CN104011515A - 用于监控传动系的方法、计算单元和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监控尤其风能源设备的传动系的状态的方法，该传动系具有至少一个与传动系的旋转的元件机械连接的组件，在该组件上相对于传动系的旋转轴线以一种距离布置了至少一个加速度传感器，该加速度传感器以所述距离围绕传动系的旋转轴线运转，其中在旋转的元件的至少一种转速时关于时间检测至少一个组件的至少一个加速度传感器的信号，并且根据与在所述传动系中的损坏相应的干扰频率对所述信号进行检查。

Description

用于监控传动系的方法、计算单元和装置

技术领域

本发明涉及一种用于监控尤其风能源设备的传动系的状态的方法、用于实施该方法的计算单元以及相应布置的监控装置。

背景技术

风能源设备（WEA）的尽可能无中断的运行是其经济性的重要前提条件。特别是由于传动线路或者转子叶片上的损坏引起的非计划的运行中断产生了显著的维修成本并且经常引起安全事故。

为了避免这种缺点，在WEA中经常设置所谓的状态定位的维护，其例如根据转子叶片的基于振动的状态监控（Condition Monitoring，CM）在相应的状态监控装置或者说系统（Condition Monitoring Systems，CMS）中实现。通过这种措施例如可以提前识别转子叶片中开始的损坏。CMS经常被布置用于远程诊断，其中在认证诊断中心中通常通过专门受过训练的人员对状态信息进行分析。

通过使用CMS可以提前识别故障，避免了非计划的停机状态并且降低了用于备用件储存、维修以及生产损失的成本。总之通过CMS提高了可使用性以及生产稳定性。

为了监控风能源设备的传动系，经常为其组件配备单独的传感器，例如为了监控组件状态相应地进行分析的固体声传感器或者说振动传感器。

然而通常使用的用于传动系监控的传感器装置经常被证明是耗费的且不可靠的。因此存在了对成本更为经济地、可靠地预测和/或识别传动系损坏的需求。

发明内容

在该背景下，本发明提出了：一种具有独立权利要求特征的、用于监控风能源设备的传动系的状态的方法，其具有至少一个布置在风能源设备的旋转组件上的加速度传感器；相应的监控装置；以及相应的计算单元。优选的设计方案是从属权利要求以及下面说明书的主题。

“加速度传感器”按照本发明也理解为所谓的固体声传感器以及振动传感器。

发明优点

为了监控WEA的转子叶片的状态在DE 100 65 314 B4和WO 2006/012827 A1中提出了：借助于一个或多个布置在转子叶片上的传感器测量固体声，在分析单元中借助于合适的方法从相应的信号中求得频谱，该频谱与相应于保存在分析单元中的、定义的损坏状态以及特殊状态的参考频谱进行比较并且从中查明转子叶片的状态。由此应该此外提前识别并且分析转子叶片的出现的局部的内外损坏以及引起损坏的特殊状态、例如特殊的负载状态，从而能够优选自动地影响到设备的运行。

本发明基于以下令人吃惊的认识：在使用加速度传感器的情况下可以很好地识别出尤其风能源设备的旋转的传动系的损坏，该加速度传感器相对于传动系的旋转轴线以较大的距离布置在与传动系的元件一起旋转的组件上。在风能源设备中所述旋转的元件例如是传动系的主轴，与之机械连接的组件例如涉及转子叶片。所述距离在此例如可以至少为1、2、4、6、8或10米和/或最高为10、20、30、40、50或100米。

监控尤其可以在风能源设备的转子的至少一个转速时通过关于时间检测相应的传感器信号来实现，并且以及根据干扰频率对信号进行检查。识别的干扰频率可以对应于风能源设备的传动系中特定的损坏。

如在这方面下面还利用图1进行详细地解释，在本发明的框架内“传动系”尤其应理解成具有配属于其的轴承、同样所属的传动装置和相应的发电机的转子轴。按本发明例如提出了，通常用于识别转子叶片的振动从而由振动推导出负载状态以及可能的损坏的传感器也用于分析来自传动系的振动以及碰撞。由此此外可以确定故障、轴承损坏和/或增加的磨损。

按本发明已知，在转子叶片监控时通常确定的频谱也包含源自设备传动系的激励以及与之相应的频率。可以确定，与直接利用传动系上相应的传感器测量的频率相比显著更好地分辨在转子叶片中探测的传动系频率。

然而不一定必须将相应的传感器仅布置在相应的风能源设备的转子叶片上或者说转子叶片中。在特定的应用情况下，下述情况也可以被证明是有利的：使用其它传感器或者说传感器装置，通常是这种设置在风能源设备的至少一个旋转的组件上的传感器或者说传感器装置。待使用的加速度传感器可以包括水平加速度传感器、切向加速度传感器和/或径向加速度传感器，尤其是这种以例如十米或更长的径向距离布置在旋转的轴上的传感器。原理引起地，沿着切向于转子的测量方向进行的监控是最合适的。然而可以检测具有至少一个切向分量的所有运动。

因此，按本发明的措施以特别的方式适合于：节省了借助于传动系的组件、例如发电机传动装置上或旁的传感器进行的常规的传动系监控，并且由此实现了对传动系的更简单、成本更经济且更可靠的监控，利用明显更少的传感器就足够进行监控。相应地，WEA在其维护方面成本更低并且实现了更简单并且更可靠的运行。与轴线间隔开的传感器能实现明显更好的频谱分辨（Auflösung）。

在用于传动系监控的常规方法中出现的显著缺点是，尤其是行星齿轮损坏以及行星轴承损坏只有在极大损坏时才能利用常规的系统探测到。与之相反，本发明还能简单地、提前地并且可靠地确定这种损坏。

总之，本发明由此允许更早地进行损坏探测并且只需要一个测量系统。特别是如所提到的，能够在相应的风能源设备的行星齿轮传动级上进行损坏探测。

下面再次总结并且解释按本发明提出的措施的其它方面。

本发明用于：机械元件上诱导旋转振动的损坏通过位于或者说布置在相应的轴上的加速度传感器非常早地并且在损坏范围很小时就已经被探测出。此外，本发明实现了，借助于传动运动并且在已知的转速下从转子叶片振动数据中可以查明传动装置的齿啮合频率以及旋转频率。各个振幅的关于时间的趋势走向可以给出关于各个传动装置的状态的答复。

特别有利的是，在本发明的框架内，使用电容加速度传感器。利用这种电容传感器可以确定0Hz的下部极限频率，由此也可以安全并且可靠地监控缓慢旋转的组件。在这种传感器中提供了，按照对快速旋转的组件的改进的监控，而向上拓展频率范围。相应的传感器与利用常规方式构造的压电加速度传感器相比能够改善监控，在该压电加速度传感器中只能分析约0.1Hz和500Hz之间的频率范围。

本发明的显著优点基于：所述加速度传感器在转子叶片中通常布置成与旋转轴线离开超过十米。通过由此存在的杠杆臂已经可以探测较小的旋转振动。相应地，可以提前测量并且识别由传动装置损坏和/或轴承损坏引起的旋转变形。

为了对转子叶片进行监控并且因此为了进行根据本发明的传动系监控，可以有利地使用商业上可获得的叶片监控装置，其例如在每个转子叶片中具有双轴加速度传感器，所述双轴加速度传感器相对于叶片叶根以约三分之一的叶片长度的距离进行定位。在工作位置中，相应的传感器测量切向于转子旋转的加速度以及平行于转子轴线的方向的加速度（切向加速度和轴向加速度）。由于加速度传感器与旋转轴线的较大距离，通过杠杆效应增强了驱动轴上的振动，从而如所述的那样，已经可以探测传动系的主轴的很小的旋转振动。按本发明提出的方法由此与常规的监控方法相比具有显著更高的探测品质。

齿轮级由于齿啮合中齿的数目的变化以及与之关联的刚度变化产生了与轴旋转叠加的旋转振动。该旋转振动相应于切向加速度。在斜啮合的正齿轮级中向切向加速度叠加了轴向加速度。由于齿轮传动装置中的元件的形状配合连接，该旋转振动以相应的传动比传递到所有的轴上。

除了齿轮损坏，也可以借助按本发明提出的措施有利地发现其它机器元件、例如滚动轴承上的损坏。滚动轴承上的疲劳损坏由于变化的承载表面及因此在滚动过程中的变化的刚度同样产生旋转振动。

在本发明的范围内，对相应频率的分析有利地以频谱的形式实现，所述频谱例如从相应的传感器的加速度数据中借助傅里叶变换产生。所述频谱也可以以其它方式产生，例如借助于余弦变换、小波变换或ARMA-（AutoRegressive-Moving Average）谱评估。

在下述情况下获得了其它优点：根据风能源设备的转子的目前的、也就是在各个测量时刻求得的转速与频谱建立关系，并且产生相应的阶次频谱（Ordnungsspektrum）。由此降低了转速变化对测量的负面影响。

为了识别振动原因，有利地引用了传动系的运动学数据。例如基于齿数以及滚动轴承几何形状可以计算传动比、超限比或者说滚动比（Überrollverhältnis）、以及由此引起的、也就是上轴的损坏频率包括其边带以及协调关系。

前面所解释的优点以同样的方式涉及按本发明的方法、按本发明的监控装置以及相应的计算单元。

例如相应的监控装置的按本发明的计算单元尤其可以在编程技术方面布置用于实施按本发明的方法。

以软件的形式执行本发明也是有利的，因为这一点尤其是在下述情况下实现了特别少的成本：执行的计算单元还用于其它任务并且因此原本存在。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是磁盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD-ROM、DVD等。也可以经由计算机网络（因特网、内联网等）下载程序。

本发明的其它优点和设计方案从说明书以及附图中获得。

当然，前面所述的以及下面还要解释的特征不仅可以在分别给出的组合中，而且还在其它组合中或者单独地进行使用，而不会离开本发明的范围。

附图说明

根据实施例在附图中示意性示出了本发明，并且下面参照附图详细描述本发明。

图1示出了风能源设备，该风能源设备可以借助于根据本发明实施方式的方法进行监控，

图2示出了按本发明特别优选的实施方式的加速度传感器在第一转速时的频谱，

图3示出了按本发明特别优选的实施方式的加速度传感器在第二转速时的频谱，

图4示出了根据现有技术的频谱形式的桨毂传感器信号。

具体实施方式

在图1中示出了风能源设备的部件的纵向剖视图，该风能源设备可以借助于按本发明特别优选的实施方式的方法进行监控。该风能源设备整体用100表示，其传动系用10表示。

所示出的传动系10基本上由在其上安置了转子20的主轴1、传动装置2以及发电机轴3组成。传动装置2例如可以涉及通常在风能源设备中使用的三级传动装置。本发明同样可以用在无齿轮风力涡轮机或者说风力发电设备（Windkraftanlagen）中。

主轴1力配合与转子20、例如旋翼转子或者说旋转叶片转子（Drehflügelrotor）相连接。发电机轴3可以通过接合器30与发电机40连接。主轴1、传动装置2、发电机轴3以及发电机40利用相应的机构进行支承，包围在壳体（“机舱”）50中并且安装在塔架60上。在转子20上安置了两部分示出的转子叶片21。通常用在风能源设备中的转子20例如具有三个转子叶片21。

转子20的转子叶片21具有加速度传感器71，该加速度传感器例如与转子桨毂或者说转子轴线25以三分之一叶片长度的距离进行布置。加速度传感器71作为分析系统70的一部分利用线路72（也例如无线电链路）与分析装置73连接，该分析装置对加速度传感器71的信号进行分析并且为此可以具有未示出的计算单元。当然，所述分析系统70典型地布置在壳体50中。

在图2中示出了如可以通过对加速度传感器、例如图1的加速度传感器71的加速度传感器信号的分析中获得的频谱。在时间上检测相应的加速信号，例如通过傅里叶变换转换成频谱。频谱以Hz为单位的频率在x轴上画出，并且振幅在左侧（A）以及右侧（B）在y轴上画出。图2的频谱在风能源设备的转子转速为0.18Hz时接收。

在相关的风能源设备中更换主传动装置2。利用A（在左侧的y轴上画出的振幅）表示在更换主传动装置2之前、也就是在相应的维修之前所接收的频谱。频谱B（在右侧y轴上画出的振幅）相应于维修之后的状态。在这种情况下，主传动装置被证实是部分损坏的。在频谱A中与相应于被维修的状态的频谱B相比，明显可以看到在31.3Hz时的基本频率和在94Hz时的第二上部频率以及不太强烈标示的第一、第三以及第四上部频率。如可以看出，由于在频谱A中存在明显标示的所解释频率，可以推断出在传动系中存在相应的损坏。

在图2中类似于图1示出了维修前后相应的频谱并且同样以20标注。在此，维修前的频谱用A表示并且维修之后的用B表示。在0.238Hz的转子转速时接收频谱。在维修之前，基本频率为42.1Hz并且第二上部频率为126.3Hz。所述频率受到强烈地激发。同样可以看到外环超限频率的第一以及第三上部频率，然而不太强烈地受到激发。缓慢旋转的传动轴的相应使用的发电机侧的轴承在相应的风能源设备中在旋转转速为0.1779Hz（图2）时具有用于外环上损坏的31.4Hz的超限频率或者说滚动频率（Überrollfrequenz）。在旋转频率为0.238Hz（图3）时，外环超限频率为42.1Hz。所述超限频率由于示出的频率分析可以明显看出。

完好的滚动轴承在运行中没有产生碰撞脉冲并且因此不能在频谱中看到。对损坏超限频率的检测在所解释的频谱中明显指出相应的机械元件上的损坏。这种损坏频率在不同的转速时-如从图2和3中可以看出-在不同的频率值时被证明，由此排除了与结构频率的重叠。结构频率、如转子叶片的固有振动在转速变化时改变不明显。

可以从滚动轴承几何形状推导出运动频率，该频率可以用于确定滚动轴承上损坏的类型。例如可以从分度圆直径、滚动体直径、工作压力角度、旋转频率以及滚动体的数量计算出在固定的外环中的球笼旋转频率或者说保持架旋转频率、在固定的内环中的球笼旋转频率、在外环上不规律性的超限频率、在内环上的不规律性的超限频率、滚动体旋转频率和/或两个滚动轨道上的滚动体不规律性的超限频率。滚动体组的滑动-取决于轴承的结构和使用以及负载比例-可以假设相当多的值，滚动体组的滑动引起了在运动学上可确定的频率和实际测量的频率之间的偏差，这可以通过确定公差极限来补偿。

在图2和3中示出了基于频率的分析。在例如80秒的测量循环期间，在转速变化的风能源设备中在转速方面出现了变化，该变化引起了相应的频率峰值拓宽。因此提出了基于相应的阶次（Ordnung）分析并且通过相应存在的转速来分开所测量的频率。为此，在测量的每个时刻需要识别转速，由此可以考虑高分辨的转速测量。可以确定，为此在发电机的快速的轴上利用每转一个脉冲进行测量足够了。

图4示出了按现有技术的、桨毂传感器沿轴的轴向方向的信号。如可以看到的那样，在通过传动装置激励的频率中不能检测峰值。由此，在现有技术中既不能指出齿啮合频率，也不能指出损坏的滚动轴承的损坏频率。相反，本发明实现了这种损坏的安全且可靠的测量。

Claims (12)

1. 用于监控特别是风能源设备（100）的传动系（10）的状态的方法，所述传动系具有至少一个与所述传动系（10）的旋转的元件（20）机械连接的组件（21），在所述组件上相对于所述传动系（10）的旋转轴线（25）以一种距离布置了至少一个加速度传感器（71），所述加速度传感器以所述距离围绕所述传动系（10）的旋转轴线（25）运转，其中在旋转的元件（20）的至少一种转速时关于时间检测至少一个组件（21）的至少一个加速度传感器（71）的信号，并且根据与在所述传动系（10）中的损坏相应的干扰频率对所述信号进行检查。

2. 按权利要求1所述的方法，其中，所述距离至少为1、2、4、6、8或10米和/或最高为10、20、30、40、50或100米。

3. 按权利要求1或2所述的方法，其中，所述至少一个加速度传感器（71）的信号根据干扰频率进行检查，所述干扰频率随着旋转的元件（20）的转速改变而在其频率值方面进行变化。

4. 按上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个加速度传感器（71）的在时间上检测的信号与参考信号进行比较，所述参考信号相应于在传动系（10）中不存在损坏的状态。

5. 按上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个加速度传感器（71）的在时间上检测的信号转换成频谱，并且其中分析所述频谱中的特征。

6. 按权利要求5所述的方法，其中，基于旋转的元件（20）的至少一个转速将频谱转换成阶次频谱。

7. 按上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在时间上检测的信号至少根据作为干扰频率的基本频率和/或上部频率进行检查，所述干扰频率相应于所述风能源设备（100）的传动系（10）中的损坏。

8. 按上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在时间上所检测的信号根据干扰频率进行检查，所述干扰频率至少相应于齿轮损坏、行星齿轮损坏和/或轴承损坏。

9. 按权利要求8所述的方法，其中，在时间上检测的信号根据下述方面进行检查：滚动轴承频率、特别是在外环固定时的球笼旋转频率、在内环固定时的球笼旋转频率、外环上不规律性的超限频率、内环上不规律性的超限频率、滚动体旋转频率和/或两个滚动轨道上滚动体不规律性的超限频率。

10. 按上述权利要求中任一项所述的方法，其中，对旋转的元件（20）的转速传感器的至少一个转速信号分析。

11. 用于实施按上述权利要求中任一项所述的方法的计算单元。

12. 用于监控尤其风能源设备（100）的传动系（10）的状态的监控装置（73），所述风能源设备具有加速度传感器（71）以及按权利要求11所述的计算单元，其中所述加速度传感器（71）布置成以一种距离围绕所述传动系（10）的旋转轴线（25）而布置在与所述传动系（10）的旋转的元件（20）机械连接的组件（21）上。