提供包括轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的方法及裝置的制造方法
【專利摘要】一種提供包括轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的方法，該方法包括提供表示該機械結(jié)構(gòu)中的機械振動的輸入信號；以及基于該輸入信號和眾多參考信號，從該機械結(jié)構(gòu)的多個預(yù)定的狀態(tài)評估中選擇一個狀態(tài)評估。當(dāng)轉(zhuǎn)動機械部件包括齒輪傳動時，利用振幅解調(diào)選擇狀態(tài)評估。當(dāng)轉(zhuǎn)動機械部件包括回轉(zhuǎn)軸承時，利用互關(guān)聯(lián)選擇狀態(tài)評估。
【專利說明】
提供包括轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種提供包括轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的方法。本發(fā)明還 涉及實施該方法的計算機程序和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 包括一個或多個轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)（包括機械系統(tǒng)、機器、車輛、電機或發(fā) 動機、發(fā)電機、齒輪傳動、汽輪機等)在運行時通常受到磨損，出現(xiàn)故障或缺陷。因此，需要檢 測和確定機械結(jié)構(gòu)的不同狀態(tài)。尤其是，需要檢測和確定早期的故障，以便以有利且劃算的 方式實施必要的措施，比如更換或修理某些部件。
[0003] 早期檢測機械結(jié)構(gòu)一尤其是轉(zhuǎn)動機械部件一的故障或缺陷的解決方案已經(jīng)眾所 周知了。
[0004] US7421349描述了一種檢測滾珠軸承中的發(fā)展性故障的方法和裝置，在該方法和 裝置中，測量包含滾珠軸承的設(shè)備的振動。該方法包括在振動信號的頻譜中查找故障表征。
[0005] US2013/0096848教導(dǎo)了一種檢測轉(zhuǎn)動機械的滾子軸承故障的方法和系統(tǒng)。測量來 自于振動傳感器的傳感器信號。通過生成圍繞測量信號的包絡(luò)曲線和將該包絡(luò)曲線轉(zhuǎn)換為 頻譜來檢測軸承的故障。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)給出了一種檢測包含轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)是否被認為處于正常狀 態(tài)或發(fā)展性故障狀態(tài)的解決方案。因此，仍需要提供一種能辨別機械結(jié)構(gòu)的不同發(fā)展性故 障狀態(tài)的解決方案。該解決方案還需要在已知解決方案解決之前在早期給出故障狀態(tài)警 告。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種包括轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的 方法。該方法包括提供表示機械結(jié)構(gòu)中的機械振動的輸入信號;提供參考信號；以及基于該 輸入信號和該參考信號，從機械結(jié)構(gòu)的多個預(yù)先確定的狀態(tài)評估中選擇一個狀態(tài)評估?；?于轉(zhuǎn)動機械部件的至少一個參數(shù)和轉(zhuǎn)動機械部件的轉(zhuǎn)速生成參考信號。根據(jù)本發(fā)明的另一 方面，提供了一種計算機程序。該計算機程序包括處理指令，當(dāng)電子處理單元執(zhí)行該處理指 令時，該處理指令使電子處理單元執(zhí)行上面概述的方法。
[0008] 本發(fā)明還涉及一種提供包括轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的裝置。該裝置 包括電子處理單元和存儲器，存儲器包含上面提及的計算機程序。
[0009] 在專利權(quán)利要求書中闡述了本發(fā)明。
【附圖說明】
[0010] 借助于實施例及參考附圖，將更詳細描述本發(fā)明。
[0011] 圖1為描述一種提供包括轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的系統(tǒng)的示意框 圖。
[0012] 圖2為描述一種提供機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的方法的原理的示意流程圖，該機械結(jié) 構(gòu)可以是，例如，變速箱，該變速箱包括齒輪形式的轉(zhuǎn)動機械部件。
[0013] 圖3為描述一種提供機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的方法的原理的示意流程圖，該機械結(jié) 構(gòu)包括滾珠軸承形式的轉(zhuǎn)動機械部件。
[0014] 圖4為描述在參考信號生成模塊內(nèi)生成沖擊脈沖的可能原理的示意流程圖。
[0015] 圖5為描述滾珠軸承的某些參數(shù)的示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 圖1為描述一種提供包括轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)101的狀態(tài)評估的系統(tǒng)100的示 意框圖。
[0017] 包括轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)101可以，例如，包含齒輪嚙合。
[0018] 例如，結(jié)構(gòu)101可以為轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)動運動的轉(zhuǎn)速和扭矩的裝置，比如，變速箱或船螺旋 槳的角驅(qū)動。這種類型的實施方式也將參考圖2在下面進行更詳細的描述。
[0019] 可替代地，包括轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)101可包含回轉(zhuǎn)軸承。例如，這種結(jié)構(gòu)101 可以為電機或發(fā)動機、發(fā)電機、壓縮機、栗或電扇。這種類型的實施方式也將參考圖3在下面 進行更詳細的描述。
[0020] 系統(tǒng)100包括傳感器裝置102,傳感器裝置102提供表示機械結(jié)構(gòu)101中的機械振動 的測量信號。傳感器裝置102包括麥克風(fēng)或振動傳感器。例如，傳感器裝置102可以是電磁式 或壓電式類型。傳感器裝置102可以是加速度計，例如，壓電式加速度計。壓電式加速度計在 20千赫或更大頻率范圍內(nèi)可具有恒定的信號響應(yīng)?？烧霞铀俣刃盘杹斫o出速度且可兩次 整合以給出位置。
[0021] 傳感器裝置102可安裝在機械結(jié)構(gòu)101的外壁上，這樣，振動盡可能直接地傳遞到 傳感器裝置102?？商娲?，傳感器裝置102可與機械結(jié)構(gòu)101間隔一定距離安裝，例如，在二 者間存在空氣。在低于可聽范圍（例如小于20赫茲）的頻率未能表示特別相關(guān)的振動的情況 下，這種設(shè)置最合適。在另一種可替代的變體中，傳感器裝置102可安裝在機械結(jié)構(gòu)101的外 部。
[0022] 采樣且量化傳感器裝置102發(fā)射出的測量信號，并在信號轉(zhuǎn)換裝置103中將測量信 號從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。為此，信號轉(zhuǎn)換裝置103可包括電子采樣電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該電子 采樣電路采樣模擬測量信號且優(yōu)選地在采樣周期內(nèi)保持信號值，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)射測量信 號的時間離散的數(shù)字表征。對于采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)待測振動的變量，可使用可便利選擇 的采樣速率。對于典型應(yīng)用，待測振動可包括可聽的聲音范圍（例如，20-20000赫茲）。在一 些實施方式和應(yīng)用中，振動包括更低頻率范圍、不可聽到的頻率，也是可能的。
[0023] 在這種情況下，與其他不同，有利的采樣速率可以是用于音頻信號的規(guī)則采樣的 采樣速率，例如44千赫左右。采樣速率，與其他不同，可以在一定范圍內(nèi)，例如10千赫到60千 赫的范圍。
[0024] 在一些實施方式或應(yīng)用中，在超聲波范圍內(nèi)測量振動是比較可取的。在那種情況 下，選擇測量信號中通常為最大的期望頻率分量至少兩倍的采樣速率是有利的。
[0025] 信號轉(zhuǎn)換裝置103發(fā)射的合成數(shù)字信號方便地存儲在存儲器內(nèi)，比如，環(huán)緩沖區(qū) 104。在模塊105中，從這些數(shù)據(jù)中獲取與時間段對應(yīng)的信號樣本，該信號樣本被考慮作為輸 入信號在處理裝置106中進行處理。時間段可以是，例如，3秒左右或在1到5秒的范圍。
[0026] 處理裝置106可包括數(shù)字處理單元108,比如，微處理器或微控制器、存儲器、I/O電 路等。存儲器可包括易失性存儲器或非易失性存儲器，其中，存儲器的一部分包含一系列程 序指令，當(dāng)執(zhí)行這些程序指令時，使處理裝置執(zhí)行本說明書公開的方法。
[0027] 處理使用了 107示意指示的至少一參考信號。這些參考信號可以作為處理單元108 存儲器的一部分呈現(xiàn)。
[0028] 處理進一步包括基于測量信號和眾多參考信號，在機械結(jié)構(gòu)多個預(yù)定的狀態(tài)評估 中選擇一個狀態(tài)評估。
[0029] 處理時，基于測量信號和參考信號，從機械結(jié)構(gòu)多個預(yù)定的狀態(tài)評估中選擇一個 狀態(tài)評估。進一步，基于這個評估，選擇關(guān)于這個狀態(tài)的消息。例如，該消息可顯示在報警裝 置109的顯示器上。
[0030] 例如，該消息可以純文本的形式顯示在顯示器上。該消息可包括應(yīng)用該狀態(tài)的相 關(guān)機械部件的標(biāo)識以及該狀態(tài)的更詳細的描述。該消息也可包括指示相關(guān)機器部件的"體 積"的值或故障程度、退化或其他等。在示例性的實例中，該消息可讀作"第4號滾珠軸承在 外圈有壓痕，體積= 43"。
[0031] 圖2為描述一種提供機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的方法的原理的示意流程圖，該機械結(jié) 構(gòu)包括齒輪形式的轉(zhuǎn)動機械部件。例如，在該實例中，機械結(jié)構(gòu)可以是車輛的變速箱。
[0032] 該方法包括，在210所示的步驟中，借助于振動傳感器或麥克風(fēng)提供表示機械機構(gòu) 的機械振動的測量信號。該信號可被進一步采樣，量化以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，如參考上文圖1的解 釋，可以采用合成數(shù)字信號的有限時間段。合成信號在圖2中用x(n)表示且用作輸入信號進 行點刻模塊230所示的處理，其中，該合成信號的有限持續(xù)時間對應(yīng)于該時間段。
[0033]在處理模塊230中，該方法進一步包括基于輸入信號和眾多參考信號從機械結(jié)構(gòu) 的多個預(yù)定的狀態(tài)評估中選擇一個狀態(tài)評估。
[0034]
【申請人】已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不圓的齒輪以及由損壞的軸承或錯位軸引起的失圓度會導(dǎo)致機 械結(jié)構(gòu)的振動，這些振動由已調(diào)幅的振動信號表示。載波是由齒嚙合頻率給出，而調(diào)制頻率 是由表示失圓度的軸的轉(zhuǎn)動頻率給出。因此，可借助于振幅調(diào)制檢測這種失圓度。
[0035] 隨著正弦嚙合信號的振幅和失真的增加，通常退化的齒輪導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)的振動。 這也可描述為一般信號電平的增加和較高級頻率分量的相對增加。因此，借助于頻譜分析 可檢測出這種類型的退化。
[0036] 每次損壞的齒嚙合時，齒輪中的損壞的齒會導(dǎo)致嚙合信號的增加。這些增加會導(dǎo) 致等于包含損壞的齒的齒輪的轉(zhuǎn)動周期的時距。因此，可通過從另一齒的振動特征中減去 一個齒的振動特征來檢測這類已損壞的齒。
[0037] 每次減法給出實質(zhì)性貢獻的時間周期與包含該損壞齒的齒輪的轉(zhuǎn)動周期一致。 [0038]在這一實施例中，參考信號包括已調(diào)制的平穩(wěn)周期信號，通常為振幅調(diào)制正弦信 號?？赏ㄟ^在參考信號生成模塊220內(nèi)生成參考信號影響參考信號的提供。
[0039]基于轉(zhuǎn)動機械部件(在這種情況下，轉(zhuǎn)動機械部件為齒輪)的至少一參數(shù)以及轉(zhuǎn)動 機械部件(在這種情況下，轉(zhuǎn)動機械部件為齒輪)的轉(zhuǎn)速，在信號生成模塊220內(nèi)生成參考信 號。更具體地，基于第一參數(shù)221和第二參數(shù)222,可為機械結(jié)構(gòu)101內(nèi)的特定齒輪的預(yù)定類 型的故障、退化、磨損或其他等生成參考信號。
[0040] 例如，齒輪的第一參數(shù)221可表示討論中的齒輪的齒數(shù)。
[0041] 第二參數(shù)222可表示齒輪的轉(zhuǎn)速，并因此表示在計算齒嚙合頻率和包含的各個齒 輪的頻率期間齒數(shù)應(yīng)該相乘的因數(shù)。
[0042]例如，可以通過下面的三種方式確定齒輪的轉(zhuǎn)速：
[0043] 轉(zhuǎn)速可以是預(yù)先確定的固定值。這可以是這種情形，例如，齒輪由同步電機驅(qū)動， 該同步電機由已知頻率的交流電供電。
[0044] 借助于轉(zhuǎn)速計或類似的轉(zhuǎn)速測量設(shè)備測量轉(zhuǎn)速。
[0045] 借助于自動頻率控制AFC確定轉(zhuǎn)速。在這種情況下，自動頻率控制電路可適用于 "收聽（listen)"齒輪，例如，通過上面提及的提供信號的步驟210。
[0046] 參考信號生成模塊220本質(zhì)上可以是振幅調(diào)制器(AM調(diào)制器），AM調(diào)制器發(fā)射出具 有載波和上下邊帶的輸出信號。參考信號生成模塊可發(fā)射出指示齒嚙合頻率的第一參考信 號225和指示討論中的齒輪轉(zhuǎn)速的第二參考信號224。
[0047] 在這一實施例中，從多個狀態(tài)評估中選擇一個狀態(tài)評估的步驟可包括輸入信號的 振幅調(diào)制。因此，輸入信號x(t)傳輸?shù)紸M解調(diào)器231。也將表示齒嚙合頻率的第一參考信號 225傳輸?shù)皆摻庹{(diào)器。
[0048] AM解調(diào)器231的由y(t)表示的輸出信號傳輸?shù)綖V波器232,更具體地，帶通濾波器 或可替代地低通濾波器。表示轉(zhuǎn)速的第二參考信號225也傳輸?shù)綖V波器。
[0049] AM解調(diào)器231可，例如，包括超外差接收機。
[0050] 在這種情況下，齒嚙合頻率用于本地振蕩器，而轉(zhuǎn)速224用作帶通濾波器232的中 心頻率。
[0051]齒輪傳動的振幅調(diào)制信號
[0052]包括齒輪的齒輪傳動的振幅調(diào)制信號可描述為AM無線信號，AM無線信號中，來自 于嚙合的振動對應(yīng)載波。齒輪的不對稱對應(yīng)雙音調(diào)音樂。一種音調(diào)來源于其中一個齒輪的 轉(zhuǎn)動頻率。另一種音調(diào)來自于另一個齒輪的轉(zhuǎn)動頻率。
[0053] x(t)=A sina+(A sina*B sinP)
[0054] x(t)=A sina+l/2*A*B*sin(a+0)+l/2*A*B*sin(a-0)
[0055] A sina為齒嚙合振動，對應(yīng)于AM無線中的載波。
[0056] B sinP為齒輪b的調(diào)制，對應(yīng)于AM無線中的音樂的一種音調(diào)。
[0057] A為齒嚙合振動值。
[0058] B為齒輪b的調(diào)制值。
[0059] a = 2*JT*fa*t 為嗤合頻率。
[0060] 0 = 為齒輪b的轉(zhuǎn)動頻率。
[0061]根據(jù)超外差原則的解調(diào)
[0062] 下面小節(jié)提供了根據(jù)超外差原則的解調(diào)的進一步解釋，該根據(jù)超外差原則的解調(diào) 可方便地在AM解調(diào)器231內(nèi)使用。
[0063] 根據(jù)超外差原則的解調(diào)來自于下面表達：
[0064] sin r*sin s = l/2sin(r+s)+l/2sin(r-s)
[0065] 振動為x(t) =A sina+l/2*A*B*sin(a+0)+l/2*A*B*sin(a-0)
[0066] 本地振蕩器lo(t)=sina(對應(yīng)于圖2中的信號225)
[0067] y ⑴=x(t)*lo(t)
[0068] y(t)=(A sina+l/2*A*B*sin(a+0)+l/2*A*B*sin(a-0))*sina
[0069] y(t) = (A sina*sina) +
[0070] 1/2*A*B* s i n(a+0+a)+1/2*A*B* s i n(a+0-a) +
[0071 ] l/2*A*B*sin(a-0+a)+l/2*A*B*sin(a-0-a)
[0072] y(t)=(A sina*sina)*A*B*sin(2a+0)+
[0073] l/2*A*B*sin(0)+l/2*A*B*sin(2a-0)+l/2*A*B*sin(-0)
[0074] 頻率調(diào)節(jié)為0的帶通濾波器表示齒輪B的不對稱。
[0075] z(t) = l/2*A*B*sin(0)
[0076]應(yīng)當(dāng)理解，AM解調(diào)器231可，例如，包括單向超外差接收機或雙向超外差接收機。
[0077]此外，回到圖2的實施例：將帶通濾波器232的由z(n)表示的輸出信號傳輸?shù)接嬎?模塊233,計算表示信號z(n)的統(tǒng)計計量的值。在一個實例中，統(tǒng)計計量可以是z(n)的標(biāo)準(zhǔn) 偏差。在可替代的實例中，統(tǒng)計計量可以是信號z(n)數(shù)值的算術(shù)平均值。通常在輸入信號x (n)的時間段的持續(xù)時間內(nèi)計算標(biāo)準(zhǔn)偏差或平均值。
[0078]將該值傳輸?shù)奖容^模塊234與限制參數(shù)239進行比較?；跈C械結(jié)構(gòu)的操作經(jīng)驗， 由操作人員設(shè)置限制參數(shù)239。
[0079] 限制參數(shù)239可以是存儲在存儲器內(nèi)的眾多限制參數(shù)中的一個。每個限制參數(shù)可 與特定的相關(guān)轉(zhuǎn)動機械部件(這種情況下為特定齒輪)相關(guān)聯(lián)，且和機械部件(例如齒輪)的 狀態(tài)評估相關(guān)聯(lián)。
[0080] 如果表示信號z(n)的統(tǒng)計計量的值超過限制參數(shù)239,在235處發(fā)射標(biāo)識相關(guān)轉(zhuǎn)動 機械部件(這種情況下，相關(guān)轉(zhuǎn)動機械部件為齒輪)的輸出信號236。此外，在237處發(fā)射表示 相關(guān)機械部件即齒輪的故障程度的輸出信號。
[0081]輸出信號236和237是給出的識別相關(guān)轉(zhuǎn)動部件即齒輪和指示狀態(tài)評估的消息的 基礎(chǔ)。該消息可通常識別齒輪和指示齒輪不圓，齒輪磨損或退化，齒輪內(nèi)有損壞的齒等且指 示齒輪的故障程度。故障程度是根據(jù)計算模塊233計算的統(tǒng)計計量來衡量的。
[0082]利用多個處理模塊230執(zhí)行基于輸入信號和參考信號從機械結(jié)構(gòu)的多個預(yù)定的狀 態(tài)評估中選擇一個狀態(tài)評估的步驟。通常同一個測量信號210可被傳輸?shù)礁鱾€處理模塊中。 進一步地，可使用相同的多個信號生成模塊220,且可將各個信號224和225傳輸?shù)礁髯缘奶?理模塊230?？苫诟鱾€處理模塊的輸出信號238的比較從多個預(yù)定的狀態(tài)評估中選擇一個 狀態(tài)評估，該狀態(tài)評估指示轉(zhuǎn)動部件(這種情況下轉(zhuǎn)動部件為齒輪）的故障程度。當(dāng)部件為 齒輪時，使用兩個處理模塊230是很有利的。
[0083] 該方法在終止步驟240中終止。
[0084] 圖3為描述一種提供機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的方法的原理的示意流程圖，該機械結(jié) 構(gòu)包括轉(zhuǎn)動機械部件，在該實施例中，轉(zhuǎn)動機械部件為滾珠軸承的形式。在這種情況下，機 械結(jié)構(gòu)可以是電機或發(fā)動機、發(fā)電機或具有至少一轉(zhuǎn)動零件的其他裝置。
[0085] 該方法包括，在310所示的步驟中，借助于振動傳感器或麥克風(fēng)提供測量信號，該 測量信號表示機械結(jié)構(gòu)的機械振動。該測量信號可進一步被采樣、量化以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，如參 考上文圖1的解釋，可從合成的數(shù)字信號獲得有限時間段。合成信號在圖3中用x(n)表示且 用作點刻處理模塊330所示的處理的輸入信號，其中，該合成信號具有對應(yīng)于該時間段的有 限持續(xù)時間。
[0086]在處理模塊330中，該方法進一步包括基于輸入信號和眾多參考信號，從機械結(jié)構(gòu) 的多個預(yù)定的狀態(tài)評估中選擇一個狀態(tài)評估。
[0087] 狀態(tài)良好的滾珠軸承產(chǎn)生噪音，該噪音在頻率上是白色的，在振幅上是高斯。通 常，故障出現(xiàn)在，比如，滾珠的壓痕，內(nèi)圈或外圈。當(dāng)滾珠滾過壓痕時，產(chǎn)生正常的沖擊脈沖。
【申請人】已發(fā)現(xiàn)，通過觀察沖擊脈沖的時間間隔，可以得到壓痕位于外圈，內(nèi)圈或滾珠上的指 不。
[0088] 因此，通過運行至少一合成沖擊脈沖生成器可檢測到滾珠軸承的這種類型的故 障，其中，該合成沖擊脈沖生成器的周期時間與上面所述的沖擊脈沖之間的時間間隔相等。 這就能在外圈、內(nèi)圈或滾珠上檢測到可能的故障。為了能在外圈、內(nèi)圈或滾珠上檢測到可能 的故障，一定要使用三臺沖擊脈沖生成器來生成三個沖擊脈沖信號。
[0089] 在滾珠軸承處測得的信號與每臺合成沖擊脈沖生成器的信號相關(guān)。從這些相關(guān)信 號可看出，是否在外圈、內(nèi)圈或滾珠上存在損壞以及癥狀的嚴重程度。
[0090]因此，在該實施例中，參考信號包括周期性脈沖信號。周期性脈沖信號內(nèi)的每個信 號可以是，例如，"衰減正弦(衰減余弦)"類型，也就是，在每個脈沖中，振幅隨著時間逐漸減 小的正弦(余弦)信號。每個脈沖中的衰減可以是，例如，線性的(每個脈沖為"sin(x)/x"的 類型)或指數(shù)的。
[0091] 或者，如圖3示意性地所示，周期性脈沖信號可以是矩形的周期性的脈沖信號。
[0092] 可通過在參考信號生成模塊320中生成參考信號影響參考信號的提供。
[0093] 基于轉(zhuǎn)動機械部件(在這種情況下為滾珠軸承）的第一參數(shù)321、表示轉(zhuǎn)速fr的第 二參數(shù)322以及有利地表示在沖擊脈沖的周期時間內(nèi)振動的第三參數(shù)323,在參考信號生成 模塊320內(nèi)生成參考信號。下面將參考圖4和圖5討論滾珠軸承的可能參數(shù)。
[0094] 在對應(yīng)于振動測量的時間段(也就是3秒或1-5秒的范圍）的時間間隔內(nèi)，稍微變化 一下沖擊脈沖間的周期時間，例如，在標(biāo)稱值上+/-1 %或+/_2%，也是有利的。
[0095]參考信號生成模塊320發(fā)射由d(n)表不的參考信號324,該參考信號324表不具有 特定故障類型的滾珠軸承的預(yù)期振動信號。參考下面圖4可進一步詳細說明參考信號生成 豐吳塊的功能。
[0096]將輸入信號x(n)傳輸?shù)交ハ嚓P(guān)模塊331。也將參考信號324傳輸?shù)皆撃K。在互相 關(guān)模塊內(nèi)，參考信號和已測得的振動信號進行互相關(guān)比較。
[0097]將互相關(guān)模塊331的輸出信號傳輸?shù)狡骄的K332,該平均值模塊332計算出表 示互相關(guān)模塊發(fā)射出的信號的數(shù)值的算術(shù)平均值。通常，在輸入信號x(n)的時間段的持續(xù) 時間內(nèi)可計算出該平均值。
[0098]將該值傳輸?shù)奖容^模塊334,在比較模塊334中，將該值與限制參數(shù)339相比較。限 制參數(shù)339可以是存儲在存儲器內(nèi)的多個限制參數(shù)中的一個。每個限制參數(shù)可與特定相關(guān) 轉(zhuǎn)動機械部件(在這種情況下為特定滾珠軸承)相關(guān)聯(lián)，且與機械部件即滾珠軸承的狀態(tài)評 估相關(guān)聯(lián)。
[0099]如果表示信號z(t)的數(shù)值的平均值的值超過限制參數(shù)339,在335處發(fā)射出識別相 關(guān)轉(zhuǎn)動機械部件(在這種情況下為滾珠軸承）的輸出信號336。此外，在337處發(fā)射出表示相 關(guān)轉(zhuǎn)動機械部件即滾珠軸承的故障程度的輸出信號338。故障程度可以從平均值模塊332計 算出的平均值推斷出。
[0100] 輸出信號335和337是發(fā)送出的識別相關(guān)轉(zhuǎn)動部件，例如，滾珠軸承，和指示滾珠軸 承的狀態(tài)評估的消息的基礎(chǔ)。該消息可通常識別滾珠軸承和指示軸承中的外圈的損壞、軸 承中的內(nèi)圈的損壞，軸承中的滾珠或滾動部件上的損壞。
[0101] 各個滾珠軸承制造商提供關(guān)于如何便利地為特定類型的軸承計算這樣的沖擊脈 沖頻率的信息以及可選的程序。
[0102] 利用多個處理模塊330執(zhí)行基于輸入信號和參考信號從機械結(jié)構(gòu)的多個預(yù)定的狀 態(tài)評估中選擇一個狀態(tài)評估的步驟。通常同一個測量信號310可被傳輸?shù)礁鱾€處理模塊330 中。進一步地，可使用相同的多個信號生成模塊320,且可將各個參考信號324(沖擊脈沖信 號）傳輸?shù)礁鱾€處理模塊330。可基于各個處理模塊的輸出信號338的比較從多個預(yù)定的狀 態(tài)評估中選擇一個狀態(tài)評估，該狀態(tài)評估指示轉(zhuǎn)動部件(這種情況下轉(zhuǎn)動部件為齒輪)的故 障程度。當(dāng)部件為滾珠時，使用三個處理模塊330是很有利的。
[0103] 該方法可在終止步驟240終止。
[0104]圖4為描述生成圖3所示的實施例中的參考信號的可能原理的示意流程圖，生成參 考信號也就是在參考信號生成模塊320中生成沖擊脈沖。
[0105]在圖4中，420表示三角或鋸齒波生成器模塊，該三角或鋸齒波生成器模塊在期望 的沖擊脈沖信號的脈沖間的時間段內(nèi)生成表示小的、周期性振動的振動信號。生成器模塊 420的輸入?yún)?shù)可包括振動信號的最小/最大周期和最小/最大振幅。
[0106] 430表示計算軸承頻率的模塊。該模塊的輸入?yún)?shù)可以是滾珠軸承的幾何數(shù)據(jù)，包 括軸承內(nèi)的滾珠數(shù)(n) 431、滾珠直徑(BD) 43 2、節(jié)圓直徑(PD) 433、接觸角⑴)434以及每秒轉(zhuǎn) 數(shù)(fr)435。沖擊脈沖頻率可以，例如，從下面公式中計算出來。參見下面圖5中對滾珠軸承 的滾珠直徑(BD)、節(jié)圓直徑(PD)以及接觸角的描述。
[0107] n =軸承內(nèi)滾珠的數(shù)量
[0108] f r =內(nèi)圈(環(huán))和外圈(環(huán))之間的相對轉(zhuǎn)數(shù)/秒
[0109] BPF0,外圈故障
[0110] BPFI，內(nèi)圈故障
[0111] BFF，滾珠故障：：
[0112] 進一步地，圖4中，440表示換向模塊。換向模塊440可，例如，接收頻率值(例如333 赫茲），然后發(fā)送對應(yīng)的周期時間值1/頻率值(該實例中，3000微秒）。
[0113]求和模塊450將軸承頻率計算模塊430給出的周期時間與三角或鋸齒波生成器模 塊420給出的周期振動相加。將所得和傳輸?shù)矫}沖生成器460,該脈沖生成器460因此發(fā)射沖 擊脈沖信號，該沖擊脈沖信號實質(zhì)上具有由上面提及的軸承頻率公式給出的周期，但具有 更小的周期振動。
[0114] 圖5為描述滾珠軸承的某些可能的參數(shù)的示意圖。更具體地，描述上面圖4已提及 的滾珠直徑(BD)、節(jié)圓直徑(PD)以及滾珠軸承接觸角⑴)。
[0115] 綜上所述，可以以不同的方式執(zhí)行選擇機械結(jié)構(gòu)的相關(guān)的狀態(tài)評估的方法步驟。
[0116] 圖2所示的實施例中，轉(zhuǎn)動機械部件包括齒輪傳動，參考信號包括平穩(wěn)周期信號， 以及選擇狀態(tài)評估的步驟包括輸入信號的振幅解調(diào)。
[0117] 圖3所示的實施例中，轉(zhuǎn)動機械部件包括回轉(zhuǎn)軸承，參考信號包括周期性脈沖信 號，選擇狀態(tài)評估的步驟包括計算輸入信號與各個參考信號間的互相關(guān)。
[0118] 前面所述的兩種實施例以及其他實施例中，選擇多個狀態(tài)評估中的一個狀態(tài)評估 的方法步驟可包括:在時域內(nèi)處理輸入信號和參考信號。前面所述的兩種實施例以及其他 實施例中，可基于轉(zhuǎn)動機械部件(也就是，齒輪、回轉(zhuǎn)軸承）的至少一個參數(shù)以及轉(zhuǎn)動機械部 件的轉(zhuǎn)速生成參考信號。
[0119] 傳動皮帶應(yīng)視為涵蓋在術(shù)語"轉(zhuǎn)動機械部件"內(nèi)。例如，本發(fā)明可用于，通過利用用 于齒輪的相同或相似的執(zhí)行方式，來提供齒形帶的狀態(tài)評估。類似地，本發(fā)明可用于，利用 用于滾珠軸承的相同或相似的執(zhí)行方式，來提供V形帶的狀態(tài)評估。
[0120] 進一步可能的實施方式中，參考信號可包括預(yù)先存儲的模式，選擇多個狀態(tài)評估 中的一個狀態(tài)評估的步驟可包括使用如數(shù)字模式識別中使用的這種類型的識別算法。 [0121]該方法可作為計算機程序來執(zhí)行。該計算機程序可包括處理指令，當(dāng)電子處理單 元執(zhí)行該處理指令時，該處理指令使電子處理單元執(zhí)行上面所述的方法。計算機程序可存 儲在存儲器內(nèi)或存儲介質(zhì)上。計算機程序也可通過通信網(wǎng)絡(luò)即互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)膫鞑バ盘杹沓?現(xiàn)。
[0122] 使用所描述的方法的用于提供機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的裝置可包括至少一電子處 理單元和存儲器，存儲器存儲上面所述的計算機程序，也就是，處理單元執(zhí)行的實施上面所 述方法的計算機程序。處理單元通常通過總線系統(tǒng)可進一步連接到適合的I/O單元，從而使 裝置接收，例如，振動傳感器傳來的外部測量信號，且發(fā)送信號到顯示器等。例如，這種裝置 可實現(xiàn)為智能手機，該智能手機包含所有必要的處理資源和存儲器，且其內(nèi)置的麥克風(fēng)可 提供測量信號210和310,顯示器可顯示尤其是關(guān)于狀態(tài)評估的消息236、238、336和237。該 計算機程序在這種情況下可作為一種應(yīng)用包含在智能手機存儲器內(nèi)。
[0123] 雖然根據(jù)詳細描述的實施例中的本發(fā)明的方法已經(jīng)公開了能通過電子單元，比 如，微處理器或微控制器來執(zhí)行，但應(yīng)當(dāng)理解使用離散和/或集成的模數(shù)電路執(zhí)行的實施方 案也在本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種提供包括轉(zhuǎn)動機械部件的機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的方法，所述方法包括： 提供表不所述機械結(jié)構(gòu)中的機械振動的輸入信號； 提供參考信號； 基于所述輸入信號和所述參考信號，從所述機械結(jié)構(gòu)的多個預(yù)定的狀態(tài)評估中選擇一 個狀態(tài)評估， 其中，所述參考信號是基于所述轉(zhuǎn)動機械部件的至少一個參數(shù)和所述轉(zhuǎn)動機械部件的 轉(zhuǎn)速而生成的。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，選擇多個狀態(tài)評估中的一個狀態(tài)評估的步驟包括 在時域內(nèi)處理所述輸入信號和所述參考信號。3. 根據(jù)權(quán)利要求1至2中的一項所述的方法，其中，所述機械部件包括齒輪傳動。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，提供所述參考信號包括生成調(diào)制的平穩(wěn)周期信 號，以及選擇多個狀態(tài)評估中的一個狀態(tài)評估的步驟包括所述輸入信號的振幅解調(diào)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述多個狀態(tài)評估包括： 非圓齒輪的評估； 磨損或退化齒輪的評估；以及 齒輪中損壞齒的評估。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至2中的一項所述的方法，其中，所述機械部件包括回轉(zhuǎn)軸承。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，提供所述參考信號包括生成周期性脈沖信號，以 及選擇多個狀態(tài)評估中的一個狀態(tài)評估的步驟包括計算所述輸入信號和所述參考信號之 間的互相關(guān)。8. 根據(jù)權(quán)利要求6至7中的一項所述的方法，其中，所述多個狀態(tài)評估包括： 在所述軸承的外圈上的損壞的評估； 在所述軸承的內(nèi)圈上的損壞的評估；以及 在所述軸承內(nèi)滾珠或滾動部件上的損壞的評估。9. 一種計算機程序，包括處理指令，當(dāng)電子處理單元執(zhí)行所述處理指令時，所述處理指 令使所述電子處理單元執(zhí)行如權(quán)利要求1至8中的一項所述的方法。10. -種根據(jù)權(quán)利要求9的計算機程序，所述計算機程序存儲在存儲器或存儲介質(zhì)內(nèi)， 或由通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膫鞑バ盘査硎尽?1. 一種提供機械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估的裝置，包括電子處理單元和存儲器，所述存儲器存 儲如權(quán)利要求10所述的計算機程序。
【文檔編號】G01M13/02GK105917207SQ201580004246
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年1月9日
【發(fā)明人】奧斯蒙·巴里克莫
【申請人】韋伯斯姆公司