CN105865762A - 用于监测驱动***的设备的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提出一种用于监测驱动***的设备的方法和装置。为了提高监测驱动***的应用范围，为上述设备提供有益的解决方案，该设备包括可旋转地布置的旋转元件(10)、以及提供设置在旋转元件(10)上用于检测结构声音以作为检测信号的检测器(30)，其中通过从检测信号中提取不会被撞击在结构上的声音影响的信号部分，并且通过将该信号部分与参考参数进行比较而执行检测信号的评估。基于该比较，确定是否存在驱动***的劣化。

Description

用于监测驱动***的设备的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于监测驱动***的设备的方法以及用于监测驱动***的设备的装置。

背景技术

在现有技术中，已知通过设备和方法对驱动***的零件的磨损和损坏状况下结论。在美国专利2011/0142621 A1中已知一种***，在该***中部件经受声波测试，其通过使用声音发生器对要被测试的部件首先执行声音应用。由相关联的传感器测量的声音信号允许作出关于部件的机械状况的结论。

发明内容

本发明基于提出一种用于监测驱动***(例如，马达或变速箱)的设备的改进的方法或改进的设备的任务。相比于通过最简单可能的方式的常规解决方案，尤其应当提高监测的应用范围。

本任务通过根据权利要求1的用于监测驱动***的设备的方法以及根据从属权利要求的用于监测驱动***的设备的装置解决。

根据本发明的一个方面，提供一种用于监测驱动***的设备的方法，其中该设备包括可旋转地布置的旋转元件，该旋转元件具有设置在其上用于检测结构声音以作为检测信号的检测器；该方法包括从检测信号中提取非撞击的信号部分；将提取的信号部分与参考参数进行比较；以及通过该比较确定是否存在机械***的劣化。

根据进一步的方面，本发明涉及一种用于检测驱动***的设备的装置，其中该设备包括：可旋转布置的旋转元件，该旋转元件具有设置在其上的检测器以检测被动结构声音以作为检测信号；以及用于执行本文所述的其中一个典型方法的评估单元，其中评估单元与检测器连接用于信号传输。

在典型的方法中，提取非撞击的信号部分。关于结构声音信号，本方法通常作为被动方法被提供。典型地，通过要被测试的设备的声音的故意的或外部的撞击(例如，测试声音信号)不被执行。检查的声音部分通常通过要被监测的设备的声音检查而单独地形成。在典型的实施例中，由于驱动***的设备的常规操作，检查的信号部分单独地形成。

典型的实施例提供了主动声音应用不具有无可辩驳的必要性的优势。典型的实施例提供了这样的优势：用于监测驱动***的设备的方法能够在驱动***的设备的操作期间执行。典型的实施例不包括声音应用工具。

当提取时，通常将检测信号限制在至少一个之前定义的频率范围。出于此目的，例如，提取可包括过滤，可选地为带通滤波器或平均过滤器，其将检测信号限制在一个频率范围。在实施例中，频率范围的积分变换是可能的，因此执行一组响应频率。在进一步典型的方法中，在较大频率范围中提取多个(例如，两个或三个)非连续的子频率范围用于评估。在此，在评估中可不考虑频率，例如，该频率与未响应的参数相关，例如，干扰量。

由于检测信号是结构声音信号，根据本发明的一个方面，根据需要被细分成非连续的子频率范围的之前确定的频率范围具有20kHz的下限。作为可替代的选择或此外，之前定义的频率范围具有2MHz的上限。优先地，之前定义的频率范围具有50kHz或100kHz的下限。作为可替代的选择或此外，之前定义的频率范围优选地具有1MHz或300kHz的上限。

根据一个方面，在将提取的信号部分与参考参数进行比较的过程中，例如通过形成检测信号或统计方法的有效值(例如，确定峰态)而提供采样的数据。在一种情况中，超过确定的阈值的位于频率范围内的将被检查的每个发射信号被认为是所谓的声音事件。这种声音事件是相对陡峭边缘的并且可在检查的频率谱中被辨识为频率选择性峰值，即，作为明显超出在检查时间或检查的时间间隔中连续的频率水平的信号水平。如果在跟随之前执行的频率依赖性过滤的时间范围中也是合适的，则这种声音事件也可显示时间选择性峰值，即，如明显超过如在时间期间所见为连续的时间或事件间隔的水平的声音水平。

为了检查信号，可将信号分成时间间隔。典型地，检查的时间间隔至少与声音事件一样长，例如至少1s或至少500ms或至少100ms。典型地，声音事件的持续时间为信号包络大于预定阈值期间的时间。典型地，连续不断地重复该检查。典型地，在一个时间间隔中完成提取的信号部分的检查之后，在随后的时间间隔中继续执行提取的信号部分的进一步的检查。该各自的检查时间间隔可为相等的或不同的长度。

在实施例中，由于频率选择性峰值的存在，在检查时间间隔中检查提取的信号。在实施例中，由于时间选择性峰值的存在，在检查时间间隔中检查提取的信号。

频率选择性峰值通常超过明显地处于至少±50％或至少±30％或至少±10％的峰值频率的范围中的水平。在明显过量的情况中，频率选择性峰值的振幅通常比进一步的频率部分的振幅高大约至少50％或30％或10％。

典型地，时间选择性峰值明显地超出至少±50％或至少±30％或至少±10％的检查时间间隔的平均水平的水平，时间选择性峰值的振幅通常比在检查时间间隔的进一步的信号图案中的水平的振幅高至少50％或至少30％或至少10％。在实施例中，在明显过量的情况中，时间选择性峰值的振幅通常比至少两个检查时间间隔的平均水平的振幅高50％或至少30％或至少10％。

典型地，当提取的声音信号的上升边缘或下降边缘满足以下不等式时声音事件是倾斜边缘的：

$\mathrm{\Δ}t\≤\frac{C}{B}$

△t表示上升边缘或下降边缘的按时间排序的间隔。B表示激励信号的带宽和/或传输媒介(例如，传输路径)的带宽。C是常数并且通常选择在0.2与0.5之间的数值。在典型的实施例中，C＝0.35。例如，如果激励信号和传输路径的带宽B是100kHz，那么当提取的声音信号的上升边缘或下降边缘在3.5μs或更小的时间间隔内时声音事件是陡峭边缘的。

在实施例中，当提取的声音信号的上升边缘或下降边缘显示在最多50μs或最多5μs或最多0.5μs的上升时间或下降时间时，声音事件是陡峭边缘的。在实施例中，提取的声音信号在正信号方向或负信号方向上的过调的边缘陡度在提取的声音信号中被检查。

根据一个方面对声音事件计数。在典型的实施例中，以固定的时间间隔计数声音事件。在典型的实施例中，在操作期间固定的时间间隔的长度可为不变的。在典型的实施例中，在操作期间固定的时间间隔的长度可为可变的，例如，可根据之前定义的或可定义的检查图案改变。之前定义的或可定义的检查图案例如可显示周期或非周期顺序的各种固定时间间隔。顺序例如可显示至少1s的持续时间的一个或多个时间间隔，或至少100ms的持续时间的一个或多个时间间隔。在连续的评估中，通常执行的按时间排序的平均检测信号。在典型的实施例中，每个评估的时间单元的事件的总计对应于例如检测器的采样率或例如由计时器产生的比率。评估这些总计事件的按时间排序的发展允许得出关于驱动***的被监测的设备的实际状况的结论，从该结论能够给出驱动***的，特别是驱动***的设备的失效的预知。

根据一个方面，基于信号部分的参数，即来源于或可来源于从检测信号提取的非撞击信号部分的参数以它的按时间排序的进程为参考。基于信号部分的参数可为信号部分本身。通常地，基于信号部分的参数的斜率针对不同的时间间隔被确定。不同的时间间隔是在时间的过程中的不同时间处开始或结束的时间间隔。该不同的时间间隔可为相等的持续时间。该不同的时间间隔也可为不同的或部分不同的持续时间。

通常地，斜率，即在不同的时间间隔期间对于一个时间间隔确定的斜率被比较。能够使用该比较确定是否存在机械***的劣化。

在典型的实施例中，时间间隔来源于检测器的采样频率。典型地，时间间隔对应于检测器的采样频率。可替代地，例如通过外部计时器或无论如何目前的另一个计时器产生用于时间间隔的计时，而不涉及检测器的检测频率。

在典型的实施例中，对时间间隔中的信号部分求和并且该和涉及按时间排序的进程。在实施例中，这是涉及按时间排序的进程的计数的声音事件的总和。

在典型的实施例中，确定基于信号部分的参数的斜率。在此情况中，将专门地解释术语“斜率”。因此，斜率不一定以严格地数学角度意义确定；在基于信号部分的时间离散参数的情况中，斜率可通过建立在邻近采样次数处的参数的差别而被近似地确定。

此斜率的按时间排序进程(例如，“扭折”)允许在比较中做出是否存在驱动***的设备或驱动***的其他部件的劣化的判定。

在典型的实施例中，检测器布置在驱动***的结构构件上。驱动相关的力或重要时刻可对此结构构件起作用。这能够确保精确的监测。驱动***的实例是马达或变速箱。可提供驱动***的进一步的类型或如上引用的实例的子类型。例如，作为驱动***的一个实例的马达可被配置为电动马达，例如，配置为同步马达或异步马达或伺服马达。马达甚至可被配置成非电气驱动马达，例如液压驱动马达、径向活塞式马达或轴线活塞式马达。作为驱动***的一个实例的变速箱可被配置成例如直齿轮或行星齿轮或链轮或其他的流体静力学或流体动力学齿轮。驱动***的实例也可为马达(例如以上引用的其中一个马达类型)和齿轮(例如以上引用的其中一个齿轮类型，例如尺寸和小齿轮传动)的组合。

在典型实施例中的评估单元被设计成用于执行如上所述的典型方法，尤其用于从检测信号中提取非撞击的信号部分，将提取的信号部分与参考参数进行比较并且通过该比较确定是否存在驱动的劣化。

根据进一步的方面，提供一种无线传输工具用于在检测器与评估单元之间的通讯。该无线传输工具通常布置在旋转元件上并且用于传输基于检测信号的传输信号。用于接收来自无线传输工具的传输信号的静止无线接收工具转而连接至评估单元。

基于检测信号的传输信号在实施例中为检测信号本身。在进一步的实施例中，本文描述的部分方法已经支持旋转元件地被执行，例如以信号预处理的形式。在实施例中，这些部分可例如包括从检测信号中提取非撞击的信号部分。通过实例，支持旋转元件实现的离散化或调制或过滤可导致在传输期间将不会增加的可能存在的任何信号噪声。例如，当离散或调制或过滤已经确保支持旋转元件时通常可提高信号噪声比率。

在实施例中，以上所述方法的更复杂部分，因此尤其是比较和确定部分在评估单元中执行。静止评估单元通常适合于适应该复杂性，例如在其中的计算密集性能量密集性或占用空间的部件，然而能够直接地在旋转元件处检测检测信号的检测器可通常具有要求此目的的部件。这可减小装置对误差的敏感性并且可减小对驱动***可能不期望的作用。

检测信号从旋转元件到静止评估单元的无线传输使数据能够简单的传输，其中仅几个被容纳的部件要求同时在旋转元件中使用。典型的实施例是有成本效益的。在选择发生无线传输的信号链中的地点通常可实现良好的灵活性。

在实施例中，评估单元被设计成通过关于参考参数比较来确定是否存在机械***的损坏或劣化。

换句话说，实施例中的评估单元通过比较评估驱动***的被检测的设备的当前状况。在此基础上，可给出设备的失效预知，这与已知的步骤(例如损坏累积方法)形成对照，其通常不会忽视设备的真实的实际状况。

在实施例中，无线传输方式显示有光发射器。在实施例中，无线接收方式显示有光接收器。光信号传输可实现用于有用信号的大传输带宽。通常地，在光信号传输中噪声比率大。

在实施例中，旋转元件是齿轮，可选地为小齿轮。通常地，驱动***的设备为齿条和小齿轮传动。

当使用小齿轮时，与至少一个带齿的齿条的相同机械配合(即，由小齿轮和齿条形成的机械***)由通过评估单元执行的评估来评估。常见的解决方案经常在驱动***的静止元件上提供多个传感器，因此在齿条上提供多个传感器。在所述中，在根据所述方面的当前情况中，在旋转元件中仅需要单个传感器来监测驱动***的设备。

在实施例中，检测器显示有固定至旋转元件的用于接收结构声音信号的结构声声音传感器。结构声音至结构声音传感器的传输本质上直接发生并且没有本质上的衰减。通常，在高敏感性和低噪声部件的检测时可能的。通常，评估准确性提高。

在实施例中，检测器显示出用于处理接收到的结构声音信号的信号处理电路。通过此处出现的信号处理，可提前处理检测信号，例如预过滤。其可适于无线传输的具体问题，例如通过调制过程等。在实施例中，将一部分的评估信号整合在信号处理电路中。关于无线传输路径的可能失效敏感性，可在评估电路的整体部分中过滤、放大和/或去除检测信号的数据。

在实施例中，评估单元显示有用于以无线方式传输能量的静止发射器。在旋转元件上提供连接至检测器的接收器，该接收器接收来自在无线路径上的静止发射器的能量并且通常向检测器供应电能。

换句话说，在实施例中，提供能量传输设备，该能量传输设备的发射器是精致的并且被供应能量，并且该能量传输设备的接收器布置在旋转元件上并且为检测器供应能量。与有用信号从旋转元件到静止评估单元的传输相似，检测器的能量供应和/或邻近的和同样的旋转零件通常以无线方式确保。

当经由以上引用的光学连接执行无线传输时，感应传输路径适合于该能量传输。此传输路径几乎不在其噪声比率方面影响光学传输路径，但是能够实现有效的能量传递。检测器不需要它自己例如以电池等的形式的完整能量供应。

在光学不间断地连续，即，检测器的永久能量供应的情况中，检测器自身的信号输出可***作成连续的(即，以时间连续或时间离散方式的连续)。通常地，可在评估单元中执行检测信号的连续评估。通常地，执行储存能量和/或评估结果和/或观察间隔。

附图说明

通过附图将在下文中解释本发明的优选实施例的进一步优势和特征。在附图中示出：

图1为根据本发明的一个实施例的有益的装置的横向截面示意图；

图2为根据实施例在装置中使用的齿条和小齿轮布置的示意图；

图3为用于解释根据该实施例的有益的装置和有益的方法的评估的传感器测量数据的示例性图表。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施例的有益的装置的横截面示意图。

在图1中，示出了驱动***的被监测的一部分设备，在图1的示例性的实施例中，该部分是以小齿轮为形式的旋转元件10，当操作时，该旋转元件10与齿条(图1中未示出)接合。

从图2的表示中能够更详细地看出，作为旋转元件10的小齿轮与第一齿条12以及另外的连续的第二齿条13的齿条布置可操作地连接。

再次参照图1会意识到，旋转元件10相对于评估单元100(如下所述)可旋转地布置，并且如果需要，无线接收工具60(同样如下所述)也相对于进一步的静止元件(未示出)可旋转地布置。在此情况中，“静止”应理解成对旋转元件10的相对参考，即，上述分别的静止元件可相对于同一元件是运动的，例如关于容纳驱动***的设备是运动的。

在旋转元件10内的检测器底座20中，容纳有检测器30，检测器30被构造成检测结构声信号并且将该结构声信号作为以检测信号的形式的信号参数供应至信号处理电路40，信号处理电路也布置在旋转元件10中。检测器30通过检测器底座20机械地固定至旋转元件10，使得旋转元件10允许结构声信号(即，声音信号)在旋转元件10中传播以被直接地检测。

检测器30显示有固定至旋转元件的用于接收结构声音信号的结构声声音传感器31。在图1所示的实施例中，评估单元显示有用于以无线方式传输能量的静止发射器70。在旋转元件上提供连接至检测器的接收器80，该接收器接收来自在无线路径上的静止发射器的能量并且向检测器供应电能。

响应的结构声音信号(声发射，“AE”)显示本质上脉冲形状的激励进程，并且当在机械***中(因此例如在驱动***中)发生引起***的状况劣化的事件(诸如，例如在疲劳失效之前的裂缝形成)时出现。这还能够使得如果误差原因非常难检测，例如在小齿轮与齿条之间润滑不足的情况下，或当例如在激光加工机中形成的严重粉尘出现时，能够分别通过上述有益的装置和有益的方法实现驱动***的设备的精确监测。

如图1中的示例性的实施例示出：在检测信号的预过滤和滤波在信号处理电路40中完成后，现将对该检测信号进行评估。提供因此来源于该检测信号的传输信号以通过无线传输工具50将其传输至以上引用并且设置在静止侧上的无线接收工具60。无线接收工具60是相对于旋转元件10静止的。无线接收工具60继而将传输信号以有线或无线方式供应至以上引用的评估单元100。

现在评估单元100通过从该信号提取信号部分并且将其与参考参数进行比较来评估由此传输来的信号。

然而，可能已经通过信号处理电路40进行了很大程度的提取，例如过滤。检查信号部分，该信号部分是***的特征并且是***劣化的可能形式。例如，检查在该范围内的某些之前定义的频率范围，在该范围中结构声音信号能够传播。在此情况中，可能的之前定义的频率范围具有20kHz或50kHz或100kHz的下限。作为可替代选择或此外，频率范围具有300kHz或1MHz或2MHz的上限。

关于检测器的性质，例如以时间连续和数值连续的方式操作的(模拟)检测器、以时间离散和量化方式操作的(数字)检测器是可能的。

评估单元100对供应至其的检测信号取样并且在通过统计方法提取之后抽取数据的采样。在当前的情况中，将声音事件计数，求和并且分配给各自评估时间的循环数。声音事件是之前定义的检测信号的振幅阈值的每个超额量(可能的频变)。

在图3中的示例性图表中，示出了评估图表，该评估图表引起这样的方式。在所示实例中，一旦超过50000的循环数，每个循环的声音事件的数量就明显地增加。评估单元100导出从事件历史的可能失效时间的预后判断。

在当前的实施例中，在每个检查时间间隔评估该信号进程的斜率。由于检查时间离散值，因此通过建立按时间顺序地连续的信号值的差别执行斜率的近似值。

一旦在由此获得的斜率曲线的进程中识别出特征“扭折”，即，例如此斜率的特征增加，例如可得出该驱动***的显著劣化的结论。特征“扭折”可解释为曲线的范围，在该范围中，斜率、甚至以合理近似值的斜率不是线性的，因此信号进程以非线性方式增加。“扭折”不是必须为不可微分的。该信号的单调递增函数的存在，超过定义的或可定义阈值的斜率，可例如为存在特征“扭折”的充分条件。能够从其期望这种“扭折”的阈值例如为在典型的几个小时的观察期间斜率超过25％的改变。“扭折”的按时间排序的位置是依据信号振幅的高度的典型地独立的、分别地鲁棒性的。

可以经验为主地确定阈值。检测器30设置在旋转元件10中。可得出关于其他元件的失效的可能时间的结论。这些其他元件不同于旋转元件10。

旋转元件10分别与齿条12和齿条13连接。检测器设置在旋转元件10中。仅通过一个检测器30对不仅驱动***的单个部件还可能对若干驱动***元件进行监测(例如使用期监测)是可能的。

Claims (11)

1.一种用于监测驱动***的设备的方法，其中，所述设备具有可旋转地布置的旋转元件，所述旋转元件具有布置在其上用于检测结构声音以作为检测信号的检测器；所述方法包括：

从所述检测信号中提取非撞击信号部分；

将提取的所述信号部分与参考参数进行比较；以及

基于所述比较确定是否存在机械***的劣化。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

将所述检测信号限制在至少一个之前定义的频率范围。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

将所述检测信号限制在具有20kHz的下限和/或2MHz上限的频率范围。

4.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括以下步骤：

对超过之前定义的阈值的信号部分进行计数。

5.根据权利要求1所述的方法，包括：

参考基于参数的按时间顺序的发展的信号部分的参数；以及

基于针对不同时间间隔的信号部分确定每种情况下的参数的斜率；以及

比较斜率以确定是否存在机械***的劣化。

6.一种用于监测驱动***的设备的装置，其中所述设备包括可旋转地布置的旋转元件，所述装置包括：

布置在所述旋转元件上用于检测被动结构声音以作为检测信号的检测器；以及

用于实施根据权利要求1-5中任一项所述的方法的评估单元，其中所述评估单元与所述检测器连接用于信号传输。

7.根据权利要求6所述的装置，包括：

设置在所述旋转元件上用于传输基于所述检测信号的传输信号的无线传输工具；以及

与所述评估单元连接用于接收来自所述无线传输工具的传输信号的静止无线接收工具。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述无线传输工具包括光发射器，并且其中，所述无线接收工具包括光接收器。

9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述检测器包括结构声音的传感器，所述传感器固定连接至所述旋转元件以接收结构声音信号。

10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述检测器包括用于处理接收到的所述结构声音信号的信号处理电路。

11.根据权利要求6所述的装置，包括：

用于能量的无线传输的静止发射器；以及

设置在所述旋转元件上的接收器，所述接收器与所述检测器连接以接收来自所述静止发射器的能量并且至少为所述检测器供应电能。