CN110361173A - 状态监视 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种状态监视方法及装置。根据本发明，通过根据位置对振动数据进行分箱并此后执行傅里叶变换进行分析，来进行对具有旋转运动或线性运动的设备、机器和部件的状态监视，其中，设备、机器和部件连续改变速度、在不同的位置开始和停止，不进行完整的旋转。在其他方面，这避免由于速度改变而导致的频率域中的拖尾。

Description

状态监视

技术领域

本发明涉及诸如滚动轴承、齿轮和杆(shaft)的旋转设备的状态监视，更特别地讲，针对具有不同的局部旋转的旋转设备。

背景技术

诸如杆、滚子和滑动轴承(plain bearing)以及齿轮的旋转设备/机器的状态监视通常利用测量一个或多个物理参数并将这些物理参数转换为电信号的一个或多个传感器来进行，电信号之后可以被处理，以尝试并确定作为整体的设备/机器的状态和/或单个部件的状态。所述一个或多个物理参数通常包括温度和振动。温度将与机器的当前模式关联，能够给出它的状态的指示。例如，不同的模式可以是：在关闭之后直接断开、在机器已经花时间来冷却之后断开、启动阶段、处于操作温度等，每个模式具有可以接受的温度范围，并且如果温度处于相应的温度范围之外，那么，例如，可以发出无规则警告(irregularitywarning)。其他常用的传感器为不同类型的振动传感器，诸如，加速度传感器和声发射传感器。在本申请的上下文中，振动传感器可以是，但不限于，全部产生振动信号的加速度传感器、声发射传感器、位移传感器和表面轮廓传感器中的任意一个。例如，传统的振动测量用于通过以下形式的信号处理来找到循环事件(cyclic event)：滤波并且取包络，之后通过傅里叶变换从时域到频率域。当机器/设备以相当恒定的速度旋转时，通常投入很大的精力来测量这些振动，以防止频率域中的任何拖尾。我们如何处理来自不断改变旋转速度的设备/机器的振动信号，其中，设备/机器不具有完整的旋转，如来回摇摆的钟摆，并且最糟糕的可能是设备/机器具有不规则运动，诸如，首先一些完整的向前旋转，之后向后旋转半周，之后向前旋转四分之一等。仍然存在改善的空间。

发明内容

本发明的目的为限定一种状态监视方法和装置，其中，所述状态监视方法和装置可以对具有旋转运动或线性运动的设备/机器/部件进行处理，其中，设备/机器/部件连续改变速度、在不同的位置开始和停止，不进行完整的旋转等。

在状态监视中使用的快速傅里叶变换(FFT)频谱分析方法通常被应用于来自沿相同的方向以恒定或接近恒定的速度保持旋转的旋转设备的数据。关于仅进行来回局部旋转从而具有不同的运动角度并一直连续改变速度的机器/杆，由于缺陷事件(defect event)的重复不按照时间均匀分布，因此将产生大量的频谱拖尾。

通过以下方式实现上述目的：将振动数据(原始数据或已经取包络的数据)采样分箱到作为角度的很小的部分(根据应用来确定)的角度箱中，针对包括不止一个振动数据的每个箱提取统计参数，应用滤波器，限定获得物的新起点和终点(清除空的箱)并在旋转(角度)域中重构新的波形。重复的事件现在均匀分布并在FFT频谱中显示良好。

上述目的还通过状态监视方法和装置通过根据位置对振动数据进行分箱并在此后执行傅里叶变换进行分析来实现。

根据本发明，上述目的还通过对机器部件进行状态监视的方法来实现，其中，通过在振动传感器与被监视的所述机器部件之间的相对运动期间通过振动传感器测量振动来对所述机器部件进行状态监视。根据本发明，所述方法还包括：测量、关联、分箱、傅里叶变换、分析和确定的步骤。测量的步骤包括：在所述相对运动期间通过位置传感器测量机器部件相对于振动传感器的位置的相对位置。关联的步骤包括：使机器部件的相对位置与测量到的振动的采样相关联。分箱的步骤包括：根据每个采样的关联的位置，将关联位置的采样分箱到多个箱中。傅里叶变换的步骤包括：对所述多个箱中的与位置相关的内容进行傅里叶变换。分析的步骤包括：将傅里叶变换的内容分析为机器部件的状态。最后确定的步骤包括：基于对傅里叶变换的内容的分析，确定机器部件的状态。

振动传感器与机器部件之间的所述相对运动可以是旋转的或线性的。如果运动是旋转的运动，那么相对位置适当地是角度。

在一些情况下，所述方法还包括：在进行分箱之前对测量到的振动的采样取包络。在适当情况下，所述方法还可以包括：在对所述多个箱的内容进行傅里叶变换之前，对所述多个箱的内容进行预处理。

根据本发明的对机器部件进行状态监视的方法的不同的额外改善可以以任何期望的方式被组合，只要未组合冲突的特征即可。

根据本发明，上述目的还通过用于对机器部件的状态进行监视的状态监视装置来实现。所述装置包括：振动传感器，被配置为在振动传感器与机器部件之间的相对运动期间测量振动。根据本发明，所述装置还包括：位置传感器、相关器、分箱单元、信号处理器、分析器和确定单元。位置传感器被配置为在所述相对运动期间测量机器部件相对于振动传感器的位置的相对位置。相关器被配置为使机器部件的相对位置与测量到的振动的采样相关联。分箱单元被配置为根据每个采样的关联的位置，将关联位置的采样分箱到多个箱中。信号处理器被配置为对所述多个箱中的与位置相关的内容进行傅里叶变换。分析器被配置为将傅里叶变换的内容分析为机器部件的状态。确定单元被配置为基于对傅里叶变换的内容的分析，确定机器部件的状态。

振动传感器与机器部件之间的所述相对运动是旋转的运动或线性的运动。如果运动是旋转的运动，那么相对位置适当地是角度。

在一些实施例中，所述装置还包括取包络单元，所述取包络单元被配置为在分箱单元进行分箱之前对测量到的振动的采样取包络。在适当情况下，所述装置还包括预处理器，所述预处理器被配置为在信号处理器对所述多个箱的内容进行傅里叶变换之前，对所述多个箱的内容进行预处理。

根据本发明的状态监视装置的不同的额外改善可以以任何期望的方式被组合，只要未组合冲突的特征即可。

通过以下具体实施方式，本发明的其他优点将变得清楚。

附图说明

现在将参照以下附图更详细地描述本发明以用于解释目的，而并非限制，其中：

图1示出使用中的本发明的示意图；

图2示出根据本发明的分箱(binning)；

图3示意性地示出根据本发明的信号处理流程。

图1示出使用中的本发明的示意图：

101杆或轴，示出为旋转杆，但也可以是线性杆，

103轴承，滚动轴承或滑动轴承或齿轮，

110振动传感器，将振动转换为振动信号，诸如，加速度传感器或声发射传感器，

112位置传感器，产生位置信号，适当情况下为绝对位置传感器，

120处理单元，用于信号处理并使振动信号和位置信号相关联，

130连接件，在振动传感器与处理单元之间，示出为有线，但有利地可以无线，

132连接件，在位置传感器与处理单元之间，示出为有线，但有利地可以无线

139连接件，用于与网络/另外的处理单元通信，可以完全有线、完全无线或者是有线和无线的组合。

图2示出根据本发明的分箱：

200振动传感器信号，来自振动传感器，

241第一箱，表示位置传感器或另一位置与关于可运动/可旋转的杆的预定位置之间的第一位置范围或相对距离范围，

242第二箱，表示位置传感器或另一位置与关于可运动/可旋转的杆的预定位置之间的第二位置范围或相对距离范围，

243第三箱，表示位置传感器或另一位置与关于可运动/可旋转的杆的预定位置之间的第三位置范围或相对距离范围，

244第四箱，表示位置传感器或另一位置与关于可运动/可旋转的杆的预定位置之间的第四位置范围或相对距离范围，

245第五箱，表示位置传感器或另一位置与关于可运动/可旋转的杆的预定位置之间的第五位置范围或相对距离范围，

246第六箱，表示位置传感器或另一位置与关于可运动/可旋转的杆的预定位置之间的第六位置范围或相对距离范围，

251第一相对运动，沿顺时针方向，穿过第一箱、第二箱和第三箱，

252第二相对运动，沿逆时针方向通过第三箱和第二箱，

253第三相对运动，沿顺时针方向通过第二箱、第三箱、第四箱和第五箱，

254第四运动，沿逆时针方向通过第五箱、第四箱和第三箱，

261在第一相对运动期间第二箱中的振动峰，

262在第二相对运动期间第二箱中的振动峰，

263在第三相对运动期间第二箱中的振动峰，

265在第三相对运动期间第四箱中的振动峰，

266在第四相对运动期间第四箱中的振动峰，

图3示意性地示出根据本发明的信号处理流程：

391振动信号采样，

393选择性地预处理，诸如取包络和/或抽取，

395通过使振动信号与位置信号相关联来进行分箱，

396在每个箱内和/或跨多个箱来进行信号处理，

397傅里叶变换，诸如FFT或另一种，

398分析FFT的结果，每位置的频率，

399确定分析的含义并将含义传送到一个或多个用户和/或数据库/另外的处理。

具体实施方式

为了使根据本发明的方法和装置清楚，现在将结合图1至图3描述它的使用的一些示例。

图1示出使用中的本发明的关于杆101或轴(axle)的示意图。在此示例中，示出的杆101是旋转杆，在其他实施例中，例如，它可以是线性运动杆。旋转可以是通过连续改变速度而具有不同的运动角度的不同的来回(往复)局部旋转。在此示例中，杆101具有作为状态监视的对象的附接的轴承103。轴承103可以是滚动轴承或滑动轴承。轴承103包括外圈和随杆101旋转的内圈。轴承103的外圈附接有将轴承103的振动转换为振动信号的振动传感器110，诸如，加速度传感器或声发射传感器。振动信号之后通过有线或无线的连接件130被发送到处理单元120。还存在将状态监视的对象或者它的一部分与(相对于)预定位置的相对位置或绝对位置转换为位置信号的位置传感器112，其中，位置传感器112适当情况下为绝对位置传感器，所述对象在此情况下为轴承103的内圈，预定位置适当情况下为外圈上的振动传感器110的位置。由于这是旋转杆，因此位置信号是角度是合适的。例如，位置传感器可以是3轴至6轴加速度计/陀螺仪，诸如MEMS型，例如，尤其适合于诸如风力涡轮机轴承的大尺寸轴承如。位置信号通过有线或无线的连接件132被发送到处理单元120。

处理单元120被示出为与振动传感器110和位置传感器112物理分离，但是也可以物理和功能地整体或部分位于传感器处。处理单元120包括振动信号和位置信号的预处理，诸如，以频率滤波为例。如果振动信号和位置信号不在数字域，则将进行模数转换。另外的预处理可以包括取包络和抽取，这全部基于应用而定。在数字域中，每个振动信号采样将与从位置信号得到的位置相关联。如果振动信号和位置信号未被同步采样，则将必须存在一些信号处理，使得每个振动采样可以与当时的位置相关联。根据情况，例如，可能需要重采样和/或插值。随着每个振动采样被提供有角度位置，每个采样被分箱到角度箱。箱的大小可以是角度的很小的部分并将基于期望的分辨率。通常，箱可以适当地为期望能够检测的每角度事件的最大数量的十分之一。因此，如果期望能够检测每角度三个事件，那么每个箱应该是角度的三十分之一或更少。分箱的振动数据可以是原始数据或预处理的数据，例如，已经被取包络的数据。统计参数从具有多个振动数据的每个箱被适当提取。例如，统计参数是，但不限于，最大值、最小值、平均值、中值、波峰因子、偏斜度、最大-最小(峰到峰)、均方根和基于另外的信号处理的其他期望数据。

如果仅存在局部旋转，则最可能的是，一些箱是空的，根本没有任何振动数据。这些空箱在非空箱的任意一侧被丢弃，适当地到达剩余的箱的数量为2N的点，其中，N是使得快速傅里叶变换(FFT)更好地工作的整数(212＝4096箱)。进行FFT或另一数字/离散傅里叶变换，以获得在这种情况下的角度下每位置单位的循环。通常，我们从时间域到频率域。分析被适当地进行，然后结果可以经由另外的连接件139被传送到网络或另外的处理单元，其中，另外的连接件139可以完全有线、完全无线或者是有线和无线的组合。

图2示出根据本发明的分箱，在此示例中是角度分箱。在此示例中，仅示出一个90度扇区。在许多应用中，如果旋转被限制为90度，则这是足够的。总共存在6个角度箱241、242、243、244、245、246，每个表示一个15度扇区。来自振动传感器的振动传感器信号200根据每个采样的位置数据被分类到多个箱之一中。例如，根据图1的杆和内圈的运动251、252、253、254是有些随机的。如所看到的，在第二箱242中存在几个峰261、262、263，在第四箱244中存在两个峰265、266。这可以指示在第二箱242和第四箱244中的角度位置中存在某情况。第六箱完全是空的并且将不被包括在FFT中。如果振动信号200不止一次地进入一个箱，那么适当地进行某种统计以获得箱中的单个值得数据集合。当然可以基于另外的信号处理和分析，利用进行的不同的统计处理产生额外的数据集合。例如，统计处理可以是，但不限于，最大值、最小值、平均值、中值、波峰因子、偏斜度、最大-最小(峰到峰)、均方根和基于另外的信号处理的其他期望数据。如果平均值被选择，那么箱中的全部振动数据相加，之后除以振动数据进入那个箱的次数。

图3示意性地示出根据本发明的信号处理流程。存在第一振动信号采样391以及位置信号。这可以连续进行，或者仅以预定、随机或其他触发间隔进行预定时间。作为一种选择，可以存在对采样的振动信号的某预处理393。这可以以滤波、取包络和/或抽取的形式。此后，存在基于相应的位置信号的对振动信号的分箱395。然后，存在对每个箱内和/或跨多个箱的振动信号的信号处理396。例如，如果箱中存在不止一个振动数据集合，则每个箱内的信号处理可以是数据缩减，确定箱的振动数据是什么。例如，跨越全部箱的信号处理可以是滤波、整流、取包络等。此后进行FFT 397，此后进行分析398，从而能够确定分析的含义399，并将含义传送到一个或多个用户和/或数据库/另外的处理。

本发明不限于上述实施例，而是可以在所附的权利要求的范围内改变。

Claims (10)

1.一种对机器部件进行状态监视的方法，其中，通过在振动传感器与被监视的所述机器部件之间的相对运动期间通过振动传感器测量振动来对所述机器部件进行状态监视，所述方法还包括：

在所述相对运动期间通过位置传感器测量所述机器部件相对于所述振动传感器的位置的相对位置，

使所述机器部件的所述相对位置与测量到的振动的采样关联，

根据每个采样的关联的位置，将关联位置的采样分箱到多个箱中，

对所述多个箱中的与位置相关的内容进行傅里叶变换，

将傅里叶变换的内容分析为所述机器部件的状态，

基于对傅里叶变换的内容的分析，确定所述机器部件的状态。

2.根据权利要求1所述的状态监视的方法，其特征在于，所述振动传感器与所述机器部件之间的所述相对运动是旋转的。

3.根据权利要求1所述的状态监视的方法，其特征在于，所述振动传感器与所述机器部件之间的所述相对运动是线性的。

4.根据权利要求1所述的状态监视的方法，其特征在于，所述方法还包括：在进行分箱之前对测量到的振动的采样取包络。

5.根据权利要求1所述的状态监视的方法，其特征在于，所述方法还包括：在对所述多个箱的内容进行傅里叶变换之前，对所述多个箱的内容进行预处理。

6.一种用于对机器部件的状态进行监视的状态监视装置，所述状态监视装置包括：

振动传感器，被配置为在所述振动传感器与所述机器部件之间的相对运动期间测量振动，其中，所述状态监视装置还包括：

位置传感器，被配置为在所述相对运动期间测量所述机器部件相对于所述振动传感器的位置的相对位置，

相关器，被配置为使所述机器部件的相对位置与测量到的振动的采样相关联，

分箱单元，被配置为根据每个采样的关联的位置，将关联位置的采样分箱到多个箱中，

信号处理器，被配置为对所述多个箱中的与位置相关的内容进行傅里叶变换，

分析器，被配置为将傅里叶变换的内容分析为所述机器部件的状态，

确定单元，被配置为基于对傅里叶变换的内容的分析，确定所述机器部件的状态。

7.根据权利要求6所述的状态监视装置，其特种在于，所述振动传感器与所述机器部件之间的所述相对运动是旋转的。

8.根据权利要求6所述的状态监视装置，其特征在于，所述振动传感器与所述机器部件之间的所述相对运动是线性的。

9.根据权利要求6所述的状态监视装置，其特征在于，所述状态监视装置还包括取包络单元，所述取包络单元被配置为在所述分箱单元进行分箱之前对测量到的振动的采样取包络。

10.根据权利要求6中的任一项所述的状态监视装置，其特征在于，所述状态监视装置还包括预处理器，所述预处理器被配置为在所述信号处理器对所述多个箱的内容进行傅里叶变换之前，对所述多个箱的内容进行预处理。