用于监测基于齿轮系的系统中的部件故障的系统和方法与流程

1.本技术领域大体涉及用于监测联接到齿轮系的部件的系统和方法，并且更具体地，涉及联接到基于齿轮系的系统(例如发动机的轴驱动齿轮箱)中的齿轮系的部件中的故障检测。


背景技术：

2.涡轮发动机(例如燃气涡轮发动机，例如用于为飞行器提供动力的那些)通常包括附件齿轮箱。附件齿轮箱具有可以驱动燃气涡轮发动机的多个部件(例如空气涡轮启动器、润滑泵、交流发电机、燃料泵和备用发电机)的齿轮系。这些部件的动力提取来自燃气涡轮发动机的轴。由附件齿轮箱驱动的部件经由具有轴承的轴联接到齿轮系。由附件齿轮箱驱动的部件中的轴承故障需要维护。诊断和执行此类维护可能会导致商业飞行器航班的旅行延误和潜在取消，并可能导致成本增加和效率低下。
3.在一些附件齿轮箱中，空气涡轮启动器将加压空气转换成将燃气涡轮发动机核心旋转到自持速度以使燃烧器能够点火并继续加速到怠速所需的驱动扭矩。空气涡轮启动器以非常高的速度操作，并且会经历日常的机械磨损和老化。
4.联接到附件齿轮箱的轴承和部件(例如空气涡轮启动器)中的故障可以通过定期检查或最终故障来识别。例如，空气涡轮启动器上的磁碎屑检测器可以检测与部件(例如空气涡轮启动器)相关联的油中的碎屑，这些碎屑指示部件中的故障。然而，传统方法(诸如检查)可追溯性地识别故障，这会产生发动机的额外的维护需求和潜在负担。此外，还可能需要分析检查数据以识别在磁塞检查期间识别的碎屑来源。因此，用于故障检测的这些传统方法是耗时的，并且允许对重要飞行器系统部件发生附加损坏。


技术实现要素：

5.本公开的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实践本公开而获知
6.在本公开的一个方面中，一种用于监测联接到轴驱动齿轮箱中的齿轮系的部件的系统，该系统包括：振动传感器，振动传感器机械连结到轴驱动齿轮箱，振动传感器定位成远离部件；速度传感器；以及控制单元，控制单元具有至少一个处理器和至少一个存储器装置，至少一个存储器装置存储指令，当指令由至少一个处理器执行时，使至少一个处理器进行操作，至少一个处理器被构造为：收集齿轮系的速度数据，速度数据由速度传感器获取；收集由振动传感器获取的振动数据；处理振动数据以提取部件的特性；对部件的特性和速度数据进行趋势分析；以及至少部分地基于部件的特性和速度数据的趋势来检测与部件相关联的至少一个响应。
7.在本公开的另一个方面，一种监测联接到发动机的轴驱动齿轮箱的部件的方法，该方法包括：收集由机械连结到轴驱动齿轮箱的振动传感器获取的振动数据，振动传感器定位成远离部件；收集由速度传感器获取的速度数据；处理振动数据以提取部件的特性；对
部件的特性和速度数据进行趋势分析；以及至少部分地基于部件的特性和速度数据的趋势来检测与部件相关联的至少一个响应。
8.在本公开的另一个方面，一种用于监测与轴驱动齿轮箱中的齿轮系相关联的部件的方法，该方法包括：通过定位在齿轮系上的速度传感器收集轴驱动齿轮箱的轴的速度数据；收集由机械连结到轴驱动齿轮箱的振动传感器获取的振动数据，振动传感器远离部件；处理振动数据以提取与轴驱动齿轮箱相关联的功率谱密度；使速度数据去趋势；以及从功率谱密度中提取部件的特征。
9.参考以下描述和所附权利要求，本公开和/或实施例的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。包含在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。
附图说明
10.本文公开了与监测联接到基于齿轮系的系统(例如发动机的轴驱动齿轮箱)中的齿轮系的部件有关的系统、设备和方法的实施例。本说明书包括附图，其中：
11.图1是根据一些实施例的用于监测联接到轴驱动齿轮箱的部件的系统的框图。
12.图2是联接到轴驱动齿轮箱中的齿轮系的复合物的简化图。
13.图3是根据一些实施例的示例性附件齿轮箱的简化图。
14.图4是根据一些实施例的图3的附件齿轮箱的简化图。
15.图5是根据一些实施例的空气涡轮启动器的简化图。
16.图6是根据一些实施例的用于监测联接到发动机的轴驱动齿轮箱的部件的示例性方法的流程图。
17.图7是根据一些实施例的用于监测联接到发动机的轴驱动齿轮箱的部件的示例性方法的特定方面的流程图。
18.图8是根据一些实施例的监测与发动机的轴驱动齿轮箱相关联的轴承的方法的方面的流程图。
19.图9a包括根据一些实施例的空气涡轮启动器涡轮轴的振动响应的图形描绘。
20.图9b包括根据一些实施例的空气涡轮启动器涡轮轴的振动响应的图形描绘。
21.图10a包括根据一些实施例的空气涡轮启动器涡轮叶轮的振动响应的图形描绘。
22.图10b包括根据一些实施例的空气涡轮启动器涡轮叶轮的振动响应的图形描绘。
23.图11a是根据一些实施例的附件齿轮箱的功率谱密度的图形描述。
24.图11b是根据一些实施例的空气涡轮启动器轴承的轴承能量的图形描绘。
25.图12a是根据一些实施例的附件齿轮箱的功率谱密度的图形描述。
26.图12b是根据一些实施例的发动机轴轴承的轴承能量的图形描述。
27.附图中的元件是为了简单和清楚而示出的并且不一定按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸和/或相对定位可能相对于其他元件被夸大，以帮助改进对本发明的各种实施例的理解。此外，在商业上可行的实施例中有用或必要的常见但易于理解的元件通常没有被描绘，以便有助于对本发明的这些各个实施例的较少阻碍的视图。某些动作和/或步骤可以以特定的发生顺序来描述或描绘，而本领域技术人员将理解，实际上并不需要这种关于顺序的特异性。除非本文另有阐述不同的具体含义，否则本文使用的术语和表达具有
如上文所阐述的技术领域的技术人员根据这些术语和表达所赋予的普通技术含义。
具体实施方式
28.根据各种实施例，本文提供的系统、设备和方法可用于监测联接到轴驱动齿轮箱(例如涡轮发动机的附件齿轮箱)的一个或多个部件。例如，轴驱动齿轮箱可以联接到发动机或电动机。在一些方式中，系统包括安装到轴驱动齿轮箱的传感器，例如振动传感器。传感器可用于监测联接到轴驱动齿轮箱的一个或多个部件的振动响应，或者特别是监测联接到轴驱动齿轮箱中的齿轮系的部件的振动响应。可以设想，通过使用本文描述的系统和方法监测联接到轴驱动齿轮箱的部件，或者特别是监测联接到轴驱动齿轮箱中的齿轮系的部件，可以主动检测部件和/或轴驱动齿轮箱中的一个或多个故障。应用这样的预测可以经由早期检测并通过避免可能由轴承故障或重大部件损坏导致的更严重的磨损和损坏来降低整体维护成本。
29.可以设想，本文描述的系统、设备和方法可用于与发动机或电动机(例如蒸汽、电动、液压或混合涡轮发动机或电动机)相关联的轴驱动齿轮箱。例如，此类发动机可用于为飞行器、陆地运载器或海上运载器提供动力。
30.在一些实施例中，用于监测联接到轴驱动齿轮箱中的齿轮系的部件的系统包括振动传感器、速度传感器和控制单元。振动传感器定位在轴驱动齿轮箱上，振动传感器定位成远离部件。在一些实施例中，速度传感器定位在轴驱动齿轮箱上。还设想速度传感器可以包括在轴驱动齿轮箱的驱动或齿轮系中的任何地方。速度传感器可以测量沿驱动或齿轮系的任何地方的速度，并且该速度可以经由标量(scalar)与联接到驱动或齿轮系的任何部件相关联。控制单元具有至少一个处理器和至少一个存储器装置。至少一个存储器装置存储指令，当该指令由至少一个处理器执行时使至少一个处理器进行操作。在该系统中，至少一个处理器被构造为收集驱动系的速度数据并收集由振动传感器获取的数据(例如，振动数据)。至少一个处理器还被构造为处理振动数据以提取部件的特性，并且对部件特性和速度数据进行趋势分析。至少部分地基于部件特性和速度数据的趋势，至少一个处理器可以检测与部件相关联的至少一种故障或维护动作。
31.在一些实施例中，监测联接到轴驱动齿轮箱的部件的方法包括收集由定位在轴驱动齿轮箱上的振动传感器获取的振动数据。振动传感器定位成远离部件。在一些方式中，该方法还包括收集由定位在轴驱动齿轮箱上的速度传感器获取的速度数据。还设想速度传感器可以包括在轴驱动齿轮箱的驱动或齿轮系中的任何地方。速度传感器可以测量沿驱动或齿轮系的任何地方的速度，并且该速度可以经由标量与联接到驱动或齿轮系的任何部件相关联。该方法还包括处理振动数据以提取部件的特性，并且对部件的特性和速度数据进行趋势分析。此外，该方法包括至少部分地基于部件特性和速度数据的趋势来检测至少一种故障或识别与部件相关联的至少一种维护动作。部件的特性例如可以是振动响应。
32.在一些实施例中，用于监测与轴驱动齿轮箱中的齿轮系相关联的部件的方法包括收集轴驱动齿轮箱的轴的速度数据。在一些方法中，速度数据可以由定位在轴驱动齿轮箱上的速度传感器获取。在其他方法中，速度传感器可以包括在轴驱动齿轮箱的驱动或齿轮系中的任何地方。速度传感器可以测量沿驱动或齿轮系的任何地方的速度，并且该速度可以经由标量与联接到驱动或齿轮系的任何部件相关联。该方法还包括收集由定位在轴驱动
齿轮箱上的振动传感器获取的振动数据，该振动传感器远离部件。该方法还包括处理振动数据以提取与轴驱动齿轮箱相关联的功率谱密度，对速度数据进行去趋势化，以及从功率谱密度中提取部件的特征。
33.在一些方法中，轴驱动齿轮箱是发动机(例如燃气涡轮发动机)的附件齿轮箱。可以设想，本文描述的方法和系统也可以在其他发动机或电动机(例如蒸汽、电动、水力或混合驱动发动机)中采用。还设想本文描述的方法和系统可以在其他基于齿轮系的系统中采用。
34.图1描绘了用于监测联接到发动机102(或电动机)的轴驱动齿轮箱104的部件的示例性系统100。虽然发动机102(例如可以是移动机器的驱动器)在图1中被描绘，但也可以设想轴驱动齿轮箱104可以联接到电动机(例如可以是静止机器的驱动器)。系统100包括发动机102(或电动机)、轴驱动齿轮箱104、监测振动的传感器118、速度传感器119、控制单元120和用户接口134。发动机102(或电动机)联接到轴驱动齿轮箱104。一个或多个部件(例如，空气涡轮启动器(ats)106、备用发电机(bug)108、液压泵110、集成驱动发电机112、燃料计量单元114、多功能探头116和交流发电机117)可以联接到轴驱动齿轮箱104。在一个实施例中，这样的部件可以包括以下中的一个或多个：空气涡轮启动器(ats)106、备用发电机(bug)108、液压泵110、集成驱动发电机112、燃料计量单元114、多功能探头116和交流发电机117。联接到轴驱动齿轮箱104的部件可以经由轴驱动齿轮箱104从发动机102(或电动机)的轴101提取动力，以进行他们的操作。在一些形式中，部件经由齿轮和轴联接到轴驱动齿轮箱104内的齿轮系。每个部件可以包括对应的轴106b、108b、110b、112b、114b、116b、117b和对应的轴承106a、108a、110a、112a、114a、116a、117a，以允许控制和能量耗散。特别地，空气涡轮启动器106包括轴106b和轴承106a；备用发电机108包括轴108b和轴承108a；液压泵110包括轴110b和轴承110a；集成驱动发电机112包括轴112b和轴承112a；燃料计量单元114包括轴114b和轴承114a；多功能探头116包括轴116b和轴承116a；交流发电机117包括轴117b和轴承117a。可以设想，其他部件也可以联接到轴驱动齿轮箱104，以从发动机102(或电动机)的轴101提取动力来执行特定功能。
35.一个或多个传感器118可以安装到轴驱动齿轮箱104，以监测与联接到轴驱动齿轮箱104的部件(或其部分)相关联的振动。传感器118可以是振动传感器，例如加速度计。在一些实施例中，传感器118不直接安装到轴驱动齿轮箱104，而是机械连结或以其他方式刚性连接到轴驱动齿轮箱104。例如，传感器118可以定位在将传感器118机械连结到轴驱动齿轮箱104的位置处，以提供足够的传递性来检测要监测的部件的振动响应。设想传感器118可以是用于测量部件的机械变量(包括冲击、振动等)的变化的任何其他传感器。传感器118可以实施或适应各种振动传感器技术，例如速度、冲击、加速度或集成电子压电传感器，以监测振动。传感器118可以用作将感测到的振动从机械能转换成电信号的变换器，该电信号被如本文所公开的进行测量和处理，以识别和/或监测联接到轴驱动齿轮箱104的部件的各种特性。传感器118可以定位成远离联接到轴驱动齿轮箱104的一个或多个部件。在一些形式中，传感器118定位成远离它所监测的部件。如本文所用，定位成远离部件表示传感器118没有直接安装在特定部件上。传感器118也可以机械连结到联接到轴驱动齿轮箱104的一个或多个部件，使得存在足够的传递性，例如，足以检测一个或多个部件的信号幅度的传递性。传递性可以指源振动与传感器118的输出幅度与传感器118的输入幅度之比。在一些方法
中，传感器118可以定位成使得它远离联接到轴驱动齿轮箱的部件，并且使得传递性超过阈值。控制单元120可以从一个或多个传感器118收集振动数据。
36.速度传感器119可以包括在系统100中的任何地方。在一些实施例中，速度传感器119可以包括在轴驱动齿轮箱104的驱动或齿轮系中的任何地方。速度传感器119可以测量沿驱动或齿轮系的任何地方的速度，并且该速度可以经由标量与联接到驱动或齿轮系的任何部件相关联。在一些实施例中，速度传感器119可以安装到轴驱动齿轮箱104。速度传感器119可以监测发动机102(或电动机)的速度。在一些方面，速度传感器119可操作以感测轴101的旋转速度，并将代表其的速度传感器信号提供给控制单元120。电子控制单元120可以从速度传感器119收集速度数据。
37.控制单元120可以用作计算装置以执行本文描述的功能和方法。控制单元120可以包括一个或多个处理器122、i/o装置124、收发器126和存储器装置128。处理器122可以包括任何合适的处理装置，例如微处理器、微控制器、集成电路、逻辑装置或其他合适的处理装置。处理器122可用于执行或协助执行本文描述的处理、方法、功能和技术的步骤，以及用于控制各种通信、决策、程序、内容、列表、服务、接口、日志记录、报告等。此外，一个或多个处理器122可以访问存储器装置128，该存储器装置128可以存储由处理器122实施的指令132、代码等，以实施预期功能。
38.存储器装置128通常包括由至少处理器122访问的一个或多个处理器可读和/或计算机可读介质，并且可以包括易失性和/或非易失性介质，例如ram、rom、eeprom、闪存和/或其他存储器技术。此外，存储器装置128被示为在控制单元120的内部；然而，存储器装置128可以是内部存储器、外部存储器，或内部存储器和外部存储器的组合。类似地，一些或所有存储器装置128可以是处理器122的内部存储器、外部存储器，或内部存储器和外部存储器的组合。存储器装置128可以是基本上任何相关的存储器，例如但不限于固态存储装置或驱动器，硬盘驱动器，通用串行总线(usb)棒或驱动器、闪存安全数字(sd)卡、其他存储卡中的一个或多个，以及其他此类存储器或两个或更多个此类存储器的组合，并且一些或全部存储器可以分布在计算机网络上的多个位置。存储器装置128可以存储数据130，例如代码、软件、可执行文件、脚本、数据、内容、列表、编程、程序、日志或历史数据、发动机信息、部件信息等。尽管图1示出了各种部件经由总线联接在一起，但是应当理解，各种部件实际上可以直接联接到控制单元120和/或一个或多个其他部件。
39.通常，控制单元120还包括一个或多个通信接口、端口或收发器126等，从而允许控制单元120通过通信总线、分布式计算机和/或通信网络(例如，局域网(lan)、互联网、广域网(wan)等)与其他装置通信，和/或通过其他此类通信方法或两种或更多种此类通信方法的组合进行通信。此外，收发器126可以被构造用于有线、无线、光缆、光纤电缆、卫星或其他此类通信构造，或两种或更多种此类通信的组合。
40.i/o装置124可以是任何相关端口或端口组合，例如但不限于usb、以太网或其他此类端口。i/o装置124可以被构造为允许有线和/或无线通信联接到外部部件。例如，i/o装置124可以提供有线通信和/或无线通信(例如，wi-fi、蓝牙、蜂窝、rf和/或其他此类无线通信)，并且在一些情况下可以包括任何合适的有线和/或无线接口装置、电路和/或连接装置，例如但不限于一个或多个发射器、接收器、收发器或两个或更多个此类装置的组合。
41.在一些实施例中，系统100还可以包括一个或多个用户接口134。用户接口134可以
被构造为允许用户与系统100交互并通过系统100接收信息。在一些情况下，用户接口134包括显示器136和/或一个或多个用户输入138，例如按钮、触摸屏、轨迹球、键盘、鼠标等，它们可以是系统100的一部分或与系统100有线或无线联接。可以设想，与传感器118、轴驱动齿轮箱104和/或联接到轴驱动齿轮箱104的部件106、108、110、112、114、116有关的消息、警告、警报和/或其他信息可以经由用户接口134呈现给用户。
42.在操作中，系统100可以监测联接到轴驱动齿轮箱104的部件106、108、110、112、114、116中的一个或多个。特别地，传感器118可以收集部件106、108、110、112、114、116中的一个或多个部件的振动数据。在一个实施例中，传感器118安装在轴驱动齿轮箱104上，并且具体地，传感器118安装在备用发电机108附近。传感器118可以使用任何合适的安装技术(例如使用螺钉和螺栓的螺柱安装，螺栓法兰安装，使用环氧树脂、蜡、胶带等的粘合剂安装，或磁安装)安装到轴驱动齿轮箱104。使用环氧树脂、蜡、胶带等的粘合剂安装可以被使用，例如，用于临时或短期监测。螺栓安装或螺栓法兰安装可用于例如高温或高振动位置安装。在一些实施例中，传感器118也可以在部件内部。在这种构造中，传感器118定位成远离空气涡轮启动器106。当传感器118如此定位时，传感器118可以例如收集与空气涡轮启动器106相关联的振动数据。由传感器118收集的振动数据可以由控制单元120处理，以提取与空气涡轮启动器106相关联的一个或多个特性(见例如图8-12)。控制单元120可以被构造成基于其设计和相关联的轴承设计来对与空气涡轮启动器106相关联的特性进行趋势分析，并且基于特性的趋势来检测与空气涡轮启动器106或相关联的轴承相关联的一个或多个故障。
43.在另一个实施例中，传感器118安装在轴驱动齿轮箱104上，具体而言，传感器118安装在备用发电机108附近。在这种构造中，传感器118定位成远离空气涡轮启动器106、液压泵110、集成驱动发电机112、燃料计量单元114和多功能探头116。当传感器118如此定位时，传感器118可以例如收集与空气涡轮启动器106、液压泵110、集成驱动发电机112、燃料计量单元114和多功能探头116相关联的振动数据。特别地，传感器118可以收集与空气涡轮启动器轴承106a、备用发电机轴承108a、液压泵轴承110a、集成驱动发电机轴承112a、燃料计量单元轴承114a和多功能探头轴承116a中的至少一个相关联的数据(例如，振动数据)。由传感器118收集的振动数据可以通过控制单元120处理，以提取与每个轴承106a、108a、110a、112a、114a、116a、117a相关联的一个或多个特性(参见例如图6-8)。控制单元120可以对与每个轴承相关联的特性进行趋势分析，并且基于趋势来检测与每个轴承相关联的一个或多个故障。
44.此外，传感器118可以收集与空气涡轮启动器轴106b、备用发电机轴108b、液压泵轴110b、集成驱动发电机轴112b、燃料计量单元轴114b、多功能探头轴116b和交流发电机轴117b中的至少一个相关联的数据(例如，振动数据)。由传感器118收集的振动数据可以通过控制单元120处理，以提取与每个轴106b、108b、110b、112b、114b、116b、117b相关联的一个或多个特性(见例如图6-8)。控制单元120还可以对与每个轴相关联的特性(例如每转一次的振动)进行趋势分析，并基于趋势来检测每个轴的一个或多个故障。
45.在一些方法中，控制单元120可以至少部分地基于由传感器118检测到的振动响应和/或部件的特性趋势来识别与一个或多个部件106、108、110、112、114、116相关联的故障、缺陷或失效风险。此外，控制单元120可以基于由传感器118检测到的振动响应、部件的特性
趋势和/或识别到的故障、缺陷或失效风险来产生一个或多个消息、警告或警报。例如，控制单元120可以生成传达特定部件到期维护的警报。在另一示例中，控制单元120可以生成标识与一个或多个部件106、108、110、112、114、116相关联的故障、缺陷或失效风险的消息。在另一个示例中，控制单元120可以生成部件的振动响应在基线操作范围之外的警报。
46.在一些实施例中，系统100可以至少部分地基于由传感器118收集的振动数据来向用户接口134传送警报。在一个示例中，当系统100检测到故障时，系统100可以向用户接口134传送警报。例如，故障可能发生在与部件106、108、110、112、114、116、117中的一个相关联的空气涡轮启动器106或轴承中。在另一示例中，当系统100检测到部件106、108、110、112、114、116、117(或部件的一部分，诸如轴承106a、108a、110a、112a、114a、116a、117a)的特性超过阈值时，系统100可以向用户接口134发送警报。在另一示例中，当系统100检测到部件106、108、110、112、114、116、117(或部件的一部分，诸如轴承106a、108a、110a、112a、114a、116a、117a)的特性已经偏离基线操作范围时，系统100可以向用户接口134发送警报。
47.图2描绘了示例性轴驱动齿轮箱200。轴驱动齿轮箱200包括经由部件轴206联接到齿轮系208的部件204。部件轴由轴承212、214支撑。齿轮系208安装在底盘(chassis)210上并由驱动轴202驱动。驱动轴202可以由任何合适的动力源提供动力。
48.传感器216(其可以是振动传感器)和速度传感器218安装到底盘210。传感器216可操作以测量与基于齿轮系的系统200的一个或多个部分相关联的振动数据。传感器216可以是振动传感器，例如加速度计。设想传感器216可以是用于测量部件的机械变量(包括冲击、振动等)变化的任何其他传感器。传感器216可以实施或适应多种振动传感器技术，例如速度、冲击、加速度或集成电子压电传感器，以监测振动。速度传感器218可操作以测量驱动轴202的旋转速度和/或齿轮系208的速度。在一个实施例中，传感器216可用于收集与以下中的至少一个相关联的振动数据：驱动轴202、部件204、部件轴206、驱动系208、轴承212、214和底盘210。可以处理振动数据以提取驱动轴202、部件204、部件轴206、驱动系208、轴承212、214或底盘210的一个或多个特性，例如图6-8中所述。
49.图3描绘了燃气涡轮发动机的另一个示例性附件齿轮箱300。特别地，图3示出了联接到附件齿轮箱200的部件的示例性位置。附件齿轮箱300是包括在图1的系统100中的附件齿轮箱104的一个示例性实施例。在图3中，附件齿轮箱300经由入口齿轮箱302联接到燃气涡轮发动机的轴301。入口齿轮箱302还经由径向驱动轴304联接到传动齿轮箱306。传动齿轮箱306经由水平驱动轴308联接到附件齿轮箱300。水平驱动轴308驱动附件齿轮箱外壳334内的齿轮系。各种部件可以联接到附件齿轮箱300的驱动系，各种部件中的每一个都包括指定的轴和指定的轴承(图3中未示出)。在示例性附件齿轮箱300中，空气涡轮启动器320、集成驱动发电机326、燃料计量单元324和多功能探头322联接到附件齿轮箱300的第一侧。备用发电机310和液压泵328、330联接到附件齿轮箱300的第二侧。
50.附件齿轮箱300还包括传感器332，例如振动传感器。传感器332可以是振动传感器，例如加速度计。设想传感器332可以是用于测量部件的机械变量(包括冲击、振动等)变化的任何其他传感器。传感器332可以实施或适应多种振动传感器技术，例如速度、冲击、加速度或集成电子压电传感器，以监测振动。传感器332安装在附件齿轮箱外壳334上。传感器332定位成靠近备用发电机310。在图3中，传感器332定位成最大化对备用发电机310的灵敏度，然而，设想传感器可以定位成最大化对联接到附件齿轮箱300的另一个部件的灵敏度。
在该示例性附件齿轮箱构造中，传感器332定位成远离空气涡轮启动器320、集成驱动发电机326、燃料计量单元324、多功能探头322和液压泵328、330。
51.传感器332可用于收集与联接到附件齿轮箱300的一个或多个部件(或联接到附件齿轮箱300的部件的部分)相关联的振动数据。也就是说，传感器332可用于收集与空气涡轮启动器320、集成驱动发电机326、燃料计量单元324、多功能探头322和液压泵328、330中的一个或多个相关联的振动数据。还设想传感器332可用于收集与空气涡轮启动器320、集成驱动发电机326、燃料计量单元324、多功能探头322和液压泵328、330中的一个或多个的相应轴承相关联的振动数据。
52.在一个实施例中，传感器332可用于收集与空气涡轮启动器320相关联的振动数据。与空气涡轮启动器320相关联的振动数据可以被处理，以提取空气涡轮启动器320的一个或多个特性，例如在图6-8中所描述的。空气涡轮启动器320的一个或多个特性可包括例如空气涡轮启动器的涡轮轴的振动响应(例如每转一次的响应，有时称为“每转一次(one per rev)”)、空气涡轮启动器的涡轮叶轮的振动响应(例如，每转一次)、空气涡轮启动器的涡轮叶轮的叶片通过频率、以及空气涡轮启动器的超越轴承的滚珠通过频率。图5描绘了示例性空气涡轮启动器500及其部件，并且将在下面更详细地描述。
53.在另一个实施例中，传感器332可用于收集与联接到附件齿轮箱300的部件的轴承相关联的振动数据。可以处理振动数据以提取轴承的一个或多个特性，例如图6-8中所描述的。轴承的一种或多种特性可以包括例如轴承的能量、功率谱密度和滚珠通过频率。
54.在另一个实施例中，传感器332可用于收集与联接到附件齿轮箱300的部件的轴相关联的振动数据。可以处理振动数据以提取轴的一个或多个特性，例如图6-8中所描述的。
55.图4描绘了安装到燃气涡轮发动机的附件齿轮箱400的传感器402的示例性位置。图4的附件齿轮箱400是图3中所示的附件齿轮箱300的侧面立体图。注意，并非联接到图3中的附件齿轮箱300的所有部件都在图4中示出。在一些实施例中，传感器402可以是振动传感器，例如加速度计。设想传感器402可以是用于测量部件的机械变量(包括冲击、振动等)变化的任何其他传感器。传感器402可以实施或适应多种振动传感器技术，例如速度、冲击、加速度或集成电子压电传感器，以监测振动。在图4中，传感器402安装到附件齿轮箱外壳406。传感器402定位成靠近联接到附件齿轮箱400的备用发电机404。此外，传感器402定位成远离联接到附件齿轮箱400的其他部件(未示出)。在这样的位置中，传感器402可以例如监测备用发电机404的一个或多个特性。此外，传感器402可以监测联接到附件齿轮箱400的其他部件的一个或多个特性。设想传感器402可以定位在附件齿轮箱400上，以最大化用于测量与附件齿轮箱400上的特定部件相关联的一个或多个特性的传感器402的灵敏度。
56.图5描绘了示例性空气涡轮启动器(ats)500的简化部件。空气涡轮启动器500可以联接到轴驱动齿轮箱(图5中未示出)，例如图1-3中所描绘的那些。定位在轴驱动齿轮箱上的传感器(例如图3和图4中描绘的可以是振动传感器的传感器(332、302))可用于监测空气涡轮启动器500的一个或多个特性。空气涡轮启动器500经由齿轮系510联接到驱动轴512。齿轮系510位于轴驱动齿轮箱(例如图3和图4中描绘的附件齿轮箱)中。齿轮系510可以进一步联接(例如，经由齿轮联接器)到ats涡轮轴508(例如，ats水平驱动轴，诸如图3中描绘的ats水平驱动轴308)。通常，ats涡轮轴508是花键杆并插入齿轮系510中的齿轮的中心或与齿轮的边缘齿配合。行星齿轮系统506将ats涡轮轴508联接到ats涡轮叶轮504。涡轮叶轮
504包括叶片502。ats涡轮叶轮轴504包括ats涡轮叶轮轴轴承514、516。ats涡轮轴508包括ats涡轮轴轴承518、520。
57.在操作中，加压空气使叶片502旋转以转动ats涡轮叶轮504。ats涡轮叶轮504又驱动ats涡轮轴508。ats涡轮轴508驱动齿轮系510，齿轮系510提供驱动扭矩以旋转轴512，轴512可以联接到发动机或电动机。在空气涡轮启动器500的操作期间，安装在轴驱动齿轮箱上的传感器(例如图3中描绘的传感器(332、302))可以获取与ats涡轮叶轮504、ats涡轮轴508、叶片502、ats涡轮叶轮轴轴承514、516和ats涡轮轴轴承518、520中的一个或多个相关联的振动数据。
58.在一些实施例中，驱动齿轮510的齿轮比可用于缩放由安装在轴驱动齿轮箱上的传感器获取的原始振动数据。例如，如果驱动齿轮510的齿轮比为1.276，则振动数据可以按1.276的系数缩放以获得ats涡轮轴508的振动响应。此外，可以使用行星齿轮系统506的齿轮比。例如，如果行星齿轮系统506的齿轮比为6.933，则振动数据将按1.276*6.933的系数缩放以获得ats涡轮叶轮504的振动响应。可以设想，以这种方式，安装到轴驱动齿轮箱的单个传感器可以监测空气涡轮启动器的多个不同部件的振动响应。
59.图6描绘了用于监测联接到发动机(或电动机)的轴驱动齿轮箱的部件的示例性方法600。方法600可以例如由图1中描绘的系统100来执行。特别地，方法600可以由控制器单元(例如图1中的控制单元120)实施。经由方法600监测的部件可以包括联接到发动机(或电动机)的轴驱动齿轮箱的任何部件。例如，该部件可以包括空气涡轮启动器(106、320)、备用发电机(108、310、404)、液压泵(110、328、330)、集成驱动发电机(112、326)、燃料计量单元(114、324)和多功能探头(116、322)中的一个或多个，例如图1-3中描绘的那些。如本文所使用的，该部件还可以包括轴承、轴或部件的联接到轴驱动齿轮箱的任何其他部分。
60.参考图6，方法600描绘了监测联接到发动机或电动机的轴驱动齿轮箱的部件的方法，特别是监测联接到轴驱动齿轮箱中的驱动系的部件的方法。方法600包括在602处收集与轴驱动齿轮箱相关联的速度数据。速度数据可以包括联接到轴驱动齿轮箱或轴驱动齿轮箱中的驱动系的驱动轴的速度。速度数据可以包括例如驱动轴的每秒转数(“rps”)。在一些实施例中，轴驱动齿轮箱可以与发动机或电动机相关联，并且速度数据可以反映发动机或电动机的操作速度。速度数据可用于优化传感器的数据捕获点。即，速度数据可用于确定以何种速度提取联接到轴驱动齿轮箱的特定部件的特性。例如，当部件是轴承时，可以使用速度数据来识别轴承在哪个速度下满载并且没有滑动。在一些实施例中，可以在发动机或电动机以亚怠速操作时提取部件的特性。在一些实施例中，当部件是空气涡轮启动器时，当速度在最大速度或起燃的约15％至约35％之间时，可以提取空气涡轮启动器的特性，因为空气涡轮启动器通常在这个操作范围中完全接合。
61.方法600还可以包括在604处收集由传感器(诸如振动传感器)获取的振动数据。获取振动数据的传感器可以定位在轴驱动齿轮箱上。传感器还可以定位成远离联接到轴驱动齿轮箱的部件，也就是说，传感器可以定位成远离要经由方法600监测的部件。在一些实施例中，传感器定位成靠近联接到轴驱动齿轮箱的备用发电机。
62.方法600还可以包括在606处处理振动数据以提取联接到轴驱动齿轮箱的部件(或部件的一部分，例如部件的轴或轴承)的特性。部件的特性可以包括部件的振动响应、与部件的轴承相关联的能量、与部件的轴承相关联的功率谱密度、部件的轴承的滚珠通过频率、
部件的每转一次，或部件的齿轮啮合频率中的一个或多个。表1提供了可用于在606处处理振动数据和/或速度数据的一个或多个数据处理函数的示例。
63.表1
[0064][0065]
在提取部件的特性之后，可以在608处对部件的特性和速度数据进行趋势分析。在608处进行趋势分析可以使用诸如统计分析、机器学习的技术或用于识别数据中的模式、趋势或相关性的其他合适技术来发生。在部件特性和速度数据中获得的趋势可用于建立例如在特定速度下的部件特性的基线操作参数。此外，部件特性和速度数据的趋势也可以用于建立部件特性的阈值。因此，可以在610处至少部分地基于部件特性和速度数据的趋势来检测与部件相关联的至少一个故障或缺陷。还可以至少部分地基于部件特性和速度数据的趋势来识别与部件相关联的至少一种维护动作。
[0066]
转向图7，描述了监测联接到发动机(或电动机)的轴驱动齿轮箱的部件的方法700的进一步方面。图7中的方法700可以结合图6中描述的方法600来进行。
[0067]
方法700包括在702处为联接到轴驱动齿轮箱的部件或特别是联接到轴驱动齿轮箱内的齿轮系的部件的特性建立阈值。在一些实施例中，方法700还可以包括为联接到轴驱动齿轮箱的部件或特别是联接到轴驱动齿轮箱内的齿轮系的部件的特性建立基线操作范围。如参考图6所讨论的，部件的特性可以通过在602处经由安装在轴驱动齿轮箱上的传感器收集振动数据来确定。接下来，方法700包括在704处通过将部件的当前特性与阈值(或者，在一些实施例中，与基线操作范围)进行比较来检测至少一个故障。
[0068]
最后，方法700可以包括在706处使警报被通信到与发动机(或电动机)相关联的用户接口。在一些实施例中，当部件的当前特性超过部件特性的阈值时，可以通信警报。在其他实施例中，当与部件特性的基线操作范围有偏差时，可以通信警报或消息。在一些示例中，该消息可以通信特定的维护动作。设想还可以基于与基线操作范围的偏差来检测联接
到轴驱动齿轮箱的部件中的一个或多个故障。
[0069]
在一些实施例中，方法700还可以包括引起轴驱动齿轮箱的一个或多个操作参数的改变。方法700还可以包括引起与轴驱动齿轮箱相关联的发动机(或电动机)的操作参数的改变。在一个示例中，当部件的当前特性超过部件特性的阈值时，操作参数的改变可以自动发生。在其他实施例中，当与部件特性的基线操作范围有偏差时，操作参数的改变可以自动发生。操作参数的改变可以是例如与轴驱动齿轮箱相关联的速度改变、发动机(或电动机)节气门位置或发动机(或电动机)关闭程序的改变。
[0070]
参考图8，描述了监测联接到轴驱动齿轮箱的部件，或者具体地，监测联接到轴驱动齿轮箱中的驱动系的部件的方法800的进一步方面。在一些实施例中，轴驱动齿轮箱可以与发动机(或电动机)相关联。图8描述了用于处理由联接到轴驱动齿轮箱的传感器收集的振动数据的进一步方法。图8中还描述了用于处理速度数据的方法。方法800包括收集输入数据。特别地，方法800包括在802处收集由定位在发动机(或电动机)的轴驱动齿轮箱上的传感器获取的振动数据。此外，方法800包括在804处收集与轴驱动齿轮箱相关联的速度数据。设想速度数据可以由包括在轴驱动齿轮箱的驱动系或齿轮系中的任何地方的速度传感器收集。速度传感器可以测量沿驱动系或齿轮系的任何地方的速度，并且该速度可以经由标量与联接到驱动系或齿轮系的任何部件相关联。在一些方法中，可以经由定位在轴驱动齿轮箱上的速度传感器获取速度数据。速度数据可以包括发动机(或电动机)的初级轴或核心轴的旋转速度，例如以每秒旋转数或rps为单位。对于涡轮发动机(或电动机)，速度数据还可以包括涡轮发动机(或电动机)的风扇轴(n1)或核心轴(n2)的旋转速度，例如以rps为单位。速度数据还可以包括轴驱动齿轮箱的驱动轴或轴驱动齿轮箱的齿轮系的速度，例如旋转速度。在一些实施例中，速度数据可以是同步速度数据。
[0071]
除了收集输入数据之外，方法800还包括处理输入数据的步骤。特别地，方法800包括在806处使速度数据去相。方法800还包括在808处包络(enveloping)振动数据。808处的包络可以包括例如幅度解调以衰减来自高频内容的影响。在实施例中，808处的包络可以去除低频高振幅信号并检测低振幅高频分量以增强振动特征。在一些方法中，808处的包络可以使用希尔伯特变换方法来进行。此外，在810处处理振动数据以提取与联接到轴驱动齿轮箱的部件相关联的功率谱密度。在一种方法中，方法800可以使用welch方法来基于收集的振动数据计算功率谱密度。方法800还可以包括在812处使速度数据去趋势。最后，方法800包括在814处从功率谱密度中提取部件的特征。在一些方法中，方法800可以包括从谱(例如从由传感器检测到的振动谱)中提取部件的特征。
[0072]
图9-12示出了从振动数据中提取的特性的示例性趋势。图9-12中的数据是使用本文描述的系统和方法的实施例获得的示例性测试数据。
[0073]
图9a和9b包括ats涡轮轴的特性的图形描绘。具体而言，根据一些实施例，图9a和9b中描绘的ats涡轮轴的特性是由安装在燃气涡轮发动机的附件齿轮箱的底盘上的振动传感器收集的示例性振动数据。因此，由用于收集振动数据的振动传感器获得的数据定位成远离空气涡轮启动器。
[0074]
参考图9a，曲线图900描绘了在发动机启动期间作为时间函数的ats轴的振动响应902。在曲线图900中，x轴代表时间，y轴代表ats涡轮轴的振动响应902(例如，以重力常数g为单位表示)和ats涡轮轴每转一次频率904(例如，以赫兹(hz)表示)。曲线图900描绘了作
为时间函数的ats涡轮轴每转一次频率904和ats涡轮轴的振动响应902。即，曲线图900以时域表示描绘了振动数据。曲线图910描绘了作为ats涡轮轴每转一次频率的函数的ats涡轮轴的振动响应906。在曲线图910中，x轴代表ats涡轮轴每转一次频率(例如，以赫兹(hz)表示)，并且y轴代表ats涡轮轴的振动响应906(例如，以g表示)。即，曲线图910以频域表示描绘了振动数据。在一些实施例中，可以通过以周期间隔执行快速傅里叶变换(fft)来将振动数据从时域表示变换到频域表示。
[0075]
图10a和10b是ats涡轮叶轮的特性的图形描绘。特别地，图10a和10b中描绘的ats涡轮叶轮的特性是由安装在燃气涡轮发动机的附件齿轮箱的底盘上的振动传感器收集的振动数据的示例性实施例。在这样的实施例中，用于收集振动数据的振动传感器定位成远离空气涡轮启动器。
[0076]
参考图10a，曲线图920描绘了在发动机启动期间作为时间函数的ats涡轮叶轮的振动响应922。在曲线图920中，x轴代表时间，y轴代表ats涡轮叶轮的振动响应922(例如，以重力常数g为单位表示)和ats叶轮每转一次频率924(例如，以赫兹(hz)表示)。曲线图920描绘了作为时间函数的ats叶轮每转一次频率904和ats涡轮叶轮的振动响应922。即，曲线图920以时域表示描绘了振动数据。曲线图930描绘了作为ats叶轮每转一次频率的函数的ats涡轮叶轮的振动响应926。在曲线图930中，x轴代表ats叶轮每转一次频率(例如，以赫兹(hz)表示)，并且y轴代表ats涡轮叶轮的振动响应926(例如，以g表示)。即，曲线图930以频域表示描绘了振动数据。在一些实施例中，可以通过以周期间隔执行快速傅里叶变换(fft)来将振动数据从时域表示变换到频域表示。
[0077]
图11a和11b是附件齿轮箱的功率谱密度和ats轴承的轴承能量的图形描绘。具体地，根据一些实施例，图11a和11b中描绘的功率谱密度数据和轴承能量数据是经由通过安装在燃气涡轮发动机的附件齿轮箱的底盘上的振动传感器收集的振动数据获得的。在该实施例中，用于收集振动数据的振动传感器定位成远离空气涡轮启动器。
[0078]
参考图11a，曲线图940描绘了经由安装到附件齿轮箱的振动传感器获得的振动信号的功率谱密度。在曲线图940中，x轴代表频率的阶，y轴代表附件齿轮箱的功率谱密度(例如，以g2/hz表示)。曲线图940的y轴上的竖直线代表与联接到附件齿轮箱的一个或多个轴承相关联的响应。曲线图950描绘了ats轴承的能量。功率谱密度和能量在阶域中描述。在曲线图950中，x轴代表频率的阶，y轴代表空气涡轮启动器轴承的能量(例如，以g2/hz表示)。特别地，曲线图950描绘了空气涡轮启动器轴承的滚动元件能量。曲线图950的y轴上的竖直线代表与空气涡轮启动器轴承相关联的响应。
[0079]
图12a和12b是ats轴承的特性的图形描绘。具体地，根据一些实施例，图12a和12b中描绘的ats轴承的特性经由通过安装在燃气涡轮发动机的附件齿轮箱的底盘上的振动传感器收集的振动数据获得。在该实施例中，用于收集振动数据的振动传感器定位成远离空气涡轮启动器。
[0080]
参考图12a，曲线图960描绘了经由安装到附件齿轮箱的振动传感器获得的振动信号的功率谱密度。在曲线图940中，x轴代表频率的阶，y轴代表附件齿轮箱的功率谱密度(例如，以g2/hz表示)。曲线图960的y轴上的竖直线代表与联接到附件齿轮箱的一个或多个轴承相关联的响应。曲线图970描绘了燃气涡轮发动机的轴上的轴承的能量。特别地，曲线图970描绘了燃气涡轮发动机的轴上的轴承的外圈能量。功率谱密度和能量在阶域中描述。在
曲线图970中，x轴代表阶，y轴代表燃气涡轮发动机的轴上的轴承的能量(例如，以g2/hz表示)。曲线图970的y轴上的竖直线代表与燃气涡轮发动机的轴上的轴承相关联的响应。
[0081]
本发明的进一步方面由以下条项的主题提供：
[0082]
一种用于监测联接到轴驱动齿轮箱中的齿轮系的部件的系统，所述系统包括：振动传感器，所述振动传感器机械连结到所述轴驱动齿轮箱，所述振动传感器定位成远离所述部件；速度传感器；以及控制单元，所述控制单元具有至少一个处理器和至少一个存储器装置，所述至少一个存储器装置存储指令，当所述指令由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器进行操作，所述至少一个处理器被构造为：收集所述齿轮系的速度数据，所述速度数据由所述速度传感器获取；收集由所述振动传感器获取的振动数据；处理所述振动数据以提取所述部件的特性；对所述部件的所述特性和所述速度数据进行趋势分析；以及至少部分地基于所述部件的所述特性和所述速度数据的趋势来检测与所述部件相关联的至少一个响应。
[0083]
根据任何前述条项所述的系统，其中，所述振动传感器安装在所述轴驱动齿轮箱的底盘上，并且其中，备用发电机联接到所述轴驱动齿轮箱，所述振动传感器定位成靠近所述备用发电机。
[0084]
根据任何前述条项所述的系统，其中，至少一个处理器进一步被构造为至少部分地基于至少一个检测到的响应来识别与所述部件相关联的故障、缺陷和失效风险中的至少一个。
[0085]
根据任何前述条项所述的系统，其中，所述部件是以下中的至少一个：空气涡轮启动器、备用发电机、液压泵、集成驱动发电机、燃料计量单元、多功能探头和交流发电机。
[0086]
根据任何前述条项所述的系统，其中，所述部件的所述特性是以下中的至少一个：所述部件的振动响应、与所述部件的轴承相关联的能量、与所述部件的轴承相关联的功率谱密度、所述部件的轴承的滚珠通过频率、所述部件的轴的振动响应和齿轮啮合频率。
[0087]
根据任何前述条项所述的系统，其中，所述控制单元进一步被构造成为所述部件的所述特性建立阈值，并且其中，所述阈值至少部分地基于所述部件的所述特性和所述速度数据的趋势。
[0088]
根据任何前述条项所述的系统，其中，所述系统进一步通过将所述部件的当前特性与所述阈值进行比较来识别至少一个故障或维护动作。
[0089]
根据任何前述条项所述的系统，其中，所述控制单元进一步被构造为当所述部件的当前特性超过所述阈值时，使警报或维护动作被通信到与所述轴驱动齿轮箱相关联的用户接口。
[0090]
根据任何前述条项所述的系统，其中，所述控制单元进一步被构造为提取以下中的至少一项：空气涡轮启动器的轴承的滚珠通过频率、空气涡轮启动器轴的振动响应以及空气涡轮启动器涡轮叶轮的振动。
[0091]
一种监测联接到发动机的轴驱动齿轮箱的部件的方法，所述方法包括：收集由机械连结到所述轴驱动齿轮箱的振动传感器获取的振动数据，所述振动传感器定位成远离所述部件；收集由速度传感器获取的速度数据；处理所述振动数据以提取所述部件的特性；对所述部件的所述特性和所述速度数据进行趋势分析；以及至少部分地基于所述部件的所述特性和所述速度数据的趋势来检测与所述部件相关联的至少一个响应。
[0092]
根据任何前述条项所述的方法，其中，所述部件是以下中的至少一个：空气涡轮启动器、备用发电机、液压泵、集成驱动发电机、燃料计量单元、多功能探头和交流发电机。
[0093]
根据任何前述条项所述的方法，其中，所述部件的所述特性是以下中的至少一个：所述部件的振动响应、与所述部件的轴承相关联的能量、与所述部件的轴承相关联的功率谱密度、所述部件的轴承的滚珠通过频率、所述部件的轴的振动响应和齿轮啮合频率。
[0094]
根据任何前述条项所述的方法，进一步包括为所述部件的所述特性建立阈值，其中，所述阈值至少部分地基于所述部件的所述特性和所述速度数据的趋势。
[0095]
根据任何前述条项所述的方法，其中，检测包括将所述部件的当前特性与所述阈值进行比较。
[0096]
根据任何前述条项所述的方法，进一步包括：当所述部件的当前特性超过所述阈值时，使警报通信到与所述发动机相关联的用户接口。
[0097]
根据任何前述条项所述的方法，其中，所述振动传感器安装在所述轴驱动齿轮箱的底盘上，所述振动传感器定位成靠近备用发电机，所述备用发电机联接到所述轴驱动齿轮箱。
[0098]
一种用于监测与轴驱动齿轮箱中的齿轮系相关联的部件的方法，所述方法包括：通过定位在所述齿轮系上的速度传感器收集所述轴驱动齿轮箱的轴的速度数据；收集由机械连结到所述轴驱动齿轮箱的振动传感器获取的振动数据，所述振动传感器远离所述部件；处理所述振动数据以提取与所述轴驱动齿轮箱相关联的功率谱密度；将所述速度数据去趋势；以及从所述功率谱密度中提取所述部件的特征。
[0099]
根据任何前述条项所述的方法，进一步包括使所述速度数据去相。
[0100]
根据任何前述条项所述的方法，进一步包括包络所述振动数据。
[0101]
根据任何前述条项所述的方法，进一步包括以下中的至少一个：至少部分地基于所述部件的所述特征来识别以下中的至少一个：与所述部件相关联的故障、缺陷和失效风险；以及至少部分地基于所述部件的所述特征来生成以下中的至少一个：与所述部件相关联的消息、警告和警报。
[0102]
本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，还可以对上述实施例进行多种其他修改、变化和组合，并且这些修改、变化和组合被视为在本发明概念的范围内。