系统1用例:复杂变速箱监控
在现代过程密集型工业中，控制和保护系统是关键机械管理的骨干。这些系统以及使用它们的人员是意外安全、环境和生产力问题的第一反应者。
先进的核电站操作员明白，他们的边缘关键机械控制和保护系统收集的综合数据集可以进一步服务于主动监控机状态和传感器的健康。这些数据对于机器故障后的任何反应性根本原因调查也是必不可少的。没有哪家公司做得比本特利内华达促进和增进对…的了解机械保护和状态监测基于数据驱动分析。Bently Nevada公司在60多年的研究和经验中积累的机械知识，为我们的旗舰状态监测软件平台System 1的开发提供了嵌入式资产类型用例。
在本文中，我们将重点关注System 1 Evolution在收集、分析和可视化复杂机器齿轮箱数据方面的增强功能，包括一个关于其成功使用的案例研究。
在整个机床中，变速箱的作用是改变轴的速度和扭矩，同时将动力从驱动装置传递到被驱动装置。因此，齿轮箱的要求很大程度上是由联轴器的特性决定的。当输入输出速度比适中且空间不受限制时，像上图所示的并联变速箱是合适的。这个齿轮箱由一个单一的阶段-阶段是一组齿轮完成一个增量的转速变化。
在需要大速比和/或输入或输出扭矩高的应用中，使用复杂的变速箱。这个齿轮箱可以由多个平行的阶段组成，就像在聚乙烯过程中的挤出机和金属和采矿过程中用于还原和成形的机器中经常发现的那样。当空间是在一个溢价，行星齿轮箱经常使用，其中多个啮合齿轮是同心嵌套。行星齿轮箱的设计有几个子类，但在传递相同的功率时，它们的体积都比平行齿轮箱的设计要小，并且同轴的输入输出轴(参考文献1)。在同一个齿轮箱中，行星级可以与平行级组合。复杂的齿轮箱是成千上万的主要部件风力涡轮机全球运营。下图显示了一个三级风力涡轮机齿轮箱，由一个行星级和两个平行级组成。
为了使齿轮箱可靠地运行，齿轮箱需要正确的冶金和尺寸，铸造和加工，齿轮箱必须正确地组装，安装(基础和安装)，对准，润滑，并在其设计限度内运行。其中一个或多个的问题，如果没有被发现，可能会导致变速箱故障。一个复杂的齿轮箱故障可能是机器列车中最昂贵的问题，不仅在维修/更换材料和劳动力方面，而且在停机时间和损失的生产。好消息是，当问题开始发生时，变速箱通常通过噪音和/或振动来传达它的痛苦。
齿轮箱故障是由轴承、转子动力学和齿轮啮合问题引起的，一个区域的问题可以发展成另一个区域的问题。问题与齿轮啮合可以难以捉摸的几个原因。多级复杂齿轮箱有内部的中间齿轮和以不同速度旋转的轴，每级可以有两个以上的啮合齿轮。在行星齿轮箱中，一些齿轮(因此啮合位置)是不断地移动与一个外壳安装的传感器。此外，变速箱可能正在经历速度和/或负载的变化，这将改变振动振幅，从而确定齿轮状况和报警级别。
齿轮箱中的滚动轴承(REB)或流体膜轴承(FFB)问题的检测与其他类型的机器没有区别，通过轴承故障频谱频率(REB)或轴径向和轴向位移波形特征和/或位置变化(FFB)来完成。这些工具是系统1的基础，在任何状态监测系统中都可以使用。另一方面，齿轮需要特殊的采样、过滤和机载分析，以梳理出关键的健康指标。一些专门的保护/监控Edge设备具有这些内置功能，但这种复杂程度在大多数通用的机械保护系统中缺乏。为了有效，一个世界级的状态监测系统必须具有广度和灵活性，以检测轴承、转子动力学和齿轮问题，使用全面的Edge设备，以促进早期检测和根本原因识别。系统1已经发展到包括连接、分析和可视化功能，以处理各种变速箱设计、操作条件和用户需求。
在许多工业设施中，一个单一的状态监测系统被用来处理许多类型和水平的危险机器。有些机器需要保护系统，而有些机器只需要数据采集，而临界程度决定了不同的数据量和时间间隔。系统1可以与各种Edge设备互操作，这些设备不仅提供动态振动信号，还提供与工艺条件相对应的比例值和与操作状态相对应的离散输入。
几种bentently Nevada Edge设备具有一系列保护和/或状态监测功能，适合在复杂的变速箱上使用。这种选择取决于几个因素，包括驱动程序和被驱动机器的类型、临界级别，以及故障模式是否需要连续、扫描或便携式监测方法。为了有效地监测变速箱状态，Edge设备应该有一个键相量或速度信号，用于同步采样和/或基于顺序的速度跟踪，并能够向系统1发送波形数据。对于负载变化的机器组合，从机器控制系统输入的负载比例允许在系统1中视觉关联振动水平和机器负载。Load还可以用于定义单独的机器状态，以确定何时以及如何将分析和警报应用于测量值。径向和轴向轴承金属温度和油温也是轴承和齿轮健康的重要指标。
一旦边缘设备被识别，状态监测系统必须建模每个齿轮箱的结构和特性。System 1的17.1版本(2017年5月发布)引入了变速箱模板和一个完全可配置的变速箱到配置工具集。复杂变速箱模板的图像如下所示。配置过程包括将齿轮箱纳入机床布局，命名并关联轴和齿轮，输入轴承和齿轮箱的特性和运动学信息。这通常由调试服务团队为用户完成。基于这些输入，软件自动确定轴的速度，齿轮级比，轴承故障和齿轮啮合频率所需的高级健康评估。
齿轮最显著的振动特性是典型的啮合频率(通过啮合时齿接触的周期性)和基本啮合频率(GMF)的前两个或三个整数倍(谐波)。基于前面讨论的配置，系统1允许用户围绕一个或多个齿轮啮合频率配置带通测量。一些行星齿轮箱的一个特点是，最高振幅谱分量并不出现在GMF位置，而是出现在两侧齿轮转速的一倍或两倍(参考2)。在将分析纳入状态监测系统时，必须考虑这样的细节。
虽然齿轮啮合频率是一个有用的指标，但基本啮合频率的振幅可以随齿轮箱负载而变化，带通和整体测量可以由它们主导，从而掩盖任何较小但有用的频谱成分的变化。在齿轮齿退化的早期识别中，一个已被证明有用的光谱特征是侧带，它有一个额外的好处，可以识别在这个阶段的哪个齿轮有损伤。下图是一个两级冷却塔变速箱的第一级的频谱图，显示了围绕基本齿轮啮合频率及其三个谐波(蓝色标记重叠)的边带(由橙色标记重叠识别)。
为了有效地使用边带作为分析，Bently Nevada开发了一种名为边带能量比(SER)的专利算法(参考文献3)，添加在System 1 version 17.2中。SER算法可以在同步(首选)或高分辨率异步波形上执行。SER可以在下面的选择列表中看到，以及光谱波段和轴承断层波段。根据之前输入的变速箱属性，选择其中的任何一个都会自动配置新变量，并将其添加到选定的点。添加后，对与测量点相关联的每一级齿轮的1X、2X、3X GMF的输入数据进行SER分析。用户还可以选择对点已有的历史数据应用SER分析。
一旦定义了测量和分析，设置适当的软件警报阈值的能力对于系统的有效性是至关重要的。系统1具有统计告警能力和告警快速配置功能，用户可以根据历史数据和统计计算参数，为单个点或一组点定制告警。
如果机器以不同的速度或负载运行，系统1允许用户将软件告警限制为用户定义的机器状态，并/或为每个运行状态设置不同的告警阈值。这包括告警抑制能力，允许状态变化之间的时间为读数稳定，然后用新的状态的告警阈值重新启用警报。
如果结果没有以符合用户工作流程的友好界面和强调关键特征和信息的有意义的绘图格式呈现，上述所有的连接和分析都是白费的。System 1的可视化特性通过从前几代软件中吸取的经验教训和广泛的用户反馈得到了改进和增强，提供了无与伦比的效率和有效性。
为了快速理解机器的状态，用户通常从状态概述开始，它提供了对级别和告警的直观理解。系统1允许用户创建多个图表视图——每台机器训练最多50个——每个都有自己独特的页面选项卡。该界面是完全可定制的，包括从图表中添加或删除测量值，重新排列测量位置，修改文本/背景颜色，添加导航按钮链接到其他选项卡和子选项卡，甚至用用户自己的图像和颜色编码的报警状态图标替换标准的机器形状。
如前所述，变速箱中的问题可能会出现在至少三个不同的区域，因此可视化工具必须为用户提供特征，以便快速关联多个变量的趋势，并轻松地移动不同的绘图类型。调查一个问题通常从单击Events列表中的一个警报开始，它会立即打开一组相关的情节。在此基础上，System 1提供多功能绘图工具，可快速添加从齿轮、轴承和轴位置测量到绘图的变量，便于趋势比较和相关性。游标和缩放的绘图同步特性使定位有意义的更改和偏差变得容易。
对于不同负载和/或速度下的变速箱，重要的是对每个配置的操作状态分别可视化数据。在plot工作区中基于状态的数据过滤可用于System 1安装，PostgreSQL作为历史记录，并且适用于除极坐标、指针和轴中心线以外的所有plot。此功能可以在绘图集中全局应用，也可以在单个绘图上应用。
两个有用的绘图叠加功能适用于变速箱状态可视化:
- 故障频率标记可以叠加在频谱、时基和堆叠时基图上
- 可以在plot工作区中叠加多个保存的比较数据集。
系统1的20.1版本包括两个令人兴奋的与变速箱诊断相关的可视化新功能:
- 对谱、堆叠谱和XvsY图的对数尺度
- DC轨道覆盖轴中心线图。
状态监测系统的一个未被提及的好处是，它能够检测并纠正相关传感器和机械保护系统的问题。除了软件中传感器的OK状态，System 1中的时基和频域图允许用户检测噪声或间歇传感器信号，这些信号可能表明布线问题或传感器故障。这些图还显示了机器呈现的振动情况，为优化滤波器角、振幅报警和保护硬件中的其他设置提供实时经验数据。
通过结合其连接、分析和可视化功能，System 1可以检测轴承、转子动力学、齿轮啮合以及复杂齿轮箱中的其他常见问题，使其特别适合任何带有齿轮箱的机械设备。
下面的案例研究展示了System 1如何帮助用户改善对复杂齿轮箱的监控，并防止昂贵的损坏(参考文献4)。
在一家公司的大型挤出机变速箱发生重大故障后，内华达州本特利团队被召集来设计和安装一个状态监测系统，该系统将发出警报，并防止未来发生昂贵的故障。
该挤出机变速箱是下游行业中使用的最大、最复杂的单套管变速箱之一。它由一个巨大的14兆瓦动力的主电机和一个额外的高转矩变速驱动(VSD)电机驱动启动。机器在每个输出轴上提供32万牛米(237000英尺-磅)的扭矩，包含超过60个轴承，和5个带有27个齿轮的齿轮联轴器。
挤压机齿轮箱和主电机的轴向运动过度，导致其失效。在故障发生时，它正在被另一家状态监测公司的系统监控，该系统在故障发生前没有提供保护或主动指示。更糟糕的是，它采用了一个非常低的采样率，这可能导致它无法检测高振幅轴向振动。
Bently Nevada团队提出了一种解决方案，其中包括行业领先的在线监测系统ADAPT 3701/40和S1 Evo，以及安装在整个挤出机列车上的40个振动传感器。Bently Nevada在线监测系统包括先进的信号处理以及轴承故障频率的趋势。在随后的操作中，这些功能有助于快速准确地确定以前故障的根本原因。System 1预先配置的软件报警设定值提前检测到高轴向振动问题，防止更严重的损害。
该系统实现的价值促使公司进一步改进，包括在主变速箱和轴向推力的主输入输出轴上增加传感器位置，将制粒机变速箱纳入监测系统，将系统1数据与DCS(分布式控制系统)集成，并集成扭矩、润滑油温度和压力、电机电流和负载的OPC数据。
System 1的复杂齿轮箱诊断和故障检测能力是Bently Nevada多年机械经验的结晶。专门为变速箱应用开发的SER算法是基于用户反馈的持续状态监测改进的一个例子。System 1 Evolution全面的集成了一流的连接、分析和可视化能力，为工厂中任何旋转或往复式资产创造了最强大、高效和有效的状态监测软件解决方案。
Bently Nevada致力于为系统1构建更先进的能力。从18.2版本开始，Bently Nevada加强了ADAPT的风力涡轮机监测功能。Wind into System 1 Evolution，为3701/60、3701/60A和60M100风监测产品增加了连通性，并为风力涡轮机运营商提供了扩展的状态监测平台能力。Bently Nevada公司正在通过开发齿轮啮合故障检测的新算法，继续改进变速箱分析能力。未来考虑的可视化功能包括包裹波形图，这对可视化地识别齿轮齿故障的位置很有用。当决策支持在今年晚些时候重新引入时，用户将能够创建自己的自定义规则，以解决其资产和流程的个人需求。加入我们的旅程吧!
- 行星传动装置(2020)维基百科．可以在:https://en.wikipedia.org/wiki/Epicyclic_gearing(通过日期:2020年5月13日)。
- McFadden, P.D. and Smith, J.D.(1985)。行星齿轮振动中啮合频率调制边带不对称性的解释，机械工程师学会学报第199卷第1期。C1。页65 - 70。
- Hanna, J.， Hatch, C.， Kalb, M.， Weiss, A.， Luo, H.(2012)。基于边带能量比的风电齿轮齿缺陷检测，《轨道杂志》第23卷第1期。明登，内华达州:本特利内华达州有限责任公司
- 改编自ADAPT 3701保护庞大，复杂的挤出机变速箱作者:Ali Al-Hawaj，贝克休斯公司首席销售经理，此前于2018年12月发表于ORBIT。
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