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专利名称：用于在旋转机械中隔离频率的方法和系统的制作方法
技术领域：
本申请一般地涉及旋转机械，并且更特别地，涉及用于在旋转机械中隔离频率的方法和系统。
背景技术：
至少一些公知的旋转机械包括一个或多个驱动负载的驱动轴。在操作期间，诸如齿轮或用于支撑该旋转驱动轴的至少一个轴承的机械构件可能形成裂纹或缺陷。随着时间推移，用“坏”构件连续操作可能导致构件失效，其可能导致性能下降和/或损坏机械。为了有利于防止损坏机械，通常对此类构件进行监视，以检测可指示构件失效或构件损坏的性能问题。至少一些公知的轴承监视系统对诸如振动信号的收到的信号执行包络算法。更具体而言，此类算法使得能经由以载波频率传递冲击而识别轴承事件。冲击典型地存在于具有在载波频率下的能量和与期望的轴承频率对应的边频带的频谱中。包络过程解调信号， 从而形成具有在期望的轴承频率的能量的频谱。此类方法对于以恒定速度旋转的机械而言通常更可靠。相反，如果机械速度变化，则与速度直接关联的轴承频率也变化，这通常造成频谱的“拖尾效应”或模糊。此类拖尾效应遮蔽了所关心的频率并且使得即使并非不可能也难以识别轴承事件。此外，变化的速度可能导致能量存在于频谱中不希望的频率接收器 (frequency bin)中。

发明内容
在一个实施例中，提供了一种在包括至少一个传感器的旋转机械中隔离频率的方法，该方法包括从该至少一个传感器接收包括至少一个频率的传感器信号，将该传感器信号转换为数字振动信号，并修改该振动信号以生成包络信号。同步地对该包络信号进行过采样(oversample)以生成同步包络信号，并且将同步包络信号变换为频谱以隔离频率。在另一实施例中，提供了一种监视系统，该监视系统包括包含至少一个旋转构件的机械、配置成检测该至少一个旋转构件的频率的至少一个传感器、配置成存储从该至少一个传感器接收的数据的存储器、以及处理器。该处理器被编程以从该至少一个传感器接收包括至少一个频率的信号，将所接收的信号转换为数字振动信号，并修改该振动信号以生成包络信号。处理器被进一步编程以同步地对包络信号进行过采样以生成同步包络信号，并且将该同步包络信号变换成频谱以隔离该至少一个频率。在另一实施例中，提供了一种分析系统，其包括配置成存储从至少一个传感器和处理器接收的数据的存储器。该处理器被编程以从该至少一个传感器接收包括至少一个频率的信号，将所接收的信号转换为数字振动信号，并修改该振动信号以生成包络信号。处理器被进一步编程以同步地对包络信号进行过采样以生成同步包络信号，并且将该同步包络信号变换成频谱以隔离该至少一个频率。


图1是示例性监视系统的框图。图2是可与图1所示的监视系统一起使用的示例性轴承分析系统的框图。图3是用来用于从使用图2所示的轴承分析系统收集的数据隔离频率的示例性方法的流程图。零部件清单100示例性监视系统101 机械102 驱动轴104 负载106 轴7 108支撑结构110振动传感器112速度传感器114信号处理系统202 处理器204 显示器206存储器208 通信接口300 方法301从至少一个传感器接收具有至少一个频率的传感器信号302将传感器信号转换为数字振动信号304将振动信号存储在存储器中306对振动信号进行包络处理308减小包络信号的带宽310 过滤包络信号312从速度传感器接收信号314生成用于包络信号的时间戳
316同步地对包络信号进行再采样318减小同步包络信号的带宽320收集期望转数数据322将同步包络信号转换成频谱324获得缺陷频率信息326 显示缺陷频率
具体实施例方式图1示出了监视旋转机械101的示例性监视系统100。在该示例性实施例中，机械101为变速机械，比方说风力涡轮机、水力发电机、燃气轮机和/或以可变速度操作的任何适当的机械。备选地，机械101可为同步速度机械。在该示例性实施例中，机械101驱动联接在负载104上的驱动轴102。驱动轴102至少部分由被容纳在诸如齿轮箱之类的支撑结构108内的一个或多个轴承106支撑。备选地，轴承106可被容纳在负载104内，或使轴承106能够支撑驱动轴102的任何适当结构内。在该示例性实施例中，驱动轴102的旋转通常使轴承106沿驱动轴102的相反旋转方向旋转。此外，轴承106保持与驱动轴102和支撑结构108旋转接触。如果一个或多个轴承106形成裂纹、剥落或任何其它缺陷，则在驱动轴102旋转期间当缺陷区域接触驱动轴 102和/或支撑结构108时此类轴承106会以轴承106的自然频率振荡或“敲响(ring) ”(下文称为“敲响事件”)。因此，典型地一个或多个敲响事件以与机械101的转速成比例的频率出现。敲响事件通常引起进入支撑结构108和/或轴承106的对应的振动。一个或多个振动传感器110如加速计检测和测量敲响事件振动并将代表振动测量值的信号传输到信号处理系统114以便处理和/或分析。在该示例性实施例中，信号处理系统114为轴承分析系统。更具体而言，每个振动传感器110将载波信号如振动信号传输到信号处理系统 114。该振动信号包括多个频率分量，比方说但不局限于一个或多个轴振动频率，和/或一个或多个噪音频率。此外，振动信号可包括一个或多个频率，比方说一个或多个轴承缺陷频率。速度传感器12测量驱动轴102的转速并且将指示速度测量值的一个或多个信号传输到轴承分析系统114以便处理和/或分析。在该示例性实施例中，速度传感器12可用于在驱动轴120的每一转期间的多个不同、间隔相等的时间测量驱动轴102的转速。更具体而言，在该示例性实施例中，速度传感器112是在驱动轴102的相等地角向隔开的位置处产生事件或编码器信号的角编码器。此类事件可用于确定驱动轴102的转速。此外，在示例性实施例中，相对于该事件同步地获取或采样来自振动传感器110和/或任何其它适当的传感器的测量值。图2是可用于分析机械101 (在图1中示出)的操作的示例性轴承分析系统114 的框图。在示例性实施例中，系统114包括处理器202、显示器204、存储器206和通信接口 208。显示器204、存储器206和通信接口 208均与处理器202联接并数据通信。在一个实施例中，处理器202、显示器204、存储器206和/或通信接口 208中的至少一个定位在与系统114通信联接的远程系统(未示出)内。处理器202包括任何适当的可编程系统，该系统包括一个或多个系统和微控制器、微处理器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)和能够执行本文所述功能的任何其它电路。以上实例只是示例性的， 且因此并非旨在以任何方式限制术语“处理器”的定义和/或含义。显示器204包括但不限于液晶显示器(IXD)、阴极射线管(CRT)、等离子显示器和 /或能够向用户显示图形数据和/或文本的任何适当的可视输出装置。存储器206包括计算机可读介质，比方说但不限于硬盘驱动器、固态驱动器、磁碟、闪存驱动器、密盘、数字视频光盘、随机存取存储器(RAM)和/或使处理器202能存储、 取回和/或执行指令和/或数据的任何适当的存储装置。存储器206可包括一个或多个本地和/或远程存储装置。在一个实施例中，存储器206存储来自振动传感器110和/或速度传感器112(两者均在图1中示出)的数据，比方说振动信号和/或速度信号的一个或多个值。
通信接口 208可包括但不限于网络接口控制器(NIC)、网络适配器、收发器和/或使系统114能如本文所述操作的任何适当的通信装置。通信接口 208可使用任何适当的通信协议如有线以太网协议或无线以太网协议连接至网络(未示出)和/或一个或多个数据通信系统。在该示例性实施例中，处理器202执行指令和/或存取存储在存储器206中的数据，以分析和/或处理来自一个或多个振动传感器110和/或速度传感器112(两者均在图 1中示出)的测量值和/或信号。处理器202接收指示感测的测量值的信号并隔离频率，如以下更详细地描述的那样。图3是隔离载波信号内的频率的示例性方法300的流程图。在该示例性实施例中， 通过系统114(在图2中示出)或通过使得频率能如本文所述识别的任何其它适当的系统执行方法300。在该示例性实施例中，将用于方法300的指令和/或数据存储在计算机可读介质如存储器206(在图2中示出)中，并由处理器202(在图2中示出)执行指令以执行方法300的步骤。系统114和/或处理器202从至少一个传感器接收(步骤301)具有至少一个频率的传感器信号。例如，可接收(步骤301)来自振动传感器110(在图1中示出)的异步模拟振动信号。备选地，系统114和/或处理器202可从振动传感器110接收任何适当的信号。然后将所接收(步骤301)的信号转换(步骤30 为数字振动信号，该数字振动信号对于机械101至少旋转一圈被存储(步骤304)在存储器206中，S卩，直到驱动轴102(在图1中示出)已旋转一圈。在振动信号已被存储(步骤304)在存储器206中之后，然后通过包络或解调(步骤306)来修改该信号，该信号使用适当的包络算法。在一个实施例中， 当对振动信号进行包络处理(步骤306)时，可在解调过程期间对信号进行高通滤波、带通滤波、低通滤波、检波(rectify)和/或平滑处理。当对振动信号进行包络处理(步骤306)时，去除原始振动信号的一个或多个高频分量并产生具有比原始振动信号的频率低的频率的包络信号。如果该振动信号包括一个或多个轴承缺陷频率，则包络信号包括可在轴承缺陷频率重复的一个或多个幅峰。在该示例性实施例中，轴承缺陷重复频率与驱动轴102的旋转频率成比例或大致相等。由于驱动轴 102可以以可变速度旋转，所以轴承缺陷重复频率可贯穿驱动轴102的每一转和/或贯穿振动信号变化。基于所关心的预定轴承带宽以预定量减小(步骤308)包络信号的带宽。在一个实施例中，通过“下采样”或通过以所关心的预定轴承带宽减小包络信号的采样率来减小(步骤308)包络信号的带宽。在一具体实施例中，以十为系数减小(步骤308)包络信号的带宽。备选地，可以以使得能够检测轴承缺陷频率的任何适当的系数或量减小(步骤308)包络信号的带宽。因此，减小了存储包络信号所需的存储器206的容量。使用适当的去假频滤波器对包络信号进行过滤(步骤310)以充分减小或消除可能已被引入包络信号的假频伪像(aliasing artifact)。在一个实施例中，使用固定有限脉冲响应(FIR)滤波器来从包络信号去除一个或多个假频。备选地，使用使得能够从包络信号充分去除假频的任何适当的滤波器。系统114和/或处理器202还从速度传感器112 (在图1中示出)接收(步骤312) 指示速度测量值的一个或多个信号。在一个实施例中，在系统100内将速度信号转换为数字数据(即速度数据)。在该示例性实施例中，系统114和/或处理器202使用速度数据来生成(步骤314)用于包络信号和/或振动信号的一个或多个时间戳。使用速度数据来关联包络信号的每个样本，并加上时间戳。因此，机械101的当前速度与包络信号的每个样本相关联。以不同于包络信号采样率的采样率同步地对加时间戳的包络信号进行再采样 (步骤316)。更具体而言，以与驱动轴102的旋转频率成比例或大于驱动轴102的旋转频率的同步采样率对包络信号进行“过采样”或再采样。因此，相对于驱动轴102的旋转频率以超同步率对异步包络信号同步地进行再采样(步骤316)。此外，在对振动信号进行后处理之后，S卩，在已对振动信号进行包络处理(步骤 306)、与速度信号进行关联(或加时间戳)并存储在存储器206中之后，执行同步再采样 (步骤316)。因此，当执行同步再采样(步骤316)时，已通过速度传感器112测量驱动轴 102的转速。不需要对驱动轴102的速度进行内插，并且减小或消除了否则可能已被引入方法300的一个或多个速度内插误差和/或与滤波器安放有关的误差。经过后处理的包络信号的同步再采样(步骤316)产生同步包络信号。通过以低于同步再采样率的预定再采样率对同步包络信号进行下采样来减小 (步骤318)同步包络信号的带宽。更具体而言，在该示例性实施例中，基于最高缺陷频率和/或要隔离的缺陷频率的谐波分量选择对同步包络信号进行下采样的采样率。更具体而言，在该示例性实施例中，将采样率选择成为缺陷频率和/或缺陷谐波频率的适当的整数倍。备选地，可选择使系统114和/或方法300能够如本文所述起作用的任何其它适当的采样率。因此，减小了存储同步包络信号所需的存储器206的容量。虽然减小(步骤318) 了同步包络信号的带宽，但可选地执行去假频以去除可能已引入的假频，如本文更充分地描述的那样。将用于同步包络信号的期望转数的数据收集(步骤320)并存储在存储器206中。 在该示例性实施例中，收集(步骤320)足以执行同步包络信号的适当变换如快速傅里叶变换(FFT)的转数。比方说通过对同步包络信号执行FFT来将同步包络信号变换(步骤322) 成同步频谱，以有利于隔离期望频率。分析FFT数据以获得(步骤324)缺陷频率信息。更具体而言，在成比例的域、即确定与驱动轴102的旋转频率成比例的频率分量的域中提取诸如缺陷频率之类的频率。经由显示器204或任何适当的显示器向用户显示(步骤326)在比例域中出现的缺陷频率。以驱动轴102的旋转频率的倍数或以任何适当的增量显示(步骤326)缺陷频率。与可能局限于从恒定或同步速度机械提取频率的公知系统相比，系统114和方法 300有利于从变速旋转机械提取轴承缺陷频率。公知的测量系统使用基于时间的采样和处理方法来隔离旋转机械中可能存在的频率。相反，系统114和方法300相对于驱动轴102 的角位置同步地从振动传感器110获取测量值。因此，方法300独立于驱动轴102的速度。 此外，与公知系统相反，系统114和方法300无需在处理振动信号的同时估计机械的速度以适当地选择去假频滤波器。相反，系统114和方法300将速度测量值与经过后处理的振动信号数据相关联，以有利于去除在振动信号的处理过程中可能引入的任何假频伪像。此外， 系统114和方法300有利于减小在提取轴承频率的同时存储和处理振动信号所需的存储器的容量。
本文所述的系统和方法的技术效果包括以下效果中的至少一个(a)从至少一个传感器接收包括至少一个频率的传感器信号，(b)将传感器信号转换成数字振动信号，(C) 修改振动信号以生成包络信号，(d)同步地对包络信号进行再采样以生成同步包络信号，以及(e)将同步包络信号变换成频谱以隔离频率。上述实施例提供了用来用于在旋转机械中隔离频率的有效和节省成本的系统和方法。本文所述的方法在信号被处理之前对振动信号进行包络，并生成包络数据。包络数据减小了带宽并被存储在存储器中，这减小了该方法中所用的存储器的量。基于机械的驱动轴的角位置将包络数据与机械的转速关联，使得即使机械速度变化时也有利于将该方法与机械同步。因此，该方法将诸如轴承缺陷频率之类的频率与变速旋转机械内的一个或多个信号隔离。上面详细描述了用于在旋转机械中隔离频率的方法和系统的示例性实施例。方法和系统并不局限于本文所述的特定实施例，相反，系统的构件和/或方法的步骤可与本文所述的其它构件和/或步骤独立地且分开地利用。例如，方法也可结合其它测量系统和方法使用，且不局限于仅通过如本文所述的旋转机械来实施。相反，示例性实施例能够结合许多其它动力系统应用来实现和利用。虽然本发明的各种实施例的特定特征可能在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但这只是为了方便。按照本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征被提及和/或要求保护。此书面描述使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种监视系统(100)，包括包括至少一个旋转构件的机械(101)；配置成检测所述至少一个旋转构件的频率的至少一个传感器(110，112)； 配置成存储从所述至少一个传感器接收的数据的存储器O06)；以及处理器002)，其被编程以从所述至少一个传感器接收包括至少一个频率的信号； 将所接收的信号转换为数字振动信号； 修改所述振动信号以生成包络信号；同步地对所述包络信号进行过采样以生成同步包络信号；以及将所述同步包络信号变换成频谱以隔离所述至少一个频率。
2.根据权利要求1所述的监视系统(100)，其特征在于，所述监视系统(100)还包括显示器004)，所述处理器(20 被进一步编程以在所述显示器上显示所述频谱。
3.根据权利要求1所述的监视系统(100)，其特征在于，所述处理器(20 被进一步编程以便以所述至少一个旋转构件的旋转频率的倍数显示所述频谱。
4.根据权利要求1所述的监视系统(100)，其特征在于，所述处理器(20 被进一步编程以减小所述同步包络信号的带宽。
5.根据权利要求1所述的监视系统(100)，其特征在于，所述至少一个旋转构件以可变的速度旋转。
6.根据权利要求5所述的监视系统(100)，其特征在于，所述处理器(20 被进一步编程以将所述至少一个旋转构件的当前速度与所述包络信号相关联。
7.根据权利要求1所述的监视系统(100)，其特征在于，所述处理器(20 被进一步编程以对所述包络信号进行后处理；并且同步地对经过后处理的包络信号进行过采样。
8.一种分析系统，包括配置成存储从至少一个传感器(110,11 接收的数据的存储器O06)；以及处理器002)，其被编程以从所述至少一个传感器接收包括至少一个频率的信号； 将所接收的信号转换为数字振动信号； 修改所述振动信号以生成包络信号；同步地对所述包络信号进行过采样以生成同步包络信号；以及将所述同步包络信号变换成频谱以隔离所述至少一个频率。
9.根据权利要求8所述的分析系统，其特征在于，所述分析系统还包括显示器004)， 所述处理器(20 被进一步编程以在所述显示器上显示所述频谱。
10.根据权利要求9所述的分析系统，其特征在于，所述处理器(20 被进一步编程以便以旋转机械(101)的驱动轴(10 的旋转频率的倍数显示所述频谱。
全文摘要
本发明涉及用于在旋转机械中隔离频率的方法和系统，具体而言，公开了一种监视系统(100)，包括包括至少一个旋转构件的机械(101)、配置成检测该至少一个旋转构件的频率的至少一个传感器(110，112)、配置成存储从该至少一个传感器接收的数据的存储器(206)、以及处理器(202)，该处理器(202)被编程以从该至少一个传感器接收包括至少一个频率的信号，将所接收的信号转换为数字振动信号，修改该振动信号以生成包络信号，同步地对该包络信号进行过采样以生成同步包络信号，并且将该同步包络信号变换成频谱以隔离该至少一个频率。
文档编号G01D5/00GK102252695SQ20111010215
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月13日 优先权日2010年4月13日
发明者C·T·黑奇, D·D·赫斯 申请人:通用电气公司