的转子条问题。对于每个基频425，系统114和/或处理器202分析320基频425是否暗示轴承故障。分析的第一阶段包括识别321基频的一次谐波430和二次谐波435。通过使局部谱线位于最接近基频的两倍和三倍而分别识别321该一次430谐波和二次435谐波。分析320的下一个阶段包括使用测试集将一次430谐波和二次435谐波与第二415和第三420阈值比较来确定振动信号是否暗示轴承故障。更具体地，该测试集可包括确定(a) —次谐波430的幅度是否大于第二阈值415、(b) 一次谐波430的幅度是否大于预定义峰值比率乘以基频425的幅度、(c) 一次谐波430的幅度是否小于基频425的幅度、(d)二次谐波435的幅度是否大于第三阈值420、和/或(e) 二次谐波435的幅度是否小于一次谐波430的幅度。在示范性实施例中，预定义峰值比率是O. 5。
在示范性实施例中，当未检测到转子条问题并且测试集中的所有测试被确定为真时，检测到轴承故障。执行转子条测试并且对于每个基频425检测轴承故障。如果在基频425中的任何之中检测到可能的轴承故障，系统114和/或处理器202可通过使用显示器204显示消息和/或通过使用指示可能的轴承故障的通信接口 208传送信号而报告轴承故障322。该消息可包括每个轴承故障的基频425和/或振动信号或滤波的振动信号的直接幅度。应该意识到在实现方法300中使用的预定义值和/或参数(例如，但不限于，速度数据、电线路频率、带通滤波器的转角(corner)、预定义偏度阈值、故障频率范围、预定检测因子和预定义峰值比率)中的任何能配置成便于调整方法300。更具体地，这样的预定义值和参数可使用人接口装置207或通信接口 208而输入，或存储在存储器206中供处理器202使用。系统114便于自动检测来自旋转机器的轴承缺陷频率。当与局限于只检测已知缺陷频率的已知系统相比时，系统114能够在不参考已知缺陷频率的情况下检测缺陷频率。已知的检测系统寻找已知为指示轴承故障的频率的预定集。相反，系统114从振动传感器110获取测量并且检测暗示轴承故障的样式。如此，方法300在不知晓使用中的特定轴承和/或期望检测到的轴承故障所处的频率的情况下操作。此外，与已知系统形成对比的是，除振动信号、旋转轴速度和电线路频率的输入之外，系统114可只需要带通滤波器转角、偏度阈值、表达为旋转轴速度的倍数的故障频率范围、至少一个检测因子、和峰值比率。根据一个方面，提供了一种监测系统，其包括至少一个传感器，其配置成检测正被监测的至少一个旋转组件的频率；以及处理器。对所述处理器编程以执行以下动作从所述至少一个传感器接收包括指示预定状况的至少一个频率的传感器信号；将所述传感器信号转换成数字振动信号；从所述数字振动信号生成包络谱；以及基于所述包络谱的基频和第一检测阈值检测轴承故障。优选地，对所述处理器进一步编程来检测所述数字振动信号的偏度。优选地，对所述处理器进一步编程来对所述数字振动信号滤波。优选地，对所述处理器进一步编程来生成所述数字振动信号的直接幅度。优选地，对所述处理器进一步编程来执行以下动作分析所述基频的一次谐波频率和第二检测阈值之间的关系；以及分析所述基频的二次谐波频率和第三检测阈值之间的关系。优选地，所述监测系统进一步包括显示器，对所述处理器进一步编程以在所述显示器上报告轴承故障。根据另一个方面，提供了一种轴承监测系统，包括处理器，对其编程以执行以下动作从至少一个传感器接收包括指示预定状况的至少一个频率的传感器信号；将所述传感器信号转换成数字振动信号；从所述数字振动信号生成包络谱；以及基于所述包络谱的基频和第一检测阈值检测轴承故障。优选地，对所述处理器进一步编程来检测所述数字振动信号的偏度。优选地，对所述处理器进一步编程来对所述数字振动信号滤波。优选地，对所述处理器进一步编程来生成所述数字振动信号的直接幅度。优选地，对所述处理器进一步编程来分析所述基频的一次谐波频率和第二检测阈值之间的关系；以及分析所述基频的二次谐波频率和第三检测阈值之间的关系。优选地，所述轴承监测系统，进一步包括显示器，对所述处理器进一步编程以在所述显示器上报告轴承故障。根据又一个方面，提供了一种监测旋转机器的方法，所述方法包括从监测所述机器的至少一个传感器接收包括指示预定状况的至少一个频率的传感器信号；将所述传感器信号转换成数字振动信号；从所述数字振动信号生成包络谱；以及基于所述包络谱的基频和第一检测阈值检测轴承故障。优选地，所述方法进一步包括在从所述数字振动信号生成包络谱之前检测所述数字振动信号的偏度。优选地，所述方法进一步包括在从所述数字振动信号生成包络谱之前对所述数字振动信号滤波。优选地，所述方法进一步包括在从所述数字振动信号生成包络谱之前生成所述数字振动信号的直接幅度。优选地，生成包络谱包括执行快速傅立叶变换。优选地，所述方法进一步包括分析所述基频的一次谐波频率和第二检测阈值之间的关系；以及分析所述基频的二次谐波频率和第三检测阈值之间的关系。优选地，所述方法进一步包括报告所述基频。优选地，所述方法进一步包括检测转子条噪声，其中检测转子条噪声包括将所述基频与电线路频率比较。上文描述的实施例提供用于在自动检测旋转机器中的轴承故障中使用的高效且成本有效的系统和方法。本文描述的方法对振动信号取包络并且对取包络的数据按旋转轴速度的次序应用变换。方法使用包络谱线幅度和它们的谐波之间的某些关系来检测轴承故障。如此，方法在不参考预定义故障频率的情况下检测轴承故障。此外，通过具体地排除感应马达转子条影响并且识别表征实际轴承故障的谱谐波的复杂样式，方法设计成忽略假阳性源，例如感应马达转子条通道、发电机电噪声、发电机轴承开槽(EDM)、和/或齿轮箱啮合谐波。用于自动检测旋转机器中的轴承故障的方法和系统的示范性实施例在上文中详细描述。这些方法和系统不限于本文描述的具体实施例，相反地，系统的组件和/或方法的步骤可独立并且与本文描述的其他组件和/或步骤分开使用。例如，方法还可与其他测量系统和方法组合使用，并且不限于只通过本文描述的旋转机器来实践。更确切地，示范性实施例可以连同许多其他功率系统应用来实现和使用。尽管本发明的多种实施例的具体特征可在一些图中示出而在其他图中未示出，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，图的任何特征可组合任何其他图的任何特征来引用和/或被要求保护。本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求定义，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。
部件列表
权利要求
1.一种监测系统(100)，包括至少一个传感器(110)，其配置成检测正被监测的至少一个旋转组件的频率；以及处理器(202)，对其编程以从所述至少一个传感器(110)接收包括指示预定状况的至少一个频率的传感器信号;将所述传感器信号转换成数字振动信号；从所述数字振动信号生成包络谱；以及基于所述包络谱的基频和第一检测阈值检测轴承故障。
2.如权利要求1所述的监测系统(100)，其中对所述处理器(202)进一步编程来检测所述数字振动信号的偏度。
3.如权利要求1所述的监测系统(100)，其中对所述处理器(202)进一步编程来对所述数字振动信号滤波。
4.如权利要求1所述的监测系统(100)，其中对所述处理器(202)进一步编程来生成所述数字振动信号的直接幅度。
5.如权利要求1所述的监测系统(100)，其中对所述处理器(202)进一步编程来分析所述基频的一次谐波频率和第二检测阈值之间的关系；以及分析所述基频的二次谐波频率和第三检测阈值之间的关系。
6.如权利要求1所述的监测系统(100)，进一步包括显示器(204)，对所述处理器(202)进一步编程以在所述显示器上报告轴承(106)故障。
7.一种轴承监测系统(100)，包括处理器(202)，对其编程以从至少一个传感器(110)接收包括指示预定状况的至少一个频率的传感器信号；将所述传感器信号转换成数字振动信号；从所述数字振动信号生成包络谱；以及基于所述包络谱的基频和第一检测阈值检测轴承故障。
8.如权利要求7所述的轴承监测系统(100)，其中对所述处理器(202)进一步编程来检测所述数字振动信号的偏度。
9.如权利要求7所述的轴承监测系统(100)，其中对所述处理器(202)进一步编程来滤波所述数字振动信号。
10.如权利要求7所述的轴承监测系统(100)，其中对所述处理器(202)进一步编程来生成所述数字振动信号的直接幅度。
全文摘要
本发明名称为“用于自动滚动元件轴承故障检测的方法和系统”。提供一种能够自动检测旋转机器(101)中的旋转元件轴承(106)故障的系统(100)。该系统(100)从至少一个传感器(110)接收包括至少一个频率的传感器信号并且将该传感器信号转换成数字振动信号。该系统(100)修改该振动信号来生成包络信号并且对该取包络的信号应用变换来生成包络谱。该系统(100)使用包络谱线幅度和它们的谐波之间的某些关系来检测轴承故障。如此，该系统(100)在没有参考预定义故障频率的情况下检测轴承故障。
文档编号G01M13/04GK103048132SQ20121038363
公开日2013年4月17日 申请日期2012年10月11日 优先权日2011年10月13日
发明者C.T.黑奇, A.A.维斯, R.G.罗亚森 申请人:通用电气公司