振動監(jiān)測的制作方法
【專利摘要】通過使用頻率分析(如波峰因數(shù)，邊帶因數(shù))和時域分析可以可以從由振動數(shù)據(jù)(102，104，106)的分析得出的振動特征(108，110，112，114)確定健康指數(shù)(HI)。因此能夠通過將一項或者多項振動特征(108，110，112，114)與對應(yīng)的權(quán)重因子(116，118，120，122)的乘積加和來計算健康指數(shù)(124)。
【專利說明】振動監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種識別風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中部件以進行維護的方法。特別地，涉及一種分析振動數(shù)據(jù)以確定健康指數(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]通常由狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)測量振動。一般而言，相對正常值較大的振動是存在損傷的指示。
[0003]振動分析通常依賴于由傳感器提供的測量數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)閾值，如果該閾值設(shè)置過低，容易造成誤報警。該閾值水平并不一定為常數(shù)，可能隨著頻率(并因此隨著速度)而變化。沖擊和外來振動的存在意味著閾值水平必須設(shè)置得足夠高以最小化誤報警的風(fēng)險。更進一步的，閾值必須足夠高以避免傳感器性能“漂移”導(dǎo)致的不利影響，這可能在傳感器的壽命期間出現(xiàn)。此外，與失效或損傷有關(guān)的振動和那些不指示失效或損傷的振動之間并沒有區(qū)別。振動水平可以與之前啟動或者停機之類的歷史基準(zhǔn)值做對比。
[0004]在渦輪機運行期間而發(fā)展的故障，如轉(zhuǎn)子不平衡，可能在軸承上引起超過期望載荷的載荷，從而導(dǎo)致其設(shè)計壽命的降低。振動特征分析可以檢測出如不平衡這類初期故障。這給出了不平衡的幅度，并且由于不平衡導(dǎo)致的沖擊力是不平衡幅度和速度平方值的函數(shù)。由故障導(dǎo)致的沖擊力因此可從現(xiàn)場運行狀況算得，并用于計算單個部件受到的載荷。與假定運行曲線之間的偏差可通過使用通用風(fēng)模擬模型而得出以確定渦輪機軸上的載荷，這允許基于現(xiàn)場運行狀況計算單個部件所受載荷。結(jié)合這些給定每個部件承受的總載荷用于估算單個部件的剩余壽命和齒輪箱的壽命。
[0005]然而，風(fēng)模擬模型存在不足之處，這意味著不能可靠或者準(zhǔn)確地確定渦輪機軸上所承受的載荷。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種用于識別風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中部件以進行維護的方法，該方法包含這些步驟:分析風(fēng)力渦輪或水力渦輪機或其中部件的振動數(shù)據(jù)從而提供一項或者多項振動特征；從一項或者多項振動特征中確定健康指數(shù)；將健康指數(shù)與維護閾值進行比較。這意味著，相對于狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)使用的傳統(tǒng)振動分析，設(shè)置了一個更有用的閾值，其繼而允許對需要維護的部件的更準(zhǔn)確的識別。
[0007]優(yōu)選的，確定健康指數(shù)的步驟包括加和一項或者多項振動特征與對應(yīng)的權(quán)重因子的乘積。使用多項振動特征和對應(yīng)的權(quán)重意味著獲得渦輪機或者部件更準(zhǔn)確的寫照。
[0008]優(yōu)選的，振動特征包括波峰因數(shù)和邊帶因數(shù)。
[0009]優(yōu)選的，識別風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中部件以進行維護包括識別風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中部件具有超過了維護閾值的健康指數(shù)。這意味著渦輪機的操作者得到渦輪機或者其中部件很可能需要維護的通知。
[0010]優(yōu)選的，維護包含對渦輪機降載運行，調(diào)查渦輪機或者其中部件，和/或更換或維修渦輪機或者其中部件。
[0011]同時提供的是用指令編碼的一個存儲介質(zhì)，當(dāng)由處理器執(zhí)行時，該指令執(zhí)行:分析風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中部件的振動數(shù)據(jù)，從而提供一項或者多項振動特征；從一項或者多項振動特征確定健康指數(shù)；將健康指數(shù)與維護閾值進行比較。相對于狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)使用的傳統(tǒng)振動分析，設(shè)置了更有用的閾值，其繼而允許自動的和更準(zhǔn)確的識別需要維護的部件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]現(xiàn)參考附圖僅以示例的方式對本發(fā)明進行描述，其中:
[0013]圖1顯示的是如何計算健康指數(shù)的示意性示例；
[0014]圖2顯示的是健康指數(shù)隨時間的變化圖；
[0015]圖3顯示的是從一個或者多個振動信號中估算渦輪機部件的速度的方法；
[0016]圖4顯示的是基于單一振動譜的速度估計；
[0017]圖5顯示的是用于估計健康指數(shù)的預(yù)處理的方法；和
[0018]圖6顯示的是從單一譜的振動特征計算健康指數(shù)的實例。
【具體實施方式】
[0019]健康指數(shù)是基于一項或者多項振動信號和/或頻域譜的單一值。通過從信號和/或譜中提取特性/特征計算得到，運用權(quán)重因子反映特性的重要性或強度，并且然后加和這些加權(quán)特性。這些特性通常是信號的波峰幅值，并且可能是從信號或者譜的綜合度量如均方根值(RMS)或者峭度；涉及特定頻率的信號/譜中呈現(xiàn)的能量；或任何其它源自振動信號/譜中的值?，F(xiàn)在參見圖1，圖1顯示的是如何計算健康指數(shù)的示意性實例，針對第一振動譜104和第二振動譜106分析振動信號102。這個實例顯示了輸入一個振動信號和兩個振動譜，這個方法可以用于任意數(shù)目個振動時間信號和振動譜。特性108由振動信號102計算得到。每個特性計算可能需要一個或者多個振動信號和譜作為輸入。因此特性110、112、114是從振動譜104和106計算得到。這個實例顯示了四個獨立的振動特性的計算；這個方法可用于任意數(shù)目個特性計算。在下一步，權(quán)重116、118、120、122被應(yīng)用到每個特性108、110、112、114，并且加權(quán)特性被加和從而給出健康指數(shù)124。
[0020]通過使用頻率分析(如波峰因數(shù)，邊帶因數(shù))，時域分析等的組合，可以從振動分析中得到的振動特征確定健康指數(shù)。健康指數(shù)(HI)因此是一項或者多項這些振動特征及對應(yīng)權(quán)重因子的函數(shù)，權(quán)重因子反映了特征中該特性的重要性或者強度:
[0021]HI=f (振動特征,權(quán)重因子)
[0022]當(dāng)振動低時，健康指數(shù)也低，反之亦然。
[0023]特性或者振動特征對應(yīng)著渦輪機或者其中部件，例如，特征可與軸的轉(zhuǎn)頻或齒輪的嚙合頻率有關(guān)。
[0024]健康指數(shù)可分層，或者可用于設(shè)置閾值。
[0025]圖2顯示的是風(fēng)力渦輪機部件的健康指數(shù)隨時間的變化圖。
[0026]點I處，健康指數(shù)低，并且振動數(shù)據(jù)的頻率分析顯示該風(fēng)力渦輪機，或者該情況下風(fēng)力渦輪機中的軸承部件是健康的。[0027]點2處，健康指數(shù)已經(jīng)升高了，并且振動數(shù)據(jù)的頻率分析顯示該部件存在明顯損傷。
[0028]點3處，進一步的振動數(shù)據(jù)分析顯示該部件的狀況惡化了。
[0029]點4處，健康指數(shù)已經(jīng)進一步升高，并且振動數(shù)據(jù)的頻率分析顯示該軸承應(yīng)當(dāng)被更換。
[0030]因而可以看到，在本具體實例中，一旦健康指數(shù)已經(jīng)超過大約為4的值時，該風(fēng)力渦輪機部件就需要頻繁的監(jiān)測，和/或渦輪機的性能需要降低以延長該部件的壽命至一個方便維護的窗口時期，在該時期可對其進行檢查和可能進行更換。一旦健康指數(shù)已經(jīng)超過大約為5的值時，該渦輪機部件就應(yīng)當(dāng)至少被檢查并很可能維修或更換，并且/或渦輪機停機。
[0031]因而識別風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中部件以進行維護的過程包括識別具有高于維護閾值的健康指數(shù)的風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中部件。
[0032]維護包含了渦輪機降載運行，調(diào)查風(fēng)力渦輪機或者其中部件，和/或更換或維修風(fēng)力渦輪機或其中部件。
[0033]以上披露的振動監(jiān)測方法是依賴于擁有準(zhǔn)確的風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機的轉(zhuǎn)速值。本發(fā)明同時包含了 一種基于一個或者多個已測振動信號的頻譜表示估算風(fēng)力渦輪機或者水力渦輪機轉(zhuǎn)速的方法。
[0034]風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機的許多部件通常在不同的頻率處產(chǎn)生振動能量，這些頻率與機器的運行轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系。一個或者多個這些頻率比率被用于通過在不同比率建立一組窗函數(shù)并調(diào)整比例以最大化窗函數(shù)與振動譜之間的相關(guān)性從振動信號估計速度。這個方法通過圖3闡明，其中預(yù)期頻率比率302被窗函數(shù)304用于產(chǎn)生窗口集。對每個感興趣的頻率比率，一個單個的窗被定義于居于該頻率中心處。這個單個窗是一個函數(shù)，其是在所討論的頻率比率處的一個給定高度，且在遠離該頻率比率處下降為O。此處的窗函數(shù)是所有單個窗的相加/組和。選擇比例因子306并在步驟308中用于產(chǎn)生經(jīng)縮放的窗，該經(jīng)縮放的窗在步驟312中與振動信號310進行比較給出一個相關(guān)值。比例因子306在步驟314中被調(diào)節(jié)以用于尋找一個比例因子，該比例因子最大化經(jīng)縮放窗和振動信號310之間的相關(guān)性。
[0035]這個相關(guān)性可以是振動譜和經(jīng)縮放窗函數(shù)的逐點乘法運算后的求和或者加權(quán)求和，或者是其他合計振動譜與經(jīng)縮放窗函數(shù)的方法。這些窗可以是矩形、三角、高斯或其他任何形狀；其寬度可以是固定的，也可以與頻率比率成比例和/或與估算速度成比例，其高度是可變化的。窗的高度被當(dāng)作權(quán)重因子，權(quán)重因子與預(yù)期的波峰高度有關(guān)——例如，如果譜有兩個指示始終具有比峰B更高的幅度的峰A的速度的波峰，那么一個比較大的權(quán)重將作用于波峰B以使它們的貢獻大致相等。此處的窗縮放因子根據(jù)風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機的運行范圍進行調(diào)整?？s放因子在運行速度范圍的下端進行選擇，然后向該范圍的上端逐步調(diào)節(jié)，以在步驟314尋找到最大的相關(guān)性。頻率比率可被定義(即它們是相對于什么的比率)。如果頻率比率被定義為頻率相對于所關(guān)心的軸的轉(zhuǎn)速的比率，縮放因子即等于該轉(zhuǎn)速。有時需要齒輪箱中另一根軸的轉(zhuǎn)速，這種情況下縮放因子需要乘上一個比率以得到該轉(zhuǎn)速。由此，這個方法產(chǎn)生了渦輪機的最可能的轉(zhuǎn)速。
[0036]這個方法在圖4中被示例，圖4顯示了基于單一的振動譜估算轉(zhuǎn)速。左邊的圖顯示了相關(guān)值隨著縮放因子/速度估計的變化而變化。右邊的幾幅圖顯示了基于四個頻率比率在不同縮放因子具有固定寬度的矩形窗(陰影區(qū))的譜(實線)和經(jīng)縮放的窗函數(shù)。在該情形中，估算的轉(zhuǎn)速為25。
[0037]本方法可獨立使用或與此處展示的振動監(jiān)測或者與任何其他類型的風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機監(jiān)測結(jié)合使用。
[0038]此振動處理方法可通過在應(yīng)用健康指數(shù)計算前對振動數(shù)據(jù)實施預(yù)處理進行改進。此振動處理方法可應(yīng)用或不應(yīng)用該預(yù)處理。
[0039]以上披露的合計若干振動特征存在的潛在缺點是，振動信號中的固有噪聲會淹沒任何所表現(xiàn)出來的特性。為減輕這種現(xiàn)象，可在計算振動特征前在振動信號502的頻譜上執(zhí)行圖5中所示的預(yù)處理方法。
[0040]峰值檢測算法尋找最小距離間隔的峰值，并且設(shè)置一個單獨的值是不明智的。通常最好嘗試通過將譜劃分為多個范圍，即軸頻率和齒輪嚙合頻率來分離可能具有不同幅值的不同頻率組。并且然后對每個范圍:
[0041]1.在譜504中找到峰值的頻率位置
[0042]2.找到譜506的總體水平
[0043]這允許將譜減少為具有少數(shù)峰值的總體水平。這個方法可被用于整個頻率域一次，或者在頻率域中的不同范圍上多次使用。
[0044]在譜508中檢測峰值可通過標(biāo)準(zhǔn)方法實施，比如使用一組連續(xù)小波變換來定位看起來最像峰值的譜的部分。用于檢測峰值的所選方法可使用閾值或者極限值來控制找到的峰值的數(shù)目。
[0045]譜506的總體水平可被設(shè)置為零或者是均值，均方根(RMS)值，或根據(jù)譜或譜范圍的幅值得到的任何其他平均值。
[0046]圖6顯示的是從一個單一譜(頂部的圖)的振動特征計算健康指數(shù)的實例。該健康指數(shù)可基于多于一項振動信號計算并可基于信號的時域、頻域或其他表示域計算得到。
[0047]這個譜被劃分至若干范圍，并且對每個范圍獨立地應(yīng)用預(yù)處理以產(chǎn)生預(yù)處理后的頻譜(中間的圖)。
[0048]預(yù)處理后的譜然后被用于尋找振動特征；在本情況下存在一些定義頻率處的幅值。之后這些特征(幅值)與權(quán)重因子一起用于計算健康指數(shù)(HI)。
[0049]當(dāng)預(yù)處理執(zhí)行完成后，若有必要，重新結(jié)合得到的峰值及水平，并作為一個譜對待，用于健康指數(shù)的計算(底部的圖):
[0050]HI= Σ w1.Ai= (3.0x20.03) + (10.0x14.70) + (5.0x2.35) + (5.0x26.22) + (10.0x2.35) + (5.0x1.66) + (5.0x11.57)=439.6
[0051]其中HI是健康指數(shù)，wi是權(quán)重，并且Ai是幅值。
[0052]還提供用指令編碼的存儲介質(zhì)，使得當(dāng)由處理器執(zhí)行時，執(zhí)行:分析風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中部件的振動數(shù)據(jù)，從而提供一項或者多項振動特征；從一項或者多項振動特征確定健康指數(shù)；并且將健康指數(shù)與維護閾值進行比較。
【權(quán)利要求】
1.一種識別風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中的部件以進行維護的方法，所述方法包括以下步驟: 分析所述風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中部件的振動數(shù)據(jù)從而提供一項或者多項振動特征； 從所述一項或者多項振動特征確定健康指數(shù)；以及 將所述健康指數(shù)與維護閾值進行比較。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述分析振動數(shù)據(jù)從而提供一項或者多項振動特征的步驟包括以下步驟: 提供所述渦輪機或者其中部件的振動數(shù)據(jù)；以及 識別所述振動數(shù)據(jù)中的一項或者多項振動特征。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述振動特征從以下項所組成的組中選取:峰值、均方根、峭度、波峰因數(shù)、邊帶因數(shù)，和所述振動數(shù)據(jù)中在特定頻率處出現(xiàn)的能量。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述振動數(shù)據(jù)是振動譜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其中所述振動數(shù)據(jù)是振動信號。
6.根據(jù) 任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述健康指數(shù)是基于一組或者多組振動數(shù)據(jù)的單一的值。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述確定健康指數(shù)的步驟包括以下步驟: 為所述一項或者多項振動特征提供對應(yīng)的權(quán)重因子；以及 將所述一項或者多項振動特征與所述對應(yīng)的權(quán)重因子的乘積求和。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述對應(yīng)的權(quán)重因子反應(yīng)所述振動特征的重要性或者強度。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中識別風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中部件以進行維護包括識別具有高于所述維護閾值的健康指數(shù)的風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中部件。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中維護包括所述渦輪機降載運行。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的方法，其中維護包括調(diào)查所述風(fēng)力渦輪機或者其中部件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的方法，其中維護包括更換或維修所述風(fēng)力渦輪機或者其中部件。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，另外包括第一個步驟，所述第一步驟包括:處理所述振動數(shù)據(jù)以去除對所述一項或者多項振動特征造成干擾的噪聲。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述處理所述振動數(shù)據(jù)的步驟包括以下步驟: 將所述振動數(shù)據(jù)劃分為多個范圍； 在每個范圍內(nèi)檢測振動特征的位置； 計算所述振動特征的值； 合并所述范圍。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述檢測振動特征的位置的步驟包括使用一組連續(xù)小波函數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其中所述檢測振動特征的位置的步驟包括使用閾值或者極限值控制檢測到的振動特征的數(shù)目。
17.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，另外包括以下步驟:提供與振動特征相關(guān)的部件轉(zhuǎn)速。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述提供轉(zhuǎn)速的步驟包括以下步驟: 提供期望的振動特征； 為每個期望振動特征提供比率； 將所述比率與縮放因子相乘； 為比率與縮放因子的每個乘積建立一組窗口 ； 調(diào)整所述縮放因子以最大化所述一組窗口與所述振動數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性； 其中，所述縮放因子是所述轉(zhuǎn)速的函數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述振動數(shù)據(jù)是振動譜。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述比率是期望振動特征的頻率與所感興趣的部件的速度的比率。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述縮放因子等于所述轉(zhuǎn)速。
22.—種基本上如參 考附圖在此處描述的方法。
23.一種用指令編碼的計算機可讀存儲介質(zhì)，當(dāng)由處理器執(zhí)行時，所述指令執(zhí)行: 分析風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機或其中部件的振動數(shù)據(jù)，從而提供一項或者多項振動特征； 從所述一項或者多項振動特征確定健康指數(shù)；以及 將所述健康指數(shù)與維護閾值進行比較。
24.一種用于確定風(fēng)力渦輪機或水力渦輪機的部件的轉(zhuǎn)速的方法，包括以下步驟: 提供期望的振動特征； 為每個期望的振動特征提供比率； 將所述比率與縮放因子相乘； 為比率與縮放因子的每個乘積建立一組窗口； 調(diào)整所述縮放因子以最大化所述一組窗口與所述振動數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性； 其中，所述縮放因子是所述轉(zhuǎn)速的函數(shù)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述振動數(shù)據(jù)是振動譜。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述比率是期望的振動特征的頻率與所感興趣的部件的速度的比率。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述縮放因子等于所述轉(zhuǎn)速。
28.—種基本如參考圖3和圖4在此描述的方法。
29.一種用指令編碼的計算機可讀存儲介質(zhì)，當(dāng)由處理器執(zhí)行時，所述指令執(zhí)行: 提供期望的振動特征； 為每個期望振動特征提供比率； 將所述比率與縮放因子相乘； 為比率與所述縮放因子的每個乘積建立一組窗口； 調(diào)整所述縮放因子以最大化所述一組窗口與所述振動數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性； 其中，所述縮放因子是所述轉(zhuǎn)速的函數(shù)。
【文檔編號】G05B23/02GK103608739SQ201280029419
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月15日
【發(fā)明者】馬小芹, D·愛德華茲 申請人:諾邁士科技有限公司