传动系的机器部件以及用于布设和/或用于启动和/或用于运行这种传动系的方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201380041873.0 | 申请日 | 2013-06-11 | 公开(公告)号 | CN104520544B | 公开(公告)日 | 2017-03-29 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | J-D.赖默斯; A.克莱因-海特帕斯; R.M.丁特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及传动系的机器部件以及一种用于布设和/或用于启动和/或用于运行机器(1)的这种传动系(2)的方法，所述传动系具有能够借助控制单元(9)控制的机器部件(3、4)和不能控制的机器部件(5-8)，其中，所述方法具有以下步骤：-为所述不能控制的机器部件(5-8)的至少一部分配备针对部件特定的数据 存储器 (12-15)，在所述数据存储器上分别保存有所述不能控制的机器部件(5-8)的由设计决定的技术数据，所述技术数据对于控制一个或多个能够控制的机器部件(3、4)来说是重要的；-将保存在所述数据存储器(12-15)上的数据传输至控制单元(9)并且-通过使用控制单元(9)并且在考虑所传输的数据的情况下控制一个或多个能够控制的机器部件(3、4)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于布设和/或用于启动和/或用于运行机器(1)的传动系(2)的方法，所述传动系具有能够借助控制单元(9)控制的机器部件(3、4)和不能控制的机器部件(5-8)，其中，所述方法具有以下步骤： |
||||||
| 说明书全文 | 传动系的机器部件以及用于布设和/或用于启动和/或用于运行这种传动系的方法 [0001] 本发明涉及一种用于布设和/或用于启动和/或用于运行机器的传动系的方法以及传动系的机器部件，所述传动系具有能够控制的机器部件和不能控制的机器部件并且与控制单元相连。 [0003] 传动系的主要部件例如是发动机、发动机联轴器、制动系统、齿轮变速箱、驱动轴、驱动轴承、频率转换器等。它们一般来自不同的工程部门并且可能在特殊机械中具有较高的集成度。作为备选，它们被整合为具有确定接口的模块并且根据需要为了不同的应用而进行组装。 [0005] 此外，需要集成运行数据的检测。运行数据的检测分为技术运行数据和组织运行数据。技术运行数据经常用SCADA系统(数据采集与监视控制系统)改写。此术语SCADA理解为借助计算机系统监测和控制技术过程。组织运行数据经常与PPS系统(生产计划和控制系统)相关。在此指的是计算机程序或者由计算机程序组成的系统，该系统在生产计划和生产控制中支持使用者并且承担与之相关的数据管理工作。PPS系统的目的是实现较短的循环时间、保证期限、实现最佳的库存量、经济地利用生产资料等。两种运行数据检测方式可以在机器结构内实现，该机器结构既能集中地构造也能分散地构造。 [0006] 尤其对于不需要通过工作人员进行运行监测或不具有可快速实现可能性地运行的机器应用，或者对于参与最危险的或具有经济价值的工艺的机器，机器的可运行能力是非常重要的。在这些机器中附加地使用用于监测状态的CMS系统(情况监测系统)或者也使用用于包括诊断错误地监测状态的CDS系统(情况诊断系统)。借助CMS/CDS系统应保护机器的运行管理以防止进入导致机器失灵的未规定的故障状态。突发出现的故障应及时报告，以便能够及时地安排维修。 [0007] 普遍认可的观点是，通过识别出故障可以使控制单元通过改变对能够控制的机器部件的控制来延长距离机器最终失灵的时间，或者通过之前修正的机器运行管理和调节控制可以实现更长的机器运行时间。目的是在相应的应用中避免机器失灵和运行循环时间增加。 [0008] 为此目的，必须为机器配备比单独进行机器运行管理或运行数据检测时明显更多的传感器。此外，必须分析扩展的运行数据检测的传感器信息。因此在选择传感器时，必须在风险分析方面考虑所有参与的机器部件。这些机器部件至少包括传导力的元件，如轴、轴承、传动机构、发动机、整流器和电源，但也包括子系统，如冷却装置、润滑油供应装置和控制设备。 [0009] 最后，监测传感器也属于对运行较重要的系统并且同样需要监测其运行能力。在由PPS、SCADA和CMS-CDS构成的信息三角形中，可以对当今已知的所有机器信息结构进行分类。 [0010] 为了确保机器按规定地运行，必须提供能够超出机器部件边界连续发挥功能的机器结构。为了进行可靠的运行管理，必须完全地理清机器部件的相互作用并且按照之后需要设计的控制予以考虑。为此，迄今认为系统模拟是建设性的，所述模拟在准备阶段伴随着研发进行使机械制造人员面临需要极多时间和花费的新问题。对机器系统的设计分两个阶段进行。首先，功率参量的标准值需要相互协调适配并且随即借助机器部件组成一个系统，所述系统应能满足动态运行管理内部的系统性能并且符合应用要求的功率曲线。然后进行控制和/或调节设计，其中确定用于运行数据检测的信息路径。除了应用的外部要求(所述外部要求规定运行管理并且需要在运行管理中通过调节器和控制参量实现)，还需要考虑机器部件之间的内部相互作用。 [0011] 这样就产生了这个问题，即必须针对所有对运行重要的要求连续地考虑所述相互作用，但这在当今在机器部件结构中只能借助制定的技术说明书实现。这种方式越来越复杂并且需要较大的耗费和关于机械制造和电子技术、控制技术、损坏诊断等单独技术规则中的单独效应的较高认知水平，以便能够考虑用于机器控制(包括损坏诊断和损坏抑制)的系统性能。在此，很大部分工作是对振荡激励进行评估。作为激励函数，例如发动机的空气缝隙力矩、传动级的齿啮合碰撞、机械制动器的作用、作用在机器上的外部负荷等会对传动系的振荡系统的动力性能产生影响。 [0012] 一般最重要的减振措施是减小激励力，但所述激励力必须是对于所有部件已知的。所有其它的减振措施只在事先已经在很大程度上减小了振荡起因(即激励)时才有意义。对于减小激励力，避免激励力与抵消激励力有所不同。避免激励力的措施例如包括通过质量补偿进行平衡。通过该方法只能将由于质量不平衡引起的转速同步的激励分量减至最小。对于传动机构中的齿啮合频率的情况，例如斜齿和适当的齿校正可能导致减小。电机的换极频率同样可以通过电流控制或者机械上倾斜设置的槽来减小。整流器可以配备有特殊的过滤器。抵消激励力理解为用于通过向部件内导入力而抵消激励的主动方法。通过这种也属于主动振荡调节的方法，也可以抵消非同步的激励分量。 [0013] 通过改变系统特性减小振荡(也称为去谐)可以例如通过改变轴承钢性或者外部阻尼来实现。在此，也可以在机器部件之间使用联轴器，如弹性体轴承、被动或主动的液压弹性体轴承等。因为对于整个运行转速范围的最佳振荡减小通常需要使刚性性能或阻尼性能适配，所以近些年主要研究的是主动或半主动的方法，它们能够实现这种适配能力。去谐的被动方法包括广泛应用的用于通过使用困油减震器来提高轴承阻尼的方法。通过动态的附加系统可以显著改善临界共振中的振荡特性，所述附加系统的固有频率与机器系统的临界固有频率协调适配。但是为此，所述频率必须在整个系统上已知，这导致在最初设计和之后更换部件时需要较大耗费。 [0014] 用于诊断和预测机器或设备的运行性能的方法例如在专利文献WO 2012/160371 A2、DE 44 24 743 A1、EP 2 333 329 A2、US 7,398,652 B1、DE 196 35 033 A1和EP 1 930 855 A2中描述。 [0015] 由此背景出发，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种本文开头所述类型的方法，其中能够合成传动系的机器部件并且由此控制或调节能够控制的机器部件，以便能够简单地并且至少部分自动化地实现按规定地运行机器以及将传动系集成到上级系统和/或PPS-、SCADA-、CMS-和/或CDS-系统中。 [0016] 该技术问题按本发明通过一种本文开头所述类型的方法解决，所述方法具有以下步骤：为所述不能控制的机器部件的至少一部分配备针对部件特定的数据存储器，在所述数据存储器上分别保存有所述不能控制的机器部件的由设计决定的技术数据，所述技术数据对于控制一个或多个能够控制的机器部件来说是重要的；将保存在所述数据存储器上的数据传输至控制单元并且通过使用控制单元并且在考虑所传输的数据的情况下控制一个或多个能够控制的机器部件。 [0017] 由于在当今越来越普遍地为单独的机器部件装备传感器或者CMS单元，如轴承监测装置、传动机构诊断单元或者简单的RFID芯片，以便在维护时更好地识别构件，按照本发明能够以令人惊讶的简单方式为每个不能控制的机器部件储存数据组，所述数据组在运行管理中和由此扩展的运行数据检测范围内按照不能控制的(被动的)机器部件基本上自动地对能够控制的(主动的)机器部件进行参数化。原本就通过设计给定的被动机器部件的标准值按照本发明储存在针对部件特定的数据存储器中并且随即可以在装配传动系时进一步传输到控制单元或者由控制单元读取并且在对主动机器部件进行参数化或控制时由控2 制单元予以考虑。在此，可以使用适当的数据管理系统，如总线系统、CAN、I C、Ethernet、RS232等以及RFID或者其它读取格式。由此能够在考虑被动机器部件的由设计决定的技术数据的情况下进行非常准确地、至少部分自动化地进行合成。另一优点在于，也可以更换单独的被动机器部件，而这不会给重新合成机器部件带来较大耗费。 [0018] 在所述方法中，所述能够控制的机器部件的至少一部分优选也配备有针对部件特定的数据存储器，在所述数据存储器上分别保存有至少一个参数化区域，能够在所述参数化区域的边界内对相应的能够控制的机器部件进行控制，其中，将保存在所述能够控制的机器部件的数据存储器上的数据传输至控制单元，并且在考虑这些数据的情况下对所述能够控制的机器部件进行控制。相应地，可以自动地为控制单元提供所有待合成的机器部件的数据以便进一步应用。 [0019] 作为由设计决定的技术数据，优选保存机器部件的极限温度和/或极限转速和/或极限功率和/或惯性力矩和/或弹簧刚度和/或阻尼常量和/或负荷停留时间曲线(LDD)和/或RFC矩阵(雨流计数矩阵)和/或Campell图表(“坎贝尔图”)和/或安全系数，这将在以下单独地详细阐述。 [0020] 按照按本发明方法的一种设计方案，使用至少一个检测机器部件的实际值的传感器，其中，在考虑由所述至少一个传感器检测的实际值得到情况下对至少一个能够控制的机器部件进行调节。通过传感器可以实现自动的状态监测和基于监测数据的错误诊断(CMS/CDS)。 [0021] 有利地，为了分析目的、尤其是为了确定机器和/或单个的机器部件的负荷率和/或为了在CMS/CDS系统中进一步处理而保存由所述至少一个传感器检测的实际值和存储在所述数据存储器上的技术数据。 [0022] 此外，优选检测、保存并且分析单个的机器部件的超载次数。 [0023] 按照本发明的一种设计方案，所述不能控制的机器部件之一是齿轮箱，其中，优选将齿啮合频率和/或滚动接触频率和/或轮齿侧隙和/或扭转轮齿侧隙作为由设计决定的技术数据保存在齿轮箱的数据存储器上。 [0024] 本文开头所述的技术问题按照本发明还通过传动系的机器部件解决，所述机器部件不能通过控制单元控制(即为前述类型的被动机器部件)并且具有能够读取的数据存储器，在所述数据存储器上保存有所述机器部件的由设计决定的技术数据，所述技术数据对于控制机器的传动系的能够控制的机器部件来说是重要的。 [0025] 所述机器部件优选是齿轮箱、轴承、联轴器或者制动器。 [0026] 优选将机器部件的极限温度和/或极限转速和/或极限功率和/或惯性力矩和/或弹簧刚度和/或阻尼常量和/或负荷停留时间曲线(LDD)和/或RFC矩阵和/或Campell图表和/或安全系数作为由设计决定的技术数据保存在所述数据存储器上。 [0028] 图1示出按照本发明的一种实施形式的机器的示意图； [0029] 图2示出显示阶次1至20的阶次跟踪的图表；并且 [0030] 图3示出为了呈现阶次跟踪而显示累计的和的另一图表。 [0031] 可以是任何机器的机器1具有传动系2，通过传动系2可以驱动未详细示出的终端执行器，其形式例如是水泥磨、主导轴驱动器、研磨设备、辊、压力机、传送带等。传动系2包括多个机器部件3-8，所述机器部件由单独的机器元件或者由模块组成。机器部件3和4是主动机器部件，它们能够通过控制单元9控制，所述控制单元9例如是电动机、整流器等(只是举一些例子)。机器部件5-8是不能控制的被动机器部件，例如形式为轴承、传动机构、联轴器、制动器等。 [0032] 此外，传动系2包括多个传感器S，所述传感器监测机器部件3-8的预设参数并且传输给控制单元9以进行分析。 [0033] 与传统的传动系不同，按照本发明的传动系2的每个机器部件3-8均配设有针对部件特定的数据存储器10-15，在所述数据存储器上保存有相应机器部件3-8的技术数据，所述技术数据可以传输至控制单元9。在此，所述技术数据例如是相应机器部件3-8的极限温度和/或极限转速和/或极限功率和/或惯性力矩和/或弹簧刚度和/或阻尼常量和/或负荷停留时间曲线(LDD)和/或RFC矩阵和/或Campell图表和/或安全系数。此外，作为由设计决定的技术数据，对于轴承例如在配属的数据存储器上保存最小转速、最小负荷和极限加速度，对于齿轮箱保存齿啮合频率、轮齿侧隙和扭转轮齿侧隙，对于联轴器保存万向节轴的不同形性，对于制动器保存热学极限以及最小和/或最大的制动器断面，对于电动机保存极数、极对数、转子基波、转子谐波、定子基波、定子谐波、槽数、绕组相数、转子相数和杆数，并且对于整流器保存例如过滤器的节拍频率、开关斜面、谐波、谐振、传递函数、极限频率等，其中，所述技术数据并不局限于以上的列举。在主动机器部件3和4的数据存储器上还保存有参数化范围，可以在其边界内控制机器部件3或4。 [0034] 在将这些数据传输至控制单元9之后，所述控制单元可以在考虑传动系2的所有机器部件3-8的要求的情况下全自动化或半自动化地将主动机器部件3和4参数化，由此可以确保传动系2的布设、启动和运行是符合规定的。此外，当然也将各个机器部件3-8的由传感器S监测的参数的极限值传输至控制单元9，所以在此也不需要相应CMS/CDS系统的繁琐装置。另一优点在于，各个机器部件3-8或者机器部件的部分可以毫无问题地更换。新部件的针对部件特定的数据只需要被读取并且传输至控制单元9，该控制单元在此基础上自动地在必要时对系统进行所需的改变。 [0035] 以下为了更好地理解，进一步地阐述能够保存在针对部件特定的数据存储器10-15上的各个数据。 [0036] 传动系2的动态负荷基本上由三部分组成，即随时间可变的技术负荷、来自刚性体运动的运动静态负荷(初级运动)和来自结构振动的振动动态负荷(次级运动)。 [0037] 按照本发明保存在单个机器部件3-8的数据存储器10-15上的数据包括来自随时间可变的技术负荷和刚性体运动中的运动静态负荷的设计标准值(它们应理解为单个机器部件3-8的固定数据)，但优选也包括相关数据，如安全系数、用于运行强度计算的负荷停留时间曲线、雨流计数矩阵、Campell图表等。只有借助这些针对部件特定的技术数据，控制单元9才能够通过使主动机器部件3和4相应地参数化而将上述三组动态负荷保持在邻接极限值以下。 [0038] 对于所有的机器部件3-8还应该考虑功率极限、转速极限、扭矩极限和力传递极限。这些参量在主动机器部件3和4(电动机和整流器)中还从电流、电压位置、相位位置或开关频率中表现出。以上参量也应该予以考虑。热学极限由于功率流可能对于机器部件3-8来说分别是不同的，它们可能在不同的运行状态中实现。在此，数据类别的各个限制参量最终限制了控制单元9中的运行管理。因此，按照本发明将热学负荷最大的机器部件3-8视为对于整个传动系2来说是限制功率的，而无需明确地在控制单元9中对其进行参数化，因为保存在数据存储器10-15中的数据以简单的方式方法传输至控制单元9。 [0039] 作为其它的系统层面还有振动和噪声性能(次级运动)，其同样被认为受到单个机器部件3-8的强烈影响并且可以根据运行条件或转速被激励。 [0040] 机器部件3-8的机械结构基本上以它们的固有频率振荡。机械结构只利用激励频率范围内的也与相应结构的固有频率一致的部分。这些部分能够在事先不进行数据交换或者模拟的情况下未预测地越过部件就获得。此外，机电效应可能作为振荡的起因出现在机械部件中。例如，整流器的节拍速率可能出现在机器部件3-8的固有振荡中。这能够特别好地在旋转的机器中根据所谓的Campell图表或光谱图中显示，其中例如轴的转速阶次按照转速相对于构件的频率模式画出。交点可能但不是必须导致共振，因为例如没有考虑阻尼。 [0041] 为了在测量技术上研究系统和结构的振荡性能，存在多种可能性。已知的是尤其通过脉冲(锤击)或简谐振荡(正弦)进行激励。后一种变型方案也可以通过可随时间变化的频率作为激励信号(正弦扫描/啁啾)来进行。如果系统的激励频率和固有频率重合，则系统以振幅提高作为响应。在由齿轮和轴组成的系统的情况下，在运行中由齿轮箱这个系统部分本身产生激励。通过齿啮合频率激励轴或者壳体这个系统部分产生振荡。如果现在对于单个的机器部件3-8以相对较小的时间窗口进行根据时间的FFT(快速傅里叶变换)，则在每个时间点均得到一个频率范围，将这个频率范围画在图表的X轴上。在Y轴上画FFT窗口期间的平均转速。Z轴用于表示信号的振幅，其中，大多不使用3D显示并且通过颜色编码表示振幅。由此同样显示出基于真实系统测量的结构：零点射线为转速谐波，垂直的线条是系统固有频率，弯曲的线条表示相对于Campell图表的理论论述的非线性或者时间变化。系统固有频率和转速谐波相交之处出现明显的共振效应，系统对此以较大的振幅进行相应。 [0042] 从真实的Campell图表出发，能够简单地推导出阶次跟踪。为此，可以使运行指数沿阶次射线延伸并且针对每个阶次分开地记录出现的振幅。图2示出所得到的视图，其中没有显示颜色编码。在此观察第1至第20阶次。 [0043] 现在可以对阶次跟踪进行累加。如图2所示，由于相关阶次的数量较大，一般对阶次的同时显示是非常不直观的。可以通过显示累加的阶次和来减小不直观性。在此，取代第n阶次画出了阶次1至n之和，如图3所示，在此也没有显示颜色编码。 [0044] 对累加的和的显示能够简单地比较一些设置，如借助Campell图表实现的那样。在本发明的另一设计方案中，在每个数据存储器10-15上保存有相应机器部件3-8的累加的阶次之和或者Campell图表。这些数据也自动地传输至控制单元9，在控制单元9中累加不期望的运行状态以便进行运行管理参数化。这同样也可以通过关于机器部件3-8的刚性的数据或者关于其惯性力矩的数据实现。 [0045] 因此，控制单元9不只得到在每个机器部件3-8内部通过传感器检测的关于运行数据和/或CMS-CDS数据检测的传感器数据，而且同时也得到针对部件特定的极限值。 [0046] 以此方式方法明显简化了模块化构造的传动系2的参数化。尤其是迄今只具有CMS-CDS系统的被动机器部件5-8能够以按照本发明的方式连入机器控制装置中。 [0047] 更换机器部件3-8不会使改变的机器部件错误地过载，而这在没有按照本发明的数据交换的情况下则可能发生。 [0048] 如果通过数据存储器10-15提供机器部件3-8的由传感器S监测的参数的极限值，则迄今对CMS/CDS系统的参数化过程被明显地简化。 [0049] 尤其是用于齿轮箱齿部的标志和齿轮箱和轴上的支承位置由原因决定地单纯取决于它们的几何关系。所述几何关系可以在机械设计时就已经按照已知的形状确定并且按照本发明通过数据存储器10-15供CMS/CDS系统使用。 [0050] 可以毫无顾虑地更换机器部件3-8，例如更换齿轮箱，因为CMS/CDS系统自动地得到新的数据。 [0051] 关于激励频率如滚动接触频率、齿啮合频率等的数据组可以针对轴承、轴和齿部等同地计算或者根据机器部件3-8测量并且保存为数据组。 [0053] 在此，除了轴应力和轴承电流，这些机器运行中不期望的效应的原因是电动机出现谐波。简化来说例如针对电动机的磁性噪音产生可以观察整流器电源的基本场。所述基本场可以从整流器的谐振对于机器的谐振等效图的作用而推导出。在此也可以为每个机器部件给出谐振等效图。 [0054] 除了直接的机器部件运行数据组和其在设计上确定的极限值(转速、转速极限、扭矩、最大负荷、轴承温度和轴承最大温度等)和间接的机器部件运行数据组(Campell图表、应用的LDD、应用的RFC)，也可以保存用于控制器的特殊参量。在此，可以保存用于机器的最大加速度和简单的运行模板(例如维护位置、停放位置、空转极限)，它们可能只对于一个机器部件3-8是特殊的并且在正常情况下明确地保存在控制单元9中。 [0055] 但是因为机器部件3-8具有传感器S和相应的数据存储器10-15，控制单元9可以按照本发明地通过读入针对部件特定的数据自动参数化或者对于使用者来说强烈地简化，因为他可以有针对性地在本地读取数据。 [0056] 只要不是基本的设计标准数据，数据可能根据机器部件3-8的类型是不同的。极限转速、极限功率、惯性力矩、弹簧刚度和阻尼常量和所应用的LDD或RFC还有例如Campell图表或传递函数主要对于所有机器部件3-8均可以保存为数据组，而也有一些机器部件数据只针对特殊的机器部件3-8进行保存。这种用于轴承、齿轮箱、联轴器、制动器、电动机和整流器的数据的例子在本文开头已经提到过，所以在此不再赘述。 [0057] 此外，加速度(碰撞)、负荷转换、负荷转换引起的振动循环以及任何形式的超过单个部件极限值的情形均作为待通过传感器检测的特殊效应。 [0058] 由于与部件相关地提供数据或进行数据通信，可以实现简化的被动和主动的运行管理。 [0059] 主动的振荡削减一般理解为用于减小振荡的方法，所述方法基于经典的调节回路(反馈调节、闭环控制)。为此需要适当的传感器和执行元件，它们在此取决于部件水平。在此，所使用的执行元件可以直接作用在旋转的转子或者支承部位上，但也可以将电动机视为这种执行元件。在此，按照本发明能够以强烈简化的方式方法采用这种系统，所述系统自动地从其机器部件3-8得到临界运行的转速或扭矩，并且运行管理装置可以相应地根据所述数据(被动)控制并且根据传感器值附加地(主动)调节。 [0060] 在本发明的一种实施形式中，数据存储器10-15由能够处理测量值的计算单元(FPGA芯片、微处理器、工业计算机)组成，其除了数据存储还能确保进行适当的测量值处理和保存。但为了相同的目的也可以使用CMS/CDS单元。 [0061] 在本发明的另一种设计方案中，传感器S的运行数据和所保存的机器部件3-8的数据用于计算出相对于设计数据所确定的负荷之和。由此可以保存在负荷、扭矩、转速或者振荡方面超过极限值的情形。可以相对于设计使用的值计算关于每个单独的机器部件3-8的测量出的LDD或RFC值。因此对负荷相关的参量进行恒定的测量，这些参量随即作为最初的额定数据组之外的实际数据被保存。 [0062] 在本发明的另一种设计方案中，数据可以为了维护目的被读取或者在更换机器部件3-8内部的单个部分时再次保存到配属的数据存储器10-15中，在必要时补充其它数据。 [0063] 以适当的方式方法能够将对用于部件使用寿命设计的数据组(RFC、LDD、负荷循环极限)的额定-实际-对比用于计划维护工作。 [0064] 尽管通过优选实施例详细地解释和描述了本发明，但本发明并不局限于所公开的例子，并且本领域技术人员可以从中推导出其它变型方案，只要不超出本发明的保护范围即可。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈