用于轴承状态监测的方法、装置、存储介质以及机器设备与流程

1.本发明涉及对机器设备中的轴承进行状态监测的方法、装置、存储介质以及机器设备本身。


背景技术：

2.在例如风力发电机中的齿轮箱等机器设备中，需要监测例如轴承、轴、齿轮等旋转构件的工作状态，以避因这些旋转构件、尤其轴承的失效导致风力发电站的服务故障。
3.然而，在当前的齿轮箱状态监测系统中，通常将振动传感器和温度传感器安装在壳体上。这些传感器只能检测支撑轴承的状态。对于齿轮箱中的很多其他轴承、例如行星齿轮轴承，目前没有有效的状态监测方案。
4.此外，图1示出了根据现有轴承监测方法识别轴承失效的提前时间。如图1所示，当前基于轴承温度的轴承状态检测方法仅能在轴承失效晚期阶段识别出轴承失效。另外，基于振动的轴承状态检测方法虽然可以在轴承失效早期阶段识别出轴承的失效，但其如上所述地仅能够用于监测齿轮箱中的一部分轴承并且实施的成本很高。


技术实现要素：

5.因此，本发明的主要目的在于提出一种对机器设备中的轴承进行状态监测的方法、装置、存储介质以及机器设备本身，其特别能够基于轴承温度在轴承的早期失效阶段识别出轴承的失效，并且优选地能够以较低的成本实施。
6.为实现上述目的，提出一种对机器设备中的轴承进行状态监测的方法，该方法包括：
7.获得机器设备中的不同轴承之间的温度关系；
8.实时地选取参考轴承并且将参考轴承的实时温度确定为参考温度；
9.结合所获得的温度关系以及所确定的参考温度确定机器设备的不同轴承的实时正常温度范围；
10.测量机器设备中的轴承的温度；
11.比较所测得的轴承温度与相应的实时正常温度范围。
12.本方法基于事实，即同一机器设备中的多个部件、例如轴承在机器设备在温度方面具备关联性。具体地，由于在每个轴承的温度和该轴承的条件参数之间存在一定的关系，而在不同轴承的相应条件参数之间又存在一定的关系，因此在可以通过上述条件参数建立不同轴承之间的温度关系。在此，可以通过合理的方式尤其在对轴承进行状态监测期间实时地确定同一机器设备中的不同轴承之间的温度关系。优选地，温度关系包含机器设备中的全部需要进行状态监测的轴承的温度信息。优选地，温度关系包含各个轴承在机器设备的大部分工况、尤其全工况下的温度信息。优选地，温度关系表现为各个轴承的温度范围信息。
13.在此，选取不会失效或者失效概率极低以至于可以忽略不计的轴承作为参考轴
承。参考轴承的存在基于假设：在同一机器设备中的多个轴承同时失效的概率极低，可以忽略不计。优选地，参考轴承的选取以及相应的参考温度的确定是在机器设备以工作模式运行期间实时地进行的。因此，参考温度与特定的机器设备的工作模式相关联并且与特定的监测时刻相关联。
14.由于同一机器设备中的不同轴承之间的温度关系实际是一种相对关系，因此通过将参考轴承以及对应的参考温度带入上述温度关系，可以获得该特定机器设备中的其他轴承在特定的监测时刻在正常工作情况下的温度范围、即上述的实时正常温度范围。由于提供了各个轴承的实时正常温度范围，因此不必如同现有方案将基于轴承温度识别轴承失效的报警温度值设置为在所有可能的工况下的最大值。因此，通过将在实时测得的轴承温度与相应的实时正常温度范围进行比较，可以根据相应的失效判定规则及时地识别轴承温度是否异常，从而判别相应的轴承是否失效。在这种情况下，可以实现基于轴承温度在轴承早期失效阶段识别出轴承的失效。由此可以减少由于轴承故障而导致的齿轮箱停机时间。
15.在一种优选的实施方式中，通过机器学习方法获得机器设备中的不同轴承之间的温度关系。
16.由此可以在不需要确切地获知可能影响轴承温度的各种条件参数值、尤其难以计算或测量的条件参数值的情况下获得机器设备中的不同轴承之间的温度关系。此外，也不需要用于描述轴承温度与这些参数之间的关系的复杂的公式。因此，一方面，执行轴承状态监测方法的装置可以简单地实施、尤其无需构造多种用于测量各种条件参数的传感单元。另一方面，在执行轴承状态监测方法期间的数据运算量也较小。
17.特别优选地，机器学习方法包括：预定义机器设备中的不同轴承之间的温度关系模型；获取机器设备中的轴承在机器设备的不同工作状态下的轴承温度数据；借助轴承温度数据训练温度关系模型。
18.在此，预定义的温度关系模型可以简单地建立，尤其可以避免与游隙、润滑性等不易测量及计算的条件参数的直接关联。通过测量实际的机器设备中的轴承在不同实际工作状态下的实际轴承温度并且以所测得的轴承温度数据训练预定义的温度关系模型，可以针对特定的机器设备的结构以及工况优化温度关系模型，从而得到针对实际机器设备的不同轴承之间的温度关系。
19.在此，有利地，机器设备的不同工作状态包括机器设备在不同的载荷条件下和/或在不同的速度条件下的运行状态。
20.因此，可以使机器设备处于不同的载荷条件下和/或速度条件下并且相应测量和记录机器设备中的轴承的温度数据。特别有利地，不同的载荷条件包括机器设备在全部可能的工作状态中涉及的载荷条件。特别有利地，不同的速度条件包括机器设备在全部可能的工作状态中涉及的速度条件。
21.有利地，在机器设备的工厂测试期间和/或在将机器设备安装于工作现场后进行机器学习方法中的步骤：获取机器设备中的轴承在机器设备的不同工作状态下的轴承温度数据；以及借助轴承温度数据训练温度关系模型。
22.由此，可以在机器设备在工厂完成组装后和/或在将机器设备安装于工作现场后获得机器设备中的不同轴承之间的温度关系。在这种情况下获得的温度关系间接地关联了在机器设备自身的组装以及在工作现场的安装中可能出现的误差、各个轴承的实际的游隙
以及机器设备内的润滑油流量等确定而不易计算和测量的参数。因此，如此获得的温度关系相对实际机器设备的适配性高并且获得温度关系的步骤易于执行。
23.在一种优选的实施方式中，轴承状态监测方法包括：测量在机器设备中用于支承在结构设计和工况方面近似完全相同的多个构件的轴承的温度；通过比较所测得的构件轴承温度从这些构件的轴承中选取参考轴承。
24.这基于假设：分别用于在结构设计和工况方面近似完全相同的多个构件的轴承同时失效的概率极低，可以忽略不计。在此，分别用于上述多个构件的轴承优选尽可能相同地配置。此外，多个构件轴承的温度在同一时刻应当是相近甚至相同的，因此通过比较这些轴承温度可以及时识别出轴承中的失效轴承。由此，可以实时地选取没有失效的构件轴承作为参考轴承并且以其温度作为参考温度。
25.特别地，在机器设备包括行星齿轮传动机构的情况下，行星齿轮传动机构中的同一级行星齿轮可以视为在结构设计和工况方面相同的构件，由此可以从用于支承同一级行星齿轮的行星齿轮轴承中选取参考轴承。在此，轴承状态监测方法包括：测量行星齿轮传动机构中的同一级行星齿轮的轴承的温度；通过比较所测得的行星齿轮轴承温度从这些行星齿轮的轴承中选取参考轴承。
26.在此，有利地，轴承状态监测方法包括：依据在结构设计和工况方面相同的构件的轴承间的温度差和/或该温度差的变化趋势选取参考轴承。
27.特别地，轴承状态监测方法包括：选取在结构设计和工况方面相同的构件的轴承中的具有最低轴承温度的一者作为参考轴承。
28.特别有利地，轴承状态监测方法包括：依据在结构设计和工况方面相同的构件的轴承间的温度差和/或该温度差的变化趋势判断这些构件轴承是否失效。在这种情况下，这些构件轴承、例如行星齿轮轴承的失效识别无需再通过其温度与相应的实时正常温度范围的比较来实现，而是在选取参考轴承的过程中已经实现。
29.在一种优选的实施方式中，尤其针对所测得的轴承温度与相应的实时正常温度范围的比较结果的判定，轴承状态监测方法包括：若轴承的所测得的轴承温度处于相应的实时正常温度范围中，则判断轴承工作良好；若轴承的所测得的轴承温度处于相应的实时正常温度范围外和/或离开相应的实时正常温度范围的程度随时间增大，则判断轴承已失效。
30.有利地，轴承状态监测方法至少部分地在机器设备中执行。
31.有利地，轴承状态监测方法至少部分地在云服务器中或者在远程物理服务器中执行。
32.相应地，还提出一种对机器设备中的轴承进行状态监测的装置，该装置用于执行上述轴承状态监测方法。在此，该轴承状态监测装置尤其包括温度传感单元和数据处理单元。
33.在轴承状态监测装置执行轴承状态监测方法时，温度传感单元在以下至少一个步骤中测量机器设备中的轴承的温度：获得机器设备中的不同轴承之间的温度关系；实时地选取参考轴承并且将参考轴承的实时温度确定为参考温度；结合所获得的温度关系以及所确定的参考温度确定机器设备的不同轴承的实时正常温度范围；测量机器设备中的轴承的温度；比较所测得的轴承温度与相应的实时正常温度范围。
34.在轴承状态监测装置执行轴承状态监测方法时，数据处理单元在以下至少一个步
骤中对由温度传感单元测得的轴承温度进行数据处理和运算：获得机器设备中的不同轴承之间的温度关系；实时地选取参考轴承并且将参考轴承的实时温度确定为参考温度；结合所获得的温度关系以及所确定的参考温度确定机器设备的不同轴承的实时正常温度范围；测量机器设备中的轴承的温度；比较所测得的轴承温度与相应的实时正常温度范围。
35.在一种有利的实施方式中，轴承状态监测装置集成在机器设备中。
36.在一种备选的实施方式中，轴承状态监测装置中的温度传感单元集成在机器设备中，并且轴承状态监测装置中的数据处理单元部分地集成在机器设备中。
37.相应地，还提出一种计算机可读存储介质，该计算机可读介质承载指令，指令在被执行时，使得至少一个装置、尤其上述轴承状态监测装置执行上述轴承状态监测方法。在此，计算机可读存储介质可以是有形的和非暂态的。指令可以是一个或多个可执行程序或可执行程序的(一个或多个)部分，以使得轴承状态监测装置执行轴承状态监测方法。
38.相应地，还提出一种机器设备，该机器设备包括轴承以及温度传感器组件，其中，在通过上述轴承状态监测方法对机器设备中的轴承进行状态监测时，温度传感器组件在以下至少一个步骤中测量该机器设备中的轴承的温度：获得机器设备中的不同轴承之间的温度关系；实时地选取参考轴承并且将参考轴承的实时温度确定为参考温度；结合所获得的温度关系以及所确定的参考温度确定机器设备的不同轴承的实时正常温度范围；测量机器设备中的轴承的温度；比较所测得的轴承温度与相应的实时正常温度范围。
39.在一种优选的实施方式中，机器设备还包括至少一个数据处理器，其中，在通过上述轴承状态监测方法对机器设备中的轴承进行状态监测时，至少一个数据处理器在以下至少一个步骤中对由温度传感器组件测得的轴承温度进行数据处理和运算：获得机器设备中的不同轴承之间的温度关系；实时地选取参考轴承并且将参考轴承的实时温度确定为参考温度；结合所获得的温度关系以及所确定的参考温度确定机器设备的不同轴承的实时正常温度范围；比较所测得的轴承温度与相应的实时正常温度范围。
40.在一种有利的实施方式中，机器设备构包括在结构设计和工况方面近似完全相同的多个构件。有利地，机器设备可以是包括行星齿轮传动机构的齿轮箱，其中，行星齿轮传动机构中的同一级行星齿轮在结构设计和工况方面近似完全相同。在此，特别有利地，行星齿轮传动机构中的同一级行星齿轮的轴承均配备有无线温度传感器、优选无线无源的温度传感器。备选地，机器设备可以是辊压机，其中，辊压机具有在结构设计和工况方面近似完全相同的多个辊子。
附图说明
41.下面结合附图来示意性地阐述本发明的优选实施方式。附图为：
42.图1示出了根据现有轴承监测方法识别轴承失效的提前时间；
43.图2示出了根据一种优选实施方式的轴承状态监测方法的流程图；
44.图3示出了在上述优选实施方式中关于选取参考轴承的步骤的实施例；
45.图4示出了在上述优选实施方式中关于识别行星齿轮轴承失效的步骤的实施例。
具体实施方式
46.图2示出了根据一种优选实施方式的轴承状态监测方法的流程图。在本实施方式
中，通过轴承状态监测装置执行即将在下文中详述的轴承状态监测方法，以基于轴承温度监测用于风力发电机的齿轮箱中的全部轴承的工作状态。在另外的实施方式中，也可以仅监测齿轮箱中的一部分轴承的工作状态。
47.如图2所示，在根据本实施方式的轴承状态监测方法中，首先需要获得齿轮箱中的不同轴承之间的温度关系(a)。在此，齿轮箱中的不同轴承之间的温度关系的获得特别借助机器学习方法实现。
48.为了通过机器学习方法获得齿轮箱中的各个轴承之间的温度关系，首先预定义齿轮箱中的不同轴承之间的温度关系模型(a1)。接下来，尤其在齿轮箱在工厂完成组装后进行产品测试时或者在将齿轮箱安装于风力发电机后，例如借助安装在各个轴承处的温度传感器获取齿轮箱中的全部轴承在齿轮箱或者说风力发电机的不同的载荷条件以及速度条件下的轴承温度数据(a2)。然后，利用上述轴承温度数据，例如借助集成在风力发电机、尤其齿轮箱中的数据处理器或者云服务器中或远程物理服务器中的数据处理单元训练在步骤(a1)中预定义的温度关系模型，以对温度关系模型进行优化，从而获得尤其适配该实际的齿轮箱的轴承温度关系。
49.根据本实施方式的轴承状态监测方法，还需要在轴承状态监测装置工作期间、即对齿轮箱中的全部轴承进行轴承状态监测时，实时地找出用作轴承温度关系基准的参考轴承和相应的参考温度。为此，实时地选取参考轴承并且将参考轴承的实时温度确定为参考温度(b)。
50.图3示意性地示出了在本实施方式中选取参考轴承的实施例。由于用于在结构设计和工况方面近似完全相同的多个构件的轴承同时失效的概率极低，而齿轮箱的行星齿轮传动机构中的同一级行星齿轮即为上述近似完全相同的构件，因此可以从用于支承同一级行星齿轮的轴承中、例如在图3中所示的四个行星齿轮轴承1、2、3、4中选取参考轴承。为此，可以借助分别安装在各个行星齿轮轴承处的无线温度传感器、尤其无线无源的温度传感器来测量各个行星齿轮轴承的温度(b1)。然后，可以借助集成在风力发电机、尤其齿轮箱中的数据处理器或者云服务器中或远程物理服务器中的数据处理单元对测得的行星齿轮轴承温度进行比较。在本实施例中，可以选取其中温度最低的行星齿轮轴承、即第三行星齿轮轴承3作为参考轴承，并且将第三行星齿轮轴承3的温度39℃作为对应的参考温度。
51.随后，如图2所示，结合在步骤(a)中获得的齿轮箱轴承温度关系以及在步骤(b)中确定的参考轴承及对应的参考温度综合性地确定齿轮箱中的各个轴承的实时正常温度范围(c)。此步骤也可以借助集成在风力发电机、尤其齿轮箱中的数据处理器或者云服务器中或远程物理服务器中的数据处理单元执行。
52.在此，如图2所示，还需要借助分别安装在齿轮箱中各个齿轮箱轴承处的温度传感器实时地测量相应齿轮箱轴承的温度(d)。
53.然后，如图2所示，尤其针对齿轮箱中的每个齿轮箱轴承，或者针对齿轮箱中除在步骤(b)中曾作为备选参考轴承的行星齿轮轴承外的每个齿轮箱轴承，分别将在步骤(d)中测得的齿轮箱轴承温度与在步骤(c)中获得的在监测时刻上相应的实时正常温度范围进行比较(e)，从而判别相应的齿轮箱轴承是否失效。这种通过温度比较实现的轴承失效判定步骤可以借助集成在风力发电机、尤其齿轮箱中的数据处理器或者云服务器中或远程物理服务器中的数据处理单元执行。由于在此提供的基于轴承温度判断轴承是否失效的基准、即
实时正常温度范围是针对该实际齿轮箱优化的并且是针对实际监测时间的判断基准，因此可以及时地识别出轴承温度的异常，从而可以基于轴承温度在轴承早期失效阶段实现轴承失效识别。由此可以减少由于轴承故障而导致的齿轮箱停机时间。此外，本实施方式提供方法具有良好的成本效益并且易于实施。
54.在此，相应的轴承失效判定规则例如是：若齿轮箱轴承的在步骤(d)中测得的温度处于在步骤(c)中获得相应的实时正常温度范围中，则判断轴承工作良好；若齿轮箱轴承的在步骤(d)中测得的温度处于在步骤(c)中获得相应的实时正常温度范围外和/或离开相应的实时正常温度范围的程度随时间增大，则判断轴承已失效。
55.在一种实施例中，对在步骤(b)中曾作为备选参考轴承的行星齿轮轴承1、2、3、4(参见图3)是否失效的判定可由行星齿轮轴承温度的温度差和/或该温度差的变化趋势判断。图4示出了各个行星齿轮轴承1、2、3、4的温度ti(i＝1、2、3、4)与其中的最低轴承温度t
min
的温度差随时间的变化趋势。由图4可见，第二行星齿轮轴承2与具有最低轴承温度t
min
的第三行星齿轮轴承3的温度差(t
2-t
min
)随时间的增加而增长。在此，可以判断第二行星齿轮轴承2失效。
56.虽然在上述说明中示例性地描述了可能的实施例，但是应该理解到，仍然通过所有已知的和此外技术人员容易想到的技术特征和实施方式的组合存在大量实施例的变化。此外还应该理解到，示例性的实施方式仅仅作为一个例子，这种实施例绝不以任何形式限制本发明的保护范围、应用和构造。通过前述说明更多地是向技术人员提供一种用于转化至少一个示例性实施方式的技术指导，其中，只要不脱离权利要求书的保护范围，便可以进行各种改变，尤其是关于所述部件的功能和结构方面的改变。