一种在用齿轮箱磨损状态可视监测系统及其监测方法
【专利摘要】一种在用齿轮箱磨损状态在线可视监测系统，包括：监测动力源、恒温模块、传感器模块、数据采集ARM模块、数据传输、数据远程分析处理；监测动力源连接恒温模块，恒温模块连接传感器模块与数据采集ARM模块，数据采集ARM模块分别连接监测动力源、传感器模块、数据传输，数据传输连接数据远程分析处理。实现对齿轮箱磨损状态的实时监测，得到其在运行过程中润滑摩擦相关数据；整个监测过程在对油液系统进行监测时采用闭路循环，监测过油样的重新返回系统，对油品不进行任何损伤；采用嵌入式ARM芯片组作为数据采集控制模块核心，完成采集、控制、传输等功能；数据以图片形式对异常磨损进行采集和分析，为摩擦故障分析提供判断依据。
【专利说明】
一种在用齿轮箱磨损状态可视监测系统及其监测方法
技术领域
[0001]本发明属于大型能动设备状态监测技术领域，涉及一种大型齿轮箱运转状态监测系统，尤其涉及一种在用齿轮箱磨损状态可视监测系统及其监测方法。
【背景技术】
[0002]随着全球性能源危机和环境污染问题的日益严重，作为绿色能源的风能已受到世界各国的高度关注，我国中长期规划明确支持“重点研究开发大型风力发电设备”，风电装备由此得到了迅猛发展。根据目前的增长趋势，世界风能协会预测到2020年底，全球装机容量至少为1.9X106MW。中国则继续在世界风能发展中发挥领军作用。与此同时，全球海上风电也实现了持续增长，海上风电总的装机容量占全球风电装机容量的1.2%。
[0003]在风电迅猛发展的同时，风力机高额的运行维护成本影响了风场的经济效益。风场一般地处偏远、环境恶劣，并且机舱位于60?90 m以上的高空，给机组的维护维修工作造成了困难，从而增加了机组的运行维护成本。对于工作寿命为20年的机组，运行维护成本大约占到风场收入的10%?15%;对于海上风场，用于风力机运行维护的成本高达风场收入的20%?25%。高额的运行维护费用增加了风场的运营成本，降低了风电的经济效益。因此，无论是从降低风力机的运行风险，还是减少运作成本的角度考虑，都需要大力发展和提高风力机状态监测和故障诊断技术。增速齿轮箱做为风力机的能量传动部位在运行过程中收到环境因素影响较为明显，由于所处部位的特殊性造成其在运行过程中容易出现异常磨损及损坏，从而造成停机，给风场的运营造成难以估量的经济损失。因此，针对现有齿轮箱运行磨损状态可视监控系统的开发和研制，是目前对齿轮箱的状态监测和故障分析亟待解决的问题之一。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种对齿轮箱的粘度、磨损颗粒分布及浓度、磨损颗粒图形照片等项实时监测的在用齿轮箱磨损状态可视监测系统及其监测方法。
[0005]本发明的技术方案是:一种在用齿轮箱磨损状态在线可视监测系统，包括:监测动力源、恒温模块、传感器模块、数据采集ARM模块、数据传输、数据远程分析处理;监测动力源连接恒温模块，恒温模块连接传感器模块与数据采集ARM模块，数据采集ARM模块分别连接监测动力源、传感器模块、数据传输，数据传输连接数据远程分析处理。
[0006]监测动力源包括:电动阀、微型齿轮栗、调速模块、启停模块、油样防堵塞块;恒温模块包括:加热源、强制风冷器；电动阀连接微型齿轮栗，微型齿轮栗分别和调速模块、启停模块、油样防堵塞块连接;油样防堵塞块分别和加热源、强制风冷器连接;调速模块、启停模块、加热源、强制风冷器分别和数据采集ARM模块连接。
[0007]传感器模块包括:粘度传感器、金属颗粒传感器、在线铁谱传感器、电动三通球阀、特征样缓冲池、三通、单向阀;粘度传感器分别和油样防堵塞块、金属颗粒传感器连接;金属颗粒传感器和电动三通球阀连接，电动三通球阀分别和特征样缓冲池、三通连接;特征样缓冲池和在线铁谱传感器连接;在线铁谱传感器和三通连接;三通和单向阀连接;单向阀连接监测对象回油管路。
[0008]数据采集ARM模块包括:DC电源转换块、AO输出、ARM、固态继电器、RS232/485接收模块;数据传输包括:RS232串口光纤收发器1、RS232串口光纤收发器Π ;数据远程分析处理包括:上位机PC;DC电源转换块和ARM连接;ARM分别和AO输出、RS232/485接收模块、RS232串口光纤收发器I连接;AO输出和固态继电器连接;RS232串口光纤收发器I和RS232串口光纤收发器Π连接，RS232串口光纤收发器Π和上位机PC连接。
[0009]具体监测方法如下:
(I)油样引入到本系统后，监测动力源对油样进行预处理，采集温度，并借助加热源和强制风冷器将油样温度恒定到40°C ;
(2 )恒温的油样经过粘度传感器和金属颗粒传感器采集数据，数据采集ARM模块控制粘度传感器和金属颗粒传感器的工作状态，分别采集油品的40摄氏度粘度和磨损颗粒浓度及数目，数据采集ARM模块按照规则控制在线铁谱传感器工作；
(3)RS23光纤收发器I和RS232串口光纤收发器Π将采集到的数据发送到上位机PC，上位机PC将数据解析处理并进行显示打印存储；
(4)系统进样口设置电动阀、微型齿轮油栗负责提供监测过程循环动力，启停由数据采集ARM模块通过控制固态继电器来执行，工作模式切换由受控的调速模块调整电机的转速来完成和实现;油样防堵塞块兼容加热动作，数据采集ARM模块获取粘度传感器中的温度来控制加热棒工作的启停，温度超过设定值将通过强制风冷进行降温；
(5)进入粘度传感器后，获取油样的粘度、密度、温度、金属颗粒分布情况及数目等信息，由数据采集ARM模块执行传送传输，并控制在线铁谱传感器工作状态，并将相关的图片信息发送到上位机PC;
(6)采用DC24V供电，DC电源转换块将AC220V转为24V，数据采集ARM模块具备RS232/485通讯功能、传感器发送指令，AO输出控制微型齿轮栗、加热源、电动阀、电动三通球阀；数据采集ARM模块具备数据缓存功能，按照相应的规则发送或上传数据；
(7)控制部分由上位机PC数据库和数据采集ARM模块组成，调取规则写入数据采集ARM模块，数据采集ARM模块根据调取的数据执行相关的动作输出指令;系统具备自动学习功能并按照规则生成异常磨损相关值域。
[0010]
本发明采用上述技术方案后可达到如下的有益效果:
(I)实现了对风机齿轮箱磨损状态的实时监测，得到其在运行过程中的润滑摩擦相关数据；(2)整个监测过程在对油液系统进行监测时采用闭路循环，监测过油样的重新返回系统，对油品不进行任何破坏性检测；(3)采用嵌入式ARM芯片组作为数据采集控制模块核心，完成采集、控制、传输等功能；(4)数据以图片的形式对异常磨损进行采集和分析，为摩擦故障分析提供更为直观的判断依据。
【附图说明】
[0011]图1为本发明一种在用齿轮箱磨损状态可视监测系统的工作原理示意框图；
图2为本发明一种在用齿轮箱磨损状态可视监测系统的运行过程结构示意框图； 图3为本发明一种在用齿轮箱磨损状态可视监测系统的数据传输及控制相关部件工作示意框图。
[0012]图4为本发明一种在用齿轮箱磨损状态可视监测系统的信号实施控制原理示意框图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图进一步说明本发明的具体技术方案。如图1?4所示，一种在用齿轮箱磨损状态在线可视监测系统，包括:监测动力源1、恒温模块2、传感器模块3、数据采集ARM模块4、数据传输5、数据远程分析处理6;监测动力源I连接恒温模块2，恒温模块2连接传感器模块3与数据采集ARM模块4，数据采集ARM模块4分别连接监测动力源1、传感器模块3、数据传输5，数据传输5连接数据远程分析处理6。
[0014]监测动力源I包括:电动阀7、微型齿轮栗8、调速模块9、启停模块10、油样防堵塞块11;恒温模块2包含:加热源12、强制风冷器13;电动阀7连接微型齿轮栗8，微型齿轮栗8分别和调速模块9、启停模块10、油样防堵塞块11连接;油样防堵塞块11分别和加热源12、强制风冷器13连接;调速模块9、启停模块10、加热源12、强制风冷器13分别和数据采集ARM模块4连接。
[0015]传感器模块3包括:粘度传感器14、金属颗粒传感器15、在线铁谱传感器16、电动三通球阀17、特征样缓冲池18、三通19、单向阀20;粘度传感器14分别和油样防堵塞块11、金属颗粒传感器15连接;金属颗粒传感器15和电动三通球阀17连接，电动三通球阀17分别和特征样缓冲池18、三通19连接;特征样缓冲池18和在线铁谱传感器16连接;在线铁谱传感器16和三通19连接;三通19和单向阀20连接;单向阀20连接监测对象回油管路。
[0016]数据采集ARM模块4包括:DC电源转换块21、A0输出22、ARM23、固态继电器24、RS232/485接收模块25 ；数据传输5包括:RS232串口光纤收发器I 26、RS232串口光纤收发器Π 27 ；数据远程分析处理6包括:上位机PC28 ； DC电源转换块21和ARM23连接;ARM23分别和AO输出22、RS232/485接收模块25、RS232串口光纤收发器I 26连接;AO输出22和固态继电器24连接;RS232串口光纤收发器I 26和RS232串口光纤收发器Π 27连接，RS232串口光纤收发器Π27和上位机PC28连接。
[0017]步骤I，将监测对象运行过程中的油样通过管路引入到本系统，首先通过电动阀7进入系统监测动力源I，监测动力源I中的微型齿轮栗8对待检油样进行加压处理，调速模块
9、启停模块10、完成对微型齿轮栗8的控制，完成整个监测过程中的压力损失，为整个监测过程保障相应的循环动力。由于要采集油样的润滑信息(粘度)，按照相关标准需要将油样的温度恒定在40°C，此步骤处理由恒温模块2执行，恒温模块2由加热源12、强制风冷器13具体实施。另外为防止堵塞相关传感器系统，配置油样防堵塞块11对超出监测范围的其它物质进行过滤。(具体工作原理见图2)
步骤2，处理过后的油样经过传感器模块3开始采集相关数据，传感器模块3分别采集粘度传感器14、金属颗粒传感器15、在线铁谱传感器16所具备的功能参数。电动三通球阀17、特征样缓冲池18、三通19、单向阀20在采集过程中起辅助作用(具体见步骤5)，传感器的工作进度由数据采集ARM模块4进行控制，分别采集油品的40摄氏度标准粘度和>40um磁性和非磁性磨损颗粒浓度及数目，数据采集ARM模块4根据相关的规则控制在线铁谱传感器16工作来获取相关的异常磨损图片信息。
[0018]步骤3，数据采集ARM模块4中的RS232/485接收模块25将采集的信息通过数据传输5中的RS232串口光纤收发器I 26、RS232串口光纤收发器Π27和数据远程分析处理6中的上位机PC28进行双向通讯，上位机PC28将数据解析处理并进行显示打印动作，最终将采集到的信息按照时间序列存储到数据库，以便于工作人员查找和分析异常磨损的原因及对设备的指导维护。
[0019]步骤4，如图2所示，油样进入系统前经过电动阀7，用于远程控制开启以及紧急切出微型齿轮栗8负责提供监测过程循环动力，具体有启停模式、告诉冲洗模式、监测循环模式三种形式组成。其中启停模块10由数据采集ARM模块4通过控制固态继电器24来执行，工作模式切换由受控的调速模块9调整电机的转速来完成和实现。
[0020]油样防堵塞块11执行加热动作，加热源采用25W加热源12镶嵌于模块上持续，根据粘度传感器14中的温度变化通过数据采集ARM模块4设定的温度值通过AO输出22控制加热棒工作的启停。如果油样温度超过设定的40°C将开启强制风冷器13进行置换降温。
[0021]步骤5，油样开始进入传感器模块3，获取油样的粘度、密度、温度、金属颗粒分布情况及数目等信息，并通过数据采集ARM模块4传送进行远程传输，如果颗粒数目和浓度超出既定值，开启电动三通球阀17将特征油样引入特征缓冲池。在线铁谱传感器16开始工作将异常颗粒进行收纳和拍照，并将相关的信息发送到上位机PC28。最终检测过的油样通过单向阀并入监测对象滑油系统。
[0022]步骤6，如图3所示:系统内部采用DC24V供电，由DC电源转换块21将AC220V转为24V，ARM23具备RS232/485数据接收通讯功能，向传感器发送工作指令及接收数据。配置AO输出功能，根据相应的评判规则或者上位机PC28的指令控制微型齿轮栗8等动作部件。
[0023]获取的相关数据首先进行自身的缓存，按照上位机PC28的查询指令将数据按照时间序列打包发送给上位机PC28，运行中如出现通讯断开的现象，ARM23会将采得的数据存入本身临时存储机构，超出本身存储量后，将自动停止整个采集动作，等重新建立通讯后根据上位机PC28的指令，发送给上位机PC28。上位机PC28设置通讯异常报警，以便于提醒相关工作人员及时的处理。
[0024]步骤7，如图4所示，系统的控制部分由上位机PC28数据库和数据采集ARM模块4组成，调取数据库所存储的规则写入数据采集ARM模块4，由数据采集ARM模块4根据相关的规则及数值对预处理部分油样恒温、电动阀7的开启换向、微型齿轮栗8的调速启停进行控制；系统启动后开始通过粘度传感器14及金属颗粒传感器15开始采集油样的相关数据;根据数据库存储的数据，由上位机PC28得出异常磨损相关值域后，执行在线铁谱传感器16的相关指令发出；所有数据根据相应的通讯协议，通过RS232串口光纤收发器I 26和RS232串口光纤收发器Π 27传输到上位机PC28进行相应的识别分析。
[0025]各个传感器输出参数如下;粘度传感器14主要采集参数为粘度、密度、介电常数、温度四个参数，金属颗粒传感器15输出参数为300um<磁性磨损颗粒<40um和35um<非磁性磨损颗粒<350um颗粒数目。在线铁谱传感器16输出参数为颗粒面积、浓度、相应的图片。
【主权项】
1.一种在用齿轮箱磨损状态在线可视监测系统，包括:监测动力源(I)、恒温模块(2)、传感器模块(3)、数据采集ARM模块(4)、数据传输(5)、数据远程分析处理(6);其特征在于:监测动力源(I)连接恒温模块(2)，恒温模块(2)连接传感器模块(3)与数据采集ARM模块(4)，数据采集ARM模块(4)分别连接监测动力源(1)、传感器模块(3)、数据传输(5)，数据传输(5)连接数据远程分析处理(6)。2.根据权利要求1所述的一种在用齿轮箱磨损状态在线可视监测系统，其特征在于:监测动力源(I)包括:电动阀(7)、微型齿轮栗(8)、调速模块(9)、启停模块(10)、油样防堵塞块(11);恒温模块(2)包括:加热源(12)、强制风冷器(13);电动阀(7)连接微型齿轮栗(8)，微型齿轮栗(8)分别和调速模块(9)、启停模块(10)、油样防堵塞块(II)连接；油样防堵塞块(11)分别和加热源(12)、强制风冷器(13)连接;调速模块(9)、启停模块(10)、加热源(12)、强制风冷器(13)分别和数据采集ARM模块(4)连接。3.根据权利要求1所述的一种在用齿轮箱磨损状态在线可视监测系统，其特征在于:传感器模块(3)包括:粘度传感器(14)、金属颗粒传感器(15)、在线铁谱传感器(16)、电动三通球阀(17)、特征样缓冲池(18)、三通(19)、单向阀(20);粘度传感器(14)分别和油样防堵塞块(11)、金属颗粒传感器(15)连接;金属颗粒传感器(15 )和电动三通球阀(17 )连接，电动三通球阀(17 )分别和特征样缓冲池(18 )、三通(19 )连接;特征样缓冲池(18 )和在线铁谱传感器(16)连接;在线铁谱传感器(16)和三通(19)连接;三通(19)和单向阀(20)连接;单向阀(20)连接监测对象回油管路。4.根据权利要求1所述的一种在用齿轮箱磨损状态在线可视监测系统，其特征在于:数据采集ARM模块(4)包括:DC电源转换块(21)、AO输出(22 )、ARM( 23 )、固态继电器(24)、RS232/485接收模块(25);数据传输(5)包括:RS232串口光纤收发器I (26)、RS232串口光纤收发器Π(27);数据远程分析处理(6)包括:上位机PC(28);DC电源转换块(21)和ARM(23)连接41?1(23)分别和六0输出(22)、1?232/485接收模块(25)、1?232串口光纤收发器1(26)连接;AO输出(22)和固态继电器(24)连接;RS232串口光纤收发器1(26)和RS232串口光纤收发器Π (27)连接，RS232串口光纤收发器Π (27)和上位机PC(28)连接。5.根据如权利要求1所述的一种在用齿轮箱磨损状态在线可视监测系统的监测方法，其特征在于: 【I】油样引入到本系统后，监测动力源(I)对油样进行预处理，采集温度，并借助加热源和强制风冷器将油样温度恒定到40°C ; 【2】恒温的油样经过粘度传感器(14)和金属颗粒传感器(15)采集数据，数据采集ARM模块(4)控制粘度传感器(14)和金属颗粒传感器(15)的工作状态，分别采集油品的40摄氏度粘度和磨损颗粒浓度及数目，数据采集ARM模块(4)按照规则控制在线铁谱传感器(16)工作； 【3】RS23光纤收发器I (26)和RS232串口光纤收发器Π (27)将采集到的数据发送到上位机PC(28)，上位机PC(28)将数据解析处理并进行显示打印存储； 【4】系统进样口设置电动阀(7)、微型齿轮油栗(8)负责提供监测过程循环动力，启停由数据采集ARM模块(4)通过控制固态继电器(24)来执行，工作模式切换由受控的调速模块(9)调整电机的转速来完成和实现;油样防堵塞块(II)兼容加热动作，数据采集ARM模块(4)获取粘度传感器(14)中的温度来控制加热棒工作的启停，温度超过设定值将通过强制风冷进行降温； 【5】进入粘度传感器后，获取油样的粘度、密度、温度、金属颗粒分布情况及数目等信息，由数据采集ARM模块执行传送传输，并控制在线铁谱传感器工作状态，并将相关的图片信息发送到上位机PC; 【6】采用DC24V供电，DC电源转换块将AC220V转为24V，数据采集ARM模块具备RS232/485通讯功能、传感器发送指令，AO输出控制微型齿轮栗、加热源、电动阀、电动三通球阀；数据采集ARM模块具备数据缓存功能，按照相应的规则发送或上传数据； 【7】控制部分由上位机PC数据库和数据采集ARM模块组成，调取规则写入数据采集ARM模块，数据采集ARM模块根据调取的数据执行相关的动作输出指令;系统具备自动学习功能并按照规则生成异常磨损相关值域。
【文档编号】G01M13/02GK106092566SQ201610495625
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】盛晨兴, 王会扬, 严新平, 袁成清, 赵江滨, 杨琨, 周新聪
【申请人】武汉理工大学