系统1用例:复杂变速箱监控
跨越现代过程密集型产业，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响应者。
先进的工厂操作员明白，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为客户提供服务主动监控机器状态还有传感器健康。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。没有一家公司做得更多本特利内华达促进和推进对…的理解机械保护和状态监测基于数据驱动的分析。bent利内华达州60多年的研究和经验收集了机械知识，为我们旗舰状态监测软件平台System 1的开发中嵌入的资产类型用例提供了信息。
在本文中，我们将重点介绍System 1 Evolution的增强功能，用于收集、分析和可视化来自复杂机器齿轮箱的数据，包括对其成功使用的案例研究。
变速箱在整个机器系统中的作用是改变轴的转速和扭矩，同时将动力从驱动机器传递给被驱动机器。因此，齿轮箱的要求在很大程度上取决于耦合机器的特性。当输入与输出速度的比例适中且空间不受限制时，类似上图的平行变速箱是合适的。这个齿轮箱由一个单一的阶段-一个阶段是一组齿轮，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，使用复杂的齿轮箱。这种齿轮箱可以由多个平行阶段组成，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型的机器中经常发现的那样。当空间有限时，通常采用周转(又名行星)齿轮箱，其中多个相互啮合的齿轮同心嵌套。行星齿轮箱设计有几个子类别，但对于相同的功率传输和同轴输入输出轴，它们的体积都比并联齿轮箱设计小(参考文献1)。行星级可以与并联级组合在同一个齿轮箱中。复杂的变速箱是千千万万的主要部件风力涡轮机全球运营。下面的插图显示了一个由行星和两个平行阶段组成的三级风力涡轮机齿轮箱。
为了使齿轮箱可靠地运行，齿轮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，并在其设计限制内运行。其中一个或多个问题，如果未被发现，可能导致变速箱故障。复杂的齿轮箱故障可能是机械系统中最昂贵的问题，不仅在修理/更换材料和人工方面，而且在停机时间和生产损失方面。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，一个领域的问题可能发展成另一个领域的问题。由于几个原因，齿轮啮合的问题可能难以捉摸。多级复杂齿轮箱具有内部中间齿轮和以不同速度旋转的轴，并且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(因此网格位置)不断移动，相对于安装在外壳上的传感器。此外，齿轮箱可能正在经历速度和/或负载的变化，这将改变齿轮状态和警报级别的振动幅度。
变速箱中滚动轴承(REB)或流体膜轴承(FFB)问题的检测与其他类型的机器没有什么不同，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FFB的位置变化来完成。这些工具是系统1的基础，在任何状态监测系统中都或多或少地存在。另一方面，齿轮需要特殊的采样、过滤和机载分析来梳理出关键的健康指标。一些专门的保护/监控Edge设备内置了这些功能，但大多数普通机械保护系统都缺乏这种复杂程度。世界级的状态监测系统必须具有广度和灵活性，能够使用全方位的Edge设备检测轴承、转子动力学和齿轮问题，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，以处理无数的变速箱设计、操作条件和用户需求。
在许多工业设施中，需要一个单一的状态监测系统来处理多种类型和多种临界水平的机器。有些机器需要保护系统，而有些机器只需要保护系统数据采集，而临界程度决定了数据的不同数量和间隔。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运行状态相对应的离散输入。
几种具有一系列保护和/或状态监测功能的本特内华达边缘设备适用于复杂的变速箱。选择取决于几个因素，包括驱动器和被驱动机器类型、临界等级，以及故障模式是否需要连续、扫描或便携式监测方法。为了有效地监测齿轮箱状态，Edge设备应该具有用于同步采样和/或基于订单的速度跟踪的Keyphasor或速度信号，并能够将波形数据发送到系统1。对于具有不同负载的机器组，来自机器控制系统的负载比例输入允许在系统1中振动水平和机器负载的视觉相关性。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状况的重要指标。
一旦识别出Edge设备，状态监测系统必须对每个变速箱的结构和特性进行建模。System 1的17.1版本(2017年5月发布)将变速箱模板和完全可配置的变速箱引入配置工具集。复杂齿轮箱模板的图像如下所示。配置过程包括将齿轮箱合并到机器系统布局中，命名和关联轴和齿轮，并输入轴承和齿轮箱属性和运动学信息。这通常由调试服务团队为用户完成。基于这些输入，软件自动确定轴速度，齿轮级比，轴承故障和齿轮啮合频率需要先进的健康评估。
齿轮最显著的振动特性通常是它们的啮合频率(齿接触的周期性，因为他们通过啮合)和前两个或三个整数倍(谐波)的基本齿轮啮合频率(GMF)。基于前面讨论的配置，系统1允许用户在一个或多个齿轮啮合频率周围配置带通测量。一些行星齿轮箱的一个特点是，最高振幅的频谱分量不会出现在GMF位置，而是出现在齿轮转速的一到两倍(参考文献2)。在将分析纳入状态监测系统时，必须考虑到这样的细节。
虽然齿轮啮合频率是一个有用的指标，但基本啮合频率的幅度可以随齿轮箱负载而变化，并且带通和总体测量可以由它们主导，从而掩盖任何较小但有用的频谱分量的变化。一个频谱特征，已被证明在早期识别齿轮齿恶化有用的是边带，这有附加的好处，确定哪个齿轮在阶段有损坏。下面的频谱图来自两级冷却塔齿轮箱的第一级，显示了围绕基本齿轮啮合频率及其三个谐波(由蓝色标记覆盖)的边带(由橙色标记覆盖)。
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)，并在System 1 17.2版本中添加。SER算法可以在同步(首选)或高分辨率异步波形上执行。在下面的选择列表中可以看到SER，以及光谱带和轴承故障带。选择其中的任何一个，都会根据先前输入的变速箱属性自动配置新变量，并将其添加到所选点。添加后，对与测量点相关的每个阶段的每个齿轮的1X, 2X和3X GMF的传入数据进行SER分析。用户还可以选择将SER分析应用于该点的已有历史数据。
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至关重要。系统1的统计报警功能和报警快速配置功能使用户可以使用历史数据和统计计算参数自定义单个或组点的报警。
如果机器在不同的速度或负载下运行，系统1允许用户将软件报警限制为用户自定义的机器状态，和/或为每个运行状态设置不同的报警阈值。这包括报警抑制功能，允许状态变化之间的时间读数稳定之前，报警与新状态的报警阈值重新启用。
如果结果没有呈现在符合用户工作流程的用户友好界面中，并且没有以强调关键特征和信息的有意义的绘图格式呈现，那么前面的所有连接和分析都是徒劳的。通过从前几代软件和广泛的用户反馈中吸取教训，System 1的可视化功能得到了改进和增强，提供了无与伦比的效率和有效性。
为了快速了解机器的状态，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-每个机器列车多达50个-每个都有自己独特的页面标签。该界面是完全可定制的，包括从图表中添加或删除测量，重新排列测量位置，修改文本/背景颜色，添加导航按钮作为其他选项卡和子选项卡的链接，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机器形状的能力。
如前所述，变速箱中的问题至少可以从三个不同的区域开始，因此可视化工具必须为用户提供快速关联多个变量趋势的功能，并轻松地在不同的绘图类型之间移动。调查问题通常从单击Events列表中的警报开始，这将立即打开一组相关图。从那里，System 1提供了多功能绘图工具，可以快速将齿轮，轴承和轴位置测量的变量添加到绘图中，以便进行趋势比较和相关性。光标和缩放的绘图同步功能可以很容易地确定有意义的更改和偏差。
对于在不同负载和/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。基于状态的数据过滤在以PostgreSQL作为历史记录的系统1安装中是可用的，并且适用于除极坐标、波德和轴中心线以外的所有绘图。此功能既可以在一个图集内全局应用，也可以在单个图集上应用。
两个有用的图叠加特性适用于变速箱状态可视化:
- 故障频率标记可以叠加在频谱图、时基图和叠加时基图上
- 多个保存的比较数据集可以在绘图工作区中覆盖。
版本20.1的系统1包括两个令人兴奋的新的可视化功能相关的变速箱诊断:
- 光谱，堆叠光谱和XvsY图的对数尺度
- 直流轨道覆盖在轴中心线上。
状态监测系统的一个潜在好处是能够检测和纠正相关传感器和机械保护系统的问题。除了软件中的传感器OK状态外，系统1中的时基和频域图允许用户检测噪声或间歇性传感器信号，这些信号可能表明接线问题或传感器故障。这些图还显示了机器所表现出的振动，为优化滤波器角、振幅警报和保护硬件中的其他设置提供了实时经验数据。
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、齿轮啮合和其他复杂齿轮箱中的常见问题，使其独特适用于任何和所有带有齿轮箱的机械资产。
下面的案例研究展示了系统1如何帮助一个用户改善对其复杂变速箱的监控并防止昂贵的损坏(参考4)。
在一家公司的大型挤出机齿轮箱发生重大故障后，本特利内华达州的一个团队被召集来设计和安装一个状态监测系统，该系统可以发出警报并防止未来昂贵的故障。
该挤出机齿轮箱是最大和最复杂的单壳齿轮箱在下游行业操作之一。它由一个巨大的14兆瓦功率的主电机和一个额外的高扭矩变速驱动(VSD)电机驱动，用于启动。该机器在每个输出轴上提供320,000 NM (237,000 ft-lb)的扭矩，包含60多个轴承和5个27齿轮的齿轮联轴器。
挤压机齿轮箱及其主电机轴向运动过大导致其失效。在故障发生时，它正在由另一家状态监测公司的系统进行监测，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，它采用了非常低的采样率，这可能导致它无法检测到高振幅的轴向振动。
Bently Nevada团队提出了一种解决方案，其中包括业界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系统上的40个振动传感器。本特内华达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识别先前故障的根本原因。System 1预先配置的软件报警点可以早期检测到高轴向振动问题，从而防止更严重的损坏。
该系统实现的价值促使公司进一步改进，包括在主齿轮箱和轴向推力主输入输出轴上增加传感器位置，将制粒机齿轮箱纳入监控系统，将system 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复杂的变速箱诊断和故障检测能力是本利内华达公司多年机械经验的结晶。专为变速箱应用开发的SER算法是我们基于用户反馈不断改进状态监测的一个例子。System 1 Evolution综合了一流的连接、分析和可视化功能，为您的设施中任何旋转或往复式资产创建了最强大、最高效、最有效的状态监测软件解决方案。
本特利内华达致力于在系统1中建立更先进的能力。从18.2版本开始，本特利内华达整合了ADAPT的风力涡轮机监测功能。Wind into System 1 Evolution，为3701/60、3701/60A和60M100风力监测产品增加了连接功能，并为风力涡轮机运营商提供了扩展的状态监测平台功能。本特内华达公司正在通过开发齿轮啮合故障检测的新算法，继续提高齿轮箱分析能力。未来正在考虑的可视化功能包括包裹波形图，用于直观地识别齿轮齿故障的位置。当Decision Support在今年晚些时候重新引入时，用户将能够创建他们自己的自定义规则来解决他们的资产和流程的个人需求。加入我们的旅程吧!
- 行星传动(2020年)维基百科。可以在:https://en.wikipedia.org/wiki/Epicyclic_gearing(2020年5月13日发布)。
- 麦克法登，P.D.和史密斯，J.D.(1985)。对行星齿轮振动中齿啮合频率调制边带不对称性的解释机械工程师学会学报卷199号。C1。页65 - 70。
- Hanna, J.， Hatch, C.， Kalb, M.， Weiss, A.， Luo, H.(2012)。利用边带能量比检测风电齿轮齿缺陷轨道杂志，第23卷第1期。明登，内华达州:本利内华达有限责任公司
- 改编自ADAPT 3701保护大型，复杂的挤出机齿轮箱作者:Baker Hughes公司首席销售经理Ali Al-Hawaj，先188金宝搏网站多少前发表于2018年12月的ORBIT。
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